Системы зарядки самолетов: понимание и устранение неисправностей в системе генератора переменного тока.
Для многих из нас поиск неисправности в системе генератора обычно сводится к методу “стрельбы из дробовика”. Если замена батареи не решает проблему, возможно, поможет замена регулятора, генератора или другого компонента. Закон Мерфи всегда действует: в девяти случаях из десяти успех приходит только после замены последнего компонента в системе.
Понимание простоты конструкции генератора позволяет любому, кто хотя бы умеет заменить перегоревшую лампочку, без труда устранить неисправность. Отсутствие необходимости заменять исправные компоненты означает, что вернуть автомобиль в рабочее состояние проще, быстрее и дешевле.
Современный генератор переменного тока, используемый сегодня в системах зарядки самолетов, считается одним из важнейших изобретений в истории техники. Немногие устройства производились и использовались в таком количестве, как генератор переменного тока — чудесный небольшой автономный динамо-генератор, способный выдавать переменный ток (AC) напряжением до 100 вольт и более. Например, при использовании в 12-вольтовой системе зарядки выходной сигнал генератора выпрямляется (преобразуется) в постоянный ток (DC) с помощью диодов, а затем ограничивается примерно на уровне 14,2 вольт с помощью регулятора напряжения.
Запуск двигателя — основная функция аккумулятора, после чего генератор обеспечивает непрерывное электропитание не только для всего необходимого оборудования на самолете, но и для подзарядки аккумулятора.
Регулируемое напряжение (14,2 В) на системной шине несколько выше напряжения батареи (12 В), поэтому ток от генератора поступает к батарее для ее зарядки. Если бы регулируемое выходное напряжение составляло, скажем, всего 11 В, то ток от батареи поступал бы к шине, в конечном итоге разряжая ее. Поэтому для поддержания полного заряда регулятор должен ограничивать напряжение на уровне выше 12 В, но не настолько высоком, чтобы вызвать перегрев батареи или повредить бортовое электрооборудование. Таким образом, 14,2 В (+/- 0,4 В) является отраслевым стандартом для систем зарядки, использующих 12-вольтовые батареи.
ИСТОРИЯ
Генератор переменного тока, впервые получивший широкое распространение в автомобилях в середине шестидесятых годов, стал фактическим стандартом практически на всех транспортных средствах и машинах с двигателями внутреннего сгорания, включая самолеты. Наиболее известный своей способностью вырабатывать электроэнергию на низких оборотах двигателя, генератор переменного тока заменил своего предшественника, генератор постоянного тока, который хорошо служил на протяжении многих десятилетий, но имел огромные недостатки в производительности, весе и обслуживании.
Конструкция генератора переменного тока отличается не только исключительной простотой, но и невероятной надежностью. Не вдаваясь в технические подробности, следует отметить, что в нем всего одна движущаяся часть: обмотка возбуждения, вращающаяся с помощью одного вала. Электрический выходной сигнал формируется не угольными щетками (как в устаревшем генераторе постоянного тока), а прямым электрическим соединением с неподвижным якорем (статором). За исключением твердотельного выпрямителя (диодов), между выходным сигналом и нагрузкой находится только провод, что делает эту систему невероятно гениальной, простой и надежной. Она может работать без сбоев десятилетиями. Стоимость генератора переменного тока, не предназначенного для авиационной техники, примерно равна стоимости ужина на двоих.
ТЕОРИЯ АЛЬТЕРНАТОРА
На рисунке 1 показан принцип генерации переменного тока. Он состоит из вращающегося магнита (для простоты я покажу стержневой магнит) и пары неподвижных полюсов (статора). Когда двигатель вращает вал генератора (с помощью ремня или шестерни), магнитное поле индуцирует напряжение в статоре. Вуаля! Из ниоткуда появляется электричество.
Поскольку вращающийся магнит сначала индуцирует напряжение через свой «северный полюс» в обмотку статора, а затем через свой «южный полюс», генератор вырабатывает переменный ток. Другими словами, ток сначала течет в одном направлении от выхода, а затем меняет направление и течет в противоположную сторону. Как и гравитация, и многие другие тайны Вселенной, мало кто точно понимает, как работает этот индукционный процесс; он просто существует.
В большинстве систем зарядки самолетов и автомобилей используется постоянный ток. Однако благодаря изобретению выпрямителя преобразование переменного тока в постоянный не представляет проблемы и не требует больших затрат.
