Как вырабатывается электричество в самолете
Электричество на самолете
Хочу рассказать читателям Geektimes про электричество на самолете. О том, откуда оно берется, как преобразуется и куда тратится. Описывать всё это я буду на основе самолета CRJ-200. Что касается остальных типов самолетов, то многое похоже, принципы повторяются, разница в нюансах.
Итак, начнем. Вся энергосистема самолет делится на 2 подсистемы: система питания трехфазным переменным током напряжением 115V частотой 400Hz и сиcтема питания постоянным током напряжением 28V. Почему не привычные нам 50Hz? Тут решающую роль сыграло то, что с повышением частоты удалось уменьшить габариты и массу трансформаторов и других электрических машин. А это есть очень хорошо для самолета, так как возить лишние килограммы никому не хочется. Пройдемся по каждой системе.
Система переменного тока
Основными источниками электроэнергии для данной системы являются 2 генератора (IDG — integrated−drive generators), которые установлены на коробке приводов каждого двигателя и приводятся во вращение от вала турбины высокого давления.
Мощность каждого составляет 30kVA. Поскольку обороты реактивного двигателя непостоянны, для того, чтобы на выходе генератора получить стабильную частоту в 400Hz, нужно чтобы вал генератора вращался с постоянным значением оборотов. Для этого внутри генератора установлен механизм, который этим и занимается. На советской технике он назывался привод постоянных оборотов, а здесь CSD — constant speed drive. Он преобразовывает переменную частоту вращения на входе в постоянные 12 000 оборотов в минуту на выходе. На фотографии выше левая часть — CSD, а правая — собственно генератор. Так же предусмотрена возможность отключения генератора от коробки приводов. Отключение может быть как ручное, так и автоматическое. Автоматически генератор отключается в двух случаях: когда температура масла в CSD превысит допустимое значение или когда возникнет очень большой крутящий момент на валу, например, внутри что-то развалится и его заклинит. Ручным отключением пользуются пилоты, если с генератором что-то случается в полёте.
Дополнительным источником переменного тока служит генератор вспомогательной силовой установки (ВСУ – небольшой газотурбинный двигатель, установленный в хвосте самолета). Генератор здесь такой же, как и на двигателе, за исключением того, что он без привода постоянных оборотов. ВСУ в отличие от двигателя всегда вращается с постоянными оборотами, и надобность в нем отпала. Этот генератор может использоваться для питания самолета в воздухе, в случае отказа одного из генераторов, установленных на двигателе. Так же его используют для того, чтобы запитать самолет на земле, когда двигатели не работают.
Аварийным источником переменного тока служит ADG — air driven generator, турбина, которая раскручивается набегающим потоком воздуха.
Выпускается вручную или автоматически, когда становится совсем плохо с электричеством. На одном валу с турбиной стоит генератор, который дает нам 15kVA переменного трехфазного тока 115V 400Hz. От него запитываются только жизненно-важные потребители.
Система постоянного тока
Основными источниками постоянного тока на самолете служат 5 выпрямительных устройств TRU — transformer rectifier units.
Они преобразуют переменный ток 115V 400Hz в постоянный 28V. Максимальный ток, который может выдать такой выпрямитель – 100A. На фотографии можно сравнить, какой толщины провода подходят к выпрямителю, и какой уходят.
Еще одними источниками постоянного тока служат 2 никель-кадмиевых аккумулятора: Main Battery и APU Battery. Main Battery – 24V 17Ah. APU Battery – 24V 43Ah.
Каждый аккумулятор имеет своё зарядное устройство, которое поддерживает аккумулятор в полностью заряженном состоянии.
Наземное питание
Для питания самолета электроэнергией на земле предусмотрено 2 разъема. Один в носу – для подключения переменного тока.
Второй в задней части самолета – для постоянного:
На практике вторым пользуются ну крайне редко. Основным является переменное напряжение, а из него уже можно получить всё остальное.
На этом всё. Если к данной тематике будет интерес, планирую продолжить. В планах рассказать о том, как это всё коммутируется, распределяется и резервируется. А в дальнейшем — кто это всё потребляет и для чего.
Электричество на самолете
Хочу рассказать читателям Geektimes про электричество на самолете. О том, откуда оно берется, как преобразуется и куда тратится. Описывать всё это я буду на основе самолета CRJ-200. Что касается остальных типов самолетов, то многое похоже, принципы повторяются, разница в нюансах.
