Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 70331 10.20295/2223-9987-2023-3-114-132 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем An Energy Complex Based on a High-Speed Electric Machine Энергетический комплекс на базе высокооборотной электрической машины Подберезная Маргарита Сергеевна Podbereznaya Margarita Sergeevna Колпахчьян Павел Григорьевич Kolpahch'yan Pavel Grigor'evich kolpakhchyan@pgups.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Ростовский государственный университет путей сообщения Ростов-на-Дону Россия Rostov State Transport University (RSTU) Rostov-on-Don Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation 26 09 2023 26 09 2023 2023 3 114 132 26 09 2023 https://itt-pgups.ru/en/nauka/article/70331/view

Цель: Целью настоящего исследования является рассмотрение вопросов проектирования высокооборотных электрогенераторов, используемых совместно с газовыми микротурбинами. Методы: Для решения поставленных задач были использованы теория электрических машин; метод конечных элементов; теория автоматического управления; методы математического анализа, математического и схемотехнического моделирования; численное моделирование на ПЭВМ с использованием программных комплексов FEMM и Matlab Simulink. Исследования проводились на экспериментальных образцах высокооборотного электрогенератора и подтверждены результатами испытаний в составе энергетического комплекса на основе газовой микротурбины в 2019 г. Результаты: Разработан комплекс научно обоснованных технических решений по проектированию высокооборотного электрогенератора с системой управления энергетического комплекса на базе микрогазовой турбины. В результате разработан и изготовлен высокооборотный электрогенератор для газовой микротурбины с мощностью 100 кВт и частотой вращения 100 000 об/мин. При проектировании выбран электрогенератор асинхронного типа с массивным ротором. Особенностью разработанной конструкции является применение пятифазной обмотки статора. Разработана система управления экспериментального образца высокооборотного электрогенератора для микро-ГТУ. Практическая значимость заключается в разработке методов и алгоритмов проектирования высокооборотного генераторного оборудования для микро-ГТУ. Выработаны рекомендации по выбору типа и конфигурации высокооборотного электрогенератора для электрического комплекса на базе микрогазовой турбины. Предложена методика расчета параметров схемы замещения высокооборотного электрогенератора, позволяющая определять параметры схемы замещения по известной конфигурации активного слоя на этапе проектирования.

Purpose: The purpose of this study is to develop the scientific basis for designing high-speed electric generators used in conjunction with gas micro-turbines. Methods: To solve the tasks set, the theories of electrical machines; the finite element method; automatic control theory; methods of mathematical analysis, mathematical and circuit modeling; numerical modeling on a PC using FEMM and Matlab Simulink software complexes have been used. The research has been carried out on experimental samples of a high-speed electric generator and confirmed by the results of tests as part of an energy complex based on a gas microturbine in 2019. Results: A complex of scientifically based technical solutions for the design of a high-speed electric generator with an energy complex control system based on a micro-gas turbine has been developed. As a result, a high-speed electric generator for a gas microturbine with a power of 100 kW and a rotation speed of 100,000 rpm has been developed and manufactured. When designing, an asynchronous type electric generator with a massive rotor has been selected. A feature of the developed design is the use of a five-phase stator winding. A control system of an experimental sample of a high-speed electric generator for micro-GTU has been developed. Practical significance: It lies in the development of methods and algorithms for designing high-speed generator equipment for micro-GTU. Recommendations have been developed for choosing the type and configuration of a high-speed electric generator for an electric complex based on a micro-gas turbine. A method is proposed for calculating the parameters of the substitution circuit of a highspeed electric generator, which allows us to determine the parameters of the substitution circuit according to the known configuration of the active layer at the design stage.

