Генераторная установка с переменной частотой вращения

Структура системы электроснабжения с переменной частотой вращения на примере самолета A-380 приведена на рис.7.2 [12].

 

 

 

Рис.7.2. Структура СЭС с переменной частотой вращения

 

Уровень напряжения стабилизируется за счет тока возбуждения генераторов. Частота выходного напряжения синхронных генераторов при переменной частоте вращения будет находиться в пределах 360-800 Гц.

Канал постоянного тока напряжением 27В формируется за счет трансформаторно-выпрямительного устройства ТВУ. (сначала – понижение уровня переменного напряжения трансформатором, а потом – преобразование в постоянное напряжение выпрямителем).

Канал переменного напряжения 115В, 400Гц формируется за счет преобразователя частоты ПЧ (Раздел 14.4).

В качестве генераторов канала постоянного тока могут использоваться:

- коллекторные генераторы постоянного тока (выпрямитель в этом случае не нужен);

- трехкаскадные генераторы переменного тока (генератор самолетный с расширенным диапазоном частоты вращения), например, генераторы ГСБК-9РС (генератор самолетный бесколлекторный мощностью 9 кВт) и ГСР-20БК (генератор самолетный с расширенным диапазоном мощностью 20 кВт бесколлекторный) [15].

Данные по генераторам приведены в Приложении 1 [15].

 

Мощность генератора

В рамках серии ГТ выпускаются генераторы на мощность 8, 16, 30, 40, 60, 90, 120 кВА.

Информация о мощности заложена в обозначении генератора: у ГТ40ПЧ6 мощность 40 кВА.

На самолетах с повышенным уровнем электрификации устанавливаются более мощные генераторы.

На самолете Вoeing 787 устанавливаются 4 основных генератора переменного тока мощностью 250 кВА каждый, приводящиеся во вращение от авиационных двигателей и два генератора мощностью 225 кВА, установленные на ВСУ. Общая установленная мощность источников электрической энергии на данном ЛА составляет 1450 кВА [11].

На аэробусе А-380 мощность одного источника электрической энергии составляет 150 кВА, а суммарная мощность СЭС достигает 840 кВА [11].

 

Выходное напряжение

Выходное напряжение: 208 В (действующее значение линейного напряжения, то есть напряжения между двумя фазами – стандарт для ЛА). Фазное напряжение при этом – 120 В (напряжение между нейтральным и фазным проводом).

На клеммах нагрузки этому напряжению будет соответствовать напряжение 200/115 В.

С помощью статических преобразователей электроэнергии дополнительно получают напряжение другой величины:

- постоянное напряжение 27 В (в ряде случаев получают с помощью генераторов);

- действующее значение линейного напряжения без нейтрали – 36 В.

 

Частота напряжения

В соответствии с ГОСТ 54073-2010: 

- в СЭС переменного тока постоянной частоты: 400 Гц

- в СЭС переменного тока переменной частоты: 360...800 Гц.

Повышенный уровень частоты (по сравнению с 50Гц) обусловлен необходимостью снижения массогабаритных размеров генераторов, дросселей, трансформаторов и т.п.

 

Частота вращения

Частота вращения n синхронных генераторов жестко связана с частотой напряжения f формулой

n = 60 f / р,                                                                 (7.1)

где p – число пар полюсов генератора.

Информация о частоте вращения генераторов серии ГТ заложена в обозначении. Например, у генератора ГТ40ПЧ6 частота вращения 6000 об/мин («Ч» - частота вращения, 6 - число тысяч оборотов в минуту).

В соответствии с формулой (7.1) генератор имеет восемь полюсов (p =4).

Применяются также генераторы с частотой вращения 8000 об/мин (р =3) и частотой вращения 12000 об/мин (р =2).

 

Охлаждение генератора

Генераторы серии ГТ могут иметь один из двух видов охлаждения [1]:

- принудительное воздушное охлаждение от встречного воздуха;

- жидкостное охлаждение.

Тип охлаждения указывается в обозначении генератора, например:

- ГТ60ПЧ8А: П – принудительное воздушное;

- ГТ30НЖЧ12К: НЖ – непосредственное жидкостное. 

При больших скоростях полета температура воздуха, поступающего для охлаждения генератора, сильно возрастает по сравнению с температурой атмосферного воздуха и может достигнуть 120-150°С. При этих условиях исключается возможность охлаждения продувом.

 

7.1.9. Достоинства:

- бесконтактность, надежная эксплуатация;

- высокое использование материалов (высокое значение удельной мощности, Вт/кг);

- надежность возбуждения;

- малая масса и габариты;

- большая перегрузочная способность;

- хорошее качество выходного напряжения (форма кривой);

- малая мощность управления.

