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8/18/2019 Sist Elec Avion 3

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NOCIONES DEL SISTEMA ELÉCTRICO EN AVIACIÓN GENERAL

Alfredo Rivera V.

CONTENIDOS

1. INTRODUCCIÓN 22. DEFINICIONES 33. IDEAS GENERALES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS 54. GENERADORES 75. INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA 126. MASTER(BAT-ALT) 127. AMPÉRMETROS 138. MOTORES ELÉCTRICOS 159. BATERÍA 18

10. APU(GPU) 2011. ELIMINACIÓN DE CARGAS 2012. BIBLIOGRAFÍA 21


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1 INTRODUCCIÓN

Todos los sistemas eléctricos, ya sean los constituidos por las instalaciones de gran potencia quepermiten satisfacer la demanda energética de un país, o en una menor escala como es el caso denuestras casas, automóviles y aviones, tienen ciertos componentes comunes entre ellos y que entérminos generales se clasifican por los siguientes conjuntos de elementos:

1.1 Fuentes de energía: Corresponden a los elementos o equipos que convierten algún tipo deenergía(mecánica, hidráulica, eólica, solar, química...), en energía eléctrica. Caen en estadefinición, generadores de las centrales eléctricas, alternadores de aviación, baterías, celdassolares, etc.

1.2 Conductores y barras de distribución: Son los elementos que permiten transportar y distribuir laenergía eléctrica desde el punto de generación, hacia el punto de consumo(cargas) en laforma más eficiente posible, esto es minimizando las pérdidas de potencia y energía eléctrica.

1.3 Cargas: Son aquellos elementos, que convierten la energía eléctrica en otra forma útil deenergía, por ejemplo los motores(motor de arranque, motor de accionamiento de flaps,bombas eléctricas). También son cargas; la iluminación(luces de aterrizaje, navegación...),

equipos de navegación y comunicación, calefacción del tubo pitot....1.4 Controles y protecciones: Son los elementos que permiten mantener las variables

eléctricas(voltaje y corriente), dentro de los límites de diseño y operación. Con esta acción, sebusca evitar daños en las personas que operan el sistema y/o daños a los equipos eléctricos.Las protecciones más típicas son las de sobrecorriente, por ejemplo: los fusibles, disyuntoresautomáticos(circuit breaker), entre otros. Se debe recordar que una sobrecorriente, porsobrecarga o un corto circuito(peor aún), pueden provocar sobretemperatura en elconductor y por lo tanto, son la principal causa de los incendios eléctricos, si es que no sondetectados a tiempo. También existen protecciones para sobrevoltajes. Los controles, por otraparte, permiten operar y realizar acciones directas o indirectas(remotas), en los equiposeléctricos, a discreción y voluntad del operador o sistema automático.

Figura 1: Esquema eléctrico básico, de la generación eléctrica, en un bimotor.


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2 DEFINICIONES

Para entender ciertas actuaciones y comportamientos de los sistemas eléctricos, es necesarioconocer algunas definiciones básicas, sobre el tema en análisis.

2.1 Voltaje(V): También se conoce como tensión eléctrica o diferencia de potencial y su unidadde medida es el volt[V]. Se define como el trabajo necesario, por unidad de carga eléctrica,que se utiliza para desplazar electrones desde un punto “a” al “b”, bajo la presencia de uncampo eléctrico(Ē).

2.2 Corriente(I): Se define, como la variación de carga(electrones), a través de un conductor, enun tiempo y punto determinado. Su unidad de medida es el ampere[A].Existen 2 efectos importantes a considerar cuando circula corriente por un conductor:

- Generación de calor y por lo tanto calentamiento del conductor y su entorno.- En la vecindad del conductor, aparece un fenómeno conocido como campo

magnético(B).

La interacción del campo eléctrico y/o los campos magnéticos de los diferentes dispositivoseléctricos, será el fundamento de operación de las máquinas eléctricas.

El voltaje, comúnmente se confunde con la corriente. Si bien es cierto existe una relación entreestas 2 variables, debemos dejar en claro, que voltaje es distinto de la corriente. Por lo tanto esincorrecto decir: ”...tengo una batería con 12[V] de corriente...”. Se debe decir: ”...12[V] detensión o voltaje..”.

2.3 AC(CA, “corriente” alterna): Son aquellas señales eléctricas(V o I), que presentan unavariación periódica de su magnitud, en función del tiempo. Es decir, los electrones fluyen en

un sentido y luego en otro, repitiendo el ciclo con frecuencia constante. Como ejemplo, enChile, las tensiones de alimentación de los sistemas de transmisión y distribución, tienen unafrecuencia de 50[Hz].En este tipo de señales, es típico, el valor efectivo(rms) y frecuencia([Hz]), tanto para voltaje ocorriente, según corresponda. Son máquinas de AC, los generadores de las centraleseléctricas, alternadores, y motores de AC. La transmisión de señales de comunicación ynavegación, es posible gracias a este tipo de señales con alta frecuencia.

Señal de voltaje v(t) y corriente i(t); periódicas y sinusoidales en función del tiempo.

