2. Энергоснабжение самолётов с основной системой электро­снабжения постоянного тока

На самолётах с основной системой электросн6абхения постоянного тока как правило дополнительно предусмотрены две вторичных системы электроснабжения переменного тока, соответственно однофазного перемен­ного тока 115 В частотой 400 Гц и трёхфазного переменного тока 36 В часто­той 400 Гц .

В системе постоянного тока основ­ными источниками электроэнергии явля­ются генераторы постоянного тока, уста­новленные на маршевых двига­телях, ре­зервным источником является генератор ВСУ, аварийными источни­ками – аккуму­ляторные батареи. Предусмотрено под­ключение аэродромного источника постоян­ного тока.

Во вторичной системе электроснабжения однофазного переменного тока 115 В частотой 400 Гц в качестве источников электро­снабжения исполь­зуются три элек­тро­машинных преобразователя постоянного тока в однофаз­ный пере­менный ток на­пряжением 115 В частотой 400 Гц – один рабочий (основной), второй – резерв­ный, третий – аварийный. На некоторых самолё­тах пре­дусмотрено подключение аэродромного ис­точника однофазного пе­ременного тока напряже­нием 115 В часто­той 400 Гц.

Во вторичной системе электроснабжения трёхфазного переменного тока 36 В частотой 400 Гц в качестве источников электро­снабжения исполь­зуются четыре электро­машинных преобразователя постоянного тока в трёх­фазный пере­менный ток на­пряжением 36 В частотой 400 Гц. Два из них, мощностью от 500 ВА до 1500 ВА, соответственно рабочий и резервный, обеспечивают электропитание сети 36 В. Два других, чаще всего ПТ-200, обеспечивают резервное питание авиагори­зонтов.

2.1. Авиационные аккумуляторные батареи

Аккумуляторы являются химическими источниками электроэнергии, работаю­щими циклично, в режиме заряд – разряд, в которых химическая энергия (энергия окислитель­ного и восстановительного процессов) превра­щается непосредственно в электрическую без промежуточной трансформа­ции в другой вид.

Действие аккумуляторов основано на обратимых электрохимических реакциях. Это значит, что если после разряда аккумулятора к нему подвести энергию от посто­роннего источника постоянного тока, то из продуктов реак­ции разряда полу­чаются первоначальные активные вещества. Таким образом, аккумуляторы явля­ются химическими источниками электроэнергии много­кратного действия.

В настоящее время на самолётах и вертолётах гражданско й авиации применяют- ся кислот­ные (свинцовые) и щелочные (никель-кадмие­вые)аккумуляторы.

2.1.1. Конструкция, принцип действия кислотного аккумулятора.

В кислотном аккумуляторе активным ве­ществом положительных элек­тродов яв­ляется двуокись свинца РЬО₂, отрицательных электродов — губча­тый свинец РЬ. Электролитом служит водный раствор серной кислоты H₂SO₄. Проходящие в ак­ку­муляторе электрохимические процессы выража­ются уравнением:

разряд

P bO₂ + 2 H₂ S0₄ + Pb PbS0₄ + 2 H₂0 + PbSO₄

заряд

Из формулы видно, что активные вещества положительных и отрица­тельных электродов при разряде переходят в сульфат свинца. Одновременно выделяется вода, которая разбавляет кислоту, уменьшая концентрацию элек­тролита.

При заряде аккумулятора, под действием электрической энергии, на электро­дах аккумулятора восстанавливаются исходные вещества. Одновре­менно возрас­тает концентрация электролита.

Кислотный аккумулятор имеет корпус в виде моноблока из прессован­ного эбонита (рис.2.1), который образует двенадцать изолированных друг от друга ячеек, каждая из которых является корпусом для отдельного аккуму­лятора бата­реи. В каждой ячейке расположены положительные и отрица­тельные электроды в виде наборов положительных (рис.2.1) 6 и отрицатель­ных 3 пластин. Как положи­тель­ные, так и отрицательные пластины представ­ляют собой тонкие решет­ки, отли­тые из сплава свинца с сурьмой, в ячейки которых вмазы­вается активная масса в виде пасты. Таким образом, решетка служит основой, на которой закрепляется ак­тивное вещество, и одновременно проводником тока.

Пластины одной полярности спаяны между собой параллельно за спе­циальные приливы-ушки свинцовым мостиком (бареткой) 7 с вы­водным шты­рем и образуют полублок. Два полублока из пластин раз­ной полярности, вставленных один в дру­гой так, чтобы полярность пластин чередовалась, об­разуют блок пластин 2.

