Suministro eléctrico (ATA 24)

La corriente continua tiene problemas como la dificultad de transformación de tensión, hacían que las corrientes fuesen elevadas y la sección de los conductores y su peso mayor. El peso influyen los consumos y en la rentabilidad. El problema se resolvió elevando la tensión de trabajo con corriente alterna que permite fácil transformación de tensión.

Generación

-Fuentes principales: generadores movidos por los motores o el rotor principal del helicóptero. Dinamos, alternadores con salida rectificada para corriente continua, y alternadores de corriente alterna.

-Fuentes secundarias: alimentan a la aeronave en tierra o en emergencia. Compuesto por baterías, generador APU, generador auxiliar de la turbina (RAT), y la potencia exterior en tierra (GPU).

-Subsistema de conversión: transforma la energía de AC a DC o viceversa. Transformadores, rectificadores, inversores estáticos y dinámicos.

Distribución de energía

Por barras o láminas de un material conductor de gran sección a los que se conectan los posibles. Alimentan y controlan la energía. Las barras de energía están jerarquizadas: barras de alterna y continua, barra de servicio en tierra, barras esenciales, y barra caliente. Tienen jerarquía de importancia en función de los equipos que se conectan a ellas sean o no esenciales para la seguridad.

Subsistema de control, indicación y protecciones.

Control automático, regulación del sistema, conjunto de indicadores y selectores de cabina, que activan o desactivan el sistema eléctrico. También hay circuitos que protegen al sistema, desconectando los circuitos. Protecciones:

-OV- sobretensión -UV- baja tensión

-UF -baja frecuencia -DP -protección diferencial

-UE -baja excitación -OE -sobre excitación

Esquema y presentación de los circuitos

-Esquemático: se presentan de forma funcional. Incluyen los componentes significativos que los integran. Los cables se representan de forma unifilar. No entran en detalles de los componentes.

-Wirring diagram manual: se presentan con todo detalle los conductores del sistema, código de identificación y características.

Funcionamiento de los generadores

Menor peso pero capaces de aportar una gran energía. Se traduce en aumentos de temperatura que son compensados por ventilación forzada. La temperatura que afecta una aeronave va desde -55 °C a 50 °C. Puede provocar fracturas en los componentes eléctricos. La humedad es otro factor importante, da lugar a oxidación es por condensación de agua y a moho en la funda de los cables. La ausencia de humedad provoca el desgaste excesivo de las escobillas. Los derrames de fluidos, combustibles, hidráulico, provoca degradación química como en ambientes salinos. La disminución de la densidad del aire hace disminuir la refrigeración compensada por una disminución de temperatura (excepto a partir de 18,000 pies). Se aprovecha el aire de impacto.

Valores de tensiones empleadas en aviación

La característica fundamental de las fuentes de energía es que mantenga un valor constante tensión. Las Dinamos se conectan en paralelo. Se usan generadores trifásico dos de corriente alterna y la corriente continua se obtiene de transformadores rectificadoras (TR) que transforman corriente alterna en corriente continua rectificada y filtrada. La corriente continúan creada en aviación es de 24 VCC o 28 VCC. Para potencias elevadas la sección de los cables es grande y también su peso la estructura del avión forma terminal negativo de CC.

Los generadores de corriente alterna trifásica suministran 115/200VAC (115 interfase y neutro y 200 entre fases) la disposición es de estrella y el neutro se conecta la estructura.

Cuando la frecuencia aumenta en los transformadores el rendimiento aumentaba y permitirá reducir los núcleos y la reducción de peso pero al aumentar la frecuencia a partir de cierto nivel los cables comenzaban a rabiar provocando interferencias. La frecuencia en la que la pérdida de peso es óptima sin llegar a radiación son 400 Hz. Los valores de tensiones deben estar dentro ciertos márgenes.

Acoplamiento de generadores

Los generadores se conecta mecánicamente a los motores. Cuando las potencias no son muy elevadas se realiza mediante poleas para mediana y gran potencia se recurre a cajas de engranajes o ejes rígidos. Con transmisiones mecánicas directas se usa un eje estriado macho/hembra que tiene un punto de debilidad llamado "eje fungible ".

Generadores con excitación en derivación (paralelo).

Se usan en generadores de corriente continua. Se inician por magnetismo remanente, existe un campo magnético débil. En derivación al devanado de excitación y el inducido del generador se conectan en paralelo. La inpedancia del devanado excitador es muy elevada y a cerrar el circuito la mayor parte de la corriente atraviesa el inducido. Un generador en derivación tendrá tensión en bordes sin carga conectada a el.

