Авиационные преобразователи электрической энергии являются вторичными источниками электрического тока. Они преобразуют электрическую энергию с данными параметрами в электрическую же энергию, но с другими параметрами. Параметрами электрической энергии, подвергающимися преобразованию (изменению), могут быть род тока, уровень напряжения, частота тока, число фаз и т. п.
Один преобразователь может изменять один или несколько параметров электрической энергии. На летательных аппаратах преобразователи применяются для питания отдельных групп потребителей, требующих для своего функционирования параметры электрической энергии, отличные от тех, которые выдают основные (первичные) источники, т. е. генераторы. Преобразователи могут применяться также в качестве резервных источников электрической энергии. Наиболее часто используются преобразователи рода тока и уровня напряжения: инверторы, выпрямители, трансформаторы.
Инверторы, т. е. преобразователи постоянного тока в переменный, выполняются электромашинными или статическими. Электромашинный преобразователь представляет собой агрегат, состоящий из электродвигателя постоянного тока и синхронного генератора переменного тока (иногда нескольких генераторов), имеющих общий вал. При подаче постоянного тока на электродвигатель он начинает вращать общий вал преобразователя, и на выходе генератора преобразователя появляется напряжение переменного тока. Электромашинные преобразователи имеют в своем составе системы запуска преобразователя, стабилизации напряжения и частоты тока.
На самолете МИГ-29 в качестве резервного источника переменного тока применяется электромашинный преобразователь ПТО-1000/1500 М, имеющий два генератора переменного тока (трехфазный и однофазный) и соответственно два выхода. Он преобразует постоянный ток напряжением 27 В в переменный трехфазный напряжением 37 В частотой 400 Гц и переменный однофазный напряжением 120 В частотой 400 Гц. Мощность трехфазной части преобразователя составляет 1000 В А, однофазной — 1500 ВА. Статические инверторы выполняются на основе полупроводниковых приборов (транзисторов). Выпрямительные устройства обычно имеют в своем составе понижающий трансформатор и полупроводниковые выпрямительные диоды.
На вертолете МИ-24 устанавливаются два выпрямительных устройства типа ВУ-6 мощностью по 6 кВт. Основными источниками электрической энергии на ДА являются электрические генераторы. Они преобразуют механическую энергию вращательного движения в электрическую. Принцип действия авиационных генераторов аналогичен общепромышленным. Авиационные генераторы имеют некоторые конструктивные особенности и особенности характеристик. Отличительной характеристикой авиационных генераторов является их высокая удельная мощность (до 3,3 кВт/кг), т. е. отношение мощности к массе. Этот показатель у авиационных генераторов в 6—10 раз выше, чем у общепромышленных. Это достигается за счет повышенных частот вращения генераторов (n = 4000 : 12 000 об/мин), применения высококачественных электротехнических материалов с высокой степенью их использования (повышенные плотности токов, повышенные тепловые нагрузки), использования эффективных систем охлаждения. Но срок службы авиационных генераторов значительно снижается, составляя до 3000 ч, в то время как у общепринятых промышленных генераторов он исчисляется десятками лет.
Важным при эксплуатации генераторов является вопрос их охлаждения, так как мощность, которую можно получить от генератора при его работе долгое время, в основном определяется количеством тепловых потерь, отводимых от него, т. е. степенью его охлаждения. Охлаждение генераторов при полетах двигателей авиационных, далее ДА, на сравнительно небольших высотах и дозвуковых скоростях осуществляется путем продува через них встречного потока забортного воздуха. Воздух поступает в генератор через специальный входной патрубок. Для охлаждения генератора при его работе на земле на валу генератора имеется вентилятор (осуществляет самовентиляцию). Но в этом случае (из-за недостаточной эффективности охлаждения) от генератора можно получить мощность не более 30% от номинальной при его работе не более 30 мин. На больших высотах полета интенсивность охлаждения уменьшается вследствие снижения плотности и, следовательно, весового количества воздуха, прогоняемого через генератор, а также вследствие снижения коэффициента теплоотдачи его нагретых частей.
