Sistemas eléctricos de las aeronaves - Aircraft Electrical Systems
Prácticamente todas las aeronaves contienen algún tipo de sistema eléctrico. Los aviones más básicos deben producir electricidad para el funcionamiento del sistema de encendido del motor. Los aviones modernos tienen sistemas eléctricos complejos que controlan casi todos los aspectos del vuelo. En general, los sistemas eléctricos pueden dividirse en diferentes categorías según la función del sistema. Los sistemas más comunes son la iluminación, el arranque del motor y la generación de energía.
Aviones pequeños de un solo motor
Las aeronaves ligeras suelen tener un sistema eléctrico relativamente sencillo porque las aeronaves sencillas suelen requerir menos redundancia y menos complejidad que las aeronaves de categoría de transporte más grandes. En la mayoría de las aeronaves ligeras, sólo hay un sistema eléctrico alimentado por el alternador o generador accionado por el motor. La batería de la aeronave se utiliza para la alimentación de emergencia y el arranque del motor. La energía eléctrica se distribuye normalmente a través de uno o más puntos comunes conocidos como bus eléctrico (o barra colectora).
Casi todos los circuitos eléctricos deben estar protegidos contra los fallos que puedan producirse en el sistema. Los fallos se conocen comúnmente como aperturas o cortocircuitos. Un circuito abierto es un fallo eléctrico que se produce cuando un circuito se desconecta. Un cortocircuito es un fallo eléctrico que se produce cuando uno o más circuitos crean una conexión no deseada. El cortocircuito más peligroso se produce cuando un cable positivo crea una conexión no deseada con una conexión negativa o a tierra. A esto se le suele llamar cortocircuito a tierra.
Hay dos formas de proteger los sistemas eléctricos de los fallos: mecánica y eléctricamente. Mecánicamente, los cables y componentes se protegen de la abrasión y el desgaste excesivo mediante una instalación adecuada y la adición de cubiertas y escudos protectores.
Eléctricamente, los cables pueden protegerse mediante disyuntores y fusibles. Los disyuntores protegen cada sistema en caso de cortocircuito. Hay que tener en cuenta que se pueden utilizar fusibles en lugar de disyuntores. Los fusibles suelen encontrarse en los aviones más antiguos.
Circuito de la batería - Battery Circuit
La batería de la aeronave y el circuito de la batería se utilizan para suministrar energía para el arranque del motor y para proporcionar una fuente de alimentación secundaria en el caso de un fallo del alternador (o generador). En la figura se muestra un esquema de un circuito de batería típico. Este diagrama muestra la relación de los circuitos de arranque y de alimentación externa que se analizan más adelante en este capítulo.
Las líneas en negrita que se encuentran en el diagrama representan cables grandes (véase el cable que sale de la conexión positiva de la batería), que se utilizan en el circuito de la batería debido a la gran corriente que se suministra a través de estos cables. Debido a que las baterías pueden suministrar grandes flujos de corriente, una batería se conecta típicamente al sistema a través de un solenoide eléctrico.
Al inicio/final de cada vuelo, la batería se conecta/desconecta del bus de distribución eléctrica a través de los contactos del solenoide. Para controlar el solenoide se utiliza un interruptor principal de la batería en la cabina de vuelo.
Aunque son muy similares, a menudo se confunden los términos "solenoide" y "relé". Un solenoide se utiliza normalmente para conmutar circuitos de alta corriente y los relés se utilizan para controlar circuitos de menor corriente. Para ayudar a aclarar la confusión, a menudo se utiliza el término "contactor" para describir un interruptor accionado magnéticamente.
A efectos generales, un técnico aeronáutico puede considerar que los términos relé, solenoide y contactor son sinónimos. Cada uno de estos tres términos puede utilizarse en los diagramas y esquemas para describir los interruptores eléctricos controlados por un electroimán.
Aquí se puede ver que el cable positivo de la batería está conectado al bus eléctrico cuando el interruptor principal de la batería está activo. En la figura se muestra un solenoide de batería que apaga o enciende prácticamente toda la energía eléctrica controlando la conexión de la batería. Observe cómo las conexiones eléctricas del solenoide de la batería están protegidas de los cortocircuitos por cubiertas de goma en el extremo de cada cable.. El interruptor de la batería se conoce a menudo como el interruptor principal, ya que gira.
El amperímetro que se muestra en el circuito de la batería se utiliza para controlar el flujo de corriente de la batería al bus de distribución. Cuando todos los sistemas funcionan correctamente, la corriente de la batería debería fluir desde el bus principal a la batería dando una indicación positiva en el amperímetro. En este caso, la batería se está cargando.
Si el alternador del avión (o el generador) sufre una avería, el amperímetro indica un valor negativo. Una indicación negativa significa que la corriente sale de la batería para alimentar cualquier carga eléctrica conectada al bus. La batería se está descargando y el avión corre el riesgo de perder toda la energía eléctrica.
Circuito del generador
Los circuitos del generador se utilizan para controlar la energía eléctrica entre el generador de la aeronave y el bus de distribución. Normalmente, estos circuitos se encuentran en las aeronaves más antiguas que no se han actualizado a un alternador. Los circuitos del generador controlan la energía del devanado de campo y la energía eléctrica del generador al bus eléctrico.
Un interruptor principal del generador se utiliza para encender el generador, normalmente controlando la corriente de campo. Si el generador está girando y se envía corriente al circuito de campo, el generador produce energía eléctrica. La potencia del generador se controla a través de la unidad de control del generador (o regulador de tensión).
El interruptor del generador controla la potencia del campo del generador (terminal F). La corriente de salida del generador se suministra al bus de la aeronave a través del circuito de inducido (terminal A) del generador.
Circuito del alternador
Los circuitos del alternador, al igual que los del generador, deben controlar la potencia tanto de entrada como de salida del alternador. El alternador es controlado por el piloto a través del interruptor principal del alternador. El interruptor principal del alternador, a su vez, acciona un circuito dentro de la unidad de control del alternador (o regulador de tensión) y envía corriente al campo del alternador.
