Электропривод летательных аппаратов
| Вид материала | Документы |
- Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 07. 02 «проектирование,, 170.96kb.
- Содержание. Цели и задачи. 3 Актуальность. 3 Новизна., 370.71kb.
- Авиамеханик, 2316.59kb.
- Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих выпуск 22 раздел, 3485.85kb.
- Этапы развития кафедры, 281.09kb.
- Лекция №1 (09. 02. 09), 134.2kb.
- Рабочая программа по дисциплине б высшая математика (шифр и название дисциплины), 775.37kb.
- Рабочая программа профессионального модуля, 567.99kb.
- Дроздова А. В. Эл-13-06 Вопросы по курсу «Конструирования устройств электрооборудования, 5.64kb.
- Выбор рациональных параметров конструкции опор газотурбинных двигателей с межроторными, 218.67kb.
Раздел 1. Электропривод летательных аппаратов. Общие сведения
1.1. Цель курса
На современных ЛА имеется большое число различных исполнительных механизмов и агрегатов, работа которых связана с затратами механической энергии. В качестве источников механической энергии используются электрические, гидравлические и пневматические приводы. Целью настоящего курса является ознакомление с особенностями различных типов электроприводов с учетом области применения (ЛА).
1.2. Место электропривода в составе ЛА
 Рис.1. Место электропривода в составе электрооборудования ЛА | Электрооборудование ЛА – это совокупность систем и устройств, предназначенных для получения, распределения и использования электроэнергии на борту ЛА. ЭЛА включает в себя три группы устройств: 1) Систему электроснабжения (включает в себя устройства для производства и преобразования электроэнергии – генераторы, преобразователи, аккумуляторы, регуляторы напряжения и частоты, аппараты защиты). 2) Систему передачи и распределения электрической энергии (включает в себя бортовую электросеть, распределительные устройства, коммутационную и защитную аппаратуру). 3) Приемники (потребители) электрической энергии. |
Основными потребителями электроэнергии на борту ЛА являются [13]:
Электрический привод, потребляет около 33% электроэнергии [13]; привода – до 80% [20].
Системы электрического обогрева и противообледенители.
Автоматическое, приборное и радиооборудование.
Осветительное и светосигнальное оборудование.
На борту тяжелого самолета находится около 200 электромеханизмов, причем подавляющее число (90%) – маломощные до 100 Вт [21].
Статистические данные по электромеханизмам на самолетах [20]
| ЛА | Ил-62 | Ан-22 | Як-40 | Ту-144 | Ту-134 | Ту-154 | Ми-6 | КА-25 |
| Типов | 15 | 22 | 5 | 16 | 10 | 12 | 8 | 8 |
| Всего | 68 | 106 | 19 | 80 | 35 | 60 | 26 | 17 |
1.3. Базовая функциональная схема электропривода
Рис.2. Базовая функциональная схема ЭП
Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа механизма, управления его движением по заданному закону и состоящую в общем случае из:
1) устройства, преобразующего электрическую энергию в механическую - электродвигателя ЭД;
2) устройства, служащего для преобразования и передачи механической энергии к исполнительному механизму (редуктор, муфты) – механическая передача МП;
3) регулятора или преобразователя электрической энергии, поступающей к электродвигателю ПЭЭ;
4) системы управления УУ, осуществляющей заданный закон движения механизма и обеспечивающей оптимизацию процесса преобразования энергии в электродвигателе по заданному критерию путем воздействия на регулятор.
Питание электропривода осуществляется от источника электрической энергии ИЭЭ. На ЛА в качестве ИЭЭ служат электрогенераторы, химические источники питания, включая аккумуляторы, на космических аппаратах - солнечные батареи, ядерные источники питания [20].
Выходная энергия электропривода поступает на нагрузку Н, которую будем называть исполнительным механизмом ИМ или приводимым агрегатом. Функционирование исполнительного механизма связано с движением отдельных органов и звеньев, то есть с затратой механической энергии, источником которой является электропривод.
Электропривод включает в себя два канала: силовой канал и канал управления. Силовой канал является энергетическим каналом: по нему передается преобразуемая энергия для приведения в движение исполнительного механизма. Канал управления – это канал передачи управляющей информации и информации о функциональном и техническом состоянии элементов электропривода.
В приведенной функциональной схеме все устройства, входящие в состав электропривода, разделены на четыре блока, каждый из которых выполняет определенную задачу. В различных ЭП наполнение каждого блока различное, а в некоторых исполнениях отдельные элементы могут отсутствовать. В простейшем случае электропривод может состоять, например, из выключателя и электродвигателя, связанного непосредственно с приводимым в движение агрегатом.
