Электромагнитные процессы в непосредственном преобразователе частоты с естественной коммутацией в составе стартер-генераторной системы летательного аппарата

В статье представлена стартер-генераторная система летательного аппарата на базе непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией. Особенностью системы является применение непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией в качестве основного преобразователя электрической энергии в составе стартер-генераторной системы. При этом непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией позволяет стартер-генераторной системе работать как в режиме генерирования электрической энергии, так и в режиме электростартерного запуска вспомогательной силовой установки или маршевого двигателя с помощь синхронного генератора. Предложен алгоритм анализа электромагнитных процессов в непосредственном преобразователе частоты с естественной коммутацией в составе стартер-генераторной системы и детально рассмотрен в качестве примера для однофазного по выходу преобразователя. Спектральным методом расчета определены переключающие функции вентилей преобразователя, найдено выражение для тока нагрузки и определен его спектральный состав. В статье представлен результат компьютерного моделирования исследуемой системы, позволяющий подтвердить справедливость предложенного метода анализа электромагнитных процессов системы.

1. . Zharkov, M. A. Experiment results of the laboratory tests of electrical starting system powered by an AC source / M. A. Zharkov, P. A. Bachurin, S. A. Kharitonov, A. V. Sapsalev, R. Yu. Sarakhanova, A. D. Kupriyanov // 17th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM-2016). – Novosibirsk: NSTU, 2016. – рр. 448-451.

2. . Zharkov, M. A. Experiment results of the laboratory tests of electrical starting system powered by a DC source / M. A. Zharkov, P. A. Bachurin, S. A. Kharitonov, D. V. Korobkov, R.Yu. Sarakhanova, V.S. Simin // 17th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM-2016). – Novosibirsk: NSTU, 2016. – pp. 623-627.

3. . Давидов, А. О. Энергетическая установка полностью электрического самолета / А. О. Давидов, Б. В. Жмуров // Электропитание. – 2016. – № 2. – С. 7-11.

4. . Лёвин, А. В. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования / А. В. Лёвин, С. П. Халютин, Б. В. Жмуров // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2015. – № 213 (3). – С. 50-57.

5. . Грузков, С. А. Электрооборудование летательных аппаратов: в 2-х томах. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. Учебник для ВУЗов. – Москва: МЭИ, 2005. – С. 13-44.

6. . Zharkov, M. A. Mathematical Model of the Starter System Based on a Three-Stage Synchronous Generator with Damping Cage / M. A. Zharkov, S. A. Kharitonov, V. S. Simin, D. V. Korobkov, A. G. Volkov, I. O Bessonov // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. – Novosibirsk: NSTU, 2015. – pp. 422-426.

7. . Zharkov, M. A. Starting Mode of Three Stage Brushless Generator Operation / S. A. Kharitonov, A.V. Sapsalev, A.S. Kharitonov // 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED). – Ekaterinburg: Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 2018.

8. . Стартер-генераторная система для вспомогательной силовой установки / Лёвин А. В., Халютин С. П., Давидов А. О. [и др.] // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2017. – № 5. – С. 55-66.

9. . Власов, А. И. Магнитоэлектрический стартер-генератор в системе электроснабжения самолетов нового поколения: автореферат диссертации …к-та. техн. наук: 05.09.01 / Власов Андрей Иванович. – Чебоксары, 2010. – 20 с.

10. . Адаптивная стартер-генераторная система для летательных аппаратов: пат. 2713390 Росс. Федерация: 05.02.2020.

11. . Sidorov, V. E. Applying the estimation system for synchronization of thyristor rectifier operating from the permanent magnet synchronous machine / V. E. Sidorov, M. A. Zharkov, D. V. Korobkov, M. V. Balagurov, A.G. Volkov // 18th International Conference of Young Specialists on Micro/ Nanotechnologies and Electron Devices. – Novosibirsk: NSTU, 2017. – pp. 579-583.

12. . Bose, B. K. Power Electronics And Motor Drives: Advances and Trends / B. K. Bose. – United States: Academic Press, Cop 2020. – 1108 p.

13. . Yazhou Liu The Power Quality Impact of Cycloconverter Control Strategies / Yazhou Liu, Gerald Thomas Heydt, Ron F. Chu // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2005. – № 2. – pp. 1711-1718.

14. . Maamoun, A. Development of cycloconverters / A. Maamoun // Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology. – Montreal, Canada: IEEE, 2003. – pp. 521-524.

15. . Nelson, R. Power circuit analysis of a cycloconverter-induction motor drive system / R. H. Nelson // Power Processing and Electronics Specialists Conference. – Atlantic City, USA: IEEE, 1972. – pp. 71-80.

16. . Belousov, E. V. Evaluation of limit regulation values for positional electric drive in a system equipped with cycloconverters / E. V. Belousov, A. M. Zhuravlev // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. – St. Petersburg, Russia: IEEE, 2017.

17. . Cycloconverter Based Three Phase Induction Motor to Replace Flywheel of the Process Machine / M. V. Palandurkar, M. A. Chaudhari, J. P. Modak, S. G. Tarnekar // 7th International Conference on Power Electronics and Drive Systems. – Bangkok, Thailand: IEEE, 2007. – pp. 1559-1562.

