Почему в авиации используются генераторы с частотой тока именно 400 Гц?
Наверняка многие в курсе, что частота промышленного тока, того самого, который у нас в бытовых розетках, составляет 50 Гц. Однако когда речь заходит об авиации, а именно о системах электроснабжения воздушных судов, то этот стандарт частоты тока там не используется. Разумеется все самолёты имеют бортовую систему электроснабжения, которая состоит из генераторов электроэнергии, а также распределителей, преобразователей и потребителей. Причём частота трёхфазного тока, который генерируется на борту, составляет 400 Гц. Это в 8 раз больше, чем «на земле» в розетках.
Так почему же в авиации принят именно такой стандарт частоты тока в 400 Гц?
Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим один из часто встречающихся отечественных авиационных генераторов ГТ120НЖЧ12. Этот электрогенератор трёхфазного переменного тока генерирует на частоте 400 Гц. Однако его особенность в том, что при своей номинальной (продолжительной) мощности 120 кВА (120 кВт = 163 л.с.) он весит всего лишь 32 кг. И это очень высокий показатель удельной мощности.
Причём этот генератор имеет жидкостное охлаждение, и охлаждается он авиационным топливом, т.е. керосином. Керосин подаётся в полый вал генератора со скоростью 23 литра в минуту, затем обходит по всем каналам охлаждения и выходит из генератора далее по магистральной топливной линии, унося с собой излишки тепла. Вал генератора вращается со скоростью 12 тыс. об/мин, а генерируемое напряжение составляет 208 В. Он вращается через вал отбора мощности от авиационного двигателя самолёта.
Теперь для сравнения рассмотри обычный общепромышленный трёхфазный генератор, который вырабатывает ток частотой 50 Гц. Это итальянский генератор от компании Linz Electric модель PRO22M F/4, и его продолжительная мощность генерации тоже равна 120 кВА. Охлаждение у него воздушное, и весит он 501 кг. Как вам такой вес? Впечатляет?
Из чего можно сделать вывод, что авиационный генератор, частота которого в 8 раз больше промышленной частоты, весит в 15 раз меньше чем аналогичный по мощности общепромышленный генератор.
Разумеется, этот сгенерированный на борту воздушного судна ток частотой 400 Гц практически сразу же поступает на преобразователи и выпрямители, которые меняют его параметры, а также выпрямляют, под нужды конкретных потребляющих устройств. Иными словами такая высокая по «земным» меркам частота нужна лишь для того, чтобы сделать авиационные генераторы как можно меньше. Потому что для воздушных судов вес — это критически важный параметр, от которого зависит их технико-экономическая эффективность.
Технические характеристики некоторых авиационных генераторов:
Но если с ростом частоты тока уменьшается вес генераторов, то почему бы не принять стандарт частоты в 500 Гц? Почему разработчики и конструкторы решили остановиться на 400 Гц?
Всё дело в том, что на частоте 400 Гц эти генераторы издают характерный гул, который ещё можно терпеть. Но вот что касается гула на частоте 500 Гц, он становится просто невыносимым. Так электрогенераторы пришлось бы раскручивать до скорости 15 тыс. об/мин. вместо 12 тыс. И всё это ради незначительного уменьшения веса. К тому же вес 120-киловаттного генератора в 32 кг — это уже хороший показатель, и снижать его дальше нет смысла. А значит и нет смысла увеличивать частоту тока. И поэтому остановиться на 400 герцах — это было прагматичное и мудрое решение авиаконструкторов.
Результат проверки этой статьи на специальной программе:
Источник
Для чего напряжение 400 герц
| [ | Tags | | | Военная техника, Железнодорожное, Техника | ] |
Как известно, в электрической сети у нас переменный ток частотой 50 Гц. Но у вояк есть много всякого интересного вооружения и оборудования, которое в силу историческо-практических причин требует частоту 400 Гц. Как быть?
Некоторые уже думаю догадались о военном решении этой проблемы 🙂
Под катом ответ на вопрос и маленький ликбез по теме всякой интересной, мощной техники.
В то время как современный разработчик бы начал в первую очередь думать обо всяких полупроводниковых преобразователях, хитрых схемах управления и о том, куда крепить радиаторы мощных ключей, вояки решили не заморачиваться и применить простейшее, дубовейшее, надежнейшее решение.
Они просто соединили вал мотора работающего от 50 Гц и вал генератора выдающего 400 Гц 🙂
Двигательно-генераторная установка. Весит это чудо каких-то 750 кг. С мощностью совсем запямятовал, но это десятки киловатт, а может даже и сотня-две.
Кстати двигательно-генераторные схемы совсем не редкость и применяются до сих пор довольно активно, а раньше — еще активнее.