2.4 DC(CC, “corriente” continua): Son aquellas señales eléctricas (V o I), que presentan un valorconstante, en función del tiempo, esto es que no presenta variaciones periódicas en sumagnitud. Es decir, los electrones fluyen en una dirección durante todo el periodo de tiempo

observado.

Tiempo

v(t)

T= Periodo

T

1f =

i(t)

Ángulo Desfase


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Su valor típico, es el valor medio, tanto en [V] o [A], según corresponda. La batería de 12 o24[V], corresponde a una fuente de tensión continua. El sistema eléctrico en los aviones ligeros,esta diseñado para operar con fuentes de DC.

En forma particular, la corriente en un sistema de DC, se puede calcular de acuerdo a lasiguiente relación:

I = V[V] ÷ R[Ω]= P[W] ÷ V[V] R: resistencia eléctrica a DC, se mide en Ohm[Ω]

Por ejemplo un equipo cuyos valores nominales(o de placa) son: 60[W], 12[V]DC, tiene comocorriente nominal:

I [A] = 60[W] 12[V] = 5[A]

I[A]V[V]P[W] ⋅=

2.5 Potencia eléctrica(P): Se define como la variación de energía eléctrica(consumida ogenerada), en un tiempo determinado. Esto significa que si un equipo es más potente que

otro, el de mayor potencia, puede consumir o generar, la misma energía en menor tiempo. Suunidad de medida es el Watt[W].

P[W] = V [V] • I [A] (1) (1): Sólo para el caso de DC, ya que en AC se deben considerar otros aspectos y parámetros paracalcular la potencia(por ejemplo el desfase(o fase) temporal, entre las señales de tensión y corriente).

2.6 Energía eléctrica(E): Es la unidad equivalente al trabajo en los sistemas mecánicos. La unidadde medida, es el Joule[J]. Sin embargo, en términos eléctricos, la unidad de medida máscomún es el [Wh]( kWh, MWh) e indirectamente para las baterías el ampere-hora[Ah].

Desde el punto de vista eléctrico, se puede explicar de la siguiente forma:Suponga que tiene una ampolleta de 100[W], si la ampolleta está conectada a una fuente detensión, por 10 horas, entonces:

P[W]=100[W], potencia que consume la ampollleta, en 10 horas.E[Wh]= 100[W]•10[hora]=1000[Wh]=1[kWh], energía consumida, en 10 horas por la ampolleta.

Esto significa, que alguna fuente del sistema, tuvo que generar 100[W] de potencia, y1000[Wh] de energía, en un periodo de tiempo, igual a 10 horas.

Esta variable, es importante manejarla especialmente, para las fuentes que no poseen unacapacidad “infinita” de generación, como es el caso de las baterías.

Variable eléctrica Símbolo Unidad Equivalente mecánico hidráulicoCarga q Coulomb

Corrriente I Ampere FlujoVoltaje V Volt Presión

Potencia P Watt PotenciaEnergía E Watt-segundo Energía

Tabla 1: Cuadro de equivalencias entre variables eléctricas y mecánicas

2.7 Circuito serie: Si dos o más elementos eléctricos, se interconectan de tal forma que circule lamisma corriente por ellos, entonces estos elementos, están en un circuito serie.


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2.8 Circuito paralelo: Si dos o más elementos eléctricos, se interconectan de tal forma que entresus terminales existe el mismo voltaje, entonces estos elementos, están en un circuito paralelo.

3 IDEAS GENERALES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

El proceso de conversión electromecánica de energía, está presente a diario en nuestras vidas. Losdispositivos de conversión de energía más importantes, son aquellos que se emplean para laconversión de energía eléctrica en mecánica y viceversa.

En este proceso, en el cual intervienen el campo eléctrico o el campo magnético, existen distintostipos de dispositivos de conversión y que dependiendo de su función, se pueden clasificar en:

3.1 Transductores: Convierten señales de baja potencia eléctrica en movimiento o vibracionesmecánicas relativamente pequeñas(por ejemplo, micrófonos, parlantes, sensores...)

3.2 Productores de fuerza lineal: Los que a través de señales eléctricas producen cambios deestado(abierto o cerrado) de interruptores eléctricos, por ejemplo; el solenoide, electroimanes,relés, válvulas electromecánicas....

3.3 Equipos de conversión continua de energía: Como es el caso de motores y generadores.

En el caso de generadores, se transforma energía mecánica en eléctrica.En el caso de motores, se transforma energía eléctrica en mecánica.

En teoría, el proceso de conversión continua es reversible, por lo que bajo ciertas condicionesespeciales, un generador podría funcionar como motor y viceversa.

La conversión de energía, depende de la existencia de fenómenos que relacionan el (B) y (E), más lafuerza y movimiento desde el punto de vista mecánico. Estos fenómenos, son básicamente lossiguientes:

-

Generación de Voltaje: Un voltaje se induce en una bobina, cuando existe uncambio en el flujo magnético que enlaza esta bobina(Ley de Faraday). En el casode las máquinas rotatorias, el voltaje inducido(V rotacional) es con causa delmovimiento relativo entre la bobina y el campo magnético.

