Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния систем электроснабжения летательных аппаратов и постановка задачи исследования 14
1.1. Общие сведения о структурах и режимах работы систем электроснабжения современных летательных аппаратов 14
1.2. Научные подходы к режимам работы и совершенствования бортовых СЭС 28
1.3. Особенности СЭС современных зарубежных ЛА 32
1.4. Особенности эксплуатации СЭС ЛА 33
1.5. Параллельные каналы генерирования энергии в ЛА. Формулировка задачи исследования 36
1.6. Выводы по разделу 1 39
2. Разработка аксиальных фазорегуляторов и индукционных регуляторов напряжения для систем электроснабжения летательных аппаратов 41
2.1. Общие сведения о конструкциях и режимах работы
фазорегуляторов и индукционных регуляторов напряжения 41
2.2. Критический анализ фазорегуляторов и индукционных регуляторов напряжения радиального исполнения 43
2.3. Обоснование конструкции аксиальных фазорегуляторов. Построение СЭС ЛА на их основе 51
2.5. Переход к сдвоенным аксиальным индукционным регуляторам. Преобразование их матричной модели к комплексному виду 63
2.6- Способ повышения качества постоянного тока с помощью АМТВП 69
2.7. Устройство и принцип работы аксиального многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем 76
2.8 Выводы по разделу 2 87
3. Математическое моделирование аксиальных электромагнитных преобразователей энергии системы электроснабжения летательных аппаратов 89
3.1. Общие сведения по исследованию переходных процессов в электромагнитных преобразователях энергии 89
3.2. Анализ методов исследования переходных процессов электромагнитных преобразователей энергии 90
3.3. Гармонический анализ выходного напряжения многофазного трансформатора
с вращающимся магнитным полем 94
3.4. Построение математической модели трансформатора с вращающимся магнитным полем ТВП - 3/9 103
3.5. Преобразование математической модели АМТВП - 3/9, 109
3.6. Выводы по разделу З 117
4. Исследование динамики параллельной работы каналов систем электроснабжения летательных аппаратов 120
4.1. Общие сведения об организации и условиях параллельной работы генераторов в СЭС ЛА 120
4.2. Распределение нагрузки между параллельными каналами СЭС ЛА с помощью аксиальных регуляторов напряжения 122
4.3. Синхронизация генераторов переменного тока для параллельной работы в СЭС ЛА 132
4.4. Работа аксиального фазорегулятора в качестве пассивного синхронизатора 138
4.5. Выводы по разделу 4 142
Заключение 143
Литература 145
Приложения 155
- Общие сведения о структурах и режимах работы систем электроснабжения современных летательных аппаратов
- Критический анализ фазорегуляторов и индукционных регуляторов напряжения радиального исполнения
- Анализ методов исследования переходных процессов электромагнитных преобразователей энергии
- Распределение нагрузки между параллельными каналами СЭС ЛА с помощью аксиальных регуляторов напряжения
Введение к работе
Актуальность темы. Современные военно-воздушные силы оснащены высокоэффективными летательными аппаратами (ЛА), позволяющими решать все более широкий круг непрерывно усложняющихся боевых задач. Это обуславливает необходимость непрерывного совершенствования, как самих ЛА, так и их бортового оборудования, в первую очередь -электроэнергетического. При этом происходит рост числа и мощности бортовых источников, преобразователей, регуляторов и потребителей электрической энергии, постоянно повышаются требования к надежности электроснабжения ЛА электроэнергией высокого качества постоянным и переменным током.
На современных тяжелых самолетах установленная мощность бортовых источников электроэнергии достигает 300... 500 кВА, а качество и надежность функционирования систем электроснабжения в значительной степени влияет на безопасность полетов и выполнение полетного задания.
Одним из методов повышения надежности электроснабжения ЛА является резервирование основных источников питания. Поэтому согласно действующим требованиям в боевых ЛА предусматривается не менее двух независимых систем (подсистем) электроснабжения. Для приемников, без которых невозможно обеспечить безопасность полетов ЛА, предусматривается двух- и даже трехкратное резервирование питания от основных источников, а также питание от специальных аварийных (резервных) источников питания [35,95,111 и др.].
Несмотря на это отказ основного источника электроэнергии ЛА в полете делает невозможным продолжение выполнения полетного задания. Поэтому, согласно Руководству по летной эксплуатации, единственной в такой ситуации задачей, становится обеспечение успешной посадки дорогостоящей боевой авиационной техники на ближайший аэродром в короткий временной интервал, составляющий 10-15 минут, с использованием аварийного источника питания
(АИЛ). Это представляет определенные трудности и сопряжено с риском для экипажа.
