航空宇宙の電源供給におけるトレンド

航空宇宙やその同類の分野の設計者が特に留意しているのは、サイズ・重量・消費電力 (SWaP) を低減することです。スペースは常に貴重であり、軽量化は燃料消費効率の向上、飛行時間の延長、積載量の増加につながります。同様に、発電および配電システム全体の消費電力を低減することで、重量とスペースを節約できます。大型民間ジェット機の配電システムに含まれるハイパワー コンタクタの数が 100 個を超えることを考えると、1 個あたりの制御電力を 0.1 アンペア節約するだけで、全体的な電力損失が大幅に改善されます。電力損失が低くなると、電源を小型化できます。ミッドレンジ リレーの技術要件は、MIL-PRF-83536 で詳細に規定されています。ミッドレンジ リレーは二次的な負荷分散に使用され、多極とフォーム C (切り替え) 接点構成を備えています。これらのリレーは軽量かつコンパクトで、航空宇宙の過酷な環境でも高い信頼性を発揮します。

長年にわたる航空機運航において高電流および高電圧を切り替え続けることは、パワー コンタクタにとって大きな課題です。スイッチング中の熱ストレスと定位接点アークは、コンタクタと相互接続を摩耗させます。主接点の開放に伴うスイッチング エネルギーは、従来の 115 VAC システムではさほど大きくありません。定義上、電圧/電流はサイクルごとにゼロまで低下するため、スパイクの大きさは小さく、スパイクはすぐに消失します。しかし、230 VAC では、電流ゼロ後の電圧上昇時に起こるアークの再発を排除するため、開いた接点の間隔を大きくする必要があります。

現代の航空宇宙の AC 電力システムでは、周波数はもはや 400 Hz に固定されていません。エンジン速度に応じて、周波数は 350 ～ 800 Hz の範囲で変動します。コンタクタと電源盤を設計する際は、この広い周波数範囲がデバイスの寿命と熱性能に及ぼす影響を慎重に評価する必要があります。

270 VDC および 540 VDC がまずミリタリ業界で採用され、今では民間航空機にまで広がったことから、パワー コンタクタは大幅な設計変更を強いられました。既存のコンタクタ設計は十分な遮断アーク電圧を生成できないため、高電圧スイッチングには適していません。こうした物理的制限を克服するには、アーク分割プレート、ランナー、ブローアウト マグネット、高品質の内部スイッチング ガスのような方法に頼る必要があります。長い間、航空宇宙用パワー コンタクタの大半は 1 か 0 かのオン/オフ機能しか持たず、補助的なインテリジェンスや回路保護の仕組みはほとんど組み込まれていませんでした。ミリタリおよび航空宇宙用コンタクタにおける今日の最も重要なトレンドの 1 つは、異常なイベントからの保護やシステム障害の検出のために電子インテリジェンスを強化することです。高電圧直流電流 (HVDC) のような技術によって電力システムの電圧が上昇している現在、このような機能はより一層重要性を増しています。

コンタクタに電子制御が追加された最初の領域の 1 つは、回路の効率的な利用によるコイル消費電力の低減でした。どの電気機械コンタクタにも、磁気アクチュエータが含まれています。接点を閉じるためにアクチュエータを始動させる動作は、接点を閉状態に維持するよりもかなり多くの電力を消費します。たとえば、コンタクタを作動させるには 5 アンペアの電力が必要ですが、コンタクタをオン状態に維持するために必要な電力は 1 アンペア未満です。つまり、コイル制御を改善することで消費電力の 80% を削減できます。これにより、発生する熱が少なくなり、デバイスや配電盤へのストレスも低下します。

消費電力を節約するために使用されている一般的な方法は、コイルの複数化とパルス幅変調 (PWM) です。

初期の効率化されたコンタクタ設計では、ピックアップから保持巻線への実際の電力伝達は、機械的なリミット スイッチを使用して実現されていました。アクチュエータの移動量の大半が移動した後、電力を抑制するためにリミット スイッチが作動します。リミット スイッチは、いくつかの理由で問題があることがわかりました。たとえば、サイクル中のリミット スイッチの作動タイミングが前後にずれる可能性があるため、コンタクタの適切な性能を長期間維持するには調整がきわめて重要になります。また、リミット スイッチは主接点の閉鎖と同時に高電力巻線をオフにするため、接点バウンスまたはチャタリングが増加する可能性があります。

電子的なコイル制御が組み込まれたことで、コイル電力の伝達タイミングはアクチュエータの動きやリミット スイッチに縛られなくなりました。これにより、コイル伝達を開始する前に、接点セットを完全に移動させて安定した閉状態にすることが可能となります。このように伝達のタイミングを制御することで、信頼性は大幅に向上しました。

