Bu yazımızda modern uçaklarda temel elektrik sistemlerini inceleyeceğiz. Uçaklardaki elektrik sistemlerini temel bilgilerle açıklamaya çalışacağız. Zaman zaman ise temel eğitim düzeyinden tip düzeyine doğru ara geçişlerle konularımızı detaylandıracağız. Uçak bakım ve onarım sektöründe çalışan ve çoğunluğu mekanik, yapısal, kabiniçi kökenli olan yeni işe başlayan veya deneyimli çalışma arkadaşlarımız elektrik konusuna hep bir mesafeyle ve çekinceyle yaklaşmaktadırlar. Umarım bu yazıyla zihinlerde oluşan buzlanmayı kırıp yolu açabiliriz. Bu girişten sonra yazımıza başlayabiliriz.

Temel anlamda elektrik teorisinde iki adet akım tipi vardır. Bunlar; Doğru Akım ve Alternatif Akım olarak bilinir. Doğru akım, DC veya Direct Current olarak ifade edilir. Alternatif akım, AC veya Alternative Current olarak ifade edilir. 

Doğru Akım (DC), zamanla yönü ve şiddeti değişmeyen akım olarak adlandırılır veya sabit bir voltaj seviyesinde kalan elektrik akımı olarak bilinir. Bataryalar ve piller her zaman Doğru Akım üretir. 

Alternatif akım (AC), yönü sabit kalan doğru akımın aksine, büyüklüğü ve yönü periyodik olarak değişen elektrik akımıdır. Bir AC güç devresinin olağan dalga biçimi sinüs dalgasıdır, çünkü bu enerjinin en verimli şekilde iletilmesini sağlar. Ancak bazı uygulamalarda üçgen veya kare dalga gibi farklı dalga biçimleri de kullanılır. Bir AC generatörü, elektrik gücünün en güzel örneklerinden biridir.

Doğru Akım, İnvertör (SIStatic Inverter) adı verilen bir komponent kullanılarak Alternatif Akıma dönüştürülebilir. Alternatif Akım (AC), Transformatör Doğrultucu Ünitesi (TRUTransformer Rectifier Unit) adı verilen bir komponent kullanılarak DC’ye dönüştürülebilir. Uçaklarda genellikle AC voltaj akım parametreleri 115V (faz-nötr arası değer) /200V (faz-faz arası değer) AC 400Hz 3 faz; yine genellikle DC voltaj değerleri 28V DC olarak bilinir. Şebekelerde 50Hz kullanırken neden uçaklar 400Hz kullanmaktadır sorusunu duyar gibiyim. Bu konuyu biraz açıklamaya çalışayım:

Daha yüksek frekans, daha küçük ve daha hafif elektrikli bileşenler anlamına geldiğini yapılan bilimsel araştırmalar göstermiştir. Transformatörler, motorlar ve generatörler 50/60 Hz’e kıyasla 400Hz’de çok daha küçük ve hafif olabilir. Havacılıkta ağırlık tasarrufu; yakıt tasarrufu anlamına geldiğinden bu büyük bir avantajdır. Daha yüksek frekanslarda, elektrik makineleri (generatörler, transformatörler, motorlar) daha küçük bir boyutta daha fazla gücü işleyebilir. 400Hz sistemler, 50/60Hz sistemlerle aynı güç çıkışını sağlar, ancak daha düşük ağırlık ve boyuta sahiptir. Birçok aviyonik ve uçuş kontrol sistemi yüksek hızlı işlem gerektirir. 400 Hz, elektrik devrelerinde daha hızlı tepki süreleri sayesinde navigasyon, iletişim ve radar sistemlerine fayda sağlar. Dolayısıyla uçaklarda 50/60Hz yerine 400Hz kullanılmasının nedeni ağırlığı azaltması, verimliliği artırması ve aviyonik tepki verme süresini iyileştirmesidir.

Uçaklarda Kullanılan Elektrik Güç Kaynakları

Bataryalar

Uçak bataryaları hem yerde hem de havada çeşitli işlevler için güç sağlayan temel bileşenlerdir. 28V DC- Doğru akım üretirler. Uçak bataryaları nominal olarak 24V olarak sınıflandırılmıştır, yani tasarlanmış çalışma voltajları 24 volt civarındadır. Bununla birlikte, tam olarak şarj edildiklerinde voltajları aslında daha yüksektir- tipik olarak 28V civarındadır. Geçmişten günümüze kullanılan Lead-Acid, Nickel-Cadmium (Ni-Cd) ve Lithium-Ion olmak üzere üç tip batarya çeşidi vardır. Amper-saat (Ah) cinsinden hesaplanır ve bir akünün ne kadar yük depolayabileceğini gösterir.