Кроме того, АИЛ (аккумуляторная батарея) обеспечивает питанием только жизненно важные системы ЛА, в то время как система управления вооружением (СУВ), бортовой комплекс обороны (БКО) не функционируют, В момент боевого соприкосновения с противником наступление ситуации отказа основного источника питания (ОИП) практически предопределяет исход поединка: вероятность поражения своего ЛА резко увеличивается [27,35,89,111 и др.]. Отказ аварийного источника электропитания приводит к остановке авиационных двигателей (АД) и, как следствие этого, к катастрофе ЛА,
В вопросах электроснабжения ЛА большое значение имеет качество энергии генерируемой бортовым источником электроэнергии (БИЭ), характеризуемое стабильностью амплитуды и частоты вырабатываемого напряжения. Последнее определяет надежность, точность и ресурс работы потребителей электроэнергии: радиотехнического, специального и электрооборудования ЛА.
Естественно, что в этих условиях поиск путей повышения надежности БИЭ ЛА, улучшения его эксплуатационно-технических характеристик (ЭТХ), является актуальной и важной задачей в обеспечении безопасности полетов, усилении боевых качеств ЛА.
В общем случае организация электроснабжения ЛА зависит от множества факторов, к которым относятся назначение и тип ЛА, требования к надежности электроснабжения, к типу и качеству электроэнергии и др. Поэтому на современных ЛА для электроснабжения применяются различные комплексы устройств, предназначенные для производства, передачи и распределении электрической энергии, В настоящее время на ЛА в качестве аварийных и резервных источников питания используются (помимо АБ, как сказано выше) электрогенераторы, приводимые во вращение от вспомогательной силовой установки или от выпускаемой в воздушный поток турбины (ветрянки).
Большой вклад в развитие современного электрооборудования ЛА внесли
Бертинов А.И., Бобов К,С, Брускин Д.Э., Винокуров В.А., Конев Ю.И., Рунов К.Д., Синдеев И.М., Страхов С,В, и др.
Огромную роль в разработке и создании систем электроснабжения и их элементов для ЛА сыграли научно-производственные коллективы, руководимые Голгофским Ф.И., Жарковым В.Д., Калугиным Б.Н., Левинских И.М., Островским В.Л., Федосовым А.Ф. и др.
На современных ЛА все чаще в качестве основных источников питания используются трехфазные генераторы переменного тока.
Однако вместе с ростом мощности количества авиационных генераторов переменного тока в ЛА возникли проблемы, основной из которых является необходимость синхронизации параллельно работающих синхронных генераторов (СГ). В настоящее время подобная синхронизация осуществляется методом автоматической синхронизации параллельно работающих синхронных генераторах. При этом возникают ощутимые скачки тока и напряжения в период синхронизации, а переходной процесс носит затяжной характер,
В настоящей работе предлагается отличный от принятого, более эффективный и непрерывно работающий способ синхронизации двух и более параллельно работающих авиационных СГ, с одновременным исключением из системы электроснабжения ЛА малонадежных генераторов постоянного тока. Реализация подобного технического решения в силу своей новизны и важности для совершенствования систем электроснабжения самолетов (СЭС) является предметом самостоятельных и серьезных исследований, чему и посвящена настоящая работа. Необходимые для этого новые устройства изобретены и запатентованы под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ д.т.н, проф. Гайтовым БХ К ним относятся: аксиальный индукционный регулятор напряжения, сдвоенный аксиальный индукционный регулятор напряжения, аксиальный фазорегулятор, аксиальный многофазный трансформатор.
Цель работы. Целью работы является разработка и математическое моделирование аксиальных индукционных и фазорегуляторов, а также
аксиальных многофазных трансформаторов с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для совершенствования системы электроснабжения летательных аппаратов.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
обоснована целесообразность и показана перспективность разработки для СЭС ЛА аксиальных индукционных и фазорегуляторов (АИР) и (АФР) взамен широко распространенных реіуляторов радиальной конструкции;
выявлены недостатки существующих способов и технических средств обеспечения синхронизации параллельно работающих авиационных синхронных генераторов в СЭС ЛА;
обоснована возможность и схемно разработана новая система электроснабжения ЛА постоянным током на базе разработанных АМТВП;
разработаны инженерная методика расчета и конструкции АИР и АФР;
выполнено математическое моделирование электромагнитных и электромеханических переходных процессов в АФР и АИР.
Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использована теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии, аппарата матричного анализа электрических машин (ЭМ), теория электромагнитного поля и метод синтеза ЭМ- Поставленные задачи решены аналитическим и экспериментальным методами с использованием, в необходимых случаях, теории матриц и функционального анализа, метода решения систем нелинейных алгебраических уравнений, систем обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, интегральных уравнений, теории планирования эксперимента в электромеханике.
Научная новизна. В работе решен комплекс теоретических вопросов построения системы электроснабжения ЛА на базе параллельно работающих синхронных генераторов (СГ), а именно:
обоснована целесообразность и эффективность применения АФР для синхронизации параллельно работающих СГ;
разработана математическая модель электромагнитных и электромеханических переходных процессов в аксиальных многофазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем (АМТВП);
-разработаны основы теории и ряд конструкции аксиальных индукционных и фазорегуляторов и АМТВП для совершенствования системы электроснабжения ЛА;
- обоснована возможность и разработана система электроснабжения ЛА
постоянным током на базе разработанных АМТВП.
Практическая значимость. Работа имеет прикладной характер и решает задачу повышения эффективности синхронизации параллельно работающих синхронных авиационных генераторов, а также повышения надежности системы постоянного тока. В связи с этим в работе поставлены и решены следующие практические вопросы:
выполнен анализ существующих систем авиационного электроснабжения на базе параллельно работающих синхронных (СГ) генераторов;
разработан способ синхронизации параллельно работающих СГ с помощью АФР;
выявлены особенности и разработана методика расчета АИР и, как общего случая - сдвоенной конструкции (САЙР);
разработаны проекты ряда конструкций АИР и САЙР, АФР и АМТВП, выгодно отличающихся от широко распространенных в практике аналогичных устройств;
предложена электрическая схема системы электроснабжения переменным и постоянным токами тяжелого самолета военно-транспортной авиации на основе использования разработанных устройств;
разработана принципиально новая схема синхронизации авиационных СГ на основе использования АФР,
Реализация результатов работы: Научные практические результаты работы использованы на Краснодарском авиаремонтном заводе при испытаниях и ремонте электрооборудования ЛА, в учебном процессе по курсу «Авиационная электротехника» в Краснодарском военном авиационном институте (КВАИ), учебном процессе по курсам «Электрические машины» и «Электромеханика» в Кубанском Государственном Технологическом Университете (КубГТУ).
Автор защищает:
способ электромашинной синхронизации параллельно работающих синхронных бортовых генераторов ЛА с помощью АФР;
рациональную конструкцию и инженерную методику расчета АИР, САЙР, АФР и АМТВП для систем электроснабжения ЛА;
математические модели электромагнитных и электромеханических переходных процессов указанных ЭМПЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на третьей межвузовской научной конференции «Электромеханические преобразователи энергии - ЭМПЭ-04» (Краснодар, Кубанский Государственный Аграрный Университет 2004г.), на четвертой межвузовской конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки- ЮРНК-05» (Краснодар, Краснодарский военный авиационный институт 2005г.), на заседании кафедры Физики и электротехники Краснодарского военного авиационного института (Краснодар, 2006г.), на заседании кафедры Электротехники Кубанского Государственного Технологического Университета (Краснодар, 2006 г).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ. В диссертационной работе использованы 10 патентов РФ, полученных научным руководителем д.т.н. проф. ГаЙтовым Б.Х,
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и
приложения. Общий объем работы 154 страниц машинописного текста, включая 42 рис, на 31 страницах , 2 таблицы и 2 приложения.
В первом разделе дан критический анализ современно состояния развития систем электроснабжения летательных аппаратов (ЛА) военного назначения и намечены пути обоснованного, технически возможного целесообразного пути совершенствования этих систем.
Во втором разделе приведены общие сведения и критический анализ конструкций и режимов работы известных (радиальной конструкции) индукционных и фазорегуляторов. Разработаны новые аксиальные конструкции, индукционных и фазорегуляторов для совершенствования систем электроснабжения летательных аппаратов, основанные на изобретениях проф. Гайтова Б.Х. Подробно изучены переходные режимы работы разработанных устройств. Обоснован и реализован переход к сдвоенным аксиальным индукционным регуляторам, выполнено преобразование их матричной модели к комплексному віщу, удобному для дальнейших исследований динамических режимов работы этих устройств.
