2. Генераторы со смешанным (компаундным) возбуждением.

Рис. 3.10. Стартёр-генератор со смешанным возбуждением

На некоторых самолётах и вертолётах с электрическим запуском двигателей применяются стартёр-генераторы со смешанным возбуждением, то есть имеющие одновременно параллельную (шунтовую) и последовательную обмотки возбуждения (рис.3.10). Параллельная обмотка самовозбуждения обеспечивает легко реализуемую систему стабилизации напряжения генератора. А применение последовательной обмотки в режиме стартёра обеспечивает получение большего крутящего момента на валу при запуске двигателя.

В генераторах с параллельным самовозбуждением достаточно просто реализуется стабилизация напряжения независимо от частоты вращения (режима работы двигате ля) и тока нагрузки (мощности включенных потребителей).

Рис. 3.9. Схема генератора с параллельным самовозбуждением

ЭДС генератора:

Е = сФп, где:

с – коэффициент, являющийся для конкретного генератора постоянной величиной, зависящий от числа пар полюсов;;

Ф – магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения;

п – частота вращения ротора генератора (обороты в минуту)

Напряжение генератора

U = E – Ir = cФn – Ir

Напряжение генератора с самовозбуждением можно легко стабилизировать, воздействуя на ток возбуждения, то есть магнитный поток Ф.

1. Совместно с каждым генератором постоянного тока работает аппаратура, обеспечивающая стабилизацию его напряжения, параллельную работу генераторов, подключение генератора к самолётной сети, отключение от сети при отказах и при аварийном росте напряжения свыше допустимого значения, сигнализацию отказов.

Регуляторы напряжения

Напряжение на клеммах генератора согласно закона Ома для полной цепи равно ЭДС минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора, то есть:

U = E – Ir (1)

Подставим в формулу (1) значение ЭДС, тогда напряжение генератора:

U = сФп – Ir .

Из полученной формулы видно, что напряжение генератора зависит от двух внешних факторов:

- от частоты вращения (оборотов) ротора, которые пропорциональны оборотам двигателя и зависят от его режима работы, который в свою очередь в полёте может неоднократно изменяться от малого газа до взлётного.

- от тока нагрузки генератора, то есть мощности подключаемых потребителей.

Если не принять меры по стабилизации напряжения, то каждый раз при изменении режима работы двигателя, или при включении или выключении потребителей, напряжение будет изменяться, что недопустимо.

Наиболее целесообразным способом стабилизации напряжения является изменение тока возбуждения генератора – при уменьшении напряжения необходимо увеличить ток возбуждения, что приведёт к увеличению магнитного потока Ф, а значит к восстановлению исходного значения напряжения. При росте напряжения необходимо выполнить обратное – уменьшить ток возбуждения.

Совместно с генераторами постоянного тока работают угольные регуляторы напряжения.

Рис. 4.1. Конструкция и подключение угольного регулятора напряжения

В состав угольного регулятора напряжения входят

1 – корпус;

2 – рабочая обмотка электромагнита;

3 – сердечник электромагнита;

4 – крышка;

5 – якорь электромагнита;

6 – пружинная мембрана;

7 – опорное кольцо;

8, 13 – концевые контакты;

9 – втулка;

10 – угольный столб;

11 – радиатор охлаждения;

12 – регулировочный винт;

Угольный столб 10, состоящий из отдельных угольных шайб, нанизанных на стальной стержень, сжимается с помощью пружинной мембраны 6. Столб включен последовательно с обмоткой возбуждения.

Электромагнит с тремя обмотками – рабочей обмоткой 2, обмоткой температурной компенсации и обмоткой параллельной работы (уравнительной). Рабочая обмотка включена на напряжение генератора. При подаче на неё напряжения создаётся магнитное поле, которое притягивает якорь электромагнита 5, препятствуя силе сжатия пружинной мембраны.

Таким образом на угольный столб действуют две силы – сила сжатия пружинной мембраны и сила растяжения – электромагнита. В зависимости от баланса этих сил меняется усилие, с которым угольные шайбы прижимаются друг к другу, меняется площадь контакта между шайбами, что приводит к изменению сопротивления угольного столба, а следовательно к изменению тока возбуждения генератора и изменению магнитного потока Ф, создаваемого обмоткой возбуждения.

