Trends in der elektrischen Stromverteilung in der Luft‑ und Raumfahrt

In der Luft‑ und Raumfahrt und bei ähnlichen Anwendungen sind die Entwickler darauf bedacht,  Größe, Gewicht und Stromverbrauch zu reduzieren. Platz ist immer knapp bemessen, und Gewichtseinsparungen führen zu einer besseren Treibstoffersparnis, längeren Flugzeiten und einer erhöhten Frachtkapazität. Ebenso kann eine Senkung des Stromverbrauchs im gesamten Stromerzeugungs- und -verteilungssystem Gewicht und Platz sparen. Wenn man bedenkt, dass ein großes Verkehrsflugzeug 100 oder mehr Hochleistungsschütze im Stromverteilungssystem enthalten kann, kann die Einsparung von 0,1 Ampere bei der Steuerleistung für jedes Gerät einen erheblichen Beitrag zur Gesamtverlustleistung leisten. Weniger Verlustleistung ermöglicht kleinere Stromquellen. Die technischen Anforderungen für Midrange-Relais sind in MIL-PRF-83536 beschrieben. Sie werden für die sekundäre Lastverteilung verwendet und bieten mehrpolige und Form C (Wechsler) Kontaktkonfigurationen. Sie sind leicht, kompakt und äußerst zuverlässig für den Einsatz in den anspruchsvollsten Umgebungen der Luft‑ und Raumfahrt. 

Das Schalten hoher Ströme und Spannungen über viele Jahre hinweg kann eine Herausforderung für Leistungsschütze sein. Thermische Belastung und normale Kontaktüberschläge beim Schalten können sowohl Schütze als auch Verbindungen verschleißen. Die Schaltenergie, die beim Öffnen der Hauptkontakte auftritt, kann bei  konventionellen  115-VAC-Systemen geringer sein: Per Definition fällt die Spannung/der Strom bei jedem Zyklus auf Null ab, wodurch das Ausmaß der Spannungsspitzen verringert wird und sie schneller abgebaut werden können. Bei 230 VAC muss jedoch der Abstand zwischen den offenen Kontakten vergrößert werden, um ein Wiederaufflammen des Lichtbogens zu verhindern, wenn die Spannung nach dem Stromausfall ansteigt. 

In modernen Wechselstromsystemen der Luft‑ und Raumfahrt ist die Frequenz nicht mehr auf 400 Hz festgelegt. Sie schwankt je nach Motordrehzahl zwischen 350 und 800 Hz. Entwickler von Schützen und Schalttafeln müssen die Auswirkungen dieses breiten Frequenzbereichs auf die Lebensdauer und die thermische Leistung der Geräte sorgfältig bewerten.

Die Einführung von 270 VDC und 540 VDC zunächst in der militärischen und nun auch in der kommerziellen Luftfahrt hat zu dramatischen Veränderungen bei der Konstruktion von Leistungsschützen geführt. Bestehende Schützkonstruktionen sind für das Schalten von Hochspannungen nicht geeignet, da sie keine ausreichende Lichtbogenspannung für die Unterbrechung erzeugen können. Um diese physikalischen Einschränkungen zu überwinden, muss das Schützdesign auf Methoden wie Lichtbogenspaltplatten, Kufen, Ausblasmagneten und bessere interne Schaltatmosphären zurückgreifen. Viele Jahre lang waren Leistungsschütze für die Luft‑ und Raumfahrt größtenteils Alles-oder-Nichts-Ein/Aus-Schütze mit wenig zusätzlicher Intelligenz und Stromkreisschutz. Einer der wichtigsten Trends im Bereich der Militär- und Luft‑ und Raumfahrtschütze ist heute der Einbau von mehr elektronischer Intelligenz zum Schutz vor anormalen Ereignissen und zur Erkennung von Systemfehlern. Diese Eigenschaften werden umso wichtiger, je höher die Spannungen in den Stromsystemen sind, z. B. bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HVDC).

