История электротехники - Коллектив авторов

В связи с тем, что электропривод, как правило, обслуживает системы, к которым предъявляются требования высокой надежности, собственные показатели надежности электропривода также должны быть достаточно высокими.

Одной из причин широкого применения на самолете системы электроснабжения переменного тока являлось использование бесконтактных асинхронных двигателей. Вместе с тем асинхронный электродвигатель имеет существенный недостаток — малый пусковой момент.

За последнее десятилетие много внимания уделялось разработке бесконтактных вентильных двигателей, в которых используется магнитоэлектрическая машина с самарий-кобальтовыми магнитами, имеющими высокую удельную энергию. Этот новый класс электрических машин получил развитие благодаря появлению малогабаритных управляемых полупроводниковых приборов.

Важным этапом в развитии электрооборудования для авиации явилось создание в 1957 г. сверхзвукового стратегического бомбардировщика М-50 конструкции В.Н. Мясищева. На этом самолете впервые в мире была реализована электрическая дистанционная система управления всеми органами управления самолета, впоследствии получившая название «электрическая проводка». С учетом важности выполняемых функций, а следовательно, для обеспечения высоких требований по надежности, в системе был использован принцип троирования. В этих системах в широком масштабе были применены полупроводниковые приборы в устройствах управления.

Для управления сектором газа авиационных двигателей на самолетах серии СУ была применена дистанционная система, в которой использовалось специальное логическое устройство, определяющее неисправность в системе и производящее автоматическое переключение на резервные каналы.

За последние десятилетия наметилась тенденция к широкому применению в системах электрооборудования различных средств вычислительной техники, в том числе бортовых вычислительных машин (БЦВМ), при решении самых разнообразных задач управления и регулирования. Как показали исследования, применение БЦВМ в задачах регулирования режимов в электротехнических системах позволяет значительно повысить качество электроэнергии: в несколько раз сокращается длительность переходного процесса, уменьшается значение перерегулирования, появляется возможность организации более рациональных структур систем, устойчивых к отказам и внешним воздействиям, и существенного уменьшения их массы.

Примером может служить применение на самолете мультиплексных систем управления потребителями электроэнергии.

В середине 70-х годов в связи с появлением на борту летательного аппарата новых типов радиоэлектронного оборудования возникла необходимость генерирования электрической энергии большей мощности — от нескольких мегаватт до сотен мегаватт.

В опытно-конструкторских организациях и научных центрах были проведены исследования различных источников получения такой энергии (электромеханические генераторы; накопители электрической энергии; МГД-генераторы).

В качестве электромеханического генератора был использован синхронный бесконтактный генератор с электромагнитным возбуждением, воздушным охлаждением и кратковременным режимом работы (до 100 с). Благодаря тепловой инерции генератора температура элементов за время работы не достигала предельных значений, что позволяло снизить его удельную массу до 0,2 кг/кВт.

Под руководством Д.А. Бута на кафедре электрических машин в МАИ проведены теоретические исследования возможностей использования в качестве мощного источника электроэнергии МГД-генераторов и различных видов накопителей электроэнергии.

В конце 70-х годов за рубежом и в нашей стране рассматривалась концепция единой электроэнергетической системы, суть которой заключалась в следующем.

На существующих типах самолетов используются в основном два вида энергии — электрическая и гидравлическая. Обе системы соизмеримы как по количеству генерируемой энергии, так и по протяженности систем распределения. Очевидно, что наличие на летательном аппарате двух различных систем, имеющих во многом одинаковое назначение, вызывает определенные трудности в эксплуатации, организации структур, усложняет проведение мероприятий по их модернизации. Появление всережимных самолетов обусловило применение специальных устройств в виде демпферов, гидравлических агрегатов, управляемых по заданным законам электроавтоматикой. Появились смешанные системы управления, получившие название электрогидравлических систем.

Вместе с тем гидравлические системы, выполняющие, как правило, функции приводов органов управления самолетом, в принципе могут быть заменены соответствующими электрическими приводами.

Сравнение основных параметров гидропривода и электропривода показывает, что электропривод уступает гидроприводу по удельной массе и быстродействию.

Существенное преимущество электрическая система по отношению к гидравлической имеет в эксплуатационных затратах, органичном сочетании электроавтоматики и собственно привода.

Перспектива использования полностью электрической системы связана с применением нового типа высокоскоростного электропривода на базе вентильного двигателя с постоянными магнитами высокой энергии.

8.4.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)

Энергетические установки КА. Темпы освоения космического пространства в значительной степени определяются развитием автономных источников электропитания разнообразных космических аппаратов и в перспективе стационарных станций на поверхностях Луны, Марса и других планет [8.37–8.43].

Уровень требуемой электрической мощности непрерывно повышается и в ближайшее десятилетие может достигнуть нескольких мегаватт при длительности работы свыше 20 лет.

Жесткие специфические требования к космическим источникам питания: высокие удельные массогабаритные параметры, высокая надежность в условиях отсутствия (либо ограниченного) обслуживания, длительный ресурс работы, устойчивость к воздействию окружающей среды (вакуум, невесомость, радиационное излучение, температурные перепады), механическим стартовым и посадочным перегрузкам и другим факторам — накладывают жесткие ограничения на выбор первичного источника энергии.

В настоящее время в качестве таких источников используются солнечная, атомная (реакторы и радиоизотопные источники) и химическая энергия, преобразуемая безмашинным (прямым) способом в электрическую на основе фотоэлектрических, термоэлектрических, термоэмиссионных и электрохимических процессов, где одним из основных факторов оптимальности является КПД преобразования. В перспективе для достижения более высоких мощностей рассматриваются такие динамические системы, в которых солнечная энергия преобразуется в теплоту, используемую затем в паротурбинном и газотурбинном циклах для вращения турбоэлектрогенераторов.

На рис. 8.1 представлены ориентировочные области оптимального применения различных типов энергосистем в космических задачах в зависимости от уровня требуемой электрической мощности и ресурса работы.

Ядерные установки обеспечивают высокие мощности, но опасность аварийного радиационного загрязнения, уровень радиопомех и относительно большая стоимость в ряде случаев ограничивают возможность их широкого использования в космосе.

Радиоизотопные системы с термоэлектрическими преобразователями имеют относительно большой срок службы, но обладают невысоким КПД, что ухудшает их удельные массогабаритные характеристики. Такие системы также потенциально радиационно опасны.

Электрохимические генераторы (ЭХГ) представляют собой конструкцию из топливных элементов и системы автоматики, обеспечивающей стабильность температуры и давления подводимых реагентов водород-кислород и удаление воды после реакции [8.49, 8.50].

Теоретически КПД ЭХГ приближается к 100%. В США и России разработаны варианты таких космических генераторов на водороде и кислороде со щелочными и кислотными электролитами. В частности, энергообеспечение программы высадки человека на Луну осуществлялось на базе ЭХГ. В последующем при создании космических кораблей многоразового использования типа «Шатл» (США) и «Буран» (Россия) были созданы ЭХГ с более высокими удельными энергетическими параметрами, способные генерировать электрическую мощность до 40 кВт при удельной мощности порядка 70 Вт/кг. Достигнутый срок службы составлял более 5 тыс. ч.