Итак, начнем. Вся энергосистема самолет делится на 2 подсистемы: система питания трехфазным переменным током напряжением 115V частотой 400Hz и сиcтема питания постоянным током напряжением 28V. Почему не привычные нам 50Hz? Тут решающую роль сыграло то, что с повышением частоты удалось уменьшить габариты и массу трансформаторов и других электрических машин. А это есть очень хорошо для самолета, так как возить лишние килограммы никому не хочется. Пройдемся по каждой системе.
Система переменного тока
Основными источниками электроэнергии для данной системы являются 2 генератора (IDG — integrated−drive generators), которые установлены на коробке приводов каждого двигателя и приводятся во вращение от вала турбины высокого давления.
Мощность каждого составляет 30kVA. Поскольку обороты реактивного двигателя непостоянны, для того, чтобы на выходе генератора получить стабильную частоту в 400Hz, нужно чтобы вал генератора вращался с постоянным значением оборотов. Для этого внутри генератора установлен механизм, который этим и занимается. На советской технике он назывался привод постоянных оборотов, а здесь CSD — constant speed drive. Он преобразовывает переменную частоту вращения на входе в постоянные 12 000 оборотов в минуту на выходе. На фотографии выше левая часть — CSD, а правая — собственно генератор. Так же предусмотрена возможность отключения генератора от коробки приводов. Отключение может быть как ручное, так и автоматическое. Автоматически генератор отключается в двух случаях: когда температура масла в CSD превысит допустимое значение или когда возникнет очень большой крутящий момент на валу, например, внутри что-то развалится и его заклинит. Ручным отключением пользуются пилоты, если с генератором что-то случается в полёте.
Дополнительным источником переменного тока служит генератор вспомогательной силовой установки (ВСУ – небольшой газотурбинный двигатель, установленный в хвосте самолета). Генератор здесь такой же, как и на двигателе, за исключением того, что он без привода постоянных оборотов. ВСУ в отличие от двигателя всегда вращается с постоянными оборотами, и надобность в нем отпала. Этот генератор может использоваться для питания самолета в воздухе, в случае отказа одного из генераторов, установленных на двигателе. Так же его используют для того, чтобы запитать самолет на земле, когда двигатели не работают.
Аварийным источником переменного тока служит ADG — air driven generator, турбина, которая раскручивается набегающим потоком воздуха.
Выпускается вручную или автоматически, когда становится совсем плохо с электричеством. На одном валу с турбиной стоит генератор, который дает нам 15kVA переменного трехфазного тока 115V 400Hz. От него запитываются только жизненно-важные потребители.
Система постоянного тока
Основными источниками постоянного тока на самолете служат 5 выпрямительный устройств TRU — transformer rectifier units.
Они преобразуют переменный ток 115V 400Hz в постоянный 28V. Максимальный ток, который может выдать такой выпрямитель – 100A. На фотографии можно сравнить, какой толщины провода подходят к выпрямителю, и какой уходят.
Еще одними источниками постоянного тока служат 2 никель-кадмиевых аккумулятора: Main Battery и APU Battery. Main Battery – 24V 17Ah. APU Battery – 24V 43Ah.
Каждый аккумулятор имеет своё зарядное устройство, которое поддерживает аккумулятор в полностью заряженном состоянии.
Наземное питание
Для питания самолета электроэнергией на земле предусмотрено 2 разъема. Один в носу – для подключения переменного тока.
Второй в задней части самолета – для постоянного:
На практике вторым пользуются ну крайне редко. Основным является переменное напряжение, а из него уже можно получить всё остальное.
На этом всё. Если к данной тематике будет интерес, планирую продолжить. В планах рассказать о том, как это всё коммутируется, распределяется и резервируется. А в дальнейшем — кто это всё потребляет и для чего.
Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов
Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов (бортовая СЭС ЛА) — система электроснабжения, предназначенная для обеспечения бортового электрооборудования летательного аппарата электроэнергией требуемого качества. Системой электроснабжения принято называть совокупность устройств для производства и распределения электроэнергии. Начиная с 20-х годов прошлого века, на самолётах стали использоваться генераторы постоянного тока на 8, затем — на 12, и, наконец, на 27 вольт.
Для питания бортового оборудования и систем ЛА в настоящее время применяется электроэнергия постоянного тока напряжением 27 вольт, переменного однофазного или трёхфазного с нейтралью тока с напряжением 208/115 вольт, частотой 400 Гц, переменного трёхфазного без нейтрали тока напряжением 36 вольт 400 гц. Суммарная мощность генераторов на борту может составлять от 20 кВт для небольших самолётов или вертолётов до 600 и более кВт для тяжёлых ЛА.
