ETSEIAT
El sistema eléctrico del
avión
Departament d’Enginyeria Elèctrica
1.1 Introducción
1:
El
sis
tema
eléctric
o
del
avión
Avionics = aviation electronicsEste termino fue utilizado al final de 1940s para identificar al equipamiento eléctrico y electrónico como el radar, radionavegación comunicaciones, etc.
Durante los 1970s empezaron los sistemas basados en microprocesadores. Por ejemplo, los sistemas de aviso de proximidad a tierra utilizaban ciertos sensores ya existentes en el avión como barómetros, velocidad vertical y radio altitud.
El continuo desarrollo e integración de los sistemas electrónicos, las comunicaciones de datos, ‘displays’, etc, han ofrecido un nuevo significado al término avionics.
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El objetivo principal del sistema eléctrico del avión es:“La generación, regulación y distribución de la energía eléctrica necesaria para cubrir todas las necesidades existentes a bordo del avión”.
Es importante destacar la gran dependencia que los aviones actuales tienen hoy en día del suministro eléctrico, ya que son muchos los elementos del avión que necesitan de electricidad para su correcto funcionamiento.
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El suministro eléctrico en el avión es necesario para: Instrumentos de vuelo, comunicaciones y accionamientos.
Sistemas esenciales del avión :
Aquellos sistemas que garantizan el vuelo y su seguridad.
Servicios a pasajeros:
Iluminación y confort en la cabina, sistemas de entretenimiento y lo necesario para la preparación de comida.
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En aeronáutica existe una premisa muy importante y que debe estar presente en el diseño de cualquier elemento que deba ir en el avión:“Se debe buscar la relación óptima entre el rendimiento, peso y tamaño de cualquier elemento que forme parte del avión”.
Como se verá más adelante, este aspecto se tiene muy en cuenta en los diferentes elementos que forman parte del sistema eléctrico.
Un concepto más reciente es el (MEA) more/all‐electric aircraft. En este concepto se trata la sustitución de los sistemas de transmisión mecánica, sistemas hidráulicos y sistemas neumáticos por sistemas eléctricos y electrónicos.
MEA
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1.1 Introducción: elementos
Generadores y motores eléctricos son ampliamente utilizados en aviones modernos.
En este módulo explicaremos los principios básicos de las máquinas eléctricas, su funcionamiento y su construcción mecánica.
También son utilizadas las baterías. En algunos aviones que utilizan corriente continua (DC) son la fuente primaria para sus sistemas eléctricos y electrónicos.
Baterías y generadores son fuentes primarias de energía eléctrica. Inversores y
transformadores con rectificadores (TRU) son fuentes secundarias de potencia.
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La energía eléctrica puede ser en forma de corriente continua (DC) y corrientealterna (AC) de acuerdo con los requisitos de los sistemas.
Según el tipo de generador, estos pueden generar corriente continua (DC) o corriente alterna (AC). Las salida del generador necesita ser regulada (por ejemplo, amplitud, frecuencia, etc.).
Los inversores son utilizados para convertir corriente continua (DC) en corriente alterna (AC). La corriente continua, a veces, es obtenida de las baterías.
Los Transformer Rectifier Units (TRU) convierten de AC a DC. Estos son usualmente utilizados para cargar baterías a partir de generadores de corriente alterna AC.
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En algunas instalaciones, los transformadores son utilizados para convertir AC a AC.Por ejemplo reducir de 115 V a 26 V AC.
Adicionalmente, los sistemas de abordo tienen la facilidad de conectarse a una fuente de potencia externa durante el servicio o mantenimiento.
La fuente auxiliar de potencia (APU) es utilizada normalmente para el arranque de los motores principales del avión. La APU también puede proveer de energía eléctrica cuando el avión se halla en tierra.
En caso de fallo/s de los generadores, la energía eléctrica puede ser producida por el
RAT (Ram Air Turbine).
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La operación segura y económica del avión depende cada vez más de los sistemas eléctricos y electrónicos. Estos sistemas se hallan todos interconectados.
Una de las consecuencias de los sistemas eléctricos y electrónicos es la posibilidad de crear perturbaciones o interferencias. Pero también un equipo/sistema eléctrico y electrónico debe tener cierto nivel de inmunidad. El término EMI trata la
Electromagnetic Interference mientras que el término EMC (Electromagnetic
compatibility) trata la compatibilidad electromagnética.
Las interferencias pueden ser conducidas por los conductores o radiadas mediante campos electromagnéticos‐
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Los valores de los parámetros de tensión a los que se realiza el suministro eléctrico de los diferentes sistemas del avión difiere de manera muy significativa de los niveles empleados en instalaciones de tierra. La generación y distribución de la tensión que debe alimentar los sistemas del avión puede realizarse tanto en continua (DC) como en alterna (AC). También pueden existir sistemas mixtos.
En la actualidad, los grandes aviones civiles disponen de generación con sistemas trifásicos, debido a las grandes ventajas que aportan. La generación en continua (DC) todavía existe en pequeños aviones civiles y en algunos aviones militares.
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La generación en CC (DC) se realiza con una tensión nominal de 28 V. En AC, la generación se realiza con valores de tensión nominal de 115 V fase (220 V
de linea). La diferencia más importante se encuentra en la frecuencia, que es de 400 Hz.
Desde el punto de vista de consumo, se admite que estas tensiones puedan oscilar dentro de unos márgenes especificados. La norma MIL‐STD‐704E y la ISO 1540 – 1984 (F) definen las tensiones que se pueden utilizar en los aviones y los valores aceptados.
