Обзор трехкаскадного генератора. Оценка их эффективности
На сегодняшний день достаточно широко распространёнными генераторами, используемыми в качестве основного источника электроэнергии в системе электроснабжения летательного аппарата — это бесконтактные синхронные генераторы с вращающимися выпрямителями. Данные генераторы обладают достаточно высокой надежностью за счет бесконтактной передачи энергии на обмотку возбуждения генератора от статора на ротор электромагнитным путем. На данных генераторах достаточно просто обеспечивается регулирование напряжения. Одно из преимуществ данных генераторов это наличие собственного источника возбуждения, представленного синхронной электрической машиной с возбуждением от постоянных магнитов. Таким образом данный тип генераторов соответствуем всем необходимым требованиям для авиационных генераторов [1].
Работа данных генераторов осуществляется следующим образом. При вращении привода, соединенного с генератором, начинает вращаться индуктор подвозбудителя, на обмотках статора подвозбудителя наводится ЭДС, которая через блок регулирования напряжения осуществляет питание обмотки возбуждения возбудителя – синхронной машины с электромагнитным возбуждением. Регулируемый выпрямленный ток, протекая по обмоткам возбуждения возбудителя, создает поток, в поле которого вращается обмотка якоря возбудителя. Индуцируемая в нем ЭДС выпрямляется на выпрямительном блоке и обеспечивает надежное возбуждение на обмотке возбуждения основного генератора. Ток на обмотке возбуждения генератора создает синхронный стабильный магнитный поток возбуждения, который пересекая обмотку якоря генератора, наводит на ней ЭДС. На рисунке 1.8 представлена общая компоновка и схема соединения трехмашинного генератора. Одно из преимуществ данного трехмашинного агрегата в том, что подвозбудитель обеспечивает электроэнергией не только возбуждение основного генератора, но и питание всех цепей регулирования, управления и защиты системы электроснабжения, в который входит сам генератор [9].
Рис. 1.8 Схема размещения агрегатов (а) и объединения обмоток (б) трехмашинного генератора с вращающимся выпрямительным блоком
При создании централизованных сетей питания летательных аппаратов был произведен детальный анализ среди всех бесконтактных синхронных генераторов, в результате которого было определено, что наилучшими удельными массогабаритными показателями, различными достигаемыми качественными возможностями обладают генераторы с вращающимися выпрямителями. И на основе этих результатов в начале 1960-х годов была разработана целая серия генераторов ГТ (генератор трехфазный), которые и по сей день используются на различных бортах летательных аппаратов [9].
Генераторы серии ГТ мощностью 30 кВ•А с масляным распылительным охлаждением, или охлаждаемые топливом, являющиеся составной частью привода (интегральный привод—генераторные установки), используются на самолетах МиГ-29 и Су-27 различных модификаций, МиГ-31. Як-141, Су-24М, модифицированных Су-25 и МиГ-21-93, пассажирских и грузопассажирских Як-42, Ан-72, Ан-74. Такие же генераторы, но мощностью 60, 90 и 120 кВ•А применяются соответственно на самолетах Су-30, Су-33, Су-32, Су-34т Су-35, 7>-204, Ту-214, Ту-334, Ли-724, Ли-225 и Ту-22МЗ (ГТ60), Ял-96 и Ли-70 (ГТ90), Ту-160 (ГТ120).
Генераторы с воздушным охлаждением мощностью 40 кВ•А (рис. 1.6) устанавливаются в качестве магистральных на самолетах Ту-154, И л-62 М, Ил-86, а также на вертолетах Ми-17. Ми-24, Ми-28, Ка-29, Ка-32, Ка-50. Генераторы с аналогичной системой охлаждения мощностью 60 кВ•А (рис. 1.9) применены на самолетах Ил-76, Ил-78, А-50 [6].
