Основы авиационной электромеханики

1.

Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков
имени Героя Советского Союза А. К. Серова
104 кафедра физики и электротехники
Тема № 2. Основы авиационной
электромеханики
Лекция № 13. Источники электрической
энергии переменного тока
кандидат педагогических наук, доцент
Шкода
Валентин Васильевич
г. Краснодар - 2019

2.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Синхронные машины. Основные понятия.
2.Назначение, устройство и принцип
действия.
3. Механические характеристики
синхронного двигателя.
2

3.

ЛИТЕРАТУРА
3
1.Бухонский М.И., Найдёнов С.В., Тельнов Г.В.
Электротехника и электроника. Аналоговая схемотехника.
Часть 1: Учебное пособие.– Краснодар: Филиал ВУНЦ ВВС
«ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
(г.
Краснодар), 2015. - С. 223-225.
2. Электронные издания:
Электронное учебное пособие «Электротехника и
электроника. Высшее образование». Бухонский М.И.,
Столяров Д.В., Дейкун Г.И., Шкода В.В., Найденов С.В. Краснодар, КВВАУЛ, 2016, п.1.6.4., п.1.6.5.

4.

УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ
1. Дать представление о синхронных
машинах.
2. Изучить назначение, устройство и принцип
действия синхронных машин.
3. Стимулировать активную познавательную
деятельность обучающихся и способствовать
формированию творческого мышления
будущих военных специалистов.
4

5.

АКТУАЛЬНОСТЬ
5
Актуальность данной лекции заключается в том, что
электрические машины переменного тока (двигатели,
генераторы и специальные машины) находят широкое
применение в различных областях техники, в частности, и в
авиационной технике.
Применение переменного
тока позволяет просто и
.
экономично получать различное по величине напряжение с
помощью трансформаторов и преобразовывать переменный
ток в постоянный с помощью выпрямителей.
Одним из основных достоинств трехфазной системы
переменного тока является возможность получения
вращающегося
магнитного
поля,
которое
широко
применяется в электрических машинах, измерительных
приборах и аппаратах переменного тока.
На современных самолетах в качестве источников
электроэнергии применяются генераторы переменного тока.

6.

1. Синхронные машины. Основные понятия.
6
,
Синхронной машиной называется
машина переменного
тока, у которой вращающееся магнитное поле,
участвующее в основном процессе преобразования
энергии, и ротор вращаются с одной скоростью
(синхронно).
В синхронной машине якорные обмотки могут исполняться
как
однофазными,
так
и
многофазными
(обычно
трехфазными). Они укладываются в пазы статора или
ротора. Индуктор синхронной машины аналогичен индуктору
машины постоянного тока. Возбуждение: электромагнитное
с самовозбуждением или магнитоэлектрическое.
В составе бортового оборудования ЛА находят
применение следующие синхронные машины:
•синхронные генераторы;
•гистерезисные двигатели;
•шаговые двигатели.

7.

1. Синхронные машины. Основные понятия.
7
,
К преимуществам синхронных генераторов
относятся:
способность вырабатывать как активную, так и реактивную
мощность (с возможностью ее регулирования);
возможность регулирования выходного напряжения;
возможность работы как с сетью, так и в автономном
режимах
без
применения
каких-либо
сложных
дополнительных устройств;
высокий КПД.
Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения
и поэтому применяются там, где не требуется регулирование
частоты или она должна быть постоянной. Мощность
синхронных двигателей составляет от десятков до тысяч
ватт.
Имеются
также
синхронные
микродвигатели
мощностью от долей ватта до десятков ватт.

8.

1. Синхронные машины. Основные понятия.
8
,
Авиационные синхронные генераторы
всех типов имеют
закрытое исполнение, фланцевое крепление и принудительное
охлаждение. Их особенностью являются значительно меньшие,
примерно в 13–14 раз, масса и габариты по сравнению с
наземными генераторами той же мощности. Это достигается за
счет применения высококачественных материалов и
теплостойкой изоляции из стеклотканей и кремнийорганических лаков, что позволяет увеличить
электромагнитные нагрузки: плотность тока в обмотках и
величину магнитной индукции в магнитных цепях генераторов.
Синхронные генераторы с двойным воздушным зазором либо с
вращающимися выпрямителями представляют собой
электрические машины без подвижных контактов, что
обеспечивает их высокую надежность и простоту эксплуатации
они генерируют электроэнергию стабильной частоты.

9.

10.

