BRPI0709360B1

BRPI0709360B1 - sistema de partida e de geração para uma aeronave

Info

Publication number: BRPI0709360B1
Application number: BRPI0709360A
Authority: BR
Inventors: Karipides David; Tsui David; Huang Hao; Abbas Mohamed
Original assignee: Ge Aviation Systems Llc
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2018-10-09
Also published as: BRPI0709360A2; JP5450048B2; JP5681678B2; US20070222220A1; CA2646041A1; CN101449052B; JP2012235691A; CA2915144C; US7508086B2; WO2007111970A2; US7821145B2; JP2009531015A; EP2002115B1; CA2646041C; CN102287305B; EP2002115A2; CN101449052A; CA2915144A1; CN102287305A; US20090174188A1

Abstract

<b>motor de partidalgerador do motor de uma aeronave e controlador<d>. um sistema de partida e de geração para uma aeronave inclui um motor de partida/gerador, o qual inclui uma máquina principal, um excitador, e um gerador de magneto permanente. o sistema também inclui um inversor/conversor/controlador que é ligado no motor de partida/gerador e que gera uma energia ac para acionar o motor de partida/gerador no modo de partida para iniciar um ente móvel primário da aeronave, e que converte a energia ac, obtida do motor de partida/gerador após o ente móvel primário ter sido iniciado, em energia dc, no modo de geração do motor de partida/gerador. o excitador inclui um estator e um rotor, e sendo que o rotor do excitador inclui um enrolamento ac trifásico.

Description

(54) Título: SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO PARA UMA AERONAVE (51) lnt.CI.: F02N 11/04; H02P 9/00 (30) Prioridade Unionista: 14/06/2006 US 11/452,236, 24/03/2006 US 60/785,363 (73) Titular(es): GE AVIATION SYSTEMS LLC (72) Inventor(es): HAO HUANG; DAVID KARIPIDES; MOHAMED ABBAS; DAVID TSUI (85) Data do Início da Fase Nacional: 23/09/2008

1/24 “SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO PARA UMA AERONAVE” Campo da Invenção [001] Esta invenção se refere, em geral, a uma combinação de um dispositivo giratório sem escova bidirecional para a conversão de energia, o qual converte energia elétrica em energia mecânica, no modo de partida, e energia mecânica em energia elétrica no modo de gerador. Em particular, a invenção se refere a um sistema de gerador de energia e de motor de partida para uma aeronave de alta capacidade de energia, o qual inclui um conjunto de três máquinas elétricas, um Motor de Partida/Gerador (S/G) e um dispositivo baseado em um IGBT e controlado de forma digital, aqui referido como o Inversor/Conversor/Controlador (ICC). Além disto, a invenção se refere à eliminação do sensor de posição do rotor de uma máquina síncrona de campo gerado por enrolamento baseada em um S/G, resultando em um S/G controlado sem sensor e em um sistema ICC.

Antecedentes da Invenção [002] Atualmente existem sistemas de partida e geradores para as aeronaves, os quais são usados para dar a partida no motor da aeronave bem como para utilizar o motor da aeronave, após ser dada a sua partida, no modo de gerador, para assim fornecer energia elétrica para alimentar os sistemas da aeronave. Por exemplo, a patente norte-americana No. 4.743.777, expedida para Willian Shilling e outros, descreve um sistema de motor de partida/gerador com dois enrolamentos de excitação do estator, e o qual inclui um conversor de energia de frequência variável e de tensão variável, o qual é alternadamente ligado de modo a acionar uma máquina dínamo-elétrica tal como um motor de partida, ou para receber energia da máquina durante a operação de geração. A patente norte-americana US 5.587.647, concedida para Madan Bansal e outros, descreve um sistema de geração/partida de indução síncrona e de saída dupla. O sistema de Bansal inclui um gerador síncrono e um motor a indução/gerador

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2/24 mutuamente acoplados no eixo que é acionado por um gerador de movimento primário externo, tal como o motor da aeronave. O sistema de Bansal também inclui um retificador/inversor o qual permite um fluxo de energia bidirecional o qual realiza tanto a geração de energia quanto a partida elétrica do motor da aeronave.

[003] Apesar dos sistemas do estado da arte supra descritos serem úteis no tocante a partida do motor da aeronave e para a geração de energia a partir do motor da aeronave, é necessário se chegar a um sistema o qual apresente ao menos uma alta densidade ou capacidade de energia, uma maior eficiência e uma melhor performance dinâmica, em um ou em ambos os modos de partida e de geração.

