Samolot bardziej elektryczny - Wydział Elektrotechniki i Automatyki

advertisement
Samolot bardziej elektryczny
dr inż. Michał Michna
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System energetyczny samolotu
4
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
Energia mechaniczna
· silnik pomp paliwowych
· silnik pomp olejowych
· rozrusznik ...
100kW
Samolot konwencjonalny
5
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System energetyczny samolotu
Kontrola
lotu
System
Elektryczny
Złożoność
złożony
Konserwacja
prosta
Hydrauliczny
prosty
Mechaniczny
Systemy
Pneumatyczny
lądowania
bardzo złożony
prosty
złożona i
niebezpieczna
częsta, wolna
złożona
Pompa
hydruliczna
Energia
mechanicza
Przekładnia
Energia
hydrauliczna
Silnik
główny
Rozwój technologii
zaawansowana/ w trakcie
rozwoju
zaawansowana
bardzo zaawansowanaa
bardzo zaawansowana
Samolot konwencjonalny
Odladzanie
Kompresor
Energia
pneumatyczna
Generator
elektryczny
System
dystrybucji EE
Silniki
elektryczne
6
Energia
elektryczna
ECS
Odbiory
eletryczne
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Moc urządzeń elektrycznych [kW lub kVA]
System elektroenergetyczny
All Electrical Aircraft
15000
More Electrical Aircraft
1000
AC & DC Network
500
DC Network
Wielkość samolotu
od 90kVA do 1.5MVA
7
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
8
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
Systemy AC
Systemy DC
CF/VSCF
Generator
CF/IDG
Cyklo.
DC Link
CSD
G
G
G
VF
270V
DC
awaryjny
prądu
stałego
G
G
G
Przek.
Przek.
GCU
reg.
GCU
reg.
Przek.
GCU
reg.
System
CF AC Bus
CF AC Bus
CF AC Bus
115V AC, 3 fazy, 400Hz
9
VF AC Bus
115V AC, 3 fazy
380-760Hz znamionowe
sterowniki napędów
dr inż. Michał Michna
270VDC Bus
270V DC
28VDC Bus
28V DC
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
Typ generatora
Samoloty cywilne
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
VF
230 VAC/400-760Hz
270 VDC
10
Samoloty wojskowe
Boeing JSF 2 x 50 kVA
B787 4x250kVA
LM F-22 Raptor 2 x 70 kVA
BJSF X-32A/B/C 2 x 50 kVA
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
Regulator
generatora
(GCU)
Sterownie
rozdziałem
energii
Odbiory
dużej mocy
G
Generator
bezszczotkowy
GCB
Generowanie energii
elektrycznej
Inne źródła energii
elektrycznej
Główny rozdział
BTB Główna
energii elektrycznej
rozdzielnia
Transformacja energii
elektrycznej
ATRU
Rozdzielnia
Rozdział energii
Odbiory
11/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
Baterie
Dystrybucja: 28VDC
AC/DC Konwersja
Dystrybucja AC 115VAC
Główne źródła
energii AC
12
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Airbus A330
Engine 1
Engine 2
Pump
RAT
Pump
IDG 1
IDG 2
Pump
Accu
Pump
Accu
Accu
Blue
Green
H1
H2
EXT
APU
GEN
CSM/G
Yellow
H3
AC BUS 1
AC BUS 2
AC ESS BUS
TR 1
TR 2
APU TR
ESS TR
STAT INV
DC ESS BUS
DC BUS 1
DC BUS 2
BAT 1
13/<##>
APU
START
BAT 2
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Energia Elektryczna [MW lub MVA]
Samolot bardziej elektryczny
Samolot elektryczny
All Electrical Aircraft
2,0
1,5
Silnik
elektryczny
Silnik bardziej
elektryczny
Bez systemów
hydraulicznych
Samolot Bardziej Elektryczny
More Electrical Aircraft
Bez systemów
penumatycznych
1,0
Boeing 787
Airbus A380
0,5
17
2000
2015
dr inż. Michał Michna
2030
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny
MEA – more electrical aircraft
Airbus A380
Boeing 787
18
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny (B787)
Maty elektryczne
do odladzania skrzydeł
100kVA
Rozruch przez silniki
elektryczne 180kVA
Pompy hydrauliczne
napędzane silnikami
elektrycznymi 4x100kVA
Eliminacja systemu
pneumatycznego
Elektryczne systemy
klimatyzacji oraz
utrzymania ciśnienia w
kabinie 500kVA
19
Zaawansowany
technologicznie system
elektroenergetyczny
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny (B787)
Przekształtniki
235AC na ± 270DC
Hybrydowy system EE
235V AC, ± 270VDC, 28VDC
Generatory synchroniczne
VF
• 2x250kVA na silnik
• 2x225kVA APU
Zdalne sterowanie
dystrybucją energii
Rozruch elektryczny
Kadłub
kompozytowy
Elektryczne hamulce
APU
rozrusznik/generat
or
20
Układy zasilania i
sterowania silników
elektrycznych
3x gniazda
115VAC
do zasilana z
Układy ziemi
energoelektroniczne
chłodzone wodą
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny
Odbiorniki
Silniki
elektryczne
Odladzanie
Energia
System EE
elektryczna
Generator
Elektryczny
Silnik
Główny
Kompresor
Dodatkowa
energia
pneumatyczna
Klimatyzacja
Podwozie
Avionika
21
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Lockheed F-22 Raptor
22/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny (B787)
Pompa hydrauliczna napędzana
silnikiem elektrycznym (4)
Prawy Przedni
Panel Dystrybucji
Lewy Przedni
Panel Dystrybucji
M
G
G
Jednostki dystrybucji
energii (21)
M
Chłodzenie
wodne
Silnik 1
2x250kVA
Starter/Gen
