Тема № 3.

"Авиационные генераторы".

ЗАНЯТИЕ № 1

"АВИАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ КОНТАКТНОГО ТИПА"

Содержание:

1. Особенности конструкции авиационных генераторов.

2. Типы, основные ТТД, электрические схемы генераторов контактного типа:

а) постоянного тока;

б) переменного тока.

Литература:

1. А.А.Лебедев "Автоматическое и электрическое оборудование летательных аппаратов", стр. 51-65.

2. М.М.Красношапка "Электроснабжение ЛА", стр. 142-151.

3.Д.Э.Б , стр. 42-50, 57-58, 65-66.

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ АВИАЦИОННЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

На современных самолетах генераторы являются основными источниками электрической энергии.

По принципу действия авиационные генераторы одинаковы с наземными генераторами промышленного типа, но они существенно отличаются от последних конструктивным выполнением, а также механическими, электрическими, магнитными и тепловыми характеристиками.

К авиационным генераторам предъявляются более жесткие требования, в части надежности и безотказности в работе, габаритов и массы, прочности механической, электрической и химической стойкости, удобству и безопасности в обслуживании, взрыво- и пожаробезопасности, стабильности работы при изменении параметров окружающей среды (давления, температуры, влажности), независимости работы от положения в пространстве, отсутствия влияния на работу радиооборудования.

Для уменьшения веса самолетные генераторы выполняют с большей степенью использования конструктивных материалов и допускают, по сравнению с наземными генераторами, повышенные скорости вращения, значительно большие плотности токов в обмотках и под щетками, более высокую рабочую температуру.

Так допускаются превышения температуры для коллектора +125, а для обмотки якоря +115 градусов Цельсия. При температуре окружающей среды +50 градусов Цельсия максимально возможные температуры составляют для коллектора +175 и для обмотки якоря +165 градусов Цельсия.

Стремление к уменьшению размеров генераторов заставляет допускать сравнительно большие линейные нагрузки AS, равные 200-400 A/см, что примерно вдвое больше, чем у промышленных электрических машин.

При таких нагрузках и плотностях тока, доходящих до 20-25 A/мм², тепловые потери в цепи якоря получаются большими.

Кроме того, при большом значении AS реактивное напряжение велико, что ухудшает коммутацию. (Рассмотреть по схеме принцип действия генератора. Обратить внимание, что в какой-то момент щетки замыкают соседние пластины, образуя короткозамкнутую секцию).

Коммутация тока - совокупность явлений связанных с изменением токов короткозамкнутой секции.

Для улучшения коммутации в генераторах применяются:

а) дополнительные полюса;

б) уравнительные соединения (при петлевой обмотке);

в) компенсационные обмотки;

г) повышенные требования к щеточно-коллекторному узлу.

а). Рис.___. Ток якоря вызывает размагничивание набегающего края полюса статора и намагничивание сбегающего. Это искажает результирующий магнитный поток, и в момент коммутации ЭДС короткозамкнутой секции не равна нулю. Дополнительные полюса компенсируют поток реакции якоря. Полярность дополнительного полюса совпадает с основным полюсом машины, следующим за ним по вращению якоря. Так как реакция якоря зависит от нагрузки генератора, то по обмоткам дополнительных полюсов должен также протекать ток нагрузки. Т.е. обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем.

б). Служат для выравнивания потенциалов параллельных ветвей обмоток якоря (пластин коллектора одной полярности) и исключения протекания уравнительных токов под щетками.

в). Рис.___ Компенсационная обмотка укладывается в пазах статора и служит для выравнивания магнитной индукции в зазоре. По ней пропускают ток нагрузки.

г). Для нормальной работы самолетных генераторов постоянного тока весьма важное значение имеет надежный токосъем на коллекторе посредством щеток.

Специфические условия, в которых приходится работать самолетным генераторам(вибрация, изменения температуры, давления и влажности атмосферы в широком диапазоне),заставляет обращать особое внимание на устройство щеткодержателей, подбор материала для щеток, с тем чтобы обеспечить совершенную коммутацию и небольшой износ самих щеток и коллектора.

К щеточному контакту самолетных генераторов предъявляются следующие основные требования:

1. коммутация должна быть совершенной;

2. щеткодержатели должны быть сконструированы так, чтобы щетки не отскакивали от коллектора под действием вибраций, сотрясений, вследствие неровностей и эксцентриситета коллектора;

3. во избежание разрядов на поверхности коллектора расстояния между точками, имеющими наибольшую разность потенциалов, должны быть по возможности большими(не менее 5 мм для коллекторов генератора постоянного тока напряжением 30 В).

Для облегчения условий коммутации щетки должны обладать относительно большим переходным сопротивлением, вследствие этого падение напряжения на паре щеток положительной и отрицательной в самолетных генераторах напряжения 28-30 В составляют примерно 5-8% номинального напряжения, что приводит к увеличению электрических потерь на коллекторе.

