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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters in einem Luftfahrzeug, wobei der Umrichter elektrische Energie für einen Elektromotor eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantriebs liefert. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit einem Umrichter sowie ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Anordnung. Die Erfindung wird vorteilhaft für elektrische und hybrid-elektrische Antreibe von Flugzeugen verwendet.
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Hintergrund der Erfindung
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Für die elektrische Luftfahrt kommen aktuell vor allem seriell-hybride Antriebssysteme in Betracht. Dabei wird durch einen Generator, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, elektrische Energie erzeugt und einem Elektromotor zugeführt. Der Vorteil des Konzepts besteht darin, dass sowohl der Elektromotor als auch der Verbrennungsmotor bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten arbeiten können und dadurch bei beiden die maximale Leistung bzw. der maximale Wirkungsgrad bei einem gegebenen Verbrauch erzielt werden kann.
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Damit beide Systeme voneinander entkoppelt werden, muss zwischen dem Generator und dem Elektromotor eine Leistungselektronik bestehend aus mehreren Umrichtern eingesetzt werden. Durch die Umrichter kann die durch den Generator erzeugte Spannung sowohl in ihrer Frequenz als auch in ihrer Amplitude moduliert werden.
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In Leistungsumrichtern kommen üblicherweise Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel IGBTs oder Leistungs-MOSFETs, zum Einsatz, die durch kosmische Strahlung kontinuierlich geschädigt oder sogar zerstört werden können. Da der Fluss der kosmischen Strahlung in 10 km Höhe um etwa einen Faktor 20 bis 60 höher ist als auf Meeresniveau, nimmt die Ausfallrate von Leistungsumrichtern mit der Höhe stark zu. Übliche Umrichter können deshalb nicht genutzt werden, weil davon ausgegangen werden kann, dass es mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu einem Ausfall der Leistungselektronik kommen kann, wodurch ein Versagen des Flugzeugantriebs wahrscheinlich ist.
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Diesem Problem kann beispielsweise durch eine dauerhafte Verminderung der Betriebsspannung an den Leistungshalbleitern oder durch eine dickere Halbleiterschicht begegnet werden. In beiden Fällen wird die elektrische Feldstärke innerhalb des Leistungshalbleiters reduziert, was die Wahrscheinlichkeit für einen Lawinendurchbruch, der zu der Zerstörung des Bauelements führt, verringert. Beide Maßnahmen haben den Nachteil, dass sie zu einer Erhöhung des Gewichts des Umrichters führen und dadurch das Leistungsgewicht (elektrische Leistung je Kilogramm) verringern. Ein hohes Leistungsgewicht ist aber für alle Komponenten in der Luftfahrt wichtig.
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Eine weitere Möglichkeit, um höhenstrahlungsresistentere Leistungshalbleiter bereitzustellen, besteht darin, SiC oder GaN basierte Bauteile zu verwenden. SiC und GaN besitzen eine höhere Bandlücke als Si, wodurch ebenfalls die Wahrscheinlichkeit eines Lawinendurchbruchs verringert wird. Ein Nachteil von Bauteilen aus SiC und GaN sind die mit diesen Bauteilen verbundenen höheren Kosten.
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Die kosmische Strahlung ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und von weit entfernten Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollständig ionisierten Atomen. Auf die äußere Erdatmosphäre treffen etwa 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch Wechselwirkung mit den Gasmolekülen entstehen Teilchenschauer mit einer großen Anzahl von Sekundärteilchen, von denen aber nur ein geringer Teil die Erdoberfläche erreicht.
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Bei der sogenannte Höhenstrahlung (= höhere elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre und Zunahme der Gammastrahlung in größerer Höhe) handelt es sich um die sekundäre kosmische Strahlung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die einen verbesserten ausfallsicheren Betrieb eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Antriebs eines Luftfahrzeugs gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren, der Anordnung und dem Luftfahrzeug gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung besteht darin, ein elektrisches Antriebssystem aus mehreren Motoren, Generatoren und Umrichtern (vorteilhaft sind Multilevel-Umrichter) derart auszubilden, dass das System stromdimensioniert ausgelegt ist, so dass beim Takeoff des Luftfahrzeugs der Umrichter mit hohen Ausgangsspannungen aber verringerten Ausgangsströmen betrieben wird.
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Sobald eine erforderliche Reiseflughöhe erreicht wird, kann der Umrichter in zwei oder mehrere Umrichter elektrisch und mechanisch getrennt werden, so dass bei gleichen Ausgangsströmen mit geringeren Ausgangsspannungen gearbeitet werden kann. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit für eine Zerstörung der Leistungshalbleiter des Umrichters infolge der kosmischen Strahlung deutlich verringert. Alle Antriebskomponenten können mit mehreren Spannungslagen arbeiten.
