Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением
Рассмотрены принципы генерирования электроэнергии в автономных системах электроснабжения на основе электрических машин с самовозбуждением. Проведен анализ условий функционирования систем электроснабжения для летательных аппаратов. Выявлены достоинства и недостатки синхронных генераторов с постоянным...
Saved in:
| Published in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електродинаміки НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62352 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением / А.Г. Гарганеев, С.А. Харитонов // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 56–58. — Бібліогр.: 8 назв. — pос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859597585684103168 |
|---|---|
| author | Гарганеев, А.Г. Харитонов, С.А. |
| author_facet | Гарганеев, А.Г. Харитонов, С.А. |
| citation_txt | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением / А.Г. Гарганеев, С.А. Харитонов // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 56–58. — Бібліогр.: 8 назв. — pос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технічна електродинаміка |
| description | Рассмотрены принципы генерирования электроэнергии в автономных системах электроснабжения на основе электрических машин с самовозбуждением. Проведен анализ условий функционирования систем электроснабжения для летательных аппаратов. Выявлены достоинства и недостатки синхронных генераторов с постоянными магнитами. Показана общность процессов самовозбуждения в электрических машинах постоянного тока, асинхронных и синхронно-гистерезисных. Показана возможность построения самовозбуждающихся систем генерирования с полупроводниковыми преобразователями.
Розглянуто принципи генерування електроенергії у автономних системах електропостачання на основі електричних машин із самозбудженням. Проведено аналіз умов функціонування систем електропостачання для літаючих апаратів. Виявлено переваги та недоліки синхронних генераторів з постійними магнітами. Показано спільність процесів самозбудження в електричних машинах постійного струму, асинхронних та синхронно-гістерезисних. Наведено структурні схеми, що ілюструють з позицій теорії автоматичного управління аналогічність процесів самозбудження в генераторі постійного струму, асинхронному та синхронно-гістерезисному генераторах. Показано можливість побудови систем генерування з напівпровідниковими перетворювачами, що самозбуджуються.
Principles of electric power generation by power supply systems based on self-excited electrical machines are presented in this paper. Functioning conditions of aircraft power supply systems were analyzed. Advantages and disadvantages of permanent magnet synchronous generators were revealed. Similarity of self-exciting processes in DC electrical machines – induction and hysteresis synchronous ones – is revealed. Block diagrams that show similarity of self-exciting processes in DC generator – induction and hysteresis synchronous ones – from the automatic control theory point of view are provided. It is shown that the controlled generation systems contained semiconductor converters are possible to be constructed.
|
| first_indexed | 2025-11-27T22:15:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
56 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
УДК 621.314:621.382:621.314.572
МЕХАТРОНННЫЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
А.Г.Гарганеев1, докт.техн.наук , С.А.Харитонов2, докт.техн.наук
1 − Национальный исследовательский томский политехнический университет,
пр. Ленина, 30, Томск, 634050, Россия,
2 − Новосибирский государственный технический университет,
пр. Карла Маркса, 20, Новосибирск, 630064, Россия. E-mail: kharit@yandex.ru
Рассмотрены принципы генерирования электроэнергии в автономных системах электроснабжения на основе
электрических машин с самовозбуждением. Проведен анализ условий функционирования систем электроснаб-
жения для летательных аппаратов. Выявлены достоинства и недостатки синхронных генераторов с посто-
янными магнитами. Показана общность процессов самовозбуждения в электрических машинах постоянного
тока, асинхронных и синхронно-гистерезисных. Показана возможность построения самовозбуждающихся
систем генерирования с полупроводниковыми преобразователями. Библ. 8, рис. 2.
Работа выполнена по государственному контракту № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 г.
Ключевые слова: полупроводниковый преобразователь, генератор, самовозбуждение.
В подавляющем большинстве случаев генерация электроэнергии осуществляется с помощью
электрических машин постоянного и переменного тока. Наиболее распространенными промышлен-
ными системами генерирования электроэнергии (СГЭЭ) являются системы на основе синхронных
генераторов (СГ), диапазон мощностей которых достаточно широк.
Специфика автономных СГЭЭ, в частности, для летательных аппаратов (ЛА), заключается в ус-
ловиях применения, характеризующихся широким диапазоном температур; разреженностью атмо-
сферы; большими механическими перегрузками; соизмеримостью мощности генератора и потребите-
ля; переменной частотой вращения авиадвигателя; работой при электрических перегрузках; безопас-
ностью электрической машины при возникновении короткого замыкания нагрузки [5].