Рис. 4.2. Упрощённая принципиальная схема угольного регулятора напряжения, где:

1 – угольный столб; 2 – пружинная мембрана; 3 – якорь электромагнита;

4 – электромагнит.

Работа регулятора напряжения по схеме на рис. 4.2.

Если по какой-то причине напряжение генератора упадёт (уменьшение режима работы двигателя, включение мощных потребителей и др.), уменьшится напряжение, приложенное к рабочей обмотке электромагнита 4. Создаваемое ею магнитное поле уменьшится, что приведёт к уменьшению силы, растягивающей угольный столб. Пружинная мембрана сильнее сожмёт угольный столб, что приведёт к улучшению контакта между его шайбами и к уменьшению сопротивления столба, то есть к уменьшению сопротивления цепи возбуждения. Ток возбуждения возрастёт, возрастёт магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, что вызовет увеличение ЭДС и увеличение напряжения генератора до исходного значения.

При росте напряжения произойдёт обратное – увеличится напряжение на рабочей обмотке электромагнита, что приведёт к большему растяжению угольного столба и росту его сопротивления, уменьшению тока возбуждения, уменьшению магнитного потока Ф обмотки возбуждения, уменьшению ЭДС и напряжения.

Для обеспечения возможности дистанционной регулировки напряжения генератора в пределах ± (1,5÷2) В в схему регулятора напряжения введено выносное (настроечное) сопротивление Rнастр. (ВС-25Б или ВС-25ТВ), которое на большинстве самолётов и вертолётов располагается в кабине экипажа. (Например на Ту-134А – в кабине штурмана). При повороте его ручки по часовой стрелке величина сопротивления ВС-25 увеличивается. Ввиду того, что оно включено последовательно с рабочей обмоткой электромагнита, ток в обмотке уменьшается, уменьшается растягивающее усилие электромагнита, увеличивается сжатие угольного столба, что приводит к уменьшению его сопротивления, к увеличению тока возбуждения и увеличению Е и напряжения.

При повороте ручки ВС-25 против часовой стрелки происходит обратное – Е и напряжение генератора уменьшаются.

Основной неисправностью угольного регулятора напряжения является спекание угольного столба вследствие перегрева, так как при работе генератора постоянного тока на угольном столбе выделяется мощность до 150 Вт. В связи с этим корпус регулятора напряжения имеет рёбра охлаждения, как на поршневых двигателях воздушного охлаждения. Регуляторы напряжения обычно помещают в местах, которые хорошо продуваются забортным воздухом (например на Ан-12, Ан-24, Ан-26 – в зализах центроплана, на Ил-18 – в специальном, хорошо продуваемом отсеке, на Ан-2 – в хорошо продуваемом желобе). На Ту-134, чтобы не ухудшать аэродинамику дополнительными устройствами, обдув регуляторов осуществляют два электрических венти лятора, расположенных в том же отсеке, что и регуляторы напряжения. Вентиляторы включаются в работу при включении любого генератора.

При выполнении требований хорошего охлаждения угольный регулятор является надёжным и безотказным устройством.

Назначение обмотки температурной компенсации.

При работе регулятора напряжения по рабочей обмотке его электромагнита постоянно протекает электрический ток, что приводит к постепенному нагреву проводов обмотки и, как следствие, увеличению сопротивления обмотки. При увеличении сопротивления обмотки электромагнита будет происходить постепенное уменьшение тока в ней и уменьшение создаваемого обмоткой магнитного поля. При этом будет уменьшаться усилие, растягивающее угольный столб, что приведёт к увеличению сжатия угольного столба, увеличению тока возбуждения, а следовательно – к увеличению Е и напряжения генератора.

Чтобы этого избежать, соосно с рабочей обмоткой электромагнита выполняют обмотку температурной компенсации, которая запитывается от генератора, но включена встречно по отношению к рабочей обмотке. Таким образом растяжение угольного столба осуществляет магнитное поле, равное алгебраической сумме полей двух обмоток – рабочей и – температурной компенсации.

При нагреве проводов сопротивление возрастает у обеих обмоток, изменяется магнитное поле обеих обмоток, но суммарное магнитное поле остаётся постоянным.

Параллельная работа генераторов постоянного тока

Для параллельной работы двух, трёх и большего числа генераторов постоянного тока на общую нагрузку необходимо, чтобы они имели одинаковые значения напряжения. В противном случае генератор с большим напряжением возьмёт всю нагрузку на себя, а остальные генераторы будут функционировать, как потребители.

Чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки при параллельной работе, необходимо обеспечить для параллельно работающих генераторов одинаковые значения напряжений. Для этой цели в электромагните каждого регулятора напряжения выполняется дополнительно обмотка параллельной работы (уравнительная обмотка), а в минусовой цепи каждого генератора помещается балластное сопротивление, представляющее собой кусок провода, имеющий калиброванное сопротивление.

Рассмотрим параллельную работу двух генераторов (рис. 4.3).

Генераторы Г1 и Г2 имеют одинаковые электрические характеристики. Балластные сопротивления в их минусовых цепях имеют равные значения. Уравнительные обмоткиWур1 и Wур2 включены последовательно между точками 1 и 2.

При равных напряжениях генераторов, при их работе на общую нагрузку их токи равны, то есть I1 = I2.

При этом будут равны падения напряжения на балластных сопротивлениях Rб и равны потенциалы φ точек 1 и 2. При равенстве потенциалов точек 1 и 2 ток между ними отсутствует.

Если по какой-то причине напряжение одного из генераторов изменится, то изменится падение напряжения на балластном сопротивлении в его минусовой цепи, изменится потенциал φ для точки 1 или точки 2. Равенство потенциалов точек 1 и 2 нарушится. От точки с большим потенциалом потечёт уравнительный ток к точке с меньшим потенциалом. Уравнительный ток будет проходить через включенные последовательно уравнительные обмотки Wур двух регуляторов напряжения и через замкнутые контакты двух АЗП (автоматов защиты от перенапряжения).

Уравнительная обмотка каждого регулятора напряжения будет создавать своё магнитное поле, которое будет алгебраически складываться с магнитным полем, создаваемым соответствующей рабочей обмоткой. В одном регуляторе суммарное поле увеличится, в другом – уменьшится. Соответственно в одном регуляторе растяжения угольного столба станет больше, а в другом – меньше. У одного из генераторов ток возбуждения и напряжение уменьшатся, а у другого – увеличатся.

В тот момент, когда напряжения генераторов станут равны, то есть U1 = U2 , станут равны их токи и падения напряжения на балластных сопротивлениях. Станут равны потенциалы точки 1 и точки 2. При равенстве потенциалов точек прекратится уравнительный ток.

При параллельной работе большего числа генераторов концы их уравнительных обмоток через замкнутые контакты соответствующих АЗП сходятся в общую точку. Поэтому при появлении уравнительного тока он проходит через уравнительные обмотки всех регуляторов напряжения, вызывая соответствующее изменение тока возбуждения и напряжения всех генераторов.

При неправильной регулировке напряжения генераторов на земле разность токов нагрузки может превысить допустимое значение, что приведёт к отключению соответствующего генератора. В полёте предельно допустимая разница токов нагрузки наиболее нагруженного и наименее нагруженного генератора составляет 10% от номинального тока используемых генераторов.

Проверку параллельной работы генераторов, то есть сравнение их токов нагрузки следует произвести через 15÷20 минут после включения генераторов, чтобы их регуляторы напряжения успели прогреться. Если предельная разница токов нагрузки любых двух генераторов превысит допустимое значение, необходимо произвести регулировку параллельной работы, для чего ручки ВС-25 для самого нагруженного и самого ненагруженного генератора одновременно синхронно поворачивать на один и тот же угол в противоположные стороны, – самому нагруженному – против часовой стрелки, а самому ненагруженному – по часовой стрелке. При этом необходимо контролировать изменение токов нагрузки.

На самолётах и вертолётах гражданской авиации, в зависимости от мощности используемых генераторов, применяются разные регуляторы напряжения.

На Ан-2 и других самолётах с генераторами малой мощности, как правило, используют регуляторы Р-25АМ. На всех турбовинтовых самолётах, на Ту-134А и Б используют регуляторы РН-180 или РН-180М, где РН обозначает «регулятор угольный», а число указывает тепловую мощность, рассеиваемую на угольном столбе.

Дифференциальные минимальные реле (ДМР)

Дифференциальные минимальные реле выполняют следующие функции:

- обеспечивают возможность дистанционного ручного включения и выключения генератора;

- подключают генератор на сеть, если его напряжение превышает напряжение сети, как минимум, на0,2÷0,3 В

- отключают генератор от сети при появлении тока обратного направления при достижении им заданной величины;

- исключают возможность подключения на сеть генератора с неправильной полярностью;

- обеспечивают сигнализацию отключения или подключения генератора.