Выделим два типа самолетного электропривода [5].
1. Электродвигательные агрегаты, состоящие из исполнительного механизма и встроенных в него (или собранных с ним заодно) электродвигателя и системы передачи движения исполнительному механизму.
2. Электромеханизмы, состоящие только из элементов, относящихся к приводу: электродвигателя и системы передач движения от него. Они отличаются тем, что поставляются на сборку самолета без исполнительного элемента.
1.4. Классификация электроприводов
Одним из классификационных признаков электроприводов является область их применения
(см. Дополнение 1 к Разделу 1). Перечислим ряд других классификационных признаков.
1) По виду двигателя.
1.1 Электродвигательный привод
1.2. Электромагнитный привод на базе электромагнитов
- постоянного тока;
- переменного тока.
В авиационных силовых электромагнитных приводах в подавляющем большинстве случаев используются электромагниты постоянного тока [10].
Достоинства электромагнитного привода:
- большое значение создаваемого начального и конечного усилия [5] (до сотен ньютонов);
- высокое быстродействие [5]. Время срабатывания электромагнитного привода может быть менее 0,01...0,02 с [10].
- простота конструкции и малые габариты [5];
- отсутствие вращающихся и контактных устройств, снижающих надежность [5].
Недостатки:
- малая величина перемещения исполнительного механизма, обеспечиваемая электромагнитным приводом [10];
- невозможность регулирования скорости перемещения якоря [5];
- сложность реверсирования и фиксирования промежуточных положений [5];
- значительная масса и потребляемая мощность для преодоления больших усилий [5].
Электромагнитный привод применяется для привода ИМ, имеющих прямолинейное движение рабочего органа, малое перемещение, требующих мгновенного срабатывания, работающих по принципу «включено-выключено». Это механизмы полного открытия или закрытия (замки, защелки, краны – топливные, а также гидравлических, пневматических и противопожарных систем, тормоза, спуски баков) [5].
2) По назначению.
2.1. Силовые электроприводы, выполняющие основную функцию электрофицированного исполнительного агрегата.
2.2. Вспомогательные электроприводы, выполняющие вспомогательную функцию.
3) По роду тока [4].
- постоянного тока
а) 27В.
б) 270В (получаем после выпрямления переменного напряжения).
- переменного тока:
а) однофазная и трехфазная 115В/200В 400 Гц и 1000 Гц (действ.значение фазного и линейного напряжения).
б) трехфазная 36В 400 Гц и 1000 Гц (вторичные системы малой мощности, в частности для питания навигационных приборов. Получают путем трансформирования [5]).
в) однофазная 27 и 6 В (вторичные системы малой мощности; потребителями, в частности, являются осветительные приборы, кухонное оборудование и т.д. Получают путем трансформирования [5])
г) также ГОСТ 21128-83 допускается однофазное питание напряжением 200 В и частотой 6000Гц [9].
При повышенном уровне напряжения масса электрооборудования становится меньше, так как при тех же мощностях величина тока становится меньше, а значит, меньшими могут выбираться сечения проводов. Однако, при этом ухудшаются условия коммутации в ЭМ и ЭА. Проблемы коммутации в сетях переменного тока нет, так как в машинах переменного тока отсутствует щеточно-коллекторный узел, а разрыв цепи в ЭА происходит в момент перехода напряжения через нулевое значение.
Поэтому при значительной общей мощности источников питания, большой протяженности электросети, большой высоте полета (при которой ЭМ переменного тока более надежны) применяется переменный ток повышенного напряжения.
Отметим, что системы электроснабжения характеризуются другими стандартными уровнями напряжения, например: 28,5 В (пост) и 120/208 В (перем). Приведенные выше цифры соответствуют значениям напряжений на клеммах потребителей. Разница напряжений учитывает потери в сети.
4) По типу электродвигателя.
- коллекторные двигатели постоянного тока с возбуждением:
--- независимым,
--- последовательным,
--- параллельным,
--- смешанным
--- от постоянных магнитов;
- вентильные двигатели;
- асинхронные двигатели;
- синхронные двигатели;
- гистерезисные двигатели.
5) По режиму работы.
Разделение на режимы производится на основе теплового состояния электродвигателя.
5.1. Длительный (продолжительный) – S1.
При длительном режиме перегрев ЭД достигает установившегося уровня.
