Sistemas de generación de potencia eléctrica en aeronaves

Clasificación del Material

Clase: 2
Semana: 2
Periodo: 3
Curso: Estructuras II
Institución: Academia de Mantenimiento Técnico Dardana

Objetivo

Estudiar las características operativas, funcionamiento y aplicaciones prácticas de los sistemas de potencia eléctrica.
Identificar las diferentes fuentes de generación de corrientes alternas y directas en la aeronave.

Introducción

Los sistemas de potencia eléctrica han evolucionado junto con las nuevas tecnologías aplicadas a las generaciones de potencias eléctricas, debido a las altas exigencias de los pasajeros y las aeronaves en la actualidad.
Esto incluye sistemas de navegación, comunicaciones y entretenimiento a bordo.

Objetivos Específicos

Describir el funcionamiento y las características básicas de los sistemas de generación de corrientes alternas y directas.
Estudiar diversas categorías de operación.
Comprender los tipos de cargas eléctricas aplicables a la operación de la aeronave.

Necesidad

En mantenimiento y aviación en general existen sistemas de generación de potencia eléctrica que suministran energía a la aeronave tanto en operaciones terrestres como aéreas.
Esto se hace para satisfacer las necesidades de los pasajeros y componentes vitales de la aeronave.

Interés

Se analiza el entendimiento básico y las características de los sistemas de generación de corriente alterna y directa en el ámbito aeronáutico.
Sirve como base para el estudio de la aerodinámica.

Rango

El tiempo estimado para el desarrollo de la sesión es de 5 horas.

Instalación y Funcionamiento de las Baterías

El compartimiento de las baterías debe ser fácilmente accesible para mantenimiento e inspección.
Debe ser aislado del combustible, aceite, sistemas de ignición y cualquier sustancia o condición que pueda dañarla.
Cualquier compartimiento para almacenar baterías debe tener un sistema de ventilación con pintura que evite la corrosión por el electrolito.
Las baterías se instalan de forma que el electrolito derramado pueda ser drenado o absorbido sin tocar la estructura del avión.
La base de la batería debe soportar el peso bajo cualquier condición de vuelo o aterrizaje.
La batería se mantiene firmemente en su lugar con pernos.
La carcaza o cuerpo de la batería se mantiene hacia abajo con pernos que atraviesan las orejas de la cubierta de la batería.
Las baterías no deben estar ubicadas en los compartimientos de motores a menos que se tomen medidas para protegerlas del fuego y de los efectos de altas temperaturas.
Antes de la instalación, las baterías deben inspeccionarse con prioridad.
El battery quick disconnect plug debe inspeccionarse en ambas baterías y repararse o reemplazarse si es necesario.
Asegurarse de que las baterías y el avión tengan la misma polaridad.

Funcionamiento de las Baterías

Las baterías producen corriente eléctrica mediante una reacción química.
En el terminal negativo se genera una gran cantidad de electrones con carga negativa.
En el terminal positivo hay una gran ausencia de electrones, lo que la convierte en una carga positiva.
Esta diferencia de carga permite el flujo de electrones a través de un circuito.
Los electrones fluyen del terminal negativo al positivo.

Tipos de Pilas

Pila alcalina de Níquel-Cadmio: Compactas, suministran bastante corriente y tienen un voltaje estable.
Pila de Plomo: Muy usada en la industria automotriz. Como acumuladores, suelen conectarse en serie. Sus parámetros principales son tensión entre sus terminales y capacidad en amperios/hora.

Conexión de Pilas

En serie, la corriente es la misma y el voltaje se suma.
En paralelo, el voltaje es el mismo y la capacidad de corriente se suma.

Generación de Corriente Continua (Termopares)

Un termopar es un circuito con dos hilos (o aleaciones metálicas diferentes) soldados en sus extremos.
Genera una fuerza electromotriz (FEM) debido a la temperatura.
Permite medir la temperatura en su unión.
Se usan como captadores en medidas de control o regulación de temperaturas de materiales sometidos a tratamientos térmicos.
Los termopares pueden ser de diversos tipos según la composición de sus hilos, eligiéndose en función de la temperatura a medir y el tiempo de exposición.