Cuando hacemos girar el generador se genera en el inducido una pequeña tensión debido al magnetismo remanente. La tensión en el rotor está también aplicada a la bobina excitadora. Esto hace que comience a circular una pequeña corriente de excitación que posibilita un aumento del campo magnético y por tanto un aumento de tensión generada. Se auto alimenta hasta alcanzar tensión nominal. Cuando aumentamos la corriente por un aumento de cargas la tensión de este cae bruscamente hasta 0 V y la excitación desaparece.

Generadores con excitación en serie

La bobina excitador a se conecta en continuidad con el inducido. Cuando comienza el giro aparece en los extremos del inducido una pequeña tensión por el magnetismo remanente. Pero mientras no tengamos cargas conectadas no tendremos tensión en bordes.

La bobina excitador a es un hilo de sección grueso y baja resistencia. Si la aumentamos las cargas, la tensión en bordes se mantendrá cuanta mayor sea la corriente que entrega, mayor será el campo magnético creado por la bobina excitador. Si las cargas superasen los límites, se podría deteriorar el generador porque mantendrá la tensión de salida. Por ello usan protecciones de intensidad que no dejan aumentar la corriente de forma descontrolada.

Generadores con excitación compuesta.

Combinación de serie y paralelo. Al tener excitación en paralelo, la tensión en bordes aparece desde el momento que comienza a girar. La excitación en serie evita la caída de tensión por el aumento de la corriente entregada por el generador. Este diseño se utiliza siempre que la aeronave lo permite.

Regulación de tensión

Es necesario mantener una tensión estable independientemente de las cargas controlando la aportación de corriente de excitación. Si la tensión de salida aumentase el regulador disminuiría la corriente de excitación y la tensión de salida sería menor. En caso de disminución de la tensión el funcionamiento sería el inverso.

Regulador de tensión elemental: potenció metro que varía el nivel de la tensión en la salida del generador.

Regulación de contacto oscilante: el control de la tensión de salida se consigue por un dispositivo que interrumpe cíclicamente la corriente de excitación. La corriente de excitación tiene que atravesar una resistencia por lo que disminuye.

Regulador de pila de carbón

El disco de carbón es un material conductor, pero con una resistencia interna superior a la de un material conductor. Los discos de carbón varían su resistencia según la presión que ejercen unos contra otros. Los discos introducen en un cilindro de material cerámico con una estructura metálica ventilada para disipar el calor. El muelle que presiona los discos de regulado mediante un tornillo. La pila de carbón se conecta la salida del generador y en serie con la bobina excitador en el solenoide, un extremo se conecta la salida del generador y el otro más. Es un dispositivo que varía la corriente de excitación.

Regulador de voltaje transistorizado: actúa sobre un alternador trifásico de excitación externa de salida rectificada conectado a la barra a través de un relee.

Relee de corriente inversa

El generador de corriente continua se conecta una/por medio de un relee de corriente inversa que obliga el sentido de la corriente del generador sea hacia la barra. Al estar dos fuentes de alimentación conectadas a una barra una puede tener una baja tensión, y la corriente tenderá a circular en sentido contrario que podría destruir el propio generador.

Generadores de CC en paralelo

Los generadores de CC montan sus salidas en conexión paralelo. Sus tensiones de salida serán iguales y el reparto de las cargas será equilibrado. Por ello se emplean lazos ecualizadores.

Ecualizacion de cargas

La resistencia R2, es simétrica a la R1, y la tensión es función de la corriente que el generador entrega la barra. La caída de tensión en la resistencia R1 y R2 será la misma y la corriente que circulará a través de las bobinas L1 y L2 será nula(diferencia entre extremos es cero). El generador uno entrega una corriente superior al número dos en la resistencia R1 caerá una tensión superior a la de la resistencia R2. Entre los extremos de las bobinas L1 y L2 existirá una diferencia de potencial y circulará una corriente en ambas bobinas. Esta corriente se usarán los reguladores de tensión para equilibrar las tensiones.

Baterías

Son dispositivos de reserva de energía si se produce un fallo de las fuentes de generación principales y auxiliares. También se usan para puesta en marcha de motores principales o motor de potencia auxiliar APU. Se usan de plomo y de níquel/cadmio.

- NI/CA admiten una tensión de carga superior a las de PB.

-En carga y descarga las baterías de PB emiten gases peligrosos.

-Las baterías de NI/CA tienen una vida útil más elevada.

-Las baterías de NI/CA admiten picos de corriente.

-El tiempo de descarga de NI/CA es muy bajo.

-Durante el almacenamiento las baterías de plomo se descargan más que las de NI/CA.

