Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму
This article analyzes the issue of inactive power components in DC power systems, with a particular focus on unmanned aerial vehicle (UAV) power networks. Analytical expressions were derived to determine the exchange power under various states of the power switch. A model based on the equivalent cir...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.58 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1872552522033397760 |
|---|---|
| author | Mykolaiets, Dmytro |
| author_facet | Mykolaiets, Dmytro |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dmytro Mykolaiets",
"institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Mykolaiets, Dmytro |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-08-03T14:14:28Z |
| description | This article analyzes the issue of inactive power components in DC power systems, with a particular focus on unmanned aerial vehicle (UAV) power networks. Analytical expressions were derived to determine the exchange power under various states of the power switch. A model based on the equivalent circuit of the converter–motor system was developed in MATLAB/Simulink. The simulation results demonstrate the presence of exchange power in a system utilizing a DC-DC boost converter, and the maximum values of this exchange power were determined. Finally, the study concludes that compensatory measures are necessary to minimize inactive power components. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2026.1.58 |
| first_indexed | 2026-08-04T01:00:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
Teсhnology and design in electronic equipment, 2026, N 158 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
58
POWER ELECTRONICS
UDC 621.314
Dmytro MYKOLAIETS
Ukraine, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
INACTIVE POWER COMPONENTS IN UAV POWER SYSTEM
BASED ON DC-DC BOOST CONVERTER
The utilization of unmanned aerial vehicles (UAVs)
offers several distinct advantages. Compared to
traditional aircraft, they are low-cost and highly cost-
effective. More importantly, UAVs eliminate the risk of
flight personnel casualties, providing a significant edge
when executing missions characterized by high risk,
intensive labor costs, or operational complexity. Recent
breakthroughs in UAV development have substantially
enhanced their performance, continuously expanding
their scope of application.
Publications [1] – [3] present classifications of UAVs
and examples of their power systems. Generally, small
UAVs use batteries as a power source, and less frequently
fuel cells [4], [5]. An unmanned aerial system, illustrated
in Fig. 1, is generally composed of three parts:
– the unmanned aerial vehicle;
– the ground control station, which can be autonomous
or human-operated;
This article analyzes the issue of inactive power components in DC power systems, with a particular focus on unmanned
aerial vehicle (UAV) power networks. Analytical expressions were derived to determine the exchange power under various
states of the power switch. A model based on the equivalent circuit of the converter–motor system was developed in MATLAB/
Simulink. The simulation results demonstrate the presence of exchange power in a system utilizing a DC-DC boost converter,
and the maximum values of this exchange power were determined. Finally, the study concludes that compensatory measures
are necessary to minimize inactive power components.
Keywords: UAV, DC-DC boost converter, exchange power, inactive power components, Simulink, energy losses, DC motor.
– the command and control system, which establishes
communication and data links between the aircraft and
the ground station.
In UAVs, the propulsion system is the component
with the largest mass and dimensions. It enables aircraft
motion through the mechanical power generated by
the electric energy–propeller system, converting the
stored energy into thrust. The onboard power source
supplies energy to the DC bus through unidirectional and
bidirectional converters to enable battery charging and
discharging. These converters regulate the power flow
and receive control signals from the power management
system, which continuously collects data from onboard
sensors.
Publications [6], [7] discuss the phenomenon of
exchange power flow in DC networks, particularly in
UAV power supply systems [8]. This phenomenon leads
to additional energy losses in the parasitic resistances of
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.58
Fig. 1. Block diagram of
a typical aircraft [3]
Teсhnology and design in electronic equipment, 2026, N 1 59ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
59
POWER ELECTRONICS
power system components. Based on previous research
[8], such losses amount to several percent of total power
consumption, which consequently reduces UAV flight
time. Since this topic contains significant gaps and has not
been studied in depth, it is reasonable to investigate the
flow of exchange power in UAV power supply systems
based on a DC-DC boost converter.
The purpose of this study is to derive analytical
expressions for analyzing exchange power in UAV
power systems and to validate these expressions through
simulation.
Circuit Analysis
When analyzing the phenomenon of exchange power
in a UAV power system, it is first necessary to perform
mathematical modeling of the system while accounting
for parasitic parameters. To this end, let us consider the
equivalent circuits of a converter loaded with a DC motor
under various states of the power switch. Specifically,
when the switch is closed, the equivalent circuit shown
in Fig. 2, a is obtained.
