el sistema eléctrico del avión i inst… · el continuo desarrollo e integración de los sistemas...
TRANSCRIPT
ETSEIAT
El sistema eléctrico del avión
Departament d’Enginyeria Elèctrica
1.1 Introducción
Última revisión: 20130202
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
Avionics = aviation electronics
Este termino fue utilizado al final de 1940s para identificar al equipamiento eléctricoy electrónico como el radar, radionavegación comunicaciones, etc.
Durante los 1970s empezaron los sistemas basados en microprocesadores. Porejemplo, los sistemas de aviso de proximidad a tierra utilizaban ciertos sensores yaexistentes en el avión como barómetros, velocidad vertical y radio altitud.
El continuo desarrollo e integración de los sistemas electrónicos, las comunicacionesde datos, ‘displays’, etc, han ofrecido un nuevo significado al término avionics.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: aviónica
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
El objetivo principal del sistema eléctrico del avión es:
“La generación, regulación y distribución de la energía eléctrica necesaria paracubrir todas las necesidades existentes a bordo del avión”.
Es importante destacar la gran dependencia que los aviones actuales tienen hoyen día del suministro eléctrico, ya que son muchos los elementos del avión quenecesitan de electricidad para su correcto funcionamiento.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: sistema eléctrico
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 lonecesario para la preparación de comida.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: sistema eléctrico
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
En aeronáutica existe una premisa muy importante y que debe estar presenteen el diseño de cualquier elemento que deba ir en el avión:
“Se debe buscar la relación óptima entre el rendimiento, peso y tamaño decualquier elemento que forme parte del avión”.
Como se verá más adelante, este aspecto se tiene muy en cuenta en losdiferentes elementos que forman parte del sistema eléctrico.
Un concepto más reciente es el (MEA) more/all‐electric aircraft. En esteconcepto se trata la sustitución de los sistemas de transmisión mecánica, sistemashidráulicos y sistemas neumáticos por sistemas eléctricos y electrónicos.
MEA
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: sistema eléctrico
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión 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, sufuncionamiento y su construcción mecánica.
También son utilizadas las baterías. En algunos aviones que utilizan corrientecontinua (DC) son la fuente primaria para sus sistemas eléctricos y electrónicos.
Baterías y generadores son fuentes primarias de energía eléctrica. Inversores ytransformadores con rectificadores (TRU) son fuentes secundarias de potencia.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 corrientealterna (AC). Las salida del generador necesita ser regulada (por ejemplo, amplitud,frecuencia, etc.).
Los inversores son utilizados para convertir corriente continua (DC) en corrientealterna (AC). La corriente continua, a veces, es obtenida de las baterías.
Los Transformer Rectifier Units (TRU) convierten de AC a DC. Estos son usualmenteutilizados para cargar baterías a partir de generadores de corriente alterna AC.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: elementos
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 unafuente de potencia externa durante el servicio o mantenimiento.
La fuente auxiliar de potencia (APU) es utilizada normalmente para el arranque delos motores principales del avión. La APU también puede proveer de energía eléctricacuando el avión se halla en tierra.
En caso de fallo/s de los generadores, la energía eléctrica puede ser producida por elRAT (Ram Air Turbine).
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: elementos
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
La operación segura y económica del avión depende cada vez más de los sistemaseléctricos y electrónicos. Estos sistemas se hallan todos interconectados.
Una de las consecuencias de los sistemas eléctricos y electrónicos es la posibilidad decrear perturbaciones o interferencias. Pero también un equipo/sistema eléctrico yelectrónico debe tener cierto nivel de inmunidad. El término EMI trata laElectromagnetic Interference mientras que el término EMC (Electromagneticcompatibility) trata la compatibilidad electromagnética.
Las interferencias pueden ser conducidas por los conductores o radiadas mediantecampos electromagnéticos‐
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: EMC
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
Los valores de los parámetros de tensión a los que se realiza el suministro eléctricode los diferentes sistemas del avión difiere de manera muy significativa de los nivelesempleados en instalaciones de tierra.
La generación y distribución de la tensión que debe alimentar los sistemas del aviónpuede realizarse tanto en continua (DC) como en alterna (AC). También pueden existirsistemas mixtos.
En la actualidad, los grandes aviones civiles disponen de generación con sistemastrifásicos, debido a las grandes ventajas que aportan. La generación en continua (DC)todavía existe en pequeños aviones civiles y en algunos aviones militares.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 Vde linea). La diferencia más importante se encuentra en la frecuencia, que es de 400Hz.