Рис. 1.9. Конструкция и схема охлаждения генератора ГТ60ПЧ6А
1 – полый вал; 2 – посадочный фланец; 3 – вентилятор; 4 – обмоткодержатель; 5 – замыкатель демпферной клетки; 6 – корпус; 7 – сердечник индуктора; 8 – штифт; 9 – сердечник якоря; 10— обмотка якоря; 11 — индуктор возбудителя; 12 —ступица возбудителя; 13 – якорь возбудителя; 14 - щит; 15 - патрубок продува; 16 — постоянный магнит; 17 — якорь подвозбудителя; 18 – ребра ступицы; 19 – изоляционная втулка; 20 — диододержатель; 21 — выпрямитель; 22 — хвостовик вала; 23, 27, 28 – аксиальные каналы; 24 – межполюсный клин; 25 —- обмотка возбуждения; 26 — стержень демпферной клетки.
Основные агрегаты генератором с вращающимися выпрямителями имеют следующие особенности [5].
Пакет статора основного генератора с якорной обмоткой закрепляется на ребрах корпуса или на самом корпусе. В генераторах с воздушным охлаждением пакет ротора с явно выраженными полюсами напрессовывается на ребра полого вала. В пакете стали основного генератора с масляным распылительным охлаждением у вала под каждым полюсом имеются проходные каналы для выравнивания давления в полостях привода и генератора.
Так как генераторы с воздушным охлаждением и интегральный генератор рассчитаны на эксплуатацию при номинальных частотах вращения, равных 6000 и 12 000 об/мин, количество полюсов их индукторов разнос: восемь — в ГТ40, ГТ60 и четыре — в ГТ30.
В генераторе ГТ60 имеется встроенный центробежный вентилятор, обеспечивающий охлаждение в наземных условиях при 30 %-ной нагрузке. Вентилятор размешен на валу у левого торца индуктора основного генератора. Лопатки вентилятора установлены так. что выбрасываемый воздух направлен также и на лобовую часть обмотки статора, что важно для охлаждения генератора в режиме без продува [5].
Пакет статора возбудителя с явно выраженными полюсами и их обмотками закреплен на ребрах корпуса (ГТ60) или на самом корпусе (ГТ30). В генераторе
ГТ40 индуктор возбудителя, закрепляемый на ребрах корпуса, выполнен в виде электромагнитной системы с 16 когтеобразными полюсами чередующейся полярности и кольцевой катушкой. Пакет ротора с якорной обмоткой напрессован на ступицу с радиальными ребрами. Ребра ступицы в генераторах с воздушным охлаждением образуют каналы дня прохода охлаждающего воздуха.
Блок вращающихся выпрямителей. В генераторе ГТ60 кремниевые диоды установлены на диододержателе, размешенном внутри полого вала генератора. Блоки вращающихся выпрямителей остальных генераторов смонтированы на ступице возбудителя, при этом в интегральном генераторе диоды расположены горизонтально, что позволяет значительно сократить радиальные размеры узла и разместить ею внутри возбудителя. Схема выпрямления генераторов с охлаждением продувом — шестифазная однополупериодная. Диоды выпрямительного блока генератора ГТЗО соединены по мостовой схеме, что позволяет выиграть в массе машины при некотором снижении надежности. Однополупериодиая схема позволяет расположить диоды на общем кольце, которое служит и радиатором. При двухполупери- одной схеме выпрямления диоды размещаются на самостоятельных изолированных радиаторах [5].
Пакет статора подвозбудителя с трехфазной якорной обмоткой кренится к корпусу или, как в генераторе ГТ60. на литых выступах щита. В качестве индуктора используется залитая алюминиевым сплавом шестнадцатиполюсная звездочка из ПМ (ГТ40, ГТ60) или восьмиполюсная когтеобразная система с кольцевым постоянным магнитом (ГТЗО).
