Трехфазный корректор коэффициента мощности с криогенным охлаждением для перспективных авиационных систем электроснабжения
Ключевые слова:
криогенное охлаждение, криогенная электроника, высокотемпературная сверхпроводимость, ВТСП, перспективная авиационная система электроснабжения, коррекция коэффициента мощности, силовой преобразовательный каскад
Аннотация
Системы электроснабжения перспективных авиационных концепций, таких как более или полностью электрифицированный самолет, предполагают совместную работу как высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) устройств, так и силовых полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Так как пригодные для практического применения современные ВТСП-материалы принципиально требуют их охлаждения до критических температур, достигаемых с помощью криогенного охлаждения, то целесообразно исследовать и возможность использования последнего для охлаждения силовых полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Статья посвящена разработке прототипа управляемого трехфазного выпрямительного устройства с криогенным охлаждением силового преобразовательного каскада для использования в перспективных авиационных системах электроснабжения. Выпрямительное устройство строится как корректор коэффициента мощности с целью выполнения требований к качеству электроэнергии. С целью повышения эффективности системы электроснабжения предложено использовать двуполярное повышенное напряжение постоянного тока. Проведен сравнительный анализ структур силовых преобразовательных каскадов, исследованы обеспечиваемые ими предварительные показатели качества потребляемой электроэнергии и выбрана рациональная структура для данного применения. Показаны результаты имитационного компьютерного моделирования и конструкция разработанного прототипа преобразователя. В ходе проведенных испытаний собранного устройства подтверждена его работоспособность в криогенных условиях при повышенном выходном напряжении постоянного тока. Представлены результаты проведенных экспериментальных исследований.
Литература
1. Левин А.В. и др. Электрический самолет: концепция и технологии. Уфа: УГАТУ, 2014, 388 с.
2. Вавилов В.Е. и др. Перспективы развития авиационных электрических машин. – Электричество, 2023, № 9, с. 4–12.
3. Ковалев К.Л. и др. Перспективы применения сверхпроводниковых устройств на борту полностью электрического самолета с гибридной силовой установкой. – Электричество, 2018, № 10, с. 45–53.
4. Dezhin D. et al. System Approach of Usability of HTS Electrical Machines in Future Electric Aircraft, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2787180.
5. Ostapchouk M. et al. Research of Static and Dynamic Properties of Power Semiconductor Diodes at Low and Cryogenic Temperatures. – Inventions, 2022, 7(4): 96, DOI: 10.3390/inventions7040096.
6. Mueller O.M., Herd K.G. Ultra-High Efficiency Power Conversion Using Cryogenic MOSFETs and HT-Superconductors. – Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp. 772–778, DOI: 10.1109/PESC.1993.472011.
7. Wei Y. et al. Power Relay Based Multiple Device Cryogenic Characterization Method and Results. – IEEE Open Journal of Industry Applications, 2022, vol. 3, pp. 211–223, DOI: 10.1109/OJIA.2022. 3195278.
8. ГОСТ Р 54073-2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. М.: Стандартинформ, 2018, 39 с.
9. Zanegin S. et al. Losses Analysis of HTS Racetrack Coil Carrying a Distorted Sinusoidal Current. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 297–300. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657338.
10. Song W., Fang J., Jiang Z. Numerical AC Loss Analysis in HTS Stack Carrying Nonsinusoidal Transport Current, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, vol. 29 (2), DOI: 10.1109/TASC.2018.2882066.
11. Cotton I., Nelms A., Husband M. Higher Voltage Aircraft Power Systems. – IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2008, vol. 23, No. 2, pp. 25–32, DOI: 10.1109/MAES.2008.4460728.
12. Gao F. et al. An Improved Voltage Compensation Approach in a Droop-Controlled DC Power System for the More Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 31, No. 10, pp. 7369–7383, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2510285.
13. Gao F. et al. Comparative Stability Analysis of Droop Control Approaches in Voltage-Source-Converter-Based DC Microgrids. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 32, No. 3, pp. 2395–2415, DOI: 10.1109/TPEL.2016.2567780.
14. Singh B. et al. A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC–DC Converters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, vol. 51(3), pp. 641– 660, DOI:10.1109/TIE.2004.825341.
15. Kolar J.W., Friedli T. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part I. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 1, pp. 176–198, DOI:10.1109/TPEL.2012.2197867.
16. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(2), DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
17. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2019, DOI: 10.2514/6.2019-4473.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-00624, https://rscf.ru/project/23-19-00624/
#
1. Levin А.V. et al. Elektricheskiy samolet: kontseptsiya i tekh-nologii (Electric Aircraft: Concept and Technology). Ufa: UGATU, 2014, 388 p.
