Генераторы специального назначения

Генераторы специального назначения

Трехкаскадные авиационные генераторы

Генератор – основной элемент системы электроснабжения на ЛА.

Пример: трехкаскадный генератор марки ГТ40ПЧ6 (применяется на самолетах и вертолетах ИЛ62М, ИЛ78, ИЛ86, ИЛ96-300, ТУ154, ЯК42, МИ26, АН72, АН74, ИЛ76, ВП021, МИ24) [7].

В конце 1970-х годов в СССР создана серия гидравлических привод-генераторов ГП, объединяющих в одном агрегате гидравлический привод постоянной скорости (ППС) и генератор серии ГТ [8].

Примеры:

ГП-21 мощностью 30 кВА (применяется на самолётах Ан-72, Ан-74, Ан-148, Як-42, Су-27, МиГ-29) [8];

ГП-23 мощностью 60 кВА (применяется на самолётах Ту-204, Ил-96, Ан-124, Ту-22М3) [8];

ГП-26 мощностью 90 кВА (применяется на самолетах Ту-204, Ил-76 Ту-214, Ту-334) [14];

ГП-22 мощностью 120 кВА (применяется на самолёте Ту-160) [8].

 

7.1.1. Три основных требования к авиационным генераторам

Основные требования обусловлены областью применения.

1) Минимальная масса и габаритные размеры.

Требование связано с ограничением по месту размещения и по массе, поднимаемой в воздух.

2) Высокая надежность.

Требование связано с критичностью отказов оборудования в условиях авиации.

3) Возможность работы при больших высотах полета.

Условия окружающей среды, отличающиеся от наземных, могут повлиять на работу оборудования.

 

Особенности авиационных генераторов

Особенности авиационных генераторов [6] обусловлены предъявляемыми требованиями.

1) Высокое качество изготовления.

Обусловлено требованием высокой надежности.

2) Малый вес и габаритные размеры.

Обусловлено соответствующим требованием.

Удельная мощность, т. е. мощность, приходящаяся на единицу массы авиационных генераторов, в 5-10 раз больше, чем у генераторов той же мощности общего назначения.

3) Большая плотность тока в рабочей обмотке.

Обусловлено требованием минимизации массы и габаритных размеров.

Чем больше плотность тока, тем при фиксированной мощности будет меньше сечение проводов и размеры пазов.

4) Интенсивное охлаждение.

Обусловлено большой плотностью тока, а следовательно, большими электрическими потерями, выделяющимися в виде тепла, которое нужно более интенсивно отводить, чтобы генератор не нагрелся выше допустимой температуры.

Варианты: принудительное воздушное, непосредственное жидкостное охлаждение [1].

В серии генераторов ГТ информация о типе охлаждения заложена в обозначении: у ГТ40ПЧ6 – принудительное воздушное охлаждение (буква П).

5) Высокая частота вращения ротора.

Обусловлено требованием минимизации массы и габаритных размеров.

Связь между частотой вращения и массогабаритными показателями генератора устанавливает главная формула проектирования электрических машин, которая в сокращенном виде выглядит так: D ² l º P /АВ _δ n

6) Применение высококачественных и теплостойких материалов.

Обусловлено требованиями по высокой надежности и минимизации массы и габаритных размеров (повышаются магнитные, механические свойства, допустимая температура).

Высокие магнитные свойства может обеспечить, в частности сплав 49к2Ф (ГОСТ 10160-75: магнитная индукция 2,2 Тл при напряженности 2500 А/м). Однако стоимость этого сплава на порядок больше обычного электротехнического железа, и он более критичен к технологии изготовления.

Материал Vacodur наряду с высокими магнитными свойствами обеспечивает высокую механическую прочность, что важно, например, для материала ротора при высоких частотах вращения.

 

Функциональные схемы генераторных установок

Авиационные генераторные установки (ГУ) можно разделить на ГУ:

- с постоянной частотой вращения (Раздел 7.1.3.1);

- с переменной частотой вращения (Раздел 7.1.3.2).

Источником механической энергии является газотурбинный авиационный двигатель.

На крупных ЛА имеются два вида газотурбинных двигателей (ГТД), которые могут приводить во вращение генераторы:

- основные авиационные двигатели АД, предназначенные для приведения ЛА в движение;

- вспомогательная силовая установка (ВСУ), имеющая меньшую мощность, не предназначенная для приведения ЛА в движение (функции: обеспечение работы системы кондиционирования, выработка электроэнергии на аэродроме и при выходе из строя основной системы электроснабжения, запуск основных АД).

Постоянную частоту вращения обеспечивает привод постоянной скорости ППС.