Consequently, the expression describing this circuit is
( )
( )
( ) ( )
( )
1
d d
d d
a s
a a a L a s s s
i t i t
E R i t L R i t R i t L
t t
= + + + + , (1)
where ia(t) and is(t) are the currents of the accumulator
and the motor stator, respectively.
Following mathematical transformations, the
exchange power is determined as follows:
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
1
1
2
1
1
1
1 1
(0)
(0)
exp
a a a La
a a
a L a L
a L
a L s s s s
a L
a L s s a L
a a
a L
E L i R RE Es
q t E E
R R r r L
R R
R R R i t L I t
L
r r L
r r i E L r r
t E I
r r L L
æ + +-çç= - -çç + +è
+
+ +
- -
+
ö æ ö+ - +÷ ÷ç÷ ÷- - -ç÷ ÷ç
⋅
÷ ÷ç÷+ è øø
, (2)
where Ia and Ea are the constant values of the battery current
and voltage, respectively;
ia(0) and is(0) are the initial current values after the corre-
sponding change in the switch state.
When the switch is in the open position, the equivalent
circuit shown in Fig. 2, b is obtained.
In this case, the exchange power is determined by the
following expression:
( ) 1
1
(0)
exp
a L
a a
a L
a a a
a L
R Ri E
R RLq t E t E I
R R L
+
- æ ö+ ÷ç ÷= - -ç ÷ç ÷ç+ è ø
. (3)
Thus, from the above expressions, given the known
circuit parameters and initial conditions, it is possible
to determine the exchange energy in the system over
specified time intervals.
Simulation Results
The electrical circuit shown in Fig. 3 was modeled in
MATLAB/Simulink based on the equivalent circuits in
Figs. 2 and 3. The battery voltage is 12 V, the DC motor
voltage is set to 24 V, the converter operating frequency
is 1 kHz, and the motor power is approximately 170 W.
The power consumption time-domain diagrams are
presented in Fig. 4.
As can be seen, even at the stage of analyzing
the power consumed from the battery, there are time
intervals during which the power takes negative values,
Fig. 3. Simulation model
Ra LsRsRI1L1
CEa
Es
Continuous
Fig. 2. Equivalent circuits when the switch is off (a)
and when is on (b)
Ra RI1L1
Ea
Ra LsRsRI1L1
MCEa
a)
b)
Teсhnology and design in electronic equipment, 2026, N 160 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
60
POWER ELECTRONICS
indicating the presence of inactive power components.
The maximum value of this power is 9.1 W. This results
in a portion of the power being dissipated in the internal
resistance of the battery. However, when considering
the difference between the power consumed from the
battery and that consumed by the motor (Fig. 4, b), it
becomes evident that a significant portion of the power
does not flow directly from the source to the load but
instead circulates between the reactive components of
the circuit. In this case, the maximum value of this power
is 189.1 W. Thus, the simulation confirms the presence
of exchange processes in the power system. It should
be noted that increasing the parameters of the reactive
components in the circuit leads to a higher value of the
inactive power component.
Conclusions
Thus, the phenomenon of exchange power flow in the
UAV power supply system based on a DC boost converter
has been analyzed. The presented analysis results clearly
demonstrate the presence of exchange power in the
system. As a result of the simulation, maximum exchange
power values of 9.1 W and 189.1 W were obtained in
accordance with the evaluation methodology. Such
energy exchange processes inevitably lead to additional
energy losses and, consequently, to a reduction in
the UAV’s flight time. To mitigate the impact of this
phenomenon, it is necessary to develop compensatory
links or control strategies.
REFERENCES
[1] N. Darwin, A. Ahmad, and W. A. A. Wan Mohd Akib, “The
potential of low altitude aerial data for large scale mapping,” Jurnal
Teknologi, vol. 70, no. 5, Sep. 2014, doi: 10.11113/jt.v70.3523.
[2] M. R. Szabolcsi, “Beyond training minimums – A new concept
of the UAV operator training program,” Int. Conf. Knowledge-Based
Organization, vol. 22, no. 3, pp. 560 – 566, Jun. 2016, doi: 10.1515/
kbo-2016-0096.
