SOBRE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS DE AVION
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<strong>SOBRE</strong> <strong>LOS</strong> <strong>SISTEMAS</strong> <strong>ELÉCTRICOS</strong><br />
<strong>DE</strong> <strong>AVION</strong><br />
10 de Enero de 2007<br />
Ricardo Azcona Fernández<br />
EADS_CASA
Contenido<br />
• Introducción<br />
• Evolución histórica de los sistemas eléctricos<br />
• Generación<br />
• Regulación, conversión, distribución y control<br />
• Los cables y su protección.<br />
• Cargas y consumidores<br />
• Definición de la arquitectura del sistema<br />
• Tendencias futuras. “More Electric” A/C to “All Electric “A/C<br />
Página 2
INTRODUCCION<br />
¿Qué entendemos por Sistema Eléctrico de un avión<br />
•Generar, acondicionar, convertir, distribuir energía eléctrica<br />
•Dentro de los sistemas “tradicionales” es el de mayor potencial<br />
de desarrollo tecnológico marcado por<br />
•Incremento de potencia<br />
•Requisitos de reducción de peso combustible<br />
•Componentes de estado sólido en la electrónica de potencia<br />
•Nuevos materiales magnéticos<br />
•Nuevos sistemas y tecnologías (Fuel Cell, HVDC,..)<br />
•Equipos que lo componen<br />
•Máquinas generadoras, conversores, transformadores, ..<br />
•Barras , contactores de unión y entrada en línea generadores.<br />
•Unidades de control del sistema (su software, sus comunicaciones,..)<br />
•Equipos de tierra y de pruebas<br />
•Protecciones del sistema<br />
•Cableado, conexionado, earthing,<br />
•otros sistemas<br />
•Sistemas de iluminación exterior y de cabinas<br />
•Calentadores (baterias, galleys, antivahos,..)<br />
Página 3
¿Qué requerimientos específicos tienen los<br />
Sistema Eléctrico de un avión<br />
•Tipos de plataformas<br />
INTRODUCCION<br />
•Aviones militares<br />
•Aviones civiles<br />
•Aviones no tripulados (UAV)<br />
•Bancos de ensayo<br />
•Requerimientos específicos<br />
•Operativos, aeronavegabilidad y de certificación<br />
•Ambientales, aceleraciones, vibraciones, peso, volumen, fiabilidad, interferencias,<br />
altitud, presión, refrigeración, mantenimiento, admósfera explosivas, etc<br />
Página 4
EVOLUCION HISTORICA <strong>DE</strong> <strong>LOS</strong> <strong>SISTEMAS</strong> <strong>ELÉCTRICOS</strong><br />
2020<br />
2010<br />
2000<br />
1990<br />
1980<br />
1970<br />
1960<br />
1950<br />
1940<br />
1930<br />
1920<br />
1910 1er a/c<br />
100 w 300 w 1 kw 10 Kw<br />
Página 5<br />
115 Vac<br />
28 Vdc<br />
24 Vdc p.autm<br />
14 Vdc igniciónayudas<br />
TX/RX iluminación<br />
270 Vdc<br />
Radar/aviónica<br />
Armamento/EW<br />
600 Vdc<br />
IFE<br />
confort<br />
aerogeneradores<br />
baterias<br />
30 Kw 100 Kw<br />
More EA<br />
200 Kw<br />
All EA<br />
FC<br />
IS/G<br />
SRM<br />
HVDC<br />
VFVV,VFCV<br />
VSCF<br />
IDGs<br />
Generadores auxiliares<br />
Generadores acoplados<br />
500 Kw 1MW
EVOLUCION HISTORICA <strong>DE</strong> <strong>LOS</strong> <strong>SISTEMAS</strong> <strong>ELÉCTRICOS</strong><br />
Power<br />
(kW)<br />
10,000<br />
1,000<br />
100<br />
High speed train<br />
8-9 MW<br />
Airbus A320<br />
270 kVA<br />
Airbus A380<br />
840 kVA<br />
Tram-train<br />
300 to 800 kW<br />
720 kW for Lyon’s Citadis<br />
Boeing 787<br />
1,425 kVA<br />
High speed train new generation<br />
cruising speed: 350km/h - 15 MW<br />
More electric fighter aircraft<br />
Lockheed Martin F35<br />
Around 240kW<br />
Helicopters<br />
From a few kW to 100kW<br />
RAH66 Comanche poject : 60kW<br />
All electric ship<br />
3 to 15MW<br />
10<br />
Satellites<br />
From a few watts to<br />
a few dozens of kW<br />
UAV<br />
From a few Watts to 50kW<br />
45kVA for the Air Force’s UAV Predator B<br />
2000<br />
2010 2020<br />
Página 6
GENERACION –maquinas eléctricas<br />
-Según el tipo de voltaje:<br />
•AC (115/400Hz), AC (230/400 Hz), AC<br />
(115/WF), DC (28 Vdc), DC 270 Vdc,..<br />
-Según el tipo de máquina eléctrica:<br />
• IDG (CSD), VSCF, VFVV, VFCV, RAT,HVDC,<br />
S/G,I-S/G,FC,...<br />
-Según su función:<br />
•Generador primario, esencial, de emergencia,<br />
auxiliar, de tierra,<br />
-Según la plataforma:<br />
• Número de generadores, potencia,<br />
