Бортовая система электроснабжения для электрических самолетов
Аннотация
Создание электрических самолетов, в которых помимо отсутствия пневматических и гидравлических трансмиссий, будет использоваться электрическая тяга — одно из перспективных направлений в авиационной технике. В качестве примера приведен проект электрического самолета Х-57 Maxwell, разрабатываемого NASA, оснащенного 14-ю тяговыми электрическими двигателями.
С учетом недостаточной энергетической эффективности современных аккумуляторных батарей рассмотрена аккумуляторно-генераторная система электроснабжения для электрических самолетов. В ней тягу самолета обеспечивают электрические двигатели, а источником электрической энергии являются аккумуляторные батареи с магнитоэлектрическими генераторами. При этом ротор генератора вращает вспомогательный двигатель внутреннего сгорания, работающий в экономном режиме работы. Предложена силовая схема активного выпрямителя с двухполярным выходным напряжением + 270 В, обеспечивающая синусоидальную форму кривой фазного тока магнитоэлектрического генератора и коэффициент мощности, близкий к единице. В системе управления активного выпрямителя использована модернизированная фазовая автоподстройка частоты (Enhanced Phase-Locked Loop), позволяющая исключить применение датчиков положения ротора генератора. Для определения областей устойчивости и выявления нежелательных скрытых аттракторов в анализируемой аккумуляторно-генераторной системе электроснабжения предложено применять специальные аналитико-численные вычислительные процедуры на базе модификаций методов функций Ляпунова.
Настоящая работа представляет интерес для разработчиков как авиационных, так и наземных автономных систем электроснабжения с двухполярным напряжением 270 В постоянного тока, к которым предъявляются повышенные требования по улучшению массогабаритных и энергетических показателей.
Литература
1.Макаров О. Вверх на электричестве: электросамолеты будущего // Популярная механика. 2018. № 1(183). С. 64—70.
2.Лёвин А.В., Алексеев И.И., Харитонов С.А., Ковалёв Л.К. Электрический самолёт: от идеи до реализации. М.: Изд-во Машиностроение, 2010.
3.Резников С.Б., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. М.: Изд-во «МАИ-Принт», 2010.
4.Бочаров В.В., Постников В.А., Резников С.Б., Харченко И.А. Энергоэкономичная комбинированная система электроснабжения с высоким качеством электроэнергии для концепции «полностью электрифицированного самолета» // Труды МАИ. 2012. № 58. С. 2—14.
5.Левин А.В., Мусин С.М., Харитонов С.А., Ковалев К.Л., Герасин А.А., Халютин С.П. Электрический самолет: концепция и технологии. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2014.
6.Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and Avionics Subsystems Integration. N.-Y.: John Wiley&Sons Ltd., 2008.
7.Харитонов С.А. Система «синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов — активный выпрямитель» (математическая модель) // Электротехника. 2009. № 12. С. 33—42.
8.Бачурин П.А., Коробков Д.В., Харитонов С.А., Хлебников А.С. Система электропитания постоянного тока с магнитоэлектрическим генератором // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2016. № 3(146). С. 26—32.
9.Бачурин П.А. и др. Системы генерирования электрической энергии постоянного тока на базе магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя // Научный вестник НГТУ. 2015. № 2(59). С. 43—58.
10.Волков А.Г. Многозонные электронные конверторы для автономных систем генерирования электрической энергии: дис. … канд. техн. наук. Новосибирск: Новосибирский гос. техн. ун-т, 2016.
11.Clements N., Venkataramanan G., Johns T.M. Design Considerations for Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator // Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. San Jose, 2009. Рp. 2763—2770.
12.Сорокин Д.А., Вольский С.И. Сопоставительный анализ схемотехнических решений трехфазных преобразователей AC/DC // Электроника и электрооборудование транспорта (ЭЭТ). 2018. № 5. С. 10—15.
13.Пат. № 192844 РФ. Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности / Д.А. Сорокин, С.И. Вольский // Бюл. изобрет. 2019. № 28.
14.Sorokin D., Volskiy S., Skorokhod Y. Development of the Control System for Three phase Power Factor Corrector // Proc. Intern. Sci. and Techn. Conf. Smart Energy Syst. Nurnberg, 2019. Рp. 1813—1819.
15.Сорокин Д.А., Вольский С.И. Математическая модель трехфазного преобразователя переменного тока с двухполярной несбалансированной нагрузкой // Практическая силовая электроника. 2019. № 2(74). С. 2—7.
16.Karimi-Ghartemani M. Enhanced Phase-locked Loop Structures for Power and Energy Applications. N.-Y.: John Wiley&Sons. 2014.
17.Karimi-Ghartemani M., Ooi B.T., Bakhshai A. Application of Enhanced Phase-locked Loop System to the Computation of Synchrophasor // IEEE Trans. Power Delivery. 2011. No. 26(1). Рp. 22—32.
