Проектирование электронного регулятора бортового генератора напряжения летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения об авиационных генераторах

Основными источниками электрической энергии на летательных аппаратах являются электрические генераторы. Они преобразуют механическую энергию вращения в электрическую. Принцип действия авиационных генераторов аналогичен общепромышленным. Авиационные генераторы имеют некоторые конструктивные особенности и особенности характеристик.

Отличительной чертой авиационных генераторов является их высокая удельная мощность (до 3,3 кВт/кг), то есть отношение мощности к массе. Этот показатель у авиационных генераторов в 6-10 раз выше, чем у общепромышленных. Это достигается за счет повышенных частот вращения генераторов (n = 4000:12000 об/мин), применения высококачественных электротехнических материалов с высокой степенью их использования (повышенные плотности токов, повышенные тепловые нагрузки), использования эффективных систем охлаждения. Но срок службы авиационных генераторов значительно снижается, составляя до 3000 ч, в то время как у общепромышленных генераторов он исчисляется десятками лет.

Важным при эксплуатации генераторов является вопрос их охлаждения, так как мощность которую можно получить от генератора при длительной его работе в основном определяется количеством тепловых потерь, отводимых от него, то есть степенью его охлаждения. Охлаждение генераторов при полетах летательных аппаратов на сравнительно небольших высотах и дозвуковых скоростях осуществляется путем продува через них встречного потока забортного воздуха. Воздух поступает в генератор через специальный входной патрубок. Для охлаждения генератора при его работе на земле на валу генератора имеется вентилятор (осуществляет самовентиляцию). Но в этом случае (из-за недостаточной эффективности охлаждения) от генератора можно получить мощность не более 30% от номинальной при его работе не более 30 минут. На больших высотах полета интенсивность охлаждения уменьшается вследствие снижения плотности и, следовательно, весового количества воздуха, прогоняемого через генератор, а также вследствие снижения коэффициента теплоотдачи его нагретых частей.

Также уменьшается интенсивность охлаждения с увеличением скорости полета (при сверхзвуковых полетах), т. к. из-за аэродинамического нагрева при торможении воздуха в вентиляционной системе генератора температура охлаждающего воздуха значительно повышается. Поэтому генераторы ЛА, эксплуатирующиеся на больших высотах полета и больших сверхзвуковых скоростях, имеют специальные системы охлаждения: масляную, воздушно-испарительную и другие.

В воздушно - испарительной системе охлаждения воздушный поток используется для транспортировки хладоагента (спиртоводная смесь) в генератор в дисперсном состоянии. В генераторе хладоагент распыляется, и образуется тонкая пленка на поверхности активных элементов генератора, которая, испаряясь, охлаждает генератор. На летательных аппаратах используются генераторы постоянного и переменного тока (в зависимости от выбранной системы электроснабжения). Генераторы постоянного тока имеют в своем составе щеточно-коллекторный узел (механический выпрямитель) на основе подвижных контактных соединений. Наличие щеточно-коллекторного узла (механического контакта) снижает надежность работы генератора (особенно при высотных полетах), увеличивает трудозатраты на обслуживание генератора, не позволяет повысить напряжение генератора (принято U = 28,5В). На новых ЛА применяются так называемые бесконтактные генераторы постоянного тока, которые вместо щеточно - коллекторного узла снабжены полупроводниковым выпрямителем (полупроводниковыми диодами). Это позволяет исключить основные недостатки, присущие щеточно-коллекторным генераторам.

Генераторы переменного тока выполняются бесконтактными. Рассмотрим принцип работы генератора переменного тока типа ГТ.

Это, так называемый, генератор с вращающимися полупроводниковыми выпрямителями. Для обеспечения бесконтактности и автономности возбуждения этот генератор выполнен в виде агрегата, состоящего из подвозбудителя, возбудителя и основного генератора.

Подвозбудитель предназначен для обеспечения автономности возбуждения генератора, и его возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, выполненных в виде «звездочки», расположенной на роторе.

При вращении ротора в трехфазной якорной обмотке подвозбудителя наводится переменная э.д.с. и возникает переменный ток, который выпрямляется в регуляторе напряжения (в состав генератора не входит) и протекает по обмотке возбуждения возбудителя. В якорной обмотке возбудителя возникает э.д.с., протекает ток, который выпрямляется и подается на обмотку возбуждения основного генератора, и в трехфазной обмотке якоря основного генератора наводится переменная э.д.с.

Авиационные генераторы приводятся во вращение от авиационных двигателей через редукторы. Приводы генераторов постоянного тока представляют собой обычные механические редукторы. В связи с тем, что частота вращения авиационных двигателей не постоянна, а зависит от режима их работы (малый газ, максимал, крейсерский режим и так далее), то и генераторы постоянного тока вращаются не с постоянной частотой, а имеют определенный диапазон частот вращения порядка 4000 - 9000 об/мин (генераторы с расширенным диапазоном частот вращения).

Генераторы переменного тока для того, чтобы частота тока на их выходе была стабильной, должны иметь постоянную частоту вращения. Поэтому между авиационными двигателями и генераторами переменного тока устанавливаются специальные приводы постоянной частоты вращения (ППЧВ), иногда называемые приводами постоянной скорости (ППС).

ППЧВ представляет собой устройство, имеющее входной и выходной валы и систему стабилизации частоты вращения выходного вала.

Таким образом, генератор переменного тока, сочлененный с выходным валом ППЧВ, имеет постоянную частоту вращения. ППЧВ бывают (по виду использующейся в них промежуточной энергии) гидравлическими, пневматическими, электромеханическими, механическими.

На ЛА, в зависимости от их типа и мощности потребителей электрической энергии, может устанавливаться различное количество генераторов (от 1 до 12) различной мощности.