Klima
M
Klima
M
Prawy Przedni
Panel Dystrybucji
M
Lewy Przedni
Panel Dystrybucji
Chłodzenie
wodne
APU
2x225kVA
Starter/Gen
APU
Silnik 2
2x250kVA
Starter/Gen
G
G
G
G
M
Sprężarka o napędzie elektrycznym
(4) do systemów klimatyzacji (2)
23
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot bardziej elektryczny (B787)
24
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Airbus A380
25
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Samolot z napędem elektrycznym
27/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Maszyny elektryczne na
pokładzie samolotu
Generacja energii elektrycznej
28
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
Gdańsk 2011/12
System elektroenergetyczny
Typ generatora
Samoloty cywilne
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
VF
230 VAC/400-760Hz
B787 4x250kVA
270 VDC
31
Samoloty wojskowe
Boeing JSF 2 x 50 kVA
LM F-22 Raptor 2 x 70 kVA
BJSF X-32A/B/C 2 x 50
kVA
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator energii elektrycznej
32
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
33/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
34/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
35/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
36/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator synchroniczny
Stojan
Wirnik wydatnobiegunowy
TWORNIK WYTWARZA
STRUMIEŃ WIRUJĄCY POLA TWORNIKA
MAGNEŚNICA WYTWARZA STRUMIEŃ
WIRUJĄCY POLA WZBUDZENIA
moc znamionowa 10 kVA
częstotliwość 50 Hz
37
napięcie twornika 3 x 231V prąd twornika 25 A
napięcie wzbudzenia 30 V prąd wzbudzenia 10 A
prędkość obrotowa 1500 obr/min
masa 112 kg
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator główny
Generator synchroniczny
90 kW
Hamilton Sundstrand,
Rockford, IL, U.S.A
38
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator główny
Napięcie
przemienne AC
Generator z magnesami
trwałymi
39
Trój fazowe
napięcie
generowane
o stałej
amplitudzie
GCU
Napięcie stałe DC
Stojan
Stojan
Wirnik
Wirnik
Wirnik
Wirnik
Stojan
Stojan
Wzbudnica z prostownikiem
na wirniku
dr inż. Michał Michna
Generator główny
Gdańsk 2011/12
Generator główny
regulator
wzbudzenie
wzbudzenie
twornik
twornik
przed
wzbudnica
40
wzbudnica
generator
synchroniczny
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Exciter
Main
24000 rpm
PMG
CSD
VFG
PMG
Exciter
Main
12000…24000
rpm
4500…9000 rpm
4500…9000 rpm
41
IDG
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
42
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
43/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
44/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MEA – główny generator
45/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator - wzbudnica hybrydowa
Magneśnica
elektromagnetyczna
Wzbudnica
bezszczotkowa
Wzbudzenie o
magnesach trwałych
(nieruchome)
efE i fE fE
D1 D3 D5
a
ia
ifG fG
ic
ib
c
i fPM
rm
D4 D6 D2
Wzbudzenie
elektromagnetyczne
(nieruchome)
Twornik
(wirujący)
b
fPM
ikd kd
Analog elektryczny
magneśnicy z magnesami
trwałymi
A
iA
kq
ikq
46
iLA
iC
C
iB
B
dr inż. Michał Michna
iLC
iLB
Obciążenie
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Generator
awaryjny
RAT ram air turbine
Airbus A320
48
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Starter/generator
Wysokoobrotowy silnik
z magnesami trwałymi
49
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Starter/generator
50
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
MOET

More Open Electrical Technologies
www.eurtd.com/moet 2006-2009
51/<##>
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
More-Electric Technology
for Next-Generation Aircraft
www.moetproject.eu
Electro-mechanical
actuators
Electric wing ice
protection
All-electric APU
52
Power electronics
(liquid-cooled)
±270V DC power system
All-electric air conditioning
Electric engine start
dr inż.co-funded
Michał Michna
Gdańsk
2011/12
Project
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Modelowanie elementów systemu




Program symulacyjny
SYNOPSYS/SABER
Model w postacie wielowrotnika
Prostota użytkowania i
implementowania
poszczególnych elementów
systemu
Testowanie stabilności modeli
przed opublikowaniem
55
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Model generatora
dr inż. Michał Michna
56
Gdańsk 2011/12
Koherencja
model behawioralny i pomiary
dr inż. Michał Michna
57
Gdańsk 2011/12
Test ring
Installation of a Variable
Frequency Starter
Generator on the
reversible drive stand
58
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
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
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Dziękuję za uwagę
60
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2011/12
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

66+6+6+

2 Cards basiek49

Create flashcards