Проблемы генерирования электрической энергии переменного тока постоянной частоты на современных воздушных судах

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Авионика и электротехника

№ 115

УДК 621.7.064.5.004

ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТЫ НА СОВРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДАХ

С.В. МИШИН, И.Г. ГОЛОВАНОВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузнецовым С.В.

Рассматриваются проблемы производства электрической энергии переменного тока постоянной частоты на борту современных воздушных судов. Показывается, что эксплуатирующиеся в настоящее время гидро- и пневмомеханические привод-генераторы достигли предела своего технического совершенства, а системы типа «переменная скорость - постоянная частота» являются наиболее перспективными, однако их внедрение сдерживается существующей элементной базой. Приводятся результаты, подтверждающие актуальность разработки и внедрения электромеханических привод-генераторных установок.

Проблема производства электрической энергии переменного тока постоянной частоты требуемого качества остается актуальной и в настоящее время. Это обусловлено ростом числа приемников бортового комплекса оборудования воздушных судов (ВС) и ужесточением требований к качеству электроэнергии [1,5].

Производство электрической энергии переменного тока постоянной частоты на борту современного ВС осуществляется системой генерирования, где между авиадвигателем (АД) и синхронным генератором расположено специальное устройство, преобразующее переменную скорость вращения АД в постоянную частоту вращения генератора (рис.1). Это устройство получило название привод постоянной скорости (ППС).

=1 3~ Н^^ 120/208 В, 400 Гц

Рис. 1. Структурная схема системы генерирования с приводом постоянной скорости

Сегодня на отечественных и зарубежных ВС успешно эксплуатируются ППС пневмомеханического и гидромеханического типа. Удельная масса лучших образцов указанных типов ППС составляет 1,42 и 0,63 кг/кВ-А при коэффициенте полезного действия до 0,85 и 0,9 соответственно (таблица).

Таблица

Основные массоэнергетические показатели современных ППС

Тип ППС Мощность генератора, кВ-А Удельная масса ПГА, кг/кВ-А КПД

ППО-20 13,7 5,4 0,8

ППО-30КП 60 1,42 0,85

ППО-62М 40 2,54 0,85

ГП-21 30 1,23 0,9

ГП-22 120 0,63 0,9

ПСПЧ 30 1,5 до 95

ДАСПГА 60 0,91 0,91

Системы генерирования с ППС пневмомеханического типа обладают недостаточно высоким качеством электрической энергии. Так, при коммутациях нагрузки могут иметь место переходные процессы по частоте длительностью свыше 1 с, что является нарушением требований ГОСТ 19705-89.

В гидромеханических ППС указанный недостаток отсутствует. Здесь максимальная длительность переходного процесса не превышает 1 с, а величина максимального перерегулирования по частоте не более 16 Гц, что соответствует требованиям ГОСТ 19705-89. Однако технические характеристики этих приводов (таблица) достигли своих предельных возможностей, что делает их неперспективными. В этой связи актуальной становится проблема разработки принципиально новых путей генерирования электрической энергии переменного тока постоянной частоты.

Одним из наиболее перспективных решений поставленной задачи является разработка так называемых систем типа ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) со статическими преобразователями частоты циклоконверторного типа (рис. 2). В такой системе генератор, приводимый во вращение от авиадвигателя через понижающий редуктор Р, имеет переменную частоту вращения, а значит, и переменную электрическую частоту. На выходе генератора включается статический преобразователь частоты с промежуточным преобразованием в постоянный ток (рис.2, а) либо без этого (рис.2, б).

а)

б)

АД Р

АД Р

120/208 В, 400 Гц

120/208 В, 400 Гц

Рис. 2. Структурные схемы систем генерирования переменного тока постоянной частоты

Однако системы ПСПЧ пока имеют несколько худшие массогабаритные характеристики даже по сравнению с интегральными привод-генераторами гидромеханического типа (таблица). Ожидается, что в ближайшее время за счет применения новых полупроводников, повышения частоты вращения генераторов и других мер удельная масса этих источников достигнет уровня 0,6-0,9 кГ/кВ-А при КПД свыше 90%. Их применение на ВС позволит:

- существенно снизить трудозатраты на эксплуатацию;

- повысить надежность СЭС;

- уменьшить время переходных процессов и точность регулирования напряжения и частоты.

Кроме того, такой тип источников электрической энергии позволит снять ограничения по мощности однофазных приемников благодаря возможности пофазного регулирования напряжения.

В связи с отмеченными сложностями в настоящее время изучается возможность внедрения дифференциальных электромеханических приводов постоянной скорости интегрального исполнения [1,2].

Наибольший интерес среди данного класса устройств вызывают электромеханические при-вод-генераторные агрегаты (ПГА), выполненные на базе дифференциальных каскадных соединений синхронных и асинхронных машин (рис.3).