 

Рис. 7.1. Функциональная схема авиационной генераторной ЭМС серии ГТ

 

Основной элемент ЭМС – трехкаскадный бесконтактный генератор серии ГТ (генератор трехфазный).

В состав генератора входят три синхронные машины, расположенные на одном валу (и в одном корпусе). Все они работают в режиме генератора, но отличаются друг от друга.

1) Первая машина: основной синхронный генератор Г с явнополюсным ротором – классическая синхронная машина. На статоре находится трехфазная рабочая обмотка, с которой снимается выходное напряжение; на роторе – обмотка возбуждения (ОВ).

2) Вторая машина: возбудитель В. Назначение возбудителя – питание ОВ основного генератора.

В отличие от основного генератора, у возбудителя на статоре – обмотка возбуждения, расположенная на неподвижных полюсах. На роторе – трехфазная рабочая обмотка. С этой вращающейся обмотки снимается выходное напряжение возбудителя.

Синхронные машины – это машины переменного тока, поэтому выходное напряжение – переменное. Для питания ОВ основного генератора требуется постоянное напряжение. Задачу преобразования имеющегося переменного напряжения возбудителя в постоянное напряжение, подаваемое на ОВ, выполняет выпрямитель. Поскольку рабочая обмотка возбудителя вращается, выпрямитель также должен вращаться. Он так и назван – вращающийся выпрямитель ВВ.

В качестве возбудителя может использоваться вращающийся трансформатор (ВТ). В этом случае динамические характеристики генератора лучше, так как ВТ – безынерционное звено. По массогабаритным и энергетическим показателям вращающийся трансформатор уступает синхронным машинам, применяемым в качестве возбудителя.

3) Третья машина: подвозбудитель ПВ.

Это синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов. Как и у всех магнитоэлектрических машин, магниты расположены на роторе, а рабочая обмотка – на статоре.

Назначение подвозбудителя – питание обмотки возбуждения возбудителя.

Подвозбудитель может отсутствовать, если в системе реализуется режим самовозбуждения, т.е. когда питание ОВ организовано от выходного напряжения этого же генератора. Однако самовозбуждение генератора не всегда возможно: для этого необходимо выполнение ряда условий. Поэтому при использовании подвозбудителя надежность обеспечения питания системы возбуждения выше.

Кроме того, поскольку работа подвозбудителя не зависит от работы основного генератора, то часть вырабатываемой им электрической энергии используется в целях защиты и контроля установки.

Конструктивно магнитные системы всех трех машин могут быть расположены в одном корпусе. При этом генератор имеет воздушное охлаждение от встречного потока воздуха.

Отметим, что охлаждение генераторов путем продува во многих случаях стало невозможным в связи с появлением сверхзвуковых высотных самолетов и повышением температуры охлаждающего воздуха за счет адиабатического сжатия до 200-300°С. Для охлаждения генераторов таких самолетов могут быть использованы жидкостные системы охлаждения [3].

На выходе необходимо стабилизировать и значение напряжения, и частоту напряжения.

Регулирование напряжения основного генератора производится с помощью РН, изменяющего ток в цепи ОВ возбудителя.

Стабилизация частоты выходного напряжения осуществляется посредством стабилизации частоты вращения генератора f = pn /60.

Эту задачу в системе выполняет гидравлический привод постоянной скорости (ППС). Он обеспечивает поддержание выходной частоты 400 Гц с точностью ± 5%.

 

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.

 

Назначение

Питание электроэнергией различных потребителей, находящихся, например, на борту беспилотных летательных аппаратов, в частности, на борту боевых ракет.

 

Особенности

Турбогенераторные источники являются ЭМС кратковременного действия. Время работы составляет от нескольких секунд до нескольких десятков минут.

 

Требования

Источник питания (при обеспечении выходных характеристик) должен обладать следующими качествами:

- иметь минимальные размеры и массу;

- обладать минимальным временем выхода на режим;

- быть устойчивым к значительным внешним механическим и тепловым нагрузкам;

- характеризоваться крайне высокой степенью надёжности.

 

Особенности конструкции

1) Безредукторное исполнение.

Вал генератора сочленяется с турбиной напрямую. Это позволяет избежать потерь в механическом преобразователе, что важно, учитывая малую мощность турбогенераторных источников питания.

Безредукторное исполнение позволяет уменьшить общий вес генераторной установки.

2) Бесконтактность.