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Sicherheit beim Takeoff kann durch eine Überdimensionierung der Umrichter erreicht werden. Sicherheit während des „cruise“ Flugs ist durch mehrere redundante Umrichter gewährleistet.
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Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters in einem Luftfahrzeug, wobei der Umrichter elektrische Energie für einen Elektromotor eines elektrischen Flugantriebs liefert. Bei einem Start- und Landebetriebszustand des Luftfahrzeugs mit einem maximalen Bedarf des Elektromotors an elektrischer Energie wird durch den Umrichter ein vorgebbarer erster Wert seiner Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt. Bei einem Reiseflugbetriebszustand des Luftfahrzeugs mit einem gegenüber dem Start- und Landebetriebszustand geringeren Bedarf des Elektromotors an elektrischer Energie wird durch den Umrichter ein vorgebbarer, gegenüber dem ersten Wert verringerter zweiter Wert der Ausgangsspannung zur Verfügung gestellt.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass der zerstörerische Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Leistungselektronik eines Umrichters minimiert wird.
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In einer Weiterbildung kann der Wert der Ausgangsspannung des Umrichters in Abhängigkeit der Reiseflughöhe des Luftfahrzeugs adaptiv eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Umrichter ein Multilevel-Umrichter sein, wobei die Ausgangsspannung die Summe der von Submodulen des Multilevel-Umrichters erzeugten Spannungen ist.
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Die Erfindung beansprucht auch eine Anordnung mit einem Umrichter und einem Elektromotor für ein Luftfahrzeug. Die Anordnung weist des Weiteren auf:
- - eine mit dem Umrichter verbundene Steuereinheit, die ausgebildet und programmiert ist,
- - sodass der Umrichter in einem Start- und Landebetriebszustand des Luftfahrzeugs mit einem maximalen Bedarf des Elektromotors an elektrischer Energie einen vorgebbaren ersten Wert seiner Ausgangsspannung zur Verfügung stellt, und
- - sodass der Umrichter in einem Reiseflugbetriebszustand des Luftfahrzeugs mit einem gegenüber dem Start- und Landebetriebszustand geringeren Bedarf des Elektromotors an elektrischer Energie einen vorgebbaren, gegenüber dem ersten Wert verringerten zweiten Wert der Ausgangsspannung zur Verfügung stellt.
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In einer Weiterbildung kann die Steuereinheit ausgebildet und programmiert sein, den Wert der Ausgangsspannung des Umrichters in Abhängigkeit der Reiseflughöhe des Luftfahrzeugs adaptiv einzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Umrichter ein Multilevel-Umrichter sein, wobei die Ausgangsspannung die Summe der von Submodulen des Multilevel-Umrichters erzeugten Spannungen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Anordnung einen vom Umrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Anordnung eine Höhenmesseinrichtung aufweisen, die ausgebildet und programmiert ist, der Steuereinheit die Reiseflughöhe anzugeben.
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Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein.
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In einer Weiterbildung kann durch den Elektromotor ein Propeller angetrieben werden.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
- 1: ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem Umrichter,
- 2: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Umrichters und
- 3: ein Flugzeug mit einem Umrichter.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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1 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild einer Anordnung mit einem Umrichter 1. Durch einen Verbrennungsmotor 4 wird ein Generator 5 angetrieben, der elektrische Energie erzeugt. Die Wechselspannung des Generators 5 wird mit dem Gleichrichter 6 gleichgerichtet und als Eingangsspannung UE dem Umrichter 1 zugeführt. Aus der Eingangsspannung UE erzeugt der Umrichter 1 eine in Amplitude und Frequenz veränderbare dreiphasige Ausgangsspannung UA . Diese wird einem Elektromotor 2 zugeführt, der dadurch in Rotation versetzt wird. Die rotierende Welle des Elektromotors 2 kann mit einem Flügelrad eines Triebwerks oder einem Propeller mechanisch gekoppelt sein.
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Mit Hilfe der Steuereinheit 3, die mit dem Umrichter 1 verbunden ist, wird die Ausgangsspannung UA des Umrichters 1 entsprechend dem Betriebszustand eines Luftfahrzeugs angepasst. Beim Starten und Landen wird wegen des hohen Energiebedarfs ein hoher erster Wert V1 der Ausgangsspannung UA eingestellt. Bei Erreichen der Reiseflughöhe (= Reiseflugbetriebszustand) mit einem entsprechend niedrigeren Energiebedarf wird ein gegenüber dem ersten Wert V1 verringerter zweiter Wert V2 der Ausgangsspannung UA eingestellt. Dadurch werden die Leistungshalbleiter des Umrichters 1 „geschont“ und die zerstörerische Wirkung der kosmischen Strahlung kann verhindert oder zumindest verringert werden.