В настоящее время СГЭЭ на основе генераторов постоянного тока (ГПТ) уступают свое место
системам на основе машин переменного тока, прежде всего, ввиду наличия ненадежного искрящего
конструктивного элемента − щеточно-коллекторного узла, особенно плохо работающего в условиях
разреженности атмосферы. СГЭЭ на основе СГ с постоянными магнитами (ПМ) на сегодняшний день
являются наиболее востребованными и энергетически выгодными системами бортового электрообо-
рудования. Исследованиям СГЭЭ на основе СГ с постоянными магнитами (СГПМ) при использова-
нии в качестве преобразовательно-регулирующих устройств полупроводниковых преобразователей
посвящен ряд работ [3, 4, 8]. Однако при всей своей привлекательности СГЭЭ на основе СГПМ име-
ют и ряд недостатков, основными из которых являются: низкая механическая прочность постоянных
магнитов; их старение и возможность размагничивания при высоких температурах; высокая стои-
мость ПМ, а также сложность организации защит от короткого замыкания, прежде всего, ввиду боль-
шого запаса электромагнитной энергии во вращающемся роторе. В аварийных ситуациях ЛА «неис-
чезаемый» запас электромагнитной энергии ротора потенциально опасен.
Альтернативой СГЭЭ с СГПМ является применение систем генерации на основе электрических
машин с самовозбуждением − асинхронных и синхронно-гистерезисных генераторов (АГ и СГГ). Ес-
ли системы генерации с АГ известны [1], то системы с СГГ ранее никем не рассматривались, поэтому
авторами данной статьи фактически предлагается новое техническое решение.
С точки зрения теории автоматического управления режим самогенерации в электрических ма-
шинах различной конструкции аналогичен.
На рис. 1 и 2 показаны структурные схемы ГПТ и АГ с самовозбуждением. Согласно схеме ГПТ
наличие остаточного магнитного потока Фост приводит при вращении якоря к возникновению ЭДС Ег на
выходе генератора. В обмотке возбуждения с числом витков nв, представленной апериодическим звеном
kв/(1+TвР), возникает ток возбуждения, который создает МДС F и соответствующий магнитный поток. Та-
ким образом, образуется контур положительной обратной связи по магнитному потоку, способствующий
© Гарганеев А.Г., Харитонов С.А., 2013
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4 57
процессу самовозбуждения. Амплитуда потока и ЭДС ограничивается за счет нелинейности характеристи-
ки намагничивания Ф(F). Как и в схемах с самовозбуждением представленный процесс характеризуется
балансом фаз и амплитуд. Что касается баланса амплитуд, то он выполняется при петлевом коэффициенте
усиления, равном единице и может быть получен из выражений общей передаточной функции системы.
Баланс фаз в ГПТ фактически отсутствует, так как коллектор, выполняющий функцию «модулятора-
демодулятора», превращает переменный в якоре магнитный поток в постоянный.
В схеме АГ происходит фактически тот же процесс, что и в схеме ГПТ. Однако для выполнения
баланса амплитуд в статорной цепи переменного тока необходимо получить емкостную составляю-
щую тока IC после блока дифференцирования, которая в цепи ротора «поддержит» развитие магнит-
ного потока. Известно, что в АГ емкостную составляющую получают за счет батареи конденсаторов.
Представленные схемы позволяют получить известные в теории электрических машин условия
самовозбуждения, однако, с позиций теории автоматического управления.
Желание устранить в схеме ГПТ коллектор приводит к необходимости перейти к обращенной
конструкции электрической машины, применив в неподвижной относительно наблюдателя цепи яко-
ря полупроводниковый коммутатор (инвертор), как и в бесконтактном двигателе постоянного тока.
Однако процесс самовозбуждения в этом случае может развиться лишь в случае магнитной «подат-
ливости» материала ротора, а единственным типом электрических машин с таким материалом явля-
ется гистерезисная машина с ротором, например, из викаллоя [6]. В этом случае процесс самовозбуж-
дения аналогичен процессу в АГ при фиктивном числе витков ротора nрот.
Необходимость регулировки выходного напряжения АГ и СГГ при изменении нагрузки как по
величине, так и по характеру приводит к идее применения в СГЭЭ в качестве поставщика и регули-
ровщика емкостного тока полупроводникового преобразователя (ПП), способного работать в режиме
инвертора или активного выпрямителя.
На рис. 3 показана схема мехатронной СГЭЭ
переменного тока. Согласно представленной схеме
ПП образует необходимый уровень емкостного тока,
поддерживающий процесс самовозбуждения в диапа-
зоне регулирования. Для СГГ в ПП дополнительно
предусмотрено наличие устройства импульсного под-
магничивания ротора, как это используется у син-
хронно-гистерезисных двигателей [2]. При возникно-
вении аварийных ситуаций, приводящих к перегрузке
СГЭЭ, процесс самогенерации автоматически пре-
кращается («срыв генерации»), не приводя к катаст-
рофическим последствиям.
