Elektrische Netzwerke



Einleitung

Bei neueren Verkehrsflugzeugmustern kommen zunehmend elektrische Systemtechnologien zum Einsatz. Ein Grund dafür sind deren geringere Leistungsverluste. Ein elektrisches (Bord-) System erzeugt oder beansprucht nur soviel Leistung wie nötig, so dass die Verluste minimiert und eine übermäßige Entnahme von Sekundärleistung aus den Triebwerken vermieden werden. Weitere erwartete Vorteile sind eine verbesserte Zuverlässigkeit, geringe Wartungs- und Gesamtkosten.

Jedoch ist ein elektrisches System schwerer als ein entsprechendes, d.h. die gleiche Funktion erfüllendes, hydraulisches oder pneumatisches System. Andererseits, wenn hydraulische und pneumatische Systeme durch Elektrik ersetzt werden, gibt es im Flugzeug nur noch eine Art von Sekundärleistung. Es ist daher notwendig, die Eigenschaften der elektrischen Geräte (z.B. kurzzeitige Überlastung von Generatoren) sowie die unterschiedlichen Leistungsanforderungen der Verbraucher für die Optimierung des elektrischen Bordnetzes genau zu berücksichtigen.

Leistungselektronik, wie z.B. Spannungswandler oder Motorsteuerungen, ist eine Schlüsseltechnologie für das "More-Electric Aircraft". Das Gewicht von Leistungselektronik-Komponenten hängt von den Eigenschaften der an das Bordnetz angeschlossenen Verbraucher, sowie der geforderten Stabilitätsmarge des Bordnetzes und dem zulässigen Grad der Störung der Netzwerkspannung ab.

Diese Aspekte müssen genau berücksichtigt werden, um das volle Potential des "More-Electric Aircraft" zu verwirklichen. In Kooperation mit europäischen Flugzeug- und Systemherstellern entwickelt das Team Energiesysteme modellierungs- und simulationsbasierte Methoden und Werkzeuge, die einen weiten Bereich der Aspekte in der Entwicklung von elektrischen Bordsystemen abdecken.

Architektur-Entwurf und -Optimierung

In der Phase des Architekturentwurfs werden verschiedene Konzepte untersucht, um diese zu vergleichen und die jeweiligen Vor- und Nachteile zu erkennen. Zur Untersuchung jedes Konzepts gehören bestimmte Arten von Analysen, wie z.B. das Ermitteln der dimensionierenden Betriebsfälle und Lasten, der Gewichte, sowie eine vorläufige Sicherheitsanalyse. Dies sind wiederkehrende und mitunter zeitintensive Aufgaben.

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Architecture Level Design – Concept of ENADOT

Um die Abläufe des Entwurfsprozess zu verbessern und wiederkehrende Aufgaben zu automatisieren, entwickelt das Team Energiesysteme ein integriertes, auf Modellierung und Simulation beruhendes Werkzeug. Mithilfe des sogenannten Electric Network Architecture Design Optimisation Tool (ENADOT) können Architekturentwürfe hinsichtlich der Bilanzen von elektrischer Leistung in normalen, abnormalen und dimensionierenden Betriebsfällen, Verluste (Kühlbedarf), Gewicht, sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit ausgewertet werden. ENADOT ist in der objekt-orientierten, physikalischen Modellierungssprache Modelica implementiert und verwendet einen stationären Modellierungsansatz, was für Betrachtungen auf Architekturebene effizient ist. Um die verschiedenen, teilweise konkurrierenden Entwurfskriterien elektrischer Bordnetz-Architekturen gemeinsam auswerten zu können, verfügt ENADOT über diverse automatisierte Analyse- und Optimierungsfunktionen.

 

Auslegung und Verifikation elektrischer Komponenten und Systeme

Bei kommenden Flugzeugkonzepten wird die elektrische Energieversorgung eine immer bedeutendere Rolle erhalten, da sie auf das gesamte Flugzeug betrachtet bei Leistung, Gewicht und Integrations- und Wartungsaufwand oftmals Vorteile bietet. Bei der HVDC Architektur des „More Electric Aircraft“ (MEA) werden elektro-mechanische Antriebe durch ein DC Netzwerk versorgt, wobei zahlreiche Leistungselektronische Komponente z.B. DC/AC DC/DC Umrichter zur Stromregelung eingesetzt werden, was dazu führt, dass viele Oberschwingungen mit Hochfrequenz erzeugt werden. Außer den bekannten negativen Auswirkungen (z.B. Verkürzung der Lebensdauer und steigende Energieverluste in Geräten) können die Oberschwingen auch unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zwischen mehreren Komponenten verursachen, wodurch das gesamte elektrische Netzwerk destabilisiert werden kann. Methoden und Werkzeuge werden vom Team Energiesysteme entwickelt, um den Betrieb vom Flugzeug-Bordnetz zu optimieren. Die Forschungsschwerpunkte sind:

  • Multi-level Modellierung und Simulation
  • Modellierung der elektrischen Maschinen
  • Optimierung des elektrischen Generators
  • Network Stabilität und Power Qualität
  • Fehler Analyse
  • Virtual V&V Tests für Flugzeug Elektrik Systeme
  •  Prüfstand für Flugzeug Bordnetz: Der Prüfstand ist für die Validierung neuer Methoden für Stabilität-und Power Qualität konzipiert.
     
 
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  • Bestandteile des Prüfstands
    • Labview Realtime System für die Echtzeit Simulation eines Generators
    • Ein elektrischer Aktuator vom DLR
    • Ein elektrischer Abtrieb vom Siemens
    • DC/DC Buck-Konverter
    • Elektrische Last
    • NI FPGA Platform

 

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Schallert, C.: Ein integriertes Entwurfswerkzeug für elektrische Bordsysteme. Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress, 31.08. – 02.09.10, Hamburg.
  • Schallert, C.: An integrated tool for aircraft electric power systems pre-design. International workshop on aircraft system technologies, 26. – 27.03.09, Hamburg.
  • Papers 1
  • Papers 2

 

 


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