On-Board Power Supply System for Electric Aircraft
Abstract
The development of electric aircraft, the design of which will use, apart from doing away with pneumatic and hydraulic transmissions, electric propulsion, is one of promising lines in aviation technology. As an example, the project of the X-57 Maxwell electric aircraft developed by NASA, which is equipped with 14 propulsion electric motors, is given. In view of insufficient energy efficiency of existing storage batteries, a combined storage battery-and-generator power supply system for electric aircraft is considered. In the considered system, the aircraft propulsion is provided by electric motors, which are powered by storage batteries in combination with permanent magnet generators. The generator shaft is rotated by an auxiliary internal combustion engine, which operates in an economical mode. The power circuit of an active rectifier producing the +270 V DC bipolar output voltage is proposed, with which the permanent magnet generator operates with a sinusoidal phase current waveform and a close-to-unity power factor. The active rectifier control system uses an enhanced phase-locked loop, which eliminates the need to use generator rotor position sensors. For determining the stability domains and revealing undesirable hidden attractors in the considered storage battery-and-generator power supply system, it is proposed to use special analytical-numerical computation procedures based on modifications of Lyapunov's functions methods. The article will be of interest for developers of both aircraft and ground-based self-contained electric power supply systems with a bipolar 270 V DC voltage that must meet stringent requirements for improvement of their mass-and-dimensions and power performance characteristics.
References
1.Макаров О. Вверх на электричестве: электросамолеты будущего // Популярная механика. 2018. № 1(183). С. 64—70.
2.Лёвин А.В., Алексеев И.И., Харитонов С.А., Ковалёв Л.К. Электрический самолёт: от идеи до реализации. М.: Изд-во Машиностроение, 2010.
3.Резников С.Б., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. М.: Изд-во «МАИ-Принт», 2010.
4.Бочаров В.В., Постников В.А., Резников С.Б., Харченко И.А. Энергоэкономичная комбинированная система электроснабжения с высоким качеством электроэнергии для концепции «полностью электрифицированного самолета» // Труды МАИ. 2012. № 58. С. 2—14.
5.Левин А.В., Мусин С.М., Харитонов С.А., Ковалев К.Л., Герасин А.А., Халютин С.П. Электрический самолет: концепция и технологии. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2014.
6.Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and Avionics Subsystems Integration. N.-Y.: John Wiley&Sons Ltd., 2008.
7.Харитонов С.А. Система «синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов — активный выпрямитель» (математическая модель) // Электротехника. 2009. № 12. С. 33—42.
8.Бачурин П.А., Коробков Д.В., Харитонов С.А., Хлебников А.С. Система электропитания постоянного тока с магнитоэлектрическим генератором // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2016. № 3(146). С. 26—32.
9.Бачурин П.А. и др. Системы генерирования электрической энергии постоянного тока на базе магнитоэлектрического генератора и активного выпрямителя // Научный вестник НГТУ. 2015. № 2(59). С. 43—58.
10.Волков А.Г. Многозонные электронные конверторы для автономных систем генерирования электрической энергии: дис. … канд. техн. наук. Новосибирск: Новосибирский гос. техн. ун-т, 2016.
11.Clements N., Venkataramanan G., Johns T.M. Design Considerations for Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator // Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. San Jose, 2009. Рp. 2763—2770.
12.Сорокин Д.А., Вольский С.И. Сопоставительный анализ схемотехнических решений трехфазных преобразователей AC/DC // Электроника и электрооборудование транспорта (ЭЭТ). 2018. № 5. С. 10—15.
13.Пат. № 192844 РФ. Трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный с повышенным коэффициентом мощности / Д.А. Сорокин, С.И. Вольский // Бюл. изобрет. 2019. № 28.
14.Sorokin D., Volskiy S., Skorokhod Y. Development of the Control System for Three phase Power Factor Corrector // Proc. Intern. Sci. and Techn. Conf. Smart Energy Syst. Nurnberg, 2019. Рp. 1813—1819.
15.Сорокин Д.А., Вольский С.И. Математическая модель трехфазного преобразователя переменного тока с двухполярной несбалансированной нагрузкой // Практическая силовая электроника. 2019. № 2(74). С. 2—7.
16.Karimi-Ghartemani M. Enhanced Phase-locked Loop Structures for Power and Energy Applications. N.-Y.: John Wiley&Sons. 2014.
17.Karimi-Ghartemani M., Ooi B.T., Bakhshai A. Application of Enhanced Phase-locked Loop System to the Computation of Synchrophasor // IEEE Trans. Power Delivery. 2011. No. 26(1). Рp. 22—32.
18.Leonov G. e. a. Hold-in, Pull-in, and Lock-in Ranges of PLL Circuits: Rigorous Mathematical Definitions and Limitations of Classical Theory // IEEE Trans. Circuits and Systems-I: Regular Papers. 2015. V. 62. No. 10. Рp. 2454—2464.
19.Alexandrov K. e. a. Pull-in Range of the PLL Based Circuits with Proportionally-integrating Filter // IFAC-Papers On-line. 2015. V. 48. No. 11. Pp. 720—724.
20.Karimi-Ghartemani M. e. a. A New Phase-locked Loop System for Three-phase Applications // IEEE Trans. Power Electronics. 2013. No. 28(3). Pp. 1208—1218.
21.Leonov G.A., Kuznetsov N.V., Yuldashev M.V., Yuldashev R.V. Analytical Method for Computation of Phase-detector Characteristic // IEEE Trans. Circuits and Systems II: Express Briefs. 2012. V. 59(10). Pp. 633—637.
22.Bouzida A., Abdelli R., Ouadah M. Calculation of IGBT Power Losses and Junction Temperature in Inverter Drive // Proc. VIII Intern. Conf. Modelling, Identification and Control. Algiers, 2016. Pp. 768—773.
---
Для цитирования: Вольский С.И., Кузнецов Н.В., Юлдашев М.В., Сорокин Д.А., Юлдашев Р.В. Бортовая система электроснабжения для электрических самолетов // Вестник МЭИ. 2021. № 2. С. 43—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-43-50.
#
1.Makarov O. Vverkh na Elektrichestve: Elektrosamolety Budushchego. Populyarnaya Mekhanika. 2018;1(183):64—70. (in Russian).
2.Levin A.V., Alekseev I.I., Kharitonov S.A., Kovalev L.K. Elektricheskiy Samolet: ot Idei do Realizatsii. M.: Izd-vo Mashinostroenie, 2010. (in Russian).
3.Reznikov S.B., Bocharov V.V., Kirillov V.Yu., Postnikov V.A. Elektroenergeticheskaya i Elektromagnitnaya Sovmestimost' Transportnogo Elektrooborudovaniya s Vysokovol'tnymi Tsepyami Pitaniya. M.: Izd-vo «MAI-Print», 2010. (in Russian).
4.Bocharov V.V., Postnikov V.A., Reznikov S.B., Kharchenko I.A. Energoekonomichnaya Kombinirovannaya Sistema Elektrosnabzheniya s Vysokim Kachestvom Elektroenergii dlya Kontseptsii «Polnost'yu Elektrifitsirovannogo Samoleta». Trudy MAI. 2012;58:2—14. (in Russian).
5.Levin A.V., Musin S.M., Kharitonov S.A., Kovalev K.L., Gerasin A.A., Khalyutin S.P. Elektricheskiy Samolet: Kontseptsiya i Tekhnologii. Ufa: Izd-vo UGATU, 2014. (in Russian).
6.Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems: Mechanical, Electrical, and Avionics Subsystems Integration. N.-Y.: John Wiley&Sons Ltd., 2008.
7.Kharitonov S.A. Sistema «Sinkhronnyy Generator s Vozbuzhdeniem ot Postoyannykh Magnitov — Aktivnyy Vypryamitel'» (Matematicheskaya Model'). Elektrotekhnika. 2009;12:33—42. (in Russian).
8.Bachurin P.A., Korobkov D.V., Kharitonov S.A., Khlebnikov A.S. Sistema Elektropitaniya Postoyannogo Toka s Magnitoelektricheskim Generatorom. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit. 2016;3(146):26—32. (in Russian).
9.Bachurin P.A. i dr. Sistemy Generirovaniya Elektricheskoy Energii Postoyannogo Toka na Baze Magnitoelektricheskogo Generatora i Aktivnogo Vypryamitelya. Nauchnyy Vestnik NGTU. 2015;2(59):43—58. (in Russian).
10.Volkov A.G. Mnogozonnye Elektronnye Konvertory dlya Avtonomnykh Sistem Generirovaniya Elektricheskoy Energii: Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Novosibirsk: Novosibirskiy Gos. Tekhn. Un-t, 2016. (in Russian).
11.Clements N., Venkataramanan G., Johns T.M. Design Considerations for Stator Side Voltage Regulated Permanent Magnet AC Generator. Proc. Energy Conversion Congress and Exposition. San Jose, 2009:2763—2770.
12.Sorokin D.A., Vol'skiy S.I. Sopostavitel'nyy Analiz Skhemotekhnicheskikh Resheniy Trekhfaznykh Preobrazovateley AC/DC. Elektronika i Elektrooborudovanie Transporta (EET). 2018;5:10—15. (in Russian).
---
For citation: Volskiy S.I., Kuznetsov N.V., Yuldashev M.V., Sorokin D.A., Yuldashev R.V. On-Board Power Supply System for Electric Aircrafts. Bulletin of MPEI. 2021;2:43—50. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-2-43-50.
