Η Γεννήτρια του Αεροπλάνου

 

 Η έρευνα και η πρόοδος στο τομέα των πλήρως εξηλεκτρισμένων αεροπλάνων για πτήσεις μικρών αποστάσεων είναι συνεχής, έντονη και δίνονται αυξημένες προοπτικές για μεγάλη ζήτηση στον κλάδο.

Όμως τα σχέδια αυτά δεν είναι άμεσα υλοποιήσιμα κυρίως λόγω της αδυναμίας των σύγχρονων μπαταριών να παρέχουν πυκνότητα ισχύος συγκρίσιμη με εκείνη των καυσίμων.



Παρόλα αυτά οι ανάγκες των επιβατών των αεροπλάνων για ηλεκτρική ενέργεια αυξάνονται διαρκώς και έτσι αυξάνεται και η ανάγκη του αεροσκάφους να παράγει αποδοτικά την απαιτούμενη ενέργεια μιας και η χρήση μπαταριών δεν ενδείκνυται.

Κάποια ηλεκτρικά συστήματα των αεροπλάνων είναι συνεχούς ρεύματος και κάποια εναλλασσόμενου.

Τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα επίπεδα τάσης είναι 115 V AC και 28V DC. Οι γεννήτριες που χρησιμοποιούνται για να παραχθεί η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να μπορούν να υποστηρίξουν μεγάλα φορτία και πάντα είναι περισσότερες σε αριθμό από τις απαιτούμενες.

 Σκοπός αυτού του πλεονασμού είναι να εξασφαλίζεται απρόσκοπτα η παροχή του ρεύματος στο αεροσκάφος σε περίπτωση σφάλματος. Γενικότερα, οι ηλεκτρικές γεννήτριες που χρησιμοποιούνται σε αεροπορικές εφαρμογές μπορούν να χωριστούν στις εξής κατηγορίες:

 Γεννήτριες οδηγούμενες από τη μηχανή

Αναλυτικότερα, κάθε μια από τις μηχανές του αεροπλάνου συνδέεται με μια γεννήτρια παρέχοντας τη μηχανική ενέργεια που η γεννήτρια μετατρέπει σε ηλεκτρική.

Οι γεννήτριες αποτελούν τις βασικές μονάδες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας για το αεροσκάφος και υπό κανονικές συνθήκες πτήσης παρέχουν όλη την ενέργεια που αυτό χρειάζεται.

 Οι βοηθητικές μονάδες ισχύος χρησιμοποιούνται όταν το αεροσκάφος βρίσκεται στο έδαφος είτε πρόκειται για συντήρηση είτε για απλή στάση πριν τη πτήση καθώς και ως μίζες για την έναρξη της λειτουργίας των προωθητικών μηχανών. Βέβαια μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως βοηθητικές κατά την πτήση σε περίπτωση ανάγκης.
 Οι τουρμπίνες κρουστικού αέρα (ram air turbines) θα χρησιμοποιηθούν μόνο σε περίπτωση σφάλματος των κύριων γεννητριών ή των βοηθητικών. Οι μονάδες ισχύος εδάφους χρησιμοποιούνται αποκλειστικά κατά τη στάση του αεροπλάνου και συνήθως παρέχουν εναλλασσόμενο ρεύμα συνδεόμενα σε μια υποδοχή που βρίσκεται στο ρύγχος του αεροπλάνου.

Στη πλειοψηφία τους οι γεννήτριες που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές της αεροπορικής βιομηχανίας είναι σύγχρονες με τύλιγμα διέγερσης χωρίς ψύκτρες ή με χρήση μόνιμου μαγνήτη ως διέγερση. Ένας σημαντικός λόγος που μερικές φορές χρησιμοποιείται τύλιγμα διέγερσης είναι η δυνατότητα άμεσου τερματισμού της διέγερσης σε περίπτωση σφάλματος , κάτι μη εφικτό στην περίπτωση του μόνιμου μαγνήτη.

 Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται μηχανές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης (SRM) ως γεννήτριες.

Ως τυπικά χαρακτηριστικά στοιχεία των μηχανών αυτών μπορούν να αναφερθούν τα ακόλουθα.

 Οι αύλακες είναι έχουν σχήμα είτε οβάλ είτε τραπεζίου. Επίσης ο αριθμός αυλάκων ανά πόλο ανά φάση κυμαίνεται από 4 έως 10.