Вал. Общим в конструкции валов рассматриваемых генераторов является то, что все они — полые. В генераторе ГТ40 применена двухвальная система с гибким валом (торсионом) для соединения ротора посредством шлицов с редуктором привода газотурбинного двигателя. В генераторе ГТ60 для стыковки электрической машины с приводом использован шлицевой переходной валик. Вал интегрального генератора выполнен герметизированным и снабжен
вращающимися уплотнителями [5]. Для распределения хладагента (масла) в вале в нескольких сечениях по длине машины предусмотрены жиклеры, число которых соответствует количеству полюсов. Для рассматриваемого генератора их количество в каждом их двух сечении равно четырем.
Тяжелые вертолеты Ми-26 оснащены двухканальной СЭС с генераторами ГТ90, а такие же генераторы, но мощностью 120 кВ•А используются на самолетах Ли-22 и А-50 (на авиационном комплексе дальнего радиолокационного обнаружения А-50 два генератора ГТ120 приводятся от индивидуальной силовой установки и обеспечивают электроэнергией спецоборудование).
В качестве резервных генераторы серии ГТ с воздушной системой охлаждения мощностью 40 кВ•А применяются на самолетах Як-42, Ту-154, Ил-76, Ил-86, Ил-96, Ан-724 и др. Такой же генератор, но мощностью 60 кВ • А используется в качестве резервного на самолетах Ан-70, Ту-204, Ту-214 [9].
Рис. 1.10 Конструкция интегрального привод-генератора ГТ
Так же у данных генераторов имеются значительные недостатки, основное это достаточно сложная конструкция основных рабочих частей машины, которая
включает в себя вращающиеся диоды, расположенные на роторе. Данный фактор значительно ограничивает рабочую температуру генератора и частоту вращения вала. Основным направлением в развитии трехмашинных агрегатов серии ГТ были связаны с оптимизацией систем охлаждения, освоением и внедрением магнитомягких материалов с высоким содержанием кобальта при высокой механической прочности и химической стойкости изоляции. Были произведены работы по интеграции трехмашинного агрегата с приводом постоянных оборотов и совместной системе охлаждения (рис. 1.10 и рис. 1.11) [5].
Рис. 1.11. Конструкция интегрального генератора с масляным распылительным охлаждением
1 – распылительный жиклер; 2 – подвозбудитель; 3 – катушка индуктора основного генератора; 4, 6 – обмотки статора; 5 – внешний трубопровод; 7 – возбудитель; 8 – блок вращающихся выпрямителей; 9 – штуцер; 10 – кольцевой распылитель; 11 – маслоканал; 12 – отверстие; 13 – жиклер.
Авиационные генераторы серии ГТ производились с разными вариантами компоновки отдельных агрегатов, но непосредственно конструктивное разнообразие генераторов было за счет различных систем охлаждения. Данные генераторы имеют два основных типа системы охлаждения, это принудительную систему охлаждения, где осуществляется продув основных рабочих частей генератора скоростным воздушным потоком, и непосредственное жидкостное, где в качестве хладагента используется топливо, масло. Конструктивно данные генераторы имеют значительные внешние конструктивные различия. Генераторы с принудительным охлаждением представляют собой моноблок, с характерными воздушными каналами охлаждения [5]. Особенность данных генераторов это то, что они способны работать не только с авиационными приводами. Также они более просты в обслуживании. Интегральные же генераторы имеют каналы для протекания хладагента и системы распыления, совмещенные непосредственно с приводом, конструктивно имеют только один щит и один подшипник, а второй подшипник используют с привода, так же с фильтрами, воздухоочистителями и топливомасляными радиаторами. Схема всей маслосистемы представлена на рисунке 1.12 [5].
Рис. 1.12. Гидравлическая схема интегрального привод-генератора
Перспектива развития генераторов серии ГТ связаны непосредственно с создание современных бортовых систем электроснабжения летательных аппаратов. Развитие интегральных генераторов ГТ связано с развитием системам охлаждения, новыми хладагентами. Трехмашинные агрегаты серии ГТ с принудительным же охлаждением развиваются в сторону применения с приводами переменной частотой вращения, но при постоянной частоте тока на выходе с генератора, то есть без привода постоянной частоты вращения. Это значительно уменьшает массогабаритные показатели системы в целом [6].