Также значительно уменьшается ицтевсивность охлаждения с увеличением скорости полета (при сверхзвуковых полетах), так как из-за аэродинамического нагрева при торможении воздуха в вентиляционной системе генератора температура охлаждающего воздуха значительно повышается. Поэтому генераторы ДА, эксплуатирующиеся на больших высотах полета и больших сверхзвуковых скоростях, имеют специальные системы охлаждения: масляную, воздущно-испарительную и др. В воздушно-испарительной системе охлаждения воздушный поток используется для транспортировки хладагента (спиртоводная смесь) в генератор в дисперсном состоянии. В генераторе хладагент распыляется, и обрат зуется тонкая пленка на поверхности активных элементов генератора, которая, испаряясь, охлаждает генератор.
На ДА используются генераторы постоянного и переменного тока. Генераторы постоянного тока имеют в своем составе щеточно-коллекторный узел (механический выпрямитель) на основе подвижных контактных соединений. Наличие щеточно-коллекторного узла (механического контакта) снижает надежность работы генератора (особенно при высотных полетах), увеличивает трудозатраты на необходимое обслуживание генератора, не позволяет повысить напряжение генератора (принято U ~ 28,5 В). На новых ДА применяются так называемые бесконтактные генераторы постоянного тока, которые вместо щеточно-коллекторного узла, снабжены полупроводниковым выпрямителем (полупроводниковыми диодами). Это позволяет исключить основные недостатки, присущие щеточно-коллекторным генераторам. Генераторы переменного тока выполняются бесконтактными.
Генератор переменного тока типа ГТ — это так называемый генератор с вращающимися полупроводниковыми выпрямителями. Для обеспечения бесконтактности и автономности возбуждения этот генератор выполнен в виде агрегата, состоящего из возбудителя, подвоз-будителя и основного генератора. Возбудитель применяется для обеспечения автономности возбуждения генератора, и его возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, выполненных в виде «звездочки», расположенной на роторе. При вращении ротора в трехфазной якорной обмотке подвозбудителя наводится переменная электродвижущая сила (ЭДС) и возникает переменный ток, который выпрямляется в регуляторе напряжения (в состав генератора не входит) и протекает по обмотке возбуждения возбудителя.
В якорной обмотке возбудителя возникает ЭДС, протекает ток, который выпрямляется и подается на обмотку возбуждения основного генератора, и в трехфазной обмотке якоря основного генератора наводится переменная ЭДС. Авиационные генераторы приводятся во вращение от авиационных двигателей через редукторы.
Приводы генераторов постоянного тока — обычные механические редукторы. Так как частота вращения авиационных двигателей не постоянна, а зависит от режима их работы (малый газ, максимум, крейсерский режим и т. д.), то и генераторы постоянного тока вращаются не с постоянной частотой, а имеют определенный диапазон частот вращения порядка 4000—9000 об/мин (генераторы с расширенным диапазоном частот вращения). Чтобы частота тока у генератора переменного тока на выходе была стабильной, он должен иметь постоянную частоту вращения. Поэтому между авиационными двигателями и генераторами переменного тока устанавливаются специальные приводы постоянной частоты вращения (ППЧВ), иногда называемые приводами постоянной скорости (ППС).
ППЧВ представляет собой устройство, имеющее входной и выходной валы и систему стабилизации частоты вращения выходного вала. Таким образом, генератор переменного тока, сочлененный с выходным валом ППЧВ, имеет постоянную частоту вращения. ППЧВ бывают (по виду использующейся в них промежуточной энергии) гидравлическими, пневматическими, электромеханическими, механическими. На ЛА, в зависимости от их конструкции, типа и мощности потребителей электрической энергии, может устанавливаться различное количество генераторов (от 1 до 12) различной мощности. В настоящее время на ЛА наиболее широко применяются следующие типы генераторов.
Генераторы постоянного тока: типов ГСР, ГСБК мощностью Р = 3 : 24 кВт, напряжением 28,5 В. Буквы в обозначении генераторов означают: Г — генератор; С — самолетный; Р — с расширенным диапазоном частот вращения; БК — бесконтактный. Цифры в маркировке генератора означают его номинальную мощность в кВт.