Разработана конструкция аксиального многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем (АМТВП), предназначенного для совершенствования современных систем постоянного тока на ЛА, путем исключения генераторов постоянного тока. Показано, что комплекс АМТВП в совокупности с многофазным двухполупериодным выпрямителем имеют лучшие показатели, чем используемые в настоящее время малонадёжные, дорогае и металлоёмкие генераторы постоянного тока.
В третьем разделе приведены сведения по различным методам
исследования переходных процессов электротехнических и электромагнитных
силовых устройств и на основе их анализа выбран метод математического
моделирования с использованием обобщённой теории электромеханического
преобразователя энергии (ЭМПЭ). Построена математическая модель
девятифазного аксиального многофазно трансформатора с вращающимся
магнитным полем (АМТВП-3/9) предназначенного для замены генераторов постоянного тока с присущими им недостатками, указанными выше.
В четвертом разделе исследована динамика параллельной работы нескольких каналов систем электроснабжения летательных аппаратов. Предложено и обосновано применение аксиального фазорегулятора (АФР) в качестве синхронизирующего узла, обеспечивающего параллельное включение нескольких синхронных генераторов в СЭС ЛА. Такое техническое решение исключает необходимость применения в авиации широко распространенных, сложных и малонадежных активных и пассивных синхронизаторов. Разработана и подробно описана схема электроснабжения тяжелого самолета военно-транспортной авиации с использованием АФР в качестве пассивного синхронизатора.
Общие сведения о структурах и режимах работы систем электроснабжения современных летательных аппаратов
Система электроснабжения самолета (СЭС) представляет собой совокупность систем генерирования, преобразования, передачи и распределения электрической энергии. В общем случае электрическая энергия при этом бывает как переменного тока повышенной частоты 400-1000 Гц, так и постоянного тока. В зависимости от числа источников или преобразователей электрической энергии в СЭС может быть несколько параллельно работающих каналов с электрической связью между собой или без нее.
При этом каждый канал СЭС представляет собой самостоятельную часть системы, включающий источник электроэнергии, аппаратуру управления и защиты, систему распределения электроэнергии, связанную с источником при раздельной работе источников.
Система генерирования электроэнергии представляет собой совокупность источников и преобразователей электроэнергии, включающую в себя генераторы постоянного и переменного (повышенной частоты) тока, аккумуляторные батареи, выпрямительные и инверторные устройства, устройства стабилизации частоты и напряжения, устройства для обеспечения параллельной работы, защиты, управления и контроля, обеспечивающие производство электроэнергии и поддержание характеристик в заданных пределах в точках регулирования при всех практически возможных режимах работы системы.
Система распределения представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих передачу электроэнергии от системы генерирования к распределительным устройствам и от последних к приемникам. Ее основная задача - поддержать на клеммах приемников характеристики электроэнергии в заданных пределах, произвести необходимые коммутации, обеспечить резервирование электропитания приемников и их защиту от повреждений. Различают первичные и вторичные СЭС летательных аппаратов. К первичным СЭС относятся системы, генераторы которых приводятся во вращение маршевыми двигателями самолета, редукторами несущего винта вертолета или вспомогательной силовой установкой. К вторичным относятся системы, питаемые преобразующими устройствами. Отдельную группу СЭС ЛА составляют аварийные источники электроэнергии, обеспечивающие работу потребителей аварийной группы при отказе основных источников. Различают следующие четыре режима работы СЭС ЛА: - нормальная работа, соответствующая требованиям действующих ГОСТов; - частичная работа, обеспечивающая отдачу только части установленной мощности основными источниками питания; - ненормальная работа, соответствующая полной