Bataryaların temel yapı birimi hücre-cell olarak geçer. Hücrelerin birbirine seri bağlanması sonucunda batarya çıkış voltajı (genellikle 24V) elde edilir. Tipik bir uçak (lead acid) kurşun asit bataryası, 24V nominal voltaj sağlamak için 12 hücreden oluşur. Bunun yanı sıra, Ni-Cad batarya, 24V nominal voltaj sağlayan 20 hücreye sahiptir. Modern uçaklarda ise bataryalar en az iki tane olup kapasiteyi artırmak amacıyla birbirine paralel bağlanırlar. Uçağa elektrik verdiğiniz anda (Engine, APU veya Ground Power) otomatik olarak batarya şarj üniteleri, bataryayı şarj etmeye başlar.

Bir bataryanın kapasitesi, amper-saat (Ah = amper sayısı çarpı deşarj sırasındaki çalışma süresi) cinsinden ölçülen ve bataryanın normal sıcaklıkta tamamen dolu durumundan deşarj olmuş durumuna kadar sağlayabileceği elektrik miktarıdır. Örneğin tipik bir Ni-Cad bataryanın ticari uçaklardaki kapasitesi yaklaşık 40-65 Ah iken, geniş gövde uçaklarda 65-100 Ah kadar çıkabilmektedir. 

Uçak sistemlerinde bataryaların ana kullanım alanları şunlardır: 

• Acil durumlarda temel uçuş enstrümanlarını ve radyo iletişim ekipmanlarını çalıştırmak için sınırlı miktarda güç sağlamak; motor veya APU çalıştırmak için gereken elektriği sağlamak.

• Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (INSnertial Navigation System) veya Ataletsel Referans Sistemi (IRSInertial Reference System) için acil durumlarda elektrik gücü vermek.

• Acil durum aydınlatması için güç sağlamak; yerdeyken ve ground power mevcut değilken, aviyonik ve diğer sistemleri beslemek.

IDG (Integrated Drive Generator)

Uçuş esnasında ana elektrik güç kaynağıdır. Eskiden hız sabitleme ünitesi (Constant Speed Drive) ve generator ayrı ayrı komponentler iken günümüzdeki uçaklarda her ikisi aynı komponente indirgenmiş ve Integrated Drive Generator adını almıştır. Dolayısıyla IDG, CSD ve Generatör bölümü tek bir komponent içinde olan ve uçak motorundan aldığı dönüyle elektrik üreten generatör olarak bilinir. IDG, motorda dişli kutusu (AGBAccessory Gear Box) üzerinde yer alır. 

Generator çıkışının genellikle 380 ila 420 Hz (±%5) arasında bir toleransla 400Hz nominal frekansa sahip olması esastır. Bu, motor ve generator arasında hidrolik olarak çalıştırılan bir sabit hızlı tahrik ünitesi kullanılarak motor çalışma hızı aralığı boyunca gerçekleştirilir.

Bir CSD, motor devrinden bağımsız olarak CSD çıkışı sabit olacak şekilde bağlanmış değişken bir hidrolik pompa ve motordan oluşur. Generatörün 400Hz’lik bir çıkışa sahip olması için sabit bir hız gereklidir. Birçok modern uçakta hem generatörü hem de CSD tek bir kompakt ünitede içeren entegre bir tahrik generatörü (lDGIntegrated Drive Generator) kullanılır. Bir generator veya CSD arızası durumunda, pilot herhangi bir hasarı önlemek için giriş milini tahrikten ayırabilir. Modern ticari uçaklarda her bir motorda bir tane generator bulunur. 

Uçaklarda generatörlerin başlıca görevleri; uçak elektrik sistemlerini beslemek, acil durumlarda ana sistemlere güç vermek ve bataryaları şarj etmek olarak tanımlanabilir. Öncelikli fonksiyonu motordan aldığı dönü hareketini yani mekanik enerjiyi (motor dönüşü) elektrik enerjisine dönüştürür. Böylece aviyonik sistemlere, aydınlatmaya, uçuş enstrümanlarına ve göstergelerine, yakıt pompalarına, uçuş kontrol sistemlerine ve kabin sistemlerine güç sağlar. Sisteme sabit 115V/200V AC, 400Hz 3 faz güç sağlar. Uçak bataryalarını (24V Ni-Cd) full şarjda tutar. Bataryalar, generatör arızası durumunda yedek güç görevi görür.