PWM は、持続時間 (すなわちデューティー サイクル) の異なるオン/オフ コイル パルスを使用して、コイルに供給される平均電流を制御します。PWM には、広い範囲の電圧レベルに対応できるという利点がありますが、適切にフィルタリングしなければ放射ノイズを引き起こす可能性があります。PWM は、異常な動作電圧中にデューティー サイクルを調整することもできます。バッテリー残量が低い状況では、コンタクタ用の一定の電流源を効果的に生成するためにデューティー サイクルのオン時間が長くなります。

航空宇宙電力システムに共通の問題は、過負荷の危険です。電気障害は、負荷機器だけでなく、航空機の配線や配電ネットワーク内でも発生する可能性があります。これは、経年航空機や、長期的な環境曝露が絶縁システムに及ぼす影響との関連でよく研究されてきました。保護対策には、発電機での電圧不足の検知、駆動電流レベルの監視、リーク電流の検知などがあります。 

多くの既存用途は、依然としてバイメタルベースの熱動型回路ブレーカに依存しています。このタイプのブレーカは安価で、トラブルシューティング時に完全断路器として使用することもできます。ただし、熱動型回路ブレーカは、非常に高い電流には適しておらず、トリップ曲線の精度に限界があり、必要なときに適切に機能することを保証する BIT 機能を備えていません。これらの欠点を補うため、電子センシングをパワー コンタクタに組み込むケースがよく見られます。 

電子センシングは、過電流をより確実に検知します。電子センサのトリップ曲線の精度は、従来の熱動型回路ブレーカと比較して少なくとも 2 倍あります。また、組み込み試験中に障害イベントをシミュレーションすることで、システム障害時に電子センサが想定どおりに機能するかどうかを確かめることもできます。

電子的な過負荷保護にまず必要なものは、コンタクタを通る駆動電流を正確に監視する方法です。最も簡単な方法は、高精度抵抗器をシャントとして使用し、そこを通過する電圧を測定することです。この方法は非常に正確ですが、高電流コンタクタでは相当な熱が発生する可能性があります。また、システム全体の整合性を確保するために制御回路と 120 V/240 V センシング ラインを混在させる場合には、この方法は望ましくありません。 

2 つ目の電流監視方法は、変流器 (CT) です。フィードスルー電流により発生する磁場は、CT において二次電流を確立します。この電流は比例的ですが、レベルはかなり低くなります。電流と CT 電流の標準的な比は 500:1 です。CT は組み込みが容易で正確ではありますが、開ループ センサの場合は重くなり、閉ループ設計の場合は複雑になる可能性があります。 

ホール効果センサも、電流により発生する磁場を測定するためによく使用されます。ホール効果素子は、磁場への曝露に基づいて電圧を出力します。この磁場は通常、コンタクタの母線または出力フィーダの周囲の磁束リングまたは磁束収集体を使用してホール効果センサに集束されます。最近のホール効果センサは出力電圧と線形性をプログラムでき、双方向の電流検知と AC 検知を有効にすることができます。図 4 は、TE 28 VDC コンタクタの横に統合されたホール効果センサ、または 600 VDC 設計に直接統合されたホール効果センサを示します。 

ホール効果センサの利点は次のとおりです。

• 一次回路と二次回路の分離
• 直流または交流電流に対応
• 高精度
• 高い動的性能
• 高い過負荷容量
• 高い信頼性

センサの種類にかかわらず、これらのセンサから情報を収集してシステム構成に関する決定を下すには、その基盤となるエレクトロニクスが必要です。場合によっては、統合エレクトロニクスは他の航空機システムに動作状態を伝えるだけということもあります。この情報は、電源が失われた場合にどの負荷を遮断するかを決定するのに役立ちます。航空機の負荷は重要度に応じて優先順位が付けられており、重要度の低い利便性用途の負荷は、飛行に不可欠な負荷やその他の重要な負荷を維持するために電力供給が遮断されます。 

回路の状態を伝えることに加えて、センシング エレクトロニクスが統合されたコンタクタは、過負荷障害状態に単独で反応できます。過負荷の検知後、ほぼ瞬時に (10 ms ほどで) トリップしてロックアウトすることができます。スマート コンタクタ (電子センシングを備えたコンタクタ) の障害保護のレベルは、ユーザーが調整できます。また、特定の適用位置で調整することにより、負荷ごとに保護の程度をカスタマイズすることもできます。そのような調整は、コネクタ ピンのプログラミング、DIP スイッチ、外部抵抗器の追加、またはソフトウェア設定によって行います。さらに、適用保証が変更された場合にスマート コンタクタを再設定することも可能です。