2. Vavilov V.Е. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 9, pp. 4–12.
3. Коvalyov К.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 10, pp. 45–53.
4. Dezhin D. et al. System Approach of Usability of HTS Electrical Machines in Future Electric Aircraft, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2787180.
5. Ostapchouk M. et al. Research of Static and Dynamic Properties of Power Semiconductor Diodes at Low and Cryogenic Temperatures. – Inventions, 2022, 7(4): 96, DOI: 10.3390/inventions7040096.
6. Mueller O.M., Herd K.G. Ultra-High Efficiency Power Conversion Using Cryogenic MOSFETs and HT-Superconductors. – Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp. 772–778, DOI: 10.1109/PESC.1993.472011.
7. Wei Y. et al. Power Relay Based Multiple Device Cryogenic Characterization Method and Results. – IEEE Open Journal of Industry Applications, 2022, vol. 3, pp. 211–223, DOI: 10.1109/OJIA.2022.3195278.
8. GОSТ R 54073-2017. Sistemy elektrosnabzheniya samoletov i vertoletov. Obshchie trebovaniya i normy kachestva elektroenergii (Electric Power Supply Systems of Airplanes and Helicopters. General Require-ments and Norms of Power Quality). M.: Standartinform, 2018, 39 p.
9. Zanegin S. et al. Losses Analysis of HTS Racetrack Coil Carrying a Distorted Sinusoidal Current. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 297–300. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657338.
10. Song W., Fang J., Jiang Z. Numerical AC Loss Analysis in HTS Stack Carrying Nonsinusoidal Transport Current, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, vol. 29 (2), DOI: 10.1109/TASC.2018.2882066.
11. Cotton I., Nelms A., Husband M. Higher Voltage Aircraft Power Systems. – IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2008, vol. 23, No. 2, pp. 25–32, DOI: 10.1109/MAES.2008.4460728.
12. Gao F. et al. An Improved Voltage Compensation Approach in a Droop-Controlled DC Power System for the More Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 31, No. 10, pp. 7369–7383, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2510285.
13. Gao F. et al. Comparative Stability Analysis of Droop Control Approaches in Voltage-Source-Converter-Based DC Microgrids. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 32, No. 3, pp. 2395–2415, DOI: 10.1109/TPEL.2016.2567780.
14. Singh B. et al. A Review of Three-Phase Improved Power Qua-lity AC–DC Converters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, vol. 51(3), pp. 641– 660, DOI:10.1109/TIE.2004.825341.
15. Kolar J.W., Friedli T. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part I. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 1, pp. 176–198, DOI:10.1109/TPEL.2012.2197867.
16. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(2), DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
17. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2019, DOI: 10.2514/6.2019-4473
---
The research was supported by the Russian Science Foundation, grant no. 23-19-00624, https://rscf.ru/project/23-19-00624
2. Вавилов В.Е. и др. Перспективы развития авиационных электрических машин. – Электричество, 2023, № 9, с. 4–12.
3. Ковалев К.Л. и др. Перспективы применения сверхпроводниковых устройств на борту полностью электрического самолета с гибридной силовой установкой. – Электричество, 2018, № 10, с. 45–53.
4. Dezhin D. et al. System Approach of Usability of HTS Electrical Machines in Future Electric Aircraft, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2787180.
5. Ostapchouk M. et al. Research of Static and Dynamic Properties of Power Semiconductor Diodes at Low and Cryogenic Temperatures. – Inventions, 2022, 7(4): 96, DOI: 10.3390/inventions7040096.
6. Mueller O.M., Herd K.G. Ultra-High Efficiency Power Conversion Using Cryogenic MOSFETs and HT-Superconductors. – Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp. 772–778, DOI: 10.1109/PESC.1993.472011.
7. Wei Y. et al. Power Relay Based Multiple Device Cryogenic Characterization Method and Results. – IEEE Open Journal of Industry Applications, 2022, vol. 3, pp. 211–223, DOI: 10.1109/OJIA.2022. 3195278.
8. ГОСТ Р 54073-2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. М.: Стандартинформ, 2018, 39 с.
9. Zanegin S. et al. Losses Analysis of HTS Racetrack Coil Carrying a Distorted Sinusoidal Current. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 297–300. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657338.
10. Song W., Fang J., Jiang Z. Numerical AC Loss Analysis in HTS Stack Carrying Nonsinusoidal Transport Current, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, vol. 29 (2), DOI: 10.1109/TASC.2018.2882066.