Выпрямитель (или диод — твердотельный вариант устаревшей вакуумной лампы) позволяет току течь к выходу только в одном направлении. При конфигурации в виде массива, как показано на рисунке 2, переменный ток преобразуется в постоянный. Таким образом, независимо от того, в каком направлении ток поступает в выпрямитель, он всегда выходит в одном направлении. Подобно пожарным выходам в зданиях, ток вынужден входить через входную дверь, чтобы выйти через заднюю. Аналогично, ток не может войти через пожарный выход; он должен использовать только входную дверь. Диодные массивы — это гениальная конструкция, чрезвычайно надежная при использовании в соответствии с эксплуатационными и экологическими требованиями.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
Разумеется, предыдущий пример не предусматривает никакого способа контролировать или изменять выходную мощность генератора, за исключением изменения размера магнита или регулировки оборотов двигателя — ни то, ни другое не является практичным решением, когда пилот пытается поддерживать скорость или высоту.
Таким образом, если мы заменим стержневой магнит катушкой проволоки, мы получим электромагнит, в котором силу вращающегося поля можно изменять, просто варьируя ток, протекающий через него (с помощью низкоамперных контактных колец и угольных щеток). Подобно реостату, изменяющему интенсивность подсветки панели, уровень выходного напряжения любого генератора можно регулировать, просто изменяя электрическую энергию, подаваемую на обмотку возбуждения. Точно так же, как звуковому усилителю требуется лишь небольшой входной сигнал от микрофона для питания динамиков, выходной ток генератора намного больше, чем тот, который необходим для привода обмотки возбуждения. Усиление, конечно же, теряется из-за двигателя, вращающего вал генератора.
К счастью, на приборной панели самолета нет необходимости в реостате для регулирования выходной мощности генератора, хотя его установка, безусловно, могла бы решить эту задачу. Единственная проблема заключается в том, что пилоту пришлось бы постоянно корректировать настройки по мере изменения электрической нагрузки, влияющей на потребность в генераторе.
Регулятор напряжения был разработан для выполнения этой утомительной, бесконечной работы по контролю величины тока, подаваемого в обмотку возбуждения. Это своего рода автопилот для напряжения шины. Регулятор напряжения определяет, когда электрической системе требуется больше тока, и соответствующим образом реагирует увеличением тока, поступающего в обмотку возбуждения. В свою очередь, высокопроизводительный статор вырабатывает больше электрического тока для шины. Весь процесс регулирования напряжения полностью автоматизирован и не требует никакого вмешательства со стороны регулятора.
Современные системы зарядки отличаются исключительной надежностью. Помимо подшипников вала генератора, единственными движущимися частями являются две небольшие угольные щетки, вращающиеся на контактных кольцах, которые обеспечивают подачу энергии на вращающуюся обмотку возбуждения. В отличие от устаревших генераторов, эти щетки пропускают лишь небольшой ток, что делает электромеханическое зарядное устройство долговечным и беспроблемным.
Кроме того, генераторы переменного тока эволюционировали в конструкции с несколькими полюсами и обмотками возбуждения, что позволяет получать переменный ток на гораздо более высокой частоте, чем тот, который используется в домах. Например, мы никогда не услышим гул частотой 60 Гц, который исходит от бортовой сети самолета.
Единственным недостатком некоторых конструкций зарядных систем является то, что обмотка возбуждения должна быть запитана, прежде чем появится какой-либо полезный выходной сигнал. В таких системах генератор не может возбудиться сам по себе, поскольку полезный выходной сигнал статора отсутствует до тех пор, пока в обмотку возбуждения не поступит достаточный ток. Аккумулятор решает эту проблему. Как только генератор подает ток в шину, аккумулятор больше не нужен для дальнейшего питания. Точно так же, как аккумулятор необходим для запуска двигателя, он необходим и для запуска генератора. Другие конструкции, например, используемые в 24-вольтовых системах Piper и Cessna, способны к самовозбуждению без аккумулятора. Это стоит учитывать при полетах по приборам (когда шасси для полетов по приборам полностью зависят от питания шины).
Конструкция регулятора столь же проста, как и любой диммер на стене. В приведенном примере единственным источником питания регулятора является шина бортовой сети самолета через клемму «А» и заземление шасси. По мере снижения напряжения на шине, например, при включении посадочных огней, регулятор определяет дефицит и увеличивает выходное напряжение на клемме «F», которая напрямую подключена к обмотке возбуждения генератора для увеличения выходной мощности. Таким образом, подобно качелям, когда напряжение на клемме «А» (шина) снижается, ток на клемме «F» (воздух-воздух) увеличивается.