18.Leonov G. e. a. Hold-in, Pull-in, and Lock-in Ranges of PLL Circuits: Rigorous Mathematical Definitions and Limitations of Classical Theory // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers. 2015. V. 62. No. 10. Рp. 2454—2464.
19.Alexandrov K. e. a. Pull-in Range of the PLL Based Circuits with Proportionally-integrating Filter // IFAC-Papers On-line. 2015. V. 48. No. 11. Pp. 720—724.
20.Karimi-Ghartemani M. e. a. A New Phase-locked Loop System for Three-phase Applications // IEEE Trans. Power Electronics. 2013. No. 28(3). Pp. 1208—1218.
21.Leonov G.A., Kuznetsov N.V., Yuldashev M.V., Yuldashev R.V. Analytical Method for Computation of Phase-detector Characteristic // IEEE Trans. Circuits and Systems II: Express Briefs. 2012. V. 59(10). Pp. 633—637.
22.Bouzida A., Abdelli R., Ouadah M. Calculation of IGBT Power Losses and Junction Temperature in Inverter Drive // Proc. VIII Intern. Conf. Modelling, Identification and Control. Algiers, 2016. Pp. 768—773.
---
Для цитирования: Вольский С.И., Кузнецов Н.В., Юлдашев М.В., Сорокин Д.А., Юлдашев Р.В. Бортовая система электроснабжения для электрических самолетов // Вестник МЭИ. 2021. № 2. С. 43—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-43-50.
#
1.Makarov O. Vverkh na Elektrichestve: Elektrosamolety Budushchego. Populyarnaya Mekhanika. 2018;1(183):64—70. (in Russian).
2.Levin A.V., Alekseev I.I., Kharitonov S.A., Kovalev L.K. Elektricheskiy Samolet: ot Idei do Realizatsii. M.: Izd-vo Mashinostroenie, 2010. (in Russian).
3.Reznikov S.B., Bocharov V.V., Kirillov V.Yu., Postnikov V.A. Elektroenergeticheskaya i Elektromagnitnaya Sovmestimost' Transportnogo Elektrooborudovaniya s Vysokovol'tnymi Tsepyami Pitaniya. M.: Izd-vo «MAI-Print», 2010. (in Russian).
4.Bocharov V.V., Postnikov V.A., Reznikov S.B., Kharchenko I.A. Energoekonomichnaya Kombinirovannaya Sistema Elektrosnabzheniya s Vysokim Kachestvom Elektroenergii dlya Kontseptsii «Polnost'yu Elektrifitsirovannogo Samoleta». Trudy MAI. 2012;58:2—14. (in Russian).
5.Levin A.V., Musin S.M., Kharitonov S.A., Kovalev K.L., Gerasin A.A., Khalyutin S.P. Elektricheskiy Samolet: Kontseptsiya i Tekhnologii. Ufa: Izd-vo UGATU, 2014. (in Russian).
6.Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and Avionics Subsystems Integration. N.-Y.: John Wiley&Sons Ltd., 2008.
7.Kharitonov S.A. Sistema «Sinkhronnyy Generator s Vozbuzhdeniem ot Postoyannykh Magnitov — Aktivnyy Vypryamitel'» (Matematicheskaya Model'). Elektrotekhnika. 2009;12:33—42. (in Russian).
8.Bachurin P.A., Korobkov D.V., Kharitonov S.A., Khlebnikov A.S. Sistema Elektropitaniya Postoyannogo Toka s Magnitoelektricheskim Generatorom. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit. 2016;3(146):26—32. (in Russian).
9.Bachurin P.A. i dr. Sistemy Generirovaniya Elektricheskoy Energii Postoyannogo Toka na Baze Magnitoelektricheskogo Generatora i Aktivnogo Vypryamitelya. Nauchnyy Vestnik NGTU. 2015;2(59):43—58. (in Russian).
10.Volkov A.G. Mnogozonnye Elektronnye Konvertory dlya Avtonomnykh Sistem Generirovaniya Elektricheskoy Energii: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Novosibirsk: Novosibirskiy Gos. Tekhn. Un-t, 2016. (in Russian).
11.Clements N., Venkataramanan G., Johns T.M. Design Considerations for Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator. Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. San Jose, 2009:2763—2770.
12.Sorokin D.A., Vol'skiy S.I. Sopostavitel'nyy Analiz Skhemotekhnicheskikh Resheniy Trekhfaznykh Preobrazovateley AC/DC. Elektronika i Elektrooborudovanie Transporta (EET). 2018;5:10—15. (in Russian).
---
For citation: Volskiy S.I., Kuznetsov N.V., Yuldashev M.V., Sorokin D.A., Yuldashev R.V. On-Board Power Supply System for Electric Aircrafts. Bulletin of MPEI. 2021;2:43—50. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-43-50.