Мало кто знает, что, например, во всех тепловозах привод колес идет от электрических двигателей, электричество для которых вырабатывает генератор, подключенный к дизелю. Делается это в силу того, что дизель имеет очень узкий диапазон скоростей вращения и абсолютно непригоден для прямого привода колес локомотива. Электрический же двигатель в этом отношении фактически идеален.
Генератор — 8. Дизель — 9, тяговые двигатели находятся глубоко в тележках.
Такая же схема используется например в БеЛАЗах, на ряде судов и подводных лодкок, а также прочей крупной технике.
Надо отметить, что КПД подобных систем весьма высок и довольно близок к 100%. Главные достоинства — простота и надежность. Главный недостаток — габариты и масса, но и он спорный. Дело в том, что тяговые двигатели достаточно компактны, не требуют сложных коробок передач и, главное, могут быть установлены в самом удобном месте, как то прямо в колесе грузовика или в тележке тепловоза. Таким образом пропадает необходимость в сложных механических передачах, приводах, карданах и прочих механических устройствах.
Источник
Уровни частоты. Достоинства и недостатки применения высокой частоты в СЭЭС
2.3. Уровни частоты
Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах где массогабаритные показатели являются решающими (суда с динамическими принципами поддержания) применяется 400 Гц.
Рассмотрим влияние повышения частоты на массогабаритные показатели ЭО.
Отметим вначале положительные стороны повышения частоты в СЭЭС:
1. Снижаются массогабаритные показатели генераторных агрегатов (ГА). Это происходит из-за того, что при повышении частоты сети увеличивается значение максимальной частоты вращения синхронного генератора (СГ). Это следует из следующего соотношения:
где n– частота вращения первичного двигателя (об/мин), f– частота сети (Гц),p– число пар полюсов. Для сетей с частотой 50 Гц она составляет 3000 об/мин, а для сетей с частотой 400 Гц – 24000 об/мин, что позволяет при стыковке СГ с первичными высокоскоростными двигателями (ПД) исключить редуктор, а, следовательно, уменьшить вес ГА. Кроме этого с повышением частоты вращения улучшаются показатели ПД и самого генератора. Так генератор мощностью 50 кВт выполненный на 50 Гц и частоту вращения 1500об/мин весит 600 кгм, а генератор такой же мощности на 400 Гц и частоту вращения 12000 об/мин – 150кгм. Обычно, при оценке массогабаритных показателей генераторов полагают, что в заданном объеме 
.
2. Повышенная частота позволяет увеличить частоту вращения механизмов и электроприводов в 2…3 раза, что приводит к существенному уменьшению габаритов и массы агрегатов двигатель – механизм. Так переход от частоты вращения 3000об/мин к частоте вращения 8000 об/мин дает снижение массы АД в 2,5…3,5 раза и габаритов в 2,5 раза.
3. Улучшаются массогабаритные показатели трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей. Убедимся в этом с помощью простых соотношений.
По закону электромагнитной индукции Фарадея 
где Ψ – потокосцепление, Ф – поток, W – число витков, е – э.д.с. Полагая U=E и U=Umsin(ωt), а следовательно и Ф=Фmsin(ωt) получим:
, учитывая, что соs(ωt)=-sin(ωt-π/2), е=ωФmWsin(ωt-π/2),
Еm =2πfФmW, а 
, где В – индукция, S – сечение.
Таким образом, если Е400= Е50, то 
.
Реальное преимущество рассматриваемых видов оборудования на 400 Гц ниже. Это связано с тем, что магнитопроводы изготавливают из электропроводящего материала, в котором под действием переменного магнитного поля возникают микротоки – токи Фуко или вихревые токи. Электрическое сопротивление стали мало, а значит, вихревые токи могут достигать большого значения, что приводит к разогреву магнитопровода — потери в стали оценивают пропорциональными f 1,3…1,5 . Поэтому для сохранения теплового баланса в высокочастотном оборудовании снижают индукцию Вm 400
50 Гц — толщина пластин 0,35 мм, 400 Гц – 0,08 мм. Сравнение существующего оборудования показывает, что в заданном объеме трансформатора 
.
4. Сокращается время переходных процессов. Рассмотрим это более подробно.
При увеличении частоты с 50 до 400 Гц и одновременном увеличении частоты вращения при той же мощности размеры генератора, периметр витка обмотки статора и число витков уменьшаются.
Постоянная времени обмотки равна 
. Выразим индуктивность через конструктивные параметры машины:
Так как 
, то зная что
и по закону полного тока 
;
тогда 
в свою очередь, отсюда
, в представленных выражениях использованы следующие обозначения: Н – напряженность поля; μ – магнитная проницаемость; μ0= 4π10 -7 (Гн/м); λ– магнитная проводимость.
