Электромашинные генераторы

I ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Как проект рассматривается полностью электрический самолет (ПЭС).

По назначению электрооборудование подразделяется на:

• источники;

• системы передачи и распределения;

• потребители.

1. Системы электроснабжения постоянного тока

Рисунок 1.1 – Устройство системы электроснабжения постоянного тока.

2. Системы электроснабжения переменного тока

Рисунок 1.2 – Устройство системы электроснабжения переменного тока.

3. Смешанные (комбинированные) системы

По режиму работы генераторы постоянного и переменного тока подразделяется на генераторы:

• длительного режима работы;

• кратковременного;

• повторно кратковременного.

Рисунок 1.3 – График зависимости .

1 Источники электрической энергии

Источники электрической энергии подразделяется в зависимости от:

1. первичных источников энергии

Рисунок 1.4 – Схема первичных источников энергии:

РИБ – радиоизотопная батарея (Н - низковольтная); ТЭГ – термоэлектрический генератор;

ТЭП – термоэмиссионный преобразователь; МГД – магнитогидродинамический генератор;

ХИТ – химические источники тока.

2. вида электроэнергии:

• постоянного тока;

• переменного тока.

3. назначения:

• основные;

• резервные;

• дублирующие;

• аварийные;

• вторичные.

4. величины напряжения:

• низкого напряжения ();

• повышенного ();

• высокого ()

Химические источники тока

ХИТ – это устройства, непосредственно преобразующие энергию химической реакции в электрическую без какой-либо промежуточной трансформации в другой вид энергии.

ХИТ состоят из:

• аккумуляторной батареи (АБ), рассчитанной на заряд-разряд;

• гальванического элемента (ГЭ) - одноразового, в котором происходит только окислительная реакция;

• ампульной батареи (АБ), используемой только для одноразовых ЛА (ракет), которая быстро приходит в готовность и функционирует не более 2х суток;

• топливного элемента (ТЭ) – химической системы, которая может обходиться без электролита (автономно-водородный элемент).

Рисунок 1.5 – Электрохимическая система.

В основном на самолетах применяются АБ.

АБ – это химический источник тока многоразового действия, основанный на обратимых экзотермических химических реакциях (окисления и восстановления).

Таблица 1.1 – Характеристики АБ

Тип АБ	Компоненты	Предел рабочих температур,	Число зарядно-разрядных циклов	Время саморазряда,	Плотность электролита,	ЭДС,
Свинцовая
Серебряно-цинковая
Никель-кадмиевая

Серебряно-цинковые АБ:

• сохраняют неизменным свое внутреннее напряжение ;

• имеют хорошие стартовые свойства;

• являются эталонным источником.

1.1.1 Основные параметры АБ

1. ЭДС и размерное напряжение .

- если внешняя нагрузка отсутствует.

, где

– внутреннее сопротивление АБ, меняющееся в зависимости от температуры и плотности , и являющееся показателем химической активности электролита ;

– сопротивление электролита;

– сопротивление электродов;

– переходное сопротивление.

Например: имеет .

2. Емкость ХИТ – это количество вещества , которое способен отдать аккумулятор при разряде номинальным током до предельно-допустимого напряжения.

Если , то - если разряжающий ток постоянный, где - время разряда.

3. Срок службы, определяющийся числом зарядно-разрядных циклов.

4. Время саморазряда.

Примеры АБ:

1) :

Стартерно-авиационная моноблочная; 12 – количество последовательно соединенных элементов; 28 – номинальная емкость .

Серебряно-цинковая, среднего режима разряда; 15 – количество последовательно соединенных элементов; 45 – номинальная емкость .

Никель-кадмиевая батарея, намазная; 20 – количество последовательно соединенных элементов; 25 – номинальная емкость .

1.1.2 Правила установки АБ на борт ЛА

1. На борт ЛА устанавливаются АБ, имеющие .

2. При установке необходимо исключить возможность подсоединения с неправильной полярностью.

3. Необходимо исключить возможность одновременной работы бортовой батареи и наземного источника энергии.

