Анализ создания пускового момента трехкаскадного синхронного генератора для новой электростартерной системы на базе водородных топливных элементов

Современные тенденции в отраслях, связанных с автономными, подвижными объектами, такими как авиастроение, направлены на увеличение доли электрификации или на полную замену всех агрегатов в пользу электрических. Замена узлов и агрегатов на полностью электрические соответствует концепции полностью электрического самолета, основой которого являются новые источники питания и источники электродвижения, такие как – литий-ионные аккумуляторы, водородные элементы питания, источники на основе возобновляемой энергетики. В то же время повышаются требования к энергоэффективности и массогабаритным показателям узлов и агрегатов. Эти потребности могут быть учтены за счет многоцелевого использования оборудования, а также с помощью новых систем, сочетающих в себе ряд функций. В статье рассматривается использование авиационного трёхкаскадного синхронного генератора в качестве пускового устройства для газотурбинного двигателя. Проанализированы проблемы, связанные с использованием трёхкаскадного генератора, и предложен способ их решения. В статье представлен способ создания пускового момента с использованием реактивной составляющей электромагнитного момента для синхронного явнополюсного генератора. Анализ проведен с точки зрения формирования электромагнитного момента в авиационном генераторе с помощью инвертора напряжения. Получено обобщенное выражение для момента, регулируемое и управляемое электрическими параметрами преобразователя частоты.

1. . A. Eid, H. El-Kishky, M. Abdel-Salam and M. T. El-Mohandes, «On Power Quality of Variable-Speed Constant-Frequency Aircraft Electric Power Systems,» in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 25, no. 1, pp. 55-65, Jan. 2010.

2. . V. Madonna, P. Giangrande and M. Galea, «Electrical Power Generation in Aircraft: Review, Challenges, and Opportunities» in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 4, no. 3, pp. 646-659, Sept. 2018.

3. . J. Pötter, M. Pfost and G. Schullerus. «A Novel Brushless Excitation System for Synchronous Machines with a Rotating Power Converter». 2019 IEEE 13th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), Sonderborg, Denmark, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/CPE.2019.8862391.

4. . J. Kang, Y. Liu and L. Sun. «A Primary-Side Control Method of Wireless Power Transfer for Motor Electric Excitation». 2019 14th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Xi’an, China, 2019, pp. 2423-2428, doi: 10.1109/ICIEA.2019.8834016.

5. . Y. Juan, X. Haiyi and Y. Zhangang. «An Active Control Excitation Method of Three-Stage Brushless Synchronous Starter/Generator in Electric Starting Mode for MEA», in IEEE Access, vol. 9, pp. 109763-109774, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3102049.

6. . J. Chen, C. Wang and J. Chen, «Investigation on the Selection of Electric Power System Architecture for Future More Electric Aircraft», in IEEE Transactions on Transportation Electrification. – Vol. 4, no. 2, pp. 563-576, June 2018.

7. . J. He, D. Zhang and D. Torrey. «Recent Advances of Power Electronics Applications in More Electric Aircrafts». – 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), 2018, pp. 1-8.

8. . M. A. Zharkov and V. E. Sidorov. «Electric Starter System for Launching a Gas Turbine Aircraft Engine». 2019 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). – 2019, pp. 700-704.

9. . M. A. Zharkov, S. A. Kharitonov, V. E. Sidorov and R. Y. Dubkova. «The Analysis of the Reactive Launch of Three-stage Synchronous Generator for Aviation Starter-Generator Device». – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 2019, pp. 1-5.

10. . J. Pötter, M. Pfost and G. Schullerus. «Design Aspects of a Novel Brushless Excitation System for Synchronous Machines». 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), San Diego, CA, USA, 2019, pp. 1228-1233, doi: 10.1109/IEMDC.2019.8785200.

11. . S. Mao, X. Han, J. Li, Q. Zhang, Z. Hu and L. Xu. «Initial Rotor Position Estimation of Brushless Synchronous Starter/Generators Based on the Excitation System». IECON 2021 – 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Toronto, ON, Canada. – 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/IECON48115.2021.9590000.

12. . Z. Zhang et al. «Research on excitation control method for the three-phase brushless asynchronous excitation system of wound-field synchronous starter/ generators». 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Cincinnati, OH, USA, 2017, pp. 2074-2078, doi: 10.1109/ECCE.2017.8096413.

13. . F. Yao, Q. An, X. Gao, L. Sun and T. A. Lipo. «Principle of Operation and Performance of a Synchronous Machine Employing a New Harmonic Excitation Scheme» in IEEE Transactions on Industry Applications. – Vol. 51, no. 5, pp. 3890-3898, Sept.-Oct. 2015, doi: 10.1109/TIA.2015.2425363.

