24
The More Ele The More Ele Why Aerospace Need Why Aerospace Need Prof Pat University of Nottingh Tel. +44 (0) 115 951 5591 Emai ectric Aircraft ectric Aircraft ds Power Electronics ds Power Electronics Wheeler ham, Nottingham, UK il. [email protected]

Why Aerospace Needs Power Electronics write up/Power... · The More Electric Aircraft Why Aerospace Needs Power Electronics Prof Pat Wheeler University of Nottingham, Nottingham,

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The More Electric Aircraft The More Electric Aircraft 

Why Aerospace Needs Power Electronics Why Aerospace Needs Power Electronics 

Prof Pat Wheeler 

University of Nottingham, Nottingham, UK 

Tel. +44 (0) 115 951 5591  Email. [email protected] 

The More Electric Aircraft The More Electric Aircraft 

Why Aerospace Needs Power Electronics Why Aerospace Needs Power Electronics 

Prof Pat Wheeler 

University of Nottingham, Nottingham, UK 

Tel. +44 (0) 115 951 5591  Email. [email protected]

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Introduction Introduction 

l  The More Electric Aircraft – a step in the direction of a more energy efficient aircraft • The More Electric Aircraft concept • History of more electrical systems in Civil Aircraft • Motivations and systems 

l  Regeneration onto the Aircraft Power System • Power converters and actuation systems • Benefits and issues • Potential solutions • Simulation results 

l  The next steps • The Clean Sky JTI project 

Introduction Introduction 

a step in the direction of a more energy efficient aircraft The More Electric Aircraft concept History of more electrical systems in Civil Aircraft 

Regeneration onto the Aircraft Power System Power converters and actuation systems

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Power Sources Power Sources “Conventional” Aircraft “Conventional” Aircraft 

Jet Fuel 

Electrical 

Gearbox driven generators 

High pressure air “bled” from engine 

Pneumatic 200kW  1.2MW 

Total “non­thrust” power 

Power Sources Power Sources “Conventional” Aircraft “Conventional” Aircraft 

Jet Fuel 

Propulsion Thrust (≈ 40MW) 

Gearbox driven hydraulic pump 

Hydraulic 

Fuel pumps and oil pumps on engine 

Mechanical 240kW  100kW 

thrust” power ≈ 1.7MW

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• Electrical »  Avionics »  Cabin (lights, galley, in­flight entertainment etc) »  Lights, pumps, fans »  115V, 400Hz AC

• Pneumatic »  Cabin pressurisation »  Air conditioning »  Icing protection

• Hydraulic »  Flight control surface actuation »  Landing gear extension/retraction and steering »  Braking »  Doors

• Mechanical »  Fuel and oil pumps local to engine 

Power Sources Power Sources “Conventional” Aircraft “Conventional” Aircraft 

flight entertainment etc) 

Landing gear extension/retraction and steering 

Power Sources Power Sources “Conventional” Aircraft “Conventional” Aircraft

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“More Electric Aircraft” “More Electric Aircraft” Concept Concept 

Engine driven generators 

Existing electrical loads 

Electrical system power 

Rationalisation of power sources and networks 

“Bleedless” engine 

Flight control actuation Landing gear/ Braking 

ELECTRICAL Cabin pressurisation Air conditioning Icing protection 

Jet Fuel 

“More Electric Aircraft” “More Electric Aircraft” 

Expanded electrical network 

Engine driven generators 

Electrical system power ≈ 1MW New electrical loads 

ELECTRICAL Flight control actuation Landing gear/ Braking 

Doors 

ELECTRICAL Fuel pumping 

Engine Ancillaries 

Jet Fuel 

Propulsion Thrust (≈ 40MW)

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“More Electric Aircraft” “More Electric Aircraft” Some Motivations Some Motivations 

l  Removal of hydraulic system • reduced system weight • ease maintenance 

l  “Bleedless” engine • improved efficiency 

l  Desirable characteristics of electrical systems • controllability 

»  power on demand

• re­configurability »  maintain functionality during faults

• advanced diagnostics and prognostics »  more intelligent maintenance 

»  increased aircraft availability 

l  OVERALL • Reduced operating costs

• Reduced fuel burn

• Reduced environmental impact 

“More Electric Aircraft” “More Electric Aircraft” Some Motivations Some Motivations 

