Учебные вопросы

Учебные вопросы, время и подержание занятия

Методические приемы и указания

1. Назначение, классификация и основные электрические характеристики авиационных генераторов.

45 минут.

Надежность генераторов и безопасность

полетов

Пояснить на примерах летной и технической эксплуатации исключительно важную роль надежной работы генераторов для современных летательных аппаратов.

Отказы собственно генераторов достаточно редки. Летчик видит табло «ОТКАЗ ГЕНЕРАТОРА», но на самом деле причины разнообразны: в основном отказы аппаратуры защиты, регулирования и управления. Источники отказов – как правило, ошибки лётного и инженерно-технического состава в эксплуатации.

Примеры:

• отказ генератора постоянного тока на самолете МиГ-23М (май 1985). В полете днем в простых метеоусловиях летчик обнаружил сразу после взлета обесточивание бортовой сети постоянного тока. При этом сигнализация отказа генератора на аварийном табло не высвечивалась. Летчик произвел посадку без закрылков, с убранным крылом, без радиосвязи. На пробеге тормозами не пользовался (из-за не работающей антиюзовой автоматики колес), тормозной парашют не вышел. Самолет был остановлен в конце полосы с помощью аварийной тормозной установки с незначительными повреждениями. Причина: отгорание силового провода генератора постоянного тока в месте крепления его наконечника к шунту амперметра по причине некачественного монтажа (слабая затяжка болта крепления и отсутствие разрезной шайбы) во время ремонта на авиаремонтном предприятии.

• Непреднамеренное обесточивание штурманом сети переменного тока на самолете Су-24. В полете высветилась сигнализация МИС (отказ малогабаритной инерциальной системы). Штурман, начал неграмотно работать с арматурой в кабине в результате чего отключил два генератора переменного тока, вызвав этим обесточивание жизненно важных систем (загорание табло «НЕТ ПОДКАЧКИ», отказ САУ, РСБН, приборов). По счастливой случайности полет закончился благополучно.

• Массовые отключения генераторов из-за отказов блоков БАР-960Г (блок аварийного расцепления, осуществляет отключение привода постоянной частоты вращения ПГЛ-30М при отклонении частоты за пределы допуска).

Во всех перечисленных случаях сами генераторы были исправны.

Назначение: авиационные генераторы являются основными и первичными источниками постоянного и переменного тока на борту ЛА.

Классификация

Осуществляется по следующим направлениям:

• по виду и величине выдаваемого напряжения;

• по назначению (генераторы и стартер-генераторы);

• по конструктивным особенностям (контактные, бесконтактные);

• по типу системы охлаждения;

• по схеме возбуждения; авиационные, как правило, с параллельным возбуждением; двухступенчатое возбуждение бесконтактных генераторов типа ГТ;

• по схеме соединения обмоток.

Сравнение генераторов постоянного и

переменного тока

Генераторы постоянного тока.

Достоинства: простота управления электроприводом, возможность резервирования аккумуляторными батареями, простота организации параллельной работы, отсутствие приводов постоянно частоты вращения, более простая аппаратура коммутации.

Недостатки: большой объем и масса электрической сети, наличие ненадежного щеточно-коллекторного узла, плохая эксплуатационная пригодность (также из-за щеточно-коллекторного узла).

Генераторы переменного тока.

Достоинства: простота конструкции и исключительно высокая надежность, малый вес и габариты электросети.

Главные недостатки – трудность аппаратной реализации параллельной работы, необходимость применения приводов постоянной частоты вращения.

Тенденции развития

1. Полное вытеснение генераторов постоянного тока бесконтактными генераторами переменного тока;

2. Повышение частоты и номинала напряжения генераторов переменного тока;

3. Замена аналоговых схем защиты, управления и регулирования цифровыми;

Справка по системам электроснабжения современных ЛА:

• Миг-29: 2 генератора ГСР-12КИС БК, 2 пневмопривода ППО-3048 для двух генераторов ГТ-40ПЧ8.

• Су-27: 3 выпрямительных устройства ВУ-6А (сеть 27 В), 2 гидропривода ГП-21 для двух генераторов ГТ30ПЧ6.

Термины

Статор – неподвижная часть электрической машины.

Ротор – подвижная часть электромашины.

Рабочая обмотка – обмотка, с которой снимается генерируемое напряжение;

Якорь – часть генератора, в которой находится рабочая обмотка.

Индуктор – часть генератора, в которой находится обмотка возбуждения. Служит для создания в зазоре электрической машины магнитного поля.

