Система генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты для летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Макаров, Денис Владимирович

• Макаров, Денис Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Макаров, Денис Владимирович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1. История развития и классификация систем генерирования

электрической энергии

1.2. Системы генерирования электрической энергии переменного тока

переменной частоты

1.3. выводы по первой главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ И РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД АНАЛИЗА СИСТЕМЫ «МЭГ-ПП»

2.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ «МЭГ-ПП»

2.3. Расчет статических режимов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты

2.4. Методика расчета параметров генератора и преобразователя на

заданную крейсерскую скорость

2.5. Выводы по второй главе

3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ

3.1. Особенности проектирования СГЭЭ переменного тока переменной частоты при неявнополюсном типе синхронного генератора

3.2. Расчет энергетических показателей СГЭЭ с дополнительными

магнитосвязанными катушками индуктивностей

3.3. Имитационная модель СГЭЭ. Алгоритм управления ПП. Результаты имитационного моделирования

3.4. Выводы по третьей главе

4. ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты для летательных аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы, рост мощности электроагрегатов на борту летательных аппаратов сопровождался качественной модификацией, заключающейся в снижении требований к стабильности частоты переменного напряжения автономных систем электроснабжения [1]. Этот факт поспособствовал появлению новых технических решений в системах электропитания [2-3] и повышенному интересу к системам генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты. Эффективность систем генерирования с переменной частотой вращения вала генератора подтверждена большим количеством исследований [4] и реализованных проектов в ветроэнергетике [5]. Исключение механической системы, стабилизирующей частоту вращения вала генератора, в общем случае приводит к увеличению энергетической эффективности в среднем на 15-^-20%. На борту летательного аппарата такое увеличение становится еще более актуальным, поскольку обеспечивает значимое снижение затрат на авиаперевозки.

Различные аспекты теоретического и практического плана построения систем генерирования и отдельных её элементов для автономных объектов нашли отражение в трудах И. И. Алексеева, В.Г. Андреева, Е.И. Беркович, Н.И. Бородина, Д.Э. Брускина, Д.А. Бута, Ю.М. Быкова, А.Г. Гарганеева, Г.В. Грабовецкого, Б.С. Зечихина, В.В. Иванцова, Ю.М. Инькова, JI.K. Ковалева, Ю.И. Конева, Н.Т. Коробана, H.H. Лаптева, A.B. Левина, В.Л. Лотоцкого, И.И. Лукина, Б.В. Лукутина, Б.А. Майбородина, В. И. Мелешин, И.В. Нежданова, В.И. Радина, Э.М. Ромаша, Г.А. Сипайлова, Л.Е. Смольникова, Б.П. Соустина, Н.П. Старовойтовой, В.Е. Тонкаля, В.В. Филатова, С.А. Харитонова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина и многих других.

Наиболее современные достижения в самолетостроении реализовались в двух проектах, А-380 и В-787, разработанных ведущими зарубежными компаниями в этой отрасли промышленности. Хотя оба проекта символизируют принципиально противоположные тенденции развития авиации, тем не ме-

нее, несмотря на значительную разницу в концепциях, в обоих проектах отказались от использования систем электроснабжения постоянной частоты, где это постоянство обеспечивается гидромеханическими приводами-генераторами [6]. На борту обоих лайнеров используется система переменной частоты, где генераторы приводятся во вращение непосредственно от редуктора коробки самолетных агрегатов. Суммарная мощность каналов генерирования переменной частоты на борту А-380 достигает 600 кВА и 1 MB А на В-787 [7]. При этом удельная масса используемых генераторов фирмы Hamilton-Sundsrand составляет примерно 0,5 кг/кВт (масса сухого генератора). Здесь также необходимо учесть, что для запуска маршевого двигателя, на борту В-787, используются два бортовых инвертора напряжения, мощностью по 150 кВт, которые следует учитывать при расчете удельных показателей всей системы. Поскольку в обоих проектах широко использованы мощные электромеханические приводы, то значительная доля мощности преобразовывается в высокое напряжение постоянного тока напряжением +/- 270В. По существу, на борту реализована централизованная вторичная система генерирования постоянного тока повышенного напряжения.

В отечественном самолетостроении (SSJ-100, Ту-204СМ, Ил-96-300, Ан-148) пока придерживаются концепции построения централизованной системы генерирования с постоянной частотой переменного напряжения, где стабилизация осуществляется за счет интегрального привода-генератора, обладающего рядом существенных недостатков, прежде всего низкая надежность, высокая стоимость и необходимость обслуживания [8-10]. Кроме того, отечественные производители генераторов такого типа сталкиваются с серьезными затруднениями при разработке конструкции, рассчитанной на высокие обороты вращения вала. В итоге, основная часть систем генерирования построена на базе зарубежных генераторов, что явно расходится с экономическими программами развития. При этом нужно понимать, что попытки реализовать отечественные аналоги в качестве импортозамещения потребуют существенных капиталовложений, с целью достижения характеристик систем генери-

рования не хуже чем у зарубежных производителей. В этой связи, целесообразным могло бы быть развитие иных концепций построения систем электроснабжения (СЭС).

