Всем привычно, что на легковом автомобиле — 12 вольт постоянного тока, на грузовике — 24, в розетке — 220 вольт, 50 герц. Кто работает с промышленным оборудованием — хорошо знаком с «бабахом» 380 вольт, а нередко — ещё со всякими 42 и 110 В. Локомотивщики с вагонниками знают, как кусаются 50, 75 и 110 вольт, а в кабине пассажирского локомотива ещё звенят 625 герц:
(нажмите на транспарант — откроется статья, а если его не видно — то он ошибочно скрыт защитой от рекламы)
А в авиации — свои напряжения и даже своя частота.
- 27 вольт постоянного тока
- 115/200 вольт, 400 герц
- 36 вольт, 400 герц
- P. S. 200/360 вольт, 400 герц
Сразу вставлю ремарку: по ГОСТ Р 54073-2017 напряжение на источниках принято 28,5 В постоянного тока и 208 В переменного, на потребителях — 27 и 200 соответственно. Поэтому оба варианта верны. То же с промышленной сетью — 230/400 В на источнике (даже на РУ пишут «0,4 кВ») и 220/380 на потребителе (в ГОСТ 32144-2013 сеть обозначена как 0,38 кВ). Не стоит искать ошибки там, где их нет.
27 вольт
Постоянный ток на борту — 27 вольт. На этом напряжении работают все реле, катушки контакторов, много какая электроника, дежурное освещение, сигнальные лампы... На 27 вольт рассчитаны аккумуляторы — они, как и в автомобиле, используются как пусковые и аварийные источники.
Сейчас повсеместно применяются никель-кадмиевые аккумуляторы международного стандарта 20FP25, у нас они называются 20НКБН25:
На Ту-154, Ил-76 или Ан-124 таких стоит четыре штуки:
А на бомбардировщике Ту-95МС их аж 6 штук:
На более старых типах вроде Ми-8Т и Ан-26 стоят свинцово-кислотные 12-САМ-28, как выглядит их «посадочное место» (контейнер) — можно увидеть в самом начале седьмого видео про вертолёты:
На истребителях ещё встречались серебряно-цинковые 15СЦС-45Б, но я их в руках не держал. А что за преобразователь на фото с Ту-95 — об этом ниже.
Нетрудно заметить, что 27 вольт довольно близки к «грузовиковым» 24. Это весьма удобно — некоторые аэродромные машины питания (АПА — аэродромный передвижной агрегат, ЭГУ — электрогидравлическая установка) могут отработать на питание и запуск летательного аппарата (ЛА), просто подав на борт питание со своих аккумуляторов, даже не запуская свой дизель-генератор. А могут запустить и давать питание длительно. Вот АПА питает Ан-26:
Более того, даже некоторые лампочки подходят... Например, маленькие типоразмера BA9S, которые для легковых автомобилей выпускаются на 12 В, 4 Вт и стоят в приборных панелях и повторителях поворота — они же для авиации выпускаются на 28 вольт с мощностями 2,8 Вт (для сигнальных табло) и 4,8 Вт (для светильников). Они же прекрасно себя чувствуют на 24-вольтовых грузовиках и тракторах. Но вернёмся к запускам.
Совпадение напряжений не раз играло на руку авиаторам — например, пилот-инструктор с Ту-154 Василий Ершов (увы, уже покойный), писал, как он в молодости запускал Ан-2 от МАЗа:
Как запустить двигатель (нажмите на цветное — откроется)
Роберт соскочил с подножки и стал руководить подъездом самосвала к хвосту самолета. Я все не врубался: чего это он задумал?
– Василий, – перекрикивая рев дизеля, рявкнул Роберт. – У него двадцать четыре вольта! Двадцать четыре! – Он помахал проводами. – Прикурим!
А пилот Ми-6 Александр Шевчук пишет, как они запускали замерзающий Ми-6 от БАТа — большого артиллерийского тягача:
Записки пилота Свинтопруля части 1 и 2
Бегом к вертолёту. А там, вовсю кипит подготовительная работа. «БАТ» подогнали к борту вертолёта. Его мощные аккумуляторы стоят уже на краю кузова. На их клеммы зацепили кабеля, вторые концы кабелей на разъёмы наших аккумуляторных отсеков. Чтобы они не соскочили, бортрадист придерживает их палкой, обмотанной резиновой лентой. Попробуем запуститься...
Однако пока двигатели были относительно небольшими — ёмкости аккумуляторов хватало, а когда табун каждого двигателя подошёл к 10 тысячам лошадиных сил — возможностей аккумуляторов и электростартёров хватать перестало. На каких двигателях поселились воздушные стартёры, на каких — газотурбинные...
Газотурбинный стартёр — маленький двигатель-спутник, стоящий на основном — отлично запускается от аккумуляторов, а воздушному требуется большой напор воздуха — его выдаёт вспомогательная силовая установка, ВСУ. Она тоже легко запускается от аккумуляторов, недавно про турбоагрегаты и ВСУ были три статьи:
С другими системами ЛА постепенно назревали те же проблемы — росла мощность, росли токи. Собственно, такие проблемы возникали во многих отраслях техники — железная дорога её решила, радикально подняв напряжение с 3 тысяч вольт до 25:
В авиации проблема встала ещё острее, поскольку большие амперы требуют толстых проводов, а толстые провода — это масса, которую летающей машине наращивать никак нельзя.