 

7.1.10. Недостатки:

- сложность конструкции;

- необходимость иметь привод, обеспечивающий постоянную частоту вращения генератора для получения стабильной частоты;

- наличие вращающихся диодов, использование которых (в случае кремниевых диодов) ограничено температурой 150°С, что снижает надежность генератора и требует интенсивного охлаждения ротора;

- необходимость исполнения системы генерирования в виде трех машин увеличивает длину машины даже в интегральном исполнении; размещение в одном корпусе и привода постоянной частоты, и бесконтактного генератора усложняет вопрос консольного крепления привода с генератором на авиадвигателе [4];

- трехкаскадный бесконтактный генератор имеет большую постоянную времени системы регулирования напряжения [4];

- (недостаток, присущий системам переменного тока): более сложная организация параллельной работы (по сравнению с генераторами постоянного тока), требующая регулирующей аппаратуры повышенной точности и повышенной сложности;

В первое время возникали опасения относительно механической прочности кремниевых диодов при воздействии на них центробежных сил, но эксплуатация таких систем эти опасения не подтвердила.

Применение диодов на основе карбида кремния позволит поднять рабочую температуру ротора до 400°С.

 

Тенденции

В настоящее время на самолетах используются три вторичные энергетические системы:

- система электроснабжения;

- гидравлическая система;

- пневматическая система.

Такое построение бортовой системы энергоснабжения для перспективных ЛА не является оптимальным, требует существенных затрат на его эксплуатацию и вызывает значительные трудности при интеграции бортового оборудования [11].

Одним из наиболее перспективных направлений создания конкурентоспособного отечественного самолета является переход к концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием (условное устоявшееся наименование – «полностью электрический самолет» или ПЭС) [11].

На ПЭС для питания наиболее энергоемких систем, которые традиционно использовали для своего функционирования гидравлическую и пневматическую энергию, будет применяться электрическая энергия.

По некоторым оценкам, реализация концепции ПЭС применительно к тяжелому транспортному самолету позволит получить [11]:

• снижение потребления топлива – 8–12 %;

• снижение полной взлетной массы – 6–10 %;

• снижение прямых эксплуатационных расходов – 5–10 %;

• снижение стоимости жизненного цикла – 3–5 %;

• увеличение среднего налета на отказ – 5–6 %;

• снижение времени технического обслуживания – 4–4,5 %.

Повышение уровня электрификации «полностью электрических самолетов» будет сопровождаться увеличением мощности системы электроснабжения в целом. Исследования показали, что мощность СЭС ПЭС должна быть увеличена примерно в 2–3 раза в зависимости от типа ЛА [11].

 

Стартер-генератор

1) Задача, выполняемая в двигательном режиме - запуск ДВС или газотурбинных двигателей (которые тоже по своему принципу работы относятся к ДВС).

Зачем? У ДВС отсутствует пусковой момент. То есть сгорание топлива при неподвижном поршне к созданию момента не приведет.

В двигательном режиме (то есть в режиме стартера) стартер-генератор раскручивает вал ДВС до частоты вращения, при которой в камере сгорания создаются благоприятные условия для горения топлива и самостоятельной работы ДВС.

При этом стартер-генератор получает электроэнергию от аккумуляторных батарей либо напрямую, если в качестве стартер-генератора используется коллекторный ДПТ, либо через инвертор, если используется машина переменного тока.

2) Задача, выполняемая в генераторном режиме - питание потребителей электроэнергией.

После запуска ДВС производится ряд переключений:

- стартер-генератор отключается от аккумуляторной батареи;

- расцепляется одна муфта, обеспечивающая механическое соединение стартер-генератора с ДВС;

- сцепляется другая муфта, обеспечивающая передачу механической энергии в другом направлении (от ДВС к генератору).

На вал генератора подается механическая энергия от запущенного ДВС, а с обмоток снимается электрическая энергия и подается к потребителям.

Передаточное отношение между валом стартер-генератора и ДВС при двух направлениях передачи механической энергии различно.

Желание: получить приблизительно одинаковые максимальные скорости вращения вала стартер-генератора в обоих режимах.

В двигательном режиме: ДВС вращается медленно, от стартер-генератора требуется большой момент. Целесообразно включить в механическую передачу понижающий редуктор. То есть частота вращения вала стартер-генератора будет выше частоты вращения ДВС.

В генераторном режиме: ДВС вращается с большой скоростью. Между ДВС и стартер-генератором редуктор отсутствует.

При таких различных передаточных условиях в двух режимах работы удается наилучшим образом использовать стартер-генератор как электрическую машину [9].

В качестве стартер-генераторов используются электрические машины постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением.