DE102010001333A1

DE102010001333A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung bei einem Flugzeug

Info

Publication number: DE102010001333A1
Application number: DE102010001333A
Authority: DE
Inventors: Jens 22085 Selker
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US8963363B2; US20110210606A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Bereitstellung einer dreiphasigen Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges, wobei mehrere Spannungsquellen vorgesehen sind, die zumindest einen Triebwerksgenerator (2A, 2B) und eine weitere Spannungsquelle (3), insbesondere eine Brennstoffzelle, aufweisen, mit einem oder mehreren Frequenzumrichter (5A, 5B) zum Umrichten einer von dem jeweiligen Triebwerksgenerator (2A, 2B) bereitgestellten Wechselspannung mit variabler Frequenz in eine erste Ausgangswechselspannung und mit mindestens einem Wechselumrichter (4) zum Wechselumrichten einer von der jeweiligen weiteren Spannungsquelle (3) bereitgestellten Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und die Bordnetz-Wechselspannung bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges.
Flugzeuge, insbesondere Passagierflugzeuge, weisen eine Vielzahl von Leistungsverbrauchseinheiten auf, die elektrische Leistung für ihren Betrieb benötigen. Beispielsweise kann ein Passagierflugzeug mehrere Bordküchen enthalten, die für ihren Betrieb einen hohen Stromverbrauch haben. Diese Leitungsverbrauchseinheiten werden über ein Bordnetz des Flugzeuges mit einer Versorgungsspannung versorgt. Bei herkömmlichen Flugzeugen wird eine Wechselspannung mit variabler Frequenz durch Triebwerksgeneratoren geliefert, die ihrerseits durch Triebwerke des Flugzeuges angetrieben werden. In Abhängigkeit der Drehzahl der Triebwerke erzeugen die Triebwerksgeneratoren eine Wechselspannung mit variabler Frequenz. Dabei kann die Frequenz der bereitgestellten Wechselspannung in einem relativ breiten Frequenzbereich abhängig von der Drehzahl der Triebwerke variieren. Die Frequenz der Wechselspannung innerhalb des elektrischen Bordnetzes ist dabei kein Maß für die Belastung des Bordnetzes durch Leistungsverbrauchseinheiten, sondern hängt von der Drehzahl der Triebwerke ab. Durch die Triebwerksgeneratoren muss gewährleistet sein, dass die verschiedenen Leistungsverbrauchseinheiten des Flugzeuges, beispielsweise die Bordküchen, zu jedem Zeitpunkt mit genügend elektrischer Leistung versorgt werden. Die EP 1 387 460 B1 beschreibt ein Verfahren zur Energieversorgung einer Bordküche eines Verkehrsflugzeuges. Während eines Fluges kann die von den Leistungsverbrauchseinheiten benötigte Leistung stark variieren. Beispielsweise wird durch die Bordküchen während einer Start- und Landephase des Flugzeuges keine oder geringe Leistung verbraucht, Typischerweise werden zur Versorgung der Passagiere gleichzeitig mehrere Bordküchen innerhalb des Flugzeuges betrieben. Es kann daher in dem Bordnetz eines derartigen herkömmlichen Flugzeuges zu nicht unerheblichen Leistungs- bzw. Lastsprüngen kommen, wenn gleichzeitig eine oder mehrere Bordküchen aktiviert werden Da das Bordnetz auch andere Leistungsverbrauchseinheiten zuverlässig mit Wechselspannung versorgen muss, sind die Triebwerksgeneratoren für eine Nenn-Höchstleistung ausgelegt, um auch eine Leistungsreserve zu bieten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein System zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges zu schaffen, die ein herkömmliches Bordnetz hinsichtlich Effizienz und Stabilität verbessert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung, insbesondere eine dreiphasige Bordnetz-Wechselspannung, für ein Bordnetz eines Flugzeuges, wobei mehrere Spannungsquellen vorgesehen sind, die zumindest einen Triebwerksgenerator und weitere Spannungsquellen aufweisen, mit:
einem Frequenzumrichter zum Umrichten einer von dem jeweiligen Triebwerksgenerator bereitgestellten Wechselspannung mit variabler Frequenz in eine Ausgangswechselspannung und mit
einem Wechselumrichter zum Wechselumrichten einer von der jeweiligen weiteren Spannungsquelle bereitgestellten Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und die Bordnetz-Wechselspannung bildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Bordnetz-Wechselspannung mit einer nahezu konstanten, geregelten Frequenz f bereit. Diese Netzfrequenz f des Bordnetzes bildet ein Maß für die Belastung des Bordnetzes durch die Wirkleistungsverbrauchseinheiten des Flugzeuges.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein Bordnetz bietet gegenüber einem herkömmlichen Bordnetz für ein Flugzeug den Vorteil, dass die Triebwerksgeneratoren zur Erzeugung der notwendigen Wechselspannung für das elektrische Bordnetz nicht mehr für den Höchstlastfall auszulegen sind und daher auch relativ wenig Treibstoff, beispielsweise Kerosin, verbrauchen.
Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen elektrischen Bordnetzen von Flugzeugen besteht darin, dass die Frequenz der zur Verfügung stehenden Wechselspannung nunmehr ein Maß für die Belastung des Bordnetzes durch verschiedene Leistungsverbrauchseinheiten darstellt und somit ein frequenzabhängiger Lastabwurf möglich ist, um beispielsweise Verbrauchseinheiten bei einem Absinken der Frequenz gezielt abzuschalten und somit das Netz zu stabilisieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Bordnetz-Wechselspannung mit einer nahezu konstanten, geregelten Spannung U bereit. Diese Netzspannung U des Bordnetzes bildet ein Maß für die Belastung des Bordnetzes durch die Blindleistungsverbrauchseinheiten des Flugzeuges.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist neben einem oder mehreren Triebwerksgeneratoren zumindest eine weitere Spannungsquelle auf, die über einen zugehörigen Wechselumrichter zusätzliche Leistung über das Bordnetz zur Verfügung stellen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet daher den Vorteil, dass die Triebwerksgeneratoren nicht für die Nenn-Höchstleistung ausgelegt werden müssen, da die zusätzliche Spannungsquelle eine Leistungsreserve bereitstellt. Da demzufolge die Triebwerksgeneratoren nicht die Nenn-Höchstleitung alleine bereitstellen müssen, können sie kleiner dimensioniert werden, so dass im Enddefekt auch Treibstoff, beispielsweise Kerosin, eingespart werden kann.
Da die Netzfrequenz des Bordnetzes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Last des Bordnetzes abhängt, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem einen frequenzabhängigen Lastabwurf, um beispielsweise weniger kritische Leistungsverbraucher gezielt abzuschalten, wenn die Frequenz des Bordnetzes sinkt.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die weitere Spannungsquelle eine Brennstoffzelle auf, die eine Gleichspannung bereitstellt, welche von einem zugehörigen Wechselumrichter in die zweite Ausgangswechselspannung umgerichtet wird.
Das Vorsehen einer Brennstoffzelle hat zum einen den Vorteil, dass diese bei einem relativ geringen Eigengewicht eine relativ hohe Leistung liefern kann. Ein weiterer Vorteil einer Brennstoffzelle ist, dass sie Wasserstoff verbrennt und dabei Wasser erzeugt. Dieses während des Betriebes der Brennstoffzelle erzeugte Wasser kann als Nutzwasser den Passagieren des Flugzeuges bereitgestellt werden, beispielsweise zum Händewaschen. Dies hat zur Folge, dass ein Flugzeug beim Starten weniger Nutzwasser mit sich führen muss und somit Treibstoff beim Starten des Flugzeuges eingespart werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält der Wechselumrichter eine Regelungsschaltung zur Regelung der Ausgangswechselspannung,
wobei die Regelungsschaltung eine Primärregelung zur Synchronisation der Ausgangswechselspannungen und
Sekundärregelungen zur Regelung der Netzfrequenz und des Effektivwertes der Bordnetzspannung aufweist.
Dabei hängt die Netzfrequenz f der Bordnetz-Wechselspannung von der Belastung des Bordnetzes durch eine Wirkleistung P ab und der Effektivwert der Bordnetz-Wechselspannung ist von der Belastung des Bordnetzes durch eine Blindleitung Q abhängig. Dies bedeutet, dass die Frequenz und die Spannung des Bordnetzes Regelgrößen bilden können.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt die Sekundärregelung die Regelung der Netzfrequenz in Abhängigkeit von einer Wirkleistungsvorgabe P_soll aus. Diese Lastvorgabe bzw. Leistungssollwert kann zur Betriebsoptimierung berechnet bzw. eingestellt werden.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wirkleistungsvorgabe P_soll für die Sekundärregelung zur Regelung der Netzfrequenz f des Bordnetzes bereitgestellt.
Dabei wird die Wirkleistungsvorgabe P_soll vorzugsweise in Abhängigkeit von Parametern eingestellt bzw. berechnet, die benötigte Leistungen von Leistungsverbrauchseinheiten, eine Leistungskapazität der jeweiligen Spannungsquelle und einen Erzeugungsaufwand für die Bereitstellung der Leistung durch die jeweilige Spannungsquelle umfassen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Regelungsschaltung ferner eine Erfassungseinheit auf, welche anhand der Netzspannung und der Netzfrequenz f des Bordnetzes einen Lastsprung erfasst.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Regelungsschaltung ferner eine Berechnungseinheit auf, die anhand der erfassten Netzspannung und der erfassten Netzfrequenz f des Bordnetzes eine Wirkleistung P und eine Blindleistung Q als Führungsgrößen für die Primärregelung und die Sekundärregelung der Regelungsschaltung berechnet.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Leistungsverbrauchseinheiten, die an das Bordnetz angeschlossen sind, abgeschaltet, wenn die Netzfrequenz des Bordnetzes eine untere Grenzfrequenz unterschreitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Leistungsverbrauchseinheiten zu dem Bordnetz hinzugeschaltet, wenn die Netzfrequenz des Bordnetzes eine obere Netzfrequenz überschreitet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt die Sekundärregelung die Regelung des Effektivwertes der Netzspannung in Abhängigkeit einer Blindleistungsvorgabe Q_soll aus.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Frequenzumrichter und die Wechselumrichter jeweils an eine Sammelschiene des Bordnetzes angeschlossen, die über eine Transferleitung oder über eine weitere Sammelschiene des Bordnetzes miteinander verbunden sein können.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an den Sammelschienen über Leistungsschalter bzw. Lastschalter verschiedene Leistungsverbrauchseinheiten angeschlossen, die mit der Bordnetz-Wechselspannung versorgt werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an einer der Sammelschienen eine Schnittstelle zur Versorgung einer anschließbaren externen Leistungsverbrauchseinheit vorgesehen, die, während sich das Flugzeug am Boden befindet, mit der Bordnetz-Wechselspannung des Flugzeuges versorgt wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zusätzlich vorgesehene Spannungsquelle eine Brennstoffzelle, die während ihres Betriebes Wasser erzeugt, das als Nutzwasser den Passagieren des Flugzeuges bereitgestellt wird.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges mit den in Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges mit den Schritten:
Erfassen eines Lastsprunges in dem Bordnetz des Flugzeuges anhand eines Absinkens der Netzfrequenz der Bordnetz-Wechselspannung in dem Bordnetz; und
Durchführen einer Frequenzausgleichsregelung durch Einspeisen von Leistung in das Bordnetz, die von mindestens einem Frequenzumrichter abgegeben wird, der eine von einem Triebwerksgenerator des Flugzeuges bereitgestellte Wechselspannung in eine erste Ausgangswechselspannung umrichtet, und durch Einspeisen von Leistung in das Bordnetz, die von einem Wechselumrichter abgegeben wird, der eine von einer weiteren Spannungsquelle bereitgestellte Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung umrichtet, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und zusammen mit der ersten Ausgangswechselspannung die Bordnetz-Wechselspannung des Bordnetzes bildet.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Beendigung der Frequenzausgleichsregelung zusätzlich eine Lastausgleichsregelung durchgeführt, wobei eine Leistung, die von dem Frequenzumrichter abgegeben wird, zumindestens teilweise reduziert wird und die Leistung, die von dem Wechselumrichter abgegeben wird, in gleichen Maße erhöht wird.
Die Erfindung schafft ferner ein Passagierflugzeug mit den in Patentanspruch 16 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft ein Passagierflugzeug mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz des Passagierflugzeuges, wobei mehrere Spannungsquellen vorgesehen sind, die zumindest einen Triebwerksgenerator und weitere Spannungsquellen aufweisen, mit
einem Frequenzumrichter zum Umrichten einer von dem jeweiligen Triebwerksgenerator bereitgestellten Wechselspannung mit variabler Frequenz in eine erste Ausgangswechselspannung und mit
einem Wechselumrichter zum Wechselumrichten einer von der jeweiligen weiteren Spannungsquelle bereitgestellten Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und zusammen mit dieser die Bordnetz-Wechselspannung des Bordnetzes bildet.
Im Weiteren werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges;
2 ein weiteres Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges;
3 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges;
4 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges;
5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Regelungsschaltung, die innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges verwendbar ist;
6 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer Schaltung zur Betriebsoptimierung bei einer Frequenzsekundärregelung für die in 5 dargestellte Regelungsschaltung;
7 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer Schaltung zur Betriebsoptimierung bei einer Spannungssekundärregelung in der in 5 dargestellten Regelungsschaltung;
8 ein Diagramm als Beispiel für Statiken, die bei der Regelungsschaltung gemäß 5 verwendbar sind;
9 ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges.
Wie man aus 1 erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges mehrere Spannungsquellen auf. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel verfügt das Flugzeug über zwei Triebwerksgeneratoren 2A, 2B, die durch zwei Triebwerke des Flugzeuges angetrieben werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Spannungsquelle 3 vorgesehen. Die Anzahl der zusätzlichen Spannungsquellen 3 kann variieren und beispielsweise zwei, drei oder weitere Spannungsquellen umfassen. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist die zusätzliche Spannungsquelle eine Brennstoffzelle BZ, die eine Gleichspannung bereitstellt. Alternativ kann die zusätzliche Spannungsquelle 3 auch durch eine andere Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, gebildet werden. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform wird die zusätzliche Spannungsquelle 3 nicht durch eine Gleichspannungsquelle gebildet, sondern durch eine Wechselspannungsquelle. In diesem Fall wird ein weiterer Frequenzumrichter anstelle des Wechselrichters verwendet.