2.Назначение, устройство и принцип действия
,
10
Синхронная машина состоит из двух основных частей:
неподвижного статора, выполняющего функции якоря, и
вращающегося ротора, служащего индуктором.
Статор, так же как у асинхронный машины, представляет
собой
полый
цилиндр,
набранный
из
листов
электротехнической стали со штампованными на внутренней
поверхности пазами, в которые укладывается трехфазная
обмотка.
Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого
питается постоянным током через два изолированных
контактных кольца, вращающихся вместе с ротором.
Постоянный ток подводится к ротору через неподвижные
щетки, скользящие по контактным кольцам.

11.

Конструктивно различают два типа роторов: явнополюсный
(рис. 13.1., а) и неявнополюсный (13.1., б).
Явнополюсный ротор, имеющий выступающие полюсы,
применяют у машин с частотой вращения до 1000, 1500
об/мин. Неявнополюсный ротор имеет вид цилиндра,
применяется при скоростях 1500 и 3000 об/мин.
а)
б)
Рис. 13.1 Конструкции роторов

12.

Рис.13.2
Принцип действия
синхронного генератора:
а – принципиальная схема;
б – индуктор синхронного
генератора.
Приводной двигатель приводит во вращение ротор генератора
с синхронной частотой n1. Если к выводам обмотки
возбуждения,
размещенной
на
роторе
подключить
напряжения постоянного тока Uп, то ток протекающий по этой
обмотке будет вызывать действие магнитного поля, которое
также будет вращаться с частотой n1. В результате каждый из
проводников обмотки статора периодически оказывается в
зонах северного или южного магнитных полюсов магнитного
поля, величина магнитной индукции вдоль которых,
изменяется по синусоидальному закону.

13.

Существенным недостатком генератора с неподвижным
индуктором является передача приемником генерируемой
энергии через кольца и щетки, что приводит к потерям
энергии на них, уменьшению к.п.д. и надежности
генератора. По этой причине практически используется
синхронный генератор с вращающимся индуктором.
Рис. 13.3

14.

2.Назначение, устройство и принцип действия
14
,
Каждый полюс индуктора состоит
из полюсного наконечника
2, сердечника 3 и катушки 4. Катушки полюсов соединены
последовательно, образуя обмотку возбуждения. Магнитный
поток полюса Ф, называемый основным магнитным потоком,
проходит по якорю, индуктору и через воздушный зазор
между ними.
В пазы пакета стали статора 1 уложена обмотка якоря. В
многополюсных машинах она состоит из р одинаковых частей.
Перемещению индуктора относительно якоря на 2τ
соответствует полный период изменения потокосцепления
катушек и ЭДС фазы. За один оборот индуктора происходит р
таких периодов ее изменения в минуту. Для получения
трехфазной
системы
ЭДС
используются
трехфазные
синхронные генераторы. Обмотки их якоря состоят из трех
однофазных обмоток, смещенных по якорю относительно друг
друга на угол 120o/р. Если р=1, угол составляет 120°. Если

15.

2.Назначение, устройство и принцип действия
15
,
Такое пространственное смещение
фаз обеспечивает сдвиг
по фазе наводимых в однофазных обмотках ЭДС на угол 120°.
Порядок чередования фаз ЭДС определяется направлением
вращения ротора генератора.
Характерными особенностями синхронных генераторов
являются:
возбуждение магнитного потока постоянным током или
постоянными магнитами;
однозначная зависимость между частотой напряжения и
угловой скоростью вращения генератора;
синхронность движения индуктора и магнитного поля
генератора.

16.

2.Назначение, устройство и принцип действия
6
,
На современных летательных
аппаратах используется в
основном бесконтактные синхронные генераторы с
синхронным
возбудителем,
под
возбудителем
и
вращающимися выпрямителями; с внутризамкнутым
магнитопроводом
(двойным
комплектом
воздушных
зазоров) и некоторые другие. Наиболее широко
применяются
генераторы
с
вращающимися
выпрямителями.
Генератор представляет собой синхронную машину,
выполненную по основной схеме. Обмотка возбуждения
генератора (ОВГ) находится на роторе, а обмотка якоря
генератора (ОЯГ) – на статоре. Основной конструктивной
особенностью данного типа генераторов является наличие
вращающихся выпрямителей V1…V6.
Они служат для выпрямления напряжения, снимаемого с
обмотки якоря возбудителя (ОЯВ).

17.

ОЯГ
В
ОВВ
ОЯП
РО
МУ
ПМ
ОЯB
n
ОВГ
V1…V6

18.

2.Назначение, устройство и принцип действия
18
,
Обмотка возбуждения (ОВВ)
размещена на статоре.
Последовательно с ней включены рабочие обмотки
магнитного
усилителя
(РО
МУ),
который
является
регулятором напряжения генератора. Такая схема позволяет
значительно уменьшить мощность, а, следовательно,
размеры и вес регулятора напряжения.
С целью надежного возбуждения генератора используется
подвозбудитель, магнитный поток возбуждения которого
создается
постоянным
магнитом
(ПМ).
Напряжение,
снимаемое с обмотки якоря подвозбудителя (ОЯП),
выпрямляется выпрямителем (В) и подается на обмотку
возбуждения возбудителя.
Такой генератор приводится во вращение устройством,
обеспечивающим постоянную скорость вращения генератора
– приводом постоянной скорости. Это позволяет получить
напряжение стабильной частоты ƒ = 400Гц.