- Fuerza electromagnética, sobre materiales ferromagnéticos: Es el principiofundamental de la actuación de solenoides, válvulas electro-hidráulicas. Laanalogía es como un imán actúa sobre un material ferroso.

- Fuerza sobre un conductor: Principio aplicado a las máquinas rotatorias(Ley deLorentz), el que explica como una fuerza actúa sobre un conductor que transportacorriente, estando sometido a la acción de un campo magnético.

Los motores y generadores eléctricos, poseen dos componentes mecánicos que alojan a las bobinasque interactúan en la conversión electromecánica:

- Rotor: Es el componente giratorio, de un motor o generador. En el caso de un generador, elrotor gira, gracias a una fuente externa de energía mecánica o máquinaimpulsora(turbina, motor mecánico...). Aloja en algunos casos, una bobina de campo(porejemplo en máquinas de generación AC), o puede alojar a imanes permanentes(porejemplo; algún tipo de magnetos(3)). En motores DC, aloja a la armadura que es la bobinapor donde circula la corriente que interactúa, con la bobina de campo. El rotor, estáconstituido por láminas de fierro, cuya finalidad es confinar el flujo magnético, dentro deuna zona geométrica determinada. La alimentación eléctrica al rotor, se realiza medianteanillos deslizantes(generador AC) o mediante conmutadores y colectores(motor DC). Parageneradores, la frecuencia eléctrica de la señal generada, se rige por la siguiente relación:

fe[Hz]=(p)•(n’[rpm])/60


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p=pares de polos, n’ = velocidad rotor[rpm], siendo la velocidad del rotor, proporcionala la velocidad de la máquina de impulsora(avión: relación entre poleas y correa).

- Estator: Es el componente estacionario, de un motor o generador. Aloja en algunos casos a

la bobina de campo(motores DC, generalmente), o puede alojar a la bobina dearmadura(generadores AC), por donde se obtiene la tensión generada y potencia desalida de la máquina. El cuerpo de alojamiento(zapata) también está constituido porláminas de fierro, como es en el caso del rotor.

(3): La diferencia con los magnetos, que no tienen nada que ver con el sistema eléctrico del avión, es que elmagneto no requiere corriente de campo para generar tensión, ya que el rotor del magneto lo constituyenimanes permanentes que al girar, crean el campo giratorio.

Los dispositivos electromagnéticos de conversión de energía, poseen entrehierros en sus circuitosmagnéticos, que es la distancia mecánica, entre el núcleo de fierro del rotor y el núcleo de fierro delestator. La reluctancia(“resistencia” a que circule flujo magnético) del entrehierro(aire), es mayor quela del material ferromagnético, por lo que la mayor parte de la energía, se orienta a mantener el

campo magnético en el entrehierro.

De acuerdo a lo anterior, es posible resumir:

- Debe existir un conjunto de bobinas(inducido), donde se genere el voltaje. Para el caso demáquinas DC, en el rotor, para máquinas AC, en el estator.

- La creación de un campo magnético, será de acuerdo al tipo de máquina y su tamaño.En máquinas pequeñas, se utilizan imanes permanentes. La participación de una bobinade campo será fundamental. Para el caso de máquinas de DC, el campo estará en elestator y en las máquinas de AC, en el rotor.

- Las bobinas de campo y de inducido, se devanan o enrollan, sobre núcleos de fierro, conel fin de minimizar las pérdidas de densidad de flujo magnético, confinándolo al interior delnúcleo de la bobina(núcleo laminado).

- Desde un punto de vista magnético, la acción de la máquina puede considerarse, comoel resultado de la acción recíproca, entre 2 campos magnéticos que tienden a alinearse.

Figura 2: Rotor y estator en máquinas eléctricas de AC y DC.

estator

rotorbobina de estator

cam o o inducido

bobina de rotor

cam o o inducido entrehierro


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4 GENERADORES

El generador, es una máquina eléctrica, que convierte continuamente energía mecánica rotacional,en energía eléctrica. Por definición, el alternador de aviación general es un generador de AC, cuyatensión de salida, es convertida(rectificada) en tensión DC, para alimentar sistemas eléctricos de DC.En la práctica, la mayoría de los aviones poseen alternador, con preferencia a la usanza de 35 a 40años atrás, con los populares dínamos o generadores de DC. El rotor del alternador, es impulsado porel motor mecánico del avión, cuyo acoplamiento se realiza mediante un sistema de poleas y correa.

Se debe considerar, que en vuelo o carreteo, el alternador es la fuente primaria de energía. Labatería, será una fuente secundaria, que sólo existe para el chequeo de prevuelo, accionar el motorde partida e inicialmente alimentar el campo del alternador. Eventualmente, la batería sólo seráutilizada en caso de presentar falla la fuente primaria de energía eléctrica.

El principio de funcionamiento del alternador, se fundamenta en los procesos de conversión continuade energía electromecánica. Para que exista una tensión inducida(voltaje generado), es necesaria laexistencia, de un campo magnético variable en el tiempo(ley de Faraday). Esto es posible de variasformas, siendo las más conocidas:

- Una bobina giratoria, dentro de un campo magnético constante. Con esto, y desde elpunto de vista de la bobina, existirá un campo variable, existiendo así, las condicionesrequeridas para generar una tensión inducida en los terminales de la bobina.