Аналогично, когда в шине достаточно напряжения, регулятор снижает выходное напряжение генератора, передавая меньше энергии на обмотку возбуждения. Независимо от колебаний напряжения в шине самолета, регулятор непрерывно работает, поддерживая постоянное напряжение (например, 14,2 вольта).
Кроме того, когда пилот регулирует дроссельную заслонку, регулятор должен компенсировать новые обороты двигателя, которые напрямую изменяют выходную мощность генератора. Например, при ночной посадке, когда мощность двигателя снижается, выходная мощность генератора уменьшается. Регулятор мгновенно реагирует, увеличивая ток в обмотке возбуждения, что, по сути, позволяет генератору поддерживать ту же выходную мощность (и интенсивность посадочных огней) при меньших оборотах.
Усовершенствованные конструкции систем регулирования
Когда система зарядки выходит из строя, например, когда в регуляторе возникает короткое замыкание, приводящее к тому, что генератор выдает максимальный ток и напряжение (например, 100 вольт), блок авионики подвергается серьезному риску дорогостоящего повреждения. Такую ситуацию легко предотвратить с помощью датчика перенапряжения (ДПН) и реле отключения. Установка ДПН между шиной и клеммой «S» регулятора решает эту проблему. Другими словами, всякий раз, когда напряжение на шине становится слишком высоким, как это происходит при неконтролируемом разгоне генератора, ДПН обнаруживает проблему и размыкает цепь с регулятором (клемма «S»). В свою очередь, встроенное реле отключения регулятора реагирует, прерывая подачу энергии на обмотку возбуждения (через клемму «F»), фактически отключая генератор.
Процесс во многом похож на срабатывание автоматического выключателя, из-за которого не работают настенный выключатель и освещение (хотя автоматические выключатели срабатывают из-за слишком большого тока, а не из-за слишком большого напряжения). В любом случае, автоматическое отключение вышедшего из-под контроля генератора может предотвратить дорогостоящие повреждения авионики, не говоря уже об аккумуляторе, который в большинстве случаев будет обладать достаточной энергией для безопасной посадки самолета.
Помимо OVS, раздельный главный выключатель (два выключателя в одном) обеспечивает ручной способ отключения системы зарядки. Часть выключателя, отвечающая за генератор, как и OVS, также включена последовательно с шиной и клеммой «S» регулятора. Другими словами, размыкание этого выключателя отключает генератор — так же, как и OVS, когда на шине слишком высокое напряжение. В отличие от однополюсного главного выключателя на панели, раздельный выключатель позволяет пилоту отключать систему зарядки по своему желанию, поддерживая при этом напряжение на шине только за счет батареи.
Индикатор неисправности генератора на панели загорается всякий раз, когда регулятор отключается, будь то по действию системы OVS или со стороны генератора главного выключателя. Обозначения индикатора могут означать «низкое напряжение», «перенапряжение» или «низкое/перенапряжение», и часто эти термины используются разными производителями для разных моделей. Индикатор неисправности питается от напряжения шины и клеммы «I», которая замыкается на землю при отключении регулятора. Если циклическое включение/выключение главного выключателя не приводит к выключению индикатора неисправности, пора совершить посадку и провести диагностику. Перед полетом всегда полезно проверить индикатор неисправности, который загорается всякий раз, когда выключена сторона генератора главного выключателя (сторона аккумулятора включена).
Еще одна функция безопасности, набирающая популярность, — это схема защиты от короткого замыкания обмотки возбуждения. Электрические короткие замыкания могут возникать, например, при истирании изоляции до такой степени, что оголенный провод соприкасается с заземлением экрана или шасси самолета. Когда это происходит на проводе, идущем к обмотке возбуждения, короткое замыкание может навсегда повредить регулятор, сделав генератор бесполезным. Для защиты от короткого замыкания обмотки возбуждения некоторые регуляторы имеют встроенную защиту от короткого замыкания обмотки возбуждения.
Удивительно, что сегодня многие самолеты эксплуатируются без системы OVS и раздельного управления. К счастью, некоторые производители регуляторов предлагают встроенную защиту OVS, которая не требует никаких модификаций, кроме удаления системы OVS или установки индикаторной лампы на панели, подключенной к клемме «I» регулятора. Кроме того, переход на раздельный выключатель не так уж дорог и сложен.