1.3 Обзор систем управления 3-х каскадного генератора на примере (БРЗУ115)
Постоянное стабильное напряжение на выходе генератора во всех режимах работы под нагрузкой обеспечивается с помощью регуляторов напряжения. Также регуляторы напряжения управляют процедурой распределения нагрузки при параллельной работе генераторов и обеспечивают надежное качество электроэнергии на установившихся и переходных режимах при работе системы электроснабжения [1].
Рис. 1.13. Обобщенная схема регулирования напряжения
Система стабилизации напряжения состоит из объекта регулирования – генератора и регулятора напряжения. Общая функциональная схема представлена на рисунке 1.13. Измерительное устройство ИУ служит для измерения, нормирования, а иногда и для преобразования регулируемой величины в величину удобную для дальнейшего использования системой. Задающее устройство ЗУ обеспечивает установку необходимого значения регулируемой величины, причем физическая природа сигналов на выходе ИУ и ЗУ должна быть одинаковой. В сравнивающем устройстве СУ происходит формирование сигнала ошибки (отклонении регулируемого значения от заданного), который далее усиливается в усилительном устройстве УУ. В качестве последнего могут использоваться различные типы усилителей: электромеханические, магнитные, электронные. Усиленный сигнал подается на исполнительный орган ИО. который осуществляет воздействие на управляющий орган УО объекта регулирования. Для обеспечения устойчивости систем стабилизации напряжения и необходимого качества электроэнергии в установившихся и переходных режимах в регуляторах используются различные корректирующие КУ и стабилизирующие устройства [9].
Синхронными бесконтактные генераторы серии ГТ с вращающимися выпрямителями используются только с блоками регулирования напряжения, защиты и управления каналов в системе электроснабжения. Блоки регулирования напряжения различаются по элементным базам, алгоритмам управления.
Рис. 1.14. Функциональная схема транзисторного регулятора напряжения:
ИУ — измерительное устройство; БПУ — блок предварительного усиления; МШИ — модулятор ширины импульсов; ППК - полупроводниковый ключ; ОС — обратная связь; ОВВ - обмотка возбуждения возбудителя; Г — генератор [9].
В последних разработках PH с использованием полупроводниковых элементов большое место занимают транзисторные коммутаторы, включенные последовательно с обмоткой возбуждения (управления) генератора или возбудителя. На рисунке 1.14 представлена функциональная схема транзисторного регулятора напряжения. В ключевом режиме работы исполнительного органа - транзистора потери в нем минимальны что позволяет коммутировать в цепи возбуждения генератора или возбудителя значительные мощности. С генераторами серии ГТ в широко применяются транзисторные регуляторы напряжения (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Принципиальная электрическая схема транзисторного регулятора напряжения, используемого с генераторами серии ГТ
Основные элементы регулятора — это измерительное устройство ИУ, модулятор шины импульсов МШИ, блок предварительного усиления БПУ сигнала с измерительного устройства и силовая часть – полупроводниковый
коммутатор ППК, включенный последовательно с обмоткой возбуждения возбудителя ОВВ. Измерительный орган (рис. 1.15) подключен к генератору через понижающий трансформатор TV и трехфазный выпрямитель VD1—VD3. Сигнал измеряемого напряжения поступает на резистор R2. и его форма зависит от соотношений между величинами R1, R2 и C1[5]. Этот сигнал имеет форму «пилы», уровень которой пропорционален средневыпрямленному значению напряжения генератора. Эталонный уровень сигнала Uэт формируется источником питания с напряжением 12,6 В, стабилитроном VD4 и потенциометрами R4, R5. Сигналы измеряемого и эталонного напряжений поступают соответственно на инвертируемый и неинвертируемый входы операционного усилителя А. используемого в качестве МШИ. Блок предварительного усиления выполнен на транзисторах VТ1 и VT2 [9]. Схема объединения указанного блока с МШИ такова, что последний работает на отпирание VT1 и VТ2, а надежное запирание БПУ на временных интервалах, когда U А ВЫХ = U А min, обеспечивается напряжением смещения UСМ.