В качестве альтернативного варианта широко используемому трехкаскад-ному генератору в системах генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока переменной частоты можно рассмотреть перспективный синхронный генератор (СГ) с возбуждением от постоянных магнитов, который обеспечивает существенные преимущества в массе, габаритах и надежности, сочетающиеся с простотой конструкции [11]. Удельная масса генератора с возбуждением от постоянных магнитов может доходить до колоссально низких значений. По данным из имеющихся источников, удельная масса магнитоэлектрического генератора (МЭГ) может составлять 0,3-Ю, 1 кг/кВт [12]. Применение такого типа генератора в системе электроснабжения переменной частоты на первый взгляд не целесообразно, поскольку сложившиеся со временем концепции построения заключаются в реализации жесткой внешней характеристики генератора с токами короткого замыкания в 5-7 раз превышающих номинальное значение. Регулирование напряжения в этом случае представляется возможным только за счет стабилизации скорости вращения вала. Однако, современные разработки в области проектирования конструкции ротора и способов крепления постоянных магнитов выразились в особенности параметров статорной цепи, а именно в увеличении собственного реактивного сопротивления обмотки в несколько раз, на фоне примерно неизменившейся индуктивности рассеяния. В итоге токи короткого замыкания снизились до 3-4-ех кратных значений, причем такие значения вполне допустимы для систем электроснабжения летательных аппаратов [13]. А с точки зрения построения системы электроснабжения переменной частоты, появляется возможность регулирования выходного напряжения за счет реакции якоря.

Есть ряд исследований и запатентованных решений, основывающихся на построении системы генерирования электрической энергии переменного тока

переменной частоты на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов [14-17]. В структуре системы имеется МЭГ и полупроводниковый преобразователь (1111) на базе инвертора напряжения (ИН), работающего в обращенном режиме, реализующий функцию генерирования дополнительного реактивного тока. В зависимости от фазы этого тока, выходное напряжение на зажимах генератора может быть увеличено либо уменьшено. Кроме того, такой способ подключения инвертора напряжения позволяет компенсировать гармонический состав генерируемого напряжения [18]. Из особенностей такой структуры можно выявить ряд преимуществ по сравнению с системами прямого преобразования электрической энергии и системами, основывающихся на трехкаскадных генераторах:

• Все вышеупомянутые достоинства синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов (масса, обслуживание, технология изготовления, ресурс);

• Токи короткого замыкания, вызванного нагрузкой, минуют полупроводниковый преобразователь, что значительно снижает требования к надежности и ресурсу всей системы. Кроме того, снижается и габаритная мощность преобразователя;

• Возможность реализации стартер-генератора для запуска маршевого двигателя летательного аппарата от бортовой сети во время полета;

• Возможность компенсации высокочастотных составляющих, как в токе нагрузки, так и в генерируемом напряжении, то есть непосредственное воздействие на качество электрической энергии, отражающееся в увеличение энергетической эффективности.

Такой вариант системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты, базирующийся на параллельном подключении полупроводникового преобразователя и магнитоэлектрического генератора, из известных принципов работы может обеспечить высокое качество генерируемой электрической энергии в широком диапазоне частот вращения вала генератора.

Целью работы является анализ основных энергетических характеристик системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка математической модели системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты, обеспечивающей общий анализ энергетических показателей и алгоритмов управления в системе генерирования переменного тока переменной частоты при различных вариантах проектирования синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов.

2. Анализ электромагнитных процессов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты.

3. Синтез алгоритма управления полупроводниковым преобразователем, обеспечивающего требуемое качество генерируемой электрической энергии.

4. Разработка инженерной методики расчета оптимальных параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя при заданных показателях генерируемой электрической энергии;

5. Разработка физического макета и проведение экспериментальных исследований системы генерирования электрической энергии переменной частоты на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием базовых методов анализа теории электрических цепей. Также использованы методы аналитического и численного расчета линейных дифференциальных уравнений и имитационное моделирование в пакете прикладных программ для расчета процессов с учетом нелинейных характеристик магнитоэлектрического генератора и полупроводникового' преобразователя. В работе применяются Фурье преобразования, матричное

исчисление, различные разделы линейной алгебры и математического анализа. Экспериментальные исследования проводятся путем физического макетирования.

Достоверность полученных результатов подтверждаются корректной постановкой задач, адекватностью применения математического аппарата, а также результатами имитационного моделирования и натурального эксперимента.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложены и исследованы способы построения и стабилизации выходного напряжения магнитоэлектрического генератора с помощью параллельного подключения полупроводникового преобразователя в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты;

2. В результатах анализа энергетических характеристик и алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем при параллельной работе с магнитоэлектрическими генераторами различного типа в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты при широком диапазоне изменения частоты вращения вала генератора;

3. Предложены и исследованы три способа выбора основных параметров магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты.