Die in 1 dargestellte Brennstoffzelle BZ verbrennt während ihres Betriebes Wasserstoff (H₂) zu Wasser (H₂O) und erzeugt dabei eine Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird von einem zugehörigen Wechselumrichter 4 in eine Ausgangswechselspannung umgerichtet. An die beiden Triebswerksgeneratoren des Flugzeuges wird jeweils ein Frequenzumrichter 5A, 5B angeschlossen. Die Frequenzumrichter 5A, 5B sind jeweils zum Umrichten der von dem jeweiligen Triebwerksgenerator 2A, 2B bereitgestellten Wechselspannung AC mit variabler Frequenz in eine erste Ausgangswechselspannung vorgesehen. Der Frequenzumformer 5A, 5B kann aus einem AC/DC-Wandler mit einem daran seriell angeschlossenen DC/AC-Wandler bestehen. Dieser DC/AC-Wandler bildet einen Wechselrichter. Die von den Frequenzumformern 5A, 5B abgegebene Ausgangswechselspannung weist eine nahezu konstante regelbare Netzfrequenz f auf. Der Wechselumrichter 4, welcher an die Brennstoffzelle 3 angeschlossen ist, erzeugt aus der ihm zur Verfügung gestellten Gleichspannung eine zweite Ausgangswechselspannung, die aufgrund einer in dem Wechselumrichter 4 vorgesehenen Regelungsschaltung synchron zu der Ausgangswechselspannung ist, die jeweils von einem der Frequenzumrichter 5A, 5B bereitgestellt wird. Die erste Ausgangswechselspannung und die von dem Wechselumrichter 4 bereitgestellte zweite Ausgangswechselspannung sind somit synchron zueinander und bilden die Bordnetz-Wechselspannung des Bordnetzes. Die erste und zweite Ausgangswechselspannung weisen die gleiche Frequenz f und die gleiche Phase auf. Die verschiedenen Stromrichter, das heißt die beiden Frequenzumrichter 5A, 5B sowie der Wechselumrichter 4 der Brennstoffzelle sind über Leistungsschalter 6A, 6B, 6C jeweils an eine zugehörige Sammelschiene 7A, 7B, 7C angeschlossen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist somit jeder Stromrichter eine zugehörige Sammelschiene 7A, 7B, 7C auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine weitere Sammelschiene 8 miteinander verbindbar sind. Wie in 1 dargestellt, sind über Leistungsschalter 9-1, 9-2 Leistungsverbrauchseinheiten 10-1, 10-2 an die erste Sammelschiene 7A des Frequenzumformers 5A angeschlossen. Über einen weiteren Leistungsschalter 9-3 ist diese erste Sammelschiene 7A mit der gemeinsamen Sammelschiene 8 verbunden. Die zweite Sammelschiene 7B weist ihrerseits Leistungsschalter 9-4, 9-5, 9-6 zum Anschluss weiterer Leistungsverbraucher 10-4, 10-6 und zum Anschluss an die gemeinsame Sammelschiene 8 auf. Auch die dritte Sammelschiene 7C des zweiten Frequenzumformers 5B ist über Leistungsschalter 9-7, 9-8, 9-9 an die gemeinsame Sammelschiene 8 sowie Leistungsendverbraucher 10-8, 10-9 schaltbar. Auch an die gemeinsame Sammelschiene 8 sind über Leistungsschalter 9-10, 9-11, 9-12, 9-13 weitere Leistungsendverbraucher 10-10, 10-11, 10-12, 10-13 anschließbar bzw. schaltbar.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine symmetrische Bordnetz-Topologie mit zwei unabhängigen Triebwerksgeneratoren 2A, 2B und dazugehörigen Frequenzumformern 5A, 5B bzw. Frequenzumrichtern sowie einer Brennstoffzelle 3 mit einem dazugehörigen Wechselumrichter 4. Die in 1 dargestellte symmetrische Netzwerk-Topologie bietet den Vorteil, dass die beiden Triebwerke des Flugzeuges, welche die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B antreiben, normalerweise symmetrisch belastet werden Die in 1 dargestellten Leistungsverbrauchseinheiten 10-i sind beliebige Leistungsverbrauchseinheiten eines Flugzeuges, beispielsweise Bordküchen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist an einer Sammelschiene eine Schnittstelle zur Versorgung einer anschließbaren externen Leistungsverbrauchseinheit vorgesehen. Beispielsweise zeigt 1 eine derartige Schnittstelle 11 zum Anschluss einer externen Leistungsverbrauchseinheit. Bei dieser externen Verbrauchseinheit kann es sich beispielsweise auch um eine Leistungsverbrauchseinheit eines anderen Flugzeuges oder Luftfahrzeuges handeln. Befindet sich das Flugzeug, das die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 enthält, am Boden, ermöglicht es die Schnittstelle 11, eine externe Leistungsverbrauchseinheit an das Bordnetz des Flugzeuges anzuschließen. Beispielsweise kann ein Flugzeug, das Leistung bzw. Energie benötigt, diese von einem daneben befindlichen Flugzeug auf einem Flugplatz erhalten. Beispielsweise kann ein großes Flugzeug, welches über mehrere Brennstoffzellen 3 verfügt, ein daneben befindliches Flugzeug, dessen Energiereserven zuneige gehen, über die Schnittstelle 11 mit Strom versorgen. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn die beiden Flugzeuge sich an einem Flugplatz befinden, der nicht über die notwendigen Einrichtungen für das Breitstellen einer Bordnetzwechselspannung verfügt.
Bei einer möglichen Ausführungsform dient das Flugzeug, welches das in 1 dargestellte Bordnetz beinhaltet, ausschließlich dem Zweck, daneben geparkten Flugzeugen oder sonstigen Einheiten eine Bordnetzspannung zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall weist das Flugzeug beispielsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen 3 auf und befördert beispielsweise keine Passagiere. Bei einer möglichen Ausführungsform weist dieses Flugzeug in seinem Rumpf mehrere Schnittstellen 11 zum Anschluss weiterer externer Leistungsverbrauchseinheiten auf. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Netzfrequenz f des Bordnetzes zwischen verschiedenen Frequenzen bzw. Sollfrequenzen f umschaltbar, zum Beispiel zwischen f = 400 HZ und f = 50 HZ.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges. Bei diesem Ausführungsbeispiel verfügt das Flugzeug über einen Triebwerksgenerator 2, der über einen zugehörigen Frequenzumrichter 5 an eine zugehörige Sammelschiene 7A angeschlossen ist. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Brennstoffzelle 3 über einen zugehörigen Brennstoffzellen-Wechselrichter 4 an eine weitere Sammelschiene 7B angeschlossen. Die beiden Sammelschienen 7A, 7B sind bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Transferleitung 12 elektrisch miteinander verbunden. Es können auch mehr Transferleitungen 12-i vorgesehen werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform weist das Bordnetz lediglich eine Sammelschiene 8 auf, die über Lastschalter 6A, 6B, 6C direkt an die Stromrichter, das heißt die Frequenzumrichter 5A, 5B und den Brennstoffzellen-Wechselrichter 4 angeschlossen ist. Das dargestellte Bordnetz weist jeweils einen Frequenzumrichter 5A, 5B pro Seite des Flugzeuges bzw. pro Triebwerk auf sowie einen Brennstoffzellenumrichter 4.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind 3 Brennstoffzellen über jeweilige Brennstoffzellen-Wechselrichter 4A, 4B, 4C an die gemeinsame Sammelschiene 8 des Bordnetzes angeschlossen. Das in 4 dargestellte Bordnetz entspricht einem Netz, welches beispielsweise durch Abschalten bzw. Ausfall der Triebwerksgeneratoren 2A, 2B entsteht. Die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B werden z. B. nach Abschalten der Triebwerke des Flugzeuges am Boden deaktiviert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bei den 1–4 dargestellten Ausführungsbeispielen benutzt eine oder mehrere Brennstoffzellen 3 als Stromerzeuger bzw. zur Bereitstellung einer Gleichspannung. Alternative Einrichtungen, beispielsweise Batterien, können ebenfalls als Gleichspannungsgeneratoren eingesetzt werden. Die Benutzung einer Brennstoffzelle 3 als Gleichspannungslieferant hat den Vorteil, dass die Brennstoffzelle weitere Nebenprodukte liefert, nämlich thermische Energie, Wasser sowie sauerstoffarme Abluft, wodurch eine Steigerung der Effizienz des Flugbetriebes ermöglicht wird. Durch das Vorsehen der zusätzlichen Brennstoffzelle kann die Leistungsentnahme an den Triebwerksgeneratoren 2A, 2B gesenkt werden. Dies hat eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs zur Folge. Das Versehen der Brennstoffzelle sowie des zugehörigen Wechselrichters 4 ermöglicht es ferner Lastspitzen in dem Bordnetz, die durch den zeitweise Betrieb von Leistungsverbrauchern entstehen, Puffern zu können. Durch den Betrieb der zusätzlichen Spannungsquelle 3 kann weiterhin die Zuverlässigkeit der Spannungsversorgung in dem Bordnetz erhöht werden. Die Stromrichter, das heißt der Frequenzumrichter 5 und der Wechselrichter 4, speisen die Leistung auf mindestens eine Sammelschiene, die über eine Transferleitung 12 oder weitere Sammelschienen miteinander verbunden sind.