Descrição da Invenção [004] De acordo com ao menos um aspecto da invenção, é previsto um sistema de partida/gerador para um motor de aeronave, o qual inclui um Motor de Partida/Gerador (S/G) e um Inversor/Conversor/Controlador (ICC), com maior densidade ou capacidade de energia, uma maior eficiência e uma melhor performance dinâmica, em um ou em ambos os modos de partida e de geração, quando comparado com os sistemas convencionais da arte.

[005] O S/G inclui três máquinas elétricas: uma máquina principal, um excitador e um Gerador de Magneto Permanente (PMG). O ICC, o qual pode ser um IGBT baseado em um inversor/conversor/controlador e o qual é um dispositivo eletrônico bidirecional e controlado de forma digital, é ligado na entrada/saída do enrolamento do estator da máquina principal do S/G. O dispositivo eletrônico gera uma energia em AC para acionar o S/G no modo de partida e converte a energia AC para energia DC necessária para o modo de geração da aeronave.

[006] Uma primeira forma de realização inclui ao menos dois aspectos de um sistema S/G dos quais resultem um menor peso e uma

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3/24 performance superior de todo o sistema. O primeiro aspecto é um estator do excitador de função dual, ou dupla função, o qual contém um enrolamento que trabalha em conjunto com o contator localizado no ICC. Durante o modo de partida, o enrolamento é configurado como um enrolamento AC de três fases pelo contator, e durante o modo de geração, o enrolamento é configurado como um enrolamento DC simples pelo mesmo contator. Sem aumentar de forma relevante o peso ou o tamanho da máquina, o enrolamento funcional AC e DC dual satisfaz as necessidades do modo de partida e do modo de geração, respectivamente. O segundo aspecto é a eliminação do sensor de posição mecânico convencional para a comutação das chaves eletrônicas de energia tanto no modo de partida quanto no modo de geração. Através disto se consegue uma notável redução de peso e de tamanho para o S/G.

[007] Uma segunda forma de realização é direcionada para o modo de partida do sistema S/G, e inclui cinco aspectos que agem no sentido de se obter uma maior densidade de torque no S/G no modo de partida, quando em comparação com as soluções convencionais desta área. O primeiro aspecto é o enrolamento AC trifásico do estator do excitador configurado e controlado no modo de frenagem da máquina de indução. A realização de uma solução sem sensor em velocidade zero corresponde a um segundo aspecto relativo a esta forma de realização. O terceiro aspecto é um mecanismo de enfraquecimento do próprio campo desenvolvido para manter o inversor bem dentro da região de Modulação da Largura de Pulso (PWM) e reter as regulagens efetivas da corrente por toda a gama de velocidades no modo de partida. O quarto aspecto é a combinação do enfraquecimento do próprio campo com um esquema de controle do fator de potência próximo ao unitário, de modo a se conseguir uma maior densidade de energia em altas velocidades enquanto a tensão no inversor está saturada. O quinto aspecto é um esquema de controle por vetor em conjunto com um perfil negativo de corrente no eixo d, o qual se alinha, de forma oposta,

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4/24 em relação a corrente de campo da máquina principal de modo a gerar um torque relutante máximo para superar a limitação de torque causada pela saturação magnética. A solução aumenta a densidade de torque do S/G em comparação com os sistemas convencionais.

[008] Uma terceira forma de realização é direcionada para o modo de geração do sistema S/G, e inclui quatro aspectos. O primeiro aspecto está relacionado com a configuração de retificação ativa e inativa. Controlada pelo conjunto 240 de controle digital do conversor do excitador e pelo conjunto 230 de controle digital do conversor principal, a ponte principal de IGBT/Diodo pode se tornar um retificador inativo ou um retificador ativo, dependendo da aplicação. O segundo aspecto é direcionado ao controle do conversor IGBT o qual combina a modificação do próprio campo, ou auto campo, e a sobre modulação para se obter uma eficiência otimizada de operação do IGBT no modo de geração. O terceiro aspecto é a previsão de uma solução de comutação do IGBT durante o modo de geração. A comutação do IGBT está baseada no modo de tensão sem sensor, o que é uma solução sem sensor similar a usado no modo de partida. O quarto aspecto é direcionado de modo a se conseguir a regeneração através da absorção da energia excessiva no barramento DC na máquina, enquanto a tensão no barramento é simultaneamente regulada.

