Авіаційні перетворювачі електричної енергії

Система електропостачання ЛА складається з первинної (основної) і відповідного комплексу вторинних (допоміжних) систем, які отримують електричну енергію від вторинних джерел. Вторинні джерела перетворюють первинну енергію по роду струму, рівню напрузі і частоті та забезпечують живленням відповідні споживачі. Джерелами енергії в них є перетворювачі, що обертаються або статичні, постійного струму в змінний або навпаки залежно від типу первинної СЕП. Перетворювачі електричної енергії, які застосовуються на сучасних ЛА можна класифікувати за призначенням таким чином:

– перетворювачі роду струму – постійний в змінний або змінний в постійний (переважно перетворювачі роду струму одночасно перетворюють і величину напруги);

– перетворювачі напруги – постійного або змінного струму.

На літальних апаратах з первинною СЕП постійного струму існують вторинні СЕП однофазного і трифазного змінного струму, сумарна потужність яких доходить до десятків кіловольт-ампер. Як джерела енергії в цих системах застосовуються електромашинні або статичні перетворювачі постійного струму в однофазний і трифазний змінний струм постійної частоти. Широкого поширення набули системи з автоматичним включенням резервного перетворювача замість основного, що вийшов з ладу.

На сучасних ЛА з первинною СЕП змінного струму як джерело електроенергії вторинних СЕП широко використовуються статичні перетворювачі. Ці перетворювачі служать для перетворення змінного струму в постійний струм (випрямні пристрої, трансформаторно-випрямні блоки) і змінного струму одного рівня напруги в змінний струм іншого рівня напруги (трансформатори) та можуть працювати на навантаження як окремо, так і паралельно. Потужність їх відносно невелика. Наприклад, потужність споживачів постійного струму на літальному апараті з первинною СЕП змінного струму напругою 115/200 В складає 5–10 % загальної споживаної потужності змінного струму, а потужність споживачів змінного струму напругою 36 В і того менше.

Електромашинній перетворювач постійного струму в змінний є електромашинним агрегатом, що складається з двигуна постійного струму М і генератора змінного струму Г~. Обидві електричні машини розміщуються на одному валу в загальному корпусі. Проте їх магнітні системи є незалежними і якірні обмотки не мають електричного зв’язку.

Принцип дії електромашинного перетворювача заснований на двократному перетворенні енергії: електричній енергії в механічну в двигуні та механічної енергії в електричну в генераторі. Перетворювачі забезпечуються системами стабілізації напруги і частотизмінного струму (рис. 2.22). Стабілізація напруги перетворювачів досягається зміною величини струму в обмотці збудження генератора ОЗГ, а стабілізація частоти – зміною величини струму в управляючої обмотці двигуна УОД.

Рис. 2.22. Структурна схема електромашинного перетворювача.

Відхилення частоти перетворювача від номінального значення сприймається вимірювальним органом частоти ВОЧ. Сигнал від ВОЧ підсилюється підсилювачем П_ч і перетворюється в струм в УОД, викликаючи зміну результуючого магнітного потоку від УОД і послідовної обмотки збудження двигуна ОЗД та забезпечуючи приведення частоти струму до заданого значення. Зміна напруги перетворювача сприймається вимірювальним органом напруги ВОН. Сигнал від ВОН підсилюється підсилювачем П_н і перетворюється в струм в ОЗГ, викликаючи зміну магнітного потоку збудження генератора і відновлення напруги перетворювача до номінальної величини.

В авіації застосовуються перетворювачі однофазні типа ПО напругою 115 В потужністю від 250 до 6000 В∙А, перетворювачі трифазні типа ПТ напругою 36 або
208 В потужністю від 70 до 1500 В∙А і комбіновані перетворювачі типа ПТО трифазного і однофазного струму тієї ж напруги і потужністю 1000 і 1500 В∙А, відповідно. Частота струму цих перетворювачів складає 400 Гц. У комбінованому перетворювачі ПТО в одному корпусі розміщені генератори трифазного і однофазного струму. Він має систему стабілізації частоти і системи стабілізації напруги обох генераторів.