Bei einem Parallelbetrieb aller Spannungs- bzw. Stromquellen 2, 3 erfolgt durch die Stromrichter eine ausgangsseitige Synchronisation der zur Verfügung gestellten Netzspannung. Dazu weist der Wechselrichter 4, welcher die von der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung gestellte Gleichspannung in eine Ausgangswechselspannung umformt, eine Regelungsschaltung auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform weisen auch die Frequenzumrichter 5A, 5B zum Umrichten der von den Triebwerksgeneratoren 2A, 2B bereitgestellten Wechselspannung mit variabler Frequenz ebenfalls eine entsprechende Regelungsschaltung auf. Die verschiedenen Einspeisestromrichter, das heißt der Wechselrichter 4 und der Frequenzumrichter 5, sind vorzugsweise jeweils mit einer unabhängigen Regelungsschaltung ausgestattet, welche aktuelle, elektrische Kenngrößen des Bordnetzes erfasst und in Abhängigkeit davon die jeweilige Ausgangswechselspannung bildet. Diese Regelungsschaltung passt die Erzeugerleistung und Verbraucherleistung bei einer Sollfrequenz f_soll an und gewährleistet zusätzlich eine bestimmte Aufteilung der Regelleistung auf die unterschiedlichen Spannungsquellen 2, 3.
Bei einem gleichzeitigen Betrieb zweier Stromrichter, das heißt eines Wechselrichters 4 und/oder mindestens eines Frequenzumrichters 5, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eine Synchronisation der jeweils generierten Ausgangswechselspannungen. Dabei wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Regelungsschaltung eingesetzt, welche ohne eine direkte Kommunikation zwischen den Stromrichtern oder über eine übergeordnete zentrale Steuerung auskommt. Dabei wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in jedem Stromrichter 4, 5 eine unabhängige Regelungsschaltung vorgesehen, welche dafür sorgt, dass der zugehörige Stromrichter auf das Bordnetz synchronisiert wird. Diese in dem Stromrichter vorgesehene Regelungsschaltung ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie aktuelle elektrische Kenngrößen an der daran angeschlossenen Sammelschiene erfassen kann und auf deren Grundlage dann die Ausgangsspannung und Frequenz des zugehörigen Stromrichters 4, 5 einstellt, so dass der Stromrichter mit weiteren Stromrichtern synchron an demselben Netz betrieben werden kann. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform führt jeder Stromrichter 4, 5 aufgrund seiner unabhängigen Regelungsschaltung selbsttätig eine Anpassung seiner Ausgangsspannung und Frequenz durch. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Stromrichter 4, 5 gleichzeitig ein gemeinsames Stromnetz speisen können und dabei voneinander unabhängig sind. In dieser Ausführung ist somit das Bordnetz robust gegenüber Ausfällen von einzelnen Stromrichtern und arbeitet somit besonders zuverlässig. Wenn bei dieser Ausführungsform ein Stromrichter, beispielsweise ein Frequenzumrichter 5 oder ein Brennstoffzellen-Wechselrichter 4 ausfällt, ist der weitere Betrieb der übrigen Stromrichter möglich. In dieser Ausführungsform ist eine externe oder übergeordnete Regeleinrichtung nicht erforderlich und vorgesehen. Dadurch wird insgesamt eine hohe Ausfallsicherheit des Bordnetzes erreicht. Bei einem Parallelbetrieb der Stromrichter sind alle Ausgangswechselspannungen stets synchron zueinander und die Stromrichter haben, ohne miteinander kommunizieren zu müssen, eine festgelegte Lastaufteilung. Durch eine phasenunabhängige Kondensatorspannungsregelung ist es beispielsweise möglich, Phasenunsymmetrische Lasten über das Bordnetz zu versorgen. Dieser Kondensatorspannungsregelung kann eine sogenannte Primärregelung überlagert werden, welche aus einem Wirk- und Blindleistungsregler besteht. Der Wirkeistungsregler verstellt einen Phasenwinkel zwischen der Kondensatorspannung und der Netzspannung, um die Wirkleistungsabgabe in das Bordnetz zu ändern. Demgegenüber verstellt der Blindleistungsregler den Effektivwert der Kondensatorspannung, um die Blindleistung zu kontrollieren bzw. zu regeln. Die Sollwerte für die beiden Leistungsregler können dabei aus Funktionen P(f) und Q(U) abgeleitet sein. Diese Funktionen können beispielsweise als sogenannte Statiken in Speichern als Kennkurve gespeichert sein. Die Primärregelung der Regelungsschaltung sorgt dafür, dass die Spannungsquellen synchron bleiben und durch die Statiken bzw. gespeicherten Kennlinien wird eine bestimmte Lastaufteilung unter den Spannungsquellen festgelegt bzw. eingestellt. Die Netzfrequenz f des Bordnetzes sowie der Effektivwert der Netzspannung können in gewissen engen Grenzen variieren. Ein in der Regelungsschaltung vorgesehene Sekundärregelung kann die Kennkurven bzw. Statiken verschieben und auf diese Weise die Frequenz f und den Effektivwert der Netzspannung verändern. Hierdurch ändert sich die Lastaufteilung der Spannungsquellen. Durch eine weitere Reglerkomponente der Regelungsschaltung kann die ursprüngliche Lastaufteilung wieder hergestellt werden. Für die gesamte Regelung ist bei dieser Ausführungsform keine Kommunikation zwischen den Stromrichtern, das heißt den Wechselrichtern 4 und den Frequenzumrichtern 5 notwendig.
5 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine derartige Regelungsschaltung, die ohne Kommunikation bzw. Datenaustausch mit anderen Regelungsschaltungen eine zuverlässige Regelung durchführt. Eine derartige Regelungsschaltung ist zum Teil in der EP 1 933 451 A2 beschrieben.
Die in 5 dargestellte Regelungsschaltung 14 wird vorzugsweise in allen Stromrichtern, das heißt Brennstoffzellen-Wechselrichtern 4 und Frequenzumrichtern 5 integriert. Die Regelungsschaltung 14 führt eine Regelung der jeweiligen durch den Stromrichter erzeugten Ausgangswechselspannung durch. Die Regelungsschaltung 14 umfasst im Wesentlichen eine Primärregelung 15 zur Synchronisation der bereitgestellten Ausgangswechselspannungen sowie eine oder mehrere Sekundärregelungen. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Regelungsschaltung 14 eine Sekundärregelung 16 zur Regelung der Netzfrequenz sowie eine weitere Sekundärregelung 17 zur Regelung eines Effektivwertes der zur Verfügung gestellten Bordnetzspannung. Die Netzfrequenz f der Bordnetz-Wechselspannung hängt von der Belastung des Bordnetzes durch Wirkleistung P ab. Weiterhin hängt der Effektivwert der Bordnetz-Wechselspannung von der Belastung des Bordnetzes durch Blindleistung Q ab. Die Regelungsschaltung 14 enthält ferner eine Erfassungseinheit 18, welche anhand der Netzspannung und der Netzfrequenz f des Bordnetzes einen Lastsprung ΔP erfasst. Diese Erfassungseinheit 18 kann eine Berechnungseinheit enthalten, die anhand der erfassten Netzspannung und der erfassten Netzfrequenz f des Bordnetzes eine Wirkleistung P und eine Blindleistung Q berechnet, welche als Führungsgrößen für die Primärregelung 15 und die Sekundärregelungen 16, 17 der Regelungsschaltung 14 dienen. Ausgangsseitig ist die Primärregelung 15 bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Stromrichterausgangsspannungsregler 19 verbunden.