Рисунок 1.6 – Схема установки АБ на борт ЛА:

ШРАП – штепсельный разъем аэродромного питания.

Электромашинные генераторы

Принцип действия

Основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому в обмотке с числом витков , пронизываемой магнитным потоком , изменяющимся со скоростью , наводится ЭДС, равная произведению числа витков на скорость изменения магнитного потока .

, где

- электромагнитная постоянная, ;

- круговая частота, .

Для постоянного тока .

1.2.1 Генераторы постоянного тока

Любая электрическая машина по принципу действия состоит из 2х основных частей:

• якоря (якорной обмотки) – той части машины, где наводится ЭДС;

• индуктора – той части машины, которая наводит магнитный поток.

Рисунок 1.7 – Принципиальная схема генератора постоянного тока

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом

Под действием потока остаточного магнетизма в якорной обмотке наводится ЭДС самовозбуждения, под действием которого по замкнутой цепи, состоящей из якорной обмотки и обмотки возбуждения (ОВ), начинает протекать ток возбуждения, который создает дополнительную намагничивающую силу.

И в случае согласованного направления тока в ОВ с потоком остаточного магнетизма происходит увеличение магнитного потока, а, следовательно, и увеличение наводимой ЭДС. И так до тех пор, пока наводимая ЭДС не уравновесится падением напряжения в цепи ОВ.

а) Условия самовозбуждения генераторов постоянного тока

1. Наличие потока остаточного магнетизма.

2. Согласование включения ОВ с потоком остаточного магнетизма.

3. Минимальное сопротивление ОВ.

4. Внешняя нагрузка должна быть отключена.

б) Характеристики генераторов постоянного тока

1. Характеристика холостого хода .

Рисунок 1.8 – График зависимости .

2. Внешняя характеристика системы возбуждения .

Рисунок 1.9 – График зависимости .

3. Нагрузочная характеристика .

Рисунок 1.10 – График зависимости .

4. Регулировочная характеристика .

Рисунок 1.11 – График зависимости .

Поддержание напряжения генератора в заданном диапазоне осуществляется с помощью регуляторов напряжения, которые изменяют ток в ОВ и, соответственно, магнитный поток, ЭДС и напряжение.

Типы регуляторов:

• вибрационный;

Рисунок 1.12 – Принципиальная схема Рисунок 1.13 – График зависимости .

вибрационного регулятора

• реостатный (угольный);

Рисунок 1.14 – Принципиальная схема Рисунок 1.15 – График зависимости .

реостатного (угольного) регулятора.

• полупроводниковый;

Рисунок 1.16 – Принципиальная схема полупроводникового регулятора

• на магнитных усилителях.

в) Параллельная работа генераторов постоянного тока

Для обеспечения параллельной работы генераторов постоянного тока необходимо выполнять следующие условия:

1. генераторы должны иметь одинаковую полярность;

2. генераторы должны иметь одинаковые напряжения;

3. должен быть одинаковый ток нагрузки.

, где

- номинальный ток нагрузки.

Рисунок 1.17 – График зависимости . Рисунок 1.18 – График зависимости .

Для обеспечения равномерного распределения токов нагрузки необходимо уменьшить напряжение более загруженного генератора и увеличить напряжение менее загруженного. Это осуществляется с помощью специальной, уравнительной обмотки, входящей в состав регулятора напряжения.

г) Автоматическое выравнивание токов нагрузки при параллельно работающих генераторах постоянного тока

Рисунок 1.19 – Принципиальная схема автоматического выравнивания токов нагрузки при параллельно работающих генераторах постоянного тока

При .

, где

- ток нагрузки;

- балластное сопротивление.

Если , то , , .

Рассмотрим случай, когда ток нагрузки 1го генератора больше тока . При этом падение напряжения у 1го генератора будет больше падение напряжения на таком же балластном сопротивлении 2го генератора, а потенциал точки а будет меньше потенциала точки б.

В результате этого из точки а к точке б через уравнительные обмотки потечет уравнительный ток, который у регулятора 1го генератора вызовет суммирование тяговых усилий рабочей и уравнительной обмотки, что приведет к увеличению сопротивления угольного столба и уменьшению тока возбуждения и наводимой ЭДС.

