Исследование показателей качества электроэнергии на этапе проектирования авиационного синхронного генератора
Ключевые слова:
качество электроэнергии, показатели качества, синхронный трехкаскадный генератор, конечно-элементный анализ, гармонический состав
Аннотация
Статья посвящена комплексному исследованию показателей качества генерируемого напряжения авиационного синхронного генератора с применением конечно-элементного анализа в программном продукте ANSYS Maxwell на примере системы электроснабжения летательного аппарата переменного трехфазного тока с номинальным напряжением 115/200 В постоянной частоты 400 Гц. Для проверки идеи возможности применения конечно-элементного анализа выполнен аналитический расчет авиационного синхронного генератора, создана модель в ANSYS Maxwell и проведено моделирование генератора в режиме холостого хода, а также при симметричной и несимметричной нагрузке. Проведен конечно-элементный анализ модели с подключенной внешней электрической схемой. Создание и подключение электрических схем позволяет реализовать работу различных режимов для получения осциллограмм выходного фазного напряжения. По результатам моделирования проведена оценка показателей качества электроэнергии (коэффициента амплитуды, модуляции напряжения, небаланса напряжений, сдвига фазных напряжений, коэффициента искажения и гармонических составляющих) в установившемся режиме на их соответствие нормативным значениям, регламентируемым ГОСТ Р 54073-2017. Предложенный метод позволяет оценить показатели качества генерируемого напряжения на стадии разработки электромеханического преобразователя, что позволяет сократить время и стоимость разработки электрической машины.
Литература
1. Журавлев С.В., Зечихин Б.С., Кузьмичев Р.В. Аналитический расчет магнитного поля в активной зоне синхронных машин с постоянными магнитами. – Вестник Московского авиационного института. 2016, т. 23, № 1, с. 197–209.
2. Зечихин Б.С., Журавлев С.В. Автоматизированный расчет авиационного синхронного генератора: Учебное пос. к курсовому и дипломному проектированию. М.: Изд-во МАИ, 2011, 59 с.
3. Dezhin D., et al. 12-phases magneto-electric direct drive turbo generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2020, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949936.
4. ГОСТ Р 54073-2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. М.: Стандартинформ, 2018, 36 с.
5. Golovanov D., Gerada G., et al. A Holistic Electrical Machine Design Tool for More-Electric and Hybrid-Electric Aircraft. – IEEE ESARS-ITEC, 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607715.
6. Исмагилов Ф.Р. и др. Сверхоборотные электромеханические системы. М.: Инновационное машиностроение, 2018, 193 с.
7. Электрооборудование летательных аппаратов. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов / Под ред. С.А. Грузкова. М.: Изд-во МЭИ, 2005, 568 с.
8. Sorokin D., Volskiy S., Dragoun J. Study of the Influence of Control System Parameters on the Quality of the Input Current of a Three-Phase Power Factor Corrector. – Электричество, 2021, №. 2, с. 29–35.
9. Skorokhod Y., Sorokin D., Volskiy S. Analysis of the Influence of Error Amplifier Factors on Total Harmonic Distortion of Converter Input Current. – 2021 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 2021, DOI: 10.1109/ICEEE52452.2021.9415914.
10. Бут Д.А. Основы электромеханики. М.: Изд-во МАИ, 1996, 468 с.
11. Дежин Д.С., Чикучинов Е.М. Разработка авиационного синхронного генератора мощностью 250 кВА с переменной частотой вращения. – Электричество, 2020, № 5, с. 45–53.
12. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин: Учебное пос. для вузов / Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980, 496 с.
13. Khalf M.A., Wamkeue R., Aguglia D. Finite element approach for performances prediction of a small synchronous generator using ANSYS software. – Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2012, DOI:10.1109/CCECE.2012.6334879.
14. Вольдек А.И. Электрические машины. 3-е изд. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
15. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 928 c.
16. Zechihin B.S., et al. Investigation of the mechanical strength of a magnetic-non-magnetic sleeve of a permanent magnet generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950000.
