Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra ... 02.pdf · Airbus A330 13/ dr inż. Michał Michna...

Samolot bardziej elektryczny

dr inż. Michał Michna

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych


Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 2

System energetyczny współczesnych samolotów


Urządzenia elektryczne na pokładzie samolotu

Programy badawcze

Autonomiczne systemy elektroenergetyczne

Zastosowanie Moc [kW] Prędkość obrotowa [obr/min]

Samochód hybrydowy 30 – 130 0 – 13000

Mały generator wiatrowy 2 – 10 300 – 1700

Samolot 120 – 250 7500 – 23000

Agregat prądotwórczy (CHP) 1 – 150 2000 – 4000

pokładowe ASE – systemy mobilne znajdujące się na

samolotach, statkach i samochodach,

stacjonarne ASE – systemy służące do zasilania w

energie elektryczną budynków i domów


System energetyczny samolotu




Samolot konwencjonalny

Energia elektryczna

· awionika,

· pompy,

· odmrażanie,

· oświetlenie…

115VAC 230kVA

Energia hydrauliczna

· kontrola lotu,

· podwozie,

· hamulce,

· drzwi ...

206bar 250kW

Energia pneumatyczna

· klimatyzacja,

· sprężone powietrze,

· odladzanie,

· rozrusznik…

do 20bar1200kW

Energia mechaniczna

· silnik pomp paliwowych

· silnik pomp olejowych

· rozrusznik ...

100kW



Kontrola

lotu

Systemy

lądowania

Pompa

hydruliczna

Przekładnia

Generator

elektryczny

System

dystrybucji EE

Silniki

elektryczne

Odbiory

eletryczne

Silnik

głównyKompresor

Odladzanie

ECS

Energia

hydrauliczna

Energia

mechanicza

Energia

elektryczna

Energia

pneumatyczna

Samolot konwencjonalny

System Złożoność Konserwacja Rozwój technologii

Elektryczny złożony prosta zaawansowana/ w trakcie

rozwoju

Hydrauliczny prosty złożona i

niebezpieczna

zaawansowana

Mechaniczny bardzo złożony częsta, wolna bardzo zaawansowanaa

Pneumatyczny prosty złożona bardzo zaawansowana

System elektroenergetyczny


od 90kVA do 1.5MVA

500

1000

15000

DC Network

More Electrical Aircraft

Mo

c u

rzą

dze

ń e

lektr

yczn

ych

[kW

lu

b k

VA

] All Electrical Aircraft

AC & DC Network

Wielkość samolotu



Przek.

Przek.

CSD

GCU

reg.

CF AC Bus VF AC Bus 270VDC Bus 28VDC BusCF AC Bus

sterowniki napędów

GG G G GG

Generator

SystemCF AC Bus

GCU

reg.

115V AC, 3 fazy, 400Hz

115V AC, 3 fazy

380-760Hz znamionowe

270V DC 28V DC

GCU

reg.

Przek.

270V

DC

awaryjny

prądu

stałegoVF

DC LinkCyklo.CF/IDGCF/VSCF

Systemy AC Systemy DC



Typ generatora Samoloty cywilne Samoloty wojskowe

IDG/CF

115 VAC/400Hz

B777 2 x 120kVA

A340 4 x 90 kVA

B737NG 2 x 90 kVA

B747-X 4 x 120 kVA

B717 2 x 40 kVA

B767-400 2 x 120 kVA

VSCF (Cycloconverter)

115 VAC/400Hz F-18E/F 2 x 60/65 kVA

VSCF (DC link)

115 VAC/400Hz

B777 2 x 20 kVA

MD-90 2 x 75 kVA

VF

115 VAC/400-760Hz

A380 4 x 150 kVA

Global Ex 2 x 40 kVA

Horizon 2 x 20 kVA

Boeing JSF 2 x 50 kVA

VF

230 VAC/400-760Hz B787 4x250kVA

270 VDC LM F-22 Raptor 2 x 70 kVA

BJSF X-32A/B/C 2 x 50 kVA


Gdańsk 2011/12 dr inż. Michał Michna 11/<##>

G

ATRU

Regulator

generatora

(GCU)