- Una bobina estacionaria, al interior de un campo magnético variable. En nuestro caso, setrata de un campo giratorio, generado por otra bobina(de campo) ubicada en el rotor dela máquina.

Figura 3: Máquina de AC, dispuesta como generador

bobinas del inducido enestator

a a'

b

b'

c

c' rotor con bobinade campo


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En el alternador, el campo variable es creado por el rotor girando y con excitación. La magnitud dela corriente de campo, debe ser suficiente, para establecer el flujo magnético en el entrehierro, y deesta manera, cerrar el circuito magnético(líneas de flujo).

Al comenzar a generar y entregar potencia, la corriente de armadura, genera un nuevo campo, quereacciona con el campo generado por el rotor y cuya superposición origina un campo resultante.Como efecto de lo anterior, se presenta un flujo magnético menor, y por lo tanto una menor tensióninducida. Esta caída de tensión, es posible corregirla, con la regulación de la corriente de campo,con el fin de mantener el voltaje, dentro de los límites precalculados.

Por lo tanto, al controlar la corriente de campo, es posible regular la tensión de salida del alternador yque en la práctica, se realiza con el regulador de voltaje. Los reguladores de voltaje, pueden ser:

- Dispositivos que utilizan resistencias variables, para regular la corriente de campo.- Dispositivos que utilizan semiconductores(estado sólido), para el control de la corriente de

campo.

El regulador, ajusta un nivel de voltaje, levemente superior al nominal de la batería. En el caso debaterías de 12[V], el regulador ajustará en 14[V], y en el caso de baterías de 24[V], el regulador

ajustará en 28[V]. Este ajuste superior, es para garantizar que el flujo de energía, sea desde elalternador hacia las cargas y batería, durante el régimen de carga.

Si el regulador de voltaje falla, existen dos efectos:

- Desajuste en sobre tensión; tiene como resultado un exceso de carga de la batería, con laprobabilidad de recalentamientos, e incluso explosión de ésta. Los equipos electrónicos,también pueden ser afectados con esta situación. En algunos aviones, existe una luz desobre voltaje, que permite advertir sobre esta condición.

- Desajuste en baja tensión; no se cumple la función de cargar la batería, y además esposible que las cargas, no sean alimentadas desde el alternador.

En resumen, para el alternador de una aeronave de aviación general:- El campo magnético giratorio, es generado por una bobina ubicada en el rotor, la que es

alimentada por anillos deslizantes con corriente DC.

Del párrafo anterior, es posible deducir que si no existe corriente de campo(ALT=OFF), no existetensión de salida en la armadura del alternador, o sea no hay potencia disponible desde elalternador, a pesar que el rotor esté girando. Evidentemente si el rotor no gira(correa demasiado flojao sin correa), tampoco existe generación de tensión.

Una vez que existe generación desde el alternador, si es que el campo está en paralelo con laarmadura(estator), que es lo que normalmente sucede en el alternador de aviación general, éstequeda operando con auto-excitación de campo. En teoría, si el interruptor de batería(BAT) es

cortado(OFF), las cargas serán alimentadas directamente desde el alternador. Lo anterior no es muyrecomendable, ya que la batería, funciona como un filtro natural para sobretensiones, especialmentelas de alta frecuencia, lo que permite evitar daños, a los equipos sensibles a este tipo de problema.No obstante si la batería presenta una falla, como por ejemplo descarga o presumible explosión, éstadebe ser aislada del sistema.

Hasta aquí, hemos demostrado como se genera y controla la tensión AC, en las bobinas del estatordel alternador. Como ya sabemos, la mayoría de los aviones utilizan un sistema diseñado para DC,luego es necesario utilizar los componentes respectivos para “convertir” la señal alterna, en señalcontinua.


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Los elementos semiconductores, permiten que circule corriente en un solo sentido, lo que se acerca alo deseado en un sistema de DC. Particularmente, un tipo de semiconductor, son los diodos(existenotros como transistores, tiristores), (ver figura 6).

Figura 4: Anillos deslizantes con escobillas(carbones) no alineados.

Figura 5: Alternador convencional


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Figura 6: Circuito eléctrico de un alternador y sus componentes principales.

Figura 7: Formas de onda para la tensión de salida en un alternador.

b a r r a

p r i n c i p a l d e

1 2

o

2 4 [ V ]

regulador de

voltaje

A

ALT

bobina de campoen rotor

rectificador

Tensiones trifásicas de salida en estator de un alternador

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

Tiempo

T e

n s i ó n

Tensión salida alternador sin condensador paralelo

Tiempo

T e n s i ó n

Tensión de salida en alternador, con filtro C


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El estator, está compuesto por tres bobinas, cuya ubicación espacial, permite que la generación en elestator, esté compuesta por tres señales, desfasadas en 120º eléctricos entre c/u de ellas.El puente rectificador, indicado en la figura permite obtener una forma de onda similar a la indicadaen la figura 7, lo cual sólo es posible visualizar a través de un instrumento conocido como osciloscopio.La señal rectificada, puede ser analizada de la siguiente forma:

- Componente DC: Es aquella utilizada para operar los equipos y cargas, diseñados paraeste tipo de energía eléctrica.