Конечно, добавление новых технологий, таких как OVS, увеличивает вероятность возникновения дополнительных точек отказа в цепи, но компромисс в пользу защиты дорогостоящей авионики вполне оправдан. Некоторые цепи OVS (Cessna) спроектированы таким образом, чтобы размыкать цепь при отказе, фактически отключая генератор. Другие (более старые WICO) выходят из строя в замкнутом состоянии, фактически сводя на нет их полезность.
УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В СИСТЕМЕ ГЕНЕРАТОРА
(См. предыдущий рисунок 5)
При возникновении проблем с системой зарядки необходимо проверить несколько основных моментов. Во-первых, аккумулятор должен быть в исправном состоянии и, по крайней мере, готов к запуску двигателя.
Во-вторых, для проверки состояния обмотки возбуждения необходимо использовать хороший, чувствительный омметр (недорогой омметр не может точно измерить четыре ома). Это делается путем отсоединения регулятора (при выключенном двигателе и главном цилиндре, с обеих сторон) и подключения одного щупа омметра к заземлению, а другого — к контакту «F» разъема, соединяющего провод с обмоткой возбуждения генератора. Если это короткое замыкание (нулевое сопротивление), это вызовет распространенную проблему в неисправных системах: поломку регулятора напряжения (короткое замыкание основного транзистора). Система работает только кратковременно, а затем постоянно отключается или перезаряжается. Регулятор напряжения и закороченный генератор необходимо заменить или отремонтировать.
Сопротивление обмотки возбуждения никогда не должно быть меньше четырех Ом и должно проверяться вращением лопастей винта для проведения измерения, в то время как щетки вращаются на 360 градусов вокруг контактных колец. Если сопротивление слишком высокое или слишком сильно колеблется при вращении вала, щетки или контактные кольца могут быть неисправны. В этом случае генератор будет заряжать очень мало или не будет заряжать совсем.
С другой стороны, при бесконечном сопротивлении обмотка возбуждения может быть оборвана (разомкнута), или провод, идущий к генератору, ослаблен или отсоединен. В этом случае система вообще не будет заряжать. Неправильное сопротивление обмотки возбуждения обычно указывает на необходимость замены или ремонта генератора.
В-третьих, можно провести несколько простых проверок напряжения, чтобы выявить трудноуловимые проблемы (при повторном подключении регулятора). На клемме «А» регулятора всегда должно быть 12 вольт, когда главный выключатель включен (независимо от того, работает ли двигатель или включен генератор). Поскольку эта клемма жестко подключена к шине, ее напряжение будет соответствовать напряжению в системе. Например, если батарея разряжена, показания на клемме «А» регулятора (при условии, что хотя бы сторона главного выключателя, подключенная к батарее, включена) также будут высокими.
Система зарядки не будет работать, если регулятор не активирован клеммой «S». Если на клемме «S» регулятора нет напряжения шины или 12 вольт (при включении обоих контактов главного выключателя и выключении двигателя), то либо неисправен датчик OVS, либо перегорел предохранитель или автоматический выключатель перед ним. Конечно, причиной также может быть неисправный главный выключатель, препятствующий поступлению напряжения шины на клемму «S».
На клемме “F” регулятора должно быть 0 вольт, когда сторона генератора главного выключателя выключена (сторона аккумулятора включена, двигатель выключен). Это интуитивно понятно, так же, как любой настенный выключатель выключает свет.
При включенных обеих сторонах главного клеммного разъема (при выключенном двигателе) на клемме “F” должен быть выходной сигнал для обмотки возбуждения, что позволит генератору вырабатывать 14,2 вольта при работающем двигателе.
Состояние клеммы “I” определяет, горит или гаснет индикатор неисправности. Если напряжение на клемме “I” приблизительно равно нулю вольт (например, когда сторона генератора главного регулятора выключена), индикатор неисправности загорится, указывая на то, что регулятор действительно отключен или выключен. Если напряжение на клемме “I” равно напряжению шины (сторона генератора главного регулятора включена), индикатор погаснет, указывая на то, что регулятор включен.
Индикатор неисправности можно проверить, вручную заземлив клемму «I». Если он не загорается, значит, он перегорел. Загорание индикатора неисправности (при включении обеих сторон главного блока) указывает на неисправность регулятора. Конечно, остальная часть регулятора может по-прежнему функционировать достаточно хорошо, чтобы система зарядки работала должным образом.