Силовая часть схемы PH, реализуемая на работающем в ключевом режиме транзисторе VТ3. обеспечивает управляемое подключение обмотки возбуждения возбудителя ОВВ к выпрямленному с помощью диодного блока напряжению подвозбудителя. Для обеспечения непрерывности протекания тока в ОВВ, когда VT3 закрыт, и для зашиты последнего от перенапряжений параллельно обмотке возбуждения возбудителя включены диоды VD6 и VD7 [9].
Принцип действия схемы регулирования ясен из осциллограмм, показанных на рис. 9.38. При увеличении напряжения генератора уровень «пилы» поднимается, время прохождения импульсов UAmax уменьшается, также уменьшается время, в течение которого транзисторы VT1=VT3 открыты. Это проводит к снижению IОВВ и напряжению генератора [5]. При уменьшении
напряжения относительно нормального уровня все процессы в отдельных звеньях регулятора напряжения проходят в обратном направлении. В режиме параллельной работы генератора на вход компаратора поступает ещё один сигнал – от индикатора реактивной мощности.
Улучшение динамических показателей регулятора напряжения допускается путем применения отрицательной обратной связи, элементами которой являются конденсатор С2, резисторы R9, R10 и диод VD5. При включении транзистора VT3 конденсатор С2 начинает разряжаться, понижая потенциал одного из двух входов компаратора и воздействуя тем самым на длительность его выходных импульсов [5].
На основе данной схемы разработан серийный транзисторный регулятор напряжения РНТ-115, который конструктивно входит в состав блока регулирования, защиты и управления БРЗУ-115. Различные модификации данного блока применяются на самолетах Ту-204, Ил-96, АН-124 и др. Используемые в настоящее время полупроводниковые регуляторы РНТ-115 обеспечивают точное поддержания напряжения в диапазоне 115—119В даже в режиме полуторакратной перегрузки. При изменении нагрузки от холостого хода до номинальной использование них регуляторов позволяет снизить разбег напряжения н точке регулирования от 4 до 3 В (116—119 В), что соответствует всем требованиям.
Патентный обзор
Одно из требований, предъявляемое к современным авиационным генераторам, это обеспечение стартерного режима, для запуска основного маршевого двигателя. Один из способов хорошо представлен в способе запуска газотурбинного двигателя бесконтактным явнополюсным синхронным генератором с вращающимся выпрямителем [10].
Рис. 1.16. Схема блока управления способа запуска газотурбинного двигателя бесконтактным явнополюсным синхронным генератором с вращающимся выпрямителем
Для реализации данного способа, необходимо доработать конструкцию классического трехмашинного агрегата, установив дополнительно на валу датчик положения ротора, который необходим для запуска классического генератора в двигательном режиме. Но конкретно в данном способе, в двигательном режиме, в качестве рабочих частей выступают основная рабочая часть генератора и возбудитель. Схема работы данного способа представлена на рисунке 1.16. Опережающий вектор магнитного потока обеспечивается блоком управления, а начальная раскрутка ротора производится реактивным моментом. С возрастание частоты вращения двигателя индуцированная ЭДС в обмотках якоря возбудителя, проходя через блок вращающихся выпрямителей, питая обмотку возбуждения основного генератора, создает активный вращающийся момент [10]. При достижении
необходимой минимальной скорости вращения блок управления отключается и трехмашинный агрегат переходит в генераторный режим.