потере или ухудшению управления СЭС ЛА; - аварийная работа, реализуется переходом на питание от аварийных источников при полном отказе основных. Организация электроснабжения бортовых потребителей ЛА определяется назначением и типом ЛА, требованиями к надежности электроснабжения, к качеству электроэнергии и др. Надежность функционирования СЭС в значительной степени влияет на надежность и безопасность полетов, так как работа всех ответственных авиационных систем и агрегатов, в том числе авиадвигателей и органов управления ЛА, невозможно без потребления электроэнергии. С целью повышения надежности электроснабжения ЛА в последних обязательно предусматривается не менее двух независимых систем (подсистем) электроснабжения, а для приемников, без которых невозможно обеспечить безопасность полетов, предусматривается двух- и более кратное резервирования питания от основных источников питания (ИП), а также питание от специальных аварийных (резервных) источников. В качестве аварийных и резервных источников питания обычно используются аккумуляторные батареи (АБ), а также генераторы, приводимые во вращение от вспомогательной силовой установки или от выпускаемой в воздушный поток турбины [16,29, 89 и др.] В настоящее время на ЛА, в зависимости от мощности и их назначения используются различные виды СЭС [27,29, 35, 89, Юіидр.]. По схеме построения и параметрам электроэнергии СЭС могут быть сведены к пяти основным типам: - постоянного тока с номинальным напряжением; - переменного трехфазного тока стабильной частоты с номинальным напряжением; - вторичная переменного однофазного тока стабильной частоты с номинальным напряжением; - переменного трехфазного тока нестабильной частоты с номинальным напряжением; - вторичная переменного трехфазного тока стабильной частоты с номинальным напряжением. Система первого типа представлена на рис 1.1. (а). Здесь в качестве основного источника энергии используется генератор постоянного тока (Г=Т% приводимый во вращение непосредственно от авиационного двигателя (АД). При этом выходное напряжение генератора равно 28, 5В. Переменный ток стабильной частоты 400Гц различных уровней напряжения получается преобразованием (инвертированием) постоянного тока с помощью статических (полупроводниковых) или электромашинных преобразователей-инверторов (И), Аварийным источником электрической энергии, как ив других (нижеописанных) системах электроснабжения, является аккумуляторная батарея (АБ), как показано на рисунке. Система второго типа представлена на рис Л Л. (б).
Критический анализ фазорегуляторов и индукционных регуляторов напряжения радиального исполнения
Известные электромашинные фазорегуляторы (ЭМФ) радиальной конструкции подразделяются на энергетические, информационные [11, 42] и трансформаторы-фазорегуляторы (Т-Ф).
Энергетические ЭМФ, как указано выше, снабжают потребителей электрической энергией, обеспечивая сдвиг фазы напряжения у потребителя по отношению к фазе питающего ЭМФ напряжения. Они выполняются на основе трехфазных асинхронных машин с фазным ротором широко распространенной радиальной конструкции.
Информационные ЭМФ снабжают потребителей информацией об угле поворота ротора ЭМФ, материальным носителем которой является фаза выходного напряжения ЭМФ. Они делятся на контактные и бесконтактные, с вращающимся и пульсирующим полем.
Очевидно, что электромагнитные процессы, происходящие в информационных и энергетических ЭМФ, одни и те же. Однако, исходя из эксплуатационных требований, при проектировании стремятся получить для энергетических ЭМФ наилучшие технико-экономические показатели, то есть максимальные КПД и коэффициент мощности, а для информационных ЭМФ -максимальное значение таких показателей, как точность отображения фазы и стабильность амплитуды выходного напряжения. Точность отображения фазы характеризуется погрешностью, которая определяется как степень отклонения от линейного закона функции W, где Ф - фаза выходного напряжения, а - угол поворота ротора ЭМФ.
Трансформаторы-фазорегуляторы могут быть использованы в качестве как энергетических ЭМФ, так и информационных ЭМФ, а также для преобразования электроэнергии в качестве трансформатора.
