SOBRE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE AVION10 de Enero de 2007

Ricardo Azcona FernándezEADS_CASA

Página 2

Contenido

• Introducción• Evolución histórica de los sistemas eléctricos• Generación• Regulación, conversión, distribución y control• Los cables y su protección.• Cargas y consumidores• Definición de la arquitectura del sistema• Tendencias futuras. “More Electric” A/C to “All Electric “A/C

Página 3

INTRODUCCION¿Qué entendemos por Sistema Eléctrico de un avión?

•Generar, acondicionar, convertir, distribuir energía eléctrica

•Dentro de los sistemas “tradicionales” es el de mayor potencial de desarrollo tecnológico marcado por

•Incremento de potencia•Requisitos de reducción de peso combustible•Componentes de estado sólido en la electrónica de potencia•Nuevos materiales magnéticos•Nuevos sistemas y tecnologías (Fuel Cell, HVDC,..)

•Equipos que lo componen•Máquinas generadoras, conversores, transformadores, ..•Barras , contactores de unión y entrada en línea generadores.•Unidades de control del sistema (su software, sus comunicaciones,..)•Equipos de tierra y de pruebas

•Protecciones del sistema•Cableado, conexionado, earthing, •otros sistemas

•Sistemas de iluminación exterior y de cabinas•Calentadores (baterias, galleys, antivahos,..)

Página 4

¿Qué requerimientos específicos tienen losSistema Eléctrico de un avión?

•Tipos de plataformas

•Aviones militares•Aviones civiles•Aviones no tripulados (UAV)•Bancos de ensayo

•Requerimientos específicos

•Operativos, aeronavegabilidad y de certificación•Ambientales, aceleraciones, vibraciones, peso, volumen, fiabilidad, interferencias, altitud, presión, refrigeración, mantenimiento, admósfera explosivas, etc

INTRODUCCION

Página 5

EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

TX/RXignición

iluminación

19401930

1910 1er a/c1920

195019601970

ayudasp.autm

Radar/aviónica

Armamento/EW

1980

100 w 300 w 1 kw 10 Kw

1990

30 Kw 100 Kw

2000

200 Kw

20102020

More EA

All EA

500 Kw 1MW

IFE

confort

bateriasaerogeneradores

Generadores acoplados

Generadores auxiliares

IDGs

HVDCVFVV,VFCV

VSCF

SRMIS/G

14 Vdc24 Vdc

28 Vdc115 Vac

270 Vdc

600 Vdc?FC

Página 6

EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

2010 2020

100

1,000

10,000

2000

Power (kW)

10

SatellitesFrom a few watts to

a few dozens of kW

High speed train new generation cruising speed: 350km/h - 15 MW

All electric ship 3 to 15MWAirbus A380

840 kVA

UAVFrom a few Watts to 50kW45kVA for the Air Force’s UAV Predator B

HelicoptersFrom a few kW to 100kW

RAH66 Comanche poject : 60kW

More electric fighter aircraftLockheed Martin F35Around 240kW

Boeing 7871,425 kVA

High speed train 8-9 MW

Airbus A320 270 kVA

Tram-train300 to 800 kW

720 kW for Lyon’s Citadis

Página 7

GENERACION –maquinas eléctricas

-Según el tipo de voltaje:•AC (115/400Hz), AC (230/400 Hz), AC (115/WF), DC (28 Vdc), DC 270 Vdc,..

-Según el tipo de máquina eléctrica:• IDG (CSD), VSCF, VFVV, VFCV, RAT,HVDC, S/G,I-S/G,FC,...

-Según su función:•Generador primario, esencial, de emergencia, auxiliar, de tierra,

-Según la plataforma:• Número de generadores, potencia, refrigeración, fiabilidad,etc..

Página 833

SISTEMA ELÉCTRICOCONCEPTOS GENERALESEurofighter

Typhoon

Regulador de velocidad constante (CSD)

f =n * p

60

Página 9

RAT

Página 10

GENERACION –Baterías

Tipos:•Baterías de plomo. Muy robustas y económicas•Baterias de Ni-Cd . Mejor eficiencias y densidad energetica,prestaciones a bajas temperaturas. No podemos conocer capacidad•Baterias de Li-Ion. Mayor densidad energética. Smart bateries.

•Otras: Baterías térmicas,

Caracteristicas de las batería de avión.•Condiciones de trabajo extremas de Tª, vibraciones,..•Entrega instantánea de potenia•Bajo mantenimiento•Seguridad en vuelo

Funciones.•Como fuente auxiliar y emergencia•Para arranque de motores y APU•Como fuente para operaciones de mantenimiento

Página 11

30

60

90

120

150

100 200 300 400

Li-ion

NimH

Ni-Cd

Smaller

Ligh

ter

GENERACION –Baterías-evolución

Volumetric energy density (Wh/l)

Gra

vim

etric

ene

rgy

dens

ity

(Wh/

Kg)

plomo

Página 12

GENERACION –UNIDADES DE CONTROL

•Funciones:•Control de la salida del generador en el punto de regulación (POR) (Fr, Volt,, fase,..)

•3 interfaces con el generador •PMG, •salida trifasica, •entrada al excitador

•Proteger al generador de alteraciones de voltaje,corriente y frecuencia..•Funciones de BIT•Control de comunicaciones •Control del sistema.•Control de la calidad en la red

•TIPOS:•Integrados en el propio generador•Como unidad exterior•Con software de control del sistema.

Página 13

Página 14

CONVERSION

Tipos de conversión según arquitectura:

•Transformadores 115VAc 26VAc

•TRU (115VAc 28VDc)

•Inversores 28VDc 115VAc ( motor-alternador, estático,..)