Также вариант запуска маршевого двигателя с помощью электрической машины представлен в способе управления стартер-генератором газотурбинного двигателя. В данном способе запуска предлагается раскручивать трехмашинный
агрегат в режиме асинхронного двигателя. Сам запуск производится подачей переменного тока на статорные обмотки основного генератора, а пусковой момент создается при помощи короткозамкнутых демпферных обмоток без роторной индукционной катушки, что обеспечивает более легкий запуск. На следующем этапе трехмашинный агрегат переводят в режим синхронного двигателя, запитыванием роторной индукционной обмотки постоянным током. При запуске основного маршевого двигателя, прекращается запитывание статорной обмотки основного генератора переменным током и трехмашинный агрегат переходит в генераторный режим. Переходы между режимами во время запуска маршевого двигателя контролируются блоком управления и осуществляются строго при достижении определенных показателей по скорости вращении. Данный способ запуска двигателя отличается тем, что используются демпфирующие обмотки, которые позволяют запустить основной генератор режиме асинхронного двигателя [11].
Известно устройство для автономного электроуправления, благодаря которому становится возможно обеспечить увеличение времени вращения вала на разных скоростях во время отключения основного источника питания. Получается коммутированием источника питания, блока регуляторов питания и блока автоматических расцепителей, при этом выход реостата соединен с первым входом коммутатора источника питания, имеющего выход и второй вход, соответственно соединенные с входом электродвигателя и с выходом блока автоматических регуляторов питания, группа входов которого соединена с группой выходов блока автоматических расцепителей, имеющего вход,
соединенный с выходом трехфазного выпрямителя с сглаживающим фильтром. На рисунке 1.17 представлена схема работы данного устройства.
Рис. 1.17. Устройство автономного электроуправления:
1 - источник питания; 2 - реостат; 3 - коммутатор источника питания; 4 - электродвигатель постоянного тока; 5 - синхронный генератор с возбудителем; 6 - исполнительный узел; 7 - блок автоматических регуляторов питания; 8 - блок автоматических расцепителей; 9 - трехфазный выпрямитель с сглаживающим фильтром [12].
При этом выход источника питания 1 через реостат 2 соединен с первым входом коммутатора источника питания 3, имеющего выход и второй вход соответственно соединенные с входом электродвигателя постоянного тока и с выходом блока автоматических регуляторов питания 7, группа входов которого соединена с группой выходов блока автоматических расцепителей 8, имеющего вход, соединенный с выходом трехфазного выпрямителя с сглаживающим
фильтром 9, имеющего первый, второй и третий входы, соединенные соответственно с первым, вторым и третьим выходами синхронного генератора с возбудителем 5, жестко связанного с исполнительным узлом 6 и с электродвигателем постоянного тока 4.
Особенность данного устройства в том, что подключают коммутатор источника питания, блок автоматических регуляторов питания и блок автоматических расцепителей, при этом выход реостата соединен с первым входом коммутатора источника питания, имеющего выход и второй вход, соответственно соединенные с входом электродвигателя и с выходом блока.
автоматических регуляторов питания, группа входов которого соединена с группой выходов блока автоматических расцепителей, имеющего вход, соединенный с выходом трехфазного выпрямителя с сглаживающим фильтром [12].
Вывод:
Обоснована актуальность применения синхронных генераторов. Приведён обзор состояния применения синхронных машин в качестве генераторов для системы электроснабжения летательных аппаратов. Рассмотрены области применения синхронных генераторов. Выявлены достоинства и недостатки синхронного генератора.
На основании проведенного анализа известных конструкций синхронных генераторов, были выявлены их преимущества и недостатки.
Для каждого проанализированного патента были описаны конструкции и их принципы действия, а также выявлены их преимущества и недостатки.
2. Расчётно – конструкторский раздел [15]
Данные для расчета:
Номинальный режим работы – продолжительный;
Номинальная мощность Рн = 100 кВт;
Номинальное напряжение Uн = 208 В;
Номинальная частота вращения n = 8000 об/мин;
Частота f = 400 Гц.