Einer der ersten Bereiche, in denen Schütze mit elektronischen Steuerungen ausgestattet wurden, waren Sparschaltungen zur Reduzierung des Stromverbrauchs der Spulen. Alle elektromechanischen Schütze enthalten einen magnetischen Antrieb, der wesentlich mehr Energie benötigt, um die Bewegung des Antriebs zum Schließen der Kontakte in Gang zu setzen, als um sie geschlossen zu halten. So können beispielsweise 5 Ampere für die Betätigung eines Schützes erforderlich sein, aber weniger als 1 Ampere, um den ON-Zustand aufrechtzuerhalten. Durch eine verbesserte Spulensteuerung kann der Stromverbrauch um 80 Prozent reduziert werden. Dies führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung und einer geringeren Beanspruchung des Geräts oder der Stromverteilertafel. 

Zwei gängige Methoden, um den Stromverbrauch zu senken, sind mehrere Spulen und Pulsweitenmodulation (PWM). 

In den frühen Konstruktionen von Energiesparschützen wurde die tatsächliche Übertragung der Leistung von den Anzugs- zu den Haltewicklungen durch mechanische Endschalter erreicht. Sobald der Antrieb den größten Teil seines Weges zurückgelegt hat, wird ein Schalter ausgelöst, um die Leistung zu reduzieren. Endschalter haben sich aus mehreren Gründen als problematisch erwiesen. Die Einstellung kann für die ordnungsgemäße langfristige Leistung des Schützes äußerst wichtig sein, da der Schalter zu früh oder zu spät im Zyklus betätigt werden kann. Da der Schalter die Hochleistungswicklung zeitgleich mit dem Schließen des Hauptkontakts ausschaltet, kann es zu einem verstärkten Prellen oder Klappern der Kontakte kommen.

Durch die Integration elektronischer Spulensteuerungen ist der Zeitpunkt der Übertragung der Spulenleistung nicht mehr an die Bewegung des Antriebs und einen Endschalter gebunden. So können Sie sicherstellen, dass die Kontaktsätze vollständig übertragen wurden und sich in einer stabilen geschlossenen Position befinden, bevor Sie die Übertragung der Spule einleiten. Durch die Kontrolle des Zeitpunkts der Übertragung wird die Zuverlässigkeit erheblich verbessert.  

PWM verwendet ON-OFF-Spulenimpulse unterschiedlicher Dauer – oder Belastungszyklen – um den durchschnittlichen Strom zu steuern, der an eine Spule geliefert wird. PWM hat den Vorteil, dass es einen größeren Spannungsbereich toleriert, kann aber bei unzureichender Filterung Störgeräusche verursachen. PWM hat auch die Fähigkeit, das Tastverhältnis bei abnormaler Betriebsspannung anzupassen. Bei niedrigem Batteriestand wird die Einschaltdauer erhöht, um effektiv eine konstante Stromquelle für das Schütz zu schaffen.

Ein häufiges Problem bei Stromversorgungssystemen in der Luft‑ und Raumfahrt ist die Gefahr von Überlastungen. Elektrische Fehler können nicht nur in der Lastausrüstung, sondern auch in der Verkabelung und dem Stromverteilungsnetz eines Flugzeugs auftreten. Dies wurde im Zusammenhang mit der Alterung von Flugzeugen und den Auswirkungen langfristiger Umwelteinflüsse auf Isolationssysteme gut untersucht. Der Schutz umfasst die Erkennung von Unterspannung am Generator, die Überwachung des Betriebsstroms und die Erkennung von Leckstrom. 

Viele bestehende Anwendungen setzen immer noch auf bimetallbasierte thermische Schutzschalter. Diese Geräte sind kostengünstig und können auch als vollständige Trennung zur Fehlersuche verwendet werden. Sie sind jedoch nicht für sehr hohe Ströme geeignet, haben eine begrenzte Genauigkeit der Auslösekurve und verfügen über keine BIT-Funktionen, die sicherstellen, dass sie im Bedarfsfall richtig funktionieren. Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, werden häufig elektronische Sensoren in die Leistungsschütze integriert. 

Die elektronische Erkennung bietet eine zuverlässigere Erkennung von Überströmen. Diese Geräte können eine mindestens doppelt so hohe Auslösekurvengenauigkeit bieten wie herkömmliche thermische Schutzschalter. Elektronische Sensoren können auch durch integrierte Prüfungen trainiert werden, um Fehlerereignisse zu simulieren und sicherzustellen, dass sie im Falle eines Systemfehlers wie erwartet funktionieren.