Aplicaciones de los Termopares

El termopar es un sensor comúnmente utilizado en mediciones de temperatura en entornos industriales.
Son baratos, robustos y pueden operar en un amplio rango de temperaturas.
La conexión crea una unión termoeléctrica (unión en frío).
El voltaje medido incluye el voltaje del termopar y de la unión en frío.
Se pueden usar sensores adicionales (termistores o integrados) para compensar este problema.
Son sensibles al ruido eléctrico debido a su bajo voltaje de salida.

Generación de Corriente Alterna (Forma de onda sinusoidal)

La posición de la espira (de 0 a 180 grados) determina una corriente positiva.
De 180 a 360 grados, la dirección de la FEM y la corriente cambia, resultando en una corriente negativa.
Las anotaciones de valores se representan en las graduaciones de la ordenada que están por encima o debajo de la abscisa según el rango de 0 a 180 o de 180 a 360 grados.
Un movimiento completo de la espira (0 a 360 grados) se denomina ciclo.
La cantidad de ciclos por unidad de tiempo (segundo) se denomina frecuencia.

Electricidad de Corriente Alterna (CA)

Un conductor que se mueve entre polos magnéticos corta líneas de flujo magnético.
Esto induce un voltaje en el conductor que hace que los electrones fluyan.
La dirección de la corriente está determinada por la posición de los polos magnéticos y la dirección del movimiento del conductor.
La intensidad de la corriente se determina por el ritmo al que se cortan las líneas de fuerza y la velocidad del conductor.
La dirección de la corriente de flujo es determinada por la dirección del flujo magnético y la dirección de movimiento del conductor.

Regulador de Voltaje

Mantiene el voltaje de salida de un generador o un alternador constante a pesar de los cambios de velocidad y corriente.
Los alternadores de CC requieren un regulador de voltaje y un limitador de corriente.
Los reguladores de voltaje se clasifican en tipo vibrador y transistorizados.
El tipo transistorizado es más preciso y confiable.
Los reguladores de voltaje controlan la salida del alternador variando la entrada del alternador.

Voltaje producido por inducción electromagnética

Depende del número de líneas de fuerza que un conductor corta por segundo.
En un generador, el voltaje depende:
- 1. Velocidad de rotación del rotor.
- 1. Número de conductores en serie en el rotor.
- 1. Fuerza del campo magnético.

Distribución de Corriente

Las aeronaves modernas requieren un suministro confiable de potencia eléctrica.
Las fuentes más comunes son:
- 1. Alternadores de CC.
- 1. Generadores de CC.
- 1. Alternadores de CA (generadores).
- 1. Baterías del avión (para operaciones de emergencia).
Los alternadores de CC se usan comúnmente para motores de pistones, y los generadores de CC para aeronaves propulsadas por turbinas.
Los alternadores de CA se emplean en aeronaves de transporte y militares.
Un sistema de distribución básico está conformado mediante un conductor de cobre llamado BUS BAR o BUS.
El BUS lleva la carga eléctrica completa y la distribuye a los usuarios a través de fusibles o disyuntores.
En la mayoría de las aeronaves, el bus bar está conectado al terminal positivo de salida del generador o la batería.
El voltaje negativo se distribuye a través de la estructura metálica del avión (tierra negativa).
En este tipo de sistema de distribución, los generadores manejados por los motores no se pueden conectar simultáneamente.
Bajo condiciones normales, cada generador suministra energía solo a sus cargas asociadas.