д) Управление и защита генераторов постоянного тока

Управление генераторов – это операции включения и выключения при нормальных режимах работы.

Защита генераторов – это операция отключения при возникновении ненормальных режимов работы.

Задачи, решаемые системой управления работой генераторов:

1. генератор должен подключаться в сеть, когда его ЭДС больше напряжения сети;

2. генератор должен отключаться от сети, когда его напряжение станет меньше напряжения сети;

3. генератор не должен подключаться к сети в случае неправильной полярности;

4. генератор должен отключаться от сети, при чрезмерном повышении напряжения, либо при повышенных токах нагрузки или токах короткого замыкания;

5. должна постоянно выдаваться информация о включенном или отключенном состоянии генератора от сети.

Эти задачи выполняют:

• дифференциально-минимальное реле (ДМР);

• автомат защиты от перенапряжения (АЗП);

• автомат защиты сети (АЗС).

При напряжении и времени генератор должен быть отключен.

1.2.2 Генераторы переменного тока

Все генераторы переменного тока выполняются синхронными, т.е. получаемая электрическая энергия жестко завязана со скоростью вращения магнитного поля.

, где

- число пар полюсов;

- число оборотов.

По ГОСТ .

Таблица 1.2 – Характеристики номиналов

№	Генератор	Сеть
№
1
2

Все генераторы отличаются только способом возбуждения, и в соответствии с ним делятся на:

• генераторы с независимым возбуждением;

• генераторы с самовозбуждением;

• генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.

Примеры типов генераторов:

• СГО – синхронный генератор, однофазный;

• СГТС – синхронный генератор, трехфазный, самолетный;

• ГТ-40 – генератор трехфазный; 40 – номинальная выходная мощность .

Генераторы с независимым возбуждением

Рисунок 1.20 – Принципиальная схема генераторов с независимым возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением

Рисунок 1.21 – Принципиальная схема генераторов Рисунок 1.22 – График зависимости

с самовозбуждением. .

Недостатки:

• возникают трудности с возбуждением диодов на начальном этапе.

Рисунок 1.23 – Устройство генератора без наличия скользящих контактов.

а) Привод генератора переменного тока

Привод генератора переменного тока осуществляется:

1. приводом от вала авиационного двигателя (АД)

;

2. с помощью привода постоянной частоты вращения (ППЧВ) или с помощью привода постоянной скорости вращения (ППСВ);

3. с помощью автономного привода.

Рисунок 1.23 – Устройство привода постоянной частоты вращения (ППЧВ).

Также существуют конструкции:

• интегрального привода генератора (ИПГ);

• компактного генератора постоянной частоты (КГПЧ);

• генератора переменной скорости, постоянной частоты (ГПСПЧ) .

Рисунок 1.24 – Устройство привода постоянной скорости вращения (ППСВ).

Рисунок 1.25 – Устройство системы с циклоинвертором.

б) Параллельная работа генераторов переменного тока

Условия параллельной работы генераторов переменного тока:

1. равенство амплитуд ;

2. равенство частот ;

3. отсутствие сдвига по фазе ;

4. равенство активных сопротивлений ;

5. равенство реактивных сопротивлений .

Синхронизация – процесс выполнения условий параллельной работы генераторов.

Синхронизаторы – устройства, обеспечивающие синхронизацию.

Синхронизация бывает:

• грубая – внешнее выравнивание напряжений (возникают колоссальные динамические нагрузки);

• точная – сравнивание напряжений и , и нахождение разностного напряжения – напряжения биения , которое выравнивается через выпрямитель.

Включение генераторов осуществляется, когда напряжение биения близко к нулю.

1.2.3 Перспективы развития электромашинных генераторов

1. Повышение напряжения, т.к. это уменьшает потери энергии

2. Применение новых магнитных редкоземельных материалов (РЗМ) – самария и кобальта.

3. Применение криогенной техники – использование эффекта сверхпроводимости

, .