В состав бортовой СЭС входят источники тока, аппаратура регулирования, управления и защиты, собственно бортовая сеть с распределительными устройствами, устройствами защиты цепей потребителей, а также устройствами защиты от радиопомех, статического электричества и электромагнитных излучений. Различают первичные и вторичные источники электроэнергии. К первичным источникам относят бортовые электрогенераторы и аккумуляторные батареи. Ко вторичным источникам относят трансформаторы и преобразователи.
Надёжность системы электроснабжения ЛА является одним из основополагающих факторов безопасности полёта. Поэтому предусматривается комплекс мер для надёжности функционирования и повышения живучести бортовой СЭС ЛА. Как правило, применяют основные, резервные и аварийные источники электроэнергии. Основные источники обеспечивают потребности в электроэнергии в нормальных условиях полёта. Резервные источники питают потребители при нехватке мощности основных источников, вызванной отказами в СЭС. Аварийные источники питают только жизненно важные системы ЛА (потребители первой категории), без которых невозможно безопасное завершение полёта.
Содержание
Генераторы
По принципу действия авиационные генераторы не отличаются от аналогичных наземных генераторов, но обладают рядом особенностей: малый вес и габариты, большая плотность тока якоря, принудительное воздушное, испарительное или жидкостное охлаждение, высокая частота вращения ротора, применение высококачественных конструкционных материалов. В качестве источников постоянного тока обычно применяют бесконтактные синхронные генераторы и бесколлекторные генераторы различных типов и синхронные генераторы переменного тока. Генераторы устанавливаются на двигателях и вспомогательных силовых установках (ВСУ), при этом частота вращения турбовинтовых двигателей самолётов и вертолётов стабилизирована изменением шага винта, а вот на турбореактивных двигателях частота вращения ротора может меняться в широких пределах и при жёстком механическом приводе на генератор переменного тока частота также существенно изменяется, что часто недопустимо по ТУ потребителей.
Поэтому электрические сети строят по разным принципиальным схемам. Построение сети зависит от назначения ЛА, его конструктивных особенностей и применяемого оборудования. Например, на самолёте Ту-134 в качестве основных источников электроэнергии применяются генераторы постоянного тока на двигателях, а для питания переменным током стабильной частоты 208/115 вольт 400 гц применяются электромашинные преобразователи.
Преобразователи тока
Привод постоянных оборотов
Выпрямительные устройства
Выпрямительное устройство представляет собой агрегат, состоящий из трёхфазного понижающего трансформатора, полупроводникового трёхфазного выпрямителя и тиристорной схемы стабилизации при изменении нагрузки. Мощность различных типов ВУ может быть в пределах от 3 до 12 кВт. Для принудительного охлаждения схемы выпрямительное устройство имеет встроенный вентилятор.
Турбогенератор
На летательных аппаратах может применяться смешанная схема электроснабжения, из сетей постоянного тока и сетей переменного тока стабильной или нестабильной частоты, а также дополнительные сети для питания различной сложной аппаратуры (автономные системы электроснабжения). К примеру, генератор переменного тока может работать от пневматической турбины, которая, в свою очередь, работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатом воздухе. Такой агрегат называется турбогенератором и применяется, в частности, на самолёте Ан-22.
Бортовые аккумуляторные батареи
На современных ЛА аккумуляторные батареи применяются в качестве аварийных источников электроэнергии, для питания потребителей первой категории, без которых невозможно нормальное завершение полёта. В свою очередь, аккумуляторы могут питать аварийные преобразователи тока (обычно небольшие электромашинные или статические) для потребителей первой категории, требующих питания переменным током. В течение всего полёта аккумуляторы работают в буфере с генераторами постоянного тока (где это предусмотрено). Используют свинцовые (12САМ-28, 12САМ-23, 12САМ-55), серебряно-цинковые (15СЦС-45) и никель-кадмиевые (20НКБН-25, 20НКБН-40, 20НКБН-28, 20KSX-27) аккумуляторные батареи. Продолжительность полёта при питании БЭС только от АКБ может сильно варьироваться на разных типах авиатехники: от нескольких часов (например, Ту-16, от АКБ летит до полутора часов) до нескольких минут (Ту-22М3, не более 12-15 минут).
