Tema 22. Sistema eléctrico del avión Autores: Bustos Valera, Andrés Domínguez Castillo, Adalberto Gimeno Cabedo, Javier Ibáñez Muñoz, Elena Lasarte Urretavizcaya, Markel Nova Juanas, Daniel Grupo de trabajo: VA... VA1-09 Curso 2018-2019 Tema 22. Sistema eléctrico del avión TEMA 22. SISTEMA ELÉCTRICO DEL AVIÓN Introducción y evolución histórica Sistemas de generación Sistemas de distribución Sistemas de protección y control Subsistemas que requieren electricidad Ejemplos y evolución en el futuro Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN • ALTERNADOR Normalmente, en los aviones comerciales se va a obtener la energía directamente de los motores principales del avión. Cada motor tiene un alternador que se encargará de transformar la energía mecánica del motor en energía eléctrica. Se suministrará la corriente a todo el avión, en forma de corriente alterna. Ventajas de los alternadores frente a los generadores: genera corriente constante a distintos regímenes de giro, son más ligeros, menos caros de mantener y menos propensos a sufrir sobrecargas. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN • SISTEMAS DE GENERACIÓN AUXILIARES Son aquellos que sirven de soporte a distintos sistemas como el neumático o el eléctrico y son totalmente independientes de los generadores principales. Dentro de este grupo se incluyen la unidad de potencia auxiliar APU y los sistemas de alimentación en tierra o externa GPU para la alimentación del avión en el aeropuerto Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN AUXILIARES • APU (AUXILIAR POWER UNIT) Pequeño motor a reacción, normalmente situado en el cono de cola del avión y cuyas funciones son: Proporcionar aire de cabina y energía eléctrica antes de que los motores arranquen (ahorrando energía de la batería). Se usa como fuente de energía para el arranque de los motores principales. Proporcionar una fuente de energía eléctrica de emergencia en caso de fallo del motor. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN AUXILIARES • APU (AUXILIAR POWER UNIT) El aire de purga a alta velocidad del APU se utiliza para hacer girar el motor principal. Aunque se trata de un motor a reacción, no se considera como una fuente extra de empuje para el avión. Por otro lado, necesita una entrada de aire, que suele situarse en un lateral en forma de una pequeña compuerta que se abre cuando está funcionando. El arranque de esta unidad se realiza a través de un motor eléctrico de arranque alimentado por las baterías del avión. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN DE EMERGENCIA • GPU (GROUND POWER UNIT) Como se ha visto, una unidad APU hace autónomo a un avión por el precio del consumo de una gran cantidad de combustible y contaminación acústica en el aeropuerto. Esta es la causa de que su uso se restringa a aquellos aeropuertos en los que no haya una unidad de potencia en tierra o externa GPU. Con su uso disminuimos el ruido y abaratamos costes, ya que no gastamos combustible del avión. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN DE EMERGENCIA • RAT (RAM AIR TURBINE) La turbina de aire de ariete RAT, se trata de una pequeña turbina que se activa cuando se produce un fallo simultáneo tanto de los motores como del APU en vuelo. Puede estar alojada en varios sitios (en el morro del avión, debajo de las alas o cerca del tren de aterrizaje) y se despliega de forma automática en caso de emergencia, aunque también puede hacerse manualmente. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE GENERACIÓN DE EMERGENCIA • RAT (RAM AIR TURBINE) La corriente de aire debida al movimiento del avión hace que la turbina gire, haciendo mover el generador eléctrico de emergencia. El RAT nos permite generar energía necesaria para: Parte hidráulica: alimentación de la bomba hidráulica para el control de los flaps del avión o desplegar el tren de aterrizaje. Parte eléctrica: control de ordenadores de abordo, radio, iluminación de emergencia de cabina, etc. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA Se encarga de distribuir la energía eléctrica a lo largo del avión, transportándola hasta los equipos que la necesitan para su correcto funcionamiento. Se transporta mediante barras de distribución o colectores, situados en cajas de conexión. Clasificación de los dispositivos según su importancia para la seguridad de vuelo. Distinguimos 3 categorías: Sistemas no esenciales: sistemas prescindibles, pueden quedarse sin alimentación. Sistemas esenciales: sistemas mínimos para mantener vuelo seguro en una situación de emergencia. Conectados a barras esenciales, siempre alimentadas. Sistemas vitales: sistemas que son imprescindibles tras haber realizado un aterrizaje de emergencia. Conectado a barras calientes o barras de emergencia. Ejemplos: alumbrado de socorro, sistemas de radio, sistemas de protección… Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA Las barras mencionadas anteriormente son una solución fiable que, en algunos casos, sustituye a los portacables y cables. Son un sistema de transporte de energía. Varios tipos: • • • • Barras principales, barras de carga o barras del generador. Barras esenciales. Barras calientes, barras de reserva o barras de emergencia. barras de asistencia en tierra handling, barras de servicio en tierra. Estas barras están interconectadas para poder redirigir los flujos de corriente flexiblemente y poder adaptar el sistema para una situación determinada del avión y del sistema eléctrico. También se encuentran conductores y dispositivos de conversión y transformación, estos últimos para obtener corriente continua. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión TIPOS DE DISTRIBUCION Los tipos de distribución tienen en cuenta la localización de los elementos de distribución a lo largo del avión. Principalmente, hay 2 tipos de distribución: Centralizada: sólo hay un centro de distribución principal y lo más habitual es encontrarlo en la parte delantera del avión. De ahí salen todas las líneas del sistema. En él se encuentran los equipos y componentes primarios y secundarios. Distribuida o descentralizada: los sistemas primarios y secundarios se encuentran instalados a lo largo del avión. Los paneles de distribución primaria están instalados en centros primarios de distribución, donde se conecta la salida de los generadores. Los centros primarios alimentan a centros secundarios, los cuales alimentan las cargas que tienen cerca. Configuración poco utilizada hoy en día. Ventaja principal: reduce número conductores y en consecuencia también el peso del avión Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión TIPOS DE DISTRIBUCIÓN Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión DISTRIBUCIÓN PRIMARIA Es el primer enlace entre el sistema de generación y las cargas consumidoras. De él parte todo el sistema eléctrico que alimenta las cargas de gran consumo, barras de corriente alterna y unidades de conversión y transformación. Misión: gestionar y distribuir la energía procedente de los generadores primarios como de los generadores auxiliares y generadores de emergencia. Se diferencian 3 tipos de configuraciones típicas, condicionadas por el número de motores que tenga la aeronave: • Sistema de barra partida • Sistema de barras en paralelo • Sistema de distribución de barra partida modificada Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión DISTRIBUCIÓN PRIMARIA • SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE BARRA PARTIDA Común en aviones bimotor. Los 2 generadores principales trabajan de forma aislada. Permite que los generadores alimenten cualquiera de las dos barras principales, aunque no de forma simultánea. Si falla un generador se puede aislar. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión DISTRIBUCIÓN PRIMARIA • SISTEMA DE BARRAS EN PARALELO Típico en aviones de 3 motores. Barras principales conectadas a una barra de sincronismo; los 3 generadores trabajan en paralelo. Ciertas variables deben estar reguladas para evitar problemas en el sistema: frecuencias, tensiones, fase… Ventaja: Posibilidad de aislar generador si falla. Desventaja: requieren supervisión de la tripulación; nivel bajo de automatizado. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión DISTRIBUCIÓN PRIMARIA • SISTEMA DE BARRA PARTIDA MODIFICADA Típica de aviones con 4 motores. Mezcla de los 2 sistemas anteriores. Recoge las mejores características de cada uno para la mayor flexibilidad posible. En caso de fallo del generador se reconfigura mediante las unidades de control, para posibilitar la alimentación del número máximo de cargas posibles. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión DISTRIBUCIÓN SECUNDARIA El sistema de distribución secundario se encarga de distribuir la potencia procedente del sistema de distribución primario a las barras de corriente alterna y a los dispositivos de conversión y transformación. Todos los elementos están instalados en paneles o armarios. Es capaz de “auto-configurar” su estado teniendo en cuenta la situación general del sistema eléctrico. Utiliza elementos de conmutación: contactores o relés. En algunos aviones modernos se sustituyen relés por dispositivos más pequeños y ligeros: SSPC. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión UNIDADES DE CONTROL DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN La conexión entre las barras de distribución y los generadores para conmutar los flujos de potencia de forma adecuada en cada operación varía. En la actualidad contactores y relés se controlan a través de unidades electrónicas que permiten el control global y automático del sistema. Estas unidades reciben datos desde los dispositivos del sistema eléctrico y con esta información sus microprocesadores determinan el estado de los contactores y relés y los controlan a través de sus salidas. Se envía información a los paneles de control de la cabina para el control. Ubicación: Se suelen ubicar en el compartimento eléctrico y electrónico junto a otros dispositivos como las baterías o las unidades de control del generador. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión FUNCIONES PRINCIPALES DE LAS UNIDADES DE CONTROL • Detectar la ausencia de tensión en las barras de distribución. • Controlar la conexión y desconexión entre las fuentes de generación y las barras de distribución y coordinar la operación entre éstas. • Detectar la ausencia de tensión en las barras de distribución. • Detectar aquellas barras ya alimentadas. • Ejemplos: - Electrical Contactor Management Unit (ECMU) - Airbus - Bus Power Control Unit (BPCU) -Boeing Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión CONDUCTORES • Son los encargados de transportar la energía eléctrica, o señales de datos desde los generados o fuentes hacia las cargas y los receptores. Constituyen el esqueleto del sistema de distribución eléctrico • Principales características: Flexible y conformado por varios hilos excepto aquellos que se hayan instalado en zonas donde no hay problemas de vibraciones Sección adecuada que sea capaz de transportar la corriente debida sin que se produzcan sobrecalentamientos. Los conductores que alimentan fuentes principales de generación y baterías no deben superar el 2% de caída de tensión a la salida de la fuente. Para prevenir cortocircuitos entre conductores, han de incluir algún material aislante. El material aislante ha de evitar corrientes de fuga y alta rigidez dieléctrica. • Algunos de los problemas a los que se afrontarán los conductores serán: Vibraciones, contaminación química, gradientes de temperaturas, interferencias electromagnéticas… Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión TIPOS DE CONDUCTORES En función del tipo de señal que transporten: • Conductores eléctricos: Su misión es transportar la energía eléctrica en el avión. • Conductores no eléctricos: Coaxiales: Blindados contra campos magnéticos y electroestáticos, se encargan de transmitir las señales eléctricas de alta frecuencia. También destaca su uso en la conexión de equipos de radio o transmisores. Termopares: Conectan sensores de temperatura ubicados en zonas determinas tales como motores de reacción o en la unidad de potencia auxiliar. Conductores específicos: Cables de audio y vídeo para dispositivos de entretenimiento de los pasajeros o fibra óptica para mayores velocidades de transmisión de datos. • Materiales: Los materiales más usados para la fabricación de conductores son: Cobre: Alta conductividad, ductilidad y resistencia a la tracción. Aluminio: Menos conductividad que el cobre y menor resistencia a tracción mecánica. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE PROTECCIÓN • La principal funcionalidad de los sistemas de protección es la de evitar daños, en los conductores y componentes, por fallos de funcionamiento como sobrecargas o cortocircuitos, que podrían dar lugar a situaciones graves como podría ser un incendio. • Para evitar estos daños es necesario disponer de elementos capaces de proteger el sistema eléctrico del avión. Estos dispositivos serán principalmente fusibles, disyuntores térmicos, disyuntores con detección de fallo por arco, disyuntores con control remoto o controladores de potencia de estado sólido. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE PROTECCIÓN • Fusibles: se trata de dispositivos térmico de protección formados por un filamento o lámina de metal de bajo punto de fusión, que se funde cuando pasan por él corrientes elevadas que exceden el valor de la intensidad esperado, evitando que lleguen estas altas intensidades a los dispositivos del circuito. Distinguimos principalmente dos tipos: Fusibles de cartucho: formados por un tubo de cristal o cerámico, que contiene dos terminales y un elemento fusible de material conductor. Fusibles de alta capacidad de ruptura: son más precisos que los anteriores, no viéndose afectados por flujos momentáneos de intensidad superior a la de diseño. Se utilizan en puntos de la red de distribución de energía. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE PROTECCIÓN • Disyuntores: dispositivos automáticos que cortan el paso de la corriente si se cumplen determinadas condiciones, como podrían ser altibajos de tensión. Existen numerosos tipos siendo lo más utilizados en aeronáutica los térmicos y electrónicos. Están formados por una serie de contactos que se abre al detectar una sobrecarga durante un cierto tiempo. La principal ventaja que presentan respecto a los fusibles es la posibilidad de ser rearmados, lo que los hace reutilizables y permite rearmar el circuito si se ha solucionado el fallo. • Disyuntores con control remoto: Se trata de un tipo especial de disyuntores que pueden ser montados directamente sobre la cabecera del circuito que protegen a diferencia de los disyuntores térmicos que iban montados en los paneles de cabina, lo que supone una reducción de peso además de la descongestión de los paneles de control. Otra ventaja que presentan, es que pueden ser monitorizados en todo momento por los pilotos. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE PROTECCIÓN • Disyuntores con detector de fallo por arco: surgen como respuesta al aumento de la potencia eléctrica y a que los disyuntores habituales no detectan el fallo por arco eléctrico. Los principales fallos que pueden dar lugar a un arco eléctrico son fallos en el aislamiento de los conductores que pueden derivar en altas temperaturas. Se instalan en circuitos de cargas de gran potencia como los motores de bombas de fuel o hidráulicas. • Controladores de potencia de estado sólido (SSPC): se trata de elementos construidos a partir de tecnología de estado sólido. Surgen debido a las limitaciones del resto de sistemas de protección, así como los nuevos niveles de tensión adoptados (±270 Vcc). Entre las ventajas que aportan respecto al resto de sistemas se encuentran su alta velocidad de respuesta, alta fiabilidad, baja disipación de potencia y su capacidad de control remoto. La únicas desventajas que presenta son la dificultad para funcionar con intensidades superiores a 15 A y su alto precio. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE CONTROL Se trata de sistemas capaces de monitorizar y controlar el sistema eléctrico. Los dos elementos principales son interruptor principal o master y el amperímetro. • Master: Este sistema permite al piloto encender o apagar el sistema eléctrico del avión, a excepción de los de encendido del motor que es independiente. En la mayoría de aviones este interruptor es doble, el izquierdo (BAT) corresponde a la batería y al pulsarlo el sistema comienza a nutrirse de la batería, mientras que el derecho (ALT) corresponde con el alternador y al encenderlo el sistema comenzará a nutrirse del mismo, pudiendo cargar la batería con el excedente de energía. Este sistema permitirá al piloto excluir el alternador del sistema en caso de fallo del mismo. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SISTEMAS DE CONTROL • Amperímetro: Mide la intensidad de la corriente eléctrica y por lo tanto el rendimiento del sistema. El amperímetro muestra si el alternador está proporcionando la cantidad de energía adecuada al sistema, y si la batería está recibiendo suficiente carga eléctrica. Puede ser analógico o digital. Los valores positivos indican que el alternador está aportando carga eléctrica al sistema y a la batería, mientras que los negativos indican que en este caso el sistema se está nutriendo de la batería. Las fluctuaciones rápidas entre valores positivos y negativos supondrán un fallo en el funcionamiento del alternador. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión PROTECCIÓN FRENTE AL ENTORNO ELECTROMAGNÉTICO Debido al incremento de los sistemas electrónicos de las aeronaves modernas, la protección contra la interferencia electromagnética será fundamental .Una interferencia electromagnética (EMI) es la presencia de voltajes o corrientes no deseados que pueden aparecer en un equipo o en sus circuitos.. Entre los principales tipos de interferencias electromagnéticas destacan: Impacto de rayo: para proteger a la aeronave frente a un rayo se debe: garantizar un paso controlado para la corriente, proporcionar una adecuada continuidad eléctrica entre los componentes, proteger los tanques de combustible frente a los gradientes térmicos y las corrientes eléctricas y la metalización para apantallamiento