Die erste Voraussetzung für einen elektronischen Überlastschutz ist eine Methode zur genauen Überwachung des durch das Schütz fließenden Stroms. Die einfachste Methode besteht darin, einen Präzisionswiderstand als Shunt zu verwenden und einfach die Spannung an ihm zu messen. Die Methode ist sehr genau, kann aber bei Hochstromschützen erhebliche Wärme erzeugen. Auch die Vermischung von Steuerstromkreisen und 120 V/240 V-Leitungen ist für die Integrität des Gesamtsystems nicht unbedingt wünschenswert. 

Eine zweite Methode zur Stromüberwachung ist ein Stromwandler (CT). Das durch den Durchgangsstrom erzeugte Magnetfeld erzeugt einen Sekundärstrom im Stromwandler. Der Strom ist proportional, aber viel niedriger. Ein typisches Verhältnis von Strom zu CT‑Strom ist 500:1. Stromwandler sind einfach in der Anwendung und genau, können aber im Falle von Open-Loop-Sensoren schwer oder bei Closed-Loop-Designs komplex sein. 

Hall-Effekt-Sensoren sind eine weitere gängige Methode zur Messung des durch den Strom erzeugten Magnetfelds. Hall-Effekt-Elemente haben eine Ausgangsspannung, die auf der Einwirkung eines Magnetfeldes basiert. Dieses Feld wird in der Regel über den Hall-Effekt-Sensor mit Hilfe eines Flussrings oder Kollektors um die Stromschiene des Schützes oder die Ausgangsabzweigung fokussiert. Moderne Hall-Effekt-Sensoren sind in Bezug auf Ausgangsspannung und Linearität programmierbar und können bidirektionale Strommessung und Wechselstrommessung ermöglichen. Abbildung 4 zeigt einen Hall-Effekt-Sensor, der neben einem 28-VDC-Schütz von TE oder direkt in ein 600-VDC-Design integriert ist. 

Zu den Vorteilen des Hall-Effekt-Sensors gehören:

• Isolierung zwischen Primär- und Sekundärkreisen
• Funktioniert mit Gleich- oder Wechselstrom
• Hohe Genauigkeit
• Hohe dynamische Leistung
• Hohe Überlastkapazität
• Hohe Zuverlässigkeit

Unabhängig vom Sensortyp ist eine unterstützende Elektronik erforderlich, um Informationen von diesen Sensoren zu sammeln und Entscheidungen über die Systemkonfiguration zu treffen. In bestimmten Fällen übermittelt die integrierte Elektronik nur die Betriebsbedingungen an andere Flugzeugsysteme. Diese Informationen können bei der Entscheidungsfindung für einen Lastabwurf im Falle eines Stromausfalls sehr nützlich sein. Die Flugzeuglasten werden nach ihrer Kritikalität geordnet, so dass unkritische Komfortlasten abgeschaltet werden, um flugnotwendige und andere kritische Lasten zu erhalten. 

Schütze mit integrierter Sensorelektronik können nicht nur Schaltzustände melden, sondern auch selbständig auf Überlastfehler reagieren. Dies ermöglicht eine schnelle Auslösung und Verriegelung innerhalb von 10 ms. Der Grad des Fehlerschutzes für intelligente Schütze – also solche mit elektronischer Abtastung – kann sogar vom Benutzer oder von der spezifischen Anwendungsposition eingestellt werden, um den Schutz für jede einzelne Last anzupassen. Solche Anpassungen können über die Programmierung von Steckverbinderstiften, DIP-Schalter, externe Widerstände oder Software-Codierung vorgenommen werden. Auf diese Weise kann das intelligente Schütz auch neu konfiguriert werden, wenn die Anwendung Änderungen rechtfertigt.