Un valor de tensión muy utilizado en el interior del avión es el de 26 V AC a 400 Hz, para la iluminación en cabina.
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En aviones militares de última generación se empiezan a utilizar tensiones de 270 V DC. Este nivel de tensión se obtiene a partir de las tensiones trifásicas generadas por los alternadores. La ventaja de trabajar con tensiones más elevadas es que permite reducir la sección del cableado y de otros equipos. Ello tiene un reflejo directo en la disminución del peso.
El hecho de trabajar con tensiones más elevadas lleva asociado otra problemática que, de momento, lo desaconseja en aviones civiles.
S
V I
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Todos los sistemas que trabajan con DC, tienen su terminal negativo conectado a laestructura del avión. De esta forma, la estructura se convierte en el conductor de
retorno y se ahorra un conductor por equipo.
De forma similar ocurre con los sistemas que trabajan con AC. La estructura del
avión hace la función de conductor de neutro. Nuevamente se consigue un ahorro en
los conductores necesarios para distribuir la energía eléctrica.
Los equipos que trabajan con AC monofásica (115 V), se alimentan entre una fase y neutro. Los equipos monofásicos que necesitan tensiones de 200 V se alimentan entre dos fases.
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A continuación se muestran los valores permitidos para los diferentes parámetros de las tensiones más comunes utilizadas en aeronáutica:DC MIL – STD‐ 740E ISO 1540 – 1984 (F)
Tensión Rizado Tensión Rizado
Normal 22 ‐29 V
1,5 V
24 – 29 V
2 V
Emergencia 18 – 29 V 18 – 29 V
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AC MIL – STD‐ 740E ISO 1540 – 1984 (F)Normal Normal Emergencia
Tensión de fase Cada fase 108 – 118 V 108 – 118 V 104 – 122 V Valor medio 109,5 – 116,5 V 106 – 120 V Frecuencia 393 – 407 Hz 380 – 420 Hz 360 – 440 Hz Desequilibrio entre fases 3 V 3 V 4 V Desfase entre fases 116 – 124º 118 – 122 º Factor de Pico 1,31 – 1,51 1,31 – 1,51 Distorsión Armónica max. 5 % 5 % (armónicos < 4% fund.) max / ef V V
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La Pmedia es 1cos(
dc dc n n vn in)
nP
V I
V I
De la misma forma, Qmedia 1sin(
)
n n vn in nQ
V I
2 2 2 2 0 0 1 1 n m n mS V I
V
V
I
I
Si trabajamos con valores eficaces:
La potencia aparente
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En estas condiciones, el factor de potencia queda: 2 2 2. .
P
P
cos
F P
S
P
Q
D
activa desfase armónicos
2 2 1
%
100
n n n II
THD
I
Indicador del efecto total de las componentes armónicas: Tasa Total Armónica se expresa en % Indicador de la importancia individual de cada armónico: Tasa de distorsión se expresa en % 1100
n nI
TD
I
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Existe normativa específica respecto a las condiciones severas de funcionamientoque deben soportar los equipos eléctricos del avión. Esta normativa también define los ensayos que deben aplicarse a los equipos para validarlos.
MIL – STD‐ 810
“Enviromental test methods and engineering guidelines” Temperaturas extremas y fuertes gradientes.
Altos niveles de humedad.
Ambientes salinos, con polvo y arena. Entornos agresivos.
Atmósfera con baja densidad de aire.
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A continuación se muestra la potencia instalada en algunos aviones comerciales actuales: Airbus A 320: 3 alternadores trifásicos de 90 kVA/400 Hz. 1 alternador trifásico de emergencia de 5 kVA/400 Hz. Airbus A 340: 4 alternadores trifásicos de 75 kVA/400 Hz y uno de 115 kVA/400 Hz. 1 alternador trifásico de emergencia de 5,5 kVA/400 Hz.El sistema eléctrico del avión
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Boeing 747: 6 generadores trifásicos: 4 de 60 kVA y 2 de 90 kVA. Todos a 400 Hz. Boeing 777: 3 generadores trifásicos de 120 kVA/400 Hz. 3 generadores trifásicos de emergencia: 2 de 20 kVA a frecuencia variable y 1 de 7 kVA/400 Hz. Airbus A 380: 4 generadores trifásicos de 150 kVA a frecuencia variable (370 – 770 Hz). 2 generadores trifásicos de 120 kVA/400 Hz y un generador de emergencia de 70 kVA/400 Hz.El sistema eléctrico del avión
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A continuación se citan algunas de las normas más relevantes y que son deaplicación sobre los diferentes elementos del sistema eléctrico del avión:
MIL‐STD‐704E– “Aircraft electric power characteristics”.
MIL‐E‐7016F– “Analysis of Aircraft Electric Load and Power Source Capacity”.
MIL‐STD‐810C– “Enviromental test methods and engineering guidelines”.
MIL‐W‐5088L – “Wiring. Aerospace vehicle”
ISO 1540 – “Aerospace – Characteristics of aircraft electrical system”.
MIL‐STD‐1757A– “Lightning Qualification Test Techniques for Aerospace Vehicles and Hardware”.
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Los diferentes aspectos de los sistemas eléctricos en aeronaves hacen referencia de manera constante a las normativas (standards) internacionales como: SAE‐ARP‐AS‐ AMS, EUROCAE, RTCA, ISO, MIL‐STD, entre otras.
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(Módulo 1)1.1 Introducción: Organizaciones
Organizaciones
Normalización
Fabricantes Certificadoras
Algunas certificadoras:
EASA: European Aviation Safety Agency FAA: Federal Aviation Administration