- Componente AC: Son los valores de tensión(ripple) cuyo aporte es mínimo a la transmisiónde potencia en DC. Genera un inconveniente: ruido. Se asocia también, a lascomponentes de frecuencia distintas de cero(armónicas).

La idea será entonces, minimizar el ripple de la señal de salida, siendo el método más conocido lautilización de un condensador conectado en paralelo con la armadura del alternador. Esto tambiénse conoce como filtro pasa bajo. Otra alternativa como un filtro pasa bajo, es utilizar unainductancia(bobina) en serie con la armadura, cuyo resultado es similar al utilizar el condensadorparalelo.

El condensador( C ), debido a sus características naturales, permite tener una señal “alisada”, con unmínimo de ripple. Como segundo efecto, actúa como filtro pasa bajo, esto es:

- El C para bajas frecuencias(DC), actúa como un “circuito abierto”, por lo tanto dejatransmitir sólo potencia con componente de (DC).

- El C, para altas frecuencias, actúa con un valor de impedancia (4) muy bajo, por lo que“atrapa” la componente alterna de alta frecuencia(ripple), no inyectándola hacia lascargas del sistema.

- Por lo tanto, el C debe estar lo más cercano posible al alternador y sus valores varían entre0,5 y 50[µF], de acuerdo a cada sistema y alternador.

De lo anterior, se puede desprender que el alternador, tiene como desventaja, la inyección de ruido

eléctrico(interferencia electromagnética), en caso de falla del sistema rectificador, afectando enforma más aguda a los equipos de navegación y comunicación.

(4): Se habla de impedancia, cuando la frecuencia de la señal eléctrica es distinta de cero, o sea no es DC, por lotanto en el caso de una batería y su carga, por ejemplo, en estricto rigor, no es posible hablar de impedancia.

Las ventajas del alternador son:

- Mayor relación potencia/peso respecto a su primo el dínamo.- A bajas rpm, el alternador puede mantener una potencia de salida similar que a altas rpm,

siendo otra ventaja más respecto al dínamo.- En el alternador, los únicos contactos móviles(anillos deslizantes más escobillas de carbón)

alimentan la corriente de campo, del orden del 5% de la corriente de armadura. En eldínamo, la armadura está en el rotor, cuyos contactos móviles, están en un complicadosistema de conmutación mecánica, para poder obtener la tensión continua de salida,cuyo resultado será un equipo que necesita mayor mantenimiento y por tanto tiene(eldínamo), una mayor probabilidad de falla que el alternador.

Las desventajas el alternador son:

- Podría generar ruido(eléctrico), en caso de las fallas antes descritas. Si es que existe ruido,en los equipos de comunicación, es posible descartar la fuente de origen, dejando que elsistema eléctrico se alimente por algunos instantes, sólo desde la batería(actuando sobreel campo del alternador para que éste no genere potencia). Si el ruido persiste, entoncesel problema no está en el alternador.


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- Corriente de campo de partida, es necesaria desde una fuente externa, de lo contrario elalternador no genera. Por esto, será importante el estado de la batería, en el proceso dearranque del motor. Algunas máquinas, generalmente de alta potencia, poseen unmagnetismo residual o remanente en su circuito de campo. No siempre será garantía deauto-excitación, por lo que no es recomendable considerar la presencia de estefenómeno en nuestro caso.

5 INTEFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA

Al conocer el principio de funcionamiento del alternador, es posible tener un diagnóstico, frente aruidos en equipos de comunicación, siendo las causas más probables, las siguientes:

- Falla del condensador de filtro; esto significa que una de las funciones del C, no está

siendo cumplida y por lo tanto la componente alterna de la generación del alternador,está siendo inyectada hacia las cargas (acoplamiento).

- Falla del circuito rectificador; si falla un diodo, la forma de onda (figura 7) se distorsionaaún más, aumentando la magnitud del ripple, teniendo como resultado mayor ruido.

- Corrosión en los contactos de salida; un cambio de impedancia en el contacto, ya quepara la componente alterna, una mayor impedancia, implica que la corriente tiende ainyectarse en mayor magnitud, por el circuito de carga. Especialmente, esta situaciónocurre en los bornes de la batería, la cual, como ya se dijo, actúa como un filtro natural dealta frecuencia.

En estos tres casos, se tiene un problema de interferencia conductiva, a través de los conductoreseléctricos.

Existe otro caso de ruido, que se conoce como interferencia por radiación. Esto es cuando los propiosconductores actúan como antenas, atrapando e inyectando señales de alta frecuencia, hacia elsistema eléctrico del avión. Como solución, se dispone la utilización de cables con pantallaelectrostática, la cual es conectada a la estructura del avión.

6 MASTER (BAT-ALT)

La mayoría de los aviones, tienen interruptor master dividido(BAT-ALT):

- BAT: Generalmente alimenta al solenoide de control, que cierra o abre, el circuito depotencia, que permite conectar la batería, con la barra principal(main bus).