Практическая значимость работы:

1. Получены результаты расчета различных структурных вариантов систем генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты;

2. Разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты;

3. Предложен алгоритм управления полупроводникового преобразователя в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способы построения энергоэффективной системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и полупроводникового преобразователя;

2. Результаты анализа влияния параметров нагрузки и синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов на энергетические показатели системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты при широком изменении скорости вращения вала генератора;

3. Результаты имитационного моделирования системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты с учетом нелинейной характеристики синхронного генератора;

4. Способы выбора основных параметров магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты при широком диапазоне изменения частоты вращения вала генератора.

Апробация работы. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:

• Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2010, 2011 гг.;

• Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, НГТУ, 2012 г.;

• Международная конференция молодых специалистов по микро/нано-технологиям и электронным приборам «EDM», Новосибирск, НГТУ, 2010, 2011,2012 гг.;

• Международная конференция молодых специалистов по энергетике IYCE, Португалия, г. Лейрия, 2011 г.;

• Международный конкурс «TECO Greentech contest 2012», Тайвань, г. Тайбэй, 2012 г.

Внедрение результатов исследований. Разработанные математические модели СГЭЭ переменного тока переменной частоты, алгоритм управления 1111 на базе инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающий улучшение энергетических показателей системы генерирования, а также методики оценки энергетических параметров СГЭЭ на базе МЭГ использованы при разработке опытно-конструкторского образца авиационной системы генерирования в рамках договора № ПЭ-01-11 на выполнение составной части опытно-конструкторской работы «Разработка и создание базового комплекта бортового оборудования пассажирских и транспортных летательных аппаратов в обеспечение их конкурентоспособности и импортозамещения в перспективных проектах» между ОАО «АКБ Якорь» и Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» от 1 сентября 2011г. Научные результаты диссертационной работы (энергоэффективный алгоритм управления ПП на базе инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией в составе автономных СГЭЭ, а так же методики оценки энергетических показателей автономных систем генерирования на базе МЭГ) внедрены в НИР, ОКР и технологические работы между ФГУП ПО «СЕВЕР» и ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет № 6413/177-78 от 27 августа 2010г в рамках договора №13.G36.31.0010 между ФГУП ПО «СЕВЕР» и Министерством образования и науки РФ на тему «Исследование, разработка и организация промышленного производства механо-тронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения» от 22 октября 2010г. и использованы при подготовке научных отчетов.

и

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 работ в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Предложенные структуры СГЭЭ переменного тока переменной частоты защищены 4 патентами на полезную модель.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в участии в постановке задач исследований, разработке структурных вариантов и математических моделей СГЭЭ переменного тока переменной частоты, аналитических и численных расчетов энергетических характеристик СГЭЭ переменного тока переменной частоты, разработке инженерной методики расчета оптимальных параметров МЭГ и ПП в составе СГЭЭ переменного тока переменной частоты, а также в анализе способов выбора основных параметров МЭГ и ПП.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений. Общий объем 168 страниц. Основная часть изложена на 160 страницах машинописного текста, иллюстрирована 83 рисунками, 7 таблицами. Список литературы содержит 73 наименования.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В этом разделе диссертационной работы будет приведен аналитический обзор систем генерирования электрической энергии, развитие и модификация системы электроснабжения на борту летательного аппарата, представлена классификация СГЭЭ по типу генерируемой энергии и предназначению. Рассматриваются основные характеристики различных систем электроснабжения летательных аппаратов, достоинства и недостатки различных типов СГЭЭ. Будут рассмотрены основные критерии выбора СГЭЭ, требования к структуре и надежности применяемых элементов системы. Отдельно будут рассмотрены СГЭЭ переменного тока переменной частоты, различные варианты построения с обоснованием достоинств и недостатков каждой из них.

1.1. История развития и классификация систем

генерирования электрической энергии

Авиационная и ракетно-космическая техника является одним из основных символов прогресса современной цивилизации, аккумулирующая достижения многих направлений науки, техники и технологий, а также стимулирующая их дальнейшее развитие. Это наиболее капигало- и наукоемкий вид техники, характеризующий уровень развития не только машиностроительных отраслей, но и всей экономики страны [19].

Современный летательный аппарат представляет собой техническую систему высокой сложности, в которой особое место отводится бортовому оборудованию, позволяющему выполнять полетное задание независимо от погодных условий и времени суток. Бортовое оборудование совершенствовалось одновременно с развитием авиационной и ракетно-космической техники и в настоящее время является сложнейшим комплексом, во многом определяющим тактико-технические и эксплуатационные характеристики летательного аппарата (ЛА).

Источники и преобразователи электрической энергии с регулирующей, защитной и контрольно-управляющей аппаратурой совместно с системой передачи и распределения электроэнергии образуют систему электроснабжения. Многообразие типов ЛА и выполняемых ими функций, неоднозначность условий эксплуатации и другие факторы исключают возможность создания единой и оптимальной для всех типов ЛА системы электроснабжения (СЭС). В настоящее время известно много типов СЭС, при этом их выбор при проектировании новых ЛА зависит от назначения летательного аппарата, установленной мощности и циклограммы его бортовых нагрузок, количества, мощности и коэффициента одновременности работы приемников постоянного и переменного тока, требований к качеству электроэнергии и т.п.. [20]

К концу 70-х годов прошлого века практически завершен многолетний поиск лучшей конструктивной схемы для бесщеточных машин переменного

тока 208/120 В стабильной частоты 400 Гц [21]. На крупных самолетах внедрена в качестве основной система электроснабжения переменного тока 200/115 В постоянной частоты 400 Гц. Интенсивное развитие полупроводниковой техники и успехи в области создания новых электротехнических и конструкционных материалов и технологий стали началом нового этапа развития авиационной электротехники. Наиболее значительными «базовыми» решениями, определившими смену поколений систем электрооборудования стали [22-23]:

• системы с непосредственным жидкостным охлаждением, в которых в качестве хладагента использовалось синтетическое масло или топливо;

• конструктивная интеграция генератора с приводом постоянной частоты вращения;

• применение новых материалов: для магнитопроводов генераторов -сталей с высоким содержанием кобальта; для обмоток - проводов с полиамидной изоляцией; для корпусных деталей - магниевых сплавов;

• широкое использование статических преобразователей, систем регулирования, защиты и управления на новой элементной базе, переход от раздельных блоков к унифицированным многофункциональным агрегатам.

В настоящее время фактически все бортовое оборудование ЛА в той или иной степени является потребителем электроэнергии, при этом с развитием авиационно-космической техники повышается количество систем оборудования, потребляющих только электрическую энергию. Наряду с этим неуклонно увеличивается общее энергопотребление, что делает установленную мощность электростанций некоторых самолетов соизмеримой с мощностью подстанций небольших городов. Все это означает, что электрооборудование стало важнейшей системой, отказ которой может привести к непоправимым последствиям [24].

Ученые и конструкторы нередко возвращаются к техническим решениям и научным идеям, выдвинутым много лет назад, но обогатившим свое время

и не получившим поэтому должного признания. К их числу следует отнести идею «электрического» самолета, в котором система электроснабжения будет единственным источником вспомогательной энергии. Электрическую энергию на воздушных судах (ВС) применяют для приведения в действие системы запуска авиадвигателя, органов управления и специального оборудования, питания радиотехнических устройств, вычислительных и счетно-решающих машин, электрических пилотажно-навигационных систем и приборов, для наружного и внутреннего освещения и обогрева [25-26].

На современных ЛА в различных сочетаниях используется электроэнергия следующих параметров [27]:

• постоянного тока низкого (27 В) и высокого (270 В) напряжения;

• переменного трехфазного или однофазного тока переменной частоты с различными значениями номинального напряжения;

• переменного трехфазного или однофазного тока постоянной частоты с различными значениями номинального напряжения.

Получение на борту электроэнергии с требуемыми параметрами обеспечивается первичными, вторичными и третичными системами. Термины «первичная», «вторичная» и т.п. СЭС определяются энергией, подвергаемой преобразованию в этой системе. В первичной СЭС осуществляется преобразование первичной (механической, химической, тепловой, гидравлической, солнечной и т.п.) энергии в электрическую. Так, на авиационных пилотируемых ЛА и некоторых типах беспилотных ЛА с электромашинными источниками питания к первичным основным системам относят те, генераторы которых приводятся во вращение маршевыми двигателями непосредственно или с помощью привода постоянной частоты вращения (самолеты), редуктором несущего винта (вертолеты), или (на ракетах) турбиной турбогенераторной установки либо маршевым двигателем [28]. Авиационная первичная вспомогательная (резервная) СЭС состоит из генератора вспомогательной силовой установки (ВСУ) со своей аппаратурой и сетью. Первичная аварийная система электроснабжения включает в свой состав аккумуляторную батарею с со-

ответствующей аппаратурой и сетью или генератор, приводимый во вращение турбиной (ветрянкой), выдвигаемой в набегающий поток воздуха [29]. Как было уже отмечено выше, наименование системы электроснабжения ЛА присваивается по типу ее первичной системы.

Вторичная (третичная) СЭС преобразует электроэнергию первичной (вторичной) системы в электроэнергию другого рода тока, напряжения или частоты. Эти системы применяются не только в основных системах генерирования, но и во вспомогательных и аварийных СЭС.

Исходя из назначения, СЭС подразделяют на основные, вспомогательные (резервные), аварийные и специальные типы.

Основная СЭС предназначена для электропитания всех приемников в течение всего времени полета ЛА.

Вспомогательная СЭС обеспечивает питание ограниченного количества приемников в наземных условиях при неработающей силовой установке, а следовательно, и основной системе электропитания или выполняет функции аварийного электроснабжения в полете при полной или частичной потере питания от основной СЭС [30].

Аварийная СЭС осуществляет электропитание в полете ограниченного количества жизненно важных приемников при полной потере электроснабжения от основной или вспомогательной системы, если она предусмотрена на ЛА.

Специальная СЭС обеспечивает электроэнергией только один определенный объект (систему противообледенения винта, специальную аппаратуру, САУ двигательной установки и т.п.). Она может работать автономно от основной и совместно с ней [31].

