Samolot bardziej elektryczny

Samolot bardziej elektryczny Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych

Samolot bardziej elektryczny System energetyczny współczesnych samolotów Samolot bardziej elektryczny Urządzenia elektryczne na pokładzie samolotu Programy badawcze 2

Autonomiczne systemy elektroenergetyczne pokładowe ASE systemy mobilne znajdujące się na samolotach, statkach i samochodach, stacjonarne ASE systemy służące do zasilania w energie elektryczną budynków i domów 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 3

System energetyczny samolotu 4

System energetyczny samolotu Energia hydrauliczna kontrola lotu, podwozie, hamulce, drzwi... 206bar 250kW Energia pneumatyczna klimatyzacja, sprężone powietrze, odladzanie, rozrusznik do 20bar1200kW Energia elektryczna awionika, pompy, odmrażanie, oświetlenie 115VAC 230kVA Samolot konwencjonalny Energia mechaniczna silnik pomp paliwowych silnik pomp olejowych rozrusznik... 100kW 5

System energetyczny samolotu Kontrola lotu System Złożoność Konserwacja Rozwój technologii Elektryczny złożony prosta zaawansowana/ w trakcie rozwoju Hydrauliczny prosty złożona i zaawansowana niebezpieczna Mechaniczny bardzo złożony częsta, wolna bardzo zaawansowanaa Pneumatyczny Systemy lądowania prosty złożona bardzo zaawansowana Samolot konwencjonalny Pompa hydruliczna Energia hydrauliczna Odladzanie Energia mechanicza Przekładnia Silnik główny Kompresor Energia pneumatyczna Generator elektryczny System dystrybucji EE Energia elektryczna ECS Silniki elektryczne Odbiory eletryczne 6

System elektroenergetyczny Moc urządzeń elektrycznych [kw lub kva] 15000 1000 500 All Electrical Aircraft More Electrical Aircraft AC & DC Network DC Network Wielkość samolotu od 90kVA do 1.5MVA 7

System elektroenergetyczny 8

System elektroenergetyczny Generator CF/IDG CSD G Systemy AC CF/VSCF Cyklo. G G G G G Przek. DC Link VF Systemy DC 270V DC awaryjny prądu stałego System GCU reg. CF AC Bus Przek. GCU reg. CF AC Bus CF AC Bus VF AC Bus 270VDC Bus 28VDC Bus 115V AC, 3 fazy 270V DC 28V DC 380-760Hz znamionowe sterowniki napędów 115V AC, 3 fazy, 400Hz GCU reg. Przek. 9

System elektroenergetyczny Typ generatora Samoloty cywilne Samoloty wojskowe IDG/CF 115 VAC/400Hz VSCF (Cycloconverter) 115 VAC/400Hz VSCF (DC link) 115 VAC/400Hz VF 115 VAC/400-760Hz VF 230 VAC/400-760Hz 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 B777 2 x 20 kva MD-90 2 x 75 kva A380 4 x 150 kva Global Ex 2 x 40 kva Horizon 2 x 20 kva B787 4x250kVA F-18E/F 2 x 60/65 kva Boeing JSF 2 x 50 kva 270 VDC LM F-22 Raptor 2 x 70 kva BJSF X-32A/B/C 2 x 50 kva 10

System elektroenergetyczny Regulator generatora (GCU) Sterownie rozdziałem energii G GCB Generator bezszczotkowy BTB Inne źródła energii elektrycznej Główna rozdzielnia Generowanie energii elektrycznej Główny rozdział energii elektrycznej Odbiory dużej mocy ATRU Transformacja energii elektrycznej Rozdzielnia Rozdział energii Odbiory 11/<##>

System elektroenergetyczny Baterie Dystrybucja: 28VDC AC/DC Konwersja Dystrybucja AC 115VAC Główne źródła energii AC 12

Airbus A330 Engine 1 Engine 2 Pump RAT Pump IDG 1 Pump Pump IDG 2 Accu Accu APU EXT CSM/G Blue Green GEN Yellow H1 H2 H3 Accu AC BUS 1 AC BUS 2 AC ESS BUS TR 1 ESS TR TR 2 APU TR STAT INV DC ESS BUS DC BUS 1 DC BUS 2 BAT 1 BAT 2 APU START 13/<##>

System elektroenergetyczny Zmienna prędkość obrotowa Constant Speed Drive Syn Gen 3 Phase 115VAC 400Hz Integrated Drive Generator (CF) 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 14

System elektroenergetyczny Variable Input Shaft Speed Syn Gen 3 Phase 115VAC 360-800Hz Variable Frequancy Generator 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 16

Samolot bardziej elektryczny Energia Elektryczna [MW lub MVA] 2,0 1,5 1,0 0,5 Samolot Bardziej Elektryczny More Electrical Aircraft Airbus A380 Samolot elektryczny All Electrical Aircraft Boeing 787 Bez systemów penumatycznych Bez systemów hydraulicznych Silnik bardziej elektryczny Silnik elektryczny 2000 2015 2030 17

Samolot bardziej elektryczny MEA more electrical aircraft Airbus A380 Boeing 787 18

Samolot bardziej elektryczny (B787) Rozruch przez silniki elektryczne 180kVA Maty elektryczne do odladzania skrzydeł 100kVA Pompy hydrauliczne napędzane silnikami elektrycznymi 4x100kVA Elektryczne systemy klimatyzacji oraz utrzymania ciśnienia w kabinie 500kVA Eliminacja systemu pneumatycznego Zaawansowany technologicznie system elektroenergetyczny 19