Конструктивно любой ЭМФ представляет собой электрическую машину, состоящую из ферромагнитных статора и ротора, снабженных зубцами и пазами с обмотками. Конструкция машины обеспечивает возможность поворота ротора на любой угол # с фиксацией его в заданном положении, например, с помощью самотормозящейся червячной передачи. Принцип работы ЭМФ поясняется с помощью рис, 2.1. Ротор машины сцеплен с в самотормозящейся червячной передачей, с помощью которой может поворачиваться на любой угол и затормаживаться. При включении трехфазной обмотки статора на симметричное трехфазное напряжение питающей сети в воздушном зазоре ЭМФ создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с трехфазной обмоткой ротора, наводит в ней систему трехфазных ЭДС. Фаза ЭДС в обмотке ротора зависит от взаимного расположения осей обмоток ротора и статора Допустим, что актишше сопротивления и швдукттьт сопротивления рассеяния обмоток равны нулю. В зтам едуч&о напряжения [щвды ЭДС Й векторная днагршда ЭДС будет иметь вид реторт на определенный угол тек1 сор ЭДС в обмотке ротора также поюрэтив№тс# Так кж поле в ЭМФ вращается то оно будет наводить максимум ЭДС сигнщш в фазе І? обмотки статора затем с некоторым временным (фазовым) сдвигом - в фазе обмотки ротора. Очевидно, что сдвиг Устройство информационного контактиоге ЭМФ с вращающимся нолем схематически показано на рис. 2,2, В пластинах магнитомроводор 3,6 ротора и статора соответственно ъышгтттшы наїш, S которые удажшы многофазные обмотки 2 н 5. Обмотка к тора 5 подключена к кольцам І і 9 к которым прижаты щетки 9. Обмотка статора имеет выводы 7 обмотка ротора - выводы 8. Bra конструкция выполнена в корпусе ! с подшипниками 4, и которых может поворачиваться вал. Принцип работы ЭМФ с вращающимся полем шшеан выше, Данная конструкция выполнена без самотормозящейся ч рвттш шрм„ обеспечивающей ротора, ЕВЖ В шерґетч&сшх ЭМФ- Это связано с тш что при p&fere зшжкш ЭМФ ; момент меясду статором ш ротором той же природы, что и в тьняр&яшх дшгателж, мзшкшт при протекании тока ио триадой обмотке. В шіформацжшнх ЭМФ со вторичной обмотки ешмается напряжейие8 я тока в ней гграктинеюка шгг. Поэтому эйеггршагшшшй жшшт между статором и ротором fie ио ши&ает и необходимость в стопорном іфишошйлйнш отнада&т.
Устройство информационного бесконтактного ЭМФ с шршщтщтсй нолем представлено на рш, 2.3. Мжадтопроводы статора и руюрш такого ЭМФ снабжены ішзши в кагоры? уложены многофазные обмотай. Копим обмотш статора выведены за &орау& Конлім обмотка ротора выведены на подвижную часть 2 кольцевого трдаеформ&тора. ПОДВИЖЕ&Я ш кешдшжтая їаеги кольцевого трансформатора выполняются го феррита, В шх шшлнены канавки, в которые уяожмы обмотки 3, 4 подвижной и неподвижной частей соответственно. Концы 5 обмотки 4 выведены за корпус. Ток к обмотке ротора, которая обычно а бесконтактных ЭМФ юзбуждастш» подводится С ПОМОЩЬЮ жтьцтых трансформаторов. Прмттп работы бескшгшгшоге ЭМФ тшттчт принципу работы ко нтакгшого I! 1 Щ« В известной конструкции контактного многополюсного ЭМФ -индуктоксина [И] нет ферромагнитных магнитопроводов и проволочных обмоток, Индуктоксин состоит из двух дисков из изоляционного материала, расположенных соосно с небольшим зазором. На одном диске (роторе) печатным способом нанесен ряд радиальных токопроводящих пластин, которые образуют многополюсную волновую обмотку.
На другом диске (статоре) печатается такая же обмотка, но двухфазная. Она возбуждается двухфазным напряжением, в результате чего в индутоксине создается вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует ЭДС в роторной обмотке» Фаза этой ЭДС зависит от угла поворота ротора. Достоинством такого ЭМФ является большое число пар полюсов и высокое передаточное отношение электрической редукции при сравнительно малых размерах. Этим обеспечивается высокая точность отображения фазы.
Основным недостатком такого индуктосина является слабая электромагнитная связь обмоток ротора и статора, В результате этого выходное напряжение индуктоксина по величине в пять-шесть тысяч раз меньше питающего напряжения. Это связано с отсутствием ферромагнитных магнитопроводов.
Анализ методов исследования переходных процессов электромагнитных преобразователей энергии
Как обосновано в 2.7, многофазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВП) может успешно заменить в авиации капризные в работе, малонадежные и требующие постоянного обслуживания аккумуляторные батареи (АБ), Однако для получения необходимого качества выпрямленного напряжения необходимо на вторичной стороне ТВП принять число фаз существенно больше трех, как принято в трансформаторостроении.