Каждая из перечисленных систем, кроме специальной, состоит, как правило, из двух, а иногда и более подсистем, связанных между собой через преобразующие устройства и различающихся параметрами электроэнергии (род тока, количество фаз, уровень напряжения и частоты, точность регулирования напряжения и частоты, уровень пульсаций и т.п.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Макаров, Денис Владимирович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гарганеев А.Г. Технико-экономическое обоснование создания самолета с полностью электрифицированным оборудованием / А.Г. Гарганеев, С. А. Харитонов // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. № 2(20), 2009 г.

2. Электрический самолёт: от идеи до реализации : монография / А.В. Левин, И.И. Алексеев, С. А. Харитонов, Л.К. Ковалёв . - : Москва Машиностроение, 2010. - 288 с.

3. Брускин Д.Э., Зубаткин С.И. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием // Итоги науки и техники. Сер. Электрооборудование транспорта. -М.: ВИНИТИ. 1986. -Т.6. - 108с.

4. An Analytical Analysis of a Wind Power Generation System Including Synchronous Generator with Permanent Magnets, Active Rectifier and Voltage Source Inverter : монография / S. M. Muyeen, С. А. Харитонов, Tero Halkosaari, S Umashankar , Balduino Rabelo, Sourkounis, Horizon Gitano-Briggs. - : Vukovar, Croatia Intech, 2010. - 578 c.

5. An Analytical Analysis of a Wind Power Generation System Included Synchronous Generator with Permanents Magnets and Voltage Source Inverter / H. В. Бедина, A.C. Харитонов, С. А. Харитонов // Eurocon 2007.The International conference on Computer as a tool IEEE region 8, Warsaw, Poland, September 9-12, 2007,- Pp. 2741-2748.

6. Коняхин С.Ф. Элементная база перспективных бортовых систем генерирования электроэнергии // Электроника и электрооборудование транспорта. 2008. - №5. - с.26-29.

7. Отчет о НИР. «Технические предложения по созданию системы электроснабжения и силовых электромеханических приводов». ОАО «АКБ «Якорь». Москва. 2008 г.

8. Радин А.И., Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г. Управляемые электрические генераторы при переменной частоте вращения. М.: Энергия, 1978.

9. Гарганеев А.Г. Перспективные системы электроснабжения самолета с полностью электрифицированным оборудованием / А.Г. Гарганеев, С. А. Харитонов // Труды 4 международной НТК «Электромеханические преобразователи энергии». 13-16 октября 2009 г.- Томск.- С. 21 -26.

Ю.Бертинов А. И., Мизюрин С. Р., Бочаров В. В. И др. Преспективы развития автономных систем генерирования переменного тока стабильной частоты. //Электричество.-1988.-№ 10.-с. 16-25.

11. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990.-416 е.: ил.

12. Отчет, о НИР. «Оптимизация активной зоны и параметров электрогенератора повышенной мощности для самолета с повышенным уровнем электрификации». МАИ. Москва. 2011 г.

13.Перспективы развития электроэнергетических комплексов летательных аппаратов. Научно-методические материалы под редакцией С.П. Халю-тина. М.: Изд-во ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2003.

14.Пашков П.П., Покровский Д.В. Диаграмма состояния системы Бе-Ш-В и особенности структуры ее сплавов. В кн.: Высокоэнергетические постоянные магниты и их применение в электротехнике // Тр. ВНИИЭМ, 1988, Т.85, с.93-120.

15.Куркалов И.И., Жиличев Ю.Н. Исследование магнитного поля реакции якоря и тягового усилия линейного синхронного двигателя с ферромагнитными полюсами на экспериментальной модели. -Бесконтакт, элек-трич. машины, 1980, вып. 19, с. 175-183.

16.3ечихин Б.С., Тимершин Ф.Г. Исследование магнитного поля в активном зазоре синхронной машины с постоянными магнитами. -Электромеханика, Изв. ВУЗов, 1977, №1, с.30-39.

17.3ечихин Б.С., Старовойтова Н.П., Цыбакова О.Ю. Электромагнитные поля и параметры синхронных машин с редкоземельными постоянными магнитами без полюсных наконечников. Электромеханика, 1988, №5, с.35-42.

18.Дементьев Ю.А., Кочкнн В.И., Мельников А.Г. Применение управляемых статических компенсирующих устройств в электрических сетях // Электричество. 2003. - № 9. - С.2-10.

19.Гогин Ю.А. Электрическое оборудование летательных аппаратов. М.: Во-ениздат МО СССР, 1960. - 360с.

20.Брускин Д.Э., Синдеев ИМ. Электроснабжение JIA. М.: Высшая школа, 1988. - 262с: ил.

21.Mecliam M., Noms G. Electric Jet // Aviation Week & Space Technology. -November 26,2007 - p.49-51.

22.Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. M.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1959. -594 е.: ил.

23.Кузьмичев Р.В., Левин Д.В., Мисютин Р.Ю., Зечихин Б.С. Авиационные генераторы повышенной мощности // Вестник МАИ. т. 18. №6.-2011г.-с. 39-46.