Пластины разной полярности в блоке изолируются друг от друга с по­мощью сепараторов 5 — тонких пластин из микропористого эбо­нита. С од­ной стороны поверхность сепаратора делается гладкой, а с другой (обращен­ной к положитель­ной пластине) — ребристой. Это делается с целью увеличе­ния пространства для ки­слоты у положитель­ных пластин, где её расходуется больше. В зависимости от ёмкости аккумуляторной батареи и её назначе­ния блоки

Рис. 2.1. Конструкция кислотной аккумуляторной батареи:

1 —корпус; 2 — блок пластин; 3— отрицательные пластины; 4 – опорные башмачки; 5 – сепараторы; 6 — положительные пластины; 7—ба­ретка; 8 — предохранительный щиток; 9 – отражательный щиток; 10 — пробка;11—крышка;

12 — межэлементное соединение; 13 – выходной зажим.

пластин имеют разное количество пластин, которые имеют разные раз­меры и тол­щину.

Блоки пластин помещаются в ячейки моноблока. Сверху блока с целью защиты верхних кромок се­параторов от поломки при замере уровня и плотно­сти электролита прокладывается винипластовый предо­хранительный щиток 8. Выше пре­дохрани­тельного щитка с опорой на баретки располагается эбони­то­вый отражательный щиток 9, ко­торый предохраняет электролит от выпле­скивания при работе в усло­виях вибрации.

Каждая ячейка моноблока закрывается эбонитовой крышкой 11 с тремя отвер­стиями. Крайние отверстия служат для выводов штырей бареток, а среднее — для за­ливки электролита и для выхода газов, образующихся при работе. В отверстия для штырей впрессованы свин­цовые втулки, выступаю­щие над верхней плоскостью крышки на 4÷5 мм. При сборке аккумулятора выводные штыри спаиваются с вы­сту­пающими бортиками втулок.

Все элементы последовательно соединяются между собой в батарею свинцовыми перемычками 12. От крайних элементов на торцевую стенку мо­нобло­ка выведены зажимы 13 для присоединения батареи к внешней цепи.

Отверстие для заливки электролита закрывается пробкой 10. При хра­нении акку­муляторных батарей до их ввода в эксплуатацию или при дли­тельной их консерва­ции применяются глухие пробки из черного эбонита, ко­торые для отличия от рабо­чих пробок закрашиваются сверху красной крас­кой. Во время эксплуатации аккуму­ляторных батарей применя­ются рабочие пробки, которые имеют в своей конструк­ции предохранительный клапан, обеспечивающий свободный выход газов при нор­мальном положении и не­выливание электролита при наклонах и опрокидывании ба­тареи при эволю­циях самолёта.

На самолётах и вертолётах гражданской авиации в настоящее время использу­ются кислотные аккумуляторные батареи следующих типов:

12-А-30 – авиационный аккумулятор нестартерного типа ёмкостью 30 Ачас –– ис­пользуется, в основном, на самолётах Ан-2 .

12САМ-28 – стартёрный авиационный аккумулятор ёмкостью 28 Ачас – использу­ется на самолётах Ан-24, Ан-26, Ан-30, некоторых сериях Як-18Т, на вертолётах Ми-2, Ми-8Т и Ми-8П.

12САМ-55 – стартёрный авиационный аккумулятор ёмкостью 55 Ачас, в отличие от других состоит из двух полубатарей на напряжение 12 В, соеди­нённых на само-лёте последовательно. До недавнего времени использовался на самолётах Ту-134.

12АСАМ-23 – стартёрный авиационный аккумулятор с абсорбирован­ным элек­тролитом. После заряда батареи из неё выливают свободный элек­тролит, оставляя только электролит, абсорбированный в порах пластин и се­параторов. Благодаря этому исключается возможность пролива электролита при любых манёврах самолёта и возрастает высотность батареи. Использу­ется на легкомоторных самолётах и на Ан-2.

Электрические характеристики кислотных аккумуляторов

Основными электрическими характеристиками аккумуляторов яв­ля­ются:

- электродвижущая сила;

- внутреннее сопротивление;

- напря­жение;

- емкость;

- отдача.

Электродвижущая сила (ЭДС). Величина электродви­жущей силы Е любого химического источника зависит от материала актив­ных веществ электродов и электролита, а также от плотности и темпе­ратуры электролита. Зависимость ЭДС кислотного аккумулятора от плотности электролита достаточно точно выражается эмпирической формулой:

Е= 0,84 + d

Где d — плотность электролита при 15° С, которая в зависимости от степени раз­ряженности аккумулятора и условий его экс­плуатации может изменяться от 1,05 до 1,32 г/куб.см.