Таким образом, изменение скорости приводного
первичного двигателя, а также нагрузки по величине и
характеру приводят к необходимости применения в автономных СГЭЭ полупроводниковых преобра-
зователей, превращая СГЭЭ в мехатронную систему. Мехатронные СГЭЭ на основе АГ и СГГ могут
составить альтернативу дорогостоящим системам с СГПМ. Представляется интересным и перспек-
тивным исследование и создание СГЭЭ с СГГ, поскольку гистерезисные машины занимают по энер-
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 3
58 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2013. № 4
гетическим показателям промежуточное место между асинхронными машинами и синхронными с
постоянными магнитами, обладая свойствами самовозбуждения.
1. Вольдек А.И. Электрические машины. − Ленинград: Энергия, 1974. − 840 с.
2. Гарганеев А.Г., Брованов С.В., Харитонов С.А. Мехатронные системы с синхронно-гистерезисными двигателями. −
Томск: Из-во Томского политехнического университета, 2012.− 227 с.
3. Гарганеев А.Г., Харитонов С.А. Коэффициент полезного действия мехатронной системы генерирования электриче-
ской энергии постоянного тока // Известия Томского политехнического университета. − 2010. − Т. 319. − №4. − С. 139−143.
4. Гарганеев А.Г., Харитонов С.А. Перспективные системы электроснабжения самолета с полностью электрифицирован-
ным оборудованием // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. − 2009. − № 2(20). − С. 185–192.
5. Грузков С.А. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Том 1. Системы электроснабжения
летательных аппаратов.− М.: Из-во Московского энергетического института, 2005. – 568 с.
6. Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод. – М.: Энергоатомиздат, 1983. − 128 с.
7. Харитонов С.А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии автономных объ-
ектов. − Новосибирск: из-во НГТУ, 2011. − 536 с.
УДК 621.314:621.382:621.314.572
МЕХАТРОННІ СИСТЕМИ ГЕНЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ОСНОВІ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН
ІЗ САМОЗБУДЖЕННЯМ
О.Г.Гарганєєв1, докт.техн.наук, С.О.Харитонов2, докт.техн.наук
1 − Національний дослідницький томський політехнічний університет,
пр. Леніна, 30, Томськ, 634050, Росія;
2 − Новосибірський державний технічний університет,
пр. Карла Маркса, 20, Новосибірськ, 630064, Росія. E-mail: kharit@yandex.ru
Розглянуто принципи генерування електроенергії у автономних системах електропостачання на основі електричних ма-
шин із самозбудженням. Проведено аналіз умов функціонування систем електропостачання для літаючих апаратів. Вияв-
лено переваги та недоліки синхронних генераторів з постійними магнітами. Показано спільність процесів самозбудження в
електричних машинах постійного струму, асинхронних та синхронно-гістерезисних. Наведено структурні схеми, що ілюс-
трують з позицій теорії автоматичного управління аналогічність процесів самозбудження в генераторі постійного стру-
му, асинхронному та синхронно-гістерезисному генераторах. Показано можливість побудови систем генерування з напів-
провідниковими перетворювачами, що самозбуджуються. Бібл. 8, рис. 2.
Роботу виконано згідно з Державним контрактом №13.G36.31.0010 від 22.10.2010 р.
Ключові слова: напівпровідниковий перетворювач, генератор, самозбудження.
AUTONOMOUS ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM BASED ON SELF-EXCITED ELECTRICAL MACHINE
A.G.Garganeev1, S.A.Kharitonov2
1 − National Research Tomsk Polytechnic University
Lenin av., 30, 634050, Tomsk, Russia,
2 − Novosibirsk State Technical University,
Karla Marksa av., 20, Novosibirsk, 630092, Russia. E-mail: kharit@yandex.ru
Principles of electric power generation by power supply systems based on self-excited electrical machines are presented in this
paper. Functioning conditions of aircraft power supply systems were analyzed. Advantages and disadvantages of permanent
magnet synchronous generators were revealed. Similarity of self-exciting processes in DC electrical machines – induction and
hysteresis synchronous ones – is revealed. Block diagrams that show similarity of self-exciting processes in DC generator –
induction and hysteresis synchronous ones – from the automatic control theory point of view are provided. It is shown that the
controlled generation systems contained semiconductor converters are possible to be constructed. References 8, figures 2.
Key words: electrical machine, generator, semiconductor converter, inverter, rectifier.