24.Electric dream // Flight international. 26 September - 2 october 2006. -p.58-59.

25.Барвинский А.П, Козлова Ф.Г. Электрооборудование самолетов. M.: Транспорт, 1990.

26. Злочевский B.C. Системы электроснабжения пассажирских самолетов. М.: Машиностроение, 1971.

27. Лукин И. И, Любимов В. В. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов Москва: Транспорт, 1970. - 278 с.

28. Левин А. В., Юхнин M. М. Системы электроснабжения перспективных летательных аппаратов Вестник воздушного флота, № 1,2004.

29. Синдеев И М. Электрооборудование летательных аппаратов Москва: Транспорт, 1982. - 272 с.

30. Электроснабжение летательных аппаратов / В. А. Балагуров, И. М. Бесе-дин, Ф. Ф. Галтеев, Н. Т. Коробан, П 3. Мастяев; под ред. Н. Т. Коробана Москва: Машиностроение, 1975.-536с.

31.Гизатулин О.Ф., Кучеренко С.А. Электроснабжение летательных аппаратов. Учебное пособие. Выпуск 10. Альбом схем и рисунков. РВВАИУ, 1989.-32с.

32. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов : монография / С. А. Харитонов. - : Новосибирск изд-во НГТУ, 2011. - 536 с.

33.Харитонов С. А. Некоторые энергетические соотношения в системе генерирования электрической энергии У'переменная скорость-постоянная частотах" на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов и инверторов напряжения. / С. А. Харитонов // Техническая электродинамика, тематический выпуск. Часть 3 - Киев-2006.- С. 51-58.

34. Харитонов С. А. Энергетические Соотношения в Системе «Магнитоэлектрический Синхронный Генератор - Активный ВыпрямительУ. / С. А. Харитонов // Электроника Сибири. Выпуск 2. (март 2007). Новосибирск, изд. НГТУ, 2007,-С.9-17.

35. Система генерирования электрической энергии У'переменная скорость — постоянная частотаУ на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и инверторов напряжения. / Н. И. Бородин, М. А. Маслов, А.В. Левин, Д. В. Коробков, М.М. Юхнин, С. А. Харитонов, Э.Я. Лившиц // Сборник тезисов. IX симпозиум У'Электротехника 2030У1. Перспективные технологии электроэнергетики. Московская обл. 29-31 мая. 2007.-С. 301-302.

36.Результаты разработки системы генерирования электрической энергии типа «переменная скорость - постоянная частота» на базе синхронного генератора и инверторов напряжения. / АС. Харитонов, Н. И. Бородин, Д. В. Коробков, М.М. Юхнин, В.В. Машинский, С. А. Харитонов, М. А. Маслов, А.В. Левин, АЮ. Храмов, ЭЛ. Лившиц // Силовая интеллектуальная электроника. Новосибирск, №1(7), 2007.- С. 17-20.

37. Харитонов С. А. Система «синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов — активный выпрямитель». (Математическая модель) / С. А. Харитонов // Электротехника, 2009.-N® 11.-С.

38.Neal Clements, Giri Venkataramanan, T.M. Jahns Design Considerations for a Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator // Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE. - pp.27632770.

39. A J. Mitcham, J. J. A. Cullen Permanent Magnet Generator Options for the More Electric Aircraft // 2002 International Conference on Power Electronics, Machines, and Drives. - Publ. No. 487. - 4-7 June 2002. - pp.241-245.

40. M. Naidu A High-Efficiency High Power-Generation System for Automobiles / M. Naidu, N. Boules, R. Henry // IEEE Transactions on Industry Applications. -Vol 33, Issue 6, Nov. - Dec. 1997, - pp.1535-1543.

41.E. Ganev High Reactance Permanent Magnet Machine for High Performance Power Generation Systems // SAE Transactions, Journal of Aerosapce. - Vol. 115 - Nov. 2006.

42.M.E. Elbuluk, M.D. Kankam Potential Starter/Generator Technologies for Future Aerospace Application// IEEE AES Systems Magazine. - Oct. 1996, pp. 1624.

43.K.W.E. Cheng Comparative Study of AC/DC Power Converters for More Elec-trric Aircraft // Seventh International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives. - 21-23 Sept. 1998, - pp.299-304.

44. A. Jian, Voltage Regulation with STATCOMs: Modeling, Control, and Results / A. Jian, K. Joshi, A. Behal, N. Mohan // IEEE Transactions on Power Delivery. -Vol. 21, Issue 2, - April 2006, - pp.726-735.

45. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие - 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

46. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск: Изд-во ИГУ, 1990. - 220 с.

47.Брованов С. В. A novel Control Strategy for Tree-Phase Rectifier with High Power Factor. / С. В. Брованов // 32-th Annual Conference of the ШЕЕ Industrial Electronics Society. Paris. France. November 7-10,2006 - P.255-261.