 Высокооборотный электрогенератор система управления асинхронная электрическая машина с массивным ротором электромеханические процессы компьютерное моделирование High-speed electric generator control system asynchronous electric machine with a massive rotor electromechanical processes computer modeling

Колпахчьян П. Г. Об одной возможности изготовления роторов высокоскоростных электрогенераторов с постоянными магнитами / П. Г. Колпахчьян, Б. Н. Лобов, И. В. Русакевич и др. // Труды X Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2018: материалы докладов конференции, Новочеркасск, 03-06 октября 2018 года. - Новочеркасск: ООО «Лик», 2018. - С. 14-19. Kolpahch'yan P. G. Ob odnoy vozmozhnosti izgotovleniya rotorov vysokoskorostnyh elektrogeneratorov s postoyannymi magnitami / P. G. Kolpahch'yan, B. N. Lobov, I. V. Rusakevich i dr. // Trudy X Mezhdunarodnoy konferencii po avtomatizirovannomu elektroprivodu AEP 2018: materialy dokladov konferencii, Novocherkassk, 03-06 oktyabrya 2018 goda. - Novocherkassk: OOO «Lik», 2018. - S. 14-19. Гольдберг О. Д. Проектирование электрических машин: учебник для вузов / О. Д. Гольдберг. - М.: Высшая школа, 1984. - 431 с. Gol'dberg O. D. Proektirovanie elektricheskih mashin: uchebnik dlya vuzov / O. D. Gol'dberg. - M.: Vysshaya shkola, 1984. - 431 s. Kolpakhchyan P. Systems Approach to the Analysis of Electromechanical Processes in the Asynchronous Traction Drive of an Electric Locomotive / P. Kolpakhchyan, A. Zarifian, A. Andruschenko // Rail Transport - Systems Approach. - 2017. - Pp. 67-134. Kolpakhchyan P. Systems Approach to the Analysis of Electromechanical Processes in the Asynchronous Traction Drive of an Electric Locomotive / P. Kolpakhchyan, A. Zarifian, A. Andruschenko // Rail Transport - Systems Approach. - 2017. - Pp. 67-134. Dolinar D. Calculation of two-axis induction motor model parameters using finite elements / D. Dolinar, R. De Weerdt, R. Belmans et al. // IEEE Transactions on Energy Conversion. - 1997. - Vol. 12. - Iss. 2. - Pp. 133-142. Dolinar D. Calculation of two-axis induction motor model parameters using finite elements / D. Dolinar, R. De Weerdt, R. Belmans et al. // IEEE Transactions on Energy Conversion. - 1997. - Vol. 12. - Iss. 2. - Pp. 133-142. Levi E. General method of magnetising flux saturation modelling in d-q axis models of double-cage induction machines / E. Levi // IEEE Proceedings on Electric Power Applications. - 1997. - Vol. 144. - Iss. 2. - Pp. 101-109. Levi E. General method of magnetising flux saturation modelling in d-q axis models of double-cage induction machines / E. Levi // IEEE Proceedings on Electric Power Applications. - 1997. - Vol. 144. - Iss. 2. - Pp. 101-109. Wilow V. Electromagnetical model of an induction motor in COMSOL Multiphysics: Master’s thesis / V. Wilow // KTH, Electrical Energy Conversion. - 2014. - P. 50. Wilow V. Electromagnetical model of an induction motor in COMSOL Multiphysics: Master’s thesis / V. Wilow // KTH, Electrical Energy Conversion. - 2014. - P. 50. Nocedal J. Numerical Optimization / J. Nocedal, S. Wright // Springer Series in Operations Research and Financial Engineering. - 2nd edition. - Springer-Verlag GmbH, 2006. - 664 p. Nocedal J. Numerical Optimization / J. Nocedal, S. Wright // Springer Series in Operations Research and Financial Engineering. - 2nd edition. - Springer-Verlag GmbH, 2006. - 664 p. Kanzow C. Levenberg - Marquardt methods with strong local convergence properties for solving nonlinear equations with convex constraints / C. Kanzow, N. Yamashita, M. Fukushima // Journal of Computational and Applied Mathematics. - 2004. - - Vol. 172. - Iss. 2. - Pp. 375-397. Kanzow C. Levenberg - Marquardt methods with strong local convergence properties for solving nonlinear equations with convex constraints / C. Kanzow, N. Yamashita, M. Fukushima // Journal of Computational and Applied Mathematics. - 2004. - - Vol. 172. - Iss. 2. - Pp. 375-397. McGuiness D. T. A performance comparison of different rotor types for high-speed induction motors / D. T. McGuiness, M. O. Gulbahce, D. A. Kocabas // 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO). - 2015. - Pp. 584-589. McGuiness D. T. A performance comparison of different rotor types for high-speed induction motors / D. T. McGuiness, M. O. Gulbahce, D. A. Kocabas // 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO). - 2015. - Pp. 584-589. Williamson S. Calculation of cage induction motor equivalent circuit parameters using finite elements / S. Williamson, M. J. Robinson // IEEE Proceedings. Electric Power Applications. - 1991. - Vol. 138. - Iss. 5. - P. 