115/200 вольт, 400 герц
Поэтому в дополнение к 27 вольтам постоянного тока появился однофазный ток напряжением 115 вольт и частотой 400 герц, довольно быстро система «выросла» до трёхфазной напряжением 115/200 вольт. 115 и 200 — это как 220 и 380 в привычной сети 50 герц, фазное и линейное, то есть 115 — между фазой и нулём, 200 — между двумя фазами. Связаны они через корень из трёх (приблизительно 1,73):
115 х √3 ≈ 200
220 х √3 ≈ 380
Нетрудно понять, что поднятие напряжения в 4 с лишним раза (с 27 до 115) во столько же раз подняло мощность при той же массе проводки, а у системы 115/200 вольт возможности ещё шире. Но какие ещё плюсы есть у системы переменного тока 400 Гц?
Сейчас всем привычны синхронные двигатели. Мотор-колёса электросамокатов, двигатели жёстких дисков, даже компьютерные вентиляторы — всё это синхронные двигатели, обмоткам нужен переменный ток, а для его выработки из постоянного нужен электронный преобразователь. Лишнее устройство, но это перекрывается огромным достоинством двигателя — у него нет коллектора, из подверженных износу узлов — только подшипники. Такой привод называется вентильным, так как двигатель переменного тока работает в паре с вентилями (транзисторами или реже тиристорами), которые получают переменный ток из постоянного.
В середине прошлого века дешёвых преобразователей не было, на постоянном токе могли без проблем работать лишь коллекторные двигатели. У них быстро истираются щётки, а через несколько их замен — коллектор:
Если на таких двигателях выполнены, например, топливные насосы — то это масса проблем с их регулярным снятием на обслуживание. А топливные системы раньше были сложные, это сейчас, с совершенствованием технологии производства крыльев, с созданием кессон-баков и простых неразъёмных крыльев, топливные системы сильно упростились.
Например, у Ту-154 шесть топливных баков и 18 насосов, а у чуть более современного Як-42 — всего три бака и 6 насосов. И всего по 2 насоса на обоих типах — постоянного тока. Остальные — с асинхронными двигателями переменного тока. О принципе работы «асинхронника»:
Теперь ясно, зачем на борту 3-фазный переменный ток — можно мощные и длительно работающие приводы оснастить практически необслуживаемыми двигателями. Из этой же статьи ясно, что обороты АД зависят от частоты. Если на борту будет 50 Гц, то можно получить максимум 3000 оборотов в минуту, а если 400 — то 24000.
Соответственно, двигатели силовых приводов при тех же габаритах могут быть в 8 раз мощнее (мощность напрямую зависит от оборотов), а для гироскопов чем больше обороты — тем лучше. Гироскоп — по сути юла, держащая ось, только не для игры, а для ориентировки ЛА, их на борту море — и авиагоризонты, и курсовые приборы, и демпферы... О приборах — тут:
Сейчас гироскопы в основном лазерные, без вращающихся частей, но в прошлом веке царили обычные, с вращающимся ротором.
Ещё один плюс переменного тока — его напряжение можно легко повышать и понижать с помощью простейших, практически безотказных аппаратов — трансформаторов. Стальной сердечник и две обмотки — всё. Подробнее о тр-рах рассказано в статье «ТЭД-11»:
Но тр-р требует переменного тока, чтобы преобразовать постоянный — нужны устройства на порядок сложнее. Либо электронный преобразователь (которых, напомню, в середине прошлого века «по дешёвке» не было), либо машинный преобразователь — двигатель с генератором... Поэтому проще вырабатывать и распределять по самолёту переменный ток, а уже по месту преобразовывать его в нужный по параметрам.
А ещё один плюс повышенной частоты — в 8 раз меньше число витков трансформаторов и вообще всех электромагнитных машин и аппаратов. В той же статье «ТЭД-11» рассказано о реактивном сопротивлении, то есть сопротивлении переменному току. Например, нам нужен трансформатор для питания нагрузки мощностью 115 Вт...
Чтобы при напряжении 115 вольт обеспечить мощность 115 Вт — нужен ток в 1 ампер (I = P / U). Чтобы удержать ток на нужном уровне — нужно сопротивление, в случае с переменным током — реактивное, оно не даёт тепловых потерь. А реактивное сопротивление растёт вместе с числом витков и с частотой. Соответственно — если в 8 раз выше частота (400 Гц против 50), то в 8 раз меньше будет число витков.
То есть машины и аппараты на 400 Гц значительно меньше и легче, чем на 50. Например, здесь на фото 26 обозначен цифрой 6 трансформатор ТС330С04Б:
Он мощностью 3 кВА, понижает три фазы 200 В до 36 В, отдаёт по каждой фазе до 48 А — а весит всего 5 кг и такой маленький, что его за цифрой-то не видно. Например, выполненный на 50 Гц 3-фазный трансформатор ТСМ-0,4 380/220 — мощностью всего 0,4 кВА, а весит уже 7 кг.