На самолётах и вертолётах гражданской авиации применяются, как правило, дифференциальные минимальные реле ДМР-200Д, ДМР-400Д, ДМР-400Т, ДМР-600Т, которые имеют незначительные отличия в электрической принципиальной схеме, используемых элементах схемы и в токе нагрузки.

ДМР-200 рассчитан на номинальный ток 200 А;

ДМР-400 рассчитан на номинальный ток 400 А;

ДМР-600 рассчитан на номинальный ток 600 А.

Состав дифференциального минимального реле (рис.4.5)

- Рвкл – реле включения – электромагнитное реле, которое при включении выклю-чателя генератора подготавливает ДМР к работе;

- Рбл. – блокировочное реле – обеспечивает защиту шунтовой обмотки дифференциального реле при подаче на неё перепада напряжения ΔU > 12 B.

- Рдиф. – дифференциальное реле – служит для управления процессом подключения и отключения генератора. В качестве дифференциального реле используется поляризованное реле с постоянными магнитами (рис. 4.4.)

1 – плита основания; 2 – стойка; 3 – якорь; 4 – наконечник магнита;

5, 6 – регулировочные винты; 7 – контакт.

В поляризованном реле, в отличие от обычных электромагнитных реле, отсутствуют возвратные пружинки. Два устойчивых положения обеспечивают постоянные магниты в виде стоек, крепящиеся на плитах основания. Они намагничивают плиты и полюсные наконечники. В промежутке между полюсными наконечниками находится якорь из электротехнической стали, который может поворачиваться вокруг оси А из одного устойчивого положения в другое. Вокруг якоря выполнены две обмотки – Wш. - шунтовая и Wс - сериесная. Высокочувствительная шунтовая обмотка выполнена тонким проводом, а сериесная – представляет собой один или два витка провода большого сечения, рассчитанного на длительное пропускание номинального тока генератора.

При отсутствии тока в обмотках якорь реле замыкает магнитную цепь между разноимёнными полюсами постоянных магнитов и намагничивается, обеспечивая одно из своих устойчивых положений.

При появлении тока в одной из обмоток она создаёт магнитное поле, которое может быть направлено согласно с полем постоянных магнитов, или встречно.

Если поле направлено встречно и его величина превышает поле постоянных магнитов, происходит перемагничивание якоря. При этом одноимённые полюса якоря и постоянных магнитов отталкиваются друг от друга, обеспечивая поворот якоря вокруг оси «А» во второе устойчивое положение. Одновременно замыкаются или размыкаются электрические контакты, связанные с якорем.

- К1 – контактор, силовой элемент схемы ДМР – обеспечивает непосредственное подключение генератора на бортсеть, также управляет включением сигнализации «отказ генератора».

Работа электрической принципиальной схемы ДМР-400Д (рис. 4.5.)

В исходном положении в бортсети есть напряжение, поданное с аккумуляторной батареи или с другого генератора.

Плюс с шины бортсети через замкнутые контакты 2-1 Рсигн поступает через клемму «сеть» ДМР на конец шунтовой обмотки Wш дифференциального реле, подготавливая его срабатывагние..

Также плюс поступает через контакты 5-4 Рсигн на сигнальную лампу «отказ генератора».

На всех самолётах и вертолётах гражданской авиации генератор включают после запуска соответствующего двигателя, а на самолётах и вертолётах с ГТД – после выхода двигателя на режим малого газа.

При работе двигателя вращение с него передаётся на генератор, а благодаря применённой схеме самовозбуждения на клеммах генератора сразу появляется напряжение.

Минусовая клемма генератора через корпус самолёта связана с «минусами» всех устройств, подключенных по однопроводной схеме. Минус в том числе подаётся через клемму « - » на обмотки Рвкл и К1.

С плюсовой клеммы генератора плюс подаётся через клемму «Ген.» ДМР на контакты «4» и «1» реле включения, на силовой контакт контактора К1 и через перемычку и клемму « + » на выключатель генератора.

При включении выключателя плюс подаётся через клемму «В» ДМР на обмотку реле включения. Ввиду наличия на другом конце обмотки реле включения минуса, Рвкл срабатывает и контактами 4-3 готовит цепь включения контактора, а контактами 1-2 подаёт плюс через контакты 2-1 блокировочного реле на конец шунтовой обмотки Wш дифференциального реле.