Проводимость, при прочих равных условиях, уменьшается пропорционально периметру витка. Активное сопротивление R уменьшается пропорционально уменьшению числа витков и уменьшению их периметра. Таким образом, постоянные времени уменьшаются приблизительно пропорционально уменьшению числа витков.
Следует отметить, что индуктивные сопротивления обмотки, определяемые 
, увеличиваются. Это происходит из-за того, что число витков обмотки статора уменьшается не прямо пропорционально увеличению частоты.
Источник
Уровни частоты. Достоинства и недостатки применения высокой частоты в СЭЭС
2.3. Уровни частоты
Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах где массогабаритные показатели являются решающими (суда с динамическими принципами поддержания) применяется 400 Гц.
Рассмотрим влияние повышения частоты на массогабаритные показатели ЭО.
Отметим вначале положительные стороны повышения частоты в СЭЭС:
1. Снижаются массогабаритные показатели генераторных агрегатов (ГА). Это происходит из-за того, что при повышении частоты сети увеличивается значение максимальной частоты вращения синхронного генератора (СГ). Это следует из следующего соотношения:
где n– частота вращения первичного двигателя (об/мин), f– частота сети (Гц),p– число пар полюсов. Для сетей с частотой 50 Гц она составляет 3000 об/мин, а для сетей с частотой 400 Гц – 24000 об/мин, что позволяет при стыковке СГ с первичными высокоскоростными двигателями (ПД) исключить редуктор, а, следовательно, уменьшить вес ГА. Кроме этого с повышением частоты вращения улучшаются показатели ПД и самого генератора. Так генератор мощностью 50 кВт выполненный на 50 Гц и частоту вращения 1500об/мин весит 600 кгм, а генератор такой же мощности на 400 Гц и частоту вращения 12000 об/мин – 150кгм. Обычно, при оценке массогабаритных показателей генераторов полагают, что в заданном объеме .
2. Повышенная частота позволяет увеличить частоту вращения механизмов и электроприводов в 2…3 раза, что приводит к существенному уменьшению габаритов и массы агрегатов двигатель – механизм. Так переход от частоты вращения 3000об/мин к частоте вращения 8000 об/мин дает снижение массы АД в 2,5…3,5 раза и габаритов в 2,5 раза.
3. Улучшаются массогабаритные показатели трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей. Убедимся в этом с помощью простых соотношений.
По закону электромагнитной индукции Фарадея где Ψ – потокосцепление, Ф – поток, W – число витков, е – э.д.с. Полагая U=E и U=Umsin(ωt), а следовательно и Ф=Фmsin(ωt) получим:
, учитывая, что соs(ωt)=-sin(ωt-π/2), е=ωФmWsin(ωt-π/2),
Еm =2πfФmW, а , где В – индукция, S – сечение.
Таким образом, если Е400= Е50, то .
Реальное преимущество рассматриваемых видов оборудования на 400 Гц ниже. Это связано с тем, что магнитопроводы изготавливают из электропроводящего материала, в котором под действием переменного магнитного поля возникают микротоки – токи Фуко или вихревые токи. Электрическое сопротивление стали мало, а значит, вихревые токи могут достигать большого значения, что приводит к разогреву магнитопровода — потери в стали оценивают пропорциональными f 1,3…1,5 . Поэтому для сохранения теплового баланса в высокочастотном оборудовании снижают индукцию Вm 400
50 Гц — толщина пластин 0,35 мм, 400 Гц – 0,08 мм. Сравнение существующего оборудования показывает, что в заданном объеме трансформатора .
4. Сокращается время переходных процессов. Рассмотрим это более подробно.
При увеличении частоты с 50 до 400 Гц и одновременном увеличении частоты вращения при той же мощности размеры генератора, периметр витка обмотки статора и число витков уменьшаются.
Постоянная времени обмотки равна . Выразим индуктивность через конструктивные параметры машины:
Так как , то зная что
и по закону полного тока ;
тогда в свою очередь, отсюда
, в представленных выражениях использованы следующие обозначения: Н – напряженность поля; μ – магнитная проницаемость; μ0= 4π10 -7 (Гн/м); λ– магнитная проводимость.
Проводимость, при прочих равных условиях, уменьшается пропорционально периметру витка. Активное сопротивление R уменьшается пропорционально уменьшению числа витков и уменьшению их периметра. Таким образом, постоянные времени уменьшаются приблизительно пропорционально уменьшению числа витков.
Следует отметить, что индуктивные сопротивления обмотки, определяемые , увеличиваются. Это происходит из-за того, что число витков обмотки статора уменьшается не прямо пропорционально увеличению частоты.
Источник