Si el alternador es alimentado por el motor del avión, el alternador produce energía eléctrica para las cargas eléctricas del avión. El circuito de control del alternador contiene los tres componentes principales del circuito del alternador: el alternador, el regulador de tensión y el interruptor principal del alternador.
El regulador de tensión controla la corriente del campo del generador en función de la carga eléctrica de la aeronave. Si el motor de la aeronave está en marcha y el interruptor principal del alternador está encendido, el regulador de tensión ajusta la corriente al campo del alternador según sea necesario. Si fluye más corriente al campo del alternador, la salida del alternador aumenta y alimenta las cargas de la aeronave a través del bus de distribución.
Todos los alternadores deben ser controlados para que su potencia sea correcta. La mayoría de los aviones ligeros utilizan un amperímetro para controlar la potencia del alternador. Un amperímetro colocado en el circuito del alternador es un medidor de una sola polaridad que muestra el flujo de corriente en una sola dirección. Este flujo es del alternador al bus. Dado que el alternador contiene diodos en el circuito del inducido, la corriente no puede invertirse del bus al alternador.
Cuando se solucionen problemas en un sistema de alternador, asegúrese de controlar el amperímetro del avión. Si el sistema del alternador no funciona, el amperímetro da una indicación de cero. En este caso, la batería se está descargando. Un voltímetro también es una herramienta valiosa para la resolución de problemas de un sistema de alternador.
El voltímetro debe instalarse en el sistema eléctrico con el motor en marcha y el alternador en funcionamiento. Un sistema que funciona normalmente produce un voltaje dentro de los límites especificados (aproximadamente 14 voltios o 28 voltios según el sistema eléctrico). Consulte el manual de la aeronave y verifique que la tensión del sistema es correcta. Si la tensión está por debajo de los valores especificados, el sistema de carga debe ser inspeccionado.
Circuito de alimentación externa
Muchas aeronaves emplean un circuito de alimentación externa que proporciona un medio para conectar la energía eléctrica desde una fuente de tierra a la aeronave. La energía externa se utiliza a menudo para arrancar el motor o para actividades de mantenimiento en la aeronave. Este tipo de sistema permite el funcionamiento de varios sistemas eléctricos sin descargar la batería. Los sistemas de alimentación externa suelen consistir en un enchufe eléctrico situado en una zona conveniente del fuselaje, un solenoide eléctrico utilizado para conectar la alimentación externa al bus y el cableado relacionado con el sistema.
La figura muestra cómo el receptáculo de alimentación externa se conecta al solenoide de alimentación externa a través de un diodo de polaridad inversa. Este diodo se utiliza para evitar cualquier conexión accidental en caso de que la fuente de alimentación externa tenga la polaridad incorrecta (es decir, una inversión de las conexiones eléctricas positivas y negativas).
Una conexión de polaridad inversa podría ser catastrófica para el sistema eléctrico de la aeronave. Si se conecta una fuente de alimentación a tierra con una polaridad inversa, el diodo bloquea la corriente y el solenoide de alimentación externa no se cierra.
Este diagrama también muestra que la energía externa puede utilizarse para cargar la batería de la aeronave o alimentar las cargas eléctricas de la aeronave. Para que la energía externa arranque el motor de la aeronave o alimente las cargas eléctricas, el interruptor principal de la batería debe estar cerrado.
Circuito de arranque / Encendido - Starter Circuit
Prácticamente todos los aviones modernos emplean un motor eléctrico para arrancar el motor del avión. Dado que el arranque del motor requiere varios caballos de fuerza, el motor de arranque a menudo puede consumir 100 o más amperios. Por esta razón, todos los motores de arranque se controlan mediante un solenoide.
El circuito del motor de arranque debe conectarse lo más cerca posible de la batería, ya que se necesita un cable grande para alimentar el motor de arranque y se puede ahorrar peso cuando la batería y el motor de arranque se instalan cerca uno del otro en el avión. Como se muestra en el diagrama del circuito de arranque, el interruptor de arranque puede ser parte de un interruptor multifunción que también se utiliza para controlar las magnetos del motor.
El arrancador puede ser alimentado por la batería de la aeronave o por la fuente de alimentación externa. A menudo, cuando la batería de la aeronave es débil o necesita cargarse, el circuito de alimentación externa se utiliza para alimentar el motor de arranque. Durante la mayoría de las operaciones típicas, el arrancador es alimentado por la batería del avión. El maestro de la batería debe estar encendido y el solenoide maestro cerrado para poder arrancar el motor con la batería.
Circuito de alimentación de aviónica
Muchas aeronaves contienen un bus de distribución de energía separado específicamente para los equipos electrónicos. Este bus suele denominarse bus de aviónica. Dado que los equipos modernos de aviónica emplean circuitos electrónicos sensibles, a menudo es ventajoso desconectar toda la aviónica de la energía eléctrica para proteger sus circuitos.
Por ejemplo, el bus de aviónica se suele desenergizar cuando se activa el motor de arranque. Esto ayuda a evitar que los picos de tensión transitorios producidos por el motor de arranque entren en la aviónica sensible.
El circuito emplea un solenoide normalmente cerrado (NC) que conecta el bus de aviónica al bus de alimentación principal. El electroimán del solenoide se activa cada vez que se conecta el motor de arranque. La corriente se envía desde el interruptor de arranque a través del diodo D1, lo que hace que el solenoide se abra y desactive el bus de aviónica.
En ese momento, toda la electrónica conectada al bus de aviónica perderá energía. El contactor de aviónica también se activa cada vez que se conecta energía externa a la aeronave. En este caso, la corriente viaja a través de los diodos D2 y D3 hasta el contactor del bus de aviónica.