17. Hackbart M. Novel approach to calculate electrical currents in stator-, field- and damper-windings at three-phase sudden short-circuit for large synchronous generators. – Elektrotechnik und Informationstechnik, 2016, vol. 133, No. 2, DOI:10.1007/s00502-016-0389-7.
18. Zhen-Nan Fan, et al. Effect of Damper Winding and Stator Slot Skewing Structure on No-Load Voltage Waveform Distortion and Damper Bar Heat in Large Tubular Hydro Generator. – IEEE Access, 2018, p. 22281–22291, DOI:10.1109/ACCESS.2018.2827704.
19. Берая Р.И. и др. Изучение влияния демпферной обмотки на работу синхронной машины в несимметричных режимах в программном пакете «ANSYS MAXWELL». – Труды первой научно-технической конф. молодых ученых Уральского энергетического института, 2016, с. 226–230.
#
1. Zhuravlev S.V., Zechikhin B.S., Kuz’michev R.V. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta – in Russ. (Bulletin of MAI), 2016, vol. 23, No. 1, pp. 197–209.
2. Zechikhin B.S., Zhuravlev S.V. Avtomatizirovannyy raschet aviatsionnogo sinhronnogo generatora: Uchebnoe pos. k kursovomu i diplomnomu proektirovaniyu (Automated calculation of an aviation synchronous generator: a textbook for course and diploma design). М.: Izd-vo MAI, 2011, 59 p.
3. Dezhin D., et al. 12-phases magnetoelectric direct drive turbo generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2020, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949936.
4. GOST R 54073-2017. Sistemy elektrosnabzheniya samoletov i vertoletov. Obshchie trebovaniya i normy kachestva elektroenergii (Power supply systems for aircraft and helicopters. General requirements and standards for the quality of electricity). М.: Standartinform, 2018, 36 p.
5. Golovanov D., Gerada G. et al. A Holistic Electrical Machine Design Tool for More-Electric and Hybrid-Electric Aircraft. –
IEEE ESARS-ITEC, 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607715.
6. Ismagilov F.R., et al. Sverhoborotnye elektromekhanicheskie sistemy (Overturn electromechanical systems). М.: Innovatsionnoe mashinostroenie, 2018, 193 p.
7. Elektrooborudovanie letatel'nyh apparatov. Tom 1. Sistemy elektrosnabzheniya letatel'nyh apparatov (Electrical equipment of aircraft. Vol. 1. Aircraft power supply systems) / Ed. by S.A. Gruzkov. М.: Izd-vo MEI, 2005, 568 p.
8. Sorokin D., Volskiy S., Dragoun J. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 2, pp. 29–35.
9. Skorokhod Y., Sorokin D., Volskiy S. Analysis of the Influence of Error Amplifier Factors on Total Harmonic Distortion of Converter Input Current. – 2021 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 2021, DOI: 10.1109/ICEEE52452.2021.9415914.
10. But D.A. Osnovy elektromehaniki (Fundamentals of Electromechanics). М.: Izd-vo MEI, 1996, 468 p.
11. Dezhin D.S., Chikuchinov E.M. Elektrichestvo – in Russ.(Electricity), 2020, No. 5, pp. 45–53.
12. Kopylov I.P., et al. Proektirovanie elektricheskih mashin: Uchebnoe pos. dlya vuzov (Designing Electric Machines: Textbook for Universities) / Ed. by I.P. Коpylov. М.: Energiya, 1980, 496 p.
13. Khalf M.A., Wamkeue R., Aguglia D. Finite element approach for performances prediction of a small synchronous generator using ANSYS software. – Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2012, DOI:10.1109/CCECE.2012.6334879.
14. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny. 3-e izd. (Electric Machines. 3rd ed.). L.: Energiya, 1978, 832 p.
15. Ivanov-Smolenskiy А.V. Elektricheskie mashiny: Uchebnik dlya vuzov (Electric Machines: A Textbook for Universities). М.: Energiya, 1980. 928 p.
16. Zechihin B.S., et al. Investigation of the mechanical strength of a magnetic-non-magnetic sleeve of a permanent magnet genera-
tor. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950000.