refrigeración, fiabilidad,etc..<br />
Página 7
Regulador de velocidad constante (CSD)<br />
f =<br />
n * p<br />
60<br />
Eurofighter<br />
Typhoon<br />
SISTEMA ELÉCTRICO<br />
CONCEPTOS GENERALES<br />
Página 8<br />
33
Página 9<br />
RAT
GENERACION –Baterías<br />
Funciones.<br />
•Como fuente auxiliar y emergencia<br />
•Para arranque de motores y APU<br />
•Como fuente para operaciones de mantenimiento<br />
Caracteristicas de las batería de avión.<br />
•Condiciones de trabajo extremas de Tª, vibraciones,..<br />
•Entrega instantánea de potenia<br />
•Bajo mantenimiento<br />
•Seguridad en vuelo<br />
Tipos:<br />
•Baterías de plomo. Muy robustas y económicas<br />
•Baterias de Ni-Cd . Mejor eficiencias y densidad energetica,<br />
prestaciones a bajas temperaturas. No podemos conocer capacidad<br />
•Baterias de Li-Ion. Mayor densidad energética. Smart bateries.<br />
•Otras: Baterías térmicas,<br />
Página 10
Lighter<br />
GENERACION –Baterías-evolución<br />
Smaller<br />
150<br />
Li-ion<br />
120<br />
90<br />
NimH<br />
Ni-Cd<br />
60<br />
plomo<br />
30<br />
Gravimetric energy density<br />
(Wh/Kg)<br />
100 200 300 400<br />
Volumetric energy density (Wh/l)<br />
Página 11
GENERACION –UNIDA<strong>DE</strong>S <strong>DE</strong> CONTROL<br />
•Funciones:<br />
•Control de la salida del generador en el punto de<br />
regulación (POR) (Fr, Volt,, fase,..)<br />
•3 interfaces con el generador<br />
•PMG,<br />
•salida trifasica,<br />
•entrada al excitador<br />
•Proteger al generador de alteraciones de voltaje,corriente y frecuencia<br />
•Funciones de BIT<br />
•Control de comunicaciones<br />
•Control del sistema.<br />
•Control de la calidad en la red<br />
•TIPOS:<br />
•Integrados en el propio generador<br />
•Como unidad exterior<br />
•Con software de control del sistema.<br />
Página 12
Página 13
CONVERSION<br />
Tipos de conversión según arquitectura:<br />
•Transformadores 115VAc26VAc<br />
•TRU (115VAc28VDc)<br />
•Inversores 28VDc115VAc ( motor-alternador, estático,..)<br />
•Convertidores (DC-DC) como reguladores o<br />
estabilizadores de tensión.<br />
•Convertidores asociados a las nuevas tendencias.<br />
Filtros activos y pasivos para nuevos actuadores<br />
•Cargadores de baterías<br />
Página 14
DISTRIBUCION <strong>DE</strong> POTENCIA<br />
Distribución primaria:<br />
•Salida del generador, barras de distribución, contactores,<br />
unidades de tranformación, protección de barras (fusibles)<br />
Distribución secundaria:<br />
•Tensión transformada, barras de distribución, contactores,<br />
Circuit Breakers,<br />
Cableado:<br />
•Incluye no sólo de alimentación sino bus datos (1553,<br />
Buscan, Smbus,..)<br />
•Dimensionado, agrupación, segregación<br />
•Bonding y Earthing<br />
Protecciones:<br />
•Se protege al cableado no el equipo.<br />
•Fusibles, CBs, Limitadores de corriente, supresores de transitorios de<br />
tensión, correctores de f.p., proteción contra arcos,..<br />
Página 15
DISTRIBUCION <strong>DE</strong> POTENCIA<br />
evolución<br />
Distribución distribuida<br />
Distribución centralizada<br />
Página 16
CABLES Y SUS PROTECCIONES<br />
Características peculiares de cableado aeronáutico<br />
•Reducido espacio dimensionamiento del cable, mazos.<br />
•Criterios severos de reducción de peso y volumen<br />
•Atmósferas explosivas y fluidos corrosivos arcos<br />
•Poco refrigeración a altas altitudes baja densidad<br />
•Estricto control de configuración control de cambios<br />
•Tensión de prueba 2 x Vn +1000 V tolerancia, picos y deterioro mantenimiento<br />
•Niveles de EMC<br />
•Conductores de cobre o aluminio radios de flexión y torsión del cable<br />
•Criterios de segregación<br />
Página 17
CABLES Y SUS PROTECCIONES<br />
Página 18
Protecciones actuales<br />
Página 19
Aplicación de la Tecnología de estado sólido a<br />
la protección y control de cargas (SSPCs)<br />
¿Qué aportan<br />
•Sustituyen CBs+ relé<br />
•Conmutación controlada<br />
•Función de limitación de corriente (i 2 t)<br />
•Rearmado<br />
•Monitorización de estado<br />
•Control remoto<br />
•Reducción de peso y volumen<br />
•Mejora de fiabilidad<br />
•Modulares y programables<br />
270Vdc<br />
BUSBAR<br />
28Vdc<br />
