Wie funktioniert der A350/380 mit Wechselstromgeneratoren mit variabler Frequenz?

Laut Civil Avionics Systems findet sich ein solches System im Airbus A350, A380, Boeing 787 und neuen Geschäftsflugzeugen. Aber nur bestimmte Systeme verwenden den Wechselstrom mit variabler Frequenz (VF). Nämlich Motoren wie in den Kraftstoff- und Hydrauliksystemen. Sie sind für den Betrieb mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgelegt, wobei Toleranzen für die langsamsten Betriebsmodi zulässig sind.

Kurz gesagt, die Motoren, Heizungen usw. sind so ausgelegt, dass sie bei unterschiedlichen Lasten zuverlässig arbeiten.

Aus dem 787-Handbuch geht hervor, dass Elemente wie Cockpit-Displays und Instrumente stattdessen Gleichstrom verwenden. Bei der 787 werden auch Gleichstrom-Kraftstoffpumpen, Bremsen und Zünder verwendet.

Der Grund dafür, dass es vor Jahrzehnten nicht implementiert wurde, ist, dass Motoren nicht leicht zuverlässig gemacht werden konnten, insbesondere Gleichstrommotoren. Ein weiterer Grund ist der Kühlbedarf für die Motorcontroller, beim 787 wird beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung verwendet. Solid-State-Relais ersetzten die meisten herkömmlichen Leistungsschalter und ermöglichten einen automatischen Lastabwurf. Ein Grund dafür ist, die erzeugte Wärme weiter zu begrenzen.

Ausschnitt aus dem 787-Handbuch.

Das obige VF-System ist bei weitem das leichteste und weniger kompliziert. Zwischen ihm und dem IDG-System gab es die kurzlebige Variable-Speed-Constant-Frequency (VSCF), die beim McDonnell Douglas MD-90 verwendet wurde. In seinen Anfängen erwies es sich als schwierig zu warten, erreichte aber schließlich eine hohe Versandzuverlässigkeit. Wie beim VF gaben die Motorgeneratoren VF aus, aber dann wurden Abgriffwandler (eine Erfindung aus der Mitte der 80er Jahre) verwendet, um eine konstante Frequenz zu erzeugen. Nachfolgend sind die Lufthutzen des MD-90 aufgeführt, die zur Kühlung dieses Systems verwendet werden, das in drucklosen Fächern untergebracht ist:

Quellen: airliners.net und ein MD-90-Papier

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Nicht spezifisch für die Luftfahrt, sondern für allgemeine elektrische Geräte: Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz ist immer dann wichtig, wenn Sie Strom über Magnetspulen übertragen, die direkt von der Netzspannung gespeist werden. Traditionell umfasste dies fast alles außer primitiven Geräten, die auf Widerstandsheizung basieren (einschließlich Glühbirnen). Motoren müssen offensichtlich elektromagnetische Wechselfelder erzeugen, um ihre Rotoren anzutreiben, und die meisten elektronischen Geräte können nicht nur mit der gegebenen Versorgung betrieben werden, sondern benötigen bestimmte Spannungspegel: Der einfachste Weg, dies zu erreichen, ist ein Transformator. In beiden Fällen ist eine zuverlässige Wechselstromfrequenz erforderlich, wenn Sie effizient arbeiten möchten.

Aber diese elektromagnetischen Geräte haben ihre Probleme – sie sind groß/schwer (mehr bei 50/60 Hz als bei 400 Hz) und unflexibel. Wenn Sie die Drehzahl eines Wechselstrommotors ändern müssen, müssen Sie entweder ein asynchrones Modell verwenden, das nicht die Präzision eines synchronen Modells hat, ineffiziente Abwärtstechniken oder sogar ein mechanisches Getriebe verwenden. Ebenso ist das Ändern der Spannung in einem NF-Transformator (oder das Konstanthalten bei schwankendem Eingang) nur mit schwierig zu bedienenden Spulenabgriffen oder mit verschwenderischer Widerstandsleistungsverbrennung möglich.

In den letzten Jahrzehnten haben wir leistungsstarke, effiziente und kompakte HF-schaltende Halbleiterschaltungen entwickelt, die all diese Probleme weitgehend lösen können und nicht von einem festen Wechselstromeingang (weder frequenz- noch spannungsmäßig) abhängig sind. Es verwendet im Grunde immer Gleichstrom (wobei zuerst der Wechselstrom gleichgerichtet wird, falls erforderlich) und erzeugt dann intern Wechselstrom mit der für die Anwendung optimalen Frequenz. Damit lassen sich Motoren beliebig schnell und gradgenau schalten sowie empfindliche Elektronik mit genau der richtigen Spannung speisen, ohne nennenswerte Verluste oder Empfindlichkeit gegenüber Eingangsschwankungen.

Wenn sich also keiner der Verbraucher mehr wirklich für 400 Hz interessiert, kann man auch diese Frequenz ändern, wenn dadurch die benötigte Leistung effizienter erzeugt werden kann.

Ein VFG auf einem A350 (Variable Freq Generator) reicht von 360 Hz bis 800 Hz (Leerlauf bis Start), wiegt jedoch weniger als ein herkömmliches IDG oder CDS, da es weniger Komponenten enthält, da es die Frequenz nicht konvertieren muss zu feste 400Hz. Die meisten Komponenten, die Wechselstrom verwenden, wandeln die variable Frequenz ohnehin in feste 400 Hz um.

Der Ausgang des Generators beträgt tatsächlich 230 VAC, sodass Sie für eine noch größere Gewichtsreduzierung eine stärkere Verkabelung verwenden können.

Am Ende dreht sich alles ums Abnehmen. Der A350 hat auch ein 5000-psi-Hydrauliksystem, da Sie durch Erhöhen des Drucks Titanrohre mit kleinerem Durchmesser verwenden können.