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