Während die Erkennung von Überströmen im Allgemeinen die Hauptaufgabe eines intelligenten Schützes ist, können auch andere Fehler erkannt werden. Dazu zählen: 

• Verlust der Phase und Polaritätsumkehr
  
• Fehler in der Differenzialeinspeisung
  
• Erdungsfehler
• Störlichtbogenerkennung

Phasenfehler

Zum Schutz von Motoren, Lüftern und anderen Geräten, die mit Dreiphasenstrom betrieben werden, müssen die Phasen synchronisiert bleiben, um eine ordnungsgemäße Stromzufuhr zu gewährleisten. Phasenfehler belasten die betriebenen Geräte, verkürzen ihre Lebensdauer, führen zu fehlerhaftem Betrieb und können sogar zu katastrophalen Ausfällen führen. Die beiden wichtigsten Phasenfehler sind der Verlust der Phase und die falsche Polaritätsumkehr. Beides führt zu einer ungleichmäßigen, unausgewogenen Leistungsabgabe. Wenn eine der Phasen ausfällt, verringert sich die gelieferte Leistung, da nur noch zwei Phasen Strom liefern. Ein Polaritätsumkehrfehler tritt auf, wenn die Phasen im Abstand von 120 Grad nicht richtig synchronisiert sind. 

Die gleichen Techniken, die zur Überwachung des Stroms auf Überlastungen verwendet werden, können auch zur Erkennung von Problemen mit der Phasenfolge eingesetzt werden. Durch Messen und Vergleichen der Stromstärken auf jeder Phase kann jede Abweichung erkannt werden. 

Schutz vor Ableitstromfehlern

Die Erkennung von Ableitströmen und der Schutz vor Differentialfehlern erfordert mehrere Stromsensoren entlang einer Verdrahtungsstrecke. Die Ausgänge der Sensoren werden verglichen, um Fehler zu erkennen. Die Erkennung von Erdungsfehlern ist ein spezielles Schutzsystem, bei dem nur ein gemeinsamer Sensor verwendet wird, um sicherzustellen, dass der gesamte weitergeleitete Strom auch ohne Leckage von der Last zurückgeführt wird. Diese Erkennungsmethode hat sich bei Flugzeug-Kraftstoffpumpen durchgesetzt, um das Risiko der Entzündung von Kraftstoffdämpfen zu verringern. 

Differenzialer Abzweigfehlerschutz ist in der Luft‑ und Raumfahrtindustrie üblich. In der Regel handelt es sich dabei um einen Schutz mit hohem Schwellenwert, um sicherzustellen, dass bei Stromzuführungen mit großem Durchmesser kein Leckstrom entsteht. Ein typischer Aufbau umfasst einen Sensor am oder im Stromgenerator
und einen zweiten am Hauptleitungsschütz. Wenn die gemessenen Ströme unterschiedlich sind, liegt ein Fehler vor.

Erdungsfehler können auf zwei Arten überwacht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Strom in der Grundplatte zu prüfen. Die zweite Möglichkeit ist es, die von den Phasensensoren gelieferten Informationen zu nutzen. Die Summe aller drei Phasen sollte Null sein. Wenn die Summe nicht gleich Null ist, liegt ein Fehler in der Verkabelung oder der Last vor.

Störlichtbogenerkennung

Die Erkennung von Störlichtbögen wird in Leistungsschaltern und sekundären Halbleiter-Leistungsschaltern (Solid-State Power Controllers, SSPCs) immer häufiger eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass die vorhandenen Schutzvorrichtungen gegen Störlichtbögen unwirksam sind. Auch wenn die Stromstärke nicht so stark ansteigt, dass es zu einem schweren Fehler kommt, können Lichtbogenfehler eine inakzeptable Hitzeentwicklung verursachen. Parallele Lichtbogenfehler können sich schließlich zu vollständigen Überstromfehlern entwickeln, während Serienlichtbögen, die durch gebrochene Leiter oder lockere Geräteklemmen entstehen, enorme Hitze erzeugen können, obwohl der Gesamtstrom weit unter der Auslösekurve des Leistungsschalters liegt. Die Erkennung von Störlichtbögen und sogar die Lokalisierung von Entfernungen zu einem Verdrahtungsfehler ist ein neuer Bereich für intelligente Schütze.