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Optional oder zusätzlich kann die Steuereinheit 3 auch in Abhängigkeit der Flughöhe des Luftfahrzeugs die Ausgangsspannung UA des Umrichters 1 verringern. Dazu ist die Steuereinheit mit einer Höhenmesseinrichtung 9 ausgestattet oder mit einer solchen verbunden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betrieb eines Umrichters 1. In dem Schritt 100 des Verfahrens wird der vorgebbare erste Wert V1 der Ausgangsspannung UA des Umrichters 1 eingestellt. Der Schritt 100 ist der Startbetriebszustand eines Luftfahrzeugs 7. Bei Erreichen der Reiseflughöhe (= Schritt 101) wird die Ausgangsspannung UA auf den vorgebbaren, zum ersten Wert V1 verringerten zweiten Wert V2 eingestellt. Beim Landen (= Schritt 102) wird die Ausgangsspannung UA wieder auf den ersten Wert V1 eingestellt.
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Die Anwendung der Erfindung bei einem Multilevel-Umrichter wird im Folgenden (ohne Zeichnung) beschrieben. Ein Multilevel-Umrichter eignet sich aufgrund seiner technischen Eigenschaften sehr gut für den Betrieb als elektrischer Antriebsumrichter in einem elektrisch angetriebenen Luftfahrzeug. In der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 226 199 A1 ist beispielhaft ein derartiger Umrichter angegeben.
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Bei Luftfahrzeugen spielt das Gewicht aller Komponenten eine wichtige Rolle. Einen großen Gewichtsanteil bei Antriebsumrichtern nehmen dessen kapazitive Energiespeicher ein. Dies gilt besonders dann, wenn die kapazitiven Energiespeicher dezentral auf modulare Funktionseinheiten aufgeteilt sind. Der Energiespeicher einer solchen Funktionseinheit (= Submodul) wird im Folgenden Submodulkapazität genannt.
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Auslegungsrelevant für die benötigten Submodulkapazitäten sind die Ausgangsfrequenz und die maximal erforderliche elektrische Leistung am Ausgang des Umrichters. Die für den Betrieb benötigte Mindestkapazität in den Submodulen ist dabei proportional zu der Ausgangsleistung und indirekt proportional zu der Drehfeldfrequenz des Umrichters.
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Bei einer Standardauslegung eines Multilevel-Umrichters werden die Sollwerte der Submodulspannungen (= Ladespannung der Submodulkapazitäten) im Betrieb nicht verändert. Diese Submodulspannungen werden zur Maximierung der Effizienz so weit wie möglich an die nominelle Sperrspannung der verwendeten Leistungshalbleiter gelegt. Eine Veränderung dieser Spannung während des Betriebs ist daher in der Regel nicht sinnvoll.
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Die Standardauslegung ist aufgrund der während eines Flugs auftretenden kosmischen Strahlung nicht möglich. Um die Ausfallwahrscheinlichkeit der Leistungshalbleiter aufgrund der kosmischen Strahlung zu reduzieren, muss die Submodulspannung weit unter der nominellen Sperrspannung der Halbleiter liegen.
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Der für die Auslegung der Submodulkapazitäten relevante Betriebspunkt beim elektrischen Fliegen ist der Startvorgang, da hier die größte Ausgangsleistung benötigt wird. Bei der Reisegeschwindigkeit wird einerseits nur ein Teil der Startleistung benötigt und andererseits ist die Drehfeldfrequenz hoch. Während des Startvorgangs ist die Ausfallwahrscheinlich der Leistungshalbleiter aufgrund der geringen kosmischen Strahlung sehr gering, da er schnell abgeschlossen ist und vor allem in geringer Höhe beginnt.
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Es ist daher vorteilhaft, die Submodulspannung während des Startvorgangs zu erhöhen. Die Energie, die in den Submodulkapazitäten gespeichert ist, steigt mit der Submodulspannung quadratisch an. Die installierten Kapazitäten in den Submodulen werden dadurch besser ausgenutzt, da mehr Energie gespeichert wird.
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Dasselbe Verfahren kann auch für den Landevorgangs angewendet werden, wenn eine hohe Leistung zur Erzeugung des Umkehrschubs benötigt wird.