- ALT: Este interruptor permite que circule corriente por la bobina de campo del alternador,al estar en posición ALT=ON. Si además gira el rotor, entonces debe existir generación. Si elinterruptor está cerrado (ALT=ON) y el rotor está detenido, no existe generación. Si el rotorgira, y el interruptor está cortado(ALT=OFF), tampoco existe generación. En promedio, elcircuito de campo tiene entre 2 y 3[A] de consumo, por lo que frente a una falla dealternador, se debe mantener cortado el ALT, para disminuir la carga(o descarga) desdela batería.

Aquí se debe aclarar el uso de los solenoides. Los solenoides, permiten controlar a distancia, la

operación de apertura o cierre de interruptores, con el resultado final de tener en la cabina, sólo


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corrientes débiles(o de control) y no las asociadas a los circuitos de potencia o de alta magnitud.Normalmente, se controlan a distancia con solenoides: el circuito de potencia de la batería, elcircuito de encendido del motor de partida, motor de tren, motor de flaps, etc.

7 AMPÉRMETROS

Son instrumentos, que permiten medir la magnitud de la corriente eléctrica. Es prácticamente, elúnico instrumento al interior de la cabina, que indica variables eléctricas. También es posibleconsiderar a la luz de advertencia de sobre voltaje, y la luz del panel anunciador del alternador. Sinembargo, con el ampérmetro, será posible “predecir” algunas actuaciones del alternador.

El ampérmetro, está constituido por un galvanómetro, el cual es un dispositivo electromecánico, quepermite ver el movimiento de una aguja, montada en un sistema de resortería, cuyo ángulo dedeflexión, es proporcional al valor medio de la corriente que circula por el instrumento. Otra ventajaque posee es la posibilidad de conocer el sentido de circulación de la corriente.

Especial cuidado se debe tener con indicaciones extremas, es decir, full carga o carga cero. Paraprobar un alternador, se debe tener en cuenta, que tipo de ampérmetro posee la aeronave, ya quesu interpretación, será diferente bajo los siguientes conceptos:

a) Ampérmetro con cero central

Figura 8: Ampérmetro de cero central y su conexionado típico.

F

solenoide

batería

+

b a r r a


1 2

o

2 4 [ V ]

ALT

A

BATERÍA

regulador de

voltaje

MASTER ALT

MASTER BAT

0 +30-30

AMPS DC


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Los ampérmetros con cero central, están conectados en serie con la batería(ver figura 8). Por lotanto, si el flujo de energía “va” hacia la batería, lo que significa que la batería se está cargando yque el alternador está trabajando en forma correcta, la indicación del instrumento, será mayor quecero. Normalmente, esta situación debe ocurrir, inmediatamente posterior al arranque del motor , conel fin de cargar la batería, por la energía entregada durante el tiempo de accionamiento del motorde arranque.

Si la indicación es igual a cero, lo cual no significa que no exista carga conectada en la barraprincipal, o que el alternador esté con una falla, se debe interpretar como sigue:

- Por el circuito de la batería, no existe circulación de corriente y toda la carga, se estáalimentando desde el alternador. Por lo tanto esta es una condición normal, mientras no seesté cargando la batería.

Si la indicación es menor que cero,:

- Significa que la batería está entregando su propia energía, hacia las cargasconectadas en la barra. Por lo tanto el alternador no está funcionando y se debe proceder

con el chequeo de emergencia para esta condición.

b) Ampérmetro con cero a la izquierda

Figura 9: Ampérmetro de cero a la izquierda y su conexionado típico.

F

solenoide

batería

+

b a r r a


1 2

o

2 4 [ V

]

ALT A

BATERÍA

regulador de

voltaje

MASTER ALT

MASTER BAT

30 +600

AMPS DC


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- La vida útil depende del diseño: Existen motores cuya vida útil es del orden deminutos(proyectil militar), 30 años para las máquinas de una central eléctrica de altapotencia y 500 a 1000 horas, para motores y alternadores de aviación.

Como ejemplo, de motores de régimen permanente, se puede mencionar a los accionamientos de:bombas de combustible(booster), bombas hidráulicas, accionamientos de flaps, trenretráctil(eléctrico).

Un accionamiento muy importante de corto régimen de operación, es el motor de partida o dearranque(starter).

El motor de arranque, es un motor de 14 o 28[V], según corresponda a la tensión nominal del sistema.A diferencia del alternador, la armadura está ubicada en el rotor y el campo está ubicado en elestator. También el campo puede estar conectado en serie con la armadura, a diferencia delalternador, cuyo campo está en paralelo con la armadura. Se utiliza el campo serie, cuando esnecesario tener un gran torque de partida, como es el caso de un motor eléctrico que debe sacaruna gran inercia desde el reposo; esto es el cigüeñal y todos los componentes del motor mecánico. Elstarter se conecta con el motor del avión, a través de un elemento mecánico denominado volante,

que es una rueda dentada y solidaria al eje cigüeñal.