Маркировка и обозначения

В маркировке отсутствуют единые правила (стандарты). Конкретные марки и их расшифровка даются в технических описаниях на генераторы. Коротко привести примеры генераторов транспортных и современных легких самолетов и расшифровку их обозначений.

Распространенные серии генераторов постоянного тока: СТ, СТГ, ГСР-СТ, ГС.

Распространенные серии генераторов переменного тока: СГС, СГК, СГО, ГТ.

Изделие Т-10: ГТ30НЖЧ12 (2шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6Б – 3 шт.)

Ил-76: ГТ-60ПЧ6А (4 шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6А 4 шт.).

Ми-24: ГТ40ПЧ6 (2 шт.), генераторов постоянного тока нет (ВУ-6А 2шт.).

МиГ-29: ГТ30НЖЧ12 (2 шт.), ГСР-СТ-12/40А (1 шт).

Электрические характеристики

Замечание предварительное: особенность работы авиационных генераторов – большой диапазон частот вращения ротора.

Электрические характеристики необходимы для понимания процессов регулирования и управления.

Работа генераторов характеризуется: f, Р, U, I_н, I_в, n, ΔI_н, ΔI_в, Δn, cos φ (коэффициент мощности; при =1 нагрузка активная).

Аналитическую зависимость установить сложно, так как нелинейна кривая намагничивания. Поэтому зависимость одной величины от другой изображают графически при постоянстве других. Поэтому имеем семейство характеристик. На практике – две или три кривые, относящиеся к двум крайним частотам вращения или к двум крайним и одной средней частотам вращения.

Электрические характеристики генераторов постоянного тока

Характеристика холостого хода – зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и отсутствии нагрузки:

Е= f(I_в) при n = const и R_н = ∞

Рис.1.1. Кривая намагниченности магнитопровода (слева),

характеристики холостого хода (справа).

Семейство характеристик холостого хода представлено на Рис.1.1. Прямая 2 – характеристика цепи возбуждения (луч сопротивления). В положении 3, когда луч сопротивления становится касательным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение R_В называется критическим сопротивлением. Точки А₁, А₂ – точки установившегося режима генератора. Обороты n1- критическая скорость (при оборотах равных или меньших критической скорости генератор не самовозбуждается).

Определяет в основном конструктивные свойства генератора. По внешнему виду – повторяет кривую намагничивания В(Н).

рис.1.2 Характеристика х.х.

По характеристике холостого хода можно судить о насыщении машины, критическом сопротивлении цепи возбуждения и соотношении намагничивающей силы воздушного зазора и участков стали магнитной цепи машины.

Степень магнитного насыщения характеризуется коэффициентом насыщения магнитной цепи, представляющим собой отношение тока возбуждения при холостом ходе к току, затрачиваемому на проведение магнитного потока через воздушный зазор:

В ненасыщенной машине k_н=1, и он увеличивается при повышении насыщения. Для минимальной частоты вращения k_н=1,1-1,25.

Сопротивление цепи возбуждения определяется тангенсом угла наклона луча, проведенного из начала координат к оси абсцисс:

Сопротивление цепи и возбуждения, соответствующее лучу, касательному к характеристике холостого хода в начале координат, называется критическим R_в.кр.. При R_в>R_в.кр самовозбуждение генератора невозможно. Чем больше частота вращения, тем больше критическое сопротивление. р.тическим йцепи возбуждения, соответствющее лучу, касательному к харктеристике холостого хода в начале координат, нгазываетс

Внешние характеристики – определяют эксплуатационные свойства генераторов и представляют собой зависимость

U= f(I) при n = const

и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения генератора.

Характеристика нужна для расчета нагрузок, для организации параллельной работы генераторов.

Рис.1.3. Внешние характеристики для генераторов

постоянного тока

Семейство внешних характеристик для генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением представлено на Рис.1.3., для генераторов переменного тока – на Рис.1.3.

Для рисунка 1.3.: точка А – ЭДС генератора; точка Б – соответствует предельному значению тока при номинальном напряжении; точке В соответствует критическое значение тока (попытка увеличить нагрузку генератора приводит к резкому снижению напряжения и тока нагрузки, граница устойчивой части внешней характеристики); точка Г – определяет ток короткого замыкания. Характеристика генератора с независимым возбуждением показана пунктиром.

Предельный и критический токи характеризуют перегрузочную способность генератора. Она зависит от частоты вращения, сопротивления цепи возбуждения, температуры обмоток и наличия компенсационной обмотки.