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Mit anderen Worten heißt das, dass die Submodulspannung abhängig von der Betriebsart (Start-/ Landevorgang oder Reiseflug) angepasst wird. Hierdurch muss weniger Kapazität (und damit Gewicht) in den Umrichtern installiert werden, als wenn die Spannung immer konstant gehalten wird.
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Die beiden relevanten Betriebsarten ergänzen sich für die Auslegung nahezu ideal, wie folgt dargestellt wird:
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Betriebsart Startvorgang/Landevorgang
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Die maximale Ausgangsleistung ist erforderlich (= hoher Energiebedarf), die von der in den Submodulkapazitäten gespeicherten Energie gedeckt werden muss. Die Submodulspannungen können erhöht werden, da eine sehr geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der Leistungshalbleiter durch die kosmische Strahlung besteht. Die gespeicherte Energie in den Submodulkapazitäten steigt quadratisch mit der Submodulspannung an.
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Betriebsart Reiseflug
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Eine geringere Leistung wird benötigt (= geringer Energiebedarf), die von der in den Submodulkapazitäten gespeicherten Energie gedeckt werden muss. Die Submodulspannungen werden abgesenkt, da die Ausfallwahrscheinlichkeit der Leistungshalbleiter durch die kosmische Strahlung sehr stark mit der Flughöhe zunimmt und die Flughöhe für den Großteil des Fluges gehalten wird. Die Regelung des Multilevel-Umrichters ist sehr dynamisch möglich, wodurch die Submodulspannungen sehr schnell eingestellt werden können.
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Bei einem Luftfahrzeug wir die maximale Leistung beim Start und bei der Landung benötigt. Bei der Reiseflughöhe von etwa 10 km werden lediglich etwa 40 bis 60 % der maximalen Leistung für den sogenannten „cruise“ benötigt. Der erfinderische Schritt besteht zu einem darin, den Aufbau des Umrichters und Antriebsmotors, genau an diese Anforderung und zum anderen an das Höhenstrahlungsprofil anzupassen. Da der Fluss der Höhenstrahlung auf Meereshöhe (beim Start und bei der Landung) gegenüber dem Fluss in Reiseflughöhe gering ist, kann der Umrichter bei hoher Spannung betrieben werden. Danach kann erfindungsgemäß die Leistung durch eine Reduktion der Ausgangsspannung gedrosselt werden. Dadurch wird es möglich, die Leistungsumrichter in großer Höher vor dem Einfluss der Höhenstrahlung zu schützen und dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Umrichter zu reduzieren.
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Wenn die elektrische Feldstärke innerhalb der Halbleiterbauteile dauerhaft vermindert wird, führt dies zu einer Erhöhung des Gewichts des Umrichters. Im Falle einer dickeren Siliziumschicht, kann es sogar sein, dass das Problem nicht behoben, sondern verstärkt wird, da die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit von Silizium mit kosmischer Strahlung proportional mit der Dicke ansteigt.
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Mit dem Verfahren - die über den Halbleiterelementen angelegte Spannung gemäß der Flughöhe zeitlich zu variieren - können sowohl die Gewichtserhöhung als auch die erhöhte Wechselwirkungswahrscheinlichkeit bei der kosmischen Strahlung umgangen werden. Zusätzlich lassen sich die erhöhten Kosten für SiC bzw. GaN Bauelemente einsparen.
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Die Erfindung ist für den Einsatz der elektrischen Antriebstechnik in Flugzeugen mit installierter Leistung in MW-Bereich vor größter Bedeutung, da notwendigerweise eine Verlust- und Ströme-Reduzierung nur durch deutlich erhöhte Spannungen realisiert werden kann. Gleichzeitig begünstigen diese erhöhte Spannungen Zerstörung der Halbleiter durch kosmische Strahlung.
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3 zeigt die Anwendung in einem Luftfahrzeug 7, beispielsweise einem Flugzeug, mit einem hybrid-elektrischen oder - wie dargestellt - elektrischem Antriebssystem. Der Umrichter 1 gemäß der Anordnung der 1 und gemäß dem Verfahren der 2 versorgt den Elektromotor 2 mit elektrischer Energie. Der Elektromotor 2 ist mechanisch mit dem Propeller 8 gekoppelt, der für den Schub des Luftfahrzeugs 7 sorgt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umrichter
- 2
- Elektromotor
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- Generator
- 6
- Gleichrichter
- 7
- Luftfahrzeug
- 8
- Propeller
- 10
- Höhenmesseinrichtung
- UE
- Eingangsspannung
- UA
- Ausgangsspannung
- V1
- erster Wert der Ausgangsspannung UA
- V2
- zweiter Wert der Ausgangsspannung UA
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015226199 A1 [0032]