También se puede utilizar un interruptor de alimentación de aviónica separado para desconectar todo el bus de aviónica. Se muestra un interruptor de alimentación de aviónica típico conectado en serie con el bus de alimentación de aviónica. En algunos casos, este interruptor se combina con un disyuntor y realiza dos funciones (llamado interruptor de disyuntor). También hay que tener en cuenta que el contactor de aviónica suele denominarse relé de bus dividido, ya que el contactor separa (divide) el bus de aviónica del bus principal.
Circuito del tren de aterrizaje
Otro circuito común que se encuentra en los aviones ligeros opera los sistemas de tren de aterrizaje retráctil en los aviones ligeros de alto rendimiento. Estos aviones suelen emplear un sistema hidráulico para mover el tren. Tras el despegue, el piloto mueve el interruptor de posición del tren a la posición de retracción, poniendo en marcha un motor eléctrico.
El motor acciona una bomba hidráulica y el sistema hidráulico mueve el tren de aterrizaje. Para garantizar el correcto funcionamiento del sistema, el sistema eléctrico del tren de aterrizaje es relativamente complejo. El sistema eléctrico debe detectar la posición de cada tren (derecha, izquierda, nariz) y determinar cuándo cada uno llega a la posición de subida o bajada completa; entonces el motor se controla en consecuencia. Hay sistemas de seguridad para evitar el accionamiento accidental del tren.
Se necesitan una serie de interruptores de límite para controlar la posición de cada marcha durante el funcionamiento del sistema. (Un final de carrera es simplemente un interruptor de contacto momentáneo cargado por resorte que se activa cuando un engranaje alcanza su límite de recorrido).
Normalmente, hay seis interruptores de límite situados en los pozos de las ruedas del tren de aterrizaje. Los tres interruptores de límite superior se utilizan para detectar cuando el tren alcanza la posición de retracción total (UP). Los tres interruptores de límite de bajada se utilizan para detectar cuando el tren alcanza la posición de extensión total (DOWN). Cada uno de estos interruptores es activado mecánicamente por un componente del conjunto del tren de aterrizaje cuando el tren apropiado alcanza un límite determinado.
El sistema del tren de aterrizaje también debe proporcionar una indicación al piloto de que el tren está en una posición segura para el aterrizaje. Muchos aviones emplean una serie de tres luces verdes cuando los tres trenes están bajados y bloqueados en la posición de aterrizaje. Estas tres luces se activan mediante los interruptores de límite de subida y bajada que se encuentran en el hueco de la rueda del tren. En la figura se muestra un panel de instrumentos típico con el interruptor de posición del tren de aterrizaje y los indicadores de bajada de las tres marchas.
El conjunto de motor/bomba hidráulica situado en la esquina superior izquierda de la figura se alimenta a través de los solenoides de subida o bajada (arriba a la izquierda). Los solenoides son controlados por el interruptor de selección de marchas (abajo a la izquierda) y los seis interruptores de límite del tren de aterrizaje.
Los tres indicadores de BAJADA del tren son luces verdes individuales controladas por los tres interruptores de BAJADA del tren. Cuando cada tren alcanza su posición de ABAJO, el interruptor de límite se mueve a la posición de ABAJO, y la luz se ilumina.
La figura muestra el tren de aterrizaje en la posición completa de ABAJO. Siempre es importante conocer la posición del tren cuando se leen los diagramas eléctricos del tren de aterrizaje. Conocer la posición del tren de aterrizaje ayuda al técnico a analizar el diagrama y entender el funcionamiento correcto de los circuitos. Otro concepto importante es que se utiliza más de un circuito para operar el tren de aterrizaje.
En este sistema, hay un circuito de control de baja corriente con un fusible de 5 amperios (CB2, arriba a la derecha de la figura). Este circuito se utiliza para las luces indicadoras y el control de los contactores del motor del tren. Hay un circuito separado para alimentar el motor de engranajes con un fusible de 30 amperios (CB3, arriba a la derecha de la figura). Dado que este circuito transporta un gran flujo de corriente, los cables deben ser tan cortos como sea posible y estar cuidadosamente protegidos con botas de goma o aislantes de nylon.
Los siguientes párrafos describen el flujo de corriente a través del circuito del tren de aterrizaje cuando el sistema mueve el tren hacia arriba y hacia abajo. Asegúrese de consultar la figura con frecuencia durante las siguientes discusiones. La figura muestra el flujo de corriente cuando el tren se desplaza a la posición de extensión (DOWN). El flujo de corriente está resaltado en rojo para cada descripción.
Para hacer funcionar el motor del engranaje hacia ABAJO, la corriente debe fluir en el circuito de control que sale del CB2 a través del terminal 1 a los contactos de NO ABAJO de los interruptores de límite de ABAJO, a través del terminal 3, al terminal positivo del solenoide de ABAJO (superior izquierdo).
El lado negativo de la bobina del solenoide de ABAJO está conectado a tierra a través del interruptor de selección de marchas. Recuerde que los interruptores de BAJADA de las marchas están conectados en paralelo y se activan cuando la marcha llega a la posición de bajada completa. Las tres marchas deben llegar a la posición de APAGADO total para apagar el motor de APAGADO de las marchas.
Observe también que el interruptor selector de marchas controla el lado negativo de los solenoides de marchas. El interruptor selector tiene un control independiente de los motores de ARRIBA y ABAJO del engranaje a través del control del circuito de tierra a los solenoides de ARRIBA y ABAJO.
Cuando el circuito de control del tren de aterrizaje envía un voltaje positivo al solenoide de ABAJO, y el interruptor selector del tren envía un voltaje negativo, el imán del solenoide se energiza. Cuando el solenoide del tren de aterrizaje está energizado, el circuito del motor del tren de aterrizaje de alta corriente envía corriente desde CB1 a través de los puntos de contacto del solenoide de descenso al motor del tren de aterrizaje.
Cuando el motor funciona, la bomba hidráulica produce presión y el engranaje comienza a moverse. Cuando los tres engranajes alcanzan la posición ABAJO, los interruptores de descenso del engranaje se mueven a la posición ABAJO, las tres luces verdes se iluminan y el motor del engranaje se apaga completando el ciclo de descenso del engranaje.
