Basics über Elektrik in der Leichten Fliegerei

[cosy]

Hoi zäme,

 

Durch verschiedene Unfallberichte und was da so alles dazu gebloggt wird, sehe ich mich im Drang, 

einige Basiskonzepte der "mobilen Elektrik" schön gegliedert zu beleuchten.

 

Die Facts sind sowohl in Leichtflugzeugen, leichten Helis und so weiter stimmig. Aber zwei- und mehrmotorige Luftfahrzeuge sind dabei ausgenommen. Auch bei Installationen mit zwei unabhängigen (galvanisch +-getrennten Generatoren ist das hier geschriebene zu einfach).

Hinweis: einzig das Pilotenhandbuch und die Wartungsunterlagen der Hersteller sind relevant. Das hier geschriebene (und Alles was ich poste) dient zur Verständnisbildung und darf nie als Anleitung oder für Trouble-shooting verwendet werden.

 

Grundlegende Begriffe

zum besseren Verständnis der nachfolgenden Abschnitte gehe ich kurz und sehr vereinfacht auf die 
'Modellbildung' (=Ersatzschaltung) ein

Diese Texte betreffen ausschliesslich Gleichstromsysteme (also Elektrik mit + und ein - Leiter)

 

Systemspannung in der Leicht-Fliegerei  ( Quellen müssen höhere (Lade-)Spannung haben)

12V :  kommt daher, dass dies die im letzten halben Jahrhundert in Automotive genutzte Spannung ist
24V:  aktueller Trend (Rotax 915, 916, diverse Dieselvarianten (ist meist Std bei Nutzfahrzeugen)

28V:  Standardspannung in MIL und der kommerziellen Fliegerei 
110V 400Hz 3 Phasen :  MIL und kommerzielle Fliegerei, für energiehungrige Grossverbraucher (z.B. Starter, früher auch Avionik und Pumpen)        ist hier nicht Thema

 

Verbraucher (engl. sink)

Verbraucher , also Einrichtungen, welche die elektrische Energie benötigen.

Die Batterie wird als Verbraucher gesehen, wenn sie in der Phase 'laden' ist

Der (fliessende) Strom (-stärke) im System wird von Verbraucher(n) bestimmt.

Ein Parallelbetrieb von Verbrauchern ist der Normalfall. Der Gesamtwiderstand aller Verbraucher ist aus Sicht der Quelle immer kleiner als der kleinste der parallel 'saugenden' Verbraucherwiderstände.
Bei einem Kurschluss ist somit der Gesamtwiderstand = Null.

 

Ein Verbraucher hat immer einen sog. Innenwiderstand. Das ist ein rechnerischer Ersatzwert für den inneren Effekt, der die elektrische Energie verbraucht (Energie wird nie 'verbraucht', sie wird immer in eine andere Energieform umgewandelt. Vereinfacht kann man sagen, dass die gemessene Leistung an einer Quelle komplett in Wärmeenergie umgewandelt wird)

Bei Verbrauchern wie: Pitot-Heizung, Glühlampe.. ist dieser innere Widerstand in Ohm schon Alles.

Anders bei FLAP-Motor, e-Motor einer Hydraulikpumpe fürs Fahrwerk, ein elektronisches Gerät (z.B. Transponder), Ladevorgänge, Trafo usw. : Da diese konsumierende Verbraucher Energie (zwischen-) speichern oder puffern können, reicht der reine Widerstandswert nicht aus.
Das Verhalten

- kann induktiv sein: beim Einschalten fliesst zunächst ein hoher Strom, der nachträglich abklingt
  beim deaktivieren (abschalten) möchte sich die Induktivität abbauen

- kann kapazitiv sein:  beim einschalten bricht zunächst die Spannung ein, beim Ausschalten ist die Senke noch unter Spannung, die sich danach durch Verluste abbaut.

Zusammengefasst nennt man diese inneren 'Verbraucherkonstanten' dann XL, XC und R, oder einfach X

Klemmenspannung:  Nennspannung, die ein Verbraucher braucht, währenddem er funktionieren soll,
 bei uns also meist 12V

Test eines Starters für O-360 (Lycoming) Strom in Funktion der Zeit:

Schön ersichtlich, dass bei genübend grosser Batterie die Spannung konstant bleibt, trotz enormem Anfachstrom, der etwa 1 kW Leistung aufbringen muss um den Motor zu starten. Der Verbraucher ist stark induktiv. Der Starter hat einen geringen inneren ohmschen Widerstand.

 

 

Erzeuger, Quelle (engl. source)

Geräte, die eine elektrische Spannung bereitstellen und auf Verbraucher 'warten'.

Dazu gehören Generatoren, Hauptbatterie, Notbatterie / eingebaute Akkus (z.B. EFIS), Ground-plug u.a.

Die Spannung in einem System wird vom Erzeuger bestimmt. 

Ein Parallelbetrieb von Quellen bedingt eine aktive Regulierung der Spannung.