Вот тр-р поменьше — ТС315С04Б, мощностью 1,5 кВА, тоже весит 5 кг:
Правда, в больших сетях 400 герц использовать нельзя — будут огромные ёмкостные потери и потери на излучение, поэтому — только воздушные и водные суда. Да, у моряков 400 герц тоже используются довольно широко.
Естественно, что отсутствие коллектора — плюс не только двигателей переменного тока, но и генераторов. Правда, у обычных, «сухопутных» синхронных генераторов обычно есть щётки, но в авиационных, кроме самых первых, убраны и они. Например, на ВСУ ТА-12 стоят генератор постоянного тока ГС-12ТО и переменного ГТ40ПЧ8:
Весят они ровно одинаково — по 31 кг, но у первого мощность — 12 кВт, у второго же — втрое больше 40 кВА. Плюс на техобслуживании у ГС-12 проверяется длина щёток, при их браковочной длине (менее 19 мм) генератор снимается на замену и притирку щёток. А в ГТ40 лишь зашприцовывается смазка подшипников.
Поэтому на современных ЛА есть лишь генераторы переменного тока, а постоянный получается из переменного с помощью выпрямительных устройств (ВУ) — внутри тр-р, диоды и вентилятор:
Видно, какие тонкие провода подводят переменный ток и каких два огромных — в палец толщиной — отводят постоянный.
О генераторах — в частности, куда щётки делись — подробно рассказано в этой статье:
Ещё одна ремарка по результатам чтения комментариев: в статье «ТЭД-19» подробно описано устройство бесщёточного синхронного генератора, это не асинхронный двигатель, это синхронный генератор. В статье — ответ на вопрос, как это.
Схема сети 115/200 вольт — звезда с заземлённой нейтралью, поэтому можно легко получить оба напряжения. На некоторых старых типах ЛА есть лишь однофазные сети 115 вольт, есть даже свой разъём аэродромного питания, но этот стандарт безнадёжно устарел. Сейчас практически везде сеть 3-фазная, аэродромное питание подключается через разъём ШРАП-400-3ф, однако на многих машинах есть и ШРАП-500 для подачи 27 вольт:
Однако если встанут все двигатели (из-за выработки топлива либо воды в топливе, из-за обледенения...), то встанут и генераторы, выработка переменного тока прекратится, останутся лишь аккумуляторы. Как питать гироскопы? Для этого на борту есть преобразователи — либо старого образца (двигатель с генератором, машинные), либо более современные транзисторные.
Один из машинных преобразователей попал в кадр на первом фото в статье. Так как в их состав входит коллекторный двигатель — имеем все радости: шум, вибрацию, износ, а из-за двойного преобразования энергии — ещё и низкий КПД.
36 вольт, 400 герц
Как уже было сказано, одна из причин принятия стандарта 115/200 вольт — возможность передачи бóльших мощностей. Однако далеко не все потребителям это нужно, а выполнять изоляцию на 200 вольт где-нибудь в приборчиках — больно богато.
Поэтому для питания гироскопов, приборных моторов и маломощной электроники, у которой свои блоки питания, принят стандарт 36 вольт, 400 герц без нейтрали (схема «треугольник»). Как правило, получается эта 3-фазная система из 200 В с помощью трансформаторов наподобие показанных выше ТС315 и ТС330, а подробнее система разобрана, например, здесь:
А для аварийного питания обязательно есть преобразователи:
На многих типах один из преобразователей (или даже несколько) работает весь полёт, чтобы обеспечить стабильное питание. Например, на Як-42, Ан-74 для питания авиагоризонта резервного (АГР) стоит преобразователь трёхфазный статический (транзисторный) мощностью 25 ВА — ПТС-25, он работает чисто на АГР, лишь при его отказе прибор переключается на питание от общей сети 36 В.
На Ту-154 точно так же работает один из двух ПТС-250 (первый) — работает весь полёт, питает АГР, один из моторов триммирования руля высоты и ещё несколько потребителей. Никакие скачки и короткие замыкания в общей сети 36 В их уже зацепить не могут, а при пропадании питания 115/200 и с ним 36 вольт вообще без единого провала продолжится штатное питание АГР — и рамы гироскопа не шелохнутся.
Вкратце так... Напоследок — о необычной системе 200/360 вольт, 400 герц. Есть и такая, но применяется она очень мало где, мне известен лишь вертолёт Ми-6:
На нём стоят два генератора СГС-90/360, основной и резервный, цифры означают: мощность 90 кВА, линейное напряжение 360 вольт. Такое огромное выбрано для питания обогрева лопастей несущего винта — при 200 вольтах получались больно огромные токи.
Естественно, что через трансформаторы от СГС-90/360 могла питаться и остальная бортсеть переменного тока.
На этом всё! О «новомодных» сетях вроде постоянного тока то ли 250, то ли 270 вольт, применённой на А380, и о литиевых авиационных аккумуляторах пока не расскажу — дела не имел. Продолжим пока разбирать наиболее массовую технику.