Естественно, что простое увеличение числа фаз не всегда дает ожидаемый эффект, имея в виду возможные в практике случаи, когда обратные полуволны выпрямленного напряжения накладываются на прямую волну соседней фазы, не обеспечивая, тем самым, уменьшение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения. Более того, в подобных случаях увеличение фаз приводит дальше к увеличению коэффициента пульсации. Так, при m = 6 и всех четных значениях числа фаз обратные полуволны накладываются на прямые полуволны соседних фаз, что приводит к большему значению коэффициенту пульсации, чем при m = 5 В этом этот коэффициент увеличивается до уровня, свойственного числа фаз вторичной стороны, питающей выпрямитель. В табл. 3.1 приведены полученные результаты количества пульсов Ud выпрямленного напряжения при варьировании числом фаз от 1 до 12.
Из таблицы 3.1 видно, что наилучшие условия повышения качества выпрямленного напряжения, т.е. уменьшения пульсации выпрямленного напряжения, обеспечиваются при нечетном числе фаз ТВП, причем более эффективно, чем следующее большее число фаз. Так, при ш2 — 9 количество пульсов равно 18, в то время как при m2 = 10 это количество уменьшается до 10. К тому же заметим, что при m = 9 кратно общепринятому m = 3 и его легко получить, сделав соответствующие выводы либо от трех равноудаленных фаз, например - фаз 1-4-7, либо от трех групп фаз одновременно, имея при этом возможность получить три трехфазные симметричные системы равносмещенные (симметричные) между собой. Так могут быть получены трехфазные симметричные системы 1-4-7 фазы, 2-5-8 фазы и 3-6-9 фазы или любое симметричное сочетание фаз.
Если учесть то обстоятельство, что электроснабжение современных летательных аппаратов осуществляется на частоте питающей сети 400 Гц и более (вплоть до 800-900 Гц), то становится очевидным факт очень хорошего сглаживания выпрямленного напряжения уже при m2 = 9.Это вытекает из того обстоятельства, что период колебания переменного напряжения при 400 Гц в восемь раз (400/50 = 8) больше, чем при частоте промышленного переменного тока частотой 50 Гц.В результате за период Т = 0,02 с, характерного для f = 50 Гц, получаем количество пульсаций для выпрямленного напряжения ТВП - 3/9 при частоте 400 Гц равное 18 пульсов х 400/50 = 144 пульсов.
Если сравнивать полученный результат с показателями пульсаций генераторов постоянного тока, до сих пор на наш взгляд - неоправданно, используемых в авиации, то такой результат можно получить при выполнении якорной обмотай с числом секций 144 н соответствующего коллектора, имеющего также 144 коллекторные пластины.
Это вытекает из того обстоятельства, что период колебания переменного напряжения при 400 Гц в восемь раз (400/50 = 8) больше, чем при частоте промышленного переменного тока частотой 50 Гц.В результате за период Т = 0,02 с, характерного для f = 50 Гц, получаем количество пульсации для выпрямленного напряжения ТВП - 3/9 при частоте 400 Гц равное 18 пульсов х 400/50= 144 пульсов.
Если сравнивать полученный результат с показателями пульсации генераторов постоянного тока, до сих пор на наш взгляд - неоправданно, используемых в авиации, то такой результат можно получить при выполнении якорной обмотки с числом секций 144 и соответствующего коллектора, имеющего также 144 коллекторные пластины. Отсюда очевидна перспектива замены на современных ЛА генераторов постоянного тока на ТВП - 3/9 с последующим выпрямлением выходного девятифазного напряжения. При этом, как сказано в разделе 2, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения Кп = 1,02%, что вполне соответствует качеству авиационных генераторов постоянного тока.
Однако при использовании девятифазного ТВП с целью дальнейшего выпрямления его выходного напряжения, см. рис, ЗЛ, важно проверить наличие высших гармоник в кривой выходного напряжения. Картина формирования представлена на рис. 3.2.
С целью анализа кривой выходного напряжения ТВП - 3/9 заметим, что вращающееся магнитное поле его может быть разложено на два пульсирующих поля, сдвинутых в пространстве и времени. При этом значение его магнитодвижущей силы (МДС) в данный момент времени t и в данной точке х на окружности магнитопровода выражается в виде:
Распределение нагрузки между параллельными каналами СЭС ЛА с помощью аксиальных регуляторов напряжения
В данном разделе приведены убедительные доводы того обстоятельства, что на современных отечественных и зарубежных ЛА становится системой объединение нескольких каналов генерирования электроэнергии переменного тока с вытекающими отсюда вопросами обеспечения синхронизации ряда параллельно включенных генераторов.
