SOBRE LOS SISTEMAS ELCTRICOS DE AVION10 de Enero de 2007

Ricardo Azcona FernndezEADS_CASA

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Contenido

Introduccin Evolucin histrica de los sistemas elctricos Generacin Regulacin, conversin, distribucin y control Los cables y su proteccin. Cargas y consumidores Definicin de la arquitectura del sistema Tendencias futuras. More Electric A/C to All Electric A/C

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INTRODUCCIONQu entendemos por Sistema Elctrico de un avin?

Generar, acondicionar, convertir, distribuir energa elctrica

Dentro de los sistemas tradicionales es el de mayor potencial de desarrollo tecnolgico marcado por

Incremento de potenciaRequisitos de reduccin de peso combustibleComponentes de estado slido en la electrnica de potenciaNuevos materiales magnticosNuevos sistemas y tecnologas (Fuel Cell, HVDC,..)

Equipos que lo componenMquinas generadoras, conversores, transformadores, ..Barras , contactores de unin y entrada en lnea generadores.Unidades de control del sistema (su software, sus comunicaciones,..)Equipos de tierra y de pruebas

Protecciones del sistemaCableado, conexionado, earthing, otros sistemas

Sistemas de iluminacin exterior y de cabinasCalentadores (baterias, galleys, antivahos,..)

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Qu requerimientos especficos tienen losSistema Elctrico de un avin?

Tipos de plataformas

Aviones militaresAviones civilesAviones no tripulados (UAV)Bancos de ensayo

Requerimientos especficos

Operativos, aeronavegabilidad y de certificacinAmbientales, aceleraciones, vibraciones, peso, volumen, fiabilidad, interferencias, altitud, presin, refrigeracin, mantenimiento, admsfera explosivas, etc

INTRODUCCION

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EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ELCTRICOS

TX/RXignicin

iluminacin

19401930

1910 1er a/c1920

195019601970

ayudasp.autm

Radar/avinica

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 ELCTRICOS

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 Forces 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 Lyons Citadis

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GENERACION maquinas elctricas

-Segn el tipo de voltaje:AC (115/400Hz), AC (230/400 Hz), AC (115/WF), DC (28 Vdc), DC 270 Vdc,..

-Segn el tipo de mquina elctrica: IDG (CSD), VSCF, VFVV, VFCV, RAT,HVDC, S/G,I-S/G,FC,...

-Segn su funcin:Generador primario, esencial, de emergencia, auxiliar, de tierra,

-Segn la plataforma: Nmero de generadores, potencia, refrigeracin, fiabilidad,etc..

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SISTEMA ELCTRICOCONCEPTOS GENERALESEurofighter

Typhoon

Regulador de velocidad constante (CSD)

f =n * p

60

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RAT

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GENERACION Bateras

Tipos:Bateras de plomo. Muy robustas y econmicasBaterias de Ni-Cd . Mejor eficiencias y densidad energetica,prestaciones a bajas temperaturas. No podemos conocer capacidadBaterias de Li-Ion. Mayor densidad energtica. Smart bateries.Otras: Bateras trmicas,

Caracteristicas de las batera de avin.Condiciones de trabajo extremas de T, vibraciones,..Entrega instantnea de poteniaBajo mantenimientoSeguridad en vuelo

Funciones.Como fuente auxiliar y emergenciaPara arranque de motores y APUComo fuente para operaciones de mantenimiento

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30

60

90

120

150

100 200 300 400

Li-ion

NimH

Ni-Cd

Smaller

L

i

g

h

t

e

r

GENERACION Bateras-evolucin

Volumetric energy density (Wh/l)

G

r

a

v

i

m

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r

i

c

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n

e

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g

y

d

e

n

s

i

t

y

(

W

h

/

K

g

)

plomo

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GENERACION UNIDADES DE CONTROL

Funciones:Control de la salida del generador en el punto de regulacin (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 BITControl de comunicaciones Control del sistema.Control de la calidad en la red

TIPOS:Integrados en el propio generadorComo unidad exteriorCon software de control del sistema.

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CONVERSION

Tipos de conversin segn arquitectura:

Transformadores 115VAc26VAc

TRU (115VAc28VDc)

Inversores 28VDc115VAc ( motor-alternador, esttico,..)

Convertidores (DC-DC) como reguladores o estabilizadores de tensin.