Bir generatör arızalanırsa, kalan generatör veya generatörler, sistemlere güç sağlamaya devam eder. Her ikisi de arızalanırsa örneğin A320’de RAT (Ram Air Turbine) düşer ve sisteme acil durumda enerji vermeye devam eder.

Kısaca tekrarlamak gerekirse IDG (entegre tahrik jeneratörü), uçak için elektrik sağlayan bir elektrik generatörüdür. IDG, tüm uçak sistemleri için elektrik gücü sağlar. Bir generatör ve bir sabit hız sürücüsünden (CSD) oluşur. Generatör, uçak motorlarının kinetik enerjisini kullanır ve bunu elektrik enerjisine dönüştürür. CSD, motorun değişken hızını generatör için sabit bir dönüş hızına dönüştürür. Böylece, generatör uçak elektrik sistemine sabit bir frekans sağlayabilir. 

Hidrolik bir sıvı olan yağ, IDG’nin hayati bileşenlerinden biridir. Yağ, soğutma ve yağlama için kullanılır ve ayrıca CSD tarafından generatörün dönüş hızını mekanik olarak düzenlemek için kullanılır. IDG, motordaki AGB tarafından tahrik edilir. IDG’ye motor fan cowl üzerinden erişilebilir. IDG’nin verimliliği ve güvenilirliği kullanılan yağın temizliğine ve doğru miktarda servis edilmesine bağlıdır. 

Yağ seviyesi, yağ seviyesini gösteren gözetleme camı ile kontrol edilir. IDG’ye yağ servisi yaparken sol veya sağ motor olmasına dikkat edilmelidir. Yağın su veya toz ile kirlenmesi, filtrenin erken tıkanmasına ve aşırı ısınma durumuna neden olabilir. Yağ kutuları ve aletleri temiz, kuru bir ortamda tutulmalıdır. IDG’ye bakım yaparken yeni bir kutu yağ kullanılması tercih edilir. Tüm bakım ve onarım faaliyetlerinde olduğu gibi IDG’nin servis, söküm-takım ve test işlemlerinde biricik başvuru kaynağımız Uçak Bakımı El Kitaplarımızdır. 

Yağın aşırı ısınması veya yağ basıncının düşmesi durumunda, amber renkli IDG FAULT ışığı yanar ve ECAM/EICAS sistemi tetiklenir. IDG’yi dişli kutusundan (AGB- Accessory Gear Box) ayırmak için IDG butonuna basılmalıdır. IDG’yi sistemden ayırmak için kullanılan kokpit elektrik panelindeki switch, kırmızı renkte korumalı bir switchtir ve emniyet teli ile bağlanmıştır. Bunun sebebi uçuş sırasında IDG diskonnekt edildiği zaman geri alınamaz. Tahrik mili kavrama tertibatının hasar görmesini önlemek için sistem yalnızca motorlar kapalıyken yerde yeniden bağlanabilir, yani resetleme işi yerde yapılır.  IDG’ye takılan mekanik bir reset kolu (halka) motor yerde sabitken sistemin yeniden bağlanmasını sağlar.

APU (Auxiliary Power Unit) 

APU generatörü (90 kVA), APU çalışır durumda olduğu sürece IDG’lerin her ikisinin de arızalanması durumunda havada sistemlere güç sağlar. Yardımcı Güç Ünitesi (APU), Boeing 737NG ve Airbus A320 gibi ticari uçakların kuyruğunda bulunan küçük bir gaz türbini motorudur. Ana motorlar kapalı olduğunda veya kullanılamadığında elektrik gücü ve pnömatik (hava) kaynağı sağlar. Aynı IDG örneğinde olduğu gibi 90kVA, 115V/200V AC 400Hz güç ve elektrik parametrelerine sahiptir. 