La figura muestra el diagrama eléctrico del tren de aterrizaje con la ruta de flujo de corriente mostrada en rojo cuando el tren se mueve a la posición de retracción (UP). Comenzando en la esquina superior derecha del diagrama, la corriente debe fluir a través de CB2 en el circuito de control a través del terminal 1 a cada uno de los tres interruptores del tren de aterrizaje.
Con los interruptores de marcha-arriba en la posición de no-arriba, la corriente fluye al terminal 2 y eventualmente a través del interruptor de cuclillas a la bobina del electroimán de marcha-arriba. La bobina del solenoide UP recibe tensión negativa a través del interruptor de selección de marchas. Con la bobina del solenoide UP activada, el solenoide UP se cierra y la energía viaja a través del circuito del motor.
Para alimentar el motor, la corriente sale del bus a través de CB1 al terminal en el solenoide de ABAJO y continúa a través del solenoide de ARRIBA hasta el motor de ARRIBA. (Recuerde que la corriente no puede viajar a través del solenoide de ABAJO en este momento ya que el solenoide de ABAJO no está activado). A medida que el motor de ARRIBA funciona, cada engranaje se desplaza a la posición de retracción. A medida que esto ocurre, los interruptores de subida de marchas se mueven de la posición de NO SUBIR a la posición de SUBIR.
Cuando la última marcha llega a la posición de subida, la corriente ya no viaja al terminal 2 y el motor de marcha se apaga. Hay que tener en cuenta que, al igual que en el caso de ABAJO, los interruptores de marcha están conectados en paralelo, lo que significa que el motorreductor sigue funcionando hasta que las tres marchas alcanzan la posición deseada.
Durante los ciclos de BAJADA y SUBIDA del funcionamiento del tren de aterrizaje, la corriente viaja desde los interruptores de límite hasta el terminal 2. Desde el terminal 2, hay una ruta de corriente a través del interruptor del selector de marchas hasta la luz de inseguridad de la marcha. Si el selector de marcha no coincide con la posición actual de la marcha (por ejemplo, la marcha está ABAJO y el piloto ha seleccionado ARRIBA), la luz de inseguridad se enciende. La luz de marcha insegura se muestra en la parte inferior de la figura.
El interruptor de cuclillas (mostrado en el centro de la izquierda de la figura) se utiliza para determinar si la aeronave está en tierra o en vuelo. Este interruptor está situado en un puntal del tren de aterrizaje. Cuando el peso de la aeronave comprime el puntal, el interruptor se activa y se mueve a la posición de TIERRA. Cuando el interruptor está en la posición GROUND, el tren no se puede retraer y suena una bocina de advertencia si el piloto selecciona la marcha ARRIBA. El interruptor de la marcha en cuclillas se conoce a veces como el interruptor del peso sobre las ruedas.
En la mayoría de las aeronaves también se utiliza un interruptor de aceleración junto con los circuitos del tren de aterrizaje. Si el acelerador se retrasa (se cierra) más allá de un determinado punto, el avión desciende y finalmente aterriza. Por lo tanto, muchos fabricantes activan un interruptor de aceleración cada vez que se reduce la potencia del motor.
Si la potencia del motor se reduce demasiado, suena una bocina de advertencia que indica al piloto que debe bajar el tren de aterrizaje. Por supuesto, esta bocina no tiene por qué sonar si el tren ya está ABAJO o si el piloto ha seleccionado la posición ABAJO en el interruptor del tren. Esta misma bocina también suena si la aeronave está en tierra y la palanca del tren se mueve a la posición ARRIBA.
Suministro de CA - AC Supply
Muchas aeronaves ligeras modernas emplean un sistema eléctrico de CA de baja potencia. Comúnmente, el sistema de CA se utiliza para alimentar ciertos instrumentos y algunas luces que funcionan sólo con CA. El panel electroluminiscente se ha convertido en un sistema de iluminación popular para los paneles de instrumentos de las aeronaves y requiere CA.
La iluminación electroluminiscente es muy eficiente y ligera, por lo que es excelente para las instalaciones de los aviones. El material electroluminiscente es una sustancia pastosa que brilla cuando se le suministra un voltaje. Este material se suele moldear en un panel de plástico y se utiliza para la iluminación.
Un dispositivo llamado inversor se utiliza para suministrar corriente alterna cuando se necesita para las aeronaves ligeras. En pocas palabras, el inversor transforma la corriente continua en corriente alterna. Se pueden encontrar dos tipos de inversores en las aeronaves: inversores rotativos e inversores estáticos. Los inversores rotativos sólo se encuentran en las aeronaves más antiguas debido a su escasa fiabilidad, exceso de peso e ineficiencia.
Los inversores rotativos emplean un motor de CC que hace girar un generador de CA. Suelen ser una sola unidad y contienen un circuito regulador de tensión para garantizar la estabilidad del voltaje. La mayoría de los aviones tienen un moderno inversor estático en lugar de un inversor rotativo.
Los inversores estáticos, como su nombre indica, no contienen piezas móviles y utilizan circuitos electrónicos para convertir la CC en CA. La figura muestra un inversor estático. Siempre que se utilice CA en aviones ligeros, debe emplearse un circuito de distribución separado del sistema de CC.
Algunas aeronaves utilizan un interruptor de alimentación del inversor para controlar la alimentación de CA. Muchas aeronaves simplemente alimentan el inversor siempre que se alimenta el bus de CC y no se necesita un interruptor de alimentación del inversor. En las aeronaves complejas, se puede utilizar más de un inversor para proporcionar una fuente de alimentación de CA de reserva. Muchos inversores también ofrecen más de una salida de tensión. Dos voltajes comunes que se encuentran en los inversores de aeronaves son 26VAC y 115VAC.