19.

2.Назначение, устройство и принцип действия
19
Подвозбудитель представляет, собой синхронный генератор с
магнитоэлектрическим возбуждением, постоянные магниты
которого размещены на роторе.
Возбудитель представляет собой синхронный генератор
обратного исполнения, т. е. генератор, у которого обмотка
возбуждения размещена на неподвижном статоре, а якорная
обмотка – на роторе.
В главном генераторе обмотка возбуждения размещена на
роторе, и питание ее осуществляется выпрямленным током
якорной обмотки возбудителя, размещенной также на роторе,
поэтому для связи этих обмоток контакты не требуются.
Якорная обмотка генератора расположена на статоре.
Выпрямительный блок, через который осуществляется
питание
обмотки
возбуждения
главного
генератора,
расположен внутри его полого вала.

20.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
20
,
Устройство синхронного электродвигателя
таково, что он
развивает вращающий момент только при условии вращения
его ротора синхронно с магнитным полем статора. Для
обеспечения разгона синхронного электродвигателя его
ротор снабжают специальной короткозамкнутой пусковой
обмоткой.
В пазы полюсных наконечников укладывают стержни пусковой
обмотки и замыкают ее накоротко короткозамыкающими
кольцами. При этом при подключении статорной обмотки
синхронной электрической машины в сеть она будет
запускаться как обычный асинхронный электродвигатель с КЗ
ротором.
Пусковой
момент
будет
создаваться
взаимодействием
магнитных
потоков
статора
и
короткозамкнутого
ротора
и,
соответственно,
электродвигатель будет разгонятся.

21.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
21
,
Пусковой момент будет создаваться
взаимодействием
магнитных потоков статора и короткозамкнутого ротора и,
соответственно, электродвигатель будет разгонятся. Когда
скорость ротора достигнет «подсинхронной», а это 95% — 98%
синхронной, на обмотку возбуждения подают постоянный ток
(ток возбуждения), после чего двигатель втягивается в
синхронизм. Механическая характеристика синхронной
машины при пуске будет иметь две характерные точки:
пусковой момент Мпуск, который двигатель может развить
при неподвижном состоянии (S = 1);
входной или подсинхронный момент Мвх, который
развивает
синхронный
электродвигатель
при
95%
синхронной скорости (S ≈ 0.05).
В зависимости от назначения, а также условий работы
электропривода, требуются различные соотношения между
данными моментами и различные их величины.

22.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
22
,
Чем больше будет сопротивление
пусковой обмотки, тем
будет больше критическое скольжение, которое влияет на
максимум момента. Соответственно поменяется и величина
пускового момента при S = 1, а также подсинхронного S =
0,05; величина последнего довольно существенна при
вхождении в синхронизм. Чем будет больше подсинхронный
момент, тем больше будет скорость, к которой сможет
разогнаться синхронный электродвигатель а режиме
асинхронного и, соответственно, ему будет легче втянутся в
синхронизм. Механическая характеристика для асинхронного
режима показана ниже:

23.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
23
,
Чем больше будет сопротивление
пусковой обмотки, тем
будет больше критическое скольжение, которое влияет на
максимум момента. Соответственно поменяется и величина
пускового момента при S = 1, а также подсинхронного S =
0,05; величина последнего довольно существенна при
вхождении в синхронизм. Чем будет больше подсинхронный
момент, тем больше будет скорость, к которой сможет
разогнаться синхронный электродвигатель а режиме
асинхронного и, соответственно, ему будет легче втянутся в
синхронизм. Механическая характеристика для асинхронного
режима показана ниже. Из данной фигуры мы можем
увидеть, что увеличивая подсинхронный момент мы
уменьшаем пусковой, и наоборот. Поэтому выбирая
синхронный электродвигатель для конкретного механизма
необходимо всегда согласовать пусковые характеристики
электродвигателя и рабочего механизма МС = φ(n).

24.

25.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
25
,
При асинхронном пуске ток
статора будет больше
номинального в несколько раз I пуск = 3÷5 I ном. Чтоб снизить
этот ток понижают напряжение на обмотках статора. Для
этого
используют
пусковые
реакторы
или
автотрансформаторы. При этом величина пускового тока
будет снижена пропорционально напряжению на статоре, но
при этом снизится
пусковой и критический моменты
пропорционально квадрату напряжения. Также пусковые
характеристики будут во многом зависеть от перегрузочной
способности синхронной машины в нормальном режиме.
Перегрузочная способность возрастет с увеличением
воздушного зазора, однако такое увеличение приведет к
увеличению потока рассеивания, что в свою очередь приведет
к уменьшению моментов при асинхронном пуске, при этом
для обеспечения требуемых характеристик двигателя
принимают некоторые средние параметры.