-La tensión en bordes de la batería durante la descarga se mantiene estable en NI/CA.

Ubicación del baterías

Están próximas a las barras de corriente continua, en la zona del compartimento eléctrico y con fácil acceso. La zona tiene que estar ventilada por aire forzado si fuese necesario. Situado en zonas lejos de instalaciones hidráulicas o combustible. La fijación de la estructura será firme. La conexión es mediante un enchufe especial de alta fiabilidad y baja resistencia de contacto. Se conecta girando un manera al que arroja un tornillo. El manera se frena con un alambre fusible.

Influencia de la temperatura en baterías

El inconveniente de baterías NI/CD es la temperatura en la carga. Si aumenta, absorberá una cantidad de corriente mayor. Estos fenómenos se auto alimenta y traen como consecuencia desbordamiento térmico que hará que el electrólito entre en ebullición, se fundan los vasos y se produzca desprendimiento de gases tóxicos. Para evitarlo se montan sensores térmicos que cortan la carga o bien la limitan.

Comprobación de la carga

La comprobación en baterías de plomo se produce midiendo la densidad del electrólito ya que la concentración de ácido disuelto varía en función de la carga de esta. En las baterías de NI/CD electrólito permanece inalterable. Hay que observar la corriente de

carga, descargada la corriente de carga será elevada e irá disminuyendo conforme la carga sea mayor. A 1 A se considera la batería cargada.

Transformadores de intensidad

El transformador de intensidad está formado por una bobina de gran cantidad de espiras de poca sección, por cuyo centro se hace pasar un cable primario. Por este circula una intensidad normalmente alta de corriente alterna la cual se pretende medir. Se genera una tensión en el bobinado secundario que es función de la intensidad de corriente alterna que circula por el cable primario. Factores determinantes para la tensión: la corriente que circula por el cable central primario y el número de espiras que forman el bobinado secundario.

Inversor estático: son los más utilizados por fiabilidad, bajo coste, mínimo mantenimiento y bajo peso. Está basado en que una onda cuadrada es la combinación de una serie de armónicos. Si se manipulan se puede obtener una onda senoidal.

La alimentación es de corriente continua y pasa por unos filtros y entra al conformador de onda cuadrada de aquí pasa un conformado por impulsos que le da la anchura correspondiente a un periodo de 400 Hz. La señal pasa un filtro donde se eliminan los armónicos impares quedando sólo los armónicos pares, cuya suma da como resultado una onda senoidal.

Generador de frecuencia variable

En pequeños aviones la frecuencia no es constante, depende de las revoluciones. La energía sólo puede utilizarse en anti hielo y alimentación de galleys, pero no en equipos de navegación. Los alternadores de frecuencia variable no son autoexcitados por magnetismo remanente. Cuando inician el giro, una fuente de corriente continua proporciona la excitación. Una vez está girando, un circuito rectificador auto excitado al alternador a través del regulador de voltaje.

Transformadores y auto transformadores

El transformador está constituido por un núcleo metálico de hierro dulce laminado, con espiras de hilo de los circuitos eléctricos, el primario se conecta a la fuente de energía y el secundario al que se induce la tensión. El núcleo está formado por láminas para evitar calentamiento debido a las corrientes de focault. Son elementos estáticos, y se basan en la capacidad de la corriente eléctrica de producir inducción. Se mueve el campo magnético, es variable dependiendo de la frecuencia. En el secundario se inducirá una tensión producto del corte de líneas de fuerza. La fuerza electromotriz inducida en el secundario está en función de la variación del flujo por unidad de tiempo.

La fuerza electromotriz que se induce es proporcional al número de espiras del primario respecto al secundario. Relación de transformación. La frecuencia no cambia.

Auto transformadores

Cuando las potencias a transferir no sean muy elevadas, se usan transformadores de un solo bobinado dividido. El bobinado es compartido por el primario y el secundario. Reducen pérdidas por calentamiento y tienen mejor factor de acoplamiento magnético. Es un elemento reversible.

Inversor dinámico

Transforma CC en CA. Están compuestos de un alternador movido por un motor de corriente continua y sus controles. La salida del bobinado puede ser monofásico o trifásica 115 VCA. La frecuencia depende de la revoluciones de giro, 400 Hz.

La regulación de la velocidad del motor de CC se produce por control de la excitación del motor. Un aumento de frecuencia en el alternador, es un aumento de la tensión de salida. Si aumenta la carga en el generador caerán las vueltas y como consecuencia habrá una disminución en la tensión de salida del alternador. La pila de carbón aumentará la corriente de situación del motor y aumentarán las vueltas compensando la caída.