На ЛА с таким режимом работают, например, гироскопы, насосы, нагнетатели воздуха для герметичных кабин [3].
5.2. Кратковременный – S2.
При кратковременном режиме работы за время включения ЭД не успевает нагреться до установившегося уровня, а при выключенном – температура ЭД успевает снизиться до температуры окружающей среды. Серийные электродвигатели, работающие в кратковременном режиме, проектируются на стандартизированную (15,30,60,90 мин [11]) длительность работы, для которой и указываются в каталогах их номинальные данные. Реальная длительность работы электродвигателей на ЛА, работающих в этом режиме, составляет от нескольких секунд до 1-2 минут [3].
В кратковременном режиме работают, например, ЭП шасси, посадочных щитков, стабилизаторов, выдвижных фар и т.п.
5.3. Повторно-кратковременный – S3.
При повторно-кратковременном режиме ЭД за время включения не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время выключения не успевает остыть до температуры окружающей среды. Температура ЭД постепенно повышается, достигая значения, соответствующего средним потерям.
ПКР характеризуется продолжительностью включения (ПВ) – отношением включенного состояния ко времени цикла. Стандартизированные значения ПВ составляют 15, 25, 40, 60 [11]. Для многих механизмов ЛА, работающих в ПКР, стандартная относительная продолжительность включения за период полета составляет 10% при длительности всего цикла (вкл+выкл) 10 минут. Для механизмов рулей продолжительность включения равна 1-7%. После 2-5 циклов назначается перерыв в 0,5-10 мин или до полного охлаждения [5].
На ЛА в повторно-кратковременном режиме работают механизмы жалюзи водяных радиаторов, триммеров руля высоты, лопастей винтов изменяемого шага, пулеметных и пушечных турелей и др [20].
Наибольшее применение в самолетном электроприводе находят двигатели повторно-кратковременного и кратковременного режимов [3].
При повторно-кратковременном и кратковременном режимах возможно допускать в обмотках электродвигателей значительно большие плотности тока, чем при длительном режиме (до 30 А/мм2 , в то время как в обычных ЭМ она не превышает 5-6 А/мм2) [3].
5.4. Режимы S4-S8. Повторно-кратковременные с особыми условиями пуска и торможения
6) По системе передачи движения от электродвигателя к исполнительному механизму.
6.1. Электромеханический привод (через редуктор).
6.2. Электрогидравлический привод.
6.3. Электропневматический привод.
7) По способу управления.
7.1. С ручным управлением.
7.2. С полуавтоматическим управлением.
7.3. С автоматическим управлением.
В ручном и полуавтоматическом управлении участвует оператор – один из членов экипажа ЛА. При автоматическом управлении роль оператора выполняют датчики управления или задающие устройства. Полуавтоматическое и автоматическое управление является наиболее распространенным на ЛА.
8) По структурной схеме.
8.1. Разомкнутый.
8.2. Замкнутый.
8.3. Комбинированный.
9) По типу передаточных устройств.
9.1. Редукторный.
Передаточное устройство ЭП содержит редуктор
9.2. Безредукторный.
В передаточном устройстве отсутствует редуктор
К созданию безредукторных электроприводов привело стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов. По сравнению с редукторными безредукторные электроприводы обладают большей надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении [15]. Особенно это важно для сложных систем автоматического управления технологическими установками, к которым предъявляются жесткие требования по качеству управляемого механического движения. Для таких систем неравномерность хода, упругость и люфт редуктора препятствует улучшению точностных характеристик, а повышенный его износ приводит к потере точности и уменьшению срока службы, ограничивает возможности увеличения быстродействия устройства [18].
9.3. Электрогидравлический привод
Имеет гидравлическое передаточное устройство [22].
10) По виду движения.
10.1. Вращательный.
В составе ЭП используется вращательный электродвигатель
10.2. Поступательный.
В составе ЭП используется линейный электродвигатель
Наиболее распространено вращательное движение, используемое в электроприводах насосов, вентиляторов, подъемных механизмов, лентопротяжных устройствах, гироскопах и т.д.
Поступательное (линейное) перемещение используется в различных механизмах управления геометрией крыла самолета – закрылках, триммерах и т.д).
Отметим, что у машин с вращательным движением постоянная времени на порядок выше, чем у машин с поступательным движением [20].
11) По направлению вращения
11.1. Реверсивный
Обеспечивает движение выходного вала в обоих направлениях
11.2. Нереверсивный.
Имеет только одно направление движения выходного вала
12) По характеру изменения параметров.
