Samolot bardziej elektryczny

dr inż. Michał Michna

Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 2

System energetyczny współczesnych samolotów

Samolot bardziej elektryczny

Urządzenia elektryczne na pokładzie samolotu

Programy badawcze, konferencje

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

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 3

System energetyczny samolotu

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 4

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

System energetyczny samolotu

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 5

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

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 6

0 200 400 600 800 1000 1200

Caravelle

Concorde

B747

A320

A340-200/300

A330

B777

B737-NG

B767-400

A340-500/600

A380

B787

A350

zainstalowana moc elektryczna [kVA]

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 7

Caravelle

Concorde

B747

A320

A340-200/300

A330

B777

B737-NG

B767-400

A340-500/600

A380

B787

A350

0

200

400

600

800

1000

1200

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Zain

sta

low

an

a m

oc e

lektr

yczn

a [

kV

A]

Pierwszy lot

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 8

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 9

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

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 10

AC/DC Konwersja

Baterie

Główne źródła energii AC

Dystrybucja: 28VDC

Dystrybucja AC 15VAC/400Hz

Pokładowy ASE – Airbus A330

11 Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 12

Airbus A380

Boeing 787

Airbus A350 XWB

Pokładowy ASE

13

E Energia elektryczna

P Energia pneumatyczna

H Energia hydrauliczna

M Energia mechaniczna

1 2 3

Awionika E E E

Pompy paliwa E E E

Oświetlenie E E E

Akcesoria

pokładowe

E E E

Rozruch P E E

ECS P E E

Odladzanie P E E

Hamowanie H H E

Sterowanie lotem H E E

Podwozie H E E

Turbowentylator M M E

1 Konwencjonalny

2

Samolot bardziej elektryczny

(More Electric Aircraft –

MEA)

3 Samolot elektryczny

(All Electric Aircraft – AEA)

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna

Samolot bardziej elektryczny

Airbus A380

2 systemy hydrauliczne

2 systemy elektryczne – 115VAC, VFG

System pneumatyczny

Boeing 787

3 systemy hydrauliczne (kontrola lotu)

bez systemy pneumatycznego (bleedless)

System elektryczny 230VAC, VFG – rozruch, odladzanie,

hamowanie

Airbus A350XWB

2 systemy hydrauliczne

2 systemy elektryczne – 230VAC, VFG

System pneumatyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 14

Samolot bardziej elektryczny (B787)

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 15

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

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 16

Avionika

Podwozie

Generator

ElektrycznySystem EE

Silniki

elektryczne

Odbiorniki

Silnik

GłównyKompresor

Odladzanie

Klimatyzacja

Energia

elektryczna

Dodatkowa

energia

pneumatyczna

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 17

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

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 18

http://gm-volt.com/2012/03/30/the-all-electric-boeing-787/

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 19

http://gm-volt.com/2012/03/30/the-all-electric-boeing-787/

Samolot bardziej elektryczny (B787)

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 20

Samolot bardziej elektryczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 21

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

Maszyny elektryczne na

pokładzie samolotu

Generacja energii elektrycznej

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 22

Generacja energii elektrycznej

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 23

1 generator główny,

2 generator pomocniczy (auxiliary power unit APU),

3 generator bezpieczeństwa (ram air turbine RAT),

4 generator naziemny (ground power unit GPU)

Generator energii elektrycznej

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 24

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 25/<##>

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 26/<##>

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 27/<##>

Generator synchroniczny

Stojan Wirnik wydatnobiegunowy

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 28

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

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 29

Generator główny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 30

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

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 31

IDG

CSD

4500…

9000 r

pm

24000 r

pm

PMG Exciter Main

12000…

24000

rpm

VFG

PMG Exciter Main

4500…

9000 r

pm

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 32

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 33/<##>

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 34/<##>

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 35/<##>

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

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 36

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 37

Generator pomocniczy APU

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 38

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 39

Generator

awaryjny

RAT ram air turbine

Airbus A320

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 40

Literatura

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 41

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

Projekty Europejskie

MOET, CleanSky

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 42

MOET

More Open Electrical Technologies

www.eurtd.com/moet 2006-2009

Gdańsk 2012/13 43/<##> dr inż. Michał Michna

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

Gdańsk 2012/13 44 dr inż. Michał Michna

MOET

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 45

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

Modelowanie elementów systemu

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 46

Program symulacyjny

SYNOPSYS/SABER

Model w postacie wielowrotnika

Prostota użytkowania i

implementowania

poszczególnych elementów

systemu

Testowanie stabilności modeli

przed opublikowaniem

Model generatora

Gdańsk 2012/13 47 dr inż. Michał Michna

Koherencja

model behawioralny i pomiary

Gdańsk 2012/13 48 dr inż. Michał Michna

Test ring

Installation of a Variable

Frequency Starter

Generator on the

reversible drive stand

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 49

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 50

Electrical system architecture

Generators (main, APU, fuel cells,

hybrid systems, …)

Electrical network, harness

Actuators systems and devices

Electrical system control and

devices

Power electronics and integration

Energy storage

Specific structure interactions like

EMC, lightning or thermal effects,

and mitigation

Protection components & devices

Wireless and optical options

Failure management aspects,

health monitoring

Potential impact for MRO, ground

support and equipments

Dziękuję za uwagę

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 51

Samolot bardziej elektryczny (B787)

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 61

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

Starter/generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 68

Wysokoobrotowy silnik z magnesami trwałymi

Starter/generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 69

MEA – główny generator

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 71/<##>

System energetyczny samolotu

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 73

Samolot konwencjonalny

System energetyczny samolotu Konwencjonalny MEA AEA

Awionika

Pompy paliwa

Oświetlenie

Entertainment

Rozruch

ECS

Odladzanie

Hamowanie

Sterowanie lotem

Podwozie

Śmigło

E. Elektryczna E. Pneumatyczna E. Hydrauliczna E. Mechaniczna

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 74

A 747-400 has 171 miles (274 km) of wiring

787 60 miles

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 76

System elektroenergetyczny

Gdańsk 2012/13 dr inż. Michał Michna 77

500

1000

15000

System DC

Samolot Bardziej Elektryczny

More Electrical Aircraft

Mo

c e

lektr

yczn

a [kW

lu

b k

VA

]

Samolot Elektryczny

All Electrical Aircraft

System AC & DC

Wielkość samolotuod 90kVA do 1.5MVA