Таким образом к Wш оказывается приложен перепад напряжений ΔU, равный алгебраической сумме Uген и Uсети, то есть ΔU = Uген – Uсети.

Под действием перепада напряжений в шунтовой обмотке появляется ток

Под действием тока в шунтовой обмотке дифференциального реле она создаёт магнитное поле. Параметры дифференциального реле в ДМР-400Д подобраны таким образом, чтобы оно срабатывало при Uген – Uсети = 0,3÷0,7 В, то есть чтобы срабатывание происходило, когда напряжение генератора больше напряжения сети, как минимум, на 0,3÷0,7 В.

При срабатывании дифференциального реле его контакты 2-3, включенные последовательно с контактами 4-3 реле включения, подают плюс на контактор К1, который срабатывает и своими силовыми контактами подаёт напряжение генератора через клемму «Ген.» ДМР, сериесную обмотку дифференциального реле, клемму «Сеть» ДМР и далее через амперметр на шину бортсети. То есть генератор подключается на сеть.

Сериесная обмотка дифференциального реле создаёт магнитное поле, совпадающее по направлению с полем постоянных магнитов, благодаря чему якорь дифференциального реле удерживается в сработанном положении.

Вспомогательный контакт К1 подаёт плюс через клемму «С» ДМР на реле сигнализации, которое срабатывает и контактами 2-1 разрывает цепь шунтовой обмотки, тем самым исключая её перегорание при длительном нахождении под напряжением во время полёта. Контактами 5-4 реле сигнализации разрывает цепь питания сигнальной лампочки «Отказ генератора».

Если напряжение генератора по какой-то причине начинает уменьшаться, то в момент, когда напряжение сети станет больше, чем напряжение генератора, т. е.:

U сети > U ген

ток потечёт из сети через амперметр, клемму «Сеть» ДМР, сериесную обмотку дифференциального реле, замкнутые силовые контакты К1, клемму «Ген.» ДМР и далее через обмотку генератора на корпус самолёта. То есть генератор при этом будет потреблять электроэнергию, как электродвигатель.

Ток в сериесной обмотке дифференциального реле меняет направление, соответственно изменяется на противоположное и направление создаваемого сериесной обмоткой магнитного поля, которое теперь направлено против поля постоянных магнитов. При достижении в Wc тока обратного направления 15÷25 А величины магнит ного поля, создаваемого обмоткой, оказывается достаточно для срабатывания дифференциального реле (для возврата его якоря в исходное положение). При этом контакты 2-3 дифференциального реле размыкаются и снимают плюс с контактора К1, который обесточивается и своими силовыми контактами отключает генератор от сети, Вспомогательным контактом К1 снимает плюс с реле сигнализации, которое в свою очередь контактами 5-4 включает сигнальную лампочку «Отказ генератора», а контактами 2-1 подключает шунтовую обмотку дифференциального реле к шине бортсети, готовя новое включение генератора.

Если напряжение генератора возрастёт, то он, аналогично рассмотренному, вновь подключится на сеть.

Если продолжится падение напряжения генератора, то к шунтовой обмотке будет приложен отрицательный (обратный) перепад напряжения

ΔU = Uсети – Uген,

который по мере падения напряжения генератора будет возрастать.

Рост перепада напряжения свыше 12 В опасен для обмотки, так как она, выполненная из тонкого провода, может при этом перегореть. Чтобы это исключить, в схему ДМР дополнительно введено блокировочное реле Рбл, на которое подаётся тот же перепад напряжения, что и на шунтовую обмотку. Напряжение срабатывания блокировочного реле 12 В и более. Следовательно, если к шунтовой обмотке приложен ΔU =12В, то эти же 12 В приложены к Рбл, которое срабатывает и размыкает контакты 2-1, обесточивая шунтовую обмотку и исключая её перегорание.

При дальнейшем падении напряжения генератора Uген < 4 В реле включе ния отпускает свои контакты – схема ДМР-400Д возвращается в исходное положение.

Для того, чтобы исключить подключение на сеть генератора с обратной полярностью, реле включения в настоящее время выполняется детекторным, то есть последовательно с его обмоткой включается полупроводниковый диод, который при обратной полярности не пропускает ток обратного направления, не давая сработать реле Рвкл.