Breve Descrição dos Desenhos [009] As seguintes vantagens e características da invenção ficarão mais claras através da referência à seguinte descrição detalhada e aos desenhos que acompanham, nos quais:

- a figura 1 é um diagrama ilustrativo de todo sistema de geração de energia e do motor de partida S/G e ICC da invenção;

- a figura 2 é um diagrama de blocos de todo sistema de geração de energia e do motor de partida S/G e ICC da invenção;

- a figura 3 é um diagrama de blocos do S/G e ICC da invenção no

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5/24 modo de partida;

- a figura 4 é um diagrama de blocos do S/G e ICC da invenção no modo de geração;

- a figura 5 é uma vista em secção do S/G da invenção;

- as figuras 6A e 6B são vistas isométricas de uma caixa para o ICC da invenção;

- a figura 7 é um gráfico do ângulo principal do rotor estimado através do método sem sensor de injeção de alta frequência; e

- a figura 8 é um diagrama vetorial apresentando os relacionamentos entre os vetores da máquina principal, os quais são controlados pelo excitador e pelo conjunto principal de controle digital tanto no modo de geração quanto no modo de regeneração.

Descrição de Realizações da Invenção [010] A presente invenção será descrita em detalhes abaixo, com referência aos desenhos que acompanham. A presente invenção se refere a um dispositivo elétrico rotatório, sem escovas, para a conversão bidirecional de energia, o qual converte energia elétrica em energia mecânica, no modo de partida, e energia mecânica em energia elétrica no modo de geração ou gerador.

[011] A primeira forma de realização da presente invenção será descrita a seguir, com relação a construção geral do sistema de geração de energia e de motor de partida S/G e ICC. A primeira forma de realização inclui ao menos dois aspectos, os quais serão descritos em detalhes abaixo.

[012] O sistema 50 de geração de energia e de motor de partida S/G e ICC compreende um S/G 100 e um ICC 200. Tal como o quanto ilustrado na figura 1, na figura 2 e na figura 5, o S/G 100 é uma combinação de três máquinas elétricas, as quais são uma máquina principal 110, um excitador 120 e um PMG 130. Esta disposição é chamada de conjunto de três máquinas. A máquina principal 110 pode ser uma máquina síncrona saliente em uma possível

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6/24 implementação da primeira forma de realização. O estator 112 da máquina principal 110 se conecta com a ponte principal de diodos/IGBT 210 do ICC 200. O rotor 114 da máquina principal 110 se conecta com a saída de um retificador 116 rotatório de meia onda ou de onda completa, localizado dentro do eixo 118 do rotor principal 114. O rotor 122 do excitador apresenta um enrolamento de três fases o qual se liga na entrada do retificador rotatório 116, e o estator 124 do excitador inclui um enrolamento DC e um enrolamento AC trifásico o qual é ligado a uma ponte de diodo/IGBT 212 do ICC 200, através de um contator 220 o qual é mostrado na figura 2, sendo que a figura 2 fornece um diagrama de blocos para o sistema 50 S/G e ICC, com ênfase nos componentes que compõem a ponte principal de diodos/IGBT 210 e a ponte de diodo/IGBT 212.

[013] O ICC 200 mostrado na figura 2 inclui duas pontes de diodos/IGBT: a ponte principal de diodos/IGBT 210 e a ponte do excitador 212. A ponte principal de diodos/IGBT 210 e a ponte do excitador 212 também são referidas, respectivamente, como o inversor/conversor principal e o inversor/conversor do excitador. Cada uma das quais é controlada por meio de um dispositivo digital de controle. O dispositivo que controla a ponte principal de diodos/IGBT 210 é chamado como o dispositivo principal de controle digital 230. Alternativamente, este também é chamado como o dispositivo de controle digital do estator inversor no modo de partida, e este é chamado como o dispositivo de controle do conversor gerador no modo de geração. O dispositivo que controla a ponte de diodos/IGBT 212 do excitador é chamado como o dispositivo de controle digital do excitador 240. Alternativamente, este também é chamado como o dispositivo de controle digital do excitador inversor no modo de partida, e como o dispositivo de controle digital do excitador conversor no modo de geração. O dispositivo principal de controle digital 230, junto com o seu software neste inserido, controla a ponte principal 210 a qual gera a energia AC para comandar o S/G no modo de partida e converte a energia AC em energia de tipo

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DC necessária para o avião no modo de geração. O resultado altamente integrado resulta em um sistema leve, simples e confiável, quando em comparação com os sistemas S/G convencionais.

[014] As figuras 6A e 6B são vistas isométricas detalhadas do ICC 200 da primeira forma de realização, tal como este pode ser embalado em uma caixa 600, a qual pode ser presa sobre um gabinete dentro da aeronave. Dentro da caixa 600 encontra-se uma placa fria 610 (para a dissipação e/ou remoção do calor), a ponte principal de diodos/IGBT 210, a ponte de diodos/IGBT 212 do excitador, os dispositivos de controle digitais principal e de excitador 230, 240, um dispositivo de tampa de filtragem 620, dispositivos sensores 630 e um bloco 640 terminal de saída de 270 VDC (fornecido em uma superfície externa da caixa 600, de modo a fornecer uma tensão em 270 V DC para os outros componentes dentro da aeronave).

[015] O sistema 50 de geração de energia e de motor de partida S/G e ICC apresenta dois modos operacionais: o modo de partida e o modo de geração. No modo de partida, o sistema 50 S/G e ICC é alimentado a partir de uma fonte de energia em separado, VDC 60, sendo que a conexão com a fonte de energia separada VDC 60 é mostrada na figura 1 e na figura 2. A máquina principal 110 trabalha como um motor síncrono saliente com campo do enrolamento trifásico no modo de partida. Duas coisas devem acontecer de forma a que se produza torque no eixo do motor síncrono. A primeira é a entrada de correntes alternadas trifásicas no enrolamento trifásico do estator principal 112, e a segunda é o fornecimento de uma corrente de excitação para o rotor principal 114. A frequência das correntes para o estator principal 112 é fornecida de modo a serem proporcionais à velocidade da máquina principal. As correntes alternadas trifásicas são fornecidas pela ponte principal de diodos/IGBT 210. O campo giratório gerado a partir da interação da corrente trifásica com o campo magnético gerado pelo rotor principal 114 cria assim um torque mecânico no eixo

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8/24 do rotor principal 114.

[016] Fornecer uma corrente de excitação para o rotor principal 114 é um desafio nos sistemas de geração convencionais, devido ao quanto segue. No início da partida, qualquer máquina síncrona baseada em um excitador não gera energia. Em baixa velocidade, a máquina síncrona baseada em um excitador gera uma energia suficiente para alimentar o rotor principal. Isto ocorre porque para qualquer excitador com base síncrona, o seu enrolamento de excitação DC não transfere energia para o enrolamento do rotor. De fato, nos sistemas convencionais de geração, a energia somente pode ser transferida a partir da energia mecânica para o eixo. Portanto, e de modo a dar a partida no motor, a energia que gera a corrente de excitação do rotor principal deve vir do estator 124 do excitador. Em outras palavras, a energia para a excitação, durante o modo de partida, cruza o vão de ar do excitador 120. Obviamente, é necessário um transformador rotatório. Em sentido contrário, no modo de geração, a máquina principal 110 trabalha como um gerador síncrono saliente com campo de enrolamento trifásico. Para produzir eletricidade, uma coisa deve acontecer, isto é, ser fornecida uma corrente de excitação para o rotor principal 114. Um excitador síncrono convencional pode ser utilizado para este propósito. Os modos diferentes precisam de fontes de energia diferentes para a excitação. Um modo necessita de correntes trifásicas AC no estator 124 do excitador, e o outro modo necessita de uma corrente DC no estator 124 do excitador.

[017] O primeiro aspecto da primeira forma de realização é uma solução para o problema supramencionado. A solução é um estator do excitador de função dual, ou dupla, que trabalha em conjunto com o contator 220 localizado no ICC. Através do chaveamento do contator até a sua posição apropriada, o enrolamento no estator do excitador é configurado na forma de um enrolamento trifásico AC durante o modo de partida. Neste modo, o estator 124 do excitador com o enrolamento trifásico AC e o rotor 122 do excitador com um

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9/24 outro enrolamento trifásico AC formam um excitador por indução. Controlada por meio do dispositivo de controle digital do excitador 240 na ICC, a direção da sequência de fase do enrolamento trifásico AC é oposta em relação à direção do eixo da máquina. Assim, o excitador por indução opera em seu modo de frenagem. No modo de geração, o enrolamento do estator 124 do excitador é configurado como um enrolamento DC. O estator 124 do excitador com o enrolamento DC e o rotor 122 do excitador com o enrolamento trifásico AC formam um excitador síncrono. Sem adicionar nenhum peso ou tamanho ao excitador, os enrolamentos AC e DC configurados geram o campo rotatório necessário no vão de ar entre o rotor 122 do excitador e o estator 124 durante o modo de partida e o modo de geração, respectivamente. Em adição, o enrolamento AC transfere a energia do estator 124 do excitador para o rotor 122 do excitador durante o modo de partida.