BUSBAR<br />
PROTECTE<br />
D OUTPUTS<br />
BUS<br />
1553<br />
“A” “<br />
B<br />
”<br />
AUX<br />
SUPPLY<br />
1553 I/F<br />
MASTER<br />
uC<br />
I<br />
Vi<br />
AUX in<br />
SUPPLY n<br />
INTERNAL<br />
SERIAL<br />
BUS<br />
uC<br />
I<br />
oV<br />
oT<br />
e<br />
m<br />
p<br />
#<br />
1<br />
#<br />
2<br />
#<br />
N<br />
Página 20
CARGAS (Consumidores)<br />
•Deben de ser capaces de trabajar a los valores<br />
suministrados por la red en cualquier condición<br />
y no deben perturbar la calidad de la red.<br />
•El diseño del equipo eléctrico es un compromiso entre<br />
el volumen del equipo, la capacidad de disipación y la fiabilidad<br />
que se quiere conseguir<br />
•Para el dimensionamiento de las fuentes, se han de<br />
considerar tanto el consumo continuo como el<br />
máximo de pico en cada condición operativa del avión<br />
•Las cargas se han de definir según su criticidad (tanto de<br />
seguridad en vuelo como de misión) y su operatividad (en tierra,<br />
en emergencia, etc..<br />
Página 21
¿Cómo seleccionamos la arquitectura adecuada<br />
1.- Captura de requerimiento de la aeronave (tipo de plataforma, perfil<br />
de vuelo, misión tipo,..)<br />
2.- Requerimientos de consumo, tipo y necesidades, calidad y perfil de<br />
Consumo.<br />
3.- Análisis de cargas dimensionamiento de las fuentes.<br />
4.- Requisitos de certificabilidad, seguridad y fiabilidad total del sistema<br />
5.- Requisitos operativos y ambientales.<br />
6.- Requisitos de volumen y peso.<br />
7.- Requisitos de mantenimiento, testabilidad e integridad.<br />
Página 22<br />
Análisis<br />
Preliminar Hazard<br />
Analisis<br />
Esquemas<br />
de cargas Esquema unifilar<br />
funcionales<br />
Diseño<br />
Dimensionado<br />
cableado<br />
protecciones<br />
Especificación<br />
Especificación
TEN<strong>DE</strong>NCIAS FUTURAS<br />
MEA “More electric aircraft” AEA “All Electric Aircraft<br />
1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos,<br />
neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos,<br />
electromecánicos o electrohidráulicos<br />
2-Generación a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)<br />
Ahorro en cableado peso y volumen combustible<br />
Nuevos materiales magnéticos integrados en eje motor<br />
3-Tecnología de estado sólido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados<br />
a la transformación y distribución. Control inteligente<br />
de cargas.<br />
Ahorro en cableado peso y volumen combustible<br />
Página 23
1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos,<br />
neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos,<br />
electromecánicos o electrohidráulicos<br />
Página 24
1-Sustitución de los tradicionales sistemas mecánicos,<br />
neumáticos y hidraúlicos por sistemas eléctricos,<br />
electromecánicos o electrohidráulicos<br />
Página 25
2-Generación a alto voltaje (270 Vdc, 350 Vac, 600 Vdc)<br />
Ahorro en cableado peso y volumen combustible<br />
Nuevos materiales magnéticos integrados en eje motor<br />
Busqueda de nuevos materiales:<br />
1.- Mayores velocidades rotacionales<br />
2.- Mayores temperaturas de trabajo<br />
3.- PMGs<br />
Celdas de combustible:<br />
1.- Como fuente alternativa/emergencia<br />
2.- Sustitución APU<br />
AMB Controller with<br />
Engine Health Monitoring<br />
Power Transfer<br />
Controller<br />
Función arrancador:<br />
1.- Generador/Arrancador externo (F-35, B787)<br />
2.- Integrado en el motor<br />
Combined, integral<br />
IPC AMB and<br />
Starter/Generator unit<br />
Página 26<br />
Fan Shaft Generator<br />
Combined, integral HPC AMB and Motor/<br />
Generator unit
O2 + 4H+ + 4e - => 2H2 O<br />
CELDAS <strong>DE</strong> COMBUSTIBLE<br />
2 H 2 0 2<br />
Cathode<br />
Polymer Electrolyte Membrane<br />
Anode<br />
4 e - 4 H +<br />
2H2 => 4 H+ + 4 e -<br />
Electrical load<br />
Página 27
-Tecnología de estado sólido (SSPCs, IGBTS,..) aplicados<br />
la transformación y distribución. Control inteligente<br />
e cargas.<br />
horro en cableado peso y volumen combustible<br />
Página 28<br />
•SSPCs = CBs + relés<br />
•Ahorro 30% cableado<br />
•Manejo inteligente de cargas<br />
•Integridad con el resto de sistemas