Sistemas Electricos

 

SOBRE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE AVION 10 de Enero de 2007

Ricardo Azcona Fernández EADS_CASA

 

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. futuras. “More Electric” A/C to “All Electric “A/C “A/C

Pági Pá gina na 2

 

INTRODUCCION ¿Qué entendemos por Sistema Eléctrico de un avión? av ión? •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 control del del sistema (su software, sus comunicaciones,..) comunicaciones,..) •Equipos de tierra y de pruebas

•Protecciones del sistema •Cableado, conexionado, earthing, •otr •o tros os si sist stem emas as

•Sistemas de iluminac •Sistemas iluminación ión exter exterior ior y de cabinas cabinas •Calentadores (baterias, galleys, antivahos,..)

Pági Pá gina na 3

 

INTRODUCCION ¿Qué requerimientos específicos tienen los Sistema 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

Pági Pá gina na 4

 

EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

600 Vdc?

2020

All EA

2010

More EA

2000 270 Vdc

1990 1980

confort

1970

Armamento/EW

1960 115 Vac Radar/aviónica 28 Vdc 1940 p.autm 24 Vdc 1930 14 Vdc igniciónayudas 1950

1920 1910

IFE

TX/RX iluminación 1er a/c

Pági Pá gina na 5

FC IS/G SRM

HVDC VFVV,VFCV VSCF IDGs

Generadores auxiliares Generadores acoplados

aerogeneradores baterias

100 w 300 w 1 kw 10 Kw 30 Kw 100 Kw 200 Kw 500 Kw 1MW

 

EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

Power (kW)

High speed train

8-9 MW

10,000

High speed train new generation cruising speed: 350km/h - 15 MW Airbus A380 840 84 0 kV kVA A

1,000 Airbus A320 270 27 0 kV kVA A

All electric ship

Boeing 787 1,42 1, 425 5 kV kVA A

Tram-train 300 to 800 kW 720 kW for Lyon’s Citadis

3 to 15MW

More electric fighter aircraft Lockheed Martin F35  Around  Aroun d 240kW 240kW

100 Helicopters From a few kW to 100kW

RAH66 Comanc Comanche he poject poject : 60kW UAV

10 Satellites

From a few watts to a few dozens of kW 2000

Pági Pá gina na 6

From a few Watts to 50kW 45kVA for the Air Force’s UAV Predator B

2010

2020

 

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), (CSD), VSCF, VFVV, VFCV, RAT,H RAT,HVDC, VDC, S/G,I-S/G,FC,... -Según su función: •Generador primario, esencial, de emergencia, auxiliar, de tierra, -Según la plataforma: • Núm Número ero de gener generado adores, res, poten potencia cia,, refrigeración, fiabilidad,etc.. Pá Pági gina na 7

 

Regulador de velocidad constante (CSD) f=

n*p 60

SISTEMA ELÉCTRICO Eurofighter 

CONCEPTOS GENERALES

Typhoon

33

Pági Pá gina na 8

 

RAT

Pági Pá gina na 9

 

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

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

Tipos: •Baterías de plomo. 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. Li-Ion. Mayor densidad energética. Smart bateries. •Otras: Baterías térmicas, Págin Pá ginaa 10

 

GENERACION –Baterías-evolución Smaller     t    i   y   s 150   n   e    d 120   y   g   r   e   n   e   g 90   c   )    i   r    K    t    / 60   e   h   m    W    i   v   (   a   r 30    G

 o n  L i - - i i o

 C d  N i - - C

  r   e    t    h   g    i    L

  H    m m   i   N

 o  p l l o m  p  o m 100

200

300

Volumetric energy density (Wh/l)

Págin Pá ginaa 11

400

 

GENERACION –UNIDADES DE CONTROL •Funciones: •Control de la salida del generador en el punto de regulación (POR)con (Fr,elVolt,, fase,..) •3 interfaces generador •PMG, •salida trifasica, •entrada al excitador 

•Proteger al generador de alteraciones de voltaje,corriente y frecuenci •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. Pá Págin ginaa 12

 

Pá Págin ginaa 13

 