Wie man aus 5 erkennen kann, enthält die Primärregelung 15 einen Wirkleistungsregler 15A und einen Blindleistungsregler 15B. Die durch die Einheit 18 berechnete Frequenz f dient der Regelung der Netzfrequenz über den Wirkleistungsregler 15A. Die durch die Erfassungseinheit 18 ermittelte Spannung U dient der Regelung der Netzspannung über den Blindleistungsregler 15B. Die Primärregelung 15 berücksichtigt bei der in 5 dargestellten Ausführungsform statische Kennlinien, welche sich beispielsweise in Speichern 15C, 15D abgespeichert befinden. In dem Speicher 15C ist beispielsweise eine Frequenz-Wirkleistungskennlinie P(f), welche zur Frequenzregelung verwendet wird, gespeichert. Im Speicher 15D ist eine Spannungsblindleistungskennlinie Q(n) zur Spannungsregelung abgelegt. Die Einheit 18 berechnet aus der erfassten Netzspannung und der erfassten Netzfrequenz f des Bordnetzes eine aktuelle Wirkleistung P, die über eine Leitung 20A an ein Differenzglied der Primärregelung 15 angelegt wird. Weiterhin berechnet die Einheit 18 eine Blindleistung Q aus der erfassten Netzspannung und der erfassten Netzfrequenz f des Bordnetzes, die als Führungsgröße für die Primärregelung 15 über eine Leitung 20B an ein weiteres Differenzglied der Primärregelung angelegt wird.
Wie in 5 dargestellt, sind zwei Sekundärregelungen 16, 17 vorgesehen, nämlich eine Sekundärregelung 16 zur Frequenzsekundärregelung und eine Regelung 17 zur Spannungssekundärregelung. Die beiden Sekundärregelungen 16, 17 bewirken eine Verschiebung der im Primärregler 15 in den Speichereinheiten 15C, 15D gespeicherten Kennlinien. Eine Verschiebung der Kennlinien kann bewirken, dass die Kennlinien wieder auf Sollwerte verschoben werden, so dass bei einer gegebenen Last im Netz die vorgegebene Frequenz f und die vorgegebene Spannung eingehalten werden können. Diese Wiederherstellung der geregelten Größe erfolgt in den Sekundärreglern 16, 17 durch Wiederherstellungsmodule 16A, 17A. Die Sekundärregelungen weisen zudem jeweils ein Testmodul 16B, 17B auf, um eine Symmetrierung auch in den Zeitabschnitten, in denen kein Lastwechsel im Bordnetz auftritt, in Gang setzen zu können. Die Sekundärregelungen weisen zudem jeweils ein Symmetrierungsmodul 16C, 17C auf, in der eine Lastaufteilung zwischen den unterschiedlichen Spannungsquellen einstellbar ist. Mit der Leistungsvorgabe ist diese variabel und kann während des Flugzeugbetriebs geändert werden.
Die Leistungsregler der Primärregelung 15, das heißt der Wirkleistungsregler 15A und der Blindleistungsregler 15B bilden Führungsgrößen für die Stromrichterausgangsspannungsregler 19, der Sollspannungen für die an der jeweiligen Regelungsschaltung 14 angeschlossene Sammelschiene bereitstellt. Die Erfassungseinheit 18 greift die Netzspannungen und Netzströme zur Messung ebenfalls von der daran angeschlossenen Sammelschiene ab.
6, 7 zeigen eine Variante der für die Sekundärregelungen 16, 17 vorgesehenen Symmetrierungsmodule 16C, 17C bei einer bevorzugten Ausführungsform. Wie man in 6 erkennen kann, wird dem Symmetrierungsmodul 16C der Frequenzsekundärregelung 16 der Regelungsschaltung 14 eine Wirkleistungsvorgabe P_soll bereitgestellt. Die Sekundärregelung 16 regelt die Netzfrequenz f des Bordnetzes. Die Sekundärregelung der Netzfrequenz erfolgt dabei in Abhängigkeit der bereitgestellten Wirkleistungsvorgabe P_soll. Diese Wirkleistungsvorgabe P_soll wird bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Einheit 21 berechnet bzw. eingestellt. Die Wirkleistungsvorgabe P_soll kann in Abhängigkeit von Parametern eingestellt werden, welche die von verschiedenen Leistungsverbrauchseinheiten 10-i benötigen elektrischen Leistungen P, eine Leistungskapazität der jeweiligen Spannungsquelle 2, 3 und einen Erzeugungsaufwand für die Bereitstellung der jeweiligen Leistung durch die jeweilige Spannungsquelle 2, 3 aufweisen. Die Parameter P1, P2, Pn sind beispielsweise einstellbar oder aus einem Konfigurationsspeicher auslesbar. Die Einstellung bzw. Berechnung der Wirkleistungsvorgabe P_soll kann entsprechend einer Optimierungsfunktion durchgeführt werden. Diese Optimierungsfunktion kann bei einer möglichen Ausführungsform ebenfalls aus einem Speicher, insbesondere einem Konfigurationsspeicher ausgelesen werden. Bei einer möglichen Ausführungsform werden einzelne Parameter P_i sensorisch erfasst. Beispielsweise kann die noch zur Verfügung stehende Leistungskapazität einer Brennstoffzelle 3 anhand des noch zur Verfügung stehenden Wasserstoffes H₂ ermittelt werden. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine Überlasteingriffseinheit 22 vorgesehen, die als Führungsgröße die Wirkleistung P von der Erfassungseinheit 18 erhält und mit einem Differenzglied innerhalb des Symmetrierungsmodul 16C verbunden ist. Weiterhin empfängt das Symmetrierungsmoduls 16C als Führungsgröße die Wirkleistung P in weiteren integrierten Reglern.
7 zeigt den Aufbau eines Symmetrierungsmoduls 17C bei einer möglichen Ausführungsform. Das Symmetrierungsmodul 17C ist analog zu dem Symmetrierungsmoduls 16C aufgebaut. In der in 7 dargestellten Ausführungform wird dem Symmetrierungsmodul 17C der Spannungssekundärregelung 17 eine Blindleistungsvorgabe Q_soll bereitgestellt. Die Sekundärregelung 17 zur Regelung des Effektivwertes der Netzspannung führt diese Regelung in Abhängigkeit der Blindleistungsvorgabe Q_soll aus. Diese Blindleistungsvorgabe Q_soll kann bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Einheit 23 berechnet bzw. eingestellt werden, die in Abhängigkeit von Führungsgrößen, das heißt der Wirkleistung P und der Blindleistung Q, die Blindleistungsvorgabe Q_soll berechnet. Die Wirkleistung P und die Blindleistung Q werden der Einheit 23 durch die Erfassungseinheit 18 zur Verfügung gestellt. Wie in 7 dargestellt, weist die Sekundärregelung 17 ebenfalls eine an dem Symmetrierungsmodul 17C angeschlossene Überlasteingriffseinheit 24 auf. Diese erhält als Führungsgröße die erfasste Blindleistung Q von der Erfassungseinheit 18.
Die Kosten für die Blindlastbereitstellung können nicht als Kriterium angesetzt werden, da Blindleistung nicht erzeugt werden muss, also für jede Quelle im Grunde den gleichen Wert hat. Ein sinnvolles Kriterium ist die aktuelle Auslastung (Scheinleistung S) der Einspeisung. Eine unterschiedliche Auslastung der Quellen kann durch die optimierte Wirklastaufteilung verursacht werden. Wenn eine Quelle mit hoher Auslastung ihre Blindleistungseinspeisung reduzieren kann, hat sie mehr Spielraum, um die Wirkleistung weiter zu erhöhen. Dies kann bedeuten, dass eine Quelle, die Leistung günstig bereitstellt, mit sehr billiger Energie ihre ganze Bemessungsscheinleistung für die Bereitstellung von Wirkleistung nutzen kann und die von den Lasten benötigte Blindleistung von Einspeisungen bzw. Quellen geliefert wird, deren Energie teuer ist.
Bei dem in 6, 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Energiebereitstellung aus verschiedenen Spannungsquellen optimiert. Dies kann nach verschiedenen Kriterien entsprechend einer vorgegebenen Zielfunktion optimiert erfolgen. Diese Kriterien umfassen beispielsweise die Verfügbarkeit, oder Kosten zur Erzeugung der Leistung bzw. Energie durch die jeweilige Spannungsquelle. Für die verschiedenen Strom- bzw. Spannungsquellen kann eine Leistungsvorgabe gegeben werden. Vorzugsweise ist eine unsymmetrische Leistungsvorgabe für die verschiedenen Spannungs- bzw. Stromquellen vorgesehen. Hierzu werden wie in den 6, 7 dargestellt, die Symmetrierungsmodule 16C, 17C durch eine Betriebsoptimierungskomponente 21 bzw. 23 erweitert. Weisen die Stromrichter eine unterschiedliche Leistungsvorgabe für die Symmetrierungsregler auf, wird eine entsprechende Lastaufteilung erreicht.