В таких устройствах механическая мощность от маршевого авиадвигателя подводится ко входному валу дифференциального редуктора ДР. На выходных валах редуктора устанавливаются синхронный генератор СГ, частоту вращения которого необходимо стабилизировать, и

машина опоры, вращающаяся с переменной скоростью, пропорциональной скорости вращения авиадвигателя. Тип машины опоры во многом определяет свойства и характеристики привод-генератора и может быть принят в качестве классификационного, что позволяет разделить все разнообразие электромеханических ПГА на два класса: дифференциальные синхронные (рис.3,а) и дифференциальные асинхронно-синхронные (рис.3,б). В дифференциальных асинхронно-синхронных ПГА (ДАСПГА) в качестве машины опоры использована асинхронная машина АМ, а в дифференциальных синхронных (ДСПГА) - синхронный генератор. В ДСПГА устройство управления (УУ) осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока переменной частоты генератора опоры в электроэнергию переменного тока постоянной частоты, отдаваемую в нагрузку. В ДАСПГА УУ управляет режимом работы АМ.

и=еоп81 и=еоп81

£=00^ Г=сопб1

Рис. 3. Структурные схемы построения ДСПГА и ДАСПГА

Электромеханические ПГА отличаются техническим совершенством, невысокой стоимостью производства и эксплуатации, высокой надежностью и могут успешно применяться в системах генерирования переменного тока постоянной частоты ВС, где в качестве приводных используются авиадвигатели с диапазоном частоты вращения пад тях/пяд ш;п < 3. Удельная масса приводов этого типа при частоте вращения синхронного генератора 12000 об/мин не превышает 0,9...1,0 кг/кВт, а КПД достигает 0,85...0,9 (таблица).

Успехи, достигнутые в области электромашиностроения, позволяют уже сегодня на базе серийных электрических машин создавать дифференциальные электромеханические ПГА с массогабаритными и энергетическими показателями, не уступающими показателям самых совершенных гидромеханических агрегатов. При этом электромеханические ПГА значительно дешевле в массовом производстве и эксплуатации, имеют высокую надежность и большой ресурс работы, соизмеряемые с соответствующими показателя бесконтактных электрических машин.

Кроме указанных, к числу достоинств дифференциальных электромеханических привод-генераторных агрегатов следует отнести: возможность выполнения агрегатов на большие мощности - до 500...1000 кВ-А, способность обеспечивать автономный запуск авиадвигателей, высокую универсальность применения в электроэнергетических системах различных объектов.

В системах электроснабжения современных ВС, где первичным источником электропитания являются системы генерирования переменного тока постоянной частоты, а вторичным источником постоянного тока - выпрямительные устройства, стабилизация выходного напряжения постоянного тока не осуществляется. Как результат - несоответствие величины выходного

напряжения требованиям нормативных документов и необходимость расчета системы распределения электроэнергии на нижнее значение нестабилизированного напряжения, что приводит к значительному увеличению массы проводов. Кроме того, за счет протекания процесса естественной коммутации в диодах выпрямительных устройств в магнитном поле трансформатора возникает широкий спектр гармонических составляющих, которые отрицательно влияют на значение коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения в системах электроснабжения переменного тока (в отечественных СЭС до 8% против 5% в зарубежных).

В связи с этим в настоящее время актуальным остается вопрос, связанный с разработкой выпрямительного устройства, способного обеспечить бортовой комплекс оборудования электрической энергией постоянного тока требуемого качества при удовлетворении жестких требований по надежности работы. Одним из наиболее перспективных направлений в решении данной задачи является разработка выпрямительных устройств на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем. В подобных устройствах достаточно просто решаются вопросы как стабилизации выходного напряжения, так и обеспечения синусоидальной формы кривой напряжения переменного тока [2,3,4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов.-М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1988.

2. Красношапка М.М., Красношапка Д.М., Коваленко Г.А. Плавнорегулируемые трансформаторы и автотрансформаторы с вращающимся магнитным полем. - Киев, 1986.

3. Мишин С.В., Волошин В.В. Регулируемое выпрямительное устройство на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем: Материалы 21-й военно-научной конференциии / Иркутский военный авиационный инженерный институт.-Иркутск, 1999.

4. Мишин С.В. и др. Трансформатор с вращающимся магнитным полем. Патент на изобретение №2222066. Зарегистрирован в Государственном реестре 20.01.04 г.

5. ГОСТ 19705 - 89г. Системы электроснабжения самолётов и вертолётов. Общие требования и нормы качества электрической энергии.-М.: Издательство стандартов, 1989.

ELECTRIC ENERGY GENERATING OF ALTERNATING CONSTANT FREQUENCY CURRENT

PROBLEMS FOR MODERN AIRCRAFT

Mishin S.V., Golovanov I.G.

Electric energy generating of alternating constant frequency current problems for modem aircraft are considered. It is shown that hydro and pneumomechanical drive-generators have reached a limit of the technical perfection, and system of type «variable speed - a constant of frequency» are the most perspective, however their introduction restrains existing element base. The results confirming an urgency of development and introduction electromechanical drive-generating of installations are resulted.

Сведения об авторах

Мишин Сергей Владимирович, 1960 г.р., окончил КВВАИУ (1980), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - генерирование и преобразование электрической энергии переменного и постоянного тока.

Голованов Игорь Григорьевич, 1955 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1981), ИрГТУ (1986), кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных электросистем и пилотажнонавигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - автоматика и вычислительная техника.