14. . M. D. López, C. A. Platero, E. Rebollo and F. R. Blanquez. «Simplified model of brushless synchronous generator for real time simulation». 2015 IEEE 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC). – Rome, Italy, 2015, pp. 71-76, doi: 10.1109/EEEIC.2015.7165382.

15. . J. Wei, Y. Yang, B. Zhou and J. Xue. «The integrated method of AC excitation and high-frequency signal injection for the sensorless starting control of brushless synchronous machines». IECON 2017 – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, China. – 2017, pp. 4188-4193, doi: 10.1109/IECON.2017.8216718.

16. . Волокитина Е. В. Исследования по созданию системы генерирования и запуска маршевого двигателя в концепции полностью электрифицированного самолета. Часть 1 / Е. В. Волокитина // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2011. – № 4. – С. 24-28.

17. . Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. JI.: Изд-во «Энергия», 1974.

18. . Иванов-Смоленский A. B. Электрические машины: Учеб. для вузов. 1. – М.: Энергия, 1980.

19. . Балагуров В. А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. – М.: Высшая школа, 1990. – 272 с.

20. . Firago B. I. Theory of electric drive. Minsk: JSC «Technoperspektiva», 2004. – Р. 527.

21. . Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.

22. . Слежановский О. В. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 256 с.

23. . Gusev A. L., Kazaryan M. A. Hydrogen Storage. Bayer Material Science (BMS) & The International Science and Technology Center (ISTC). Research Conference, Moscow, Russia, 2007; 40-41.

24. . Gusev A. L., Malozemova E. P., Veziroglu T. N., Hampton M. D. LH2 ultra-long storage technology. Collection of abstracts of the IX International Student Scientific Conference «Polar Lights – 2006. Nuclear Future: Security, Economics and Law». – St. Petersburg, 2006; рр. 182-184.

25. . Gusev A. L. Electrosorption phenomena in layers of shield-vacuum heat insulation of hydrogen reservoirs // Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 4. 2007.

26. . Gusev A. L., Kazaryan M. A. Hydrogen Storage. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 4. 2007.

27. . A. L. Gusev, M. A. Kazaryan. Hydrogen Storage. Bayer Matarial Science (BMS) & The International Science and Technology Center (ISTC). Research Conference, Moscow, Russia, 23-24 January 2007. 40-41.

28. . Gusev A. L. Main environmental problems of the Nizhny Novgorod region and the transition to a hydrogen economy // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. – 2006. – No. 1. – Р. 13-24.

29. . Gusev A. L. Hydrogen for Progress. The Second International Conference Alternative sources of energy for big cities. – 2006. – Р. 22.

30. . Frederic A. Lewis. Hydrogen Economy Forum in Russia. Second International Symposium on Safety and Economy of Hydrogen Transport // Platinum Metals Reviev, 2003, 47, (4).

31. . Yu. S. Nechaev, G. A. Filippov, A. L. Gusev. On the experimental and theoretical basis of developing a super hydrogen carbonaceous adsorbent for fuelcell-powered vehicles // In: Book of Abstracts of &th Biennial International Workshop «Fullerenes and Atomic Clusters» (IWAFAC’2005), June 27 – July 1, 2005. – St. Peterburg, Russia, (2005) 267.

32. . Yu. S. Nechaev, A. L. Gusev, B. K. Gupta, O. N. Srivastava, T. N. Veziroglu. On the experimental and theoretical basis developing a «super» hydrogen adsorbent // In: Transactions of International conference «Solid State Hydrogen Storage – Materials and Applications». – January 31 – February 1, 2005, Hyderabad, India (2005).

33. . Yu. S. Nechaev, G. A. Filippov, A. L. Gusev. On the experimental and theoretical basis of developing a super hydrogen carbonaceous adsorbent for fuelcell-powered vehicles // In: Book of Abstracts of &th Biennial International Workshop «Fullerenes and Atomic Clusters» (IWAFAC’2005), June 27 – July 1, 2005. – St. Peterburg, Russia, (2005) 267.

34. . Yu. S. Nechaev, A. L. Gusev, B. K. Gupta, O. N. Srivastava, T. N. Veziroglu. On the experimental and theoretical basis developing a «super» hydrogen adsorbent // In: Transactions of International conference «Solid State Hydrogen Storage – Materials and Applications». – January 31 – February 1, 2005, Hyderabad, India (2005).

35. . Yu. S. Nechaev, A. L. Gusev, B. K. Gupta, O. N. Srivastava, T. N. Veziroglu. On using graphite nanofibers for hydrogen on-board storage. // In: Transactions of International conference «Solid State Hydrogen Storage – Materials and Applications». – January 31 – February 1, 2005, Hyderabad, India (2005).