Sterownie

rozdziałem

energii

Odbiory

dużej mocy

Główna

rozdzielnia

Rozdzielnia

Odbiory

Inne źródła energii

elektrycznejGCB BTB

Generowanie energii

elektrycznej

Główny rozdział

energii elektrycznej

Transformacja energii

elektrycznej

Rozdział energii

Generator

bezszczotkowy



AC/DC Konwersja

Baterie

Główne źródła energii AC

Dystrybucja: 28VDC

Dystrybucja AC 115VAC

Airbus A330


IDG 1

PumpPump

AccuAccu

RATRAT

AccuAccu

CSM/GCSM/G

TR 1TR 1

AC BUS 1 AC BUS 2

AC ESS BUS

ESS TRESS TR

STAT INV

DC ESS BUS

DC BUS 1 DC BUS 2

IDG 2

Pump

AccuAccuEXT

Engine 1 Engine 2

TR 2TR 2 APU TRAPU TR

APU

START

PumpPump PumpPump

APU

GEN

APU

GENBlue Green Yellow

BAT 1 BAT 2

H2 H3H1



Constant

Speed Drive

Syn

Gen

Integrated Drive Generator (CF)

Zmienna

prędkość

obrotowa 3 Phase

115VAC

400Hz

Constant frequency AC power is most commonly used on turbofan

aircraft today

System is expensive to purchase & maintain; primarily due to

complexity of Constant Speed Drive (CSD)

Single company monopoly on supply of CSD/IDG

Alternate methods of power generation are under consideration



Simplest form of generating power, cheapest and most reliable

Variable frequency has impact upon other aircraft subsystems

Motor controllers may be needed for certain aircraft loads

Beginning to be adopted for new programmes: gains outweigh

disadvantages

Syn

Gen

Variable Input

Shaft Speed 3 Phase

115VAC

360-800Hz

Variable Frequancy Generator



0,5

1,0

1,5Samolot Bardziej Elektryczny

More Electrical Aircraft

En

erg

ia E

lektr

yczn

a [M

W lu

b M

VA

]

Samolot elektryczny

All Electrical Aircraft

2,0

Airbus A380

2000 2015 2030

Boeing 787

Bez systemów

penumatycznych

Bez systemów

hydraulicznych

Silnik bardziej

elektryczny

Silnik

elektryczny



MEA – more electrical aircraft

Airbus A380

Boeing 787

Samolot bardziej elektryczny (B787)


Eliminacja systemu

pneumatycznego

Rozruch przez silniki

elektryczne 180kVA

Maty elektryczne

do odladzania skrzydeł

100kVA

Zaawansowany

technologicznie system

elektroenergetyczny

Elektryczne systemy

klimatyzacji oraz

utrzymania ciśnienia w

kabinie 500kVA

Pompy hydrauliczne

napędzane silnikami

elektrycznymi 4x100kVA



Hybrydowy system EE

235V AC, ± 270VDC, 28VDC

Zdalne sterowanie

dystrybucją energii

Kadłub

kompozytowy

APU

rozrusznik/generat

or

Elektryczne hamulce

Rozruch elektryczny

Generatory synchroniczne

VF

• 2x250kVA na silnik

• 2x225kVA APU

Przekształtniki

235AC na ± 270DC

3x gniazda

115VAC

do zasilana z

ziemi Układy

energoelektroniczne

chłodzone wodą

Układy zasilania i

sterowania silników

elektrycznych



Avionika

Podwozie

Generator

ElektrycznySystem EE

Silniki

elektryczne

Odbiorniki

Silnik

GłównyKompresor

Odladzanie

Klimatyzacja

Energia

elektryczna

Dodatkowa

energia

pneumatyczna

Lockheed F-22 Raptor




G

G

G

GAP

U

Silnik 2

2x250kVA

Starter/Gen

Silnik 1

2x250kVA

Starter/Gen

Prawy Przedni

Panel Dystrybucji

APU

2x225kVA

Starter/Gen

Lewy Przedni

Panel Dystrybucji

Chłodzenie

wodne

Pompa hydrauliczna napędzana

silnikiem elektrycznym (4)