[018] Tanto no modo de partida quanto no modo de geração, sempre que os IGBTs 215 da ponte principal de diodos/IGBT 210 comutam, a informação sobre a posição mecânica do rotor principal 114 se torna necessária para a comutação da chave de energia. Convencionalmente, um sensor da posição mecânica fornece as informações sobre este posicionamento. Este sensor apresenta uma precisão de posição suficiente, uma integridade mecânica e uma capacidade térmica de lidar com as condições ambientais severas da aeronave. Tanto o codificador ótico quanto o sensor de efeito Hall não conseguem satisfazer estes requisitos ambientais de uma aeronave. Um resolver não consegue satisfazer estes requisitos. Contudo, um sensor de tipo resolver, junto com o seu suporte mecânico e estrutura de embalagem, adicionam um peso e um tamanho consideráveis para o sistema.

[019] Um segundo aspecto da primeira forma de realização da presente invenção é direcionado à eliminação do sensor mecânico de posição. Tal como mostrado na figura 2, e detalhada nas figuras 3 e 4, um sinal de posição

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10/24 do rotor sem sensor θ, θ, ω_β (posição do rotor, velocidade do rotor) é gerado pelo dispositivo principal de controle digital 230. O sinal de posição do rotor é construído através dos sinais da tensão e da corrente do S/G pelo software inserido no dispositivo principal de controle digital 230. Uma vez que a solução sem sensor para o modo de geração é um subconjunto do modo de partida, a descrição detalhada será fornecida junto a primeira forma de realização relacionada com o modo de partida, em uma parte posterior desta descrição.

[020] A segunda forma de realização da presente invenção será descrita a seguir, a qual corresponde ao sistema 50 S/G e ICC operando no modo de partida. Existem cinco aspectos na segunda forma de realização a serem descritos em detalhes abaixo.

[021] A figura 3 apresenta um diagrama de blocos do sistema 50 S/G e ICC no modo de partida. Neste se encontram três máquinas elétricas - o motor síncrono principal 110, o excitador a indução 120 e o PMG 130. O motor síncrono principal 110 e o excitador a indução 120 realizam um papel importante no modo de partida. A ponte principal de diodos/IGBT 210 recebe a energia de entrada DC do barramento DC (por exemplo, 270 VDC), e inverte a energia DC em energia AC. As correntes AC trifásicas geradas pelo inversor são alimentadas no motor síncrono principal 110. Os sinais de gating para gerar as correntes AC são controlados pelo dispositivo de controle digital 230 do inversor de partida. O dispositivo de controle digital 230 do inversor de partida mede a corrente da Fase a, a corrente de Fase b e a tensão no barramento DC. As correntes das fases a e b são transferidas para as correntes α e β no quadro estacionário síncrono através do uso de uma transformação de Clarke realizada através do software encerrado no dispositivo de principal controle digital 230. O eixo α coincide com o eixo a que está localizado no centro do enrolamento da Fase a do estator principal, enquanto que o eixo β se encontra 90 graus elétricos à frente do eixo x alfa no espaço. As correntes α e β além disto são transferidas para as correntes

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11/24 d e q no quadro rotatório síncrono através do uso de uma transformação de Park realizada através do mesmo software incorporado. O eixo d está alinhado com o eixo de excitação do enrolamento do rotor principal 114, enquanto que o eixo q está 90 graus elétricos à frente do eixo d no espaço.

[022] Tal como ilustrado na figura 3, existem dois ciclos, ou loops, de regulagem da corrente - ciclos d e q. As saídas dos ciclos d e q são as tensões d e q que são transferidas de volta para as tensões α e β através do uso de uma transformação inversa de Park antes de serem alimentadas na Modulação de Largura de Pulso do Vetor Espaço (SVPWM). De modo a realizar as transformações de Park e Inversa de Park, são determinados os ângulos de posição do rotor principal. As tensões α e β são as entradas da SVPWM as quais geram os sinais de gating ou disparo para as chaves IGBT. A frequência de chaveamento pode ser ajustada em 14 KHz, ou em qualquer outra frequência apropriada.