electromagnético. Campos radiados de alta energía: engloba principalmente los transmisores de alta frecuencia que pueden dar lugar a campos de alta energía. El principal método de protección de los equipos es blindarlos con superficies conductoras y luego poner a tierra esos blindajes, evitando los efectos en el interior de dichas superficies. Precipitación estática: se trata una carga que aparece sobre la aeronave debido a la fricción de la superficie de la misma con partículas transportadas en el aire, como puede ser hielo seco o nieve. Para proteger a la aeronave se hará uso de descargadores estáticos, elementos con forma de varilla que drenan la electricidad estática del avión al aire. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD En los aviones comerciales hay una gran cantidad de sistemas que requieren corriente eléctrica para su funcionamiento, en general asociados a un sistema electrónico. Los más destacables son: • Aviónica • Sistemas de control de vuelo • Iluminación • Sistemas antihielo • Sistemas eléctricos del motor A parte de estos, hay otros muchos sistemas electrónicos de menor importancia. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD • AVIÓNICA Son todos los sistemas electrónicos usados en la para tareas de comunicación y navegación, incluyendo también los indicadores y medidores empleados para ello. Los sistemas de navegación se encargan transmitir, procesar y registrar los datos que el piloto necesita conocer para realizar la operación de vuelo de forma segura, proporcionados por: • instrumentos de pilotaje. Informan de las condiciones y el estado del vuelo: termómetros, anemómetro, velocímetros, altímetro… • sistemas que informan sobre el estado de los motores. • instrumentos de navegación. Empleados para poder orientarse y seguir la ruta deseada: brújula, giroscopio, indicador de rumbo, medidores de distancias, piloto automático… Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD Los sistemas de comunicación son los sistemas de radar que permiten el intercambio de información entre la aeronave y las estaciones en tierra o satélites como GPS. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD • SISTEMAS DE CONTROL DE VUELO A través de los mandos de vuelo el piloto acciona las superficies de control para la realización de las distintas maniobras. El movimiento de las superficies de control es electrónico, de forma que el sistema eléctrico activa el sistema hidráulico que las mueve. • ILUMINACIÓN Iluminación interior: Luces de cabina de piloto y pasajeros. Iluminación exterior: Son todos los sistemas de luces destinados a trasmitir información al exterior: Luces de navegación, luces anticolisión y luces de aterrizaje y rodadura. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD • SISTEMA ANTIHIELO La presencia de hielo sobre el ala modifica la aerodinámica, y en las tomas de aire de los motores perturba el flujo de aire debido a la generación de vórtices, que impiden el correcto funcionamiento del motor. Los sistemas antihielo combinan el uso de resistencias eléctricas y el aire caliente extraído de los motores que evitan la formación y acumulación de hielo en las superficies sustentadoras y en la toma de aire de los motores. Si bien es el aire caliente es la fuente de calor, las resistencias se encargan de mantener calientes los instrumentos de medición para evitar mediciones erróneas. Aeronaves de Ala Fija Tema 22. Sistema eléctrico del avión SUBSISTEMAS QUE REQUIEREN ELECTRICIDAD • SISTEMAS ELÉCTRICOS DEL MOTOR En el arranque del motor se requieren sistemas independientes que hagan girar al compresor y la turbina hasta una velocidad a la cual pase la cantidad de aire adecuada. La puesta en marcha eléctrica se utiliza en algunos motores turbohélices y turborreactores; sin embargo, en la mayoría de los motores de reacción de los aviones comerciales actuales se emplea puestas en marcha neumáticas mediante transmisión de potencia desde la APU ya que presenta muchas ventajas sobre el sistema eléctrico. Los sistemas de ignición también son eléctricos, se encargan de prender la mezcla airecombustible mediante chispas de alta energía. En el motor también se utilizan otros sistemas electrónicos como el sistema de inyección o las bombas de combustible. • OTROS En los aviones actuales hay una gran cantidad de subsistemas que necesitan eléctricos y sobre todo electrónicos, que aunque no son necesarios para el vuelo, sirven para facilitar las labores de la tripulación o para dar servicio a los pasajeros (cocina, calefacción, entretenimiento a bordo, WIFI, etc). Aeronaves de Ala Fija