[3] M. N. Boukoberine, Z. Zhou, and M. Benbouzid, “A critical
review on unmanned aerial vehicles power supply and energy
management: Solutions, strategies, and prospects,” Applied Energy,
vol. 255, p. 113823, Dec. 2019, doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113823.
[4] K. Kaya, and Y. Hames, “A study on fuel cell electric unmanned
aerial vehicle,” in Proc. 2019 4th Int. Conf. Power Electronics
and their Applications (ICPEA), pp. 1 – 6, 2019, doi: 10.1109/
ICPEA1.2019.8911131.
[5] M. C. Kim, S. G. Lee, and S. Bae, “Decentralized power
management for electrical power systems in more electric
aircrafts,” Electronics, vol. 7, no. 9, pp. 1 – 19, 2018, doi: 10.3390/
electronics7090187.
[6] N. A. Kostin, and O. H. Sheikina, “The signs of availability
of exchange power in electric traction circuits of the direct current
system,” Scientific and Technical Bulletin (STP), no. 42, pp. 98 – 102,
Dec. 2012, doi: 10.15802/stp2012/9295.
[7] N. A. Kostyn, and O. Y. Sablyn, “Reaktyvnaia moshchnost
v systemakh elektricheskoho transporta postoiannoho toka,” Visnyk
Pryazovskoho Derzhavnoho Tekhnichnoho Universytetu: Zb. Nauk.
Prats, vol. 2, no. 15, pp. 75 – 80, 2005. [Online]. Available: http://eir.
pstu.edu/handle/123456789/1220
[8] D. Mykolaiets, “Analysis of exchange power in the power
system of an unmanned aerial vehicle with a BLDC engine,
” Electronics and Control Systems, vol. 1, no. 75, pp. 73 – 77, 2023,
doi: 10.18372/1990-5548.75.17559
Received 29 May 2026
Accepted 15 June 2026
Fig. 4. Simulation results:
а — power consumed from the battery (1) and power consumed
by the motor (2); b — difference between the power consumed
from the battery and that consumed by the motor
a)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Time, µs
300
200
100
0
1
2
Po
w
er
, W
b)
200
100
0
–100
–200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Time, µs
Po
w
er
, W
Copyright: © 2026, The author(s). Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Відомості про авторів
Дмитро Миколаєць, канд. техн. наук, доцент, КПІ
імені Ігоря Сікорського, Київ, Україна; e-mail:
d.mykolaiets@kpi.ua; ORCID: 0000-0002-9152-8593
About the authors
Dmytro Mykolaiets, Ph.D. technical sciences, Associate Professor,
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine; e-mail:
d.mykolaiets@kpi.ua; ORCID: 0000-0002-9152-8593
Teсhnology and design in electronic equipment, 2026, N 1 61ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
61
POWER ELECTRONICS
Дмитро МИКОЛАЄЦЬ
Україна, КПІ імені Ігоря Сікорського
НЕАКТИВНІ КОМПОНЕНТИ ПОТУЖНОСТІ В СИСТЕМІ ЖИВЛЕННЯ БПЛА
НА ОСНОВІ ПІДВИЩУВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Роботу присвячено аналізу обмінної потужності в системі живлення безпілотного літального апарату. Присутність
цієї компоненти повної потужності саме по собі вже призводить до збільшення втрат в колі перетворювача навіть
при роботі в усталеному режимі, а у випадку безпілотного літального апарату цей фактор має ще більший вплив,
оскільки під час польоту присутні різноманітні зовнішні чинники, такі як вітер, дощ тощо. У разі використання
широко вживаної мультикоптерної схеми система керування налаштовується так, щоб постійно вирівнювати
апарат відносно горизонту. Також під час польоту часто необхідно маневрувати, і тоді частота обертів двигуна
теж змінюється. Все це призводить до того, що здебільшого силова система фактично перебуває у перехідному
режимі, що неодмінно збільшує частку обмінної потужності.
Проаналізовано проблему наявності неактивних компонентів потужності в системах живлення постійного струму,
зокрема, безпілотних літальних апаратів. Виведено аналітичні співвідношення, що визначають обмінну потужність
при відповідних станах силового ключа. У середовищі MATLAB/Simulink побудовано модель, яка відповідає схемі
заміщення системи «перетворювач – двигун». Результати моделювання наочно демонструють наявність обмінної
потужності в системі живлення на основі підвищувального перетворювача постійного струму. Зроблено висновок
про необхідність застосування компенсаційних заходів для мінімізації неактивних компонентів потужності.