[023] Tal como ilustrado na figura 3, e de forma similar ao dispositivo de controle digital 230 do inversor de partida, o dispositivo de controle digital do inversor do excitador 240 também apresenta transformações de Clarke, de Park e Inversa de Park. Além disto, o dispositivo de controle digital do inversor do excitador 240 apresenta os ciclos de regulagem das correntes d e q. Os sinais de gating são gerados pela sua correspondente SVPWM. Devido a que, tal como previamente citado, a frequência fundamental da ponte de diodos/IGBT 212 do excitador, ou do inversor do excitador, é fixada a 1250 Hz, ou em qualquer outra frequência apropriada, e o excitador 120 não apresenta saliência em seu rotor 122 e estator 124, as informações sobre a posição do rotor podem ser artificialmente construídas utilizando a fórmula 2πίΐ, na qual f = 1250 Hz e t é o tempo. Isto é diferente do inversor principal, isto é, as informações em tempo real sobre a posição do rotor não são necessárias neste caso. A frequência de chaveamento da SVPWM do inversor do excitador é de 10 KHz em uma possível

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12/24 implementação, sendo que podem ser utilizadas outras frequências de chaveamento apropriadamente escolhidas, ainda assim ficando dentro do espírito e do escopo da invenção.

[024] O primeiro aspecto da segunda forma de realização é o excitador a indução. No modo de partida, o excitador 120 é configurado como uma máquina a indução que opera no seu modo que frenagem, ou como alternativamente descrito, o excitador 120 age como um transformador de rotação trifásico. O enrolamento trifásico do estator 124 do excitador gera um campo rotatório o qual induz tensões trifásicas no rotor 122 do excitador. A direção do campo rotatório é controlada em oposição à direção de rotação da máquina principal 110. Assim, a frequência da tensão no rotor 122 do excitador aumenta junto com a velocidade do rotor durante o modo de partida. A energia DC da fonte externa de energia é convertida em uma energia trifásica a 1250 Hz (ou em alguma outra frequência apropriada) pela ponte de diodos/IGBT 212 do excitador. A energia atravessa a lacuna de ar e é transferida para o enrolamento do rotor 122 do excitador, as tensões trifásicas são então retificadas pelos retificadores rotatórios 116 dentro do eixo do rotor do gerador principal. As tensões retificadas fornecem a energia de excitação para o rotor 114 da máquina principal 110. Uma vez que a velocidade do rotor alcança a velocidade neutra [idle] do motor, o modo de partida termina e começa o modo de geração. O rotor 122 do excitador recebe energia tanto do estator 124 do excitador quanto do eixo do rotor 118. Em velocidade zero, toda a energia vem do estator 124 do excitador. A energia do eixo 118 aumenta juntamente com o aumento da velocidade do rotor.

[025] O segundo aspecto da segunda forma de realização é uma implementação sem sensor para construir as informações de posição do rotor principal pelo dispositivo de controle digital 230 junto com o seu software neste encerrado. Esta implementação sem sensor inclui duas partes: a) estimativa sem

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13/24 sensor da alta frequência de injeção, e b) estimativa sem sensor do modo de tensão. A estimativa sem sensor da alta frequência de injeção cobre de 0 rpm até uma baixa velocidade pré-definida, tal como 80 rpm. A estimativa sem sensor do modo de tensão cobre desde a velocidade, tal como 80 rpm, até uma alta velocidade de rotação, tal como 1.400 rpm, na qual o motor levado a sua velocidade de corte. Diversos outros métodos sem sensor, incluindo o modo de tensão sem sensor supramencionado, falham em zero ou em uma baixa velocidade devido ao fato de que estes métodos fundamentalmente dependem do retorno da FEM. O método de injeção em alta frequência não depende do retorno da FEM. Portanto, o método pode ser empregado para uma velocidade de zero até uma baixa velocidade predefinida, tal como 80 rpm. Desta forma, se consegue uma estimativa da posição do rotor a 0 rpm e a uma velocidade baixa da máquina síncrona principal. A realização atual do sem sensor é descrita abaixo.

[026] Tal como ilustrado na figura 3, enquanto a velocidade da máquina principal 110 está abaixo de 80 rpm ou a frequência da máquina principal 110, fo <= 8 Hz, um par de tensões com forma de onda senoidal V_ai, Vpi são sobrepostas nas entradas da SVPWM. Esta frequência de 500 Hz é chamada frequência portadora. Outras frequências portadoras apropriadas podem ser utilizadas ainda assim permanecendo dentro do espírito e do escopo da invenção. Na figura 3, esta frequência portadora é representada pelo símbolo cúc. A resposta da corrente em cada fase para estas duas tensões sobrepostas contém as informações sobre a posição do rotor.