Die Vorgabe der Belastung des Umrichters erfolgt in Relation zur Nennleistung des Umrichters. Umrichter mit unterschiedlicher Nennleistung können so gleichermaßen im Verhältnis zur jeweiligen Nennleistung belastet werden. Die Leistungsvorgabe bezieht sich auf eine Änderung dieses Wertes während des Betriebs. Ohne die Leistungsvorgabe ist diese jedoch nicht dynamisch änderbar.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 hängt die eingespeiste Leistung der Stromrichter von der Last ab, nicht von einer vorgegebenen Leistung. Daher erfolgt vorzugsweise die Leistungsvorgabe unter Berücksichtigung der maximalen Leistungsfähigkeit des jeweiligen Stromrichters. Für den Fall, dass die Leistung bewusst unsymmetrisch zwischen den Leistungseinspeiseeinheiten verteilt wird, ist eine Überlasteingriffseinheit vorgesehen.
8 zeigt beispielhafte Statiken bzw. Kennlinien für eine mögliche Frequenz/Wirkleistungsregelung. Die Frequenz bzw. Netzfrequenz f ist ein Maß für die Belastung bzw. Last des Bordnetzes. Bei Frequenzen unterhalb einer Minimalfrequenz f_min kann einen Kurzschluss vorliegen. Daher weist eine ursprünglich linear abfallende Kennlinie bzw. Statik, wie in 8 dargestellt, in einer möglichen Ausführungsform einen geknickten Kurvenverlauf auf. Bei diesen Statiken ist der Verlauf in der Nähe der Minimalfrequenz f_min steiler, wie in 8 dargestellt ist. Dabei wird kurz vor Erreichen der unteren Grenzfrequenz f_min des erlaubten Frequenzbandes die Einspeiseleistung erhöht. Diese Erhöhung der Einspeiseleistung ist notwendig, damit Schutzschalter auch bei einem möglichen Kurzschluss noch zuverlässig auslösen können.
9 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges. Bei einem Lastsprung ΔP, das heißt bei einer zusätzlichen Entnahme von Leistung durch eine zusätzliche Leistungsverbrauchseinheit 10-i, beispielsweise durch eine Bordküche, kann der Lastsprung in dem erfindungsgemäßen Bordnetz anhand eines Absenkens der Netzfrequenz f der Bordnetz-Wechselspannung erfasst bzw. detektiert werden. Bei dem in 9 dargestellten Diagramm fällt aufgrund des Lastsprunges die Frequenz von der ursprünglichen Netzfrequenz f0 zunächst auf eine niedrigere Netzfrequenz f1 ab. Die ursprüngliche Netzfrequenz f0 kann beispielsweise 400 Hz betragen.
Wie man aus 9 erkennen kann, verschiebt sich die Kennlinie KL bei den beiden Frequenzumrichtern 5A, 5B sowie bei dem Wechselrichter 4 nach dem Lastsprung ΔP zunächst nach rechts. Daraufhin wird zunächst eine Frequenzausgleichsregelung durch Einspeisen von Leistung P in das Bordnetz durchgeführt. Die Kennlinie wird parallel nach rechts verschoben, um wieder die ursprüngliche Frequenz bei der höheren Leistung zu liefern, die von mindestens einem Frequenzumrichter 5A, 5B abgegeben wird.
Weiterhin wird zusätzliche Leistung in das Bordnetz von dem Wechselumrichter 4 abgegeben. Sobald die Frequenzausgleichsregelung abgeschlossen ist, wird, wie in 9 dargestellt, eine Lastausgleichsregelung durchgeführt, wobei eine Leistung, die von den Frequenzumrichtern 5A, 5B abgegeben wird, zumindestens teilweise reduziert wird und die Leistung, die von dem Wechselumrichter 4 abgegeben wird, in gleichem Maße erhöht wird. Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel übernimmt der Wechselrichter 4 die Last der beiden Frequenzumrichter 5A, 5B vollständig und seine Kennlinie KL₄ verschiebt sich nach durchgeführter Lastkompensation weiter nach rechts zu KL₄. Die Kennlinien KL der beiden Frequenzumrichter 5A, 5B kehren in die Ausgangsstellung vor dem Lastsprung ΔP zurück. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Lastspitzen, welche beispielsweise durch den zeitweise Betrieb leistungsstarker Verbraucher, wie beispielsweise einer Bordküche, hervorgerufen werden, durch die zusätzliche Spannungsquelle 3, beispielsweise die Brennstoffzelle BZ, ausgeglichen. Die Nenn- bzw. Reserveleistung der Triebwerksgeneratoren 2A, 2B kann dadurch begrenzt werden. Die Regelungsschaltung des Brennstoffzellenwechselrichters 4 wird dafür vorzugsweise mit einer Sollwert-Leistungsvorgabe beaufschlagt. Die beiden von den Triebwerksgeneratoren 2A, 2B versorgten Frequenzumrichter 5A, 5B werden vorzugsweise symmetrisch belastet. Dabei kann die Statik bzw. die Kennlinie des Brennstoffzellen-Wechselrichters 4 um den Betrag der Leistungsvorgabe verschoben sein.
Infolge einer Belastungszunahme bzw. eines Lastsprunges ΔP in dem Bordnetz sinkt, wie in 9 dargestellt, die Netzfrequenz f. In diesem Falle werden die Primärregler aller Stromrichter bzw. aller in den Stromrichtern 4, 5 enthaltenen Regelungsschaltungen aktiv und erhöhen die Frequenz wieder auf die Ursprungsfrequenz f0. Dadurch übernimmt jeder der drei Stromrichter 4, 5A, 5B zunächst die gleiche zusätzliche Leistung entsprechend der Statik seiner Reglerkennlinie. Die Regelungsschaltungen führen eine sogenannte Frequenzausgleichsregelung durch. Nach Abschluss der Frequenzausgleichsregelung wird die Regelungsschaltung 14 innerhalb des Brennstoffzellen-Wechselrichters 4 aktiv. Die Regelungsschaltung 14 verschiebt ihre Netzkennlinie solange, bis die Leistungssollwerte der Frequenzumrichter 5A, 5B ihre Sollwerte wieder erreichen. Dann hat die Brennstoffzelle 3 die gesamte zusätzliche Leistung aufgrund der durchgeführten Lastausgleichsregelung alleine übernommen, wie bei dem in 9 dargestellten Beispiel gezeigt.