264. Williamson S. Calculation of cage induction motor equivalent circuit parameters using finite elements / S. Williamson, M. J. Robinson // IEEE Proceedings. Electric Power Applications. - 1991. - Vol. 138. - Iss. 5. - P. 264. Колпахчьян П. Г. Определение параметров схемы замещения асинхронной электрической машины с массивным ротором / П. Г. Колпахчьян, М. С. Подберезная, Д. В. Ольховатов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2019. - Т. 62. - № 5. - С. 31-36. - DOI: 10.17213/0136-3360-2019-5-31-36. Kolpahch'yan P. G. Opredelenie parametrov shemy zamescheniya asinhronnoy elektricheskoy mashiny s massivnym rotorom / P. G. Kolpahch'yan, M. S. Podbereznaya, D. V. Ol'hovatov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Elektromehanika. - 2019. - T. 62. - № 5. - S. 31-36. - DOI: 10.17213/0136-3360-2019-5-31-36. Jouili M. Luenberger state observer for speed sensorless ISFOC induction motor drives / M. Jouili, K. Jarray, Ya. Koubaa et al. // Electric Power Systems Research. - 2012. - Vol. 89. - Pp. 139-147. - URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779612000648 (дата обращения: 27.12.2019). Jouili M. Luenberger state observer for speed sensorless ISFOC induction motor drives / M. Jouili, K. Jarray, Ya. Koubaa et al. // Electric Power Systems Research. - 2012. - Vol. 89. - Pp. 139-147. - URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378779612000648 (data obrascheniya: 27.12.2019). Zhang Y. A comparative study of Luenberger observer, sliding mode observer and extended Kalman filter for sensorless vector control of induction motor drives / Y. Zhang, Z. Zhao, T. Lu et al. // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. - 2009. - Pp. 2466-2473. Zhang Y. A comparative study of Luenberger observer, sliding mode observer and extended Kalman filter for sensorless vector control of induction motor drives / Y. Zhang, Z. Zhao, T. Lu et al. // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. - 2009. - Pp. 2466-2473. Messaoudi M. MRAS and Luenberger Observer Based Sensorless Indirect Vector Control of Induction Motors / M. Messaoudi, S. Lassaad, B. Mouna et al. // Asian Journal of Information Technology. - 2008. - Vol. 7. - Pp. 232-239. Messaoudi M. MRAS and Luenberger Observer Based Sensorless Indirect Vector Control of Induction Motors / M. Messaoudi, S. Lassaad, B. Mouna et al. // Asian Journal of Information Technology. - 2008. - Vol. 7. - Pp. 232-239. Tiwari V. Sensorless speed control of induction motor drive using extended Kalman filter observer / V. Tiwari, S. Das, A. Pal // 2017 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). - 2017. - Pp. 1-6. Tiwari V. Sensorless speed control of induction motor drive using extended Kalman filter observer / V. Tiwari, S. Das, A. Pal // 2017 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). - 2017. - Pp. 1-6. Basheer O. Flux and Speed Estimation of Induction Motors using Extended Kalman Filter / O. Basheer, M. Obaid // International Journal of Computer Applications. - 2018. - Vol. 181. - Pp. 27-31. Basheer O. Flux and Speed Estimation of Induction Motors using Extended Kalman Filter / O. Basheer, M. Obaid // International Journal of Computer Applications. - 2018. - Vol. 181. - Pp. 27-31. Alonge F. Sensorless Control of Induction-Motor Drive Based on Robust Kalman Filter and Adaptive Speed Estimation / F. Alonge, F. D’Ippolito, A. Sferlazza // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2014. - Vol. 61. - Pp. 1444-1453. Alonge F. Sensorless Control of Induction-Motor Drive Based on Robust Kalman Filter and Adaptive Speed Estimation / F. Alonge, F. D’Ippolito, A. Sferlazza // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2014. - Vol. 61. - Pp. 1444-1453. Rumzi N. High performance direct torque control induction motor drive utilising TMS320C31 digital signal processor / N. Rumzi // Digital Signal Processing Solutions, 22.04.2000. Rumzi N. High performance direct torque control induction motor drive utilising TMS320C31 digital signal processor / N. Rumzi // Digital Signal Processing Solutions, 22.04.2000. Kolpakhchyan P. G. High-Speed Induction Motor State Observer Based on an Extended Kalman Filter / P. G. Kolpakhchyan, A. E. Kochin, B. N. Lobov et al. // Advances in Intelligent Systems and Computing. - 2020. - Vol. 1156. - Pp. 633-644. - DOI: 10.1007/978-3-030-50097-9_65. Kolpakhchyan P. G. High-Speed Induction Motor State Observer Based on an Extended Kalman Filter / P. G. Kolpakhchyan, A. E. Kochin, B. N. Lobov et al. // Advances in Intelligent Systems and Computing. - 2020. - Vol. 1156. - Pp. 633-644. - DOI: 10.1007/978-3-030-50097-9_65.