[027] Cada corrente de fase do estator principal apresenta diversos componentes. Tal como ilustrado na figura 3, as correntes da Fase a e b são transferidas para os eixos α e β através de uma transformação de Clarke. As correntes α e β contém o componente fundamental com a frequência de ω_Γ, o componente positivo da sequência com a frequência de ω₀, o componente

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14/24 negativo da sequência com a frequência de 2 ω_Γ - ω₀. O componente positivo da sequência, ω₀ não tem uso uma vez que este não contém qualquer informação sobre a posição do rotor. Deste modo, este componente é completamente removido. Tal como ilustrado na figura 3, as correntes α e β são deslocadas em

-cúct graus. Assim, o componente positivo da sequência se torna um sinal CD, o qual é então eliminado utilizando um filtro passa alto de 2^a ordem, ou algum outro tipo de filtro passa alto (p. ex., um filtro passa alto de 1^a ordem, ou de 3^a ordem ou superior). Os componentes restantes, ou seja, o componente da frequência fundamental e o componente da sequência negativa, contém as informações do rotor. Contudo, a posição do rotor é determinada antes de aplicar a corrente fundamental na máquina na velocidade zero e também, em uma velocidade zero ou baixa, o componente fundamental é muito fraco. O único componente que pode extrair, de forma confiável, as informações sobre a posição do rotor é o componente negativo da sequência. Após a rotação previa, a frequência do componente é mudada para 2 ω_Γ - 2 ω₀. Uma outra rotação, 2 ω₀1 é então realizada pelo dispositivo de controle digital 230. A saída da rotação passa através de um filtro passa baixo de 6^a ordem, ou por algum outro tipo apropriado de filtro passa baixo (p. ex., um filtro passa baixo de 1^a, 2^a, .... 5^a ordem).

Utilizando ip2e para representar o sinal restante da corrente β e i_a2e para representar o sinal restante da corrente a, pode-se obter o seguinte ângulo:

#’=0.5tan^-1 (^-).

Lis [028] Infelizmente, a frequência do ângulo supra apresenta duas vezes a frequência fundamental, e assim este não pode ser usado diretamente nas transformações de Park ou Inversa de Park. Para converter o ângulo supra no ângulo de posição do rotor, é detectado quando 0’ está sob a região do polo norte para o polo sul ou sob a região do polo sul para o polo norte. Caso 0’ esteja sob a região do polo norte para o polo sul, o ângulo é

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15/24 θ = θ’, e caso θ’ esteja sob a região do polo sul para o polo norte, o ângulo é θ = θ’ + π .

[029] Este ângulo, tal como mostrado na figura 7, é então utilizado nas transformações de Park e Inversa de Park nos ciclos de regulagem das correntes d e q. Tal como mostrado na figura 3, um filtro de parada de banda (um filtro de 500 Hz, tal como mostrado na figura 3, na qual outras frequências de limitação de banda podem ser utilizadas, mesmo assim ainda restando dentro do espírito e escopo da invenção) é disposto entre as transformações de Clarke e de Park de modo a eliminar os distúrbios da frequência da portadora nos ciclos de regulagem das correntes d e q.

[030] Este método sem sensor de injeção de alta frequência trabalha satisfatoriamente em velocidade baixa ou zero. Contudo, o método não irá trabalhar tão bem com velocidades nas quais a frequência é próxima ou maior que a frequência da portadora. Deste modo, um outro método sem sensor é utilizado quando a velocidade fica maior que uma certa velocidade limite de rotação, tal como de 80 rpm. Este método é o método sem sensor do modo de tensão, tal como descrito abaixo.

[031] A realização do modo de tensão sem sensor é conseguida através do seguinte. Apesar do método estar sendo usado em um motor a indução e em um motor PM, este não tem sido aplicado a uma máquina síncrona saliente uma vez que as próprias indutâncias do estator não são constantes e, ao invés disto, as indutâncias são funções da posição do rotor. As equações convencionais de vinculação do fluxo de α e β no quadro estacionário síncrono, as quais são usadas para gerar o ângulo do rotor através do arco tangente da ligação do fluxo β na ligação do fluxo do eixo a, não são práticas de serem utilizadas para uma máquina síncrona de campo saliente do enrolamento uma vez que as indutâncias mudam todo o tempo. Para superar este problema, e na

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16/24 segunda forma de realização, um par de ligações artificiais do fluxo λ’α e λ’ρ assim como as suas expressões, são derivadas:

_ K = J <^dt=J K - lá

Λ; = = J ’ nas quais R_s e L_q são a resistência principal do estator e a indutância síncrona no eixo q, respectivamente. Ambos os parâmetros da máquina são constantes. Felizmente, λ’α e λ’ρ se alinham com as ligações do fluxo β, respectivamente, e o ângulo

é de fato o ângulo do rotor que pode ser usado para as transformações de Park e Inversa de Park, uma vez que a velocidade da máquina está acima da velocidade rotacional limite, tal como acima de 80 rpm. As equações podem ser implementadas no software inserido no dispositivo de controle digital 230. Esta solução fornece uma estimativa confiável para o ângulo da posição do rotor ao mesmo tempo em que a velocidade da máquina está acima de uma certa velocidade limite, p. ex., acima de 80 rpm.