Такое объединение нескольких каналов генерирования электроэнергии ставит своей задачей повышение надежности и обеспечение непрерывности питания всех потребителей ЛА при отказе отдельных каналов генерирования энергии, возможность уменьшения установленной мощности каждого генератора на 10-20%, а также улучшение качества электроэнергии при включении (отключении) электроприемников большой мощности.
Рассмотрены условия возникновения и расчета уравнительных токов между параллельно работающими каналами. Равномерность распределения нагрузки между параллельно работающими каналами реализовано по методу мнимостатических характеристик, согласно которому на вход k-го генератора подаются управляющие сигналы, пропорциональные соответственно реактивной и активной составляющих данного генератора, активной и реактивной составляющей тока нагрузки,
Усовершенствована схема параллельной работы синхронных генераторов в СЭС военно-транспортного самолета, и с использованием разработанного в данной работе АФР. 5. Разработана принципиальная электрическая схема работы АФР в режиме пассивного синхронизатора на примере самолета военно-транспортной авиации. В результате разработана новая электрическая схема СЭС данного самолета, позволяющая поочередно синхронизировать каждый вновь включенный бортовой синхронный генератор с помощью разработанного АФР» Постановка задачи исследования закономерно вытекает из объективной необходимости развивать и совершенствовать электромеханическое оборудование современных ЛА и ставит своей целью повысить эффективность работы СЭС ЛА путем разработки новых электромеханических преобразователей энергии, а также преобразователей числа и сдвига фаз. Выполненные в работе исследования позволили сформулировать следующие основные выводы по ней: 1. Показана эффективность использования АИР и АФР в мощных, многомоторных современных ЛА с целью обеспечения синфазности ряда параллельно включаемых синхронных генераторов, которая в настоящее время реализуется недостаточно эффективно с помощью активных или пассивных синхронизаторов, допускающих значительные величины напряжения биения до ± 10% от UN И частоты скольжения (± 5%) параллельно включаемых генераторов, что неизбежно приводит к значительным уравнительным током. Предложена мнемосхема синхронизации генераторов ЛА на примере тяжёлого самолёта военно-транспортной авиации, 2. Рассмотрена возможность исключения из СЭС ЛА генераторов постоянного тока, как наименее надёжных силовых блоков, характеризуемых большим числом отказов - 70, 75%,против 29, 25% генераторов переменного тока. Взамен генераторов постоянного тока предложено использовать аксиальные многофазные трансформаторы с вращающимся магнитным полем ( АМТВП ) дополненные на выходе также многофазным (например -двенадцатифазным) выпрямителем. При этом показано, что выходное напряжение такого выпрямителя соответствует по качеству напряжению генераторов постоянного тока. 3. Получена кривая выпрямленного напряжения 12-фазного АМТВП и получена величина коэффициента пульсации выпрямленного напряжения Кп =0,018,в то время как аналогичный коэффициент трёхфазной двухполупериодной схемы выпрямления (схемы Ларионова) существенно хуже иравенКп=0,042. 4. Получена аналитическая интерпретация получения суммарного правобегущего синусоидального поля в ТВП-3/9, как суммы девяти пульсирующих полей отдельных фаз, поступающих на вход девятифазного двухполупериодного моста. При этом качество двухполупериодного выпрямленного девятифазного выходного напряжения характеризуется коэффициентом Kn = 1,02%, что вполне соответствует требованиям к качеству пульсации напряжения постоянного тока на ЛА (±2%), 5. Построена базовая математическая модель ТВП-3/9 в заторможенной трехфазной системе координат а - р - у, к которой приведены все фазы и их параметры по первичной (трехфазной) и вторичной (девятифазной) стороны ТВП-3/9. При этом математическая модель электромагнитных процессов выражена через потокосцепления, индуктивности и взаимонндуктивности, а уравнения электромеханических переходных процессов - через токи по осям а - Р - у, что представляется наиболее удобным для всех случаев моделирования на ЭВМ Получены соответствующие выражения для потокосцеплений всех фаз первичной и вторичной стороны, получена матрица преобразования при этом, 6. Усовершенствована схема параллельной работы синхронных генераторов в СЭС военно-транспортного самолета, с использованием разработанного в данной работе АФР, 7- Разработана принципиальная электрическая схема работы АФР в режиме пассивного синхронизатора на примере самолета военно-транспортной авиации. В результате разработана новая электрическая схема СЭС данного самолета» позволяющая поочередно синхронизировать кавдый вновь включенный бортовой синхронный генератор с помощью разработанного АФР.