Aviones multimotor ligeros
Los aviones multimotor suelen volar más rápido, más alto y más lejos que los monomotores. Las aeronaves multimotor están diseñadas para aumentar la seguridad y la redundancia y, por lo tanto, a menudo contienen un sistema de distribución de energía más complejo en comparación con las aeronaves ligeras monomotor. Con dos motores, estas aeronaves pueden accionar dos alternadores (o generadores) que suministran corriente a las distintas cargas de la aeronave.
El sistema de bus de distribución eléctrica también se divide en dos o más sistemas. Estos sistemas de bus suelen estar conectados a través de una serie de protectores de circuitos, diodos y relés. El sistema de bus está diseñado para crear un sistema de distribución de energía que es extremadamente fiable al suministrar corriente a la mayoría de las cargas a través de más de una fuente.
Alternadores o generadores en paralelo
Dado que en los aviones bimotores se utilizan dos alternadores (o generadores), resulta vital garantizar que ambos alternadores compartan la carga eléctrica por igual. Este proceso de igualar las salidas de los alternadores se suele denominar conexión en paralelo.
En general, la puesta en paralelo es un proceso sencillo cuando se trata de sistemas de alimentación de CC que se encuentran en aviones ligeros. Si ambos alternadores están conectados al mismo bus de carga y ambos alternadores producen la misma tensión de salida, los alternadores comparten la carga por igual.
Por lo tanto, los sistemas en paralelo deben garantizar que ambos productores de energía mantengan la tensión del sistema dentro de unas pocas décimas de voltio. En la mayoría de los aviones bimotores, la tensión estará entre 26,5 y 28 voltios de CC con los alternadores en funcionamiento. En la figura se muestra un sencillo sistema de punto de vibración utilizado para poner en paralelo los alternadores.
Como puede verse en la figura, los reguladores de tensión izquierdo y derecho contienen una bobina de paralelismo conectada a la salida de cada alternador. Esta bobina en paralelo trabaja en conjunto con la bobina de tensión del regulador para asegurar la salida adecuada del alternador. Las bobinas en paralelo están conectadas en serie entre los terminales de salida de ambos alternadores.
Por lo tanto, si los dos alternadores proporcionan tensiones iguales, la bobina en paralelo no tiene ningún efecto. Si uno de los alternadores tiene una salida de tensión más alta, las bobinas en paralelo crean la fuerza magnética adecuada para abrir/cerrar los puntos de contacto, controlando la corriente del campo y la salida del alternador.
Las aeronaves actuales emplean circuitos de control de estado sólido para garantizar el correcto paralelismo de los alternadores. Las aeronaves más antiguas utilizan reguladores de tensión de punto vibratorio o reguladores de pila de carbón para supervisar y controlar la salida del alternador.
En su mayor parte, todos los reguladores de pila de carbón han sido sustituidos, excepto en los aviones históricos. Muchas aeronaves siguen manteniendo un sistema de puntos vibratorios, aunque estos sistemas ya no se utilizan en las aeronaves contemporáneas.
Distribución de energía en aviones multimotor
Los sistemas de distribución de energía que se encuentran en los aviones multimotor modernos contienen varios puntos de distribución (buses) y una variedad de componentes de control y protección para garantizar la fiabilidad de la energía eléctrica. A medida que las aeronaves emplean más componentes electrónicos para realizar diversas tareas, los sistemas de energía eléctrica se vuelven más complejos y más fiables. Una forma de aumentar la fiabilidad es garantizar que se pueda utilizar más de una fuente de energía para alimentar cualquier carga.
Otro concepto de diseño importante es alimentar las cargas eléctricas críticas desde más de un bus. Los aviones bimotores, como los típicos aviones corporativos o de pasajeros, tienen dos generadores de corriente continua; también tienen múltiples buses de distribución alimentados desde cada generador.
Esta aeronave contiene dos unidades de generadores de arranque que se utilizan para arrancar los motores y generar energía eléctrica de CC. El sistema se suele definir como un sistema de distribución de energía de bus dividido, ya que hay un bus de generador izquierdo y otro derecho que dividen (comparten) las cargas eléctricas conectándose a cada sub-bus a través de un diodo y un limitador de corriente. Los generadores funcionan en paralelo y soportan las cargas por igual.
La energía primaria suministrada para este avión es CC, aunque se suministran pequeñas cantidades de CA mediante dos inversores. El diagrama de la aeronave muestra la distribución de la energía de CA en la parte superior y en el centro de la izquierda del diagrama.
Un inversor se utiliza para la alimentación principal de CA y el segundo funciona en modo de espera y está listo como reserva. Ambos inversores producen CA de 26 voltios y CA de 115 voltios. Hay un relé de selección del inversor operado por un interruptor controlado por el piloto que se utiliza para elegir qué inversor está activo.
El bus de batería caliente (lado derecho de la figura) muestra una conexión directa a la batería del avión. Este bus está siempre caliente si hay una batería cargada en el avión. Los elementos alimentados por este bus pueden incluir algunos elementos básicos como la iluminación de la puerta de entrada y el reloj de la aeronave, que siempre deberían tener energía disponible. Otros elementos de este bus serían críticos para la seguridad del vuelo, como los extintores, los cierres de combustible y las bombas de combustible. Durante un fallo masivo del sistema, el bus de la batería caliente es el último bus de la aeronave que debería fallar.
Si el interruptor de la batería está cerrado y el relé de la batería activado, la energía de la batería se conecta al bus de la batería principal y al bus de aislamiento. El bus de la batería principal transporta la corriente para el arranque del motor y la alimentación externa. Por lo tanto, el bus de la batería principal debe ser lo suficientemente grande como para transportar las cargas de corriente más pesadas de la aeronave. Es lógico colocar este bus lo más cerca posible de la batería y de los motores de arranque y asegurarse de que el bus está bien protegido de los cortocircuitos a tierra.
El bus de aislamiento se conecta a los buses izquierdo y derecho y recibe energía siempre que el bus de la batería principal esté energizado. El bus de aislamiento conecta la salida de los generadores izquierdo y derecho en paralelo. La salida de los dos generadores se envía a las cargas a través de buses adicionales.
