Uçak elektrik dağıtım sistemlerinde yük dengeleme ve arızaların analizi
Load balancing and faults analysis in aircraft electric distribution systems
Yazar: YILMAZ KARA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kısa devre arızaları = Short circuit defect ; Model uçaklar = Model aircraft

Özet:
Bu tez çalışmasında, tek generatörlü uçaklarda elektrik güç üretim dağıtım sisteminin tasarımı ve analizi gerçekleştirilmiştir. Elektrik güç üretim dağıtım sisteminin tasarımında literatür taraması sonucu elde edilen parametreler temel alınmıştır. Yapılan her türlü hesaplamalar ve bunların sonucunda ortaya çıkan değerlerle sistemin modellenmesi gibi işlemler bu parametrelerin kullanılması sonucunda gerçekleştirilmiştir. 
Uçak güç üretim dağıtım birimi, temel olarak bir uçağın motor tahriki ve generatör yardımıyla elektrik üretim ve aynı zamanda üretilen enerjini dağıtımını sağlayan ana uçak bileşenlerinden birisidir. Uçak güç üretim dağıtım tasarımı sırasında temel olarak elektrik sistemlerinin yanında mekanik, yapısal ve elektronik gibi birçok mühendislik disiplininin göz önünde bulundurulması gereklidir. Bundan dolayıdır ki bir uçak güç üretim dağıtım yapısının tasarımı, imalat süreci göz önüne alınırsa bir uçağın en karmaşık süreçlerinden birisidir. Aynı zamanda elektrik sisteminde meydana gelecek arızalar uçak üzerinde ciddi olabilecek yapısal ve mekanik etkiler oluşturur. Bu durum da uçağın performansını ve malzeme yorulmaları gibi birçok konuyu doğrudan etkileyecektir. Elektrik güç üretim ve dağıtım sisteminin tasarım sürecinde uçağın güç ihtiyacı ve yüklerin karakteristikleri özellikle elektrik güç üretim ve sonrasında dağıtım sistemi tasarımını doğrudan etkilemektedir. Tez çalışmasında tek generatörlü uçaklar üzerine odaklanılarak, incelemelerde ele alınan örnek eğitim jet uçağı için meydana gelebilecek arıza durumlarında çeşitli yük karakteristikleri göz önünde bulundurulmuştur.
Tez kapsamında ilk olarak literatür araştırması gerçekleştirilmiştir. Bu araştırma sonucunda elektrik güç üretim ve dağıtım siteminde kullanılabilecek, oluşturan alt bileşenler hakkında bilgiler verilmiştir. Aynı zamanda son tüketici olarak kullanılacak potansiyel yük grupları hakkında örnekler verilmiştir. Enerji üretimi sırasında kullanılacak jet motoru, iyi performansı ve havacılık platformlarında yaygın olarak kullanılması göz önüne alınarak General elektrik firmasının F-404 motoruna ait değerler temelinde incelenmiştir.
Tez çalışmasının bir sonraki adımında ise uçakların güç üretim sistemi için yaygın olarak kullanılan frekansa bağlı olarak değişiklik gösteren iki farklı sistemin incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Bu incelemeler için literatür araştırması yapılmış ve detaylı olarak anlatılmıştır. Her iki sistem hakkında genel olarak anlatılan ve ortaya konulan yapılar göz önüne alınmış ve ağırlık, yakıt tüketimi, yerleşim maliyeti, bakım gibi durumlar göz önüne alınarak uçuş fazına göre değişken frekanslı sistem incelemeler için tercih edilmiştir. Değişken frekanslı sistemler içerisinde; yapısının daha kararlı ve güvenilirlik katsayısının yüksek olması, aynı zamanda yaygın olarak tercih edilmesinden dolayı doğru akım yapısında tasarımların modellenmesi ile ilerlenmiştir.