Если в маркировке генератора присутствует буквосочетание СТ, то данный генератор может использоваться в режиме стартера (стартер-генератор), т. е. в режиме электродвигателя. Используется принцип обратимости электрических машин: электрический генератор может работать в качестве электродвигателя, и наоборот. Режим стартера используется при запуске авиадвигателя для раскрутки его ротора.
Пример: ГСР-СТ-12/40 — стартер-генератор мощностью 12 кВт в генераторном режиме и 40 кВт — в стартерном режиме. Генераторы переменного тока используют синхронные мощностью от 4 до 120 кВА ГТ, ГО и др. Например, ГТ-30 — генератор трехфазный мощностью 30 кВА.
Аппараты управления и защиты источников электрической энергии выполняют функции управления и защиты. Функция управления сводится к тому, что источник электроэнергии подключается к самолетной сети только тогда, когда он исправен, а нагрузка подключается к источнику, когда качество электроэнергии отвечает требуемому. Управление также подразумевает отключение источника в любой момент времени. Функция защиты означает предотвращение развития аварийных режимов в электроэнергетической системе.
В случае возникновения аварийного режима аппаратура защиты должна:
1) определить место возникновения аварийного режима;
2) отключить поврежденный участок электрической системы;
3) подключить резерв (если он есть).
Типичными аварийными режимами, могущими возникнуть в системах постоянного тока, являются:
1) повышение или понижение напряжения (при выходе из строя системы регулирования напряжения);
2) короткие замыкания.
В системах переменного тока, кроме того, могут быть следующие аварийные режимы:
1) чрезмерное повышение или понижение частоты;
2) неравномерность нагрузок по фазам генератора.
Аппараты управления и защиты имеют по несколько чувствительных элементов, которые контролируют необходимое число параметров электроэнергии, а также устройство логической обработки сигналов, поступающих с чувствительных элементов, которое вырабатывает в соответствии с ситуацией необходимые управляющие воздействия на исполнительные элементы.
Элементной базой большинства аппаратов управления и защиты являются интегральные микросхемы и контакторы. К аппаратам защиты сети относятся плавкие предохранители и биметаллические автоматы защиты сети. Эти агрегаты предназначены для отключения проблемных участков сети в случае возникновения в них токовых перегрузок или коротких замыканий.
Плавкими предохранителями называют электрические аппараты, имеющие плавкий элемент. Этот элемент (медная, серебряная, цинковая проволока или пластина) плавится при прохождении по нему тока, сила которого превышает номинальную, и при этом разрывает цепь, в которую он включен. Плавкие предохранители имеют малые габаритные размеры, просты по конструкционному исполнению и достаточно надежны в работе. Их недостатки: одноразовость действия, большой разброс параметров (и невозможность их проверки), трудозатраты при замене.
Биметаллические автоматы защиты сети являются и защитными, и коммутационными аппаратами (выключателями). Их главным элементом является биметаллическая пластина из двух металлов, обладающих различным коэффициентом линейного расширения, по которой проходит ток защищаемой цепи. Как только сила тока недопустимо возрастает, пластина нагревается, оба металла расширяются по-разному, пластина изгибается и размыкает контакты цепи. Такие автоматы бывают типов АЗР, АЗС, АЗК-1 (кнопочные) и др. Цифра в обозначении автомата указывает ток в амперах, на который он рассчитан. Например, АЗС-5, АЗР-15.
Из большой номенклатуры монтажно-установочного оборудования можно выделить как наиболее часто встречающиеся штепсельные разъемы — электрические соединители. Комплект разъема состоит из колодки и вставки. Электрическое соединение колодки и вставки осуществляется контактами типа штырь-гнездо, к хвостовой части которых припаиваются провода. Механическое соединение обеспечивается накидной гайкой, которая контрится во избежание самоотвинчивания. Типы разъемов: ШР, СШР, ШРГ и др. (Г — герметичный). Есть разъемы типа СНЦ, имеющие байонетное (штыковое) соединение (а не накидную гайку). Байонетное соединение осуществляется быстрее, чем резьбовое.