48. A novel Control Strategy for a Three-Phase rectifier with High Power Factor and Stable Output Voltage. / Tae-Won Chun, Hong-Heee Lee, Van-Tung, С. B. Брованов // Journal Of Power Electronics. Vol. 7 No 3, July 2007.The Korean Institute of Power Electronics, JPE 7-3-3,2007. pp.203-212.

49. A multi-pulse diode rectifier with a coupled three-phase reactor and additional small shunt active power filter. / Mysiak P, Г. С. Зиновьев, R. Strzelecki // Proc. EPE 2007.12th European Conference on Power Electronics and Applications, 25 September 2007, Aalborg Denmark, 2007.-CD.

50. Пути эволюции многоуровневых инверторов напряжения / 3. С. Темляко-ва, JL Г. Зотов, Н.Н. Лопаткин, Г. С. Зиновьев. - Киев : Киев, 2008. - 11 с.

51. Иванов-Смоленский АВ. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1969. -304с.

52. Адкинс Б. А Общая теория электрических машин. -.М.: Госэнергоиздат, 1960.-272 с.

53.Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. -928с.

54.Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.: Изд АН СССР., 1962. - 624с.

55. Система генерирования электроэнергии переменного тока при постоянной частоте вращения вала генератора / С.А. Харитонов, Д.В. Коробков, Д.В. Макаров, А.В. Левин, М.М. Юхнин, С.Ф. Коняхин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2012. - №4-5. - С.2-8.

56. Режимы работы системы генерирования электроэнергии нестабильной частоты и стабильного напряжения / А.В. Левин, С.Ф. Коняхин, М.М. Юхнин, С.А Харитонов, Д.В. Коробков, Д.В. Макаров // Авиационная промышленность. - 2012. - №4. - С.2.

57. Расчет электрических параметров системы генерирования электроэнергии нестабильной частоты и стабильного напряжения / С. А. Харитонов, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. В. Левин, С. Ф. Коняхин, M. М. Юхнин // Авиационная промышленность. - 2013. - №1. - С. 1-7.

58.К вопросу стабилизации напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной частоте вращения / С. А. Харитонов, Б.Ф. Симонов, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- Новоси-бирск:издательство Сибирского Отделения РАН, июль-август 2012. - № 4. - С. 102-115.

59. Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной нагрузке / С. А. Харитонов, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. Г. Гарганеев // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники: июнь 2012. -Томск:ТУСУР, 2012. - № 1(25), часть 1. - С.139-146.

60.Авиационная система генерирования электроэнергии / С. А. Харитонов, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. В. Левин, С. Ф. Коняхин, M. М. Юхнин // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2013. - №1. - С. 147-162.

61.Пат. 115134 Российская Федерация, МПК7 H 02 Р 9/00, H 02 Р 9/44. Система стабилизации напряжения переменного тока / заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «НГТУ», ФГУП ПО «СЕВЕР». - № 2011128321/07 ; заявл. 08.07.11 ; опубл. 20.04.12, Бюл. № 11. - 2 с.

62.Пат. 121974 Российская Федерация, МПК7 H 02 Р 9/44. Система генерирования стабильного напряжения переменного тока с изменяющейся частотой / заявитель и патентообладатель ФГУП ПО «СЕВЕР». - № 2012125955/07 ; заявл. 21.06.2012 ; опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31. - 1 с.

63.Пат. 122211 Российская Федерация, МПК7 H 02 J 3/02. Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока / заяви-

тель и патентообладатель ФГУП ПО «СЕВЕР». - № 2012125952/07; за-явл. 21.06.2012; опубл. 20.11.2012, Бюл. № 32. - 2 с.

64.Пат. 121968 Российская Федерация, МПК7 Н 021 3/16. Система генерирования стабильного напряжения трехфазного переменного тока с изменяющейся частотой / заявитель и патентообладатель ФГУП ПО «СЕВЕР». - № 2012125953/07; заявл. 21.06.2012; опубл. 10.11.2012, Бюл. №31.-2 с.

65.Макаров Д. В. Исследование системы генерирования переменной частоты постоянной амплитуды на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя / Д. В. Макаров, С. А. Харитонов, М.М. Юхнин // Техшчна електродинамша.-№ 3 май-июнь,- Кшв, 2012.- С.65-66.

66.Математическое моделирование системы генерирования электрической энергии переменной частоты с параллельно- последовательным преобразователем / П. А. Бачурин, А. В. Гейст, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. Н. Решетников, С. А. Харитонов, С.Ф. Коняхин, И.И. Алексеев, М.М. Юхнин // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск. Силова елекгрошка та енергоефектившсть. Частина 1.- Кшв, 2012.- С. 150-155.

67. Математическое моделирование системы генерирования электрической энергии переменной частоты с параллельным преобразователем / П. А. Бачурин, А. В. Гейст, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. Н. Решетников, С. А. Харитонов, С.Ф. Коняхин, И.И. Алексеев, М.А. Маслов // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск. Силова елекгрошка та енергоефектившсть. Частина 4.- Кшв, 2012.- С.157-159.