Çalışmanın bir sonraki kısmında uçak güç üretim dağıtım siteminde meydana gelen yenilikler hakkında literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Öncelikle her bir faz üzerindeki gerilim ve akımın dengelenmesine yönelik yapılan çalışmalar ve sonuçları hakkında bilgiler verilerek, tez çalışması içerisinde gerçekleştirilen yük dengeleme yöntemleri ve kullanım alanları hakkında bilgilendirme yapılmıştır. Tez çalışmasında kullanılacak yük dengeleme ile anahtarlama kayıplarını çok düşük seviyelere indiren ve esnek bir kontrol yapısı sunan yarı iletken anahtarlama sistemleri açıklanmıştır.
Genel olarak kullanılacak yapıya ait seçimler yapıldıktan sonra uçak sisteminin dağıtım yapısı hakkında bilgi verilmiştir. Sonrasında önem sırasına göre yüklerin nasıl sınıflandırılması ve bara yapısının oluşturulması gerektiği anlatılmıştır. Ardından genel hatlarıyla seçilen sistemin Matlab/Simulink simülasyon programında modellenmesi gerçekleştirilmiştir. İlk önce güç üretim sistemine ait parametrik veriler kullanılarak değişken frekanslı yapıda olacak generatöre ait modelleme gerçekleştirilmiştir. Ardından kontrol yapısıyla birlikte 3 fazlı 3 sargılı transformatör yapısının ve diyot köprüsünü tasarımları belirlenen parametrelere göre gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan DA-bağlantısı yapısından sonra kullanılacak evirici ve filtre ve evirici kontrol yapısının parametrelere bağlı olarak tasarımı simülasyon programında gerçekleştirilmiştir. Son olarak kullanılacak statik ve dinamik yük yapılarının etkileri grafiklerle gösterilmiştir. 
Tez çalışmasının yeni nesil uygulamaları kapsamında, yine Matlab/Simulink programı üzerinde kullanılacak yarı iletken yapısına ait tasarım çıktıları verilmiştir. Ayrıca önceki bölümlerde literatür altyapısı verilen yük dengeleme yöntemi üzerinde 9 farklı yük grubu kullanılarak yük dengeleme çalışması gerçekleştirilmiş ve sonuçları grafiklerle verilmiştir. Ayrıca bu yük dengeleme modeli esnasında kullanılacak yük gruplarının ve simülasyon senaryolarının tanımlamaları çizelge ve grafikler halinde bu bölüm altında verilmiştir.
Çıkış akım ve gerilimlerinin, havacılık alanında yaygın olarak kullanılan askeri standartlardan biri olan 704 standartına göre uygunluk durumları incelenmiştir. Statik ve dinamik sistemleri devrede iken 3 fazlı kısa devre arızası meydana gelme durumu için analizler gerçekleştirilerek elde edilen grafikler ve sonuçlar verilmiştir. Yüksek empedanslı ve rastgele değişim özellikleri içeren ark tipi kısa devre arızaları ve türleri hakkında bilgi verilmiş ve bu tip arıza modelleri içinde Emanuel modeli sisteme uygulanarak incelemeler gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışmasının sonucunda, örnek olarak ele alınan jet eğitim uçağı için tasarlanan güç üretim dağıtım sisteminin havacılık standartları açısından değerlendirilmesi ve geliştirilen yük dengeleme algoritmasının sisteme uygulamasının sonuçları irdelenmiştir. Ayrıca meydana gelebilecek çeşitli arızaların sistem davranışları üzerinde etkilerini gösteren sonuçlar grafiklerle verilmiştir. Akıma dayalı kullanılagelen koruma sistemleri ile tespit edilme zorluğu olan ark tipi arızalar modellenerek tespit yöntemi geliştirenlere yol gösterebilecek sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the design and analysis of the electrical power generation distribution system in single-generator airplanes was carried out. In the design of the electric power generation distribution system, the parameters obtained in consequence of the literature review were taken as a basis. All kinds of calculations and the modeling of the system with the resulting values were carried out as a result of using these parameters.