Bei einer symmetrischen Belastung aller Umformer bzw. Umrichter verschieben alle ihre jeweilige Kennlinie KL um den gleichen Betrag. Hierbei werden die beiden Frequenzumrichter 5A, 5B symmetrisch belastet und die Brennstoffzelle 3 wird gemäß ihrer Leistungsreserve belastet. Die Regelungsschaltung 14 innerhalb des Brennstoffzellenwechselrichters 4 verfügt vorzugsweise auch über die Statiken bzw. Kennlinien der beiden Frequenzumrichter 5A, 5B. Auf diese Weise kann innerhalb der Regelungsschaltung 14 des Brennstoffzellen-Wechselumrichters 4 die Summe der Gesamtleistungsdifferenz, das heißt der Lastsprung ΔP berechnet werden. Die Netzfrequenz f des Bordnetzes wird vorzugsweise gemessen. Dies hat zu Folge, dass die Verschiebung der Statik bzw. Kennlinie um den korrekten Betrag mittels der Leistungsvorgabe erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit eines völlig modularen Aufbaus. Bei einer möglichen Ausführungsform erhöht die Brennstoffzelle 3 ihre eingespeiste Leistung nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. Aufgrund der gemessenen Netzfrequenz f1 nach dem Lastsprung ΔP kann die notwendige Leistung ermittelt werden und diese Leistung kann dann nachgeregelt werden. Dabei können die Frequenzumrichter 5A, 5B, die an die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B angeschlossen sind, eine schnelle Kompensation der Lastsprünge, das heißt eine Wiederherstellung der Frequenz f und des Spannungseffektiv-Sollwertes effektiv unterstützen. Nach der teilweisen oder vollständigen Lastübernahme durch den Brennstoffzellenumrichter 4 sinkt die von den Frequenzumrichtern 5A, 5B eingespeiste Leistung wieder.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung AC für ein Bordnetz eines Flugzeuges erlaubt aufgrund der geregelten Netzfrequenz f auch eine frequenzabhängigen Lastabwurf von Leistungsverbrauchern 10-i innerhalb des Flugzeuges. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Leistungsverbrauchseinheiten 10-i, die an das Bordnetz angeschlossen sind, abgeschaltet, falls die Netzfrequenz f des Bordnetzes unter eine untere Grenzfrequenz f_min absinkt bzw. diese unterschreitet. Weiterhin können bei einer möglichen Ausführungsform Leistungsverbrauchseinheiten 10-i an das Bordnetz hinzugeschaltet werden, falls die Netzfrequenz f des Bordnetzes eine obere Grenzfrequenz f_max überschreitet. Die untere und obere Grenzfrequenz ist dabei vorzugsweise für den jeweiligen Anwendungsfall einstellbar und können gegebenenfalls aus einem Konfigurationsspeicher ausgelesen werden.
Eine Abtrenneinrichtung zum Ab- bzw. Zuschalten eines Leistungsverbrauchers 10-i kann sowohl in der Sammelschiene als auch in dem jeweiligen Leistungsverbraucher selbst integriert sein.
Um bei einem Ausfall von Erzeugerleistung die Versorgungssicherheit, insbesondere kritischer Leistungsverbrauchseinheiten 10-i nicht zu gefährden, wird bei Unterschreitung einer unteren Grenzfrequenz f_min bei dieser Ausführungsform gezielt Last abgeworfen, indem die Verbrauchseinheiten 10-i von dem Bordnetz abgetrennt bzw. abgeschaltet werden. Hierdurch kann einem weiteren Absinken der Netzfrequenz f entgegengewirkt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt der Lastabwurf in Stufen. Die Leistungsverbrauchseinheiten 10-i können bei einer möglichen Ausführungsform über entsprechend eingestellte Unterfrequenzrelais versorgt werden. Diese Relais können bei einer möglichen Ausführungsform eine Messschaltung aufweisen, um Kenngrößen zu erkennen. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Netzfrequenz f und der Netzspannung innerhalb weniger Millisekunden. Dadurch können etwaige Spannungsunterbrechungen aufgrund von Netzstörungen auf wenige Millisekunden begrenzt werden.
Eine Netztrennung ist durch ein Unterfrequenzrelais ebenfalls möglich.
Die Netzfrequenz f ist ein Maß für die Belastung des Bordnetzes durch Wirkleistung P. Liegt die aktuelle Netzfrequenz oberhalb einer bestimmten Frequenzschwelle für eine gewisse Dauer, können eine oder mehrere Leistungsverbrauchseinheiten hinzugeschaltet werden. Fällt die Netzfrequenz f unterhalb des unteren Schwellenwertes f_min ab, kann sich der entsprechende Leistungsverbraucher 10-i kontrolliert abschalten.
Bei einer möglichen Ausführungsform werden die verschiedenen Leistungsverbrauchseinheiten 10-i innerhalb des Flugzeuges durch Zuteilung unterschiedlicher Frequenzschwellen priorisiert. Kritische bzw. wichtige Leistungsverbrauchseinheiten innerhalb des Flugzeuges weisen eine hohe Priorität (Prio 1) auf und haben eine niedrige Frequenzschwelle, das heißt sie sind stets zugeschaltet. Diese Energieverbrauchseinheiten können beispielsweise allein durch die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B mit Leistung versorgt werden. Leistungsverbrauchseinheiten mit einer mittleren Priorität (Prio 2) weisen beispielsweise eine mittlere Frequenzschwelle auf, wobei ihre Versorgung sowohl über die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B als auch über die Brennstoffzelle 3 erfolgen kann. Leistungsverbrauchseinheiten mit einer niedrigen Priorität (Prio 3) wird eine hohe Frequenzschwelle zugewiesen, so dass sie nur im Volllastbetrieb der Brennstoffzelle 3 einschaltbar sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt ein Lastabwurf einer Energieverbrauchseinheit 10-i erst nachdem dies von einem Besatzungsmitglied bestätigt worden ist.
Die Stromrichter der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 umfassen einerseits Frequenzumrichter 5A, 5B und andererseits einen oder mehrere Wechselrichter 4. Die Frequenzumrichter 5A, 5B werden von Triebwerksgeneratoren 2A, 2B versorgt. Die Funktion der Frequenzumrichter 5A, 5B besteht in der Bereitstellung der Regelleistung zum Ausgleich eines Lastsprungs sowie zur Bereitstellung einer Grundlast. Kritische Lasten werden auch ohne den Betrieb der Brennstoffzelle 3 versorgt. Dabei kann es sich auch um unkritische Lasten handeln, die aber in allen Betriebszuständen des Flugzeugs, also auch wenn die Brennstoffzelle 3 ausgeschaltet ist, versorgt werden müssen. Die Erzeugung der Leistung erfolgt verbrauchsnah. Weiterhin dienen die Frequenzumrichter 5A, 5B der Blindleistungskompensation. Bei einer möglichen Ausführungsform liefern die Frequenzumrichter 5A, 5B die notwendige Leistung für Kurzschlussströme zur sicheren Auslösung der verschiedenen Leistungsschalter des Bordnetzes. Weiterhin sind die Frequenzumrichter 5A, 5B zur Pufferung von Lastspitzen in einem Kurzzeitbetrieb vorgesehen.
Die Wechselrichter 4 werden vorzugsweise jeweils durch eine Brennstoffzelle 3 mit einer Gleichspannung DC versorgt. Die Wechselumrichter 4 dienen ebenfalls zur Bereitstellung der Grundlast, vorzugsweise der Wirkleistung P. Weiterhin können die Wechselrichter auch zur Bereitstellung einer geringen Blindleistung vorgesehen werden. Die Wechselrichter 4 liefern vor allem Leistung zur Versorgung von leistungsintensiven Leistungsverbrauchseinheiten 10-i mit relativ hohen Lasten. Sie liefern ferner entsprechende Kurzschlussströme zum Auslösen der Leistungsschalter. Ferner können Sie auch zur Pufferung von Lastspitzen in einem Langzeitbetrieb dienen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bietet unter anderem den Vorteil, dass die Bordnetzwechselspannung mit einer hohen Qualität, das heißt mit einer nahezu konstanten Frequenz und Effektivspannung, für das Bordnetz bereitgestellt wird. Es können auch phasenunsymmetrische Lasten zuverlässig versorgt werden. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine besonders ausfallsichere und robuste Energie- bzw. Stromversorgung der Verbraucher 10-i innerhalb des Flugzeuges. Das erfindungsgemäße Bordnetz kann völlig modular aufgebaut sein und ist in einfacher Weise erweiterbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist somit vollständig skalierbar. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 die Möglichkeit externe Betriebsmittel ohne Schwierigkeiten anzuschließen. Bei einer möglichen Ausführungsform kann eine optimierte Leistungsbereitstellung bezüglich der Wirk- und Blindleistung erfolgen. Lastspitzen werden zuverlässig gepuffert. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 den Vorteil einer verbrauchsnahen Erzeugung der Leistung sowie eine gewichtoptimierte Verkabelung innerhalb des Flugzeuges. Die notwendige Reserveleistung kann begrenzt werden. Die gemeinsame Höchstlast ist dabei geringer als die Summe der einzelnen Höchstlasten. Auf diese Weise ist es möglich, die Triebwerksgeneratoren 2A, 2B entsprechend zu dimensionieren und Treibstoff einzusparen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich für beliebige Luftfahrzeuge, insbesondere Passagierflugzeuge, Transportflugzeuge aber auch Helikopter.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung wird vorzugsweise in Echtzeit durchgeführt. Dabei kann die Bordnetzwechselspannung durch unabhängige Regelungsschaltungen 14 geregelt werden, die in den verschiedenen Stromrichtern 4, 5 vorgesehen sind. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren auch durch ein Programm ausgeführt werden, das die Verfahrensschritte zum Bereitstellen der Bordnetz-Wechselspannung ausführt. Dieses Programm wird beispielsweise durch einen Mikroprozessor ausgeführt. Durch eine hohe Taktfrequenz des Mikroprozessors kann eine nahezu Echtzeitregelung erfolgen.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine Regelungsschaltung 14 eingesetzt, bei der diese nicht mit anderen Regelungsschaltungen in anderen Umrichtern kommunizieren muss. Dies erhöht die Ausfallsicherheit. Bei einer alternativen Ausführungsform können auch Regelungsschaltungen eingesetzt werden, die über einen oder mehrere Datenkanäle miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Dies kann über einen gemeinsamen Bus geschehen.