17. Hackbart M. Novel approach to calculate electrical currents in stator-, field- and damper-windings at three-phase sudden short-circuit for large synchronous generators. – Elektrotechnik und Informationstechnik, 2016, vol. 133, No. 2, DOI:10.1007/s00502-016-0389-7.
18. Zhen-Nan Fan, et al. Effect of Damper Winding and Stator Slot Skewing Structure on No-Load Voltage Waveform Distortion and Damper Bar Heat in Large Tubular Hydro Generator. – IEEE Access, 2018, p. 22281–22291, DOI:10.1109/ACCESS.2018.2827704.
19. Beraya R.I., et al. Trudy pervoj nauchno-tehnicheskoj konferentsii molodyh uchenyh Ural'skogo `Energeticheskogo Instituta – in Russ. (Proceedings of the First Scientific and Technical Conference of Young Scientists of the Ural Energy Institute), 2016, pp. 226–230.
2. Зечихин Б.С., Журавлев С.В. Автоматизированный расчет авиационного синхронного генератора: Учебное пос. к курсовому и дипломному проектированию. М.: Изд-во МАИ, 2011, 59 с.
3. Dezhin D., et al. 12-phases magneto-electric direct drive turbo generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2020, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949936.
4. ГОСТ Р 54073-2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. М.: Стандартинформ, 2018, 36 с.
5. Golovanov D., Gerada G., et al. A Holistic Electrical Machine Design Tool for More-Electric and Hybrid-Electric Aircraft. – IEEE ESARS-ITEC, 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607715.
6. Исмагилов Ф.Р. и др. Сверхоборотные электромеханические системы. М.: Инновационное машиностроение, 2018, 193 с.
7. Электрооборудование летательных аппаратов. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов / Под ред. С.А. Грузкова. М.: Изд-во МЭИ, 2005, 568 с.
8. Sorokin D., Volskiy S., Dragoun J. Study of the Influence of Control System Parameters on the Quality of the Input Current of a Three-Phase Power Factor Corrector. – Электричество, 2021, №. 2, с. 29–35.
9. Skorokhod Y., Sorokin D., Volskiy S. Analysis of the Influence of Error Amplifier Factors on Total Harmonic Distortion of Converter Input Current. – 2021 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 2021, DOI: 10.1109/ICEEE52452.2021.9415914.
10. Бут Д.А. Основы электромеханики. М.: Изд-во МАИ, 1996, 468 с.
11. Дежин Д.С., Чикучинов Е.М. Разработка авиационного синхронного генератора мощностью 250 кВА с переменной частотой вращения. – Электричество, 2020, № 5, с. 45–53.
12. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин: Учебное пос. для вузов / Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980, 496 с.
13. Khalf M.A., Wamkeue R., Aguglia D. Finite element approach for performances prediction of a small synchronous generator using ANSYS software. – Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2012, DOI:10.1109/CCECE.2012.6334879.
14. Вольдек А.И. Электрические машины. 3-е изд. Л.: Энергия, 1978, 832 с.
15. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 928 c.
16. Zechihin B.S., et al. Investigation of the mechanical strength of a magnetic-non-magnetic sleeve of a permanent magnet generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950000.
17. Hackbart M. Novel approach to calculate electrical currents in stator-, field- and damper-windings at three-phase sudden short-circuit for large synchronous generators. – Elektrotechnik und Informationstechnik, 2016, vol. 133, No. 2, DOI:10.1007/s00502-016-0389-7.
18. Zhen-Nan Fan, et al. Effect of Damper Winding and Stator Slot Skewing Structure on No-Load Voltage Waveform Distortion and Damper Bar Heat in Large Tubular Hydro Generator. – IEEE Access, 2018, p. 22281–22291, DOI:10.1109/ACCESS.2018.2827704.
19. Берая Р.И. и др. Изучение влияния демпферной обмотки на работу синхронной машины в несимметричных режимах в программном пакете «ANSYS MAXWELL». – Труды первой научно-технической конф. молодых ученых Уральского энергетического института, 2016, с. 226–230.
#
1. Zhuravlev S.V., Zechikhin B.S., Kuz’michev R.V. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta – in Russ. (Bulletin of MAI), 2016, vol. 23, No. 1, pp. 197–209.