Наземные источники электроэнергии
Распределительные сети
Бортовая электрическая сеть (БЭС) представляет собой сложную систему каналов передачи электроэнергии от источников к приёмникам и состоит из шин, электропроводки, распределительных устройств, коммутационной и защитной аппаратуры. Сети условно делятся на централизованные, децентрализованные и смешанные. В централизованной сети электроэнергия подводится вначале к шинам центральных распределительных устройств (ЦРУ), а затем к периферийным распределительным устройствам (РУ) — распределительным панелям (РП), распределительным коробкам (РК) и распределительным щиткам (РЩ), для питания всего бортового оборудования ЛА. В децентрализованной БЭС ЦРУ отсутствуют в принципе и распределение электроэнергии производится сразу по РК и РП потребителей. Также существует БЭС смешанного типа, имеющая признаки централизованной и децентрализованной сети. Для повышения надёжности применяется деление бортсети на, например, сеть постоянного тока левая и правая, или сеть первого, второго или третьего генераторов.
Сети могут питаться от параллельно (на общую нагрузку) работающих генераторов, при этом отказ одного, к примеру, генератора не приводит к обесточиванию сети. Применяется также перекрёстное питание — сеть №1 питается от генератора №1 (левый двигатель) и №3 (правый двигатель). В свою очередь, сеть №2 питается от генератора №2 (левый двигатель) и №4 (правый двигатель). Если принять, что мощности одного генератора достаточно для питания всех потребителей этой сети, тогда получается, что в случае отказа одного двигателя (любого) и, соответственно, остановки двух генераторов — это никак не отразится на электроснабжении самолётных систем.
В случае отказа генератора (генераторов) сеть автоматически (или вручную) подключится к соседней исправной сети. В случае неисправности в самой сети, например, коротком замыкании, сеть остаётся обесточенной, но часть потребителей этой сети (при условии их исправности) могут быть переключены на питание от другой сети (переключаемые шины). Небольшая часть БЭС, к которой подключены потребители первой категории, питается от аккумуляторной шины напрямую в течение всего полёта. Часть оборудования подключается к шинам двойного питания, которые в нормальном режиме работают от генераторов, но в случае аварии автоматически подключаются к аккумуляторной шине. Такая сложная система коммутации сетей преследует только одну цель — максимальное повышение живучести электропитания ЛА при разнообразных отказах и повреждениях. На более современных летательных аппаратах применяется автоматический контроль параметров работы генераторов и элементов бортсети цифровыми устройствами.
На больших самолётах количество РК, РП и РУ может достигать нескольких десятков (более сотни), а общая длина проводки — сотен (и даже тысяч) километров. При этом все без исключения потребители имеют защиту от токовых перегрузок и КЗ — автоматы защиты сети (АЗС, АЗР), плавкие предохранители различных типов и силы тока — от 0,5 до 900 ампер. Как правило, вся коммутационная и защитная аппаратура компактно сосредотачивается в распределительных устройствах, для удобства обслуживания и монтажа.
Обслуживание
Электрооборудование ЛА обслуживают специалисты АО (в гражданской авиации специальности АО и РЭО совмещены). На тяжёлых машинах, в связи с большим объёмом работ, по АО проводится разделение на электрооборудование (ЭО) и остальные специальности.
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ САМОЛЕТОВ И ВЕРТОЛЕТОВ
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
На современных самолетах и вертолетах для приведения в действие различных электрифицированных установок применяется электрическая энергия. Она является наиболее универсальным видом энергии по сравнению с другими видами (мускульной, пневматической, пиротехнической, гидравлической).
Электрическую энергию, кроме того, легко трансформировать в другие виды энергии, передавать и распределять между потребителями; с помощью ее можно максимально автоматизировать процессы управления, регулирования и контроля, а также обеспечить создание систем с высокой надежностью.
В связи с этим электрическая энергия очень широко используется на самолетах и вертолетах. Она применяется почти во всех видах оборудования: автопилотах, системах запуска авиадвигателей, расхода топлива, выпуска и уборки шасси, для обогрева элементов самолетов, радиотехнических средств и др.
Современные самолеты и вертолеты в высокой степени электрифицированы. Например, на тяжелом пассажирском самолете мощность всех источников электроэнергии достигает 150—350 кет, общая длина электрических проводов составляет 50—100 км, а вес их — более 1 000 кг.
Задачи улучшения летных характеристик самолета, совершенствования систем управления, комплексной автоматизации требуют дальнейшей электрификации и совершенствования оборудования.
