vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-4-455-468vestift-408Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGМоделирование m-фазного активного выпрямителя напряжения с пространственно-векторной модуляциейSimulation of m-phase active voltage rectifier with space-vector modulationПантелеевС. В.PanteleevS. V.

адъюнкт (аспирант) кафедры электротехники и систем электропитания

Graduate Student of the Chair of Electrical Equipment and Power Supply Systems

panteleev-s-v@mail.ruМалашинА. Н.MalashinA. N.

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электротехники и систем электропитания

Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Professor of the Chair of Electrical Equipment and Power Supply Systems

КаледаА. Е.KaledaA. E.

кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры электротехники и систем электропитания

Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Head of the Chair of Electrical Equipment and Power Supply Systems

Военная академия Республики Беларусь, МинскMilitary Academy of the Republic of Belarus, Minsk201812012019634455468Copyright © Пантелеев С.В., Малашин А.Н., Каледа А.Е., 20192019Пантелеев С.В., Малашин А.Н., Каледа А.Е.Panteleev S.V., Malashin A.N., Kaleda A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/408

Система автономного электроснабжения (САЭС) постоянного тока из синхронного магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя напряжения (АВН) максимально отвечает требованиям минимума удельной массы и электромагнитной совместимости первичного источника электрической энергии с нагрузкой. При многофазном (m > 3) исполнении электрической машины существует возможность получения трапецеидальной электродвижущей силы (ЭДС) и увеличения удельной преобразуемой мощности при условии согласования ЭДС и тока на выходе m-фазного генератора. Целью работы является синтез алгоритма пространственно-векторной модуляции (ПВМ) активного выпрямителя напряжения для полного согласования первичного источника электрической энергии с нагрузкой при условии трапецеидальной формы ЭДС генератора. Синтез алгоритма ПВМ для m-фазного АВН основан на использовании векторно-матричного математического аппарата. На примере девятифазной системы разработан алгоритм ПВМ, особенностью которого является преобразование обобщенного пространственного вектора напряжения m-фазной системы координат в (m – 1)/2 векторов, вращающихся с разными угловыми скоростями в двухфазных ортогональных неподвижных системах αβ координат. При этом на основе разработанного алгоритма ПВМ возможно независимо управлять (m – 1)/2 векторами напряжения в соответствующих αβ плоскостях, обеспечивая схожую с ЭДС генератора форму сигналов на входных зажимах АВН. В целях подтверждения теоретических положений разработана имитационная модель блока пространственно-векторной модуляции для реализации трапецеидальных сигналов на зажимах девятифазного АВН. Работоспособность разработанного алгоритма подтверждена результатами имитационного моделирования. В результате оценки энергетических показателей (действующей мощности) фазы САЭС постоянного тока установлено, что применение разработанного алгоритма пространственно-векторной модуляции для активного выпрямителя напряжения в целях полного согласования трапецеидальной формы ЭДС и тока на выходе m-фазного генератора позволит увеличить мощность САЭС на 14 % по сравнению с САЭС постоянного тока при синусоидальной форме ЭДС и тока фазы генератора.

The autonomous power supply system (APSS) from synchronous magnetoelectric generator and active voltage rectifier (AVR) maximally meets the requirements of the minimum specific mass and the complete coordination of the primary electric power source with the load. With multiphase (m > 3) execution of the electric machine, it is possible to obtain a trapezoidal electromotive force (EMF) and increase the specific power conversion provided that the EMF and the current at the output of the m-phase generator are fully matched. Therefore, the aim of the work is to synthesize the space-vector modulation (SVM) algorithm of the active voltage rectifier to fully match the primary source of electrical energy with the load under the condition of a trapezoidal EMF of the generator. Synthesis of the PVM algorithm for the m-phase AVR is based on the use of a vector-matrix mathematical apparatus. Using the example of a nine-phase system, a SVM algorithm has been developed, the feature of which is the transformation of the generalized voltage vector m-phase coordinate system into (m – 1)/2 voltage vectors with different angular velocities in two-phase orthogonal stationary αβ coordinate systems. At the same time, based on the developed PVM algorithm, it is possible to independently control the (m – 1)/2 voltage vectors in the corresponding αβ planes, providing a signal similar to the EMF of the generator at the input terminals of the AVR. In order to confirm the theoretical propositions, an imitation model of the space-vector modulation unit for the realization of trapezoidal signals at the terminals of a nine-phase AVR has been developed. The efficiency of the developed algorithm is confirmed by the results of simulation modelling. As a result of the evaluation of the energy parameters (operating power) of the phase of power supply system direct current, it is established that the application of the developed space-vector modulation algorithm for the active voltage rectifier in order to fully match the trapezoidal shape of the EMF and the current at the output of the m-phase generator will increase the power of the APSS by 14 % compared to a power supply system of direct current with a sinusoidal form of the EMF and the current of the generator phase. It is established that the developed measuring device can be used to establish the presence of defects like “delamination”. The influence of the depth of the defect placement on the measured parameters is shown.