12.1.Нерегулируемый ЭП.
Параметры нерегулируемого ЭП изменяются только в результате возмущающих воздействий.
В нерегулируемом приводе все управление двигателем сводится к его подключению и отключению от сети. Пример такого ЭП – привод вентилятора или насоса.
12.2. Регулируемый ЭП.
Параметры регулируемого ЭП могут изменяться под воздействием управляющего устройства.
Регулирование применяется в приводах пушечных турелей, грузовых лебедок, топливных насосов, в следящих приводах [2].
13) По роду задач регулирования.
13.1. Со стабилизацией параметров.
Служит для поддержания какого-либо параметра на заданном уровне. Стабилизация скорости вращения требуется в механизмах лентопротяжных устройств, электромашинных преобразователях постоянного тока в переменный [+2], в электродвигательных реле времени [2]. Для механизмов гироскопов [2] требуется стабилизация целого ряда параметров: момента, частоты вращения, положения ротора, тока, магнитного состояния двигателя, тепловых параметров двигателя [5].
13.2. Программно-управляемый ЭП.
Служит для изменения того или иного параметра по заранее заданной программе.
13.3. Следящий ЭП.
Отрабатывает изменение выходного параметра в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом.
13.4. Адаптивный ЭП.
Автоматически избирает структуру или параметры системы регулирования при изменении условий работы [22].
14) По количеству исполнительных механизмов, приходящихся на один двигатель [5].
14.1. Групповой.
ЭД приводит в движение два или более механизма: например, левую и правую части рулей высоты или элеронов; интерцепторы; секции закрылков или предкрылков. Групповой привод обеспечивает строгую синхронность перемещения приводимых ИМ, позволяет получить экономию в массе, площади и затрачиваемой мощности (за счет уменьшения числа ЭД). Недостаток проявляется при больших расстояниях между работающими синхронно агрегатами, когда механические связи между ними становятся громоздкими.
14.2. Индивидуальный.
Обеспечивает движение одного исполнительного органа рабочей машины. При необходимости синхронность перемещения достигается электрическими методами.
14.3. Многодвигательный.
На один общий вал работают несколько электродвигателей [22].
1.5. Условия работы электропривода ЛА
Специфичность условий работы ЭП ЛА, как и всего электрооборудования ЛА, определяется широким изменением параметров окружающей среды, обусловленным как различной высотой полета, так и временем года и климатической зоной, в которых происходит эксплуатация ЛА.
Характер изменения параметров окружающей среды с ростом высоты различен для разных широт, времен года, для суши и моря. Для проведения расчетов самолетных систем были введены усредненные характеристики атмосферы - параметры так называемой международной стандартной атмосферы (ГОСТ 4401-73).
Наиболее значимыми с позиций влияния на электропривод ЛА являются следующие условия работы:
1. Широкий диапазон изменения температуры окружающей среды от –60С до +50С.
Характер изменения температуры окружающей среды в зависимости от высоты над уровнем моря сложен и неоднозначен.
В тропосфере (до высоты 11 км) температура убывает в среднем на 6,5С на 1 км (характер изменения температуры обусловлен тем, что нагрев воздуха осуществляется в основном отраженными от земной поверхности солнечными лучами).
В стратосфере (до высоты 30-35 км) температура постоянна и равна –56,5С, затем повышается и на высоте 50-55 км доходит до +75С (около 0?), что обусловлено повышенным содержанием озона, который обладает способностью поглощать ультрафиолетовое излучение. На еще больших высотах температура вновь понижается вследствие уменьшения содержания озона в атмосфере. На высоте 82-83 км температура воздуха достигает -35С [6].
На высотах более 90 км температура повышается достигая 1300К на высоте 300-400 км, и продолжает расти с высотой до 2000-3000К. Однако, вследствие сильной разреженности воздуха физическое понятие температуры среды в термосфере носит условный характер. Температура определяется кинетической энергией частиц (скоростью движения молекул). В космосе на больших высотах температура принимается равной 0К. Вследствие малой плотности газа на больших высотах эти температуры на работу электрооборудования не влияют [24].
Также влияние на температуру частей обшивки самолета и температуру воздуха, который через воздухозаборник подается для охлаждения машин с продувом, вносит аэродинамический нагрев (вызванный адиабатическим сжатием воздуха в пограничном слое), зависящий от скорости полета. При скорости 2500 км/ч температура обшивки достигает +130С, а в ряде случаев и до 400С [4].