Ο υψηλός αριθμός αυλάκων ανά πόλο ανά φάση, όταν συνδυαστεί με τύλιγμα κλασματικού βήματος διπλής στρώσης, μειώνει την ύπαρξη ανώτερων αρμονικών χώρου που εμφανίζονται στην κυματομορφή της μαγνητικής ροής. Ακόμα οι ηλεκτρικές συχνότητες των αεροπορικών εφαρμογών είναι συχνά ιδιαίτερα υψηλές γι’ αυτό και δεν απαιτείται μεγάλος αριθμός σπειρών ανά πηνίο. Μάλιστα υπάρχουν και περιπτώσεις που τα πηνία αποτελούνται από μόνο μία σπείρα. Συνήθεις τιμές για τον αριθμό των πόλων του δρομέα είναι 2 έως 12. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται σύγχρονη γεννήτρια, οι πόλοι του δρομέα έχουν εξωτερικά ημίκλειστα αυλάκια στα οποία τοποθετούνται τυλίγματα απόσβεσης. Όσον αφορά τα υλικά, τόσο ο στάτης όσο και ο δρομέας κατασκευάζονται από ελάσματα σιδήρου-κοβαλτίου. Μιας και οι ταχύτητες περιστροφής είναι υψηλές συχνά τοποθετούνται μη μαγνητικά ελάσματα προκειμένου να συγκρατηθούν τα τμήματα του δρομέα. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα, το οποίο γίνεται εντονότερο όσο αυξάνεται η ισχύς της μηχανής, είναι η ψύξη.

Ιδιαίτερα στην περίπτωση σύγχρονων γεννητριών τυλιγμένου δρομέα το ζήτημα αυτό απαιτεί αρκετά σύνθετες λύσεις[9, 10, 11, 12]. Τα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται είναι συστήματα εξαναγκασμένης ροής αέρα ή λαδιού. Ειδικότερα, ως πλέον αποδοτική τακτική θεωρείται ο ψεκασμός με λάδι των τυλιγμάτων των μηχανών. Με αυτό το τρόπο μπορούν να απαχθούν αποδοτικά απώλειες ακόμα και σε περιπτώσεις που η πυκνότητα ρεύματος των τυλιγμάτων φτάσει τα 28 Α/mm2 [8].

Στην εικόνα  δίνεται αναλυτικά το σχεδιάγραμμα του ηλεκτρικού κυκλώματος της γεννήτριας. Παρατηρούμε ότι η διεγέρτρια μηχανή είναι ανεστραμμένη, δηλαδή η διέγερση με μόνιμο μαγνήτη βρίσκεται στο στάτη, ενώ το τύλιγμα τυμπάνου στο δρομέα. Το τύλιγμα τυμπάνου της διεγέρτριας συνδέεται με έναν ανορθωτή, ο οποίος βρίσκεται πάνω στον άξονα των γεννητριών και περιστρέφεται μαζί τους.

 Ο ανορθωτής παρέχει το συνεχές ρεύμα που απαιτεί η διέγερση της κύριας γεννήτριας. Συχνά μάλιστα χρησιμοποιείται και μια πολύ μικρής ισχύος μηχανή μονίμων μαγνητών με σκοπό τη διέγερση της διεγέρτριας.

Οι γεννήτριες των αεροσκαφών περιστρέφονται από τις στροβιλομηχανές-τουρμπίνες τους είτε με απευθείας σύνδεση στον ίδιο άξονα είτε μέσω κάποιου συστήματος μετάδοσης. Ο τρόπος σύνδεσης είναι ιδιαίτερα σημαντικός αν αναλογιστεί κανείς ότι οι ταχύτητες περιστροφής φτάνουν τις 27000 ΣΑΛ και η ισχύς έκαστης γεννήτριας μπορεί να είναι έως και 250kW.

 Η ταχύτητα περιστροφής αλλά και η συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος των γεννητριών μπορεί να είναι σταθερή ή μεταβαλλόμενη.

 Προκειμένου όμως να εξασφαλίσουμε απόλυτα έλεγχο στην συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος με το οποίο τροφοδοτούμε το δίκτυο είναι απαραίτητη η χρήση μετατροπέα ηλεκτρονικών ισχύος.

 Παλαιότερα που η χρήση ηλεκτρονικών ισχύος δεν ήταν τόσο διαδεδομένη για μεγάλες ισχείς χρησιμοποιούταν ένα σύνθετο υδραυλικό σύστημα προκειμένου να αφαιρείται ισχύς από τον άξονα της γεννήτριας και να παραμένει με αυτό τον τρόπο σταθερή η ηλεκτρική συχνότητα στην επιθυμητή τιμή.