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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
e
t
r
i
c
e
n
e
r
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
=
>
4
H
+
+
4
e
-
O
2
+
4
H
+
+
4
e
-
=
>
2
H
2
O
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