система электроснабжения постоянного токатрапецеидальная электродвижущая силапространственно-векторная модуляциямногофазный активный выпрямитель напряженияминимум удельной массыDC power supply systemtrapezoidal electromotive forcespace-vector modulationmultiphase active voltage rectifierminimum specific gravityReferencesХаритонов, С. А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии автономных объектов. − Новосибирск: НГТУ, 2011. − 536 с.Harytonov S. A. Electromagnetic Processes in the Systems of Electric Power Generation of Autonomous Objects. Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University, 2011. 536 p. (in Russian).Харитонов, С. А. Перспективные системы электроснабжения самолета с полностью электрофицированным оборудованием / С. А. Харитонов, А. Г. Гарганеев // Докл. Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. – 2009. – № 2. – С. 185–192.Harytonov S. A., Garganeev A. G. Perspective power supply systems for aircraft with fully electrified equipment. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki = Proceedings of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2009, no. 2, pp. 185–192 (in Russian).Голиков, В. Ф. Анализ особенностей рабочего процесса в многофазном выпрямительном генераторе на основе одномерных уравнений электромагнитного поля / В. Ф. Голиков, А. Н. Малашин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 1993. – № 9. – С. 39–43.Golikov V. F., Malashin A. N. Analysis of the Specific Features of the Working Process in a Multiphase “Rectifying” Generator Based on One-Dimensional Equations of the Electromagnetic Field. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob’edenenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Educational Institutions and Power Engineering Associations, no. 9–10, pp. 39–43 (in Russian).Пантелеев, С. В. Повышение энергетических показателей электрической машины путем применения многофазной зубцовой обмотки / С. В. Пантелеев, А. Н. Малашин // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – № 3. – С. 80–86.Panteleev S. V., Malashyn A. N. Increasing the energy performance of an electric machine by applying a multiphase toothed winding. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus’ = Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus, 2017, no. 3, pp. 80–86 (in Russian).Multiphase induction motor drives – a technology status review / E. Levi [et al.] // IET Electric Power Applications. – 2007. – Vol. 1, Iss. 4. – P. 489–516. http://dx.doi.org/10.1049/iet-epa:20060342Levi E., Bojoi R., Profumo F., Toliyat H. A., Williamson S. Multiphase induction motor drives – a technology status reviesh. IET Electric Power Applications, 2007, vol. 1, iss.4, pp. 489–516. http://dx.doi.org/10.1049/iet-epa:20060342Брованов, С. В. Теоретический и практический аспекты реализации векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом выпрямителе / С. В. Брованов // Техническая электродинамика. Тематический вып. – Киев, 2007. – Ч. 3. – С. 76–79.Brovanov S. V. Theoretical and practical aspects of realizing vector PWM in three-phase three-level rectifier. Tehnicheskaja elektrodinamika. Tematicheskii vypusk [Technical Electrodynamics. Thematic Issue], Kiev, 2007, part 3, pp. 76–79 (in Russian).Шрейнер, Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – 583 с.Shreiner R. T. Mathematical Modeling of AC Electric Drives with Semiconductor Frequency Converters. Yekaterinburg, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2000. 583 p. (in Russian).Ефимов, А. А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / А. А. Ефимов, Р. Т. Шрейнер. – Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. – 250 с.Efimov A. A., Schreiner R. T. Active Transducers in Controlled Electric Drives of Alternating Current. Novouralsk, Publishing house Novouralsk State Technological Institute, 2001. 250 p. (in Russian).Шрейнер, Р. Т. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активных выпрямителей тока / Р. Т. Шрейнер, А. А. Ефимов, А. И. Калыгин // Электротехника. – 2000. – № 10. – С. 42–49.Schreiner R. T., Efimov A. A., Kalygin A. I. Mathematical description and algorithms for PWM active current rectifiers. Elektrotekhnika = Russian Electrical Engineering, 2000, no. 10, pp. 42–49 (in Russian).Fortescue, C. L. Method of symmetrical coordinates applied to the solution of polyphase networks / C. L. Fortescue // AIEE Trans. – 1918. – Vol. 37. – P. 1027–1140.Fortescue C. L. Method of symmetrical coordinates applied to the solution of polyphase netshorks. AIEE Transactions, 1918, vol. 37, pp. 1027–1140. https://doi.org/10.1109/t-aiee.1918.4765570White, D. C. Electromechanical Energy Conversion / D. C. White, H. H. Woodson. – New York: John Willey and Sons, 1959. – 520 p.White D. C., Woodson H. H. Electromechanical Energy Conversion. New York, John Shilley and Sons, 1959. 520 p.Coates, C. E. Performance evaluation of a nine-phase synchronous reluctance drive / C. E. Coates, D. Platt, V. J. Gosbell // Proc. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting lAS, Chicago, IL. – 2001. – P. 2041–2047. https://doi. org/10.1109/ias.2001.955908Coates C. E., Platt D., Gosbell V. J. Performance evaluation of a nine-phase synchronous reluctance drive. Proc. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting lAS, Chicago, IL, 2001, pp. 2041–2047. https://doi.org/10.1109/ias.2001.955908Grandi, G. Space vector modulation of a nine-phase voltage source inverter / G. Grandi, G. Serra, A. Tani // 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vigo, Spain. – 2007. – P. 431–436. https://doi.org/10.1109/ isie.2007.4374636Grandi G., Serra G., Tani A. Space vector modulation of a nine-phase voltage source inverter. 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vigo, Spain, 2007, pp. 431–436. https://doi.org/10.1109/isie.2007.4374636Kelly, J. W. Multiphase space vector pulse width modulation / J. W. Kelly, E. G. Strangas, J. M. Miller // IEEE Trans. on Energy Conversion. – 2003. – Vol. 18, Iss. 2. – P. 259–264. https://doi.org/10.1109/TEC.2003.811725Kelly J. Sh., Strangas E. G., Miller J. M. Multiphase space vector pulse width modulation. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2003, vol. 18, iss. 2, pp. 259–264. https://doi.org/10.1109/TEC.2003.811725

The authors declare that there are no conflicts of interest present.