Los buses de los generadores se conectan al bus de aislamiento a través de un fusible conocido como limitador de corriente. Los limitadores de corriente son fusibles de alto amperaje que aíslan los buses si se produce un cortocircuito. En este sistema se utilizan varios limitadores de corriente para la protección entre buses. Como se puede ver en la figura, el símbolo de un limitador de corriente se parece a dos triángulos que apuntan el uno hacia el otro.
El limitador de corriente entre el bus de aislamiento y los buses del generador principal tiene una capacidad nominal de 325 amperios y sólo puede ser sustituido en tierra. La mayoría de los limitadores de corriente están diseñados para ser sustituidos sólo en tierra y sólo después de reparar la avería que causó el exceso de consumo de corriente.
Los generadores de CC izquierdo y derecho están conectados a sus respectivos buses de generadores principales. Cada generador alimenta su respectivo bus, y como los buses están conectados en circunstancias normales, los generadores funcionan en paralelo. Ambos generadores alimentan todas las cargas a la vez. Si un generador falla o se abre un limitador de corriente, los generadores pueden funcionar de forma independiente. Este diseño permite la redundancia en caso de fallo y proporciona una batería de reserva en caso de fallo del generador doble.
Estos buses se consideran de doble alimentación ya que reciben energía de los buses del generador izquierdo y derecho. Si se produce un fallo, cualquiera de los dos buses generadores puede alimentar cualquiera o todas las cargas de un bus de doble alimentación. Durante la fase de diseño de la aeronave, las cargas eléctricas deben distribuirse uniformemente entre cada uno de los buses de doble alimentación.
También es importante alimentar los sistemas redundantes desde diferentes buses. Por ejemplo, la calefacción del parabrisas del piloto será alimentada por un bus diferente al que alimenta la calefacción del parabrisas del copiloto. Si uno de los buses falla, al menos una de las calefacciones del parabrisas sigue funcionando correctamente, y el avión puede aterrizar con seguridad en condiciones de hielo.
Observa que los buses de doble alimentación están conectados a los buses del generador principal a través de un limitador de corriente y un diodo. Recuerde que un diodo permite el flujo de corriente en una sola dirección.
La corriente puede fluir desde el bus del generador al bus de doble alimentación, pero la corriente no puede fluir desde el bus de doble alimentación al bus del generador principal. El diodo está colocado en el circuito de manera que el bus principal debe ser más positivo que el bus secundario para que fluya la corriente.
Este circuito también contiene un limitador de corriente y un disyuntor. El disyuntor está situado en la cabina de vuelo y puede ser reiniciado por el piloto. El limitador de corriente sólo puede ser sustituido en tierra por un técnico. El disyuntor tiene un valor nominal de corriente ligeramente inferior al del limitador de corriente; por lo tanto, el disyuntor debería abrirse si existe una sobrecarga de corriente. Si el disyuntor no se abre, el limitador de corriente proporciona una protección de respaldo y desconecta el circuito.
Grandes aviones multimotor
Los aviones de categoría de transporte suelen llevar cientos de pasajeros y volar miles de kilómetros en cada viaje. Por lo tanto, las grandes aeronaves requieren sistemas de distribución de energía extremadamente fiables y controlados por ordenador. Estos aviones tienen múltiples fuentes de energía (generadores de CA) y una variedad de buses de distribución.
Un avión de pasajeros típico contiene dos o más generadores de CA principales accionados por los motores de turbina del avión, así como más de un generador de CA de reserva. Los sistemas de corriente continua también se emplean en los grandes aviones y la batería del barco se utiliza para suministrar energía de emergencia en caso de fallos múltiples.
El generador de CA (a veces llamado alternador) produce CA trifásica de 115 voltios a 400 Hz. Los generadores de CA se trataron anteriormente en este capítulo. Dado que la mayoría de las aeronaves modernas de categoría de transporte están diseñadas con dos motores, hay dos generadores de CA principales. El APU también acciona un generador de CA.
Esta unidad está disponible durante el vuelo si uno de los generadores principales falla. Los generadores principal y auxiliar suelen tener una capacidad de salida similar y suministran un máximo de 110 kilovoltios amperios (KVA). Un cuarto generador, accionado por una turbina de aire de emergencia, también está disponible en caso de que fallen los dos generadores principales y un generador auxiliar.
El generador de emergencia suele ser más pequeño y produce menos energía. Con cuatro generadores de CA disponibles en los aviones modernos, es muy poco probable que se produzca un fallo eléctrico completo. Sin embargo, si se pierden todos los generadores de CA, la batería de la aeronave seguirá suministrando energía eléctrica de CC para hacer funcionar los sistemas vitales.
Sistemas de alimentación de CA - AC Power Systems
Las aeronaves de categoría de transporte utilizan grandes cantidades de energía eléctrica para una variedad de sistemas. El confort de los pasajeros requiere energía para la iluminación, los sistemas audiovisuales y la energía de la cocina para los calentadores de alimentos y los refrigeradores de bebidas. Para volar la aeronave se necesitan diversos sistemas eléctricos, como los sistemas de control de vuelo, los controles electrónicos del motor, las comunicaciones y los sistemas de navegación.
La capacidad de salida de un generador de CA accionado por el motor suele alimentar todos los sistemas eléctricos necesarios. Un segundo generador accionado por el motor funciona durante el vuelo para compartir las cargas eléctricas y proporcionar redundancia.
La complejidad de los múltiples generadores y una variedad de buses de distribución requiere varias unidades de control para mantener un suministro constante de energía eléctrica segura. El sistema eléctrico de CA debe mantener una salida constante de 115 a 120 voltios a una frecuencia de 400 Hz (±10%). El sistema debe garantizar que no se superen los límites de potencia.