18. . Balog, R. S. Commutation technique for highfrequency link cycloconverter based on state-Machine control / R. S. Balog, P. T. Krein // IEEE Power Electronics Letters. – 2005. – № 3. – pp. 101-104.

19. . A new single-phase to three-phase cycloconverter for low cost AC motor drives / Xiaofeng Yang; Ruixiang Hao; Xiaojie You; Trillion Q. Zheng // 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. – Singapore: IEEE, 2008. – pp. 1752-1756. (19)

20. . Klug, R. -D. High power medium voltage drives - innovations, portfolio, trends / R. -D. Klug; N. Klaassen // European Conference on Power Electronics and Applications. – Dresden, Germany: IEEE, 2005. – pp. 1-10.

21. . Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. – С. 471-477.

22. . Sarakhanova, R. Yu. Cycloconverter based on bridge circuit for power supply system of autonomous objects / S. A. Kharitonov // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. – Novosibirsk: NSTU, 2016. – pp. 472-476.

23. . Kharitonov, S. A. An analytical analysis of a wind power generation system including synchronous generator with permanent magnets, active rectifier and voltage source inverter // Wind power. – Rijeka, Croatia: INTECH, 2010, – pp. 23-72.

24. . Харитонов, С. А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов: Монография. Новосибирск: НГТУ, 2011. – 533 с.

25. . Dubkova, R. Yu. Calculation of the voltage inverter parameters in the starter-generator system of the aircraft / I. S. Dubkov, M. A. Zharkov, S. V. Klassen // 19th International Conference of Young Specialists on Micro/ Nanotechnologies and Electron Devices. – Novosibirsk: NSTU, 2018. – pp. 511-514.

26. . ГОСТ 54073-2010. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. – 2011.

27. . Лёвин, А. В. Электрический самолёт: от идеи до реализации: Монография / А. В. Лёвин, И. И. Алексеев, С. А. Харитонов, Л. К. Ковалёв // М.: Машиностроение, 2010. – 288 с.

28. . Jia Wang, Jian Zheng, «Operational Scenarios Oriented Aircraft Emergency Power Supply System Design and Integration», in 6th Asia Conference on Power and Electrical Engineering (ACPEE), Chongqing, China, 2021 year, pp. 1628-1632.

29. . Jiemin Zhou. Aircraft electrical system. Beijing: Science Press, 2010, pp 40-60. (29)

30. . A. Chekin, Ya. Moroshkin, K. Gubernatorov and M. Kiselev, «Impact of reliability of state-of-the-art electrical units on architecture of power supply system of modern aircraft», in International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), Ufa, Russia, 2019 year.

31. . Moir I., Seabridge A. and Jukes M. «Civil Avionics Systems,» – 2nd Edition. John Wiley & Sons, Ltd. Published, 2013. 602 p.

32. . Alessandro Birolini, Springer-Verlag, «Quality and Reliability of Technical Systems», Berlin Heidelberg, 1994.

33. . 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.

34. . J. Falck, C. Felgemacher, A. Rojko, M. Liserre, P. Zacharias. «Reliability of Power Electronic Systems: An Industry Perspective», IEEE Industrial Electronics Magazine. 2018. Vol. 12. No. 2, pp. 24-35.

35. . A. Efimov, S. Melnikov, A. Garganeev. «Simulation of Aircraft Electrical Power Supply System», in IV International Conference on Information Technologies in Engineering Education (Inforino), Moscow, Russia, 2018 year.

36. . Левин, А. В. Проектирование генератора с редкоземельными магнитами в системе электроснабжения летательных аппаратов / А. В. Левин, Д. В. Левин, Э. Я. Лившиц, Б. С. Зечихин // Электричество. – 2009. – № 10. – С. 41-47.

37. . R. T. Schreiner, A. A. Efimov, G. S. Zinoviev, K. N. Koryukov, I. A. Muhamatshin, A. I. Kalygin. «Predictive Ladder Vector Control Frequency Converters Active in the AC Drive Systems», Electrical Engineering, 2004, no. 10, pp. 43-50.

38. . Ефимов, А. А. Управление активными преобразователями в системах электроснабжения и электропривода /А. А. Ефимов, И. А. Мухаматшин. // Известия Российской Академии Наук. Энергетик. – 2005. – № 4. – С. 91-112.

39. . Ефимов, А. А. Регулировочные характеристики активных однофазных преобразователей тока A. A. / А. А. Ефимов, С. Ю. Мельников // Завалишинские чтения 16. Сборник докладов. – Санкт-Петербург, 2017. – С. 157-162.

40. . G. Odnokopylov, A. Bragin. «Algorithms of fault tolerant control of induction motor electric drive in phase loss operate mode» in International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON)», Omsk, Russia, 2015 year.

41. . Солодовников, В. В. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления // М.: Машиностроение, 1976. – С. 735.

42. . R. Sarakhanova, S. Kharitonov, M. Zharkov, P. Bachurin. «Evaluation of the Steepness of the Transfer Characteristic by Current of the Cycloconverter», in IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, Russian Federation, 2023 year, pp. 1100-1103.

43. . S. Kharitonov, A. Kharitonov, A. Khristolyubova, E. Bukina, I. Bakhovtsev. «Zero Sequence Astatic Control of Three-Phase Four-Leg Voltage Source Inverter of Power Supply System», in 1st International Conference Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, Russia, 2020 year, pp. 136-144.

44. . 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.

45. . 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.