11. Cotton I., Nelms A., Husband M. Higher Voltage Aircraft Power Systems. – IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2008, vol. 23, No. 2, pp. 25–32, DOI: 10.1109/MAES.2008.4460728.
12. Gao F. et al. An Improved Voltage Compensation Approach in a Droop-Controlled DC Power System for the More Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 31, No. 10, pp. 7369–7383, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2510285.
13. Gao F. et al. Comparative Stability Analysis of Droop Control Approaches in Voltage-Source-Converter-Based DC Microgrids. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 32, No. 3, pp. 2395–2415, DOI: 10.1109/TPEL.2016.2567780.
14. Singh B. et al. A Review of Three-Phase Improved Power Quality AC–DC Converters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, vol. 51(3), pp. 641– 660, DOI:10.1109/TIE.2004.825341.
15. Kolar J.W., Friedli T. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part I. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 1, pp. 176–198, DOI:10.1109/TPEL.2012.2197867.
16. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(2), DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
17. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2019, DOI: 10.2514/6.2019-4473.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-00624, https://rscf.ru/project/23-19-00624/
#
1. Levin А.V. et al. Elektricheskiy samolet: kontseptsiya i tekh-nologii (Electric Aircraft: Concept and Technology). Ufa: UGATU, 2014, 388 p.
2. Vavilov V.Е. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 9, pp. 4–12.
3. Коvalyov К.L. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 10, pp. 45–53.
4. Dezhin D. et al. System Approach of Usability of HTS Electrical Machines in Future Electric Aircraft, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2017.2787180.
5. Ostapchouk M. et al. Research of Static and Dynamic Properties of Power Semiconductor Diodes at Low and Cryogenic Temperatures. – Inventions, 2022, 7(4): 96, DOI: 10.3390/inventions7040096.
6. Mueller O.M., Herd K.G. Ultra-High Efficiency Power Conversion Using Cryogenic MOSFETs and HT-Superconductors. – Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp. 772–778, DOI: 10.1109/PESC.1993.472011.
7. Wei Y. et al. Power Relay Based Multiple Device Cryogenic Characterization Method and Results. – IEEE Open Journal of Industry Applications, 2022, vol. 3, pp. 211–223, DOI: 10.1109/OJIA.2022.3195278.
8. GОSТ R 54073-2017. Sistemy elektrosnabzheniya samoletov i vertoletov. Obshchie trebovaniya i normy kachestva elektroenergii (Electric Power Supply Systems of Airplanes and Helicopters. General Require-ments and Norms of Power Quality). M.: Standartinform, 2018, 39 p.
9. Zanegin S. et al. Losses Analysis of HTS Racetrack Coil Carrying a Distorted Sinusoidal Current. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2021, pp. 297–300. DOI: 10.1109/ICOECS52783.2021.9657338.
10. Song W., Fang J., Jiang Z. Numerical AC Loss Analysis in HTS Stack Carrying Nonsinusoidal Transport Current, – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, vol. 29 (2), DOI: 10.1109/TASC.2018.2882066.
11. Cotton I., Nelms A., Husband M. Higher Voltage Aircraft Power Systems. – IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2008, vol. 23, No. 2, pp. 25–32, DOI: 10.1109/MAES.2008.4460728.
12. Gao F. et al. An Improved Voltage Compensation Approach in a Droop-Controlled DC Power System for the More Electric Aircraft. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, vol. 31, No. 10, pp. 7369–7383, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2510285.
13. Gao F. et al. Comparative Stability Analysis of Droop Control Approaches in Voltage-Source-Converter-Based DC Microgrids. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 32, No. 3, pp. 2395–2415, DOI: 10.1109/TPEL.2016.2567780.
14. Singh B. et al. A Review of Three-Phase Improved Power Qua-lity AC–DC Converters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, vol. 51(3), pp. 641– 660, DOI:10.1109/TIE.2004.825341.
15. Kolar J.W., Friedli T. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part I. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 1, pp. 176–198, DOI:10.1109/TPEL.2012.2197867.
16. Friedli T., Hartmann M., Kolar J.W. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems. Part II. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(2), DOI:10.1109/TPEL.2013.2258472.
17. Wang F. et al. MW-Class Cryogenically-Cooled Inverter for Electric-Aircraft Applications. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2019, DOI: 10.2514/6.2019-4473
---
The research was supported by the Russian Science Foundation, grant no. 23-19-00624, https://rscf.ru/project/23-19-00624