Eine Spannungsquelle 

- hat eine Leerlaufspannung U0: keine Last (klemmen offen) 

- einen Kurzschluss-Strom: die maximale Stromstärke, welche die Spannungsquelle liefern kann, wobei die Spannung aber zusammenbricht*

- einen (symbolischen) Innenwiderstand Ri  (~ermittelbar z.B. durch Pmax = U0^2 /(4Ri)

rot: theoretisch ideale Quelle, blau lin. vereinfachte reale Quelle grün: bsp einer Wegwerfbatterie

Bsp: Bei einer Solarzelle als Quelle ist die Leerlaufspannung bei voller Einstrahlung bei offenen Kabelenden messbar. Der Kurzschlusstrom dagegen nicht. Um dies zu interpolieren reicht eine Messung mit einer Reihe von Wiederständen, bis zum kleinsten R, das gerade den maximal erlaubten Strom erzeugt (Sie erinnern sich: es ist der verbraucherseitige R , was bei gegebener Quelle den Strom bestimmt). Die verbundenen Punke ergeben die Kennlinie.

Bei echten Quelle , z.B. Batterien sind noch andere Parameter entscheidend, die eine Quellenkennlinie beeinflussen.

Für Bleibatterien, aber auch LFP und andere Li-Ionen - Batterien: Temperatur

Für einen Generator: Drehzahl-bei der die I/U-Kennlinie vermessen wird

Vermessen der Kurzschlussleistung ( Icc in Funktion der Drehzahl an einem Generator der Rotax 912-serie)

 

Anmerkung: Der Generator läuft mit der Kurbelwellendrehzahl, somit ~2.5x schneller als die Propellernabe

 

Dasselbe an einem Generator eines Lycoming O-360 (PA28):

 

Die Differenz zwischen Rot und Blau entsteht durch die Reglercharakteristik (Histeresis). Die Impedanz X (Parameter) ist immer gleich für diesselbe Drehzahl.

 

Wenn man nun die Impedanz X in Funktion der Drehzahl anschaut (Fall Rotax 912 Gen.), dann wird ersichtlich, dass.. 

 

..bei tiefer Drehzahl bis etwa 800 ist vor allem der Kupferwiderstand der Wicklung massgebend (also schlicht der rein ohmsche Widerstand des langen Drahts), weil die kurze Strecke vom Stillstand bis 800 des Rotors sich nicht ändert (gerade). Danach addiert sich der induktive Widerstand zum ohmschen hinzu. Je schneller er rotiert, desto höher wird die Gesamtimpedanz X.

 

Andere Komponenten

 

Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Teilen:

- Passiv:  Schalter, Anzeigen, Kabel/Leiter, Kontrolllampen  (sie beeinflussen die elektrischen Parameter nicht oder nur linear - z.b. der Verlust im Draht)

 

-Aktiv: Spannungsregler, Überspannungsschutz (Over Voltage Protector OVP), Strombegrenzung, Dioden, Gleichrichter, Filterschaltungen, Suppressors, Endgeräte (Elektronik)

 

 

Beispiel: zulässiger Strom für eine Distanz von 1.5m in Funktion des Kabelquerschnitt (std. FAA):

Die effektive Widerstandslänge ist 1.5m+1.5m , da der Minuspfad auch Verluste erzeugt.

 

Die Master-Relais sowie Starter - Relais ('Solenoid' ) brauchen starke Spulen welche in möglichst kurzer Zeit den massiven Kontakt schliessen (und öffnen). Das bedeutet hohe induktivität. Beim Schliessen des Kreises gibt es einen sehr grossen Anfangsstrom für die Energetisierung, beim Trennen entsteht eine hohe Spannungsspitze, weil sich die Spule 'gezwungen fühlt' den in Form des mangetischen Feldes entstandene Energie zu entladen. Dies führt zu Spannungsspitzen, welche um Faktoren höher sein können als die Systemspannung und Geröte wie EFIS, COM und ATC zerstören (können). Darum benutzt man Filterschaltungen mit sog. Löschdioden an den Spulenanschlüssen von (stärkeren) Relais.

 

Redundanz und Sicherheit

Jeder Pilot sollte sich einprägen, wo in seiner Maschine wichtige Trennstellen und für den Notbetrieb wichtige Schalter und Hebel des elektrischen Systems sind. 

 

Am Besten sind sämtliche Bedienungselemente in einem Panel zusammengefasst:

Zentrales Panel für Check, Auslösung und Spannungsüberwachung eines leichten SEP mit drei getrennten Bussystemen und zwei galvanisch getrennten Batterien. Alle Warnungen und Stati sind hier sichtbar.

 

Vereinfachtes Blockschema dazu:

Das Modul BI ist als doppelt isoliertes Gehäuse mit Kühlrippen ausgeführt, obwohl der Verlust (und dadurch die Abwärme) verschwindend klein ist dank MOSFEET Rückoppelungselektronik in den beiden galvanisch getrennten Plus-Pfaden.  Veraltete Lösungen wurden mit offenen Gleichrichtern oder Sperrdioden realisiert, welche unter ständiger Nennspannung gegenüber der Masse standen. 