Bei besonders hohen geforderten Ausfallsicherheitserfordernissen kann die jeweilige Regelungsschaltung 14 auch redundant ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung
2: Triebwerksgeneratoren
3: zusätzliche Spannungsquelle
4: Wechselrichter
5: Frequenzumrichter
6: Schalter
7: Sammelschiene
8: Sammelschiene
9: Schalter
10: Leistungsverbrauchseinheiten
11: Schnittstelle
12: Transferleitung
14: Regelungsschaltung
15: Primärregelung
16: Sekundärregelung
17: Sekundärregelung
18: Erfassungseinheit
19: Wechselspannungsregler
20: Steuerleitung
21: Betriebsoptimierungseinrichtung
22: Überlasteingriffseinrichtung
23: Betriebsoptimierungseinrichtung
24: Überlasteingriffseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1387460 B1 [0002]
EP 1933451 A2 [0056]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges, wobei mehrere Spannungsquellen vorgesehen sind, die zumindest einen Triebwerksgenerator (2A, 2B) und eine weitere Spannungsquelle (3) aufweisen, mit: – einem Frequenzumrichter (5A, 5B) zum Umrichten einer von dem jeweiligen Triebwerksgenerator (2A, 2B) bereitgestellten Wechselspannung mit variabler Frequenz in eine erste Ausgangswechselspannung und mit – einem Wechselumrichter (4) zum Wechselumrichten einer von der jeweiligen weiteren Spannungsquelle (3) bereitgestellten Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und die Bordnetz-Wechselspannung bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die weitere Spannungsquelle (3) eine Brennstoffzelle (BZ) aufweist, die eine Gleichspannung bereitstellt, welche von einem zugehörigen Wechselumrichter (4) in die zweite Ausgangswechselspannung umgerichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wechselumrichter (4) eine Regelungsschaltung (14) zur Regelung der Ausgangswechselspannung enthält, die – eine Primärregelung (15) zur Synchronisation der Ausgangswechselspannungen und – mindestens eine Sekundärregelung (16, 17) zur Regelung der Netzfrequenz (f) und des Effektivwertes der Bordnetzspannung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Netzfrequenz (f) der Bordnetz-Wechselspannung von der Belastung des Bordnetzes durch Wirkleistung (P) und der Effektivwert der Bordnetz-Wechselspannung von der Belastung des Bordnetzes durch Blindleistung (Q) abhängen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Wirkleistungsvorgabe (P_soll) für die Sekundärregelung (16) zur Regelung der Netzfrequenz (f) des Bordnetzes bereitgestellt wird, wobei die Sekundärregelung zur Regelung der Netzfrequenz (f) die Regelung in Abhängigkeit von der bereitgestellten Wirkleistungsvorgabe (P_soll) ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wirkleistungsvorgabe (P_soll) in Abhängigkeit von Parametern (P_i) eingestellt wird, die benötigte Leistungen von Leistungsverbrauchseinheiten (10), eine Leistungskapazität der jeweiligen Spannungsquelle (2A, 2B, 3) und einen Erzeugungsaufwand für die Bereitstellung der Leistung durch die jeweilige Spannungsquelle (2A, 2B, 3) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Regelungsschaltung (14) eine Erfassungseinheit (18), welche anhand der Netzspannung und der Netzfrequenz (f) des Bordnetzes einen Lastsprung (ΔP; ΔQ)) erfasst, und eine Berechnungseinheit (18) aufweist, die anhand der erfassten Netzspannung und der erfassten Netzfrequenz (f) des Bordnetzes eine Wirkleistung (P) und eine Blindleistung (Q) als Führungsgrößen für die Primärregelung (15) und die Sekundärregelung (16) berechnet.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1–7, wobei Leistungs-Verbrauchseinheiten (10), die an das Bordnetz angeschlossen sind, abgeschaltet werden, wenn die Netzfrequenz (f) des Bordnetzes eine untere Grenzfrequenz (f_min) unterschreitet, und wobei Leistungs-Verbrauchseinheiten (10) zu dem Bordnetz hinzugeschaltet werden, wenn die Netzfrequenz (f) des Bordnetzes eine obere Grenzfrequenz (f_max) überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Sekundärregelung (17) die Regelung des Effektivwertes der Netzspannung in Abhängigkeit einer Blindleistungsvorgabe (Q_soll) ausführt.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1–9, wobei der Frequenzumrichter (5) und der Wechselumrichter (4) jeweils an eine Sammelschiene (7A, 7B) des Bordnetzes angeschlossen sind, die über eine Transferleitung (12) oder über eine weitere Sammelschiene (8) des Bordnetzes miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei an den Sammelschienen (7, 8) über Leistungsschalter (9-i) die Leistungsverbrauchseinheiten (10-i) angeschlossen sind, die mit der Bordnetz-Wechselspannung versorgt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei an einer der Sammelschiene (8) eine Schnittstelle (11) zur Versorgung mindestens einer anschließbaren externen Leistungsverbrauchseinheit vorgesehen ist, die, während sich das Flugzeug am Boden befindet, mit der Bordnetzwechselspannung des Flugzeuges versorgt wird.
Vorrichtung nach Ansprüchen 2–12, wobei Wasser, das von der Brennstoffzelle (BZ) während des Betriebes erzeugt wird, als Nutzwasser den Passagieren des Flugzeuges bereitgestellt wird.
Verfahren zum Bereitstellen einer Bordnetz-Wechselspannung für ein Bordnetz eines Flugzeuges mit den Schritten: (a) Erfassen eines Lastsprunges (ΔP; ΔQ) in dem Bordnetz des Flugzeuges anhand eines Absinkens der Netzfrequenz (f) der Bordnetz-Wechselspannung oder der Netzspannung in dem Bordnetz; und (b) Durchführen einer Frequenzausgleichsregelung oder Spannungsausgleichsregelung durch Einspeisen von Leistung (P, Q) in das Bordnetz, die von mindestens einem Frequenzumrichter (5) abgegeben wird, der eine von einem Triebwerkgenerator (2) des Flugzeuges bereitgestellte Wechselspannung in eine erste Ausgangswechselspannung umrichtet, und durch Einspeisen von Leistung in das Bordnetz, die von einem Wechselumrichter (4) abgegeben wird, der eine von einer weiteren Spannungsquelle (3) bereitgestellte Spannung in eine zweite Ausgangswechselspannung umrichtet, die zu der ersten Ausgangswechselspannung synchron ist und zusammen mit der ersten Ausgangswechselspannung die Bordnetz-Wechselspannung des Bordnetzes bildet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei nach der Frequenzausgleichsregelung eine Lastausgleichsregelung durchgeführt wird, wobei eine Leistung, die von dem Frequenzumrichter (5) abgegeben wird, zumindest teilweise reduziert wird und die Leistung, die von dem Wechselumrichter (4) abgegeben wird, in gleichem Maße erhöht wird.