2. Zechikhin B.S., Zhuravlev S.V. Avtomatizirovannyy raschet aviatsionnogo sinhronnogo generatora: Uchebnoe pos. k kursovomu i diplomnomu proektirovaniyu (Automated calculation of an aviation synchronous generator: a textbook for course and diploma design). М.: Izd-vo MAI, 2011, 59 p.
3. Dezhin D., et al. 12-phases magnetoelectric direct drive turbo generator. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2020, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949936.
4. GOST R 54073-2017. Sistemy elektrosnabzheniya samoletov i vertoletov. Obshchie trebovaniya i normy kachestva elektroenergii (Power supply systems for aircraft and helicopters. General requirements and standards for the quality of electricity). М.: Standartinform, 2018, 36 p.
5. Golovanov D., Gerada G. et al. A Holistic Electrical Machine Design Tool for More-Electric and Hybrid-Electric Aircraft. –
IEEE ESARS-ITEC, 2018, pp. 1–6, DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607715.
6. Ismagilov F.R., et al. Sverhoborotnye elektromekhanicheskie sistemy (Overturn electromechanical systems). М.: Innovatsionnoe mashinostroenie, 2018, 193 p.
7. Elektrooborudovanie letatel'nyh apparatov. Tom 1. Sistemy elektrosnabzheniya letatel'nyh apparatov (Electrical equipment of aircraft. Vol. 1. Aircraft power supply systems) / Ed. by S.A. Gruzkov. М.: Izd-vo MEI, 2005, 568 p.
8. Sorokin D., Volskiy S., Dragoun J. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 2, pp. 29–35.
9. Skorokhod Y., Sorokin D., Volskiy S. Analysis of the Influence of Error Amplifier Factors on Total Harmonic Distortion of Converter Input Current. – 2021 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 2021, DOI: 10.1109/ICEEE52452.2021.9415914.
10. But D.A. Osnovy elektromehaniki (Fundamentals of Electromechanics). М.: Izd-vo MEI, 1996, 468 p.
11. Dezhin D.S., Chikuchinov E.M. Elektrichestvo – in Russ.(Electricity), 2020, No. 5, pp. 45–53.
12. Kopylov I.P., et al. Proektirovanie elektricheskih mashin: Uchebnoe pos. dlya vuzov (Designing Electric Machines: Textbook for Universities) / Ed. by I.P. Коpylov. М.: Energiya, 1980, 496 p.
13. Khalf M.A., Wamkeue R., Aguglia D. Finite element approach for performances prediction of a small synchronous generator using ANSYS software. – Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2012, DOI:10.1109/CCECE.2012.6334879.
14. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny. 3-e izd. (Electric Machines. 3rd ed.). L.: Energiya, 1978, 832 p.
15. Ivanov-Smolenskiy А.V. Elektricheskie mashiny: Uchebnik dlya vuzov (Electric Machines: A Textbook for Universities). М.: Energiya, 1980. 928 p.
16. Zechihin B.S., et al. Investigation of the mechanical strength of a magnetic-non-magnetic sleeve of a permanent magnet genera-
tor. – 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI: 10.1109/ICOECS46375.2019.8950000.
17. Hackbart M. Novel approach to calculate electrical currents in stator-, field- and damper-windings at three-phase sudden short-circuit for large synchronous generators. – Elektrotechnik und Informationstechnik, 2016, vol. 133, No. 2, DOI:10.1007/s00502-016-0389-7.
18. Zhen-Nan Fan, et al. Effect of Damper Winding and Stator Slot Skewing Structure on No-Load Voltage Waveform Distortion and Damper Bar Heat in Large Tubular Hydro Generator. – IEEE Access, 2018, p. 22281–22291, DOI:10.1109/ACCESS.2018.2827704.
19. Beraya R.I., et al. Trudy pervoj nauchno-tehnicheskoj konferentsii molodyh uchenyh Ural'skogo `Energeticheskogo Instituta – in Russ. (Proceedings of the First Scientific and Technical Conference of Young Scientists of the Ural Energy Institute), 2016, pp. 226–230.