Während Halbleiterrelais weit verbreitet sind, ist die Anwendung von Leistungshalbleitern auf Schütze relativ neu. MOSFETs können die Stromkontakte ersetzen. Das hat den offensichtlichen Vorteil, dass sie zuverlässiger sind, da sie keine beweglichen Teile haben. Festkörperstromgeräte können die Lebensdauer eines Schützes verlängern. Kontakte für Leistungssteckverbinder unterliegen sowohl durch die mechanische Verbindung als auch durch die Auswirkungen von Lichtbögen einem Verschleiß. Wenn sich die Kontakte abnutzen, bedeutet der erhöhte Widerstand über die Verbindung eine erhöhte Wärmeentwicklung und Ausfälle am Ende der Lebensdauer.

Halbleiterrelais erfordern ein zusätzliches Wärmemanagement im Vergleich zu Hartkontaktdesigns. Das Fehlen mechanischer Komponenten macht Halbleiterdesigns zwar sehr zuverlässig, aber der Hauptausfallmechanismus ist nun die Hitze. Die Geräte müssen vor Überhitzung geschützt werden. Über das Wärmemanagement des Kühlkörpers hinaus können mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet werden, um die Ströme deutlich unter den maximalen Nennwerten zu halten. Für Anwendungen in der Luft‑ und Raumfahrt werden die Transistoren auf 15 bis 20 Prozent der Strombelastbarkeit des Datenblatts herabgestuft, um die thermische Leistung effektiv zu steuern. Eine genaue Spezifikation des Fehlerstroms ist bei Halbleiterdesigns kritischer als bei herkömmlichen EM-Schützen. 

Die Herausforderung der Warmschaltungsschütze wurde noch größer, als die Flugzeugindustrie das Konzept der mehr elektrischen Flugzeuge (MEA) vorantrieb. Dieser Trend begann mit der Umstellung von hydraulischen Systemen an Bord auf elektrische Antriebe und jetzt werden sogar die Antriebssysteme bei eVTOL-Flugzeugen elektrisch betrieben. Es werden ganz neue Klassen von Wechselstrom-Hochspannungsarchitekturen entwickelt, die bis zu 6 kV DC reichen können. Es liegt auf der Hand, dass Komponenten, die für 270 VDC ausgelegt sind, für diese neuen Anforderungen nicht geeignet sind. Für die meisten Hochstrom-Wechselstrom-Hochspannungslasten, wie etwa Antriebe, wird eine Motorsteuerung verwendet und die Lebensdauer der vorgeschalteten Schütze ist nicht kritisch (sie schalten sich bei Minimalstrom ein). Es ist allerdings von entscheidender Bedeutung, dass das Schütz im seltenen Fall eines Ausfalls der Steuerung, des Motors oder der Einspeisung unter Last öffnen kann. Die Herausforderung für die Konstrukteure von Wechselstrom-Hochspannungssystemen besteht darin, die richtige Balance zwischen der Ausdauer von Hot-Switching und den tatsächlichen Anforderungen der Anwendung zu finden. Die Größe, das Gewicht und die Kosten der Überspezifizierung können bei Wechselstrom-Hochspannungsarchitekturen erheblich sein. Es gibt allerdings auch gute Nachrichten, denn es gibt jetzt Lösungen für diese Probleme, die mit Hybridschützen und Hochleistungs-Halbleiter-Leistungsschaltern (Solid State Power Controllers, SSPC) gefunden wurden.  

Ein hybrides Schützdesign kombiniert den Vorteil des niedrigen Einschaltwiderstands eines elektromechanischen Schützes mit dem nicht anspringenden Leistungsschalten der Leistungselektronik.  Dadurch entfällt ein wesentlicher Verschleißmechanismus innerhalb des Schützes und die Auswahl des Kontaktmaterials richtet sich mehr nach dem geringen Einschaltwiderstand und weniger nach der Lebensdauer des Hot-Switching-Schalters. Es hat sich gezeigt, dass Hybridschütze die Lebensdauer von Hochleistungs-Gleichstromschützen von einigen hundert Zyklen auf viele tausend Schaltvorgänge erhöhen können. Natürlich sind Hybridschütze komplexer und oft teurer als herkömmliche EM-Schütze, aber für Anwendungen, die viele Hot-Switching-Zyklen erfordern, ist dies eine attraktive Lösung.