Безконтрольный генератор
Недавно у меня возникла проблема с системой зарядки самолета Cessna 150. При работающем двигателе и выключенном главном выключателе (с обеих сторон) питание на шину оставалось. Я мог включать свет и авионику, даже управлять закрылками. Что бы я ни делал с главным выключателем, питание на шине всегда оставалось.
Проблема была решена только после того, как я отсоединил провод возбуждения от генератора. Конечно, после этого для питания автобуса остался только аккумулятор. Другими словами, мой регулятор напряжения выдавал напряжение на клемму «F», когда этого не должно было быть, фактически подавая ток на обмотку возбуждения генератора — генератор вышел из-под контроля. К счастью, двигатель работал только на холостом ходу, что предотвратило выдачу генератором достаточного напряжения для повреждения чего-либо. Замена неисправного регулятора решила проблему.
Эта интересная проблема преподала мне не только ценный урок, но и еще одну полезную предполетную проверку. Теперь перед каждым полетом я всегда на мгновение выключаю главный выключатель (с обеих сторон). Если питание остается на шине, я не полечу.
Хуже того, нет ручного способа отключить вышедший из-под контроля генератор во время полета, если главный выключатель не справляется со своей задачей. Необходимо отсоединить провод возбуждения или аккумулятора от генератора, а это значит, что для доступа к внутренним компонентам необходимо совершить посадку. Между тем, все устройства, питающиеся от шины, подвержены повреждению от высокого напряжения. Лампочки, индикаторы и авионика могут перегореть. Однако аккумулятор можно избежать перегрева, если главный контактор разомкнут (главный выключатель выключен).
Кроме того, подобное происшествие вызывает вопрос: что сделали конструкторы, чтобы предотвратить работу генератора на полную мощность из-за неисправности регулятора напряжения? Ничего. И на то есть веские причины. Если бы, например, переключатель на панели позволял пилоту вручную отключать питание обмотки возбуждения, возникли бы другие проблемы. Резкое прерывание тока возбуждения приводит к тому, что обмотки генератора создают «индуктивный выброс», достаточно сильный, чтобы вывести из строя твердотельную электронику. Ненадежное или загрязненное соединение может вызвать ту же проблему.
Если бы вместо этого использовался панельный выключатель для ручного отключения питания всего регулятора (клемма А), это привело бы к возникновению контактного сопротивления, колебаниям напряжения и мерцанию амперметра в системе. Лучше иметь стабильную и надежную конструкцию, чем искать способы избежать неприятностей, когда генератор выходит из строя.
Разное напряжение для разных потребителей
До сих пор мы полностью сосредоточивались на системе зарядки «типа B», используемой в 12-вольтовых конструкциях Cessna. Эта система характеризуется размещением регулятора напряжения между шиной питания и обмоткой возбуждения генератора. Таким образом, регулятор регулирует ток шины на одну сторону обмотки возбуждения, в то время как другая сторона постоянно заземлена на генераторе.
Конструкция типа «А», используемая, например, в более старых 12-вольтовых системах Grumman, характеризуется размещением стабилизатора напряжения между обмоткой возбуждения и землей. Таким образом, стабилизатор регулирует ток шины на одну сторону обмотки возбуждения, в то время как другая сторона постоянно подключена к шине.
Каждая из этих систем создает свои собственные проблемы. Например, короткое замыкание на массу типа «А» на проводе возбуждения генератора приведет к его работе в неконтролируемом режиме, обеспечивая максимальную выходную мощность.
И наоборот, короткое замыкание на массу типа B на проводе возбуждения генератора просто выключит его. Для того чтобы генератор вышел из-под контроля, необходимо короткое замыкание между шиной и обмоткой возбуждения (что крайне маловероятно) или неисправный регулятор напряжения (как в моем случае с Cessna 150).
Немногие отрасли стремятся к простоте или совместимости. 12-вольтовая система Piper отличается от системы Cessna. В более новых конструкциях регулятор напряжения встроен в генератор. А многие современные самолеты оснащены 24-вольтовыми системами, что создает путаницу и сложности для механиков, работающих с различными конструкциями.
Здесь нет места для подробного обсуждения каждой конструкции системы зарядки. Вместо этого мы рассмотрели только основы систем зарядки самолетов. Как только мы изучим систему зарядки, нам будет легко понять, как именно работает наша конкретная конструкция. И если с системой зарядки что-то пойдет не так, успех придет без необходимости замены всех компонентов системы.