Статичні перетворювачі, в порівнянні з електромашинними, мають більшу надійність і більший термін служби через відсутність частин, що обертаються, і контактних елементів, а також підвищений ККД до 0,9. Нині знайшли застосування статичні перетворювачі напруги 27 В в змінний однофазний струм напругою 115 В типа ПОС потужністю від 25 до 1000 В∙А і в змінний трифазний струм напругою 36 і 208 В типа ПТС потужністю від 250 до 2500 В∙А. Частота струму – 400 Гц. Перетворення постійного струму в змінний струм стабільної частоти здійснюється за допомогою напівпровідникових приладів (транзисторів). Для отримання на виході перетворювача криву струму, близьку до синусоїдальної, застосовуються трансформаторно-дросельні блоки і фільтри вихідної напруги.

Основними елементами однофазного статичного перетворювача (рис. 2.23) є конвертор К, інвертор І та фільтри: вхідний Ф_вх і вихідний Ф_вих.

Рис. 2.23. Структурна схема однофазного статичного перетворювача.

Конвертор призначений для перетворення постійної напруги (20 – 30) В в регульовану постійну напругу (50 – 70) В. Змінюючи вихідну напругу конвертора, можна підтримувати незмінним вихідну напругу перетворювача при зміні його струму навантаження, або вхідної напруги. Цю функцію автоматично виконує регулятор напруги перетворювача.

Інвертор служить для перетворення постійної напруги в змінну напругу частотою 400 Гц. Інвертор найчастіше виконується по мостовій схемі (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Принципіальна схема мостового інвертора.

Транзистори працюють в ключовому режимі і включаються попарно: VТ1, VТ4та VТЗ, VТ2. В результаті струм первинної обмотки трансформатора міняє свій
напрям кожні півперіоду, і у вихідній обмотці трансформатора будуть наводиться двополярні імпульси прямокутної форми. Послідовність включення пар транзисторів, а також тривалість їх включеного стану визначаються імпульсами управління, які подаються на бази транзисторів від незалежної схеми управління. Інвертори з таким способом управління силовими транзисторами прийнято називати інверторами з незалежним збудженням. Транзистори інверторів шунтуються діодами VD1–VD4, які забезпечують протікання струму при підключенні активно-індуктивного навантаження.

У первинної СЕП змінного струму для живлення споживачів постійним струмом застосовуються трансформаторно-випрямні блоки. Вони призначені для перетворення змінного струму напругою 115/200 В змінної або постійної частоти 400 Гц в постійний струм напругою 27 В. До складу трансформаторно-випрямних блоків зазвичай входять знижувальний трансформатор Тр1, випрямляч Д1–Д6, фільтри С–Др і пристрої для регулювання напруги П1, охолодження (вентилятор М), захисту від перегрівання і сигналізації (рис. 2.25). Застосовуються трансформаторно-випрямні блоки типа ВУ, ТВБ і F11RB4140 потужністю 0,5, 3, 6, 9 і 12 кВт.

Рис. 2.25. Принципіальна схема випрямного пристрою ВУ-6А.

При включенні трансформаторно-випрямного блоку в роботу змінний струм напругою 115/200 В через вхідні фільтри С–Др і пристрій для регулювання напруги П1, поступає на знижувальний трансформатор Тр1. Трансформатор понижує напругу до необхідної величини та підводить її до випрямлячів Д1–Д6, на виході яких отримуємо випрямлений (постійний) струм напругою 28,5 В. Для поліпшення якості випрямленого струму в трансформаторно-випрямному блоці використовується вихідний фільтр. Для забезпечення охолодження елементів блока використовується вентилятор М, якій отримує живлення змінним струмом від шин СЕП змінного струму напругою
115/200 В.

Авіаційні трансформатори призначені для перетворення напруги бортової мережі 115/200 В змінного струму в напругу іншого значення, необхідної для споживачів змінного струму. Трансформатори розташовують або окремо від споживачів, коли від одного трансформатора енергія розподіляється декільком споживачам струму (входять до складу вторинної СЕП), або в одному блоці зі споживачами, як, наприклад, в трансформаторно-випрямних блоках і в радіопристроях. Трансформатори знаходять широке застосування також в приладовому обладнанні, в схемах автоматичного регулювання і управління, схемах захисту та іншому електрообладнанні ЛА. Авіаційні трансформатори виготовляють на потужності від 50 до 15 000 В·А з природним охолодженням. Трансформатори мають як однофазне, так і трифазне виконання.