Convertidores asociados a las nuevas tendencias. Filtros activos y pasivos para nuevos actuadores

Cargadores de bateras

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DISTRIBUCION DE POTENCIA

Distribucin primaria: Salida del generador, barras de distribucin, contactores, unidades de tranformacin, proteccin de barras (fusibles)

Distribucin secundaria:Tensin transformada, barras de distribucin, contactores, Circuit Breakers,

Cableado: Incluye no slo de alimentacin sino bus datos (1553, Buscan, Smbus,..)Dimensionado, agrupacin, segregacinBonding y Earthing

Protecciones: Se protege al cableado no el equipo.Fusibles, CBs, Limitadores de corriente, supresores de transitorios de tensin, correctores de f.p., protecin contra arcos,..

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Distribucin centralizada

Distribucin distribuida

DISTRIBUCION DE POTENCIA

evolucin

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CABLES Y SUS PROTECCIONES

Caractersticas peculiares de cableado aeronutico Reducido espacio dimensionamiento del cable, mazos.

Criterios severos de reduccin de peso y volumen

Atmsferas explosivas y fluidos corrosivos arcos

Poco refrigeracin a altas altitudes baja densidad

Estricto control de configuracin control de cambios

Tensin de prueba 2 x Vn +1000 V tolerancia, picos y deterioro mantenimiento

Niveles de EMC

Conductores de cobre o aluminio radios de flexin y torsin del cable

Criterios de segregacin

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CABLES Y SUS PROTECCIONES

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Protecciones actuales

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Aplicacin de la Tecnologa de estado slido ala proteccin y control de cargas (SSPCs)

Qu aportan?Sustituyen CBs+ relConmutacin controladaFuncin de limitacin de corriente (i2t)RearmadoMonitorizacin de estadoControl remotoReduccin de peso y volumenMejora de fiabilidadModulares y programables

MASTER uC

AUXSUPPLY

1553 I/F

uCAUX

SUPPLY

Vin

Iin

IoVoTemp

#1

#2

#N

270Vdc BUSBAR

BUS 1553

AB

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 condicin y no deben perturbar la calidad de la red.

El diseo del equipo elctrico es un compromiso entre el volumen del equipo, la capacidad de disipacin y la fiabilidad que se quiere conseguir

Para el dimensionamiento de las fuentes, se han de considerar tanto el consumo continuo como el mximo de pico en cada condicin operativa del avin

Las cargas se han de definir segn su criticidad (tanto de seguridad en vuelo como de misin) y su operatividad (en tierra,en emergencia, etc..

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Cmo seleccionamos la arquitectura adecuada?

1.- Captura de requerimiento de la aeronave (tipo de plataforma, perfil de vuelo, misin tipo,..)2.- Requerimientos de consumo, tipo y necesidades, calidad y perfil de Consumo.3.- Anlisis 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

Anlisis Preliminar Hazard

Diseocableado

Dimensionadoprotecciones

EspecificacinSistemas

Especificacinequipos

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TENDENCIAS FUTURAS

MEA More electric aircraft AEA All Electric Aircraft1-Sustitucin de los tradicionales sistemas mecnicos, neumticos y hidralicos por sistemas elctricos, electromecnicos o electrohidrulicos

2-Generacin a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)Ahorro en cableado peso y volumen combustibleNuevos materiales magnticos integrados en eje motor

3-Tecnologa de estado slido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados a la transformacin y distribucin. Control inteligente de cargas. Ahorro en cableado peso y volumen combustible

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1-Sustitucin de los tradicionales sistemas mecnicos, neumticos y hidralicos por sistemas elctricos, electromecnicos o electrohidrulicos

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1-Sustitucin de los tradicionales sistemas mecnicos, neumticos y hidralicos por sistemas elctricos, electromecnicos o electrohidrulicos

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2-Generacin a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)Ahorro en cableado peso y volumen combustibleNuevos materiales magnticos 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.- Sustitucin APU

Funcin 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+

2

H

2

=

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O

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CELDAS DE COMBUSTIBLE

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3-Tecnologa de estado slido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados a la transformacin y distribucin. Control inteligente de cargas. Ahorro en cableado peso y volumen combustible

SSPCs = CBs + relsAhorro 30% cableadoManejo inteligente de cargasIntegridad con el resto de sistemas