Назначение и основные типы преобразователей
Преобразователи электрической энергии на летательных аппаратах выполняют роль вторичных источников тока. Их ключевая задача — изменение параметров поступающей электроэнергии для питания специфичного бортового оборудования. Они могут преобразовывать род тока (например, постоянный в переменный), уровень напряжения, частоту или число фаз. Один такой агрегат способен изменять как один, так и несколько параметров одновременно.
Эти устройства критически важны для электропитания потребителей, которые требуют иных характеристик тока, чем те, что выдают основные генераторы. Кроме того, преобразователи часто выступают в качестве резервных источников энергии. Наиболее распространены на воздушных судах инверторы (постоянный ток в переменный), выпрямители и трансформаторы.
Инверторы: электромашинные и статические
Инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный, бывают двух основных типов. Электромашинный инвертор — это агрегат, объединяющий на общем валу электродвигатель постоянного тока и синхронный генератор переменного тока. При подаче постоянного тока электродвигатель вращает вал, и генератор вырабатывает переменное напряжение. Такие системы оснащены узлами запуска, стабилизации напряжения и частоты.
Яркий пример — резервный преобразователь ПТО-1000/1500 М на истребителе МИГ-29. Он преобразует постоянный ток 27 В в трёхфазный (37 В, 400 Гц, мощность 1000 ВА) и однофазный (120 В, 400 Гц, мощность 1500 ВА). Статические инверторы лишены движущихся частей и построены на полупроводниковой элементной базе (транзисторах), что повышает их надёжность. Выпрямительные устройства, в свою очередь, обычно состоят из понижающего трансформатора и диодного выпрямителя, как, например, два агрегата ВУ-6 на вертолете МИ-24.
Особенности авиационных генераторов
Основными источниками тока на борту являются генераторы, преобразующие механическую энергию вращения в электрическую. Главная отличительная черта авиационных генераторов — исключительно высокая удельная мощность (до 3.3 кВт/кг), что в 6–10 раз превышает показатели промышленных аналогов. Достигается это за счёт высоких рабочих оборотов (4000–12000 об/мин), применения передовых материалов и эффективных систем охлаждения. Однако такая интенсификация работы сокращает ресурс до 3000 часов, в отличие от десятилетий службы у стационарных генераторов.
Вопрос охлаждения генераторов — один из ключевых для их эксплуатации. На малых высотах и дозвуковых скоростях используется продувка забортным воздухом. На земле для этого служит встроенный вентилятор, но в этом режиме допустима лишь 30% от номинальной мощности в течение не более 30 минут. На больших высотах и сверхзвуковых скоростях плотность и температура воздуха делают такое охлаждение неэффективным, поэтому применяются специальные системы: масляные или воздушно-испарительные, где хладагент (например, спиртоводная смесь) распыляется на активные части генератора, охлаждая их при испарении.
Генераторы постоянного и переменного тока
Генераторы постоянного тока традиционно имели щёточно-коллекторный узел — механический выпрямитель. Его наличие снижало надёжность, особенно на высоте, и ограничивало напряжение уровнем около 28.5 В. Современные бесконтактные генераторы постоянного тока используют полупроводниковые выпрямители, что устраняет эти недостатки. Генераторы переменного тока изначально выполняются бесконтактными.
Типичный генератор переменного тока (например, типа ГТ) — это сложный агрегат, состоящий из основного генератора, возбудителя и подвозбудителя. Для обеспечения автономности возбуждение цепочки начинается от постоянных магнитов на роторе подвозбудителя. Выработанный и выпрямленный ток последовательно питает обмотки возбудителя, а затем и основного генератора, где в итоге наводится рабочая ЭДС. Все генераторы приводятся во вращение от двигателей через редукторы.
Приводы генераторов: переменная и постоянная скорость
Поскольку частота вращения авиадвигателей зависит от режима работы (максимум, малый газ и др.), генераторы постоянного тока работают в широком диапазоне оборотов (4000–9000 об/мин). Для генераторов переменного тока стабильность выходной частоты тока — обязательное условие. Поэтому между двигателем и таким генератором устанавливается привод постоянной частоты вращения (ППЧВ) или привод постоянной скорости (ППС). Это устройство стабилизирует обороты выходного вала, к которому и крепится генератор. ППЧВ могут быть гидравлическими, пневматическими, электромеханическими или механическими.
Типы и маркировка генераторов
На одном летательном аппарате может быть установлено от 1 до 12 генераторов различной мощности. Наиболее распространены следующие типы:
Генераторы постоянного тока: типов ГСР (с расширенным диапазоном оборотов) и ГСБК (бесконтактный) мощностью от 3 до 24 кВт, напряжением 28.5 В. Если в маркировке есть буквы СТ (например, ГСР-СТ-12/40), это стартер-генератор. Он может работать и как генератор (12 кВт), и как электродвигатель для запуска двигателя (40 кВт), используя принцип обратимости электрических машин.
Генераторы переменного тока: синхронные, мощностью от 4 до 120 кВА. Пример: ГТ-30 — трёхфазный генератор на 30 кВА.
Аппараты управления, защиты и регулирования
Аппаратура управления обеспечивает подключение исправного источника к сети и качественной нагрузки — к источнику. Аппараты защиты предотвращают развитие аварий: коротких замыканий, отклонений напряжения или частоты. Они определяют место аварии, отключают повреждённый участок и подключают резерв. Элементная база — интегральные микросхемы и контакторы.
Для защиты сетей используются плавкие предохранители (просты, но одноразовы) и биметаллические автоматы (многоразовые, например, АЗС-5, АЗР-15). Разрыв цепи в них происходит за счёт изгиба биметаллической пластины при перегрузке.
Качество электроэнергии обеспечивают регуляторы. Для генераторов постоянного тока — это регуляторы напряжения, для переменного — ещё и регуляторы частоты. Принцип регулирования напряжения основан на поддержании магнитного потока возбуждения. Текущее напряжение сравнивается с эталонным, и разностный сигнал через усилитель воздействует на ток возбуждения, возвращая напряжение к норме. Современные регуляторы строятся на транзисторах и тиристорах.
Монтажное оборудование и системы безопасности
Для соединения цепей широко применяются штепсельные разъёмы (электрические соединители) типов ШР, СШР, ШРГ (герметичный). Они состоят из колодки и вставки, соединяемых контактами «штырь-гнездо» и фиксируемых накидной гайкой. Разъёмы типа СНЦ используют более быстрое байонетное (штыковое) соединение.
Важнейший аспект безопасности — системы пожарной сигнализации и тушения. Например, на самолётах система ИС-5МГ с ионизационными датчиками за 1 секунду подаёт экипажу световой и звуковой сигнал о пожаре в двигательном отсеке и активирует огнетушитель. На вертолёте МИ-24В установлена система ССП-ФК, где датчиком служит термобатарея из термопар (ДТБГ), реагирующая на быстрый рост температуры. Система пожаротушения имеет две очереди срабатывания огнетушителей с фреоном для гарантированного подавления очага.