過電流の検知は一般に、スマート コンタクタに欠かせない最も重要な機能ですが、その他の障害も検知できます。これには次のようなものがあります。 

• 位相損失および位相回転
  
• 差動フィーダ障害
  
• 地絡故障
• アーク故障検出

位相障害

三相電力を使用するモータ、ファン、その他のデバイスを保護するには、位相の同期を維持して電力を適切に供給する必要があります。位相障害は動作中のデバイスにストレスを与え、寿命の短縮や不適切な動作を招き、壊滅的な障害を引き起こす可能性さえあります。主な位相障害は、位相損失と不適切な位相回転です。どちらも、電力供給を不均一でアンバランスなものにします。いずれかの位相が失われると、2 つの位相のみで電力が送られるため、供給電力が減少します。位相回転は、各位相が 120 度の分離度で適切に同期していない場合に起こります。

位相順序の問題は、過負荷電流の監視と同じ手法を使用して検出できます。各位相の電流レベルを検知して比較することにより、差異を検出できます。

リーク電流故障からの保護

リーク電流を検知し、差動障害を防ぐには、配線に沿って複数の電流センサを配置する必要があります。それらのセンサからの出力を比較して障害を検出します。地絡故障検出は、共通のセンサを 1 つだけ使用する特殊な保護方式で、すべての通過電流が負荷からリークなしに戻ってくることを確認します。この検出手段は、航空機燃料ポンプで燃料蒸気発火のリスクを軽減するために一般に使用されています。

差動フィーダ障害からの保護は、航空宇宙業界では一般的です。通常は、高閾値を使用して大径の給電線にリーク電流がないことを確認します。典型的な構成では、発電機またはその内部にセンサを配置し、メイン ライン コンタクタにもう 1 つセンサを配置します。検知された電流が異なる場合は、障害が発生したことを示します。

地絡故障は 2 通りの方法で監視できます。1 つは、グランド プレーンで電流をチェックすることです。もう 1 つは、位相センサから提供された情報を使用することです。3 つの位相の合計がゼロになる必要があります。合計がゼロでない場合は、配線または負荷に障害があります。

アーク故障検出

アーク故障検出は、回路ブレーカや二次的なソリッドステート パワー コントローラ (SSPC) に普通に搭載されるようになりました。既存の保安装置はスパッタリング アーク故障に対して効果がないことが実証されています。アーク故障では、電流レベルはハード障害をトリガーするほど増加しないものの、許容できないレベルの熱が発生する可能性があります。並列アーク故障は最終的に完全な過電流障害に進行する場合があり、コンタクタの破損やデバイス端子のゆるみに起因する直列アークは、たとえ全体的な電流が回路ブレーカのトリップ曲線を十分下回っている場合でも、途方もない熱を発生させる可能性があります。現在、アーク故障を検出するだけでなく、配線障害箇所までの距離も特定する機能が、スマート コンタクタで新たに実用化されつつあります。

ソリッドステート リレーは一般的ですが、パワー半導体をコンタクタに利用することは比較的新しい試みです。MOSFET は、可動部がないことから信頼性が高いという明白な利点があり、パワー コンタクタに取って代わる可能性があります。ソリッドステート電力デバイスは、コンタクタのスイッチング寿命を延長します。電力接点は、機械的嵌合とアーク効果によって摩耗します。接点が摩耗すると、接続間の抵抗が増加し、発生する熱の増加や寿命末期の故障につながります。

ソリッドステート リレーには、ハード接点設計には見られない追加の熱管理が必要です。ソリッドステート設計は、機械的部品がないことから非常に信頼性が高いものの、ハード接点設計とは異なる故障メカニズムを内包しています。それは熱によるものです。つまり、デバイスを過熱から保護する必要があります。放熱器による熱管理を超える方法として、複数のパワー トランジスタを並列に適用することで電流を最大定格レベルより十分低く抑えることができます。航空宇宙用途向けのトランジスタは、熱性能を効果的に管理するために、データシートに記載された通電定格から 15 ～ 20% 定格軽減されます。ソリッドステート設計では、正確な故障電流仕様が従来の EM コンタクタよりも重要になります。 