Desirable characteristics of electrical systems 

maintain functionality during faults 

advanced diagnostics and prognostics

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More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

l  Airbus A380 •  4 x 150kVA Wideband VF on turbofan engines 

•  Flight Control Power – 2 H + 2 E 

•  Actuator Configuration Ø Combination of Hydraulic and Electrical Actuation 

More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

4 x 150kVA Wideband VF on turbofan engines 

Combination of Hydraulic and Electrical Actuation

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More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

l  Vickers VC10 •  Electrical System – 4 x 40kVA Generators 

•  Flight Control Power – 2 H + 2 E 

•  Actuator Configuration Ø Combination of Hydraulic and Electrical Actuation 

•  Built 50 Years before the Airbus A380 

More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

4 x 40kVA Generators 

Combination of Hydraulic and Electrical Actuation 

Built 50 Years before the Airbus A380

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More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

l  Boeing 787 • 4 x 250kVA Primary Channel Starter Generators 

»  500kVA per channel 

•  230VAC VF Primary Power Generation 

•  Electrical Starter/Generators rated at 250/225kVA 

•  Electric ECS, pressurisation and wing anti 

•  Removes need for bleed air from engines 

S/G6  S/G5 

S/G1 

Electrical Power Distribution System 

S/G4  S/G3  S/G2 

230 VAC 3­Phase 

VF 

230 VAC 3­Phase 

VF 

230 VAC 3­Phase 

VF 

250kVA  250kVA  250kVA  250kVA 

225kVA  225kVA 

230 VAC 3­Phase Loads 

115 VAC 3­Phase Loads 

28 VDC Loads 

More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

4 x 250kVA Primary Channel Starter Generators 

230VAC VF Primary Power Generation 

Electrical Starter/Generators rated at 250/225kVA 

Electric ECS, pressurisation and wing anti­Icing 

Removes need for bleed air from engines

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More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

l  Joint Strike Fighter • 270V DC Power System

• Electric actuation systems

• 80kW, 2 channel, switched reluctance generator

• Reduces cost, size and weight of whole aircraft

• Relies on Power Conversion technologies »  Harsh environment 

»  Efficiency 

»  Reliability 

More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

80kW, 2 channel, switched reluctance generator 

Reduces cost, size and weight of whole aircraft 

Relies on Power Conversion technologies

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More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

A Possible MEA DC Power System Layout Source: Virginia Polytechnic 

More Electric Aircraft More Electric Aircraft 

A Possible MEA DC Power System Layout

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Typical Power Levels Typical Power Levels for Electrical Loads for Electrical Loads 

Power User  Comments 

Air Conditioning  ECS Flight Controls  Primary and secondary 

Fuel pumps Wing Ice Protection  Thermal mats or similar Landing Gear  Retraction, steering and braking 

Engine starting  May be used for additional applications 

Typical Power Levels Typical Power Levels for Electrical Loads for Electrical Loads 

Comments  Typical Power level 

4 x 70kW+ Primary and secondary  3 kW to 40kW 

often short duration at high 

loads about 10kW 

Thermal mats or similar  250kW+ Retraction, steering and braking  25kW to 70kW 

short duration May be used for additional applications 

200kW+ short duration

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AC Power Generation AC Power Generation 

l  Mechanical Constant Frequency Gen. [traditional]

• Mechanical gearbox creates a constant speed shaft from a variable speed input

• Constant speed shaft drives the Generator » Voltage control used for the generator » 400Hz voltage supply – fixed frequency

• Expensive to purchase and maintain » Single source due to patents 

Constant Speed Mechanical Drive 

[Gearbox] 

Constant Speed Shaft Variable speed 

Engine Shaft 

AC Power Generation AC Power Generation 

Mechanical Constant Frequency Gen. [traditional] 

Mechanical gearbox creates a constant speed shaft from a 

Constant speed shaft drives the Generator Voltage control used for the generator 

fixed frequency 

Expensive to purchase and maintain Single source due to patents 

Generator 

Constant Speed Shaft  3­phase 

400Hz, 115V

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AC Power Generation AC Power Generation 

l  Variable Frequency Generation [new aircraft]

• Generator provides variable frequency supply » Voltage control around generator

• Direct connection between generator and power bus » Simple and reliable generation

• Nearly all aircraft loads will require power converters for control » Good News for Power Electronics Engineers! 

Generator Variable speed Engine Shaft 

AC Power Generation AC Power Generation 

Variable Frequency Generation [new aircraft] 

Generator provides variable frequency supply Voltage control around generator 

Direct connection between generator and power bus Simple and reliable generation 

Nearly all aircraft loads will require power converters 

Good News for Power Electronics Engineers! 

3­phase 320Hz to 800Hz 230V or 115V

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Actuation Systems Actuation Systems

• Elimination of hydraulics »  Electro­Mechanical Actuator »  30kW matrix converter »  integrated with ballscrew housing/heatsink

• Holistic design of motor/load/power converter »  Maximise system efficiency »  Minimise system weight

• Advanced thermal management »  Copes with intermittent operation 

Example of an Actuation System 

Matrix Converter 

PM Motor 

Control 

Ram Position 250Hz sampling rate 2Hz bandwidth 

Motor Current 12.5kHz sampling rate 200Hz Bandwidth 

Motor Speed 1.25kHz sampling rate 20Hz bandwidth 

Supply 360Hz to 800Hz 

Resolver LEMs 

Supply Voltage 

Ram Position Demand 

Voltage transducers  Filter 

Actuation Systems Actuation Systems 

integrated with ballscrew housing/heatsink 

Holistic design of motor/load/power converter 

Actuator 

Ram Position 250Hz sampling rate 2Hz bandwidth 

1.25kHz sampling rate 

LVDT

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Regeneration: Converters Regeneration: Converters 