Los generadores de CA se conectan a los buses de distribución adecuados en el momento oportuno, y los generadores están en fase cuando se necesitan. También es necesario supervisar y controlar cualquier energía externa suministrada a la aeronave, así como el control de toda la energía eléctrica de CC.
Para controlar la energía eléctrica en un avión grande típico se utilizan dos unidades electrónicas reemplazables por línea. La unidad de control del generador (GCU) se utiliza para controlar las funciones del generador de CA, como la regulación de la tensión y el control de la frecuencia. La unidad de control de potencia del bus (BPCU) se utiliza para controlar la distribución de energía eléctrica entre los distintos buses de distribución de la aeronave.
La GCU y la BPCU trabajan juntas para controlar la energía eléctrica, detectar fallos, tomar medidas correctivas cuando sea necesario e informar de cualquier defecto a los pilotos y al sistema central de mantenimiento de la aeronave. Normalmente hay una GCU para cada generador de CA y al menos una BPCU para controlar las conexiones del bus. Estas LRUs están ubicadas en la bahía del equipo electrónico de la aeronave y están diseñadas para ser reemplazadas fácilmente.
Cuando el piloto solicita la alimentación del generador activando el interruptor de control del generador en la cabina de vuelo, la GCU supervisa el sistema para garantizar su correcto funcionamiento. Si todos los sistemas están funcionando dentro de los límites, la GCU energiza los circuitos del generador apropiados y proporciona la regulación de voltaje para el sistema.
La GCU también supervisa la salida de CA para garantizar una frecuencia constante de 400 Hz. Si la salida del generador está dentro de los límites, la GCU conecta entonces la energía eléctrica al bus principal del generador a través de un contactor eléctrico (solenoide). Estos contactores suelen denominarse interruptores del generador (GB), ya que rompen (abren) o hacen (cierran) el circuito principal del generador.
Una vez que la energía del generador está disponible, la BPCU activa varios contactores para distribuir la energía eléctrica. La BPCU supervisa todo el sistema eléctrico y se comunica con la GCU para garantizar su correcto funcionamiento. La BPCU emplea sensores de corriente remotos conocidos como transformadores de corriente (TC) para supervisar el sistema.
Un TC es una unidad inductiva que rodea los cables principales del sistema de distribución eléctrica. A medida que la corriente alterna fluye por los cables principales, el TC recibe una tensión inducida. La cantidad de tensión del TC está directamente relacionada con la corriente que fluye por el cable. El TC se conecta a la BPCU, lo que permite una supervisión precisa de la corriente del sistema. Un avión típico emplea varios TC en todo el sistema eléctrico.
La BPCU es un ordenador dedicado que controla las conexiones eléctricas entre los distintos buses de distribución que se encuentran en la aeronave. La BPCU utiliza contactores (solenoides) llamados interruptores de enlace de bus (BTB) para la conexión de varios circuitos. Estos BTB abren/cierran las conexiones entre los buses según sea necesario para el funcionamiento del sistema, tal y como lo piden los pilotos y la BPCU.
Esto parece una tarea sencilla, sin embargo, para garantizar un funcionamiento adecuado en diversas condiciones, el sistema de bus se vuelve muy complejo. Hay tres tipos comunes de sistemas de bus de distribución que se encuentran en las aeronaves de categoría de transporte: bus dividido, bus paralelo y paralelo dividido.
Sistemas de Distribución de Energía de Bus Dividido - Split-Bus Power Distribution Systems
Los aviones bimotores modernos, como los Boeing 737, 757, 777, Airbus A-300, A-320 y A-310, emplean un sistema de distribución de energía de bus dividido. En condiciones normales, cada generador de CA accionado por el motor alimenta sólo un bus principal de CA. Los buses se mantienen separados unos de otros, y dos generadores nunca pueden alimentar el mismo bus simultáneamente. Esto es muy importante porque la corriente de salida del generador no está regulada por fase.
(Si se conectaran dos generadores desfasados al mismo bus, se producirían daños en el sistema). El sistema de bus dividido permite que los dos generadores accionados por el motor alimenten cualquier bus, pero no al mismo tiempo. Los generadores deben permanecer aislados entre sí para evitar daños. La GCU y la BPCU garantizan el correcto funcionamiento de los generadores y la distribución de la energía.
Sistemas Paralelos - Parallel Systems
Los aviones multimotor, como el Boeing 727, MD-11 y los primeros Boeing 747, emplean un sistema de distribución de energía en paralelo. En condiciones normales de vuelo, todos los generadores accionados por el motor se conectan juntos y alimentan las cargas de CA. En esta configuración, los generadores funcionan en paralelo; de ahí el nombre de sistema de distribución de energía en paralelo.
En un sistema en paralelo, toda la corriente de salida del generador debe estar regulada por fase. Antes de que los generadores se conecten al mismo bus, su frecuencia de salida debe ajustarse para garantizar que la salida de CA alcance los picos positivos y negativos simultáneamente. Durante el vuelo, los generadores deben mantener esta condición en fase para un funcionamiento correcto.
Sistemas Bus en Paralelo - Split-Parallel Systems
Un bus paralelo dividido emplea básicamente lo mejor de los sistemas de bus dividido y de bus paralelo. El sistema paralelo dividido se encuentra en el Boeing 747-400 y contiene cuatro generadores accionados por los motores principales y dos generadores accionados por la APU. El sistema puede funcionar con todos los generadores en paralelo, o los generadores pueden funcionar de forma independiente como en un sistema de bus dividido. Durante un vuelo normal, los cuatro generadores accionados por los motores funcionan en paralelo.
El sistema funciona en modo de bus dividido sólo en determinadas condiciones de fallo o cuando se utiliza energía externa. El sistema splitparallel del Boeing 747-400 está controlado por ordenador mediante cuatro GCU y dos BPCU. Hay una GCU que controla cada generador; la BPCU 1 controla la distribución de energía del bus del lado izquierdo, y la BPCU 2 controla la energía del bus del lado derecho. Las GCU y las BPCU funcionan de forma similar a las que se han analizado anteriormente en el sistema de bus dividido.