26.

3.Механическая характеристика синхронного двигателя
26
,
В процессе пуска также непосредственное
участие принимает
и обмотка ротора. В начальной стадии пуска в ней
индуктируется довольно значительная ЭДС, которая может
привести к пробою изоляции (если оставить ее в разомкнутом
виде). Поэтому обмотку ротора замыкают на активное
сопротивление в 10 – 12 раз больше чем сопротивление самой
обмотки. Замыкание роторной обмотки в процессе пуска
накоротко не рекомендуется, так как из-за явления
одноосного включения возможно значительное уменьшения
пускового момента при половине синхронной скорости. Это
может привести к устойчивой работе электродвигателя при
пониженной скорости.

27.

4. Заключение
ЗАДАНИЕ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ
Изучить вопросы, изложенные в лекции по конспекту
и
[Л 1.] Бухонский М.И., Найдёнов С.В., Тельнов Г.В.
Электротехника и электроника. Аналоговая
схемотехника. Часть 1. Учебное пособие. –
Краснодар, филиал ВУНЦ ВВС «ВВА»,2015.-С.223-225.
Электронные издания:
[Л 7.] Электронное учебное пособие
«Электротехника и электроника. Высшее
образование». Бухонский М.И., Столяров Д.В.,
Дейкун Г.И., Шкода В.В., Найденов С.В. - Краснодар,
КВВАУЛ, 2016, п. 1.6.5. п., 1.6.6., п.1.6.7.

28.

Авиационные синхронные генераторы
На летательных аппаратах применяется несколько типов
синхронных генераторов. Основными из них являются генераторы
типа СГО, СГС, ГО, ГT и СГК.
Генераторы типа СГО (синхронные генераторы) имеют
независимое электромагнитное возбуждение, трехфазную рабочую
обмотку, соединенную треугольником. Их выходное напряжение
равно 115 В. Генераторы СГО выпускаются мощностью 8, 12 и 30
кВ-А (СГО-8, СГО-12, СГО-30).
Генераторы типа СГС (синхронный генератор самолетный)
являются трехфазными генераторами, имеют независимое
электромагнитное возбуждение с питанием обмотки возбуждения от
бортовой сети либо от возбудителя. У генератора СГС обмотки фаз
соединены звездой, поэтому имеется возможность с одного
генератора снимать два разных по номиналу напряжения.

29.

Привод
генераторов
СГО
и
СГС
осуществляется
непосредственно от турбореактивных или турбовинтовых
авиадвигателей, поэтому диапазон изменения их частоты
определяется диапазоном изменения частоты вращения валов
авиадвигателей.
Более широкий диапазон изменения частоты вращения имеют
турбореактивные двигатели, более узкий – турбовинтовые.
Диапазон изменения частоты генераторов типа СГО и СГС
находится в пределах от 400 до 900 Гц.
На ЛА синхронные генераторы применяются как источники
электроэнергии переменного тока нестабильной и стабильной
частоты.
Генераторы переменного тока нестабильной частоты
используются на летательных аппаратах в основном для питания
электрических противообледенительных систем, систем обогрева
кабин и специального оборудования.

30.

Электрическая схема бесконтактного генератора типа ГТ
представлена на рис.
Генератор состоит из трех электрических машин:
• подвозбудителя; возбудителя; главного генератора.
Эти три электрические машины размещены на одном валу и
конструктивно оформлены в одном корпусе

31.

Подвозбудитель представляет собой синхронный генератор с
магнитоэлектрическим возбуждением, постоянные магниты которого
размещены на роторе.
Возбудитель представляет собой синхронный генератор обратного
исполнения, т. е. генератор, у которого обмотка возбуждения
размещена на неподвижном статоре, а якорная обмотка – на роторе.
В главном генераторе обмотка возбуждения размещена на роторе,
и питание ее осуществляется выпрямленным током якорной обмотки
возбудителя, размещенной также на роторе, поэтому для связи этих
обмоток контакты не требуются. Якорная обмотка генератора
расположена на статоре.
Выпрямительный блок, через который осуществляется питание
обмотки возбуждения главного генератора, расположен внутри его
полого вала.
Кроме трехфазных синхронных генераторов со стабильной
частотой переменного тока на летательных аппаратах устанавливаются
и трехфазные синхронные генераторы однофазного использования
типа ГО.