Aircraft power generation distribution unit is one of the main aircraft components that provides electricity generation and at the same time distribution of the generated energy with the help of an aircraft engine drive and generator. During the design of aircraft power generation distribution, it is necessary to consider many engineering disciplines such as mechanical, structural, and electronic, besides the electrical systems. Therefore, the design of an aircraft power generation distribution structure is one of the most complex processes of an aircraft, considering the manufacturing process. At the same time, failures in the electrical system create structural and mechanical effects that can be serious on the aircraft. This will directly affect the performance of the aircraft and many issues such as material fatigue. In the design process of the electrical power generation and distribution system, the power requirement of the aircraft and the characteristics of the loads directly affect the design of the electrical power generation and distribution system, especially after it. In the thesis study, focusing on single-generator airplanes, various load characteristics were considered for the failure situations that may occur for the sample trainer jet aircraft discussed in the studies.
Within the scope of the thesis, firstly, literature research was carried out. As a result of this research, information is given about the sub-components that can be used in the electric power generation and distribution. At the same time, examples are given about potential load groups to be used as end consumers. The jet engine to be used during power generation has been examined based on the values of the F-404 engine of the General Electric company, considering its good performance and widespread use in aviation platforms.
In the next step of the thesis study, two different systems, which vary depending on the frequency commonly used for the power generation system of the aircraft, were examined. For these studies, a literature search was made and explained in detail. The structures explained and presented in general about both systems were taken into consideration and the variable frequency system according to the flight phase was preferred for the examinations, considering the conditions such as weight, fuel consumption, settlement cost and maintenance. In variable frequency systems, since the structure is more stable and the reliability coefficient is high, and it is widely preferred, it has been advanced by modeling the designs in the direct current structure.
In the next part of the study, a literature review was conducted about the innovations in the aircraft power generation distribution system. First of all, information about the studies and results of the voltage and current balancing on each phase was given, and information was given about the load balancing methods and usage areas carried out in the thesis study. Semiconductor switching systems, which reduce the switching losses to very low levels and offer a flexible control structure, with load balancing to be used in the thesis study are explained.
After the selection of the structure to be used in general, information is given about the distribution structure of the aircraft system. Afterwards, it is explained how the loads should be classified in order of importance and the busbar structure should be created. Then, the selected system was modeled in the Matlab/Simulink simulation program. First, the modeling of the generator, which will be in variable frequency structure, was carried out by using the parametric data of the power generation system. Then, the design of the 3-phase 3-winding transformer structure and the diode bridge together with the control structure were carried out according to the determined parameters. The design of the inverter and filter and the inverter control structure to be used after the DC-connection structure was created, depending on the parameters, was carried out in the simulation program. Finally, the effects of static and dynamic load structures to be used are shown in graphics.   
Within the scope of the new generation applications of the thesis, the design outputs of the semiconductor structure to be used on the Matlab/Simulink program are given. In addition, load balancing work was carried out using 9 different load groups on the load balancing method, the literature infrastructure of which was given in the previous sections, and the results were given with graphics. In addition, the definitions of the load groups and simulation scenarios to be used during this load balancing model are given in tables and graphics under this section. 
The conformity of the output currents and voltages according to the 704 standard, which is one of the military standards widely used in aviation, has been examined. The graphs and results obtained by performing analyzes for the occurrence of 3-phase short-circuit failure when the static and dynamic systems are active are given. Information about arc type short-circuit faults and types, which have high impedance and random variation features, were given and investigations were carried out by applying the Emanuel model to the system within this type of fault models.
As a result of the thesis, the evaluation of the aircraft power generation distribution system designed for the jet trainer, which is considered as an example, in terms of aviation standards and the results of the application of the developed load balancing algorithm to the system were examined. In addition, the results showing the effects of various malfunctions that may occur on the system behavior are given in graphics. By modeling arc type faults that are difficult to detect with current-based protection systems, results that can guide those who develop detection methods have been obtained.