Regulación de tensión

La tensión de salida está en función de la corriente de excitación. Esta se regulan mediante un regulador de pila de carbón. Cuando aumenta la carga del alternador se provocó una caída de tensión en el mismo y una disminución de la intensidad de la bobina del regulador. La corriente de excitación del alternador aumenta aumentando la tensión de salida.

Sistemas eléctricos helicóptero

Tiene valores de 28 VCC, 115 VAC y 28 VAC. Las fuentes de generación principal de energía: generador principal, generador auxiliar, batería y GPU. Las fuentes de generación secundaria: inversores y autotransformadores. Las barras de distribución de energía eléctrica:BARRAS principal, esencial, no esencial, de 115 VAC y de 28 VAC.

La batería es fuente primaria de alimentación del helicóptero y de emergencia. Es de níquel cadmio a 24 VCC.

La GPU se usa para funcionamiento de los sistemas eléctricos en tierra, mantenimiento y para carga de batería.

El generador principal es un generador autoexcitado compuesto de 30 VCC y 300 A y alimenta las barras de CC del helicóptero. Van granado en la transmisión del rotor principal.

El generador auxiliar y motor de arranque es un generador excitado en SHUNT y es movido por la caja de engranajes del motor. Funciona como motor de arranque cuando es excitado por la bobina en serie y una vez que está en marcha opera como generador auxiliar aportando 30 VCC y 300 A.

La corriente alterna de 115 VAC es producida por inversores dinámicos alimentados por la barra de CC.

Corriente alterna de 28 VAC producida por un transformador que se alimenta de una barra de 115 VAC y proporciona una salida de 28 VAC a 400 Hz para equipos de navegación.

Funcionamiento

La batería es de 24 VCC con capacidad de 34 Ah. Para la carga se conecta a una fuente de 28 VCC de la barra principal. Para comprobar la carga de la batería se lee la intensidad de carga de la misma. Cuanto mayor sea la intensidad de carga, más bajos era el estado de la carga. A 1 A la batería estará cargada.

Por un conector situado en la parte trasera izquierda del helicóptero se conecta la GPU. Los contactos de alimentación positivo y negativo, son largos. El tercer contacto de activación del relee, es más corto, cuando hace contacto activa del relee de la GPU.

El generador principal, es un generador autoexcitado movido por el rotor del helicóptero. Alimenta la barra principal y al esencial cuando su pensión de salida excede en 0.5 V a la fuente que alimenta esa misma barra. El relee de corriente inversa conecta generador a las barras.

El generador auxiliar es movido por el motor o a través de la caja de engranajes, según actúe como generador o como motor. La tensión del generador auxiliar está regulada para que esté 1 V por debajo de la del generador principal. Como generador de excitación entra por el bobinado paralelo. Como motor la alimentación se realiza a través del bobinado en serie.

El subsistema de corriente alterna del helicóptero está compuesto por dos inversores, tres barras de distribución y un autotransformador. Los inversores son dinámicos de salida trifásica en triángulo y con una de las fases amasa. Los inversores se alimentan de la barra esencial. El autotransformador alimenta la barra de 28 VAC.

CDS “constant speed drive”

Es una unidad hidromecánica que aumenta o disminuye la revoluciones transmitidas desde el motor al generador con el fin de mantener en el una revoluciones constantes.

Está constituida por una unidad diferencial, una unidad hidráulica fija y otra hidráulica variable con sus controles.

Turbina de aire que de impacto (RAT)

Está situada en el alojamiento del tren de aterrizaje principal, en caso de emergencia eléctrica, el actuador hidráulico del sistema alimentado por el sistema hidráulico azul extrae la RAT por orden de los pilotos. Su hélice empieza a girar y alimenta de presión hidráulica el sistema azul y el flujo hidráulico arrastra el generador de AC de emergencia. La velocidad se regula mediante una servoválvula y una válvula de control solenoide y de integrada en el motor. Trifásico 115/200 V -400 Hz a 12,000 rpm.

Servicio en tierra AC/CC: el avión puede ser en el registrado en tierra por la CPU o por la APU. La energía externa, GPU tiene prioridad sobre la APU.

Conector trifásico de 6 contactos, macho en el avión (A,B,C,N, E y F).

Conector de continua 3 contactos (positivo, negativo y relee).

Configuración de distribución eléctrica básica

La principal diferencia para diseño radica en el número de motores.

Sistema de distribución de barra partida (2 motores)

Distribución de barras en paralelo (3 motores)

Distribución de barra partida modificado (4 motores)