El principio de funcionamiento, se fundamenta en los conceptos de la conversión electromecánicade energía. La ley de Lorentz, nos hace recordar que:

“La fuerza que actúa sobre una carga en movimiento(q), al interior de un campo magnético, serelaciona de la siguiente forma:”

Bvq F ×⋅= : Considerando despreciable la intervención del campo eléctrico

Siendo:

- q: carga eléctrica(por un conductor)- v: vector velocidad de la carga eléctrica- B: densidad del campo magnético

Figura 10: Fuerza sobre un conductor, que transporta corriente eléctrica, al interior de un campomagnético.

vxB

vxB


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En breves palabras, al aplicar esta ley, se conoce el fundamento de la conversión continua deenergía electromecánica para los motores de este tipo. Considere una espira unida a un eje(rotor),por la cual se inyecta una corriente DC(figura 10). Además, suponga que la espira está al interior deun campo magnético. Al circular cargas(corriente), por el conductor de la espira y aplicando la Ley oFuerza de Lorentz, el efecto sobre la espira, será una fuerza tangente al eje radial de la espira. Estafuerza, tendrá como resultante un torque, cuya tendencia será hacer girar la espira. En los motoresreales, se utilizan varias espiras aisladas, por las que circule la corriente de armadura. Estas espiras, queconforman la bobina de armadura, permiten crear campos magnéticos, mucho más intensos, por lotanto, una mayor conversión de energía electromecánica, es decir, un motor eléctrico, con mayorpotencia mecánica.

Figura 11: Esquema eléctrico del motor de arranque típico.

Como es posible apreciar en la figura 11, el motor de partida es accionado a través de un solenoide,el cual a su vez, es energizado desde la chapa de contacto. Este solenoide es muy importante dentrode su función, ya que por sus contactos principales, circula la corriente de alimentación al motor, quepuede ser de decenas de [A] por algunos segundos. Es posible que si el solenoide se queda pegado,es decir sus contactos principales cerrados, aún estando desenergizado el solenoide de partida(sincontacto desde la chapa), bastará con sólo dar el master(BAT) para que el motor de arranque, seaconectado a la barra principal, con las consecuencias imaginables, si existe gente u otro elementodentro del radio de giro de la hélice.

El cuidado principal en este tipo de máquina, es considerar que su diseño no es para trabajocontinuo. Debe ser operado sólo por algunos segundos y se debe considerar al manual de cadaavión donde se recomienda el máximo de segundos para ser accionados y además, el tiempo que

F

M.P.=STARTER solenoide starter

solenoide

batería

+

b a r r a


1 2

o

2 4 [ V

]

ALT A

regulador de

voltaje

MASTER ALT

MASTER BAT

M.P.

CHAPA DECONTACTO


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se debe dejar entre cada intento de encendido. De no respetar este ciclo, es posible tener sobrecalentamiento, en las soldaduras de bobinas o terminales de contacto, provocando que estas sesuelten. En esta condición, el motor prácticamente, podría auto-destruirse.

A medida que los conductores eléctricos se calientan, la resistencia eléctrica disminuye aún más, porlo que tendremos un efecto avalancha, en la corriente de armadura. Esto sin duda, también dañaráal motor.

Un tipo de acoplamiento mecánico, entre el motor de arranque y el motor del avión, es conocidocomo unidad Bendix, el cual actúa por una combinación del efecto tornillo y la inercia propia delrotor. La acción de tornillo, impulsa hacia adelante el rotor del motor, engranándolo con los dientesdel volante del motor. Una vez que en el volante, se alcanza una velocidad superior a la nominal delmotor eléctrico, este se desengancha desde el volante.

Figura 12: Motor de arranque con sus componentes típicos.

9 BATERÍA

Las baterías, sólo generan tensión DC. Las baterías, son fuentes de tensión, que transforman energíaquímica en energía eléctrica. El alternador, debe ser la fuente primaria tanto en vuelo como encarreteo, es decir mientras el motor alternativo, esté en marcha.

La batería, será una fuente secundaria, que sólo existe para el chequeo de prevuelo, accionar elmotor de partida e inicialmente, alimentar el campo del alternador. Eventualmente, en condición defalla, la batería sólo será la reserva de la fuente primaria de energía eléctrica

Las baterías se componen de celdas, que pueden ser de diferentes componentes, siendo la máscomún, la de plomo y ácido, con la alternativa de las de níquel-cadmio(Ni-Cd), siendo diferenciadas

en el plan de mantenimiento aplicado. La batería, convierte energía química en eléctrica, mientras


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exista una carga conectada entre sus terminales(bornes). Si la batería, está sometida a un proceso decarga, con una fuente eléctrica de tensión externa(alternador, cargador en tierra), ésta almacenaráen sus celdas, energía química. El proceso químico, involucra a dióxido de plomo en las placaspositivas, y una solución de ácido con agua(electrolito).