Inversores, Transformadores y Rectificadores

Un inversor convierte corriente directa (DC) a corriente alterna (AC) a la frecuencia y voltaje deseados.
Los inversores son típicamente utilizados en aeronaves grandes, solo para situaciones de emergencia, para suministrar necesariamente potencia de CA durante la operación normal.
Existen dos tipos de inversores: rotativo y estático.
Un inversor estático es más confiable, eficiente y ahorra peso.
Un inversor particular utiliza voltajes como 26 VDC a 29 VDC y 115 VAC/400Hz.)
El transformador incrementa o reduce el voltaje en un circuito de CA.
Las transformaciones son importantes por la transmisión de altos voltajes con baja pérdida de potencia.
En la inducción electromagnética cada conductor de corriente eléctrica tiene un campo magnético propio. Los cambios de corriente en amplitud y dirección generan un campo magnético que cambia a través de una bobina de inducción (transformador).
El transformador está formado por devanados primario y secundario en un núcleo de hierro.
La teoría de operación del transformador es similar a la bobina de inducción.
Como la corriente de CA fluye, hay una expansión y contracción del campo magnético alrededor del devanado primario.
Si otra bobina de inductancia está cerca del primario el voltaje inducido debe ser constante.
Rectificador: es un dispositivo que permite el flujo de corriente solo en una dirección, bloqueando el flujo en la opuesta.
Los rectificadores se comparan con una válvula de compuerta unidireccional para fluidos (check valve).
Se controlan los electrones para manipular la corriente.
Los rectificadores son dispositivos de estado sólido, confiables y eficientes.
Los materiales principales usados en rectificadores son silicio y germanio.
Existen rectificadores de onda completa y de media onda.
Con un solo diodo en serie con un circuito de CA se forma un rectificador de media onda, permitiendo que solo una mitad de la onda corriente alterna pase a través del circuito rectificador.
En una dirección, el voltaje negativo se aplica al cátodo, el positivo al ánodo, el diodo conduce y la corriente fluye.
En la dirección opuesta, el diodo ofrece alta resistencia y no fluye.

Protección de Circuitos

Los cortocircuitos en los sistemas eléctricos plantean un grave riesgo de incendio.
También pueden dañar el cableado eléctrico y los equipos.
Los dispositivos de protección incluyen fusibles, disyuntores, interruptores automáticos y relés cortacircuitos.
Los sistemas de protección deben estar diseñados para desconectar rápidamente la fuente de energía en caso de falla, y proteger contra sobrevoltajes y otros malfuncionamientos.
Los restablecimientos de los dispositivos de protección del circuito se deben diseñar de modo que la desconexión sea independiente de la posición de los controles de operación.
Un master switch debe estar presente para desconectar todas las fuentes de energía.
Idealmente, la desconexión se debe hacer tan cerca de la fuente de energía como sea posible.

Cargas Eléctricas

La carga eléctrica de un avión se determina a través de los requerimientos de las unidades y sistemas que pueden funcionar simultáneamente.
Las cargas pueden ser continuas o intermitentes, dependiendo de su operación.

Tipos de Cargas

Cargas continuas: luces de navegación, beacon, receptores de radio, equipos de navegación, sistemas eléctricos, bombas eléctricas de combustible, y bombas eléctricas de vacío, etc.
Cargas intermitentes: tren de aterrizaje, flaps, bombas hidráulicas de emergencia, trim motors y luces de aterrizaje.

Potencia Externa

El control del suministro de potencia se ejecuta desde una unidad en tierra (GPCU o Generator Power Control Unit) de la que hay un panel de control en la cabina principal.
El GAPCU monitorea los parámetros del suministro de potencia eléctrica y transmite los mensajes de falla al CFDS.

Conclusión

Hay dos formas de obtener potencia eléctrica adicional a la de los motores de un avión:
- El APU (Auxiliary Power Unit), controlado por el GAPCU.
- El Ground Car, controlado por el GPCU.
El APU provee energía neumática y eléctrica para el ambiente de la aeronave (como presurización y aire acondicionado).
Para la operación en tierra, el avión tiene un sistema de APU para energizarlo independientemente de las fuentes de energía de la tierra.