SOBRE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE AVION10 de Enero de 2007
Ricardo Azcona FernándezEADS_CASA
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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
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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,..)
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¿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
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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
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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
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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..
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SISTEMA ELÉCTRICOCONCEPTOS GENERALESEurofighter
Typhoon
Regulador de velocidad constante (CSD)
f =n * p
60
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RAT
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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
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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
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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.
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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
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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,..
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Distribución centralizada
Distribución distribuida
DISTRIBUCION DE POTENCIA
evolución
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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
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CABLES Y SUS PROTECCIONES
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Protecciones actuales
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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
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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..
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¿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
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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
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1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos, neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos, electromecánicos o electrohidráulicos
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1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos, neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos, electromecánicos o electrohidráulicos
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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
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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
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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
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