Основные параметры систем электроснабжения летательных аппаратов

На современных ЛА используется электроэнергия постоянного тока. Основные параметры качества этой электроэнергии были рассмотрены выше. По мере развития авиационной техники и ее бортовой аппаратуры, в том числе и электрооборудования, значения этих параметров менялись. Для обоснования выбора существующих в настоящее время параметров СЭС постоянного и переменного тока и понимания того, как они будут меняться в будущем, необходимо рассмотреть влияние качества электрической энергии на параметры электрооборудования.

В качестве критериев оценки параметров систем следует выбрать те, которые непосредственно вытекают из условий работы и требований к ЭЛА. К таким критериям относятся масса, коэффициент полезного действия или потери, безопасность обслуживания, работоспособность в условиях полета.

Параметры СЭС постоянного и переменного тока различны. Система электропитания постоянного тока характеризуется количеством проводов, подходящих к потреблению, и напряжением, а СЭС переменного тока – числом и схемой сопряжения фаз, частотой, напряжением и количеством проводов.

Параметры СЭС постоянного тока. Система может быть двухпроводной и однопроводной. При двухпроводной системе к потребителю подводятся прямой и обратный провода, связанные с положительным и отрицательным полюсами источника. В однопроводной системе к потребителю подводится только один провод, обратным (минусовым) проводом служит металлический корпус ЛА.

Выбор фюзеляжа в качестве минусового провода объясняется требованиями электробезопасности и тем, что большинство радиоэлектронной аппаратуры выполняется с заземлением на корпус.

При этом следует учесть тот факт, что в момент контакта провода с корпусом при протекании тока возникает эрозия, причем перенос металла осуществляется с положительного потенциала на отрицательный. Если использовать корпус ЛА в качестве минусового провода, то разрушаться будет провод, который легко можно заменить. В противном случае разрушению подвергается корпус.

В современных ЛА, где широко используются неэлектропроводные композиционные материалы из органо-, угле- и стеклопластиков высокой механической прочности и меньшей по сравнению даже с алюминиевыми сплавами плотностью, в качестве обратного провода используется общая шина, соединенная с корпусом летательного аппарата.

Количество проводов системы оказывает влияние в основном на параметры сети, в частности на сечение проводов и их массу.

В проводах, имеющих большие нагрузки и большую протяженность, сечение q _пр определяется по допустимой в них потере напряжения Δ U _доп

, (4.1)

где U и I – напряжение и ток сети;

= / U – допустимое относительное падение напряжения в сети;

ρ – удельное сопротивление материала провода;

l _пр – длина провода;

Р _с – мощность сети.

Сечение q _пр коротких сильноточных проводов питающей сети определяется по допустимой плотности тока j _доп:

. (4.2)

Сечение малонагруженных информационных проводов выбирается из условий механической прочности:

. (4.3)

Умножив левую и правую части уравнений (4.1)–(4.3) на удельный вес γ материала провода и его длину l _пр, можно получить соотношения для определения массы провода:

, (4.4)

, (4.5)

. (4.6)

Как следует из (4.4)–(4.5), при использовании в качестве обратного провода корпуса самого ЛА масса проводов магистральной распределительной сети уменьшается в 4 раза, питающей и информационной – в 2 раза. При этом в однопроводной сети проще и легче коммутационная аппаратура, разрывающая цепь только одного провода. В целом, с учетом установочной аппаратуры при переходе к однопроводной сети, масса системы передачи и распределения уменьшается на 35–45 %.

Потери в сети в общем случае определяются по формуле:

. (4.7)

Подставляя в эту формулу значения сечения провода, определяемого по (4.1)–(4.3), можно определить потери:

в протяженной распределительной сети:

, (4.8)

в питающей сети ,

в малонагружаемой сети .

Из (4.7)–(4.8) видно, что потери (за исключением проводов, сечения которых определяются по допустимой в них потере напряжения) возрастают пропорционально длине и в двухпроводной линии они в 2 раза больше, чем в однопроводной.

Таким образом, на летательных аппаратах с электропроводящим корпусом предпочтительнее оказывается однопроводная система передачи электроэнергии, несмотря на то, что при однопроводной линии увеличивается опасность поражения током и повышается вероятность коротких замыканий.

Вторым параметром СЭС постоянного тока является напряжение, от которого зависит масса сети, определяемая способом выбора сечения провода. При увеличении напряжения масса провода без изоляции уменьшается, однако, начиная с некоторого значения напряжения объем и масса изоляции могут возрасти так, что последняя станет влиять на массу всей сети в большей степени, чем электропроводящая часть провода. Качественная зависимость массы сети от напряжения в СЭС выглядит так, как показано на рис. 4.1, при этом с увеличением установленной мощности СЭС оптимальный уровень напряжения также увеличивается.

Расчеты, проведенные применительно к тяжелым самолетам, показывают, что с учетом минимизации массы сети желательно выбирать напряжение в диапазоне 250–300 В.

Рис. 4.1. Качественная зависимость массы сети от напряжения

 

Влияние напряжения на массу электрических машин проявляется в основном через массу щеточно-коллекторного узла и степень заполнения зубцово-пазового слоя медью. При одной и той же мощности с увеличением напряжения размеры и масса щеточно-коллекторного узла уменьшаются из-за снижения коммутирующего тока. Однако положительный эффект от этого в виде снижения массы электрической машины может и не проявиться из-за уменьшения коэффициента заполнения пазов и размеров якоря.