68. Стабилизация выходного напряжения синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов при переменной частоте вращения вала / А. В. Гейст, Д. В. Коробков, Д. В. Макаров, А. Н. Решетников, С. А. Харитонов // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск. Силова елекгрошка та енергоефектившсть. Частина 2.- Кшв, 2012 - С.39-46.

69.Коробков Д. В. Стабилизация выходного напряжения синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов / Д. В. Коробков, Д.

B. Макаров, С. А. Харитонов // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоефектившсть. Частина 1.- Кшв, 2012.- С.5-11.

70. Способ стабилизации выходного напряжения системы электропитания на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов при переменной частоте вращения вала / Д. В. Макаров, Д. В. Коробков, С. А. Харитонов, П. А. Бачурин, А. В. Гейст, А. Н. Решетников,

C.Ф. Коняхин, Е. И. Алгазин, М.А. Маслов // Техшчна електроди-намиса. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоефектившсть. Частина 2.- Кшв, 2012.- С.63-67.

71.Makarov, D.V. Generation system of electric energy of "variable speed -variable frequency - constant amplitude" type / D.V. Makarov, S.A. Khari-tonov, E.A. Makarova" // Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2010 International Conference and Seminar on, June 30 2010-July 4

2010. - vol., no. - pp.464-469,

72. Generation system with variable frequency and constant amplitude / D.V. Makarov, A.S. Khlebnikov, A.V. Geist, P.A. Bachurin // Energetics (IYCE), Proceedings of the 2011 3rd International Youth Conference on, 7-9 July

2011.-vol., no.-pp. 1-9.

73. Analysis of coupled inductors in AC variable frequency generation system /

D. V. Makarov, D. V. Korobkov, P. A. Bachurin, A. V. Geist, A. G. Volkov, D. A. Shtein // 14 International conference of young specialists on mi-cro/nanotechnologies and electron devices (EDM 2013), Altai, Erlagol, 1-5 July 2013. - Novosibirsk : NSTU, 2013. - P. 310-314.

Рис. 1. Имитационная модель генератора с учетом насыщения в среде Р81М

Таблица 1 - Значения параметров генератора в имитационной модели

Параметры генератора и нагрузки Значения величин

Индуктивность нагрузки 21 мГн

Сопротивление нагрузки 2.116 0м

Емкость нагрузки 169.2 мкФ

Частота вращения вала 16000 об/мин

Сопротивление фазной обмотки статора 1 мОм

Индуктивность рассеяния 35.5 мкГн

Значение амплитуды линейной ЭДС холостого хода на 1000 об/мин 43.41 В

Число пар полюсов 6

Таблица 2 - значения параметров генератора в имитационной модели

Параметры генератора и нагрузки Значения величин

Индуктивность нагрузки 234 мкГн

Сопротивление нагрузки 2.116 0м

Емкость нагрузки 1.88 мкФ

Частота вращения вала 16000 об/мин

Сопротивление фазной обмотки статора 1 мОм

Индуктивность рассеяния 35.5 мкГн

Значение амплитуды линейной ЭДС холостого хода на 1000 об/мин 43.41 В

Число пар полюсов 6

Таблица 3 - Значения индуктивностей генератора при различных значениях тока

1ь [А] и, [Гн] 1А [А] и [Гн] 1А [А] и [Гн]

-522 0.0000914 -163.125 0.000085 195.75 0.00006179

-489.375 0.00009105 -130.5 0.0000838 228.375 0.00005828

-456.75 0.0000907 -97.875 0.00008095 261 0.00005477

-424.125 0.00009035 -65.25 0.0000781 293.625 0.00005258

-391.5 0.00009 -32.625 0.000077 326.25 0.00005039

-358.875 0.00008965 0 0.0000763 358.875 0.0000482

-326.25 0.0000893 32.625 0.0000757 391.5 0.00004601

-293.625 0.00008895 65.25 0.0000739 424.125 0.00004382

-261 0.0000886 97.875 0.00007135 456.75 0.00004163

-228.375 0.0000874 130.5 0.0000688 489.375 0.00003944

-195.75 0.0000862 163.125 0.00006529 522 0.00003725

Таблица 4 - Значения индуктивностей генератора при различных значениях тока

4 [А] [Гн] 4 [А] [Гн] /* [А] Ьч, И

-522 0.0001201 -163.125 0.000162 195.75 0.00015675

-489.375 0.00012324 -130.5 0.0001676 228.375 0.00015103

-456.75 0.00012638 -97.875 0.0001749 261 0.0001453

-424.125 0.00012951 -65.25 0.0001822 293.625 0.00014216

-391.5 0.00013265 -32.625 0.0001833 326.25 0.00013903

-358.875 0.00013579 0 0.000186 358.875 0.00013589

-326.25 0.00013893 32.625 0.0001888 391.5 0.00013275

-293.625 0.00014206 65.25 0.0001736 424.125 0.00012961

-261 0.0001452 97.875 0.0001709 456.75 0.00012648

-228.375 0.0001508 130.5 0.0001682 489.375 0.00012334

-195.75 0.0001564 163.125 0.00016248 522 0.0001202