Uçuş fazlarına bağlı olarak APU’nun kullanım fonksiyonları değişiklik gösterebilir. Motor çalıştırılmadan önce aviyonikler, aydınlatma ve sistemler için güç sağlar. Yerdeyken motor çalıştırma için bleed havası ve kabin için air condition (iklimlendirme) havası sağlar. Yerdeyken (ground power bağlı değilken) uçağa elektrik gücü sağlar. Uçuşta (acil durum meydana geldiğinde) her iki motor generatörü arızalanırsa yedek güç olarak devreye girer. APU normalde motor çalıştırıldıktan sonra yakıt tasarrufu için kapatılır. 

Yardımcı Güç Ünitesi (APU) yüksek EGT (Exhaust Gas Temperature), yangın veya diğer tehlikeli durumlarda uçağı korumak için bir acil kapatma sistemine sahiptir. Kritik bir sorun tespit edilirse, APU ya otomatik olarak kapanır ya da manuel olarak uçuş ekibi tarafından kokpitten, ya da bakım esnasında uçak bakım teknisyenleri tarafından APU emergency handle çekilerek kapatılır. Uçuş sırasında, APU yangını varsa otomatik olarak kapanmaz; pilotların manuel olarak kapatması gerekir. 

RAT (Ram Air Turbine)

Ram Air Turbine (RAT), Airbus A320 gibi ticari uçaklarda bulunan bir acil durum güç kaynağıdır. Tam bir güç kesintisi durumunda (hem motor generatörlerinin hem de APU’nun kaybı) yedek elektrik ve hidrolik güç sağlayan küçük bir çarpan hava türbinidir. Hem IDG’lerin hem de APU generatörünün arızalanması durumunda otomatik olarak devreye girer. Acil durumlarda elektrik gücü üretir, temel sistemlere AC veya DC gücü sağlar. Hidrolik basınç kaybedilirse sistemin ihtiyaç duyduğu hidrolik gücü sağlar ve böylece temel uçuş kontrol yüzeylerini çalışır durumda tutar. Acil durumlarda uçakların emniyetli bir şekilde inmesine olanak tanır. 

Genellikle uçağın kanat veya gövde altında bulunur, yay yükü ile açılır. 5kVA – 10 kVA arasında güç üretir. Boeing 737 serisi dar gövdeli uçaklarda (CL&NG&MAX) RAT bulunmaz; her iki motorun da arızalanması durumunda temel uçuş sistemlerini fonksiyonel tutmak için yedek güç olarak bataryalara ve APU’ya güvenir.

Harici Güç / Ground Power

Harici güç (veya yer gücü), bir uçağın sistemlerini yerdeyken çalıştırmak için sağlanan bir elektrik güç kaynağıdır. Bu sayede APU (Yardımcı Güç Ünitesi) veya motorların gereksiz yere yakıt tüketmesi önlenir. Boeing 737 serisinde harici güç kablosu, ön gövde sağ tarafında bulunan harici güç panelinden bağlanır. A320 serisi uçaklarda harici güç kablosu, burun gövdesi altından bağlanmaktadır. Havaalanındaki bir Yer Güç Ünitesinden (GPUGround Power Unit) veya Sabit Elektrik Yer Gücünden (FEGPFixed Electrical Ground Power) gelen 115V AC, 400Hz 3 faz güç kaynağıdır. Motor veya APU’daki generatörlerin görevini yerine getirir ve uçak elektrik sistemini besler. Uçak kapıda park halindeyken veya uçak bakım faaliyetlerinde kullanılır. APU kullanımını önleyerek yakıt tüketimini, emisyonları ve gürültüyü azaltır.

Bir Yer Güç Ünitesi (GPU) konnektöründe, bir uçağa emniyetli bir şekilde 115V AC, 400Hz güç sağlamak için altı pin bulunur. Bu pinler, elektrik gücü iletimi, topraklama ve kontrol için gereklidir: Üç Fazlı Güç (A, B, C Pinleri)Dengeli 115V AC, 400Hz gücü verimli bir şekilde sağlar. Nötr Kablo (Pin N)Elektrik devresi için bir dönüş yolu sağlar. Topraklama (Pin E)Elektrik şoklarını ve kısa devreleri önler.

Kilit (Interlock) Kontrolü (Pin F)Bağlantının yanlışlıkla kesilmesini veya ark olayını önler. Ayrıca bu pin, ground power kablosunun düzgün takılıp takılmadığının kontrolünü yapar. Takılmadığı durumlarda sisteme istenen elektrik gücünü sağlamaz.