Для обеспечения необходимого качества электрической энергии совместно с ее источниками функционирует регулирующая аппаратура, которая стабилизирует параметры электрической энергии. Так, совместно с генераторами постоянного тока работают регуляторы напряжения, а с генераторами переменного тока — еще и регуляторы частоты (также входят в состав электромашинных преобразователей).
Рассмотрим принцип построения систем регулирования напряжения генераторов. Напряжение на выходе генератора постоянного тока обуславливается следующим: Е — ЭДС генератора, /я — ток якоря (нагрузки), Rm — внутреннее сопротивление генератора, к — коэффициент, определяемый внутренними параметрами генератора, w — частота вращения генератора. Фм — магнитный поток возбуждения. Аналогичная зависимость присуща и выражению для напряжения авиационных генераторов переменного тока. Ток якоря (нагрузки) генератора и его частота вращения (если нет ППЧВ) при работе на JIA изменяются в широких пределах: /я может изменяться от 0 до 1,5 /иом; w — в 2,5 раза. Поэтому напряжение генератора (если нет регулятора напряжения) также может изменяться в широких пределах: порядка в 4 раза.
Понятно, что большинство потребителей не может функционировать при таких изменениях напряжения. По ГОСТу должно быть Ur = UmM + 2%. Из приведенного уравнения следует, что для регулирования напряжения необходимо воздействовать на магнитный поток возбуждения. Обычно это воздействие осуществляется посредством изменения тока в обмотке возбуждения генератора. Собственно регулятор напряжения состоит из чувствительного элемента, усилительного звена и исполнительного устройства. Объект регулирования — генератор и регулятор — охвачены жесткой обратной связью. Работа системы регулирования заключается в следующем. Текущее значение напряжения генератора Ur постоянно подается в ЧЭ, где сравнивается с эталонным значением С/ .
Если разностный сигнал U= UT-U отличен от нуля, то он усиливается и подается на ИУ, которое воздействует на генератор (на ток обмотки возбуждения генератора) таким образом, чтобы обнулить разностный сигнал U.
Элементной базой современных регуляторов напряжения являются полупроводниковые приборы: транзисторы, тиристоры и другие электродетали, системы пожарной сигнализации, пожаротушения, средства обнаружения предупреждения пожара. На самолетах установлена система ИС-5МГ, сигнализирующая о пожаре в двигательном отсеке летательного аппарата.
При возникновении пожара система ИС-5МГ срабатывает и подает визуальный (световой) и звуковой сигналы летчику о пожаре в отсеках: КС А, правого или левого силового агрегата. Одновременно сигнал о пожаре поступает в систему «ЭКРАН», «ТЕСТЕР». На приборной доске загораются лампы. Система срабатывает за 1 с. За это время огнегасящая смесь поступает в соответствующий отсек, в котором возник пожар (по сигналу от датчика). При исчезновении пламени система возвращается в первоначальное состояние за время не более 1 с. Чувствительным элементом системы является датчик ионизационного типа действия.
На вертолете МИ-24В установлена система сигнализации о пожаре ССП-ФК. Летчику выдается сигнал о возникновении пожара в следующих отсеках: отсек левого двигателя; отсек правого двигателя; отсек АИ-9, бак 3; отсек главного редуктора. Датчиком системы служит термобатарея ДТБГ, состоящая из термопар. При охвате датчика средой, температура которой не выше 150 °С и скорость непрерывного нарастания t которой более 2 °С в секунду, в термопарах возникает ЭДС, достаточная для срабатывания системы ССП.
Система пожаротушения имеет два четырехлитровых огнетушителя УБШ с огнегасящим наполнением (фреон 114 В). Они разбиты на две очереди срабатывания. В случае неликвидации очага пожара баллоном 1-й очереди летчик вручную переключателем использует огнегасящий состав баллона 2-й очереди. Контроль за ликвидацией пожара производится визуально, когда погаснут лампы сигнализации о пожаре.