В настоящее время на ЛА наиболее широко применяются следующие типы генераторов. Генераторы постоянного тока: типов ГСР, ГСБК, мощностью Р = 3:24 кВт, напряжение 28,5 В.

Буквы в обозначении генераторов означают:

Г - генератор;

С - самолетный;

Р - с расширенным диапазоном частот вращения;

БК - бесконтактный.

Цифры в маркировке генератора означают его номинальную мощность в киловаттах. Например, ГСР-18 - генератор мощностью 18 кВт.

Если в маркировке генератора присутствует буквосочетание СТ, то это означает, что данный генератор может использоваться в режиме стартера (стартер-генератор), то есть в режиме электродвигателя.

Используется принцип обратимости электрических машин: электрический генератор может работать в качестве электродвигателя и наоборот. Режим стартера применяется при запуске авиадвигателя для раскрутки его ротора. Пример: ГСР-СТ-12/40 - стартер-генератор мощностью 12 кВт в генераторном режиме и 40 кВт в стартерном режиме.

Генераторы переменного тока применяются синхронные мощностью от 4 до 120 кВА типов ГТ, ГО и другие

Г - генератор;

Т - трехфазный;

О - однофазный.

Например, ГТ-30 - генератор трехфазный мощностью 30 кВА. Частота тока на выходе генераторов принята 400 Гц, а напряжение - 208/120 В (линейное / фазное).

1.1 Выбор структурной схемы

Электронный регулятор напряжения предназначен для стабилизации напряжения в бортовой сети посредством регулирования тока в обмотке возбуждения (ОВ) электронного генератора напряжения. При этом может использоваться непрерывное или импульсное регулирование. Импульсный способ предпочтительнее за счет меньшей мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе, что особенно важно при работе устройства в плохих условиях охлаждения в широком температурном диапазоне и в условиях помех, генерируемых потребителями электроэнергии. Поэтому выбираем импульсный способ регулирования.

Регулятор должен измерить величину напряжения бортовой сети и сравнить ее с опорным (Uоп) и выделить сигнал рассогласования Uрас. Следовательно, проектируемая структура должна содержать датчик напряжения (ДН), источник опорного напряжения (ИОН), устройство сравнения (УС). Далее сигнал рассогласования необходимо усилить по напряжению и по мощности. Поэтому введем в структурную схему усилители напряжения (УН) и мощности (УМ). Последний из них управляет регулирующим элементом (РЭ), коммутирующий ток в обмотке возбуждения ОВ. В результате синтезируем структурную схему, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема регулятора напряжения

2. Выбор принципиальной схемы

2.1 Выбор датчика напряжения

Датчиком напряжения может служить резистивный делитель напряжения R1R2, подключенный к бортсети. Такой датчик обладает следующими недостатками: как постоянное напряжение бортсети, так и его изменения передаются на выход с коэффициентом передачи делителя k=R2/(R1+R2), т.е. уменьшаются в несколько (k) раз. Если в верхнее плечо делителя включить стабилитрон, то его сопротивление R1 уменьшится, а величина коэффициента k приближается к единице. Чем ближе напряжение стабилизации Uст к величине разности Uбс - Uоп, тем ближе величина k к единице.

генератор авиационный напряжение транзистор

2.2 Выбор схемы источника опорного напряжения

В качестве источника опорного напряжения может служить параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. В результате схемы датчика напряжения и ИОН будут иметь вид, приведенный на рисунке 6.

Схема датчика

2.3 Выбор схемы устройства сравнения и усилителя напряжения

Устройство сравнения предназначено для сравнения напряжения датчика Uд с опорным напряжением Uоп и выделения разностного сигнала Uоп-Uд. Такую функцию выполняет дифференциальный усилительный каскад. Усилитель напряжения предназначен для усиления разностного сигнала по напряжению. Его выходное напряжение должно быть достаточной величины для управления усилителем мощности. Так как напряжение бортсети изменяется относительно медленно, то в качестве УН должен быть выбран усилитель постоянного тока.

Функции УС и УН можно совместить, используя операционный усилитель (ОУ). Для устранения «дребезга» в моменты переключения ОУ, используем его включение по схеме триггера Шмитта.

2.4 Выбор схем усилителя мощности и регулирующего элемента

Регулирующий элемент коммутирует ток в обмотке возбуждения генератора. Один вывод ОВ подключается к плюсовой шине бортсети. Следовательно, в качестве РЭ можно выбрать мощный транзистор, включенный по схеме с ОЭ, с ОВ в цепи коллектора. Эмиттерный переход транзистора шунтируем резистором для устойчивости режима отсечки. Для управления регулирующим элементом требуется достаточно большой ток. Для усиления сигнала ОУ по мощности выбираем однокаскадный усилитель по схеме с ОК. Если при расчете параметров окажется, что усиления по мощности недостаточно, схему скорректируем, используя составной транзистор. В цепь коллектора транзистора УМ для ограничения тока включаем резистор.

Список источников

1. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Радио и связь, 1983. - 315 с.

2. Богданович М.И., Грель И.Н. Цифровые интегральные микросхемы.-Минск: Беларусь, 1996. - 356 с.

3. Бокуняев и др. Справочная книга радиолюбителя - конструктора.

4. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - К.: Вища школа, 1983. - 240 с.

5. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Пер с англ./ Под ред. Покровского Ф.Н..-М.: Энергоатомиздат, 1991. - 368 с.

6. Конденсаторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и М.Н. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1993. - 392 с.

7. Партала О.Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник. - Киев: Радиоаматор, 1998. - 720 с.

8. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др. - Беларусь, 1994.

9. Резисторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1991. - 527 с.

10. Справочная книга радиолюбителя-конструктора./ Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1993. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru