CC BY
54
ISSN 1992-6502 (Print)
2016. Т. 20, № 4 (74). С. 80-83
-"Boogie QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online)
http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.313
Совмещенная численная модель основного генератора
и возбудителя авиационного синхронного генератора с электромагнитным возбуждением
в. а. Калий 1, а. с. Щупаков
2
1 [email protected], 2 [email protected] АО «Технодинамика» Поступила в редакцию 19.12.2016
Аннотация. В настоящей статье рассмотрена совместная численная расчетная модель основного генератора и возбудителя для нового трехкаскадного стартер-генератора переменного тока с переменной частотой вращения 10800-24000 об/мин, которая применяется для проведения поверочных расчетов в статических и динамических режимах работы изделия.
Ключевые слова: авиационный синхронный генератор; метод конечных элементов; трехкаскадный стартер-генератор.
Одним из важнейших направлений развития авиации является переход к концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием, под которым понимается самолет с единой централизованной системой электроснабжения, обеспечивающей все энергетические потребности самолета. Некоторые элементы концепции полностью электрического самолета уже реализованы на самолетах А-380, и Боинг-787. Однако даже частичная электрификация оборудования этих летательных аппаратов привела к значительному увеличению мощности бортовых источников электрической энергии, основными из которых являются бесконтактные трехкаскадные синхронные генераторы. Бесконтактный (бесщеточный) трехфазный генератор состоит из трех электрических машин, установленных на одном валу: основного генератора; обращенного возбудителя с блоком вращающегося выпрямителя и подвозбудителя, который выполнен как магнитоэлектрический генератор (рис. 1).
Проектирование электрических машин такого типа является сложнейшей научно -технической задачей. Известно, что индуктор основного генератора и якорь возбудителя связаны между собой гальванически, и для оценки качества проектирования изделия необходимо исследовать обе машины совместно [1-3].
Рис. 1. Экспериментальный образец трехкаскадного синхронного генератора повышенной частоты вращения ГСР-90/120
Как правило, для моделирования работы генератора и возбудителя решаются совместно две системы дифференциальных уравнений Парка-Горева, представленные во вращающихся координатах ё, д, 0 [4]. Для моделирования широко используется пакет БШиИпк -приложение к программному комплексу МЛТЬЛБ. Применение уравнений Парка-Горева сыграло фундаментальную роль в развитии теории электрических машин, так как они позволили в исходных дифференциальных уравнениях исключить периодические коэффициенты. Однако у этой системы имеется ряд недостатков, основным из которых является сложность в отношении учета насыщения магнитной цепи, в то время как практически авиационные генераторы имеют насыщение в предельных режимах работы.
Авторы этой статьи реализовали другой подход к решению задачи: разработали методику, позволяющую выполнить расчет статических нагрузочных режимов и переходных процессов в связанной гальванически системе основной генератор -возбудитель путем одновременного численного моделирование непосредственно в нагрузочном режиме.
Для расчета была составлена численная модель генератора, состоящая из основного генератора, обмотка возбуждения которого через двухполупериодный диодный выпрямитель подключена в качестве нагрузки к трем фазам якорной обмотки возбудителя.
Численный метод, выбранный для составления и решения модели - метод конечных элементов. Расчет проведен с помощью коммерческого программного пакета ANSYS Mechanical APDL. Использован решатель переходного процесса в плоской постановке с четырехугольными конечными элементами второго порядка типа PLANE53, имеющими 8 узлов.
Моделирование проводилось в три этапа: моделирование основного генератора, возбудителя с блоком диодов и их совместное моделирование. Подобный подход позволил отладить модель по частям, получить на первом этапе уточненные данные для проектирования возбудителя и скорректировать возбудитель до проведения совместного расчета.
Модель основного генератора состоит из статичного якоря и ротора, смещающегося каждый шаг расчета на заданный угол вокруг центральной оси модели. Сетка конечных элементов ротора поворачивается вместе с геометрией модели без перестроения. На каждом шаге расчета накладываются новые уравнения связи степеней свободы для узлов сетки, прилегающих к границе раздела сетки ротора и статора. Новые уравнения связи рассчитываются, исходя из положения узлов одной сетки относительно элементов другой через их функции формы. Элементы, соответствующие токоведущим частям, соединены в электрические цепи индуктора, трех фаз якоря и демпферной клетки при помощи элементов электрической цепи типа CIRCU124. Обмотка возбуждения включена на источник постоянного тока.
Общий вид электрической цепи модели основного генератора представлен на рис. 2. Цветные точки на схеме обозначают начала и концы фаз якорной обмотки. Три наружных ветви - активно-индуктивная нагрузка трех фаз.
Рис. 2. Общий вид электрической цепи модели основного генератора
Обмотки индуктора заданы катушками с равномерным распределением тока по сечению с учетом коэффициента заполнения активной медью. Стержни демпфера и проводники якорной обмотки заданы массивными проводниками с учетом затухания магнитного поля вследствие наличия вихревых токов в переменном магнитном поле. Учтена проводимость вала генератора.