При минимальной частоте вращения и включенном регуляторе напряжения предельный ток мало отличается от номинального:

Iпр=(1,03 --1,2) I_ном,

т.е. авиационные генераторы в целях получения минимальной массы не имеют запаса по мощности при минимальной частоте вращения. С увеличением частоты вращения и при отключении регулятора напряжения, значения предельного и критического токов возрастают. I_пр=(1,25-1,7) I_ном. При максимальной частоте вращения I_пр=(1,-3,2) I_ном и I_кр=(2,3-3,5) I_ном.

Регулировочные характеристики – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки

I_в= f(I_н) при U_н и n = const

Рис.1.4. Регулировочная (слева) и эксплуатационная

(справа) характеристики для генераторов

постоянного тока.

Для машин постоянного тока регулировочные характеристики практически одинаковы в случае параллельного и независимого возбуждения.

Электрические характеристики генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением не рассматриваем. Для них отметим два момента:

1. характеристики холостого хода не отличаются от характеристик генераторов параллельного и независимого возбуждения;

2. достоинством генератора смешанного возбуждения является меньший диапазон изменения тока возбуждения для поддержания неизменным напряжения на зажимах при изменении нагрузки.

С регулировочными характеристиками связан параметр «кратность регулирования» - отношение тока возбуждения при номинальной нагрузке и минимальной частоте вращения к току возбуждения при холостом ходе и максимальной частоте вращения

k_в = I_в max/I_в min

Для современных авиационных генераторов постоянного тока кратность регулирования k_в =6 -10.

Чем больше крутизна регулировочной характеристики, тем больше насыщение генератора и размагничивающее действие реакции якоря. При малой частоте вращения характеристика идет круче чем при большой.

Кратность нужна для определения требований к регулятору напряжения и характеризует степень конструктивного совершенства генератора.

По регулировочным характеристикам можно выбрать регулятор напряжения для данного генератора, работающего на систему с определенной величиной или характером (для переменного тока) нагрузок.

Эксплуатационные характеристики – зависимость тока возбуждения от частоты вращения I_В=f(n) при номинальном напряжении U_H и постоянной нагрузке I=const.

Эксплуатационные характеристики обычно снимают для двух режимов: холостого хода и номинальной нагрузки. Как и регулировочная, эксплуатационная характеристика дает представление об использовании магнитной системы генератора. Чем больше насыщение магнитной системы генератора при минимальной частоте вращения и холостом ходе, тем резче падает ток возбуждения с увеличением частоты вращения генератора в пределах частот вращения.

Если известны минимальная частота вращения и максимальная частоты вращения генератора, то по эксплуатационным характеристикам можно определить кратность регулирования тока возбуждения, т.е. задать требования к регулятору напряжения. Максимальный ток возбуждения определяют для минимальной частоты вращения по кривой, снятой при номинальной нагрузке, а минимальный ток возбуждения определяют по кривой, снятой при холостом ходе и максимальной частоте вращения генератора. Рис. 1.4., справа.

Электрические характеристики генераторов переменного тока

Основными характеристиками генераторов переменного тока являются характеристики холостого хода и короткого замыкания. Они определяют конструктивные свойства генераторов. Для практических целей имеют большое значение внешняя и регулировочная характеристики, которые обуславливают эксплуатационные свойства генераторов.

Характеристика холостого хода – представляет зависимость э.д.с. холостого хода от тока возбуждения Е₀=f(I_в) при постоянной частоте вращения n=const. Характеристика определяет магнитные свойства генератора:

Е₀=4k_ф k₀W_ф fФ,

где k_ф, k₀ – коэффициенты формы кривой и обмоточный;

W_ф – число витков в фазе;

f – частота тока;

Ф – магнитный поток в воздушном зазоре.

Характеристика короткого замыкания – зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения I_к=f(I_в) – при U=0 и n=const. Характеристика практически имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. Это объясняется тем, что при коротком замыкании магнитный поток мал и магнитная система не насыщена.

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря, то ток трехфазного замыкания определяется:

I_к=Е_к/Х_d=Е^/₀/Х_d,

где Е^/₀ – э.д.с. холостого хода при ненасыщенной магнитной цепи генератора (определяется по спрямленной характеристике х.х.)

Х_{d –} синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси генератора.

рис.1.5. Характеристики х.х. и короткого замыкания

Характеристики холостого хода и короткого замыкания дают возможность определить основные электрические параметры синхронного генератора.

Внешние характеристики – определяют эксплуатационные свойства генераторов и представляют собой зависимость

U= f(I) при I_в=const, n = const, cosφ=const

Рис.1.6 Внешние характеристики для генераторов

переменного тока

Для генераторов переменного тока нужно иметь ввиду дополнительные условия:

сos φ = const и I_В = const.