При изменении плотности электролита в этих пределах ЭДС од­ного элемента ак­кумуляторной батареи изменяется от 1,89 до 2,16 В.

Влияние температуры на ЭДС кислотного аккумулятора незначитель­но. С изме­нением температуры на 1° ЭДС изменяется на 0,4 мВ, т.е. ЭДС практически не зави­сит от темпера­туры. .

Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопро­тивление аккумуля­тора rвн. складывается из сопротивления электродов (пластин) и сопротивления электролита. Так как сопротивление пластин очень мало, то основная доля внутрен­него сопротивления приходится на сопротивление электролита. Внутреннее сопро­тивление электролита и его плотность сильно зависят от температуры электролита. С понижением температуры вследствие увеличения вязкости элект­ролита и уменьше­ния подвижности ионов внут­реннее сопротивление увеличивается.

При разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается, а вследствие уменьшения концентрации ионов внутреннее сопро­тивление уве­личивается. При за­ряде аккумулятора внутреннее сопро­тивление – уменьша­ется.

Внутреннее сопро­тивление резко увеличивается при разряде большими токами вследствие резкого уменьше­ния плотности электролита около элек­тродов и в по­рах активной массы.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит также от его кон­струкции. Чем больше площадь поверхности пластин, чем больше число па­раллельно включен­ных пластин в одном элементе и чем мень­ше расстояние между пластинами, тем меньше при прочих равных ус­ловиях внутреннее со­противление аккумулятора. Ма­лое внутреннее сопротивление стартёрных аккумуляторных батарей серии САМ по­рядка 0,02 Ом позволяет получить от них большие токи (порядка 750 А) при малых внутренних потерях.

Напряжение. Напряжение U на зажимах аккумулятора отли­чается от ЭДС на величину падения на­пряжения на внутреннем сопротивле­нии аккумулятора:

U = E – I rвн.

где U — напряжение на клеммах аккумулятора;

Е — ЭДС аккумулятора;

I — ток разряда;

rвн. — внутреннее сопротивление аккумулятора.

Из формулы видно, что напряжение при разряде в сильной степени за­висит от величины разрядного тока и от внутреннего сопротивления аккуму­лятора, которое, в свою очередь, зависит от плотности и температуры элек­тролита.

Отсюда следует, что снижение температуры электролита не только увеличивает внут­реннее сопротивление аккумулятора, но и уменьшает его напряжение. Вследст­вие увеличения вязкости электролита уменьшается ско­рость диффу­зии активных веществ и образующаяся, в результате реакции, возле пластин вода не успевает за­меняться свежим электролитом. Это приво­дит к дополнительному уменьшению ЭДС и увеличению внутреннего со­про­тивления, особенно при разряде большими токами.

Во избежание преждевре­менного выхода аккумулято­ра из строя раз­ряд можно производить только до минимально допустимого напря­жения, за­висящего от величи­ны разрядного тока. Если раз­ряд ведется номинальным то­ком, то ко­нечное допусти­мое напряже­ние разряда равно 1,7 В на эле­мент или 20,4 В на батарею из 12 эле­ментов. Если разрядный ток больше но­миналь­ного, то допускается меньшее конеч­ное напряжение, так как в этом случае низкое напряжение обусловлено не израсхо­дованием активных ве­ществ, а большим падением напряжения на внутреннем сопро­тив­лении ак­кумулятора.

Ёмкость аккумулятора. Ёмкостью аккумулятора Q на­зывается ко­личество электричества, которое может отдать исправный полно­стью заряженный аккумулятор при разряде паспортным значением тока до минимально допустимого напряжения. Емкость выражается в амперчасах и может быть определена из выраже­ния

Q = Iпасп. tразр.

где Iпасп. — паспортный ток разряда, определённый изготовителем, при кото­ром допускается разряд аккумуляторной батареи до 20,4 В;

tразр. — время разряда.

Величина разрядного тока оказывают особенно сильное влияние на емкость ак­кумулятора. С увеличением разрядного тока электрохимические реакции в аккумуля­торе протекают более интенсивно и выделяющаяся в по­рах активной массы вода не успевает замещаться свежим электролитом. В ре­зультате разряд идет в основном по поверх­ности пластин и образующийся сульфат свинца закрывает поры, вы­ключая из работы внутренние слои актив­ной массы.

К снижению ёмкости приводит и понижение температуры электро­лита: вследст­вие увеличения вязко­сти диффузия электро­лита в поры активной массы замедляется и внутренние слои оказываются выключенными из реак­ции разряда.