Componentes del sistema eléctrico
Interruptores - Switches
Los interruptores son dispositivos que abren y cierran circuitos. Constan de uno o varios pares de contactos. La corriente del circuito fluye cuando los contactos están cerrados. Los interruptores con contactos momentáneos activan el circuito temporalmente, y vuelven a la posición normal con un muelle interno cuando se suelta el interruptor.
Los interruptores con contactos continuos permanecen en su posición cuando se activan. Los errores peligrosos en el funcionamiento de los interruptores pueden evitarse mediante una instalación lógica y coherente. Los interruptores de dos posiciones de encendido/apagado deben montarse de manera que la posición de encendido se alcance mediante un movimiento hacia arriba o hacia delante de la palanca.
Cuando el interruptor controla elementos móviles de la aeronave, como el tren de aterrizaje o los flaps, la palanca debe moverse en la misma dirección que el movimiento deseado. El accionamiento involuntario de un interruptor puede evitarse montando una protección adecuada sobre el interruptor.
Tipos de interruptores
- Monopolar de una acción (SPST): abre y cierra un solo circuito. El polo indica el número de circuitos separados que pueden ser activados, y el tiro indica el número de vías de corriente.
- Unipolar de doble efecto (DPST): enciende y apaga dos circuitos con una sola palanca.
- Unipolar de doble efecto (SPDT): dirige la corriente del circuito a cualquiera de las dos vías. El interruptor está encendido en ambas posiciones. Por ejemplo, el interruptor enciende la lámpara roja en una posición y enciende la verde en la otra.
- De doble polo y doble tiro (DPDT): activa dos circuitos separados al mismo tiempo.
- Interruptores de doble efecto: tienen dos o tres posiciones.
- Interruptor de dos posiciones: el polo siempre está conectado a uno de los dos tiros. Los interruptores de tres posiciones tienen una posición central de desconexión que desconecta el polo de ambos tiros.
- Interruptores de muelle: disponibles en dos tipos: 1) normalmente abierto (NO) y 2) normalmente cerrado (NC). Los contactos del interruptor NO están desconectados en la posición normal y se cierran cuando se activa el interruptor. El interruptor vuelve a la posición normal cuando se libera la fuerza aplicada al interruptor. Los contactos del interruptor NC están conectados en la posición normal y se abren cuando se activa el interruptor. El interruptor vuelve a la posición normal cuando se libera la fuerza aplicada al interruptor.
Interruptores de palanca y basculantes
Los interruptores de palanca y balancín controlan la mayoría de los componentes eléctricos de la aeronave. Los aviones equipados con una cabina de cristal suelen utilizar pulsadores para controlar los componentes eléctricos.
Interruptores rotativos
Los interruptores rotativos se activan girando una perilla o eje y se encuentran comúnmente en los paneles de control de la radio. Se utilizan para controlar más de dos circuitos.
Interruptores de precisión (micro)
Los microinterruptores requieren muy poca presión para activarse. Estos tipos de interruptores están cargados por resorte, una vez que se elimina la presión, los contactos vuelven a la posición normal. Estos tipos de interruptores suelen ser unipolares de doble acción (SPDT) o bipolares de doble acción (DPDT) y tienen tres contactos: normalmente abierto, normalmente cerrado y común. Los microinterruptores se utilizan para detectar la posición o para limitar el recorrido de las piezas móviles, como el tren de aterrizaje, los flaps, los alerones, etc.
Relés y solenoides (interruptores electromagnéticos)
Los relés se utilizan para controlar el flujo de grandes corrientes utilizando una pequeña corriente. Se utiliza un circuito de CC de baja potencia para activar el relé y controlar el flujo de grandes corrientes de CA. Se utilizan para encender y apagar motores y otros equipos eléctricos y para protegerlos del sobrecalentamiento. Un solenoide es un tipo especial de relé que tiene un núcleo móvil. El núcleo del electroimán de un relé es fijo. Los solenoides se utilizan principalmente como actuadores mecánicos, pero también pueden utilizarse para conmutar grandes corrientes. Los relés sólo se utilizan para conmutar corrientes.
Solenoides
Los solenoides se utilizan como dispositivos de conmutación cuando es posible reducir el peso o simplificar los controles eléctricos. La discusión anterior sobre los valores nominales de los interruptores es generalmente aplicable a los valores nominales de los contactos de los solenoides. Los solenoides tienen un núcleo/armadura móvil que suele ser de acero o hierro, y la bobina se enrolla alrededor de la armadura. El solenoide tiene un tubo electromagnético y la armadura se mueve dentro y fuera del tubo.
Relés
Los dos tipos principales de relés son los electromecánicos y los de estado sólido. Los relés electromecánicos tienen un núcleo fijo y una placa móvil con contactos, mientras que los relés de estado sólido funcionan de forma similar a los transistores y no tienen partes móviles. La corriente que circula por la bobina de un relé electromecánico crea un campo magnético que atrae una palanca y cambia el interruptor.
Dispositivos limitadores de corriente
Los conductores deben protegerse con disyuntores o fusibles situados lo más cerca posible del bus de la fuente de energía eléctrica. Normalmente, el fabricante del equipo eléctrico especifica el fusible o el disyuntor que debe utilizarse al instalar el equipo. El disyuntor o fusible debe abrir el circuito antes de que el conductor emita humo. Para conseguirlo, la característica de la corriente de tiempo del dispositivo de protección debe ser inferior a la del conductor asociado. Las características de los protectores de circuito deben ajustarse para obtener la máxima utilización de los equipos conectados.
Esta tabla limitada es aplicable a un conjunto específico de temperaturas ambientales y tamaños de haces de cables y se presenta sólo como típica. Es importante consultar estas guías antes de seleccionar un conductor para un propósito específico. Por ejemplo, un cable tendido individualmente al aire libre puede estar protegido por el disyuntor del valor nominal inmediatamente superior al mostrado en la tabla.
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