При размещении оборудования в непосредственной близости от авиадвигателей температура воздуха будет еще выше и определяется характеристиками силовых установок. При размещении оборудования в гермоотсеках в кабинах экипажа температура окружающей среды будет соответствовать условиям в отсеках и кабинах [4].
Отметим, что общие температурные условия определяет также и тепловое излучение соседних агрегатов и тепло, связанное с потерями самого агрегата.
В космосе температура тела определяется не окружающей средой, а лучистым равновесием, т.е. количеством поглощаемой и излучаемой энергии [24].
Изменение температуры агрегата, вызванное изменением температуры окружающей среды и выделением потерь агрегата при его работе, влечет изменение свойств материалов и, как следствие, может привести к изменению свойств агрегата в целом.
Выделим следующие негативные воздействия температуры:
а) Изменение линейных размеров деталей агрегатов.
Вследствие температурных колебаний линейных размеров деталей в конструкции могут возникать внутренние напряжения.
Изменение зазоров в сопрягаемых деталях
ΔА = D*(α1- α2)*(T-T0),
где D – номинальный размер сопряжения, α1 и α2 – коэффициенты теплового линейного расширения сопрягаемых деталей, Т0 – исходная температура, при которой собран узел, ºС; Т – температура, для которой определяется изменение зазора, ºС [5].
Коэффициенты теплового расширения в диапазоне температур от -20 ºС до +80 ºС имеют следующие значения: для чугуна α=10,4*10-6 1/ºС, для стали α=12*10-6 1/ºС, для меди α=17*10-6 1/ºС, для бронзы α=18*10-6 1/ºС, для латуни α=19*10-6 1/ºС, для алюминия α=24*10-6 1/ºС [7].
Колебания величины зазоров создают периодические прослабления и натяги, что способствует увеличению трения в подшипниках и разрушению деталей [5].
б) Изменение свойств смазочных материалов.
При снижении температуры смазка густеет и вследствие этого увеличивается момент сопротивления.
При температуре свыше 150˚С также ухудшается смазка подшипников [29].
в) Изменение свойств диэлектриков.
При повышении температуры свойства диэлектриков ухудшаются.
г) Изменение свойств конденсаторов.
Изменение температуры на 20С влечет изменение емкости бумажных конденсаторов на 5-8%, а слюдяных на 1-1,5% [5].
д) Изменение свойств проводников
При изменении температуры изменяется сопротивление проводников. При температуре Т сопротивление проводника:
RТ = R0*(1+ α*(Т-Т0)),
где α – температурный коэффициент сопротивления, R0 – сопротивление проводника при температуре Т0 (20 ºС).
Для меди температурный коэффициент сопротивления α=0,0043 1/ ºС, для алюминия α=0,0042 1/ ºС, для золота α=0,004 1/ ºС.
При изменении температуры с -50С до +100С сопротивление медного провода увеличится почти в 2 раза [5].
е) Ограничения по температуре для полупроводников.
Германиевый диод теряет свои выпрямляющие свойства при температуре +100С, а кремниевый – при +250-300С [5].
ж) Изменение свойств магнитов.
При изменении температуры изменяются значения остаточной индукции и коэрцитивной силы
ВТ = В0*(1+ 0.01*α*(Т-Т0)),
НсТ = Нс0*(1+ 0.01*α*(Т-Т0))
Для альнико (сплав Fe - Ni - Al – Со) α=-0,02 %/ ºС, для ферритов α=-0,2 %/ ºС, для сплавов самарий-кобальт α=- 0,035 %/ ºС, для магнитов из сплава Nd-Fe-B α=-0,07...0,13 %/ ºС.
Отметим, что магниты тех или иных марок недопустимо использовать при температуре выше определенного значения. Например, для магнитов, изготавливаемых из сплава Nd-Ge-B, максимальная рабочая температура (в зависимости от марки магнита) составляет от 80 до 240 ºС.
з) Магнитные свойства сталей в пределах рабочего диапазона температур изменяются незначительно.
Вообще:
У стали Э31 (1411) индукция насыщения кривой намагничивания снижается на 20-22% при нагреве до +600 ºС. Нагрев до "температуры Кюри" (для железа примерно - 750 ºС) может привести к полной потере ферромагнитных свойств материала [29].
и) Значительное ухудшение свойств щеток и процессов коммутации (при температурах более 220-250˚С), поскольку заметное снижение сопротивления переходного контакта в этом случае увеличивает ток в короткозамкнутой секции и повышает искрение на коллекторе [29].
к) Влияние температуры на свойства аккумуляторов.