Рис. 3. Общий вид электрической цепи модели основного генератора
Шихтованная сталь пакетов ротора и статора задана материалом с соответствующими кривыми намагничивания без учета проводимости, так как сечение расчетной модели соответствует плоскости листа шихтовки. Кривые намагничивания стали
82
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
скорректированы с учетом коэффициентов заполнения, а также разницы длин ротора и статора. Активные сопротивления и индуктивности лобовых частей обмоток рассчитаны по известным формулам и введены в модель в виде элементов электрической цепи.
Математическая модель возбудителя создавалась на аналогичных подходах, изложенных выше. Геометрическую модель возбудителя и общий вид электрической цепи модели возбудителя (см. рис. 3).
Рис. 4. Общий вид модели «основной генератор-возбудитель»
Рис. 5. Расчетное напряжение нагрузки в установившемся режиме
Рис. 6. Расчетная осциллограмма тока нагрузки основного генератора
При совместном моделировании возбудителя и основного генератора электрические цепи расчетных моделей соединялись посредством диодов, смоделированных элементом CIRCU125, Расчетная модель представлена на рис. 4.
По результатам расчета во всех интересующих режимах получены формы напряжения нагрузки и определен его гармонический состав, аналогичные характеристики можно получить и для токов фаз основного генератора и возбудителя (см. рис. 5).
С помощью разработанной модели «основной генератор-возбудитель» для поверочных расчетов авиационного синхронного генератора можно производить исследования как статических характеристик - холостого хода, регулировочной и внешней характеристик, так и моделировать переходные электромеханические процессы.
Так, на рисунке 6 представлена расчетная осциллограмма тока при моделировании динамического режима с изменением нагрузки генератора при постоянном токе возбуждения возбудителя.
Так, на рис. 6 представлена расчетная осциллограмма тока при моделировании динамического режима с изменением нагрузки генератора при постоянном токе возбуждения возбудителя.
В заключение необходимо отметить, что авторами создана совместная численная расчетная модель основного генератора и возбудителя с возможностью подключения подвозбудителя для трехкаскадного генератора переменного тока с переменной частотой вращения. Данная модель разработана для проведения поверочных расчетов при разработке экспериментального образца синхронного стартер-генератора ГСР-90/120, который работает без привода постоянной частоты вращения в диапазоне частот 10800-24000 об/мин.
Стартер-генератор ГСР-90/120 проектируется для системы энергоснабжения пассажирского самолета типа МС-21 в рамках государственной программы Российской Федерации
«Определение технического облика и создание экспериментальных образцов перспективных авиационных систем и агрегатов с опережающим научно-техническим уровнем, обеспечивающим конкурентоспособность перспективных
летательных аппаратов в будущем».
Необходимо отметить, что созданная модель опирается на реальную геометрию генератора в двумерной постановке, а также учитывает характеристики материалов, все электрические связи между различными частями генератора и вихревые токи в проводящих элементах активной части генератора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1985. 255 с. [D. A. But. "Contactless electrical machines", (in Russian). Moskow: "Vysshaya shkola", 2011]
2. Зонтов В. М., Куприн Б. В. Системы электроснабжения летательных аппаратов: учеб. для вузов. М.: Типография ВВИА имени Н. Е. Жуковского, 1988. 396 с. [V. M. Zontov, B. V. Kuprin. "Power supply systems of aircraft", (in Russian). Moskow: "Typography VVIA named after N. Ye Zhukovskiy", 1988]
3. Специальные электрические машины. / под ред. А. И. Бертинова. М.: Энергоиздат, 1982. 552 с. [A.I. Bertinov. "Special electrical machines", (in Russian). Moskow: "Energoizdat", 1982]
4. Поспелов Л. И. Конструкции авиационных электрических машин / под ред. А. Ф. Федосеева. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с., ил. [L. I. Pospelov. "Design aircraft electrical machines", (in Russian). Moskow: "Energoizdat", 1982]
ОБ АВТОРАХ
КАЛИЙ Валерий Алексеевич, к.т.н., главный конструктор Департамента систем электроснабжения АО «Технодинамика». Дипл. инженер-электрика (Киевское Высшее Военное Авиационное Инженерное Училище, 1994).
ЩУПАКОВ Алексей Сергеевич, ведущий инженер Департамента систем электроснабжения АО «Технодина-мика». Дипл. инженера (Московский энергетический институт, 2009).
METADATA
Title: Combined numerical model of the main generator and exciter of aircraft synchronous generator with electromagnetic excitation Authors: V. A. Kaliy1, A. S. Shchupakov2 Affiliation:
1 Tekhnodinamika, Russia.
2 Tekhnodinamika, Russia. Email: 1 [email protected]. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 4 (74), pp. 80-83, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: This article describes the combined numerical model of the main generator and exciter for a new three-stage AC starter-generator with variable speed of 10800-24000 rpm, which is used for carrying out calibration calculations in static and dynamic modes of operation. Key words: aircraft synchronous generator; finite eement
method magnetics; three-stage starter / generator. About authors:
KALIY Valeriy Alekseyevich, Ph.D. in electrical engineering, chief designer of the Department of power supply systems of «Tekhnodinamika». Dipl. Engineer (Kiev Higher Military Aviation Engineering Univ, 1994). SHCHUPAKOV Aleksey Sergeyevich, lead engineer of the Department of power supply systems of «Tekhnodinamika». Dipl. Engineer (Moscow Power Engineering Institute, 2009).