•Convertidores (DC-DC) como reguladores o estabilizadores de tensión.

•Convertidores asociados a las nuevas tendencias. Filtros activos y pasivos para nuevos actuadores

•Cargadores de baterías

Página 15

DISTRIBUCION DE POTENCIA

Distribución primaria: •Salida del generador, barras de distribución, contactores, unidades de tranformación, protección de barras (fusibles)

Distribución secundaria:•Tensión transformada, barras de distribución, contactores, Circuit Breakers,

Cableado: •Incluye no sólo de alimentación sino bus datos (1553, Buscan, Smbus,..)•Dimensionado, agrupación, segregación•Bonding y Earthing

Protecciones: •Se protege al cableado no el equipo.•Fusibles, CBs, Limitadores de corriente, supresores de transitorios de tensión, correctores de f.p., proteción contra arcos,..

Página 16

Distribución centralizada

Distribución distribuida

DISTRIBUCION DE POTENCIA

evolución

Página 17

CABLES Y SUS PROTECCIONES

Características peculiares de cableado aeronáutico •Reducido espacio dimensionamiento del cable, mazos.

•Criterios severos de reducción de peso y volumen

•Atmósferas explosivas y fluidos corrosivos arcos

•Poco refrigeración a altas altitudes baja densidad

•Estricto control de configuración control de cambios

•Tensión de prueba 2 x Vn +1000 V tolerancia, picos y deterioro mantenimiento

•Niveles de EMC

•Conductores de cobre o aluminio radios de flexión y torsión del cable

•Criterios de segregación

Página 18

CABLES Y SUS PROTECCIONES

Página 19

Protecciones actuales

Página 20

Aplicación de la Tecnología de estado sólido ala protección y control de cargas (SSPCs)

¿Qué aportan?•Sustituyen CBs+ relé•Conmutación controlada•Función de limitación de corriente (i2t)•Rearmado•Monitorización de estado•Control remoto•Reducción de peso y volumen•Mejora de fiabilidad•Modulares y programables

MASTER uC

AUXSUPPLY

1553 I/F

uCAUX

SUPPLY

Vin

Iin

IoVoTemp

#1

#2

#N

270Vdc BUSBAR

BUS 1553

“A”“B”

PR

OTE

CTE

D O

UTP

UTS

INTERNAL SERIAL

BUS

28Vdc BUSBAR

Página 21

CARGAS (Consumidores)

•Deben de ser capaces de trabajar a los valores suministrados por la red en cualquier condición y no deben perturbar la calidad de la red.

•El diseño del equipo eléctrico es un compromiso entre el volumen del equipo, la capacidad de disipación y la fiabilidad que se quiere conseguir

•Para el dimensionamiento de las fuentes, se han de considerar tanto el consumo continuo como el máximo de pico en cada condición operativa del avión

•Las cargas se han de definir según su criticidad (tanto de seguridad en vuelo como de misión) y su operatividad (en tierra,en emergencia, etc..

Página 22

¿Cómo seleccionamos la arquitectura adecuada?

1.- Captura de requerimiento de la aeronave (tipo de plataforma, perfil de vuelo, misión tipo,..)2.- Requerimientos de consumo, tipo y necesidades, calidad y perfil de Consumo.3.- Análisis de cargas dimensionamiento de las fuentes.4.- Requisitos de certificabilidad, seguridad y fiabilidad total del sistema5.- Requisitos operativos y ambientales.6.- Requisitos de volumen y peso.7.- Requisitos de mantenimiento, testabilidad e integridad.

Analisis de cargas Esquema unifilar

Esquemasfuncionales

Análisis Preliminar Hazard

Diseñocableado

Dimensionadoprotecciones

EspecificaciónSistemas

Especificaciónequipos

Página 23

TENDENCIAS FUTURAS

MEA “More electric aircraft” AEA “All Electric Aircraft

1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos, neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos, electromecánicos o electrohidráulicos

2-Generación a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)Ahorro en cableado peso y volumen combustibleNuevos materiales magnéticos integrados en eje motor

3-Tecnología de estado sólido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados a la transformación y distribución. Control inteligente de cargas. Ahorro en cableado peso y volumen combustible

Página 24

1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos, neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos, electromecánicos o electrohidráulicos

Página 25

1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos, neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos, electromecánicos o electrohidráulicos

Página 26

2-Generación a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)Ahorro en cableado peso y volumen combustibleNuevos materiales magnéticos integrados en eje motor

Busqueda de nuevos materiales:1.- Mayores velocidades rotacionales 2.- Mayores temperaturas de trabajo3.- PMGs

Celdas de combustible:1.- Como fuente alternativa/emergencia2.- Sustitución APU

Función arrancador:1.- Generador/Arrancador externo (F-35, B787)2.- Integrado en el motor

Combined, integral HPC AMB and Motor/ Generator unit

Power TransferController

AMB Controller withEngine Health Monitoring

Fan Shaft GeneratorCombined, integralIPC AMB and

Starter/Generator unit

A vision of a more electric engine using Health Monitoring

Página 27

Anode

Cathode

Electrical load

2 H2 02

Polymer Electrolyte M

embrane

4 e-

4 H+

2H2=

> 4

H+

+ 4

e-

O2 +

4H+

+ 4e

-=>

2H

2O

CELDAS DE COMBUSTIBLE

Página 28

3-Tecnología de estado sólido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados a la transformación y distribución. Control inteligente de cargas. Ahorro en cableado peso y volumen combustible

•SSPCs = CBs + relés•Ahorro 30% cableado•Manejo inteligente de cargas•Integridad con el resto de sistemas