G

GM

M

M

M

Prawy Przedni

Panel Dystrybucji

Lewy Przedni

Panel Dystrybucji

Chłodzenie

wodne

KlimaM

KlimaM

Sprężarka o napędzie elektrycznym

(4) do systemów klimatyzacji (2)

Jednostki dystrybucji

energii (21)

Airbus A380




wzrost całkowitej sprawności systemu

zmniejszenie wagi, objętości układów wykonawczych

zmniejszenie kosztów

zwiększenie niezawodności i bezpieczeństwa

zmniejszenie kosztów utrzymania i serwisu

zwiększenie funkcjonalności

łatwość implementacji

wykorzystanie technologii przyjaznych środowisku

Samolot z napędem elektrycznym


Maszyny elektryczne na

pokładzie samolotu

Generacja energii elektrycznej


Generacja energii elektrycznej


1 generator główny,

2 generator pomocniczy (auxiliary power unit APU),

3 generator bezpieczeństwa (ram air turbine RAT),

4 generator naziemny (ground power unit GPU)

Samolot konwencjonalny B777

Źródła energii:

Dwa generatory - 120 kVA, 115Vac, 400Hz

Jeden generator pomocniczy (APU) - 120 kVA, 115Vac,

400Hz

Cztery generatory z magnesami trwałymi 950 W

zintegrowane w dwa generatory zapasowe

Jedna turbina bezpieczeństwa 7.5kVA

Ram Air Turbine (RAT)

Gdańsk 2011/12 30 dr inż. Michał Michna


Typ generatora Samoloty cywilne Samoloty wojskowe

IDG/CF

115 VAC/400Hz

B777 2 x 120kVA

A340 4 x 90 kVA

B737NG 2 x 90 kVA

MD-12 4 x 120 kVA

B747-X 4 x 120 kVA

B717 2 x 40 kVA

B767-400 2 x 120 kVA

Do728 2 x 40 kVA

VSCF

(Cycloconverter)

115 VAC/400Hz

F-18E/F 2 x 60/65 kVA

VSCF (DC link)

115 VAC/400Hz

B777 2 x 20 kVA (Backup)

MD-90 2 x 75 kVA

VF

115 VAC/400-760Hz

Horizon 2 x 20/25 kVA

A380 4 x 150 kVA Boeing JSF 2 x 50 kVA

VF

230 VAC/400-760Hz B787 4x250kVA

270 VDC

LM F-22 Raptor 2 x 70 kVA

BJSF X-32A/B/C 2 x 50

kVA


Generator energii elektrycznej


MEA – główny generator


Generator synchroniczny

Stojan Wirnik wydatnobiegunowy


MAGNEŚNICA WYTWARZA STRUMIEŃ

WIRUJĄCY POLA WZBUDZENIA

TWORNIK WYTWARZA

STRUMIEŃ WIRUJĄCY POLA TWORNIKA

moc znamionowa 10 kVA napięcie twornika 3 x 231V prąd twornika 25 A

napięcie wzbudzenia 30 V prąd wzbudzenia 10 A

częstotliwość 50 Hz prędkość obrotowa 1500 obr/min masa 112 kg

Generator główny

Generator synchroniczny

90 kW

Hamilton Sundstrand,

Rockford, IL, U.S.A


Generator główny


Wirnik

Wirnik

Stojan

Stojan Stojan

Wirnik

Wirnik

Stojan

GCUNapięcie

przemienne ACNapięcie stałe DC

Trój fazowe

napięcie

generowane

o stałej

amplitudzie

Generator z magnesami

trwałymi

Wzbudnica z prostownikiem

na wirnikuGenerator główny

Generator główny


wzbudzenie

twornik

wzbudzenie

twornik

przed

wzbudnicawzbudnica

generator

synchroniczny

regulator


IDG

CSD

4500…

9000 r

pm

24000 r

pm

PMG Exciter Main

12000…

24000

rpm

VFG

PMG Exciter Main

4500…

9000 r

pm

Generator - wzbudnica hybrydowa


Wzbudzenie

elektromagnetyczne

(nieruchome)