Samolot bardziej elektryczny (B787) Hybrydowy system EE 235V AC, ± 270VDC, 28VDC Zdalne sterowanie dystrybucją energii Generatory synchroniczne VF 2x250kVA na silnik 2x225kVA APU Przekształtniki 235AC na ± 270DC 20 Kadłub kompozytowy APU rozrusznik/generat or Elektryczne hamulce Układy zasilania i sterowania silników elektrycznych Rozruch elektryczny 3x gniazda 115VAC do zasilana z ziemi Układy energoelektroniczne chłodzone wodą

Samolot bardziej elektryczny Odbiorniki Silniki elektryczne Odladzanie Energia elektryczna System EE Generator Elektryczny Silnik Główny Kompresor Dodatkowa energia pneumatyczna Klimatyzacja Podwozie Avionika 21

Lockheed F-22 Raptor 22/<##>

Samolot bardziej elektryczny (B787) Pompa hydrauliczna napędzana silnikiem elektrycznym (4) Silnik 2 2x250kVA Starter/Gen G G M Jednostki dystrybucji energii (21) APU 2x225kVA Starter/Gen Prawy Przedni Panel Dystrybucji Lewy Przedni Panel Dystrybucji Chłodzenie wodne M M Klima Klima M M Prawy Przedni Panel Dystrybucji Lewy Przedni Panel Dystrybucji Chłodzenie wodne APU G G Silnik 1 2x250kVA Starter/Gen G G M Sprężarka o napędzie elektrycznym (4) do systemów klimatyzacji (2) 23

Samolot bardziej elektryczny (B787) 24

Airbus A380 25

Samolot bardziej elektryczny 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 26

Samolot z napędem elektrycznym 27/<##>

Maszyny elektryczne na pokładzie samolotu Generacja energii elektrycznej 28

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) 29

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) dr inż. Michał Michna 30

System elektroenergetyczny 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 VF 115 VAC/400-760Hz VF 230 VAC/400-760Hz 270 VDC B777 2 x 20 kva (Backup) MD-90 2 x 75 kva Horizon 2 x 20/25 kva A380 4 x 150 kva B787 4x250kVA Boeing JSF 2 x 50 kva LM F-22 Raptor 2 x 70 kva BJSF X-32A/B/C 2 x 50 kva 31

Generator energii elektrycznej 32

MEA główny generator 33/<##>

MEA główny generator 34/<##>

MEA główny generator 35/<##>

MEA główny generator 36/<##>

Generator synchroniczny Stojan Wirnik wydatnobiegunowy TWORNIK WYTWARZA STRUMIEŃ WIRUJĄCY POLA TWORNIKA MAGNEŚNICA WYTWARZA STRUMIEŃ WIRUJĄCY POLA WZBUDZENIA 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 37

Generator główny Generator synchroniczny 90 kw Hamilton Sundstrand, Rockford, IL, U.S.A 38

Generator główny Napięcie przemienne AC GCU Napięcie stałe DC Trój fazowe napięcie generowane o stałej amplitudzie Generator z magnesami trwałymi Stojan Wirnik Wirnik Stojan Wzbudnica z prostownikiem na wirniku Stojan Wirnik Wirnik Stojan Generator główny 39

Generator główny regulator wzbudzenie wzbudzenie twornik przed wzbudnica wzbudnica twornik generator synchroniczny 40

12000 24000 rpm 4500 9000 rpm CSD 24000 rpm 4500 9000 rpm PMG Exciter Main IDG PMG Exciter Main VFG 41

MEA główny generator 42

MEA główny generator 43/<##>

MEA główny generator 44/<##>

MEA główny generator 45/<##>

Generator - wzbudnica hybrydowa Magneśnica elektromagnetyczna Wzbudnica bezszczotkowa e fe c ic i fe i fpm fe a ia ib fpm b D1 D3 D5 D4 D6 D2 i fg i kd fg kd rm Wzbudzenie o magnesach trwałych (nieruchome) Wzbudzenie elektromagnetyczne (nieruchome) Twornik (wirujący) Analog elektryczny magneśnicy z magnesami trwałymi A kq i kq C i A i LA i i C LB i i LC B B Obciążenie 46

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 47

Generator awaryjny RAT ram air turbine Airbus A320 48

Starter/generator Wysokoobrotowy silnik z magnesami trwałymi 49

Starter/generator 50

MOET More Open Electrical Technologies www.eurtd.com/moet 2006-2009 51/<##>

www.moetproject.eu More-Electric Technology for Next-Generation Aircraft Electro-mechanical actuators Electric wing ice protection Power electronics (liquid-cooled) All-electric APU ±270V DC power system All-electric air conditioning Electric engine start 52 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 53

Modelowanie elementów systemu Program symulacyjny SYNOPSYS/SABER Model w postacie wielowrotnika Prostota użytkowania i implementowania poszczególnych elementów systemu Testowanie stabilności modeli przed opublikowaniem 55

Model generatora 56

Koherencja model behawioralny i pomiary 57

Test ring Installation of a Variable Frequency Starter Generator on the reversible drive stand 58

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 59

Dziękuję za uwagę 60