Para determinar el estado de carga de las baterías, no es suficiente con medir voltaje entre susterminales. Una forma de establecer, el estado de carga en forma confiable, es medir la densidadespecífica del electrolito. El instrumento, se denomina densímetro. Para entender, la batería algenerar energía eléctrica, transfiere ácido desde el electrolito hacia las placas. El ácido, posee unamayor densidad que el agua, de modo que la pérdida de ácido, crea una disminución de ladensidad específica del electrolito. Por lo tanto, la medición de la densidad, es una medidaproporcional al estado de carga de la batería. Se debe mencionar, que la densidad dependetambién de la temperatura, por lo que es necesario, corregir las mediciones, en función de latemperatura del electrolito.

Las baterías, tienen 2 parámetros importantes de selección y de diseño. Estos son el voltaje(V) y laenergía(carga, [Ah]=ampere-hora) disponible para entregar.Los [Ah], es una medida indirecta de la energía almacenada(carga) de la batería, ya que considera

un voltaje constante nominal y que además, existan las condiciones de conservación ideales para elelectrolito.

Se debe conocer, el valor de los [Ah] de la batería, según el manual del avión, para determinar laenergía remanente disponible, en caso de una falla del alternador(fuente primaria).

Tiempo remanente de energía[hora]= (Carga[Ah]) ÷ (Corriente de cargas[A]) (2)

A]Corriente[

[Ah]Cargahoras]Remanente[[Tiempo =

Por esto es necesario, conocer los valores típicos de consumo en [A], de equipos de radio,

navegación, tren, flaps, etc. Además averigüe de cuantos [Ah] es la batería del avión que ustedvuela.

Por ejemplo, se dispone de una batería de 30[Ah], es posible considerar las siguientes situaciones:

- Consumir 30[A]x(1 hora): a tensión nominal(2) - Consumir 60[A]x(0,5 hora): a tensión nominal(2) - Consumir 10[A]x(3 horas): a tensión nominal(2)

(2): Se debe tener presente, que estos valores consideran condiciones ideales para el electrolito y que lacarga acumulada, es inversamente proporcional a la temperatura ambiente, ya que a menortemperatura, la reacción química al interior de la batería es más lenta. Será sano, entonces, considerarun factor de seguridad del orden del 50%. Los equipos de comunicación y navegación, son los mássensibles a no funcionar con voltajes menores que el nominal.


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10 APU(Unidad Auxiliar Eléctrica)

La APU es utilizada para asistir la operación de arranque del motor, en condiciones anormales. Esimportante, entender que estas condiciones anormales, son referidas al sistema eléctrico,específicamente a la batería. Se deben considerar, ciertas condiciones a cumplir, para operarconectado con una APU.

- Desconectar master de BAT, y aviónica(desconectar toda la carga posible)- Comprobar que la polaridad de la APU, sea la correcta(chequear la correcta posición del

enchufe). Existen algunos aviones, que tienen una protección de polaridad inversa, esto secomprueba en los planos del esquema eléctrico, adjunto en el manual delavión(normalmente capítulo 7).

- Evitar la utilización de APU, cuando la batería esté muy descargada. Esta condición,puede hacer trabajar en exceso al alternador una vez en marcha el motor, con lasconsecuencias esperadas de sobrecarga.

- Existen APU, con salidas variables en voltajes DC(14 o 28 [V]). Chequear que el voltajeseleccionado, sea el correspondiente al sistema nominal de la aeronave.

Al utilizar la APU, se energiza un solenoide, sólo con el hecho de conectar la fuente externa. Alenergizar este solenoide, se establece inmediatamente la condición para que el sistema eléctrico ybarra principal, sea alimentado desde la GPU. Por esta razón es necesario desconectar la batería dela barra principal, ya que de lo contrario, existe el riesgo de poner en paralelo las dos fuentes detensión, estableciendo el riesgo de destruir la batería(asumiendo que ésta se encuentra con pocacarga).

Como nota al margen; no todos los aviones livianos, tienen la posibilidad de conectar una APU.

11 ELIMINACIÓN DE CARGAS

Al ocurrir una falla en la fuente principal, la batería será la única fuente de energía. En esta condición,debemos recordar que existe un límite restringido por la carga acumulada en este dispositivo.

Dependerá del criterio de cada piloto, conocer y mantener una lista de prioridades, de los equipos abordo, con el fin de mantener energizados los equipos estrictamente necesarios para el tiempo devuelo remanente.

Como ejemplo, se puede mencionar lo siguiente:

- Luces, generalmente tienen un alto consumo de corriente.- Si es un vuelo IFR, intentar mantener instrumentos de vuelo y/o calefactor pitot.- Mantener energía para operar el tren de aterrizaje o flaps(aterrizaje).

- En general, los equipos de comunicación consumen más energía durante la transmisiónque en la recepción.


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12 BIBLIOGRAFÍA

- “Sistemas de aeronaves”, David Lombardo, editorial Paraninfo, 1994.- Manuales de operación del piloto(POH), de diversos aviones del Club Aéreo de Santiago.- “Máquinas Eléctricas”, Fitzgerald, Kingsley, Umans, editorial McGraw-Hill, 5ª edición, 1999.- “Fundamentos de Ingeniería Eléctrica”, Fitzgerald, Higginbotham, Gravel, editorial

McGraw-Hill, 4ª Edición, 1976.- www.avweb.com : diversos artículos de este sitio en Internet.

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