Wzbudzenie o

magnesach trwałych

(nieruchome)

Twornik

(wirujący)

rm

ifE fEefE

a

bc

ia

ib

ic

D1 D3 D5

D4 D6 D2

ifG fG

ikd kd

ikq

kq

A

BC

iA

iB

iC

iLA

iLBiLC

ifPM fPM

Magneśnica

elektromagnetyczna

Analog elektryczny

magneśnicy z magnesami

trwałymi

Wzbudnica

bezszczotkowa

Obciążenie

Generator

pomocniczy

APU auxiliary power unit

Boeing 737

1. light switch

2. APU fuel line

3. generator,

4. oil filter

5. fuel nozzles

6. upper shroud

7. bleed air valve,

8. start motor,

9. oil tank,

10. bleed air manifold,

11. exhaust muffler


Generator

awaryjny

RAT ram air turbine

Airbus A320


Starter/generator


Wysokoobrotowy silnik z magnesami trwałymi

Starter/generator


MOET

More Open Electrical Technologies

www.eurtd.com/moet 2006-2009

Gdańsk 2011/12 51/<##> dr inż. Michał Michna

http://www.eurtd.com/moet

Electric engine start

Electric wing ice protection

All-electric air conditioning ±270V DC power system All-electric APU

Power electronics (liquid-cooled)

Electro-mechanical actuators

More-Electric Technology for Next-Generation Aircraft

www.moetproject.eu

Project co-funded by the European Commission within the Sixth Framework Programme


MOET


sterowanie bezczujnikowe wysokoobrotowej

maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi do

napędu w układach wentylacji, chłodzenia i

odladzania (Liebherr),

modelowanie pokładowego systemu generacji i

dystrybucji energii elektrycznej z uwzględnieniem

wysokoobrotowego generatora synchronicznego

(ThalesGroup) oraz układów transformacji napięcia

ATU + ATRU

(2) Thales.pdf

Modelowanie elementów systemu


Program symulacyjny

SYNOPSYS/SABER

Model w postacie wielowrotnika

Prostota użytkowania i

implementowania

poszczególnych elementów

systemu

Testowanie stabilności modeli

przed opublikowaniem

Model generatora


Koherencja

model behawioralny i pomiary


Test ring

Installation of a Variable

Frequency Starter

Generator on the

reversible drive stand


Literatura


Airbus A380 www.airbus.com/en/aircraftfamilies/a380/

Boeing 787 www.boeing.com/commercial/787family/index.html

Goodrich www.goodrich.com

Hamilton Sundstrand www.hamiltonsundstrand.com

MOET www.eurtd.com/moet/

Thales Group www.thalesgroup.com

The Joint Strike Fighter Program www.jsf.mil

http://www.airbus.com/en/aircraftfamilies/a380/

http://www.boeing.com/commercial/787family/index.html

J:/dokumenty/zajecia/2009_10/zima/skrypt - maszyny elektryczne/01 Samolot elektryczny - Michna/www.goodrich.com

J:/dokumenty/zajecia/2009_10/zima/skrypt - maszyny elektryczne/01 Samolot elektryczny - Michna/www.hamiltonsundstrand.com

http://www.eurtd.com/moet/

J:/dokumenty/zajecia/2009_10/zima/skrypt - maszyny elektryczne/01 Samolot elektryczny - Michna/www.thalesgroup.com

J:/dokumenty/zajecia/2009_10/zima/skrypt - maszyny elektryczne/01 Samolot elektryczny - Michna/www.jsf.mil

Dziękuję za uwagę


Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra ... 02.pdf · Airbus A330 13/ dr inż. Michał Michna...

Documents

Transcript of Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra ... 02.pdf · Airbus A330 13/ dr inż. Michał Michna...