В генераторах, предназначенных для установки на различные направления вращения, применяют радиальные щеткодержатели со щетками, расположенными перпендикулярно к поверхности коллектора.

При одностороннем вращении якоря обычно применяют щеткодержатели, в которых ось щетки повернута в сторону направления вращения коллектора(реактивные щеткодержатели).

Для того чтобы обеспечить надежный контакт при вибрациях щетки, приходится применять большие удельные усилия на щетки, доходящие до 500-600 г/см², а для быстроходных генераторов(n > 9000 об./мин.) сила прижатия щетки может составлять 750-900 г/см². Как известно для наземных генераторов эта сила не превышает 200-400 г/см².

В то же время износ щеток, несмотря на значительное удельное нажатие, должен быть достаточно мал, независимо от условий работы генератора.

Для надежного контакта необходимо предотвратить поперечное перемещение щетки в щеткодержателе и добиться того, чтобы прижимной механизм не создавал боковых усилий. Кроме того щеткодержатель должен обеспечивать беспрепятственное перемещение щетки по высоте, с тем чтобы щетка могла легко следовать за неровностями коллектора.

Токосъем сильно зависит от материала коллектора и щеток.

В промышленных генераторах коллектор выполняют из красной меди, в самолетных генераторах - из медно-кадмиевых сплавов. Для генераторов типа ГСР применяются специальные высотные щетки марки МГС, ВТ.

Специфические условия эксплуатации самолетных генераторов предъявляют особые требования к системам их охлаждения.

Снижение температуры воздуха с высотой благоприятно для самолетных генераторов, так как при неизменной максимально допустимой температуре машины, это приводит к возможности увеличения допустимого нагрева. Однако, начиная с высоты 11000 м температура воздуха остается неизменной и равной примерно -40 градусам Цельсия, и следовательно, величина допустимого нагрева, при дальнейшем увеличении высоты, остается постоянной.

Уменьшение плотности воздуха с ростом высоты ухудшает охлаждение машины вследствие уменьшения коэффициента конвекционной теплоотдачи и весового количества охлаждающего воздуха, проходящего через машину в случае принудительной вентиляции. Таким образом снижение температуры и уменьшение плотности воздуха с высотой действует в противоположных направлениях, и в конечном счете, влияние высоты на условия охлаждения электрической машины зависит от того, какой из этих факторов преобладает.

Путем улучшения охлаждения можно, при сохранении заданного габарита и веса, значительно повысить номинальную мощность генератора. Однако, решение этой задачи встречает ряд затруднений, связанных с необходимостью дополнительной затраты энергии на вентиляцию и соблюдения некоторых других условий, например, простоты конструкции, закрытого исполнения генератора.

Следует отметить, что дальнейшее уменьшения веса на единицу мощности в некоторых генераторах за счет улучшения их охлаждения практически ограничено величиной КПД и малой перегрузочной способностью. Все существующие искусственные способы вентиляции самолетных генераторов можно разделить на две основные группы:

• с самовентиляцией, осуществляемой специальным вентилятором, насаженным на вал генератора;

• с принудительной вентиляцией, осуществляемой за счет встречного потока воздуха при полете.

При больших скоростях полета температура воздуха, поступающего для охлаждения генератора, сильно возрастает по сравнению с температурой атмосферного воздуха и может достигнуть 120-150 градусов Цельсия. При этих условиях исключается возможность охлаждения продувом.

Охлаждение в этих случаях можно осуществлять посредством охлаждающего действия испаряющейся жидкости, например, воды или применением турбохолодильных установок, основанных на охлаждении воздуха в результате адиабатического расширения.

Самолетные генераторы переменного тока с частотой тока 400 Гц являются сравнительно быстроходными машинами: при 8-ми полюсной конструкции скорость вращения составляет 6000 об./мин, при 6-ти полюсной - 8000 об./мин, при 4-ех полюсной - 12000 об./мин, при 2-ух полюсной - 24000 об./мин (n = 60 * f / P об./мин).

Скорость вращения самолетных синхронных машин ограничивается сроком службы шарикоподшипников и допустимыми механическими напряжениями от центробежных сил, возникающих при вращении ротора. По этим причинам скорость вращения у большинства генераторов переменного тока не превосходит 8000-12000 об./мин.

Благодаря быстроходности, интенсивному охлаждению и применению высококачественных и теплостойких материалов, вес на единицу мощности и размеры самолетного генератора переменного тока значительно меньше, нежели у генератора той же мощности промышленного типа.

Генераторы должны нормально работать на высотах до 20000 м в диапазоне температур от -60 до +50 градусов Цельсия при относительной влажности до 98% .

В соответствии с потребностью в электроэнергии на средних и больших самолетах применяются трехфазные генераторы переменного тока мощностью от 7,5 до 60 и даже до 200 кВ*А при напряжении 208/120 В, частоте 400 Гц и cos(fi) = 0,8 .

Применение высокоскоростного генератора позволяет устранить редуктор и тем самым уменьшить общий вес генераторной установки.