История электротехники

Впоследствии коллекторные генераторы были заменены на бесколлекторные. В развитии оборудования летательных аппаратов наметилась устойчивая тенденция к использованию электрической энергии переменного тока. В этой связи в энергетическую систему потребовалось включить преобразователи постоянного тока в переменный.

Дальнейший рост потребления электроэнергии начал сдерживаться значительным увеличением массы как самих источников электроэнергии, так и систем ее распределения.

Эффективным способом уменьшения массы электрооборудования, как известно, является переход на более высокий уровень напряжения. Вместе с тем повышение уровня напряжения сдерживается наличием коллектора, ухудшением условий коммутации, особенно на больших высотах полета.

Таким образом, назрела необходимость перевода электроэнергетической системы самолета с постоянного тока на переменный как основной вид электроэнергии. Этому переходу предшествовало применение генераторов переменного тока, в основном однофазных, для питания мощных радиолокационных установок.

В конце 40-х и начале 50-х годов во всем мире и в нашей стране велись интенсивные работы по разработке и внедрению электроэнергетических систем переменного тока. Однако внедрение переменного тока на борту летательного аппарата натолкнулось на целый ряд трудностей, основной из которых является осуществление параллельной работы генераторов переменного тока. Известно, что параллельная работа электрических генераторов постоянного тока может быть реализована при различных частотах их вращения. Условием параллельной работы генераторов переменного тока является их синфазная работа, что не может быть обеспечено в реальных условиях полета.

Первой попыткой обойти это противоречие было создание принципиально новой системы параллельной работы синхронных генераторов, установленных непосредственно на авиадвигателях и снабженных комбинированной муфтой. Эта разработка была выполнена в 1954 г. коллективом под руководством А.Ф. Федосеева и внедрена на самолетах-заправщиках генерального конструктора В.М. Мясищева.

Комбинированная муфта представляла собой сочетание фрикционной пары и обгонного устройства. В зависимости от режима работы энергосистемы в действие приводилась либо фрикционная, либо обгонная муфта, и, таким образом, независимо от частот вращения авиационных двигателей условия параллельной работы генераторов не нарушались. В системе также была предусмотрена автоматическая регулировка частоты вращения авиационного двигателя, обеспечивающая малые скольжения роторов генераторов одного относительно другого.

Следующим этапом внедрения переменного тока на самолетах было использование в качестве промежуточного звена между генератором и двигателем привода постоянной скорости, назначение которого состояло в преобразовании переменной частоты вращения авиационного двигателя в постоянную частоту вращения генератора.

Постепенно к середине 70-х годов сложилась типовая структура системы электроснабжения многомоторного самолета. Система включает синхронный генератор, установленный на гидропривод, трансформаторно-выпрямительные устройства для питания потребителей постоянного тока, управляемые выпрямительные блоки для подзарядки аккумуляторов, а также аппаратуру управления, защиты и регулирования.

На протяжении всей истории развития авиационной электротехники велись интенсивные работы по снижению массы электрооборудования. На ранних стадиях в электрических генераторах постоянного и переменного тока использовались воздушные системы охлаждения. В конце 60-х годов были разработаны синхронные генераторы с жидкостной циркуляционной системой охлаждения. При этом было достигнуто снижение удельной массы с 1 до 0,7 кг/кВт. Применение систем с непосредственным жидкостным охлаждением дало снижение удельной массы до 0,3 кг/кВт.

Одновременно происходило непрерывное совершенствование аппаратуры регулирования, защиты и управления. На смену вибрационным регуляторам напряжения пришли угольные регуляторы.

Достижения смежных отраслей промышленности, в частности электронной, использовались при разработке новых поколений аппаратуры, входящей в состав различных систем самолетного электротехнического оборудования. Начиная с середины 60-х годов получили широкое внедрение в электротехнические комплексы изделия, выполненные на базе полупроводниковой технологии. Во всем мире, в том числе и в нашей стране, велись и ведутся поиски путей решения проблемы построения систем электроснабжения самолета, в которых генераторы устанавливаются непосредственно на авиационные двигатели, а стабилизация частоты осуществляется полупроводниковыми преобразователями частоты.

В 1977 г. группой ученых и специалистов различных отраслей промышленности были проведены исследования для определения возможных направлений дальнейшего развития методов генерирования электроэнергии и оценки возможностей использования новых физических явлений и принципов получения электрической энергии для питания бортовых систем летательных аппаратов. Была предложена следующая классификация авиационных электротехнических комплексов:

АЭК постоянного тока;

АЭК переменного тока нестабильной частоты;

АЭК переменного тока стабильной частоты;

АЭК с источниками электроэнергии нетрадиционного типа.

В частности, предполагалось до конца 2000 г. в качестве основной применять систему переменного тока с гидроприводом. Последние десятилетия подтвердили этот прогноз.

Большое внимание было уделено снижению массы элементов энергосистемы. В этой части достигнут немалый прогресс. За счет интеграции генератора в конструкцию гидропривода удалось существенно снизить удельную массу всего агрегата до — 1 кг/кВт. Под интеграцией имеется в виду объединение элементов генератора и привода — подшипников, силовых элементов конструкции, системы охлаждения и т.д.

Промышленностью проводятся работы по созданию высокоскоростных электрических машин (до 24 000 об/мин). В связи с наметившейся тенденцией использования криогенных топлив открывается перспектива использования этого вида топлива в качестве хладагента. Цикл работ по этой проблеме проведен кафедрой электрических машин Московского авиационного института (МАИ).

Выполнен большой объем работ по созданию специальной коммутационной аппаратуры. Выпускаются аппараты для коммутации тока от 0,1 до 1000 А. К настоящему времени заводами поставляется более 100 типов реле и контакторов, в том числе герметичных.

Важным этапом в развитии самолетных электрических систем являлось создание пикирующего бомбардировщика ПЕ-2. На этом самолете впервые в истории отечественной авиации широкое применение получил электропривод.

Еще большее применение электропривод получил на самолете, конструкции А.Н. Туполева (ТУ-4), где впервые была реализована синхронно следящая система для управления стрелковым оружием и применен электропривод шасси повышенной надежности. Этот тип привода по своим характеристикам превосходил зарубежные образцы. В его состав входили два электрических двигателя, соединенных через дифференциальный редуктор с выходным валом. В нем удачно использовано свойство дифференциала при отказе одного из двигателей изменять частоту вращения электромеханизма при неизменном моменте вращения.

Электропривод обслуживал практически все основные самолетные системы. В середине 50-х и начале 60-х годов были созданы электромеханизмы для управления поворотом закрылков, стабилизатором, триммерами. Большое количество электромеханизмов используется в топливных и гидравлических системах: механизмы закрытия и перекрытия топливных кранов, приводы топливных насосов. Электропривод широко используется в радиотехнических системах в качестве привода антенн, а также в системах вооружения и специальных системах.

Электропривод получил большое развитие в связи с появлением транспортной и военно-транспортной авиации. Для механизации погрузочно-разгрузочных работ на этих самолетах используются электролебедки.

Появление на борту летательных аппаратов большого числа энергоемких потребителей электрической энергии повлекло за собой значительный рост установленной мощности. Так, например, на борту самолета АН-22 установлено четыре генератора мощностью 120 кВ∙А каждый, на самолете ТУ-144 — четыре генератора переменного тока мощностью 60 кВ∙А каждый, на самолете ИЛ-96–300 — четыре генератора мощностью 60 кВ∙А каждый и на самолете ТУ-204 — два генератора мощностью 90 кВ∙А каждый.