CONVERSION Tipos de conversión según arquitectura: •Transformadores 115VAc26VAc •TRU (115VAc28VDc) •Inversores 28VDc115VA 115VAc c ( motor motor-alte -alternador rnador,, estátic estático,..) o,..) •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

Pá Págin ginaa 14

 

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,.. Págin Pá ginaa 15

 

DISTRIBUCION DE POTENCIA

evolución

Distribución distribuida

Distribución centralizada

Págin Pá ginaa 16

 

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 Págin Pá ginaa 17

 

CABLES Y SUS PROTECCIONES

Págin Pá ginaa 18

 

Protecciones actuales

Págin Pá ginaa 19

 

 Aplicación de la Tecnología de estado sólido a la protección y control de cargas (SSPCs) ¿Qué aportan? •Sustituyen CBs+ relé •Conmutación controlada •Función de limitación de corriente (i2t) •Rearmado •Monitorización •Control remoto de estado •Reducción de peso y volumen •Mejora de fiabilidad

D P   O R  U  O T  T  P  E   U  C  T  T   S  E 

270Vdc BUSBAR 28Vdc

•Modulares y programables

BUSBAR

 AUX SUPPLY BUS 1553 “A” “ B ”

Págin Pá ginaa 20

1   5   5 

I i V  AUX in SUPPLY n

MASTER uC

 3  I    /   F 

uC

I o V To e m p

INTERNAL SERIAL BUS

# # N # 2 1

 

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.. Págin Pá ginaa 21

 

¿Cómo seleccionamos la arquitectura adecuada? 1.- Captura d de e requerim requerimiento iento de la aeronave aeronave (tipo de plataforma, plataforma, perfil de vuelo, misión tipo,..) 2.- Requerimi Requerimiento entos s de consu consumo, mo, tipo tipo y n neces ecesidad idades, es, calidad calidad y perfil perfil de Consumo. 3.- Aná Anális lisis is de de carga cargas s  dimensionam dimensionamiento iento de las fuentes. 4.- Requisitos d de e certificabilida certificabilidad, d, segurid seguridad ad y fiabilidad total del sistema sistema 5.- Requisitos Requisitos o opera perativos tivos y ambie ambientale ntales. s. 6.- Requisitos Requisitos de volum volumen en y peso peso.. 7.- Requisitos de mantenimiento, testabilidad e integridad.

Análisis Preliminar Hazard

Analisis

Esquemas de cargas Esquema unifilar  funcionales Dimensionado Diseño protecciones cableado Especificación Especificación Págin Pá ginaa 22

 

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  combustible Nuevos 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 Págin ginaa 23 Pá

 

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

Págin ginaa 24 Pá

 

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

Págin ginaa 25 Pá

 

2-Generación a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)  Ahorro en cableado  peso y volumen  combustible Nuevos materiales magnéticos integrados en eje motor  Busqueda de nuevos materiales: 1.- Mayor Mayores es velocidad velocidades es rotaciona rotacionales les 2.- Mayore Mayores s temperat temperaturas uras de trabajo trabajo 3.- PMGs Celdas de combustible: 1.- Como fuente fuente alterna alternativa/e tiva/emerge mergencia ncia 2.- Sus Sustitu titució ción n APU  AMB Controller with Engine Health Monitoring Power Transfer  Controller 

Combined, integral IPC AMB and Starter/Generatorr unit Starter/Generato

Págin ginaa 26 Pá

Función arrancador: 1.- Gene Generador rador/Arran /Arrancado cadorr externo (F-35, (F-35, B787) 2.- Int Integr egrado ado en el el motor  motor  Fan Shaft Generator 

Combined, integral HPC AMB and Motor/ Generator unit

 

CELDAS DE COMBUSTIBLE

+ 2  2 H 2 

  -

  e    4    +    +

   H    4    >   =    2    H    2

Págin ginaa 27 Pá

4 e-

0 2  2 

4H

A  n  o  d   e

P   o l    y  m  e r  E  l    e  c   t   r   o l    y   t    e M  e m

 C   a  t   h   o  d   e

 b  r   a n  e

Electrical load

   O    2    H    2    >   =     e    4    +    +

   H    4    +    2

   O

 

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

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

Págin ginaa 28 Pá