3­Phase Supply 

3­Phase Load 

Energy dissipation in the DC Link 

Traditional Solution:

• DC link chopper and resistor in DC link used to dump regenerative energy

• Lowers system efficiency and increase size and weight of equipment

• Measure DC link voltage and operate chopper when DC link voltage above a set level

• Resistor and associated cooling can double volume and weight of the power converter 

Regeneration: Converters Regeneration: Converters 

3­phase supply 

Bi­ directional switch 

Load 

Long Term Solution:

• Allow regeneration onto aircraft power system

• Use a Direct [Matrix] Converter or a controlled rectifier

• Energy returned to supply giving a smaller, lighter power converter

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Motor Speed Reversal Motor Speed Reversal Motor Speed Reversal Motor Speed Reversal 

Motor shaft speed (rpm) 

q­axis current 

Phase A current 

Phase B current 

Phase C current 

Torque (Nm)

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Motor Speed Reversal Motor Speed Reversal 

REGENERATION 

Motor Speed Reversal Motor Speed Reversal 

Motor shaft speed (rpm) 

q­axis current 

Phase A current 

Phase B current 

Phase C current 

Torque (Nm)

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Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

l  Regeneration will save considerable weight and volume

• Regenerative energy must be handled correctly to maintain Power Quality 

l  Eight methods have been identified for safe electrical regenerative energy management

• Centralised Energy Storage

• Centralised Energy Dissipation

• Local Voltage Control

• Return Energy to Source

• Separate Bus for Regenerative Energy

• Local Energy Dissipation

• Local Energy Storage

• Hybrid Structures with Local Dissipation 

Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

Regeneration will save considerable weight and volume 

Regenerative energy must be handled correctly to maintain 

Eight methods have been identified for safe electrical regenerative energy management 

Separate Bus for Regenerative Energy 

Hybrid Structures with Local Dissipation

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Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

•  Local Energy Dissipation 

Generator 

Bus Control 

Control  Recovery  Advantages 

Local to load  No  Existing solution 

•  do not allow regeneration onto the aircraft bus 

•  ensure that each item of equipment has energy dissipation if required 

•  today’s solution 

Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

Local Energy Dissipation – existing solution 

Converters 

Regenerative Loads 

Energy Dissipation eg. Resistor with break 

chopper 

Advantages  Disadvantages 

Existing solution  Size and weight of equipment, sub­ 

optimum system design 

ensure that each item of equipment has

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Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

•  Return Energy to Source Control  Recovery  Advantages 

Centralised  Yes  No large additional hardware 

Generator 

Bus 

Enhanced Control 

•  allow regeneration onto the aircraft bus •  use the generator as a motor if required 

•  the regenerative power would be returned to the engine inertia •  only possible if there is no auxiliary gearbox 

Options for Regenerative Options for Regenerative Energy Management Energy Management 

Return Energy to Source Advantages  Disadvantages 

No large additional hardware 

Possible change to existing generator control methods 

Converters 

Regenerative Loads 

allow regeneration onto the aircraft bus use the generator as a motor if required 

the regenerative power would be returned to the engine inertia only possible if there is no auxiliary gearbox

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Impact of Regeneration Impact of Regeneration 

•  Modelling study performed in SABER 

•  Sudden change of total actuator power from 40kW motoring to ­55kW regeneration 

•  Simulation for given for a fully preloaded generator 

•  voltages at HVAC Bus 230V and at AC Bus 115V are kept within the envelopes according to MIL STD­704F 

Impact of Regeneration Impact of Regeneration 

Sudden change of total actuator power from 

voltages at HVAC Bus 230V and at AC Bus 115V are kept within the envelopes according to MIL­ 

Generator Torque reduces 

MIL_STD­704F envelope for transients

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Conclusions Conclusions 

•  Power Electronics can offer advantages in aerospace applications • System efficiency, • Size and weight • Flexibility 

• There are challenges for Power Electronics in this environment • Losses • Reliability • Integration 

•  Future projects will take these area forward 

Power Electronics can offer advantages in aerospace 

There are challenges for Power Electronics in this 

Future projects will take these area forward

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Clean Sky JTI Clean Sky JTI 

l  Total project budget – €1.6B • Duration – 7 years 

l  Clean Sky JTI work is split into six “ITDs” 

l  Led by 12 companies [Members] • Thales, Liebherr, Airbus, Dassualt, Alenia, SAAB, Rolls Royce, Safran, EADS, …. 

l  Each ITD then has 5 or 6 other organisations [Associate Members] 

l  25% of funding reserved for Calls for Proposals

• See www.cleansky.eu now for first call and get involved 

Clean Sky JTI Clean Sky JTI 

l  The University of Nottingham is an Associate member

• Systems for Green Operations ITD • We are the only University which is an Associate Member in our own right

• Budget of about €10M