Так как в зависимости от условий и режима разряда ёмкость мо­жет меняться в широких пределах, то для сравнения величины ёмкости различ­ных аккумуляторов введено понятие номинальной ёмкости — емкости, га­рантируемой заводом изго­товителем при определенном ре­жиме разряда За номинальную принимают ёмкость, которую отдает полностью заряженный аккумулятор при разряде номинальным то­ком до напряжения 1,7 В на эле­мент (20,4 В на батарею) при тем­пературе элек­тролита 25°С и давлении 760 мм рт.ст.

Отдача аккумулятора. Различают отдачу аккуму­лятора по емкости и по энергии.

Отдачей аккумулятора по ёмкости называется отношение раз­рядной ем­кости к зарядной:

ήQ =

то есть отношение количества электричества, снятого с аккумулятора при раз­ряде к количеству электричества, подведённому к аккумулятору при его заряде.

Отдачей по энергии называется отношение энергии, полученной от аккумуля­тора при его разряде, к количеству энергии, затраченной при его заряде:

ήА = = . = ήQ

Ввиду того, что при заряде и разряде всегда присутствуют потери на нагрев, разложение воды и др., величины отдачи по ёмкости и энергии все­гда меньше еди­ницы. Таким образом отдача аккумулятора является анало­гом КПД для других уст­ройств.

Основные данные аккумуляторных батарей 12САМ-28:

ЭДС……………………………………25,5÷26 В

U не менее………………..…………...24 В

Q при токе 5,6 А .…………………….28 Ач

I разряда максимальный ……………750 А

Отдача по ёмкости…………………...85÷90 %

Отдача по энергии……………………65÷75%

Масса………………………………….28,5 кг

Основные недостатки кислотных аккумуляторов

1. Большая масса батареи ввиду использования свинца.

2. Боязнь ударов ввиду хрупкого эбонитового корпуса.

3. Боязнь вибрации ввиду возможного осыпания активной массы.

4. Боязнь коротких замыканий во внешней цепи ввиду малого внут­реннего со­противления. При этом Iкз ≥ 1200 А.

5. Невозможность хранения в разряженном или частично разряженном состоя­нии ввиду вредной сульфатации пластин.

Основные неисправности кислотных аккумуляторов

1.Вредная сульфатация пластин.

При разряде аккумулятора на пластинах образуется сульфат свинца, имеющий мелкокристаллическую структуру. При заряде аккумулятора сульфат свинца разла­гается, переходя в исходное состояние. Это – нормаль­ная сульфатация пластин.

Под вредной сульфатацией понимают образование относительно крупных кри­сталлов сульфата свинца в толще и на поверхности активной массы пластин, кото­рые при заряде не переходят в первоначальное состоя­ние.

Причинами вредной сульфатации являются:

- длительное хранение аккумуляторной батареи в разряженном или частично разряженном состоянии;

- повышенная плотность электролита;

- частые разряды ниже минимально допустимого напряжения;

- частые недозаряды;

- злоупотребление большими разрядными токами.

Признаки вредной сульфатации:

- быстрый заряд и разряд аккумулятора;

- отсутствие или медленный рост плотности электролита при заряде;

- быстрое «закипание» электролита при заряде;

- быстрое и резкое падение напряжения при разряде;

- малая ёмкость аккумулятора.

2.Внутреннее короткое замыкание.

Внутреннее короткое замыкание – это со­единение положительных и отрица­тельных пластин внутри корпуса аккумулятора. Внутреннее КЗ мо­жет произойти вследствие повреждения сепаратора, накопления осыпав­шей­ся активной массы на дне элемента, или вследствие попадания внутрь постороннего токопроводящего предмета (напр. куска провода).

Короткозамкнутый элемент можно определить по падению напряже­ния на нём, по пониженной плотности электролита, по отсутствию на нём газовыделения.

3. Ускоренный саморазряд.

Ускоренный саморазряд вызывается , как правило, протеканием элек­трического тока по наружной поверхности аккумуляторной батареи вслед­ствие наличия на корпусе электролита, влаги и грязи.

Если при нормальном саморазряде за сутки аккумуляторная батарея теряет от 0,5 до1,0 % от своей ёмкости, то при ускоренном саморазряде ба­тарея может пол­ностью разрядиться за сутки.

В силу всех перечисленных недостатков кислотных аккумуляторов на самолётах гражданской авиации за последние 10 ÷20 лет произошёл посте­пенный переход на щелочные аккумуляторы.