Моделирование m-фазного активного выпрямителя напряжения с пространственно-векторной модуляцией

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.

1. Харитонов, С. А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии автономных объектов. − Новосибирск: НГТУ, 2011. − 536 с.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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:20060342

6. Брованов, 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.

7. Шрейнер, Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – 583 с.

8. Ефимов, А. А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / А. А. Ефимов, Р. Т. Шрейнер. – Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. – 250 с.

9. 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.

10. 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.

11. White, D. C. Electromechanical Energy Conversion / D. C. White, H. H. Woodson. – New York: John Willey and Sons, 1959. – 520 p.

12. 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.2001.955908

13. Grandi, 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.2007.4374636

14. Kelly, 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.2003.811725