Methoden zur Gewichtsreduktion in elektrischen Flugzeugkabinennetzen

Methods of Weight Reduction in Electric Aircraft Cabin Grids

Methoden zur Gewichtsreduktion in elektrischen Flugzeugkabinennetzen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-30825
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Lehrstuhl: Elektrische Energiesysteme
Fakultät: Fakultät Elektrotechnik
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.04.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Bordnetz , Gleichstromnetz , Vermaschtes Netz , Netzschutz , Netzwerktopologie , Flugzeug , Energiespeicher , Energieversorgung
Freie Schlagwörter (Deutsch): HVDC, Bordnetzarchitektur, Wandlerarchitektur, Kabinenenergieversorgung, Konstantleistungslasten, Kabinentechnologie
Freie Schlagwörter (Englisch): HVDC, High-Voltage-DC, Grid Architecture, Converter Architecture, Cabin Power Supply, Constant Power Loads, Cabin Technology
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Aufgrund steigender Energiepreise stehen Fluggesellschaften unter finanziellem Druck. Bei Kurz- und Mittelstreckenflügen sind heute bereits 50 % der Betriebs- kosten Energiekosten. Die Fluggesellschaften sind daher bestrebt, ihre Flotte möglichst effizient zu gestalten, wodurch die Nachfrage nach Flugzeugen mit einem geringen Kerosinverbrauch gesteigert wird. Die Effizienz von Flugzeugen kann primär durch eine Optimierung der Triebwerke und der Aerodynamik verbessert werden. Auch Gewichtsreduktionen führen zu einem reduzierten Kerosinverbrauch. Aus Sicht des elektrischen Systems ergeben sich zwei Optimierungsansätze zur Steigerung der Effizienz von Flugzeugen. Eine Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs reduziert die Wellenbelastung der Triebwerke und damit direkt den Kerosinverbrauch. Auch die Reduktion des Gewichtes des elektrischen Systems – und damit des Flugzeugs – führt zu einer Entlastung der Triebwerke. Diese Arbeit verfolgt verschiedene Ansätze zur Optimierung des elektrischen Energieversorgungssystems von zukünftigen Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen. Durch den Einsatz von Gleichspannungsnetzen mit 270 V Netzspannung wird das Gewicht der Verkabelung reduziert. Auch das Gewicht der Lasten mit internen elektronischen Wandlern (Netzteilen) wird durch ein Gleichspannungsnetz verringert. Eine Herausforderung dabei ist die Integration eines Gleichspannungs- bordnetzes in die bestehenden Strukturen von Flugzeugherstellern, Flughäfen und Fluggesellschaften. Eine Änderung der Lastspannung führt zu einem Neudesign aller Lasten im Flugzeug. Die notwendigen Leistungsfaktorkorrekturfilter an den Eingängen der elektrischen Lasten in Wechselspannungsnetzen verursachen einen hohen Schaltungsaufwand. Bei einer Gleichspannungsversorgung werden diese nicht mehr benötigt. Auch die Integration in die bestehende Flughafeninfrastruktur ist mit einem modernen Gleichspannungsnetz durchführbar. Es werden weitere Optimierungspotentiale durch die Integration von Energie- speichern in das Flugzeugbordnetz vorgestellt. Moderne Batterietechnologien können in Zukunft die Hilfsstromversorgung in den Bodenphasen gewährleisten. Netze mit hohen Lastdichten können durch eine Vermaschung optimiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Netzschutzkonzept für vermaschte Netze in Flugzeugen entwickelt. Zusätzlich zu den theoretischen Untersuchungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Teststand zur Bordnetznachbildung und ein Demonstrator für komplexe Lastmanagementuntersuchungen entwickelt. Dieser wurde genutzt, um die Integrierbarkeit neuer Technologien in Flugzeuge zu demonstrieren.

Kurzfassung auf Englisch:

Due to rising energy prices airlines are under financial pressure. For short-and medium-haul flights energy costs are already 50 % of the operation costs. Thus airlines are committed to have an efficient fleet and the demand for aircraft with low fuel consumption increases. The efficiency of aircraft can mainly be improved by optimizing engines and aerodynamics. Also weight reductions result in reduced fuel consumption. From the perspective of the electrical system, two approaches for optimization found to increase the efficiency of airplanes. A reduction of electricity consumption reduces shaft load and consequently kerosene consumption of the engines. The weight reduction of the electrical system and hence the aircraft weight leads to a reduction of engine load. This work deals with the optimization of the electric power system of future short and medium-haul aircraft. By using DC-grids with a 270 V main voltage, the weight of the wiring is reduced. The weight of the loads with internal electronic converters (power supplies) is reduced through a direct voltage grid. One challenge is the integration of a DC grid into the existing infrastructures of aircraft manufacturers, airports and airlines. A variation of the load voltage leads to a need of redesigning all loads in the aircraft. The required power factor correction at the inputs of the electrical loads in AC-systems cause a high circuit complexity. With a DC power supply this will no longer be necessary. The integration into existing airport infrastructure can be performed with a modern DC-power-grid. Additional optimization strategies will be presented through the integration of energy storage in the aircraft electrical system. Future battery technology can ensure the auxiliary power supply during the ground phases. Meshing can optimize grids with high load densities. In this work, a grid protection concept for meshed grids in aircraft has been developed. In addition to the theoretical analysis, a test bench for the aircraft grid and a demonstrator for complex load management studies were developed within this thesis. It was used to demonstrate the integration of new technologies in aircraft.

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