При высоких частотах вращения генераторы с вращающимися обмотками становятся нерациональными. Поэтому в составе турбогенераторных источников питания применяются бесконтактные генераторы, не имеющие обмоток на роторе: синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов или индукторные генераторы с электромагнитным возбуждением. Применение индукторных генераторов позволяет при заданной скорости вращения и фиксированном диаметре получить большую частоту напряжения [18].

3) Применение подшипников скольжения или лепестковых газодинамических опор.

Подшипники скольжения применяются во всех высокоскоростных машинах любого назначения [18]. Это объясняется тем, что в подшипниках качения при больших скоростях шарики начинают вибрировать, что приводит к выходу их из строя.

В лепестковых газодинамических опорах газовый слой полностью разделяет рабочие поверхности ротора и подшипников. В результате ротор как бы «плавает» в тонкой пленке воздуха. Лишь при пусках и остановах на малых скоростях вращения поверхности подшипников касаются ротора [10].

4) Применение особой высокотемпературной изоляции обмоток.

Чтобы обеспечить допустимость повышенных нагревов [18].

Пример турбогенератора малой мощности (с подшипниками качения) приведен на рис.7.3, [5].

 

Рис.7.3. Пример турбогенератора малой мощности (с подшипниками качения)

 

Пример схемы турбогенераторного источника

Один из вариантов турбогенераторного источника приведен на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Функциональная схема ЭМС на базе турбогенераторной установки

 

Источник механической энергии – газовая турбина, раскручиваемая продуктами сгорания пороховой шашки (ПШ).

В качестве генератора используется трехфазный бесконтактный магнитоэлектрический генератор с подмагничиванием спинки статора, с выходным переменным напряжением 40В частотой 1000 Гц.

Стабильность частоты напряжения обеспечивается стабильностью частоты вращения генератора за счет системы регулирования частоты вращения, воздействующей на подачу газа на турбину.

Стабильность действующего значения линейного напряжения обеспечивается за счет управления током в обмотке подмагничивания спинки статора генератора (Раздел 12.9).

 

Приложение 1. Данные по генераторам постоянного тока с переменной частотой вращения

 

Тип генератора	Номинальная мощность, Вт	Номинальный ток, А	Частота вращения вала, об/мин	Масса, кг	Тип щёток	Число щеток
ГСК-1500М	1500	54	3800-5900	12,6	МГС-8	4
ГСК-1500В	1500	54	3800-5900	12,6	МГС-8	4
ГСН-3000	3000	100	3800-6500	12,3	ЭГ-40А	4
ГСР-3000	3000	100	4000-9000	11,5	МГС-7И	8
СТГ-3 2 серия	3000	100	6250-11250	16,0	МГС-7	8
ГСР-СТ-6000ВТ	6000	200	4000-9000	20,3	МГС-7	12
СТГ-6М	6000	200	4500-8500	24,5	МГС-7	8
ВГ-7500Я	9000	300	5000-8000	24,4	МГС-7	18
ГСБК-9РС	9000	300	3500-8000	21,0	-	-
ГСР-9000 3 серия	9000	300	4000-9000	28,5	МГС-7	18
ГС-12Т	12000	4000	4200-9000	30	МГС-7И	18
ГСР-12000В	12000	400	4000-9000	28,6	МГС-7	12
ГСР-12КИС	12000	400	4200-9000	40,0	МГС-7И	24
ГСР-СТ-1200ВТ	12000	400	4200-9000	29,5	МГС-7И	18
ГСР-СТ-12/40А	12000	400	4000-9000	32	Г-27
СТГ-12ТП	12000	400	4200-9000	35,0	МГС-7	18
СТГ-12ТМ	12000	400	4200-9000	35,0	МГС-7	18
СТГ-12ТМО	12000	400	4200-9000	35,0	МГС-7	18
ГСР-18000(Д)	18000	600	3800-9000	41,5	МГС-9	24
ГСР-СТ-18000	18000	600	4000-9000	42,5	МГС-9	24
ГС-18Т	18000	600	4200-9000	40,0	МГС-7И	18
ГС-18НО	18000	600	3800-7400	48,0	МГС-7И	18
СТГ-18ТМ	18000	600	4200-9000		МГС-7И	18
СТГ-18ТМО	18000	600	4200-9000	46	МГС-7И	18
ГСР-18000В	18000	600	4200-9000	40	МГС-7И	18
ГСР-СТ-18КИС	18000	600	4000-7800	42,5	МГС-7И	24
ГС-24А	14000	600	6000-7000	56,0	МГС-5И	18
ГС-24Б	18000	600	6000-7000	56,0	ВТ-7	18
ГСР-20БК	20000	700	4500-7600	33	-	-

 

 

Генераторы специального назначения