航空機業界が MEA (More Electric Aircraft) の構想に向かうにつれて、「ホットスイッチング」コンタクタの問題はさらに大きくなりました。このトレンドは機載油圧システムの電気アクチュエータへの転換から始まり、今や eVTOL 航空機では推進システムさえも電動式に移行しています。現在、6 KVDC に拡張可能なまったく新しいクラスの HVDC アーキテクチャが開発されています。明らかに、270 VDC 向けに設計されたコンポーネントはこの新しい需要に適していません。推進力のような非常に高電流の HVDC 負荷についてはモータ コントローラが使用されており、上流コンタクタのホットスイッチング寿命は重要ではありません (微小な電流でオンになります)。ただし、まれに発生するコントローラ、モータ、またはフィーダの故障に備えて、負荷状態下でコンタクタが開けることは必須です。HVDC において設計者が直面する課題は、ホットスイッチングの耐久性と実際の用途のニーズとの適切なバランスを見出すことです。HVDC アーキテクチャでは、過剰性能に対するサイズ、重量、コストのペナルティが著しく大きくなる可能性があります。ただし、良い知らせもあります。それは、ハイブリッド コンタクタとハイパワー フル ソリッドステート パワー コントローラ (SSPC) を使用してこれらの問題を解決するソリューションがすでに存在するということです。

ハイブリッド コンタクタ設計とは、電気機械コンタクタが持つ低オン抵抗という利点と、パワー エレクトロニクスによる無アークのパワー開閉を組み合わせたものです。これにより、コンタクタ内の著しい摩耗メカニズムがなくなります。また、接点材料を選択する際にホットスイッチングの耐久性をさほど重視しなくて済み、低オン抵抗に比重を置いて材料を選択できます。ハイブリッドは HVDC コンタクタのホットスイッチング寿命を数百サイクルから数千～数万回に延長することが実証されています。当然ながら、ハイブリッド コンタクタは従来の EM コンタクタより複雑で、コストも高くなります。しかし、ホットスイッチング サイクルが多い用途では、これは魅力的なソリューションです。

SSPC は、フル ソリッドステート パワー スイッチの能力とさまざまな監視および通信機能を併せ持っています。少なくとも、SSPC には過電流トリップ曲線が組み込まれており、過剰な電流引き込みや短絡が発生した場合に配線/相互接続や負荷を保護します。また、SSPC は機体のデータ バスを介してコマンドや状態を送受信できるため、システムの信頼性と可用性が向上します。SSPC は、特異な状況下での動作や特定の負荷に対する動作の設定をリモートから行うことができます。TE Connectivity が提供する高電圧 SSPC には、プリチャージ機能を搭載することもできます。これらの製品は通常、主に容量性入力を備えた非線形負荷やモータ コントローラに電力を供給します。SSPC は、電源投入時のサージ電流を低減しながら、プリチャージをタイムリーに処理できます。

マイクロコントローラによる制御を採用すると、コンタクタや SSPC の状態に関するより多くの情報を収集し、分析できます。この情報を使用することで、基本的なトリップ回路より高度な方法で障害に反応できます。たとえば、障害を検知してコンポーネントをシャットダウンすることが考えられます。また、経時的に動作を監視して傾向や変化を特定できればさらに有用です。これにより、問題のインテリジェントな予測と柔軟な対処が可能になります。

電流および電圧レベルから、コンタクタや航空機電気システム全体の状態をリアルタイムで見抜くことができます。駆動電流、温度、サイクル数の情報を使用して、コンタクタの寿命を予測できます。コンタクタを低い電流・電圧レベルで作動させると、スイッチング サイクル数が大幅に増加する可能性があります。

収集したデータは、システムの監視にも使用できます。たとえば、初期電源投入後の電流引き込みはモータやポンプへの突入電流を反映しており、ベアリングの摩耗を把握するのに役立ちます。同じ情報が、注油やその他のメンテナンスの必要性を示唆する場合もあります。センサ データの経時的な変化から、配線システムの障害を発見することもできます。

初期の動作を経時的な変化と比較することは、問題の把握や予測に欠かせません。単一のデバイスの出力から有用なデータが得られることもありますが、複数のデバイスや配線システム上の他のセンサからの情報を統合すれば、システム全体で状態を比較できるため、全体像の分析や予測が可能になります。

高度化が進むコンタクタは、複雑さも増しています。多くのユーザーは、用途に固有のカスタム設計された電源盤を選んでいます。TE が電力管理および配電のプラグアンドプレイ ソリューションとして設計した電源盤の一例を図 7 に示します。これらの電源盤には、リレーやコンタクタだけでなく、高度な監視や制御機能を提供する制御電子機器も組み込まれています。コンタクタの設計は進化しています。スマート コンタクタ、ハイブリッド、SSPC は今や、ますますインテリジェント化する高度な状態監視を提供できます。これらのデバイスは配電や電力管理において中心的な役割を果たすため、センサから得られた情報は、障害管理だけでなく電力システムの状態の監視や分析にも使用できます。現代の航空機で長期的な信頼性を確保し、システムをタイムリーかつ効率的にメンテナンスできるようにするには、傾向の分析が鍵となります。