Ключові слова: БПЛА, підвищувальний перетворювач постійного струму, обмінна потужність, неактивні компоненти
живлення, Simulink, втрати енергії, двигун постійного струму.
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.58
УДК 621.314
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-1314 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-08-04T01:00:46Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/56/e954ad8a86feff0b18cd86d2c8cc7d56.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-13142026-08-03T14:14:28Z Inactive power components in UAV power system based on DC-DC boost converter Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму Mykolaiets, Dmytro UAV DC-DC boost converter exchange power inactive power components Simulink energy losses DC motor БПЛА підвищувальний перетворювач постійного струму обмін енергією неактивні компоненти Simulink втрати енергії двигун постійного струму This article analyzes the issue of inactive power components in DC power systems, with a particular focus on unmanned aerial vehicle (UAV) power networks. Analytical expressions were derived to determine the exchange power under various states of the power switch. A model based on the equivalent circuit of the converter–motor system was developed in MATLAB/Simulink. The simulation results demonstrate the presence of exchange power in a system utilizing a DC-DC boost converter, and the maximum values of this exchange power were determined. Finally, the study concludes that compensatory measures are necessary to minimize inactive power components. Роботу присвячено аналізу обмінної потужності в системі живлення безпілотного літального апарату. Присутність цієї компоненти повної потужності саме по собі вже призводить до збільшення втрат в колі перетворювача навіть при роботі в усталеному режимі, а у випадку безпілотного літального апарату цей фактор має ще більший вплив, оскільки під час польоту присутні різноманітні зовнішні чинники, такі як вітер, дощ тощо. У разі використання широко вживаної мультикоптерної схеми система керування налаштовується так, щоб постійно вирівнювати апарат відносно горизонту. Також під час польоту часто необхідно маневрувати, і тоді частота обертів двигуна теж змінюється. Все це призводить до того, що здебільшого силова система фактично перебуває у перехідному режимі, що неодмінно збільшує частку обмінної потужності. Проаналізовано проблему наявності неактивних компонентів потужності в системах живлення постійного струму, зокрема, безпілотних літальних апаратів. Виведено аналітичні співвідношення, що визначають обмінну потужність при відповідних станах силового ключа. У середовищі MATLAB/Simulink побудовано модель, яка відповідає схемі заміщення системи «перетворювач – двигун». Результати моделювання наочно демонструють наявність обмінної потужності в системі живлення на основі підвищувального перетворювача постійного струму. Зроблено висновок про необхідність застосування компенсаційних заходів для мінімізації неактивних компонентів потужності. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2026-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.58 10.15222/TKEA2026.1.58 Technology and design in electronic equipment; No. 1 (2026): Technology and design in electronic equipment; 58-61 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1 (2026): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 58-61 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2026.1 en https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.58/1230 Copyright (c) 2026 Dmytro Mykolaiets http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | БПЛА підвищувальний перетворювач постійного струму обмін енергією неактивні компоненти Simulink втрати енергії двигун постійного струму Mykolaiets, Dmytro Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title | Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title_alt | Inactive power components in UAV power system based on DC-DC boost converter |
| title_full | Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title_fullStr | Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title_full_unstemmed | Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title_short | Неактивні компоненти потужності в системі живлення БПЛА на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| title_sort | неактивні компоненти потужності в системі живлення бпла на основі підвищувального перетворювача постійного струму |
| topic | БПЛА підвищувальний перетворювач постійного струму обмін енергією неактивні компоненти Simulink втрати енергії двигун постійного струму |
| topic_facet | UAV DC-DC boost converter exchange power inactive power components Simulink energy losses DC motor БПЛА підвищувальний перетворювач постійного струму обмін енергією неактивні компоненти Simulink втрати енергії двигун постійного струму |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.58 |
| work_keys_str_mv | AT mykolaietsdmytro inactivepowercomponentsinuavpowersystembasedondcdcboostconverter AT mykolaietsdmytro neaktivníkomponentipotužnostívsistemíživlennâbplanaosnovípídviŝuvalʹnogoperetvorûvačapostíjnogostrumu |