Desde el punto de vista de consumo, se admite que estas tensiones puedan oscilardentro 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.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
En aviones militares de última generación se empiezan a utilizar tensiones de 270 VDC. Este nivel de tensión se obtiene a partir de las tensiones trifásicas generadas porlos alternadores.
La ventaja de trabajar con tensiones más elevadas es que permite reducir la seccióndel cableado y de otros equipos. Ello tiene un reflejo directo en la disminución delpeso.
El hecho de trabajar con tensiones más elevadas lleva asociado otra problemáticaque, de momento, lo desaconseja en aviones civiles.
S V I
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 deretorno y se ahorra un conductor por equipo.
De forma similar ocurre con los sistemas que trabajan con AC. La estructura delavión hace la función de conductor de neutro. Nuevamente se consigue un ahorro enlos conductores necesarios para distribuir la energía eléctrica.
Los equipos que trabajan con AC monofásica (115 V), se alimentan entre una fase yneutro. Los equipos monofásicos que necesitan tensiones de 200 V se alimentan entredos fases.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
A continuación se muestran los valores permitidos para los diferentes parámetrosde las tensiones más comunes utilizadas en aeronáutica:
DCMIL – STD‐ 740E ISO 1540 – 1984 (F)
Tensión Rizado Tensión Rizado
Normal 22 ‐29 V1,5 V
24 – 29 V2 V
Emergencia 18 – 29 V 18 – 29 V
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
ACMIL – STD‐ 740E ISO 1540 – 1984 (F)
Normal Normal Emergencia
Tensión de fase
Cada fase
108 – 118 V108 – 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 Pico1,31 – 1,51 1,31 – 1,51
Distorsión Armónica max. 5 % 5 % (armónicos < 4% fund.)
Componente DC 0,1 V ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
max / efV V
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: características de la generación
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
La Pmedia es1
cos( )dc dc n n vn inn
P V I V I
De la misma forma, Qmedia1
sin( )n n vn inn
Q V I
2 2 2 20 0
1 1n m
n mS V I V V I I
Si trabajamos con valores eficaces:
La potencia aparente
2 2 2D S P Q En presencia de armónicos se define la potencia deformante (o de distorsión)
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: definiciones
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
En estas condiciones, el factor de potencia queda:
2 2 2. . cosP PF P
S P Q D
activa desfase armónicos
2
2
1
% 100
n
nn
I
ITHD
I
Indicador del efecto total de las componentes armónicas:
Tasa Total Armónicase expresa en %
Indicador de la importancia individualde cada armónico:
Tasa de distorsiónse expresa en % 1
100 nn
ITDI
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: definiciones
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
Existe normativa específica respecto a las condiciones severas de funcionamientoque deben soportar los equipos eléctricos del avión. Esta normativa también define losensayos 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.
Vibraciones, aceleraciones e impactos.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: Normas
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 (Módulo 1)
1.1 Introducción: Ejemplos de generación eléctrica
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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 (Módulo 1)
1.1 Introducción: Ejemplos de generación eléctrica
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
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”.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: Normas
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
Los diferentes aspectos de los sistemas eléctricos en aeronaves hacen referencia demanera constante a las normativas (standards) internacionales como: SAE‐ARP‐AS‐AMS, EUROCAE, RTCA, ISO, MIL‐STD, entre otras.
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: Organizaciones
Organizaciones
Normalización Fabricantes Certificadoras
Algunas certificadoras:
EASA: European Aviation Safety Agency
FAA: Federal Aviation Administration
J. Montanyà
Mód
ulo 1: El sistema eléctrico de
l avión
Society of Automotive Engineers (SAE)
Aerospace Industries Association (AIA),
Airlines Electronic Engineering Committee (ARINC/AEEC),
General Aviation Manufacturers Association (GAMA),
Air Transport Association (ATA)
Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA)
European Organization for Civil Aviation Equipment (EUROCAE)
European Association of Aerospace Equipment Manufacturers (AECMA),
International Air Transport Association (IATA),
Federal Aviation Administration (FAA),
Department of Defense(DoD),
Joint Aviation Authorities (JAA),
American Welding Society (AWS),
El sistema eléctrico del avión (Módulo 1)
1.1 Introducción: Organizaciones