Т.е. учитывается характер нагрузки.

При емкостной нагрузке (Рис..) реакция якоря подмагничивающая, напряжение сначала возрастает, затем уменьшается. Для активной и индуктивной нагрузок напряжение уменьшается сразу. Ток короткого замыкания при данной частоте вращения одинаков для всех характеристик. При преимущественно индуктивной нагрузке с увеличением частоты ток короткого замыкания почти не изменяется. При активно-индуктивной нагрузке наблюдается заметное возрастание тока короткого замыкания при увеличении частоты.

Регулировочные характеристики – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки I_в=f(I) при постоянной частоте вращения n=const U=const, cosφ=const. Ее вид зависит от характера нагрузки.

По регулировочным характеристикам можно выбрать регулятор напряжения для данного генератора, работающего на систему с заданным характером нагрузок.

Рис.1.7. Регулировочные характеристики генераторов

переменного тока

2.Принцип действия и конструктивные особенности авиационных генераторов. 25 минут.

Принцип действия

Основан на законе электромагнитной индукции Фарадея- Максвелла - Ленца (1831). Фарадей – автор законов электролиза.

Знак минус определяет направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца (Индукционный ток в контуре направлен так, что создаваемый им поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению потока, который вызывает данный ток – следствие закона сохранения энергии).

рис.1.8. Простейший генератор

Конструктивные особенности

Для авиационных генераторов (в отличие от наземных) кроме массы и удельной мощности имеются более исчерпывающие характеристики: удельная полетная мощность и полетная масса.

Полетная масса определяется по формуле:

G_г – действительная масса генератора, кг;

g₁ – масса авиадвигателя, приходящаяся на одну единицу его мощности, кг/квт;

g₂ – расход горючего на 1 квт мощности авиадвигателя в час, кг/квт*ч;

t – время полета самолета, час;

P_н – номинальная мощность генератора, квт;

η – к.п.д. генератора

Так для ГС-18: масса - 41,5 кг, полетная масса – 137 кг (время полета –10 часов – расход горючего дает почти половину из этих 137 кг), удельная мощность – 430 вт/кг, удельная полетная мощность – 125 вт/кг.

1. Высокая удельная мощность (генератор ГСР-18000 весит столько же, сколько генератор общепромышленного назначения мощностью 2.5 кВт, т.е. удельная мощность больше в 7-8 раз – почти на порядок).

Достигается:

• большой частотой вращения;

• применением высококачественных электромагнитных материалов;

• эффективными методами охлаждения;

повышенными плотностями токов (и температуры) электропроводящих материалов обмоток (плотность тока 25-30 А/см²; у общепромышленных – 7-10 А/см²), температура до 185 градусов.

2. Малый срок службы (единицы тысяч, иногда сотни часов) – из-за перечисленных тяжелых условий и режимов работы.

3. Применение специальных сортов щеток и повышенные удельные нажатия на щетку:

• щетки МГС работают на высотах до 20 км и температурах до 180 градусов; имеют в своем составе меди 30%, графита 60%, свинца и олова 20%;

• щетки ВТ с присадками дисульфата молибдена работают до высот 25 км и температуры 250 градусов;

• специальные конструкции щеткодержателей;

• удельные нажатия на щетку в 2-4 раза больше, чем у промышленных машин;

4. Большой диапазон частот вращения и крутильные динамические нагрузки на валу обусловливают применение гибких валов и специальных муфт; большие коэффициенты кратности регулирования.

5. Применение сложных приводов постоянной частоты вращения.

Примеры опасных отказов генераторов приведены в информационных сборниках по безопасности полетов за 1999-2004 годы.

Классификацию дать под запись.

Каждую позицию классификации раскрыть подробно.

Сравнение дать под запись

Вопрос студентам: марки генераторов постоянного и переменного тока самолета Су-17, вертолета Ми-8 и их расшифровка.

Перечень характеристик дать под запись (обозначение и название).

Определение дать под запись. Показать слайд, объяснить физический смысл характеристик, сформулировать условия самовозбуждения (В.Винокуров, Авиационные электрические машины, стр.90-91).

Определение дать под запись

Показать слайды, графики зарисовать в конспект. Объяснить физический смысл характеристик. (В.А.Винокуров, Авиационные электрические машины, стр.93).

Определение дать под запись. Показать слайды, графики зарисовать в конспект. Объяснить физический и практический смысл характеристик.

Конструктивные особенности дать под запись в конспект.

Формулу дать под запись.

Конструктивные особенности дать под запись.