1. Voldek A.I. Electrical Machines. − Leningrad: Energiia, 1974. − 840 p. (Rus)
2. Garganeev A.G., Brovanov S.V., Kharitonov S.A. Hysteresis-Synchronous Motor Mechatronic Systems. − Tomsk: Izdatel-
stvo Tomskogo Polytechnicheskogo Universiteta, 2012. − 227 p. (Rus)
3. Garganeev A.G., Kharitonov S.A. Efficiency of Mechatronic System for DC Electric Power Generation // Izvestiia Tom-
skogo Polytechnicheskogo Universiteta. − 2010. − Vol. 319. − No. 4. − Pp. 139−143. (Rus)
4. Garganeev A.G., Kharitonov S.A. Advanced Power Supply Systems of All-Electric Aircrafts // Doklady Tomskogo Gosu-
darstvennogo Universiteta Radioelectroniki i Sistem Upravleniia. − 2009. − No. 2 (20). − Pp. 185–192. (Rus)
5. Gruzkov S.A. Electrical Equipment of Aircrafts. Vol. 1. Aircraft Power Supply Systems. − Moskva: Izdatelstvo Mosko-
vskogo Energeticheskogo Instituta, 2005. – 568 p. (Rus)
6. Delektorskii B.A., Tarasov V.N. Controlled Hysteresis Drive. – Moskva: Energoatomizdat, 1983. − 128 p. (Rus)
7. Kharitonov S.A. Electromagnetic Processes in Power Generating Systems For Stand-Alone Unit. − Novosibirsk: Izdatel-
stvo Novosibirskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta, 2011. − 536 p. (Rus)
Надійшла 25.09.2012
Received 25.09.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-62352 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-7970 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T22:15:09Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гарганеев, А.Г. Харитонов, С.А. 2014-05-20T07:42:22Z 2014-05-20T07:42:22Z 2013 Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением / А.Г. Гарганеев, С.А. Харитонов // Технічна електродинаміка. — 2013. — № 4. — С. 56–58. — Бібліогр.: 8 назв. — pос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62352 621.314:621.382:621.314.572 Рассмотрены принципы генерирования электроэнергии в автономных системах электроснабжения на основе электрических машин с самовозбуждением. Проведен анализ условий функционирования систем электроснабжения для летательных аппаратов. Выявлены достоинства и недостатки синхронных генераторов с постоянными магнитами. Показана общность процессов самовозбуждения в электрических машинах постоянного тока, асинхронных и синхронно-гистерезисных. Показана возможность построения самовозбуждающихся систем генерирования с полупроводниковыми преобразователями. Розглянуто принципи генерування електроенергії у автономних системах електропостачання на основі електричних машин із самозбудженням. Проведено аналіз умов функціонування систем електропостачання для літаючих апаратів. Виявлено переваги та недоліки синхронних генераторів з постійними магнітами. Показано спільність процесів самозбудження в електричних машинах постійного струму, асинхронних та синхронно-гістерезисних. Наведено структурні схеми, що ілюструють з позицій теорії автоматичного управління аналогічність процесів самозбудження в генераторі постійного струму, асинхронному та синхронно-гістерезисному генераторах. Показано можливість побудови систем генерування з напівпровідниковими перетворювачами, що самозбуджуються. Principles of electric power generation by power supply systems based on self-excited electrical machines are presented in this paper. Functioning conditions of aircraft power supply systems were analyzed. Advantages and disadvantages of permanent magnet synchronous generators were revealed. Similarity of self-exciting processes in DC electrical machines – induction and hysteresis synchronous ones – is revealed. Block diagrams that show similarity of self-exciting processes in DC generator – induction and hysteresis synchronous ones – from the automatic control theory point of view are provided. It is shown that the controlled generation systems contained semiconductor converters are possible to be constructed. Работа выполнена по государственному контракту № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 г. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Електромеханічне перетворення енергії Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением Мехатронні системи генерування електроенергії на основі електричних машин із самозбудженням Autonomous electric power generation system based on self-excited electrical machine Article published earlier |
| spellingShingle | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением Гарганеев, А.Г. Харитонов, С.А. Електромеханічне перетворення енергії |
| title | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| title_alt | Мехатронні системи генерування електроенергії на основі електричних машин із самозбудженням Autonomous electric power generation system based on self-excited electrical machine |
| title_full | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| title_fullStr | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| title_full_unstemmed | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| title_short | Мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| title_sort | мехатронные системы генерирования электроэнергии на основе электрических машин с самовозбуждением |
| topic | Електромеханічне перетворення енергії |
| topic_facet | Електромеханічне перетворення енергії |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/62352 |
| work_keys_str_mv | AT garganeevag mehatronnyesistemygenerirovaniâélektroénergiinaosnoveélektričeskihmašinssamovozbuždeniem AT haritonovsa mehatronnyesistemygenerirovaniâélektroénergiinaosnoveélektričeskihmašinssamovozbuždeniem AT garganeevag mehatronnísistemigeneruvannâelektroenergíínaosnovíelektričnihmašinízsamozbudžennâm AT haritonovsa mehatronnísistemigeneruvannâelektroenergíínaosnovíelektričnihmašinízsamozbudžennâm AT garganeevag autonomouselectricpowergenerationsystembasedonselfexcitedelectricalmachine AT haritonovsa autonomouselectricpowergenerationsystembasedonselfexcitedelectricalmachine |