Dasselbe gilt für moderne Spannungsregler, welche die bis vor einigen Jahren getrennten Überspannungsschutz in einem separaten Gehäuse unterbrachten.

Alter Regler (Beispiel für Motorola Generator an Lycoming und Continental):

 

Im Vergleich dazu ein Regler für den integrierten Generator aller Rotax 912-Serie Motoren:

- einstellbare Zielspannung (z.B. beim Einsatz von NiCd, LFP oder Li-Ion Batterien statt Blei

- extrem hoher Wirkungsgrad, aktive Filterschaltung für rippelfreier Gleichstrom

- integrierter Überspannunsschutz mit eingebautem Leistungsrelais

- Im Falle einer durchgebratenen Elektronik funktioniert der Regler immer noch als einfacher Brückengleichrichter.

- zentrales Störunssignal (LED im Cockpit), Ausgang für StatusLED (ok)

 

Generator - Alternator - Dynamo - Lichtmaschine

Ein Generator erzeugt energie oder läuft leer oder steht still. Etwas anderes gibt es nicht.

Dies wird nicht durch den Generator bestimmt, sondern durch die Verbraucher.

Eine Batterie ist entweder eine Quelle oder aber ein Verbraucher. Etwas anderes gibt es nicht*.

Vor allem kann Sie nicht gleichzeitig liefern und sich aufladen. 

* Ausnahme: sie kann als Filter oder Glättungskondensator wirken, das bedeutet, dass sie bei oszillierenden Schwankungen vom Stromfluss die effektiv sich ergebende Klemmenspannung im System stabilisieren. 

Das ist nichts anderes als eine schnelle Abfolge des Wechsels als Quelle <-> Verbraucher.

 

Der Stromerzeuger im SEP

Fachlich korrekt wäre elektrische Maschine oder Generator bei Nutzung als Stromerzeuger.

In der elektrotechnik unterscheidet man zwischen Synchronmaschinen und asynchronmaschinen.

Ein Generator in Klauenform wie er bei fast allen klassichen Flugzeugboxern vorkommt, ist ein Synchrongenerator. Das was alterniert, ist nicht der Strom aus der Erzeugerspule, sondern das Erregerfeld im Läufer.  

Bild : Klauengenerator Bosch COMPACT - serie (neuere Versionen haben den Lüfter im Innern)

 

Diese Generatoren 

- verbrauchen Strom aus der Batterie, bis sie etwas über 2000 RPM haben. Darunter ist der Strom üBer die Kohlen für den Läufer (die rotierende Erregerwicklung) gefordert, das notwendige Magnetische Feld aufzubauen. Die Bilanz zwischen gelieferter Leistung an den Klemmen nach dem Gleichrichter (im Generator enthalten) sowie dem notwendigen Erregerstrom kleiner als Null.

 

(Moderne synchrone) Generatoren mit Permanentmagneten hingegen brauchen keinen Strom für das Erregerfeld. Es entsteht durch eine sich drehende Glocke, in deren innenseite abwechselnd polarisierte Hochleistungs- Dauermagnete plaziert sind. Durch die Drehung ensteht das gewünschte rotiertende Wechselfeld. Die Spulen, welche dieses Feld nun in eine nützliche Wechselspannung umwandeln, sitzen jedoch im Innern der rotierenden Glocke:

Beispiel am Generator der Rotax 912-series:

Die Mechanik ist quasi umgestülpt:

Klauengenerator:

Stator (fixe Spulen): aussen = erzeugte Leistung , Rotor (dreht sich) innen = abgesaugte Leistung 

 

Permanent erregter Synchrongenerator:

Stator (fixe Spulen kreisförmig angeordnet und in Serie geschaltet) innen = erzeugte Leistung, 

Rotor (dreht sich) aussen darum herum = freie 'motorische Kraft' , mechanisch bewegt

 

Die schwarz gefüllten Spulen (etwa 1/3 mehr power als die Generatorspulen) im Bild sind die Energieerzeuger für die beiden völlig getrennten CDI- Zündkreise. Der Minuspol ist direkt im Generator an die Motormasse gebunden, der Pluspol isoliert/geschirmt direkt in je ein Zündmodul A und B geführt.

 

Dies stellt sicher, dass die Zündung auch bei Totalausfall oder Totalverlust der elektrischen Anlage unbekümmert weiterfunktioniert . SOLANGE sich der ROTOR des Generators noch dreht (also der Motor noch läuft).  Die Generatorspannung ist eine Wechselspannung und vollständig isoliert von der Motormasse.

Erst der Minuspol am Ausgang des Reglers (+Gleichrichters) wird mit der Motormasse und dem Sternpunkt der Minusleitungen zusammengeführt.

 

So, das reicht für den Moment. 

Ich hoffe das diese Zusammenfassung einigermassen leserlich ist.

Ich gratuliere jenen, die sich bis hier durchgekämpft haben, für ihre Resilienz zum Thema. 

 

Bruno / Cosy

 

Harte Kritik bitte per PM, ansonst könnt ihr das Thema verhauen.

 

 

 

Bearbeitet 7. Februar von cosy