SSPCs kombinieren die Fähigkeiten eines vollwertigen Halbleiterschalters mit verschiedenen Überwachungs- und Kommunikationsfunktionen. Ein SSPC verfügt mindestens über eine integrierte Überstromauslöser-Kurve, um die Verdrahtung/Verbindungen sowie die Last im Falle einer übermäßigen Stromaufnahme oder eines Kurzschlusses zu schützen. SPPCs können auch über einen Fahrzeugdatenbus miteinander kommunizieren, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Systems zu verbessern. SSPC kann aus der Ferne für das Verhalten unter besonderen Bedingungen oder für bestimmte Belastungen konfiguriert werden. Die von TE Connectivity angebotenen Hochspannungs-SSPCs können auch mit einer integrierten Vorladefunktion geliefert werden. Diese Produkte versorgen oft nichtlineare Lasten und Motorsteuerungen mit weitgehend kapazitiven Eingängen. Der SSPC kann die Vorladung rechtzeitig durchführen und gleichzeitig die Überspannungsströme beim Einschalten reduzieren. 

Die mikrocontrollerbasierte Steuerung ermöglicht es, mehr Informationen über den Zustand des Schützes oder des SSPC zu sammeln und zu analysieren. Diese Informationen können genutzt werden, um über einfache Auslöseschaltungen bei Fehlern hinauszugehen. Es ist eine Sache, einen Fehler zu erkennen und eine Komponente abzuschalten. Sinnvoller ist es, den Betrieb im Laufe der Zeit zu überwachen, um Trends und Veränderungen zu erkennen. Dies ermöglicht eine intelligente Vorhersage von Problemen und flexible Reaktionen.

Strom- und Spannungswerte können in Echtzeit Aufschluss über den Zustand des Schützes und des gesamten elektrischen Systems des Flugzeugs geben. Anhand von Informationen über Betriebsströme, Temperatur und Anzahl der Zyklen lässt sich die Lebensdauer des Schützes vorhersagen. Der Betrieb des Schützes bei niedrigeren Strom- und/oder Spannungswerten kann die Anzahl der Schaltzyklen deutlich erhöhen.

Die gesammelten Daten können auch zur Überwachung des Systems verwendet werden. Die Stromaufnahme nach dem ersten Einschalten spiegelt beispielsweise die Einschaltströme von Motoren oder Pumpen wider und gibt Aufschluss über den Lagerverschleiß. Dieselben Informationen können auf die Notwendigkeit von Schmierung oder anderen Wartungsarbeiten hinweisen. Veränderungen der Sensordaten im Laufe der Zeit können auch auf Fehler in der Verkabelung hinweisen.

Der Vergleich von anfänglichen Operationen mit Veränderungen im Laufe der Zeit ist grundlegend für das Verständnis und die Vorhersage von Problemen. Während die Ausgabe eines einzelnen Geräts nützliche Daten liefern kann, können Informationen von mehreren Geräten und von anderen Sensoren im Verkabelungssystem zu einer Gesamtanalyse und Vorhersage kombiniert werden, da sie einen Vergleich der Bedingungen im gesamten System ermöglichen.

Da die Schütze immer anspruchsvoller werden, werden sie auch immer komplexer. Viele Anwender entscheiden sich für maßgeschneiderte, anwendungsspezifische Schalttafeln. Ein Beispiel für eine von TE entworfene und gefertigte Schalttafel ist in Abbildung 7 zu sehen, die eine Plug-and-Play-Lösung für das Energiemanagement und die Stromverteilung darstellt. Diese Schalttafeln enthalten nicht nur Relais und Schütze, sondern auch die Steuerelektronik, die fortschrittliche Überwachungs- und Steuerungsfunktionen bietet. Das Design der Schütze hat sich weiterentwickelt. Intelligente Schütze, hybride Schütze und SSPCs können jetzt eine verbesserte und zunehmend intelligente Überwachung der Bedingungen bieten. Da sie eine zentrale Rolle bei der Stromverteilung und im Energiemanagement spielen, können die von den Sensoren gewonnenen Informationen nicht nur für das Fehlermanagement, sondern auch für die Überwachung und Analyse des Zustands des Stromnetzes verwendet werden. In modernen Flugzeugen ist die Analyse von Trends ein Schlüssel zur Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit und der Fähigkeit, Systeme rechtzeitig und effizient zu warten.