При увеличении напряжения из-за снижения коммутирующего тока уменьшается объем контактной системы и снижается масса контакторов.

В целом, следует отметить, что влияние напряжения в СЭС на массу перечисленных элементов электрооборудования не столь ярко выражено, как у сети, а для других элементов ЭЛА – практически неощутимо.

Увеличение напряжения в системе передачи электроэнергии приводит к снижению потерь в сети и в электрических машинах – за счет уменьшения потерь в щеточно-коллекторном узле.

Несмотря на очевидные преимущества использования высоковольтного напряжения, существующие СЭС постоянного тока выполняются низковольтными, что определяется следующими причинами.

1. От уровня напряжения в значительной степени зависит работа отдельных элементов ЭЛА в условиях полета. Прежде большинство электрических машин постоянного тока выполнялось с щеточно-коллекторным узлом. Для таких машин при напряжении выше 50–60 В коммутация становится ненадежной.

В высоковольтных системах отключении нагрузки всплески напряжения могут достигать такого уровня, при котором в условиях полета возникает ионизация воздушных промежутков. Это явление приводит к снижению до 90 В напряжения, при котором может возникнуть электрическая дуга в коллекторных машинах. С учетом того, что в аварийных ситуациях превышение напряжения может достигать трехкратного по отношению к номинальному значению, допустимое по условиям эксплуатации напряжение должно быть выбрано примерно 30 В.

2. При выборе значения напряжения основной СЭС всегда должна учитываться возможность питания всей или некоторой части ее нагрузки от аварийных источников – аккумуляторных батарей. В связи с этим значение напряжения основной и аварийной СЭС должны быть близки. Разработанные и находящиеся в настоящее время в эксплуатации аккумуляторные батареи имеют низкий уровень рабочего напряжения, что делает логичным и использование низковольтного напряжения в основной СЭС.

Существующий уровень развития полупроводниковой элементной базы позволяет создать бесконтактные электромеханические преобразователи и поднять напряжение в СЭС до 270 В – значения, оптимального для минимизации массы сети.

 

Параметры СЭС переменного тока. По тем же критериям, по которым анализировались параметры системы электропитания постоянного тока, выбираются параметры СЭС переменного тока.

По числу фаз m возможны два варианта системы: однофазная (m = 1) и трехфазная (m = 3). С учетом количества однофазных потребителей на борту и простоты однофазной сети, выполняемой в однопроводном исполнении, а также отсутствия проблемы равномерного распределения нагрузки по фазам, использование однофазной СЭС выглядит, на первый взгляд, более предпочтительным. Тем не менее, авиационные СЭС, за исключением маломощных аварийных систем, выполняются трехфазными. Это связано с тем, что большая часть потребителей выполняется трехфазными, главным образом вследствие более высоких технико-экономических показателей и более широких функциональных возможностей трехфазных электромеханических преобразователей энергии (наиболее энергоемкой и «весомой» категории ЭЛА) по сравнению с однофазными.

Естественным свойством трехфазных электрических машин, предопределяющим их преимущества перед однофазными машинами, является наличие в них вращающегося вдоль расточки якоря магнитного поля. Отсутствие такого поля в однофазных электрических машинах приводит к необходимости использования в них для его создания и обеспечения тем самым пускового момента электродвигателей определенным образом подключенных к обмотке якоря пусковых устройств в виде одного или двух (рабочего и пускового) конденсаторов, что усложняет конструкцию, эксплуатацию, увеличивает массу и снижает КПД. При этом трехфазный двигатель более надежен: при обрыве одного из трех проводов двигатель имеет пусковой момент, при обрыве двух проводов работающий двигатель продолжает работать, но с меньшей частотой вращения и низким КПД.

В авиационных СЭС из-за наличия на борту большого количества электрических машин принята трехфазная система переменного тока как более экономичная и надежная. В этой системе используется схема соединения фаз «звезда с глухо-заземленной нейтралью», что позволяет обеспечить возможность получения двух различных напряжений (фазного и линейного), меньший небаланс напряжений при несимметричной нагрузке и более высокую надежность работы электродвигателей.

Как и в СЭС постоянного тока, от значения номинального напряжения прежде всего зависит масса сети: с повышением напряжения она уменьшается и тем заметнее, чем больше мощность СЭС и протяженность сети. Масса других элементов, кроме коммутационной аппаратуры и электромагнитных устройств, от напряжения практически не зависят. В электромагнитных и электромеханических элементах и устройствах увеличение напряжения приводит к уменьшению коэффициента заполнения обмоточного пространства, что вызывает увеличение объема и, как следствие, массы обмоток.

Как показывают расчеты, для современных самолетов больших размеров значение оптимального напряжения переменного тока находится в диапазоне 300–500 В [1]. Определяющим для выбора напряжения является электрическая прочность воздушных промежутков. Если учесть, что для высоты 25–35 км минимальное амплитудное значение напряжения пробоя промежутка 10 мм составляет 500–540 В, а в переходных режимах (сброс нагрузки) напряжение может увеличиться в полтора раза по отношению к установившемуся, то эффективное допустимое значение номинального напряжения авиационных систем может быть найдено из соотношения:

Повышение напряжения до этого значения практически не ухудшает работу коммутационной аппаратуры по сравнению с системами постоянного тока, однако увеличивает опасность поражения экипажа электрическим током (безопасным для переменного тока частотой 400–2000 Гц считается напряжение не выше 40 В).