На самолете имеются специальные электроэнергетические системы, обеспечивающие электрической энергией всех ее потребителей. Эти системы включают:
источники и преобразователи электрической энергии с соответствующей регулирующей аппаратурой (генераторы, преобразователи рода тока и напряжения, химические источники тока, регулято-
ры напряжения и частоты тока, устройства для подключения, отключения, блокировки, защиты источников и распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами);
системы передачи и распределения электрической энергии (электрические сети, коммутационная и защитная аппаратура, приборы контроля, монтажное и установочное оборудование).
Системы электроснабжения на самолете классифицируются по роду используемого ими электрического тока, по величине номинального напряжения и но способу распределения электроэнергии.
По роду используемого тока системы электроснабжения подразделяются на системы постоянного и переменного тока, а по величине номинального напряжения — на системы низкого (до 30 в) и повышенного (выше 30 в) напряжения.
По способу распределения электрической энергии системы электроснабжения подразделяются на централизованные, смешанные и децентрализованные.
На ряде отечественных самолетов используется система постоянного тока, а потребители переменного тока обеспечиваются электроэнергией от электромашинных преобразователей. Однако имеется и ряд типов самолетов с самостоятельными энергосистемами переменного тока.
Исследования, проведенные в последнее время у нас и за рубежом, показывают, что на самолете только для 15% потребителей требуется электроэнергия постоянного тока, а для 20% необходима электроэнергия переменного тока стабильной частоты; остальные потребители могут питаться от источников переменного тока нестабильной частоты. Отсюда видна целесообразность замены всей энергосистемы постоянного тока на энергосистему переменного тока.
Системы электроснабжения на переменном токе и применяемое при этом оборудование имеют целый ряд преимуществ по сравнению с системами и оборудованием постоянного тока:
машины переменного тока не имеют коллекторов, что значительно повышает их надежность, высотность, уменьшает уровень радиопомех и на 10—20% увеличивает коэффициент полезного действия;
переменный ток можно просто и экономно трансформировать из одного напряжения в другое и преобразовывать в постоянный ток, соответственно с помощью статических трансформаторов и вы прямителен;
условия искрогашенпя на контактах коммутационной аппаратуры для переменного тока значительно легче, чем для постоянного тока.
Наряду с отмеченными выше достоинствами переменного тока применение его на самолете связано с рядом трудностей:
для многих потребителей необходим ток стабильной частоты, что требует применения специальных (и сложных по устройству) редукторов, так как скорость вращения авиадвигателя переменная;
параллельную работу генераторов переменного тока значительно сложнее осуществлять, чем генераторов постоянного тока;
у электродвигателей переменного тока трудно осуществляется регулирование скорости вращения и, кроме того, они имеют малые пусковые моменты.
Поэтому с учетом вышеизложенного в настоящее время на самолетах применяют как оборудование переменного, так и постоянного тока.
Следует отметить, что для получения относительно высоких параметров электроэнергетической системы переменного тока необходимо правильно подобрать значения напряжения, частоты, числа фаз н их соединение.
На рис. 1 показаны зависимости относительного веса трансформаторов (кривая 1), асинхронных электродвигателей мощностью I кет (кривая 3), 0,5 кет (кривая 2) и 0,075 кет (кривая 4) от частоты тока. Кривая 5 определяет зависимость времени горения дуги между контактами от частоты тока.
Из приведенного графика можно установить, что при условии минимального веса и наименьшего времени горения дуги оптимальной является частота порядка 400 гц.
Число фаз системы переменного тока оказывает существенное влияние на вес электрических машин. К потребителям переменного тока напряжение в зависимости от числа фаз может подводиться одним, двумя, тремя, четырьмя проводами. Исследования трехфазных систем показали, что наибольшая экономичность в весе достигается при соединении фаз обмоток генератора в звезду с использованием корпуса в качестве нулевого провода. В этом случае в сети имеются фазовые напряжения Vф и линейное напряжение [/л=УЗ-[/ф (рис. 2, а). Однако по соображениям безопасности для обслуживающего персонала иногда корпус самолета не используют как нулевой провод.
На некоторых типах самолетов устанавливают генераторы, у которых обмотки соединены треугольником (рис. 2, б). Чаще всего такое соединение применяют, когда трехфазный генератор используется по однофазной схеме.
Таким образом, в настоящее время электроэнергетические системы самолетов и вертолетов имеют следующие основные параметры:
в системах постоянного тока — напряжение 28,5 в;
в трехфазных системах переменного тока —- напряжение 200/115 в, частота 400 гц;
в однофазных системах переменного тока — напряжение 115 в, частота 400 гц,
в системах переменного тока нестабильной частоты — напряжение 200 в.