[032] De acordo com um segundo aspecto da segunda forma de realização, a combinação de dois métodos separados, o método sem sensor de injeção de alta frequência e o método sem sensor do modo de tensão, fornecem as informações sobre a posição do rotor com uma precisão suficiente por toda a faixa de velocidades da máquina síncrona baseada no iniciador ou starter.

[033] O terceiro aspecto da segunda forma de realização é direcionado ao problema de saturação da tensão do inversor principal a qual é apropriadamente operada. Durante a partida, a tensão aplicada pelo inversor principal na máquina principal 110 é proporcional à velocidade e casa com o vetor soma da FEM de retorno e a tensão cai nas impedâncias internas da máquina principal 110. A tensão máxima aplicável pelo inversor é a tensão no

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17/24 barramento DC. Uma vez que o vetor soma é igual à tensão no barramento DC, a tensão no inversor é saturada. Uma vez que ocorre a saturação, a velocidade da máquina principal 110 não pode subir mais, e os ciclos de regulagem das correntes d e q ficarão fora de controle. Em geral, o inversor ficar além da corrente e será desligado. A solução fornecida na segunda forma de realização é através do uso de uma solução de enfraquecimento do próprio campo. O dispositivo principal de controle digital 230 mede as tensões de linha a linha, Vab e Vbc que são enviadas para o dispositivo de controle digital do excitador 240. Uma transformação de Clarke é aplicada nestas duas tensões de linha a linha. O vetor soma das duas saídas da transformação é usado como o retorno para o ciclo de enfraquecimento do próprio campo, tal como mostrado na figura 3. A tensão no barramento DC é fatorada e usada como uma referência para o ciclo de controle. O ciclo de controle do enfraquecimento do próprio campo previne que a tensão no inversor seja saturada, e assim, evita que os ciclos de regulagem da corrente no inversor principal saiam de controle e se desliguem.

[034] O quarto aspecto da segunda forma de realização é a combinação do enfraquecimento do auto campo, ou do próprio campo, com um esquema de controle do fator de potência próximo ao unitário para se conseguir uma maior densidade de energia em velocidades altas ao mesmo tempo em que a tensão no inversor é saturada. A título de exemplo e não como uma questão de limitação, próximo ao unitário corresponde a um fator de potência maior ou igual a 0,9 e menor que 1,0. Ao mesmo tempo em que o enfraquecimento do próprio campo mantém o campo no vão de ar, é aplicado um perfil de corrente no eixo d predeterminado o qual força a máquina principal 110a operar na região do fator de potência próxima à unidade. Como pode ser visto na equação que segue, e devido ao enfraquecimento do próprio campo, além do termo coLmd (if + id) permanece consistentemente significativo, e o termo cúLmqidiq se torna significativamente grande. Este aumento de forma significativa à densidade de

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18/24 energia do S/G:

^p = ojL_aí (i_f + ί„>ς - coL^iç, na qual P e ω são a energia eletromecânica e a velocidade do rotor, respectivamente, e Lmd e L_mq são as indutâncias de magnetização d e q, respectivamente.

[035] O quinto aspecto da segunda forma de realização é direcionado ao aumento da densidade do torque em uma velocidade abaixo da velocidade de base. Como previamente citado, na segunda forma de realização, existem dois ciclos de regulagem da corrente no dispositivo de controle digital 230 do inversor principal. Um é o ciclo do eixo d e o outro é o ciclo do eixo q. Em geral, o ciclo q controla a geração do torque e o ciclo d controla o campo no vão de ar. Esta solução é também chamada de solução por controle do vetor. Para que se consiga obter um torque de alta densidade, a região de saturação magnética/máquina é colocada através da aplicação de uma corrente de excitação do rotor if suficiente e da corrente i_q de geração do torque. Contudo, após as correntes alcançarem um certo nível, não importando qual seja a magnitude das correntes i_q, id, e if são aumentadas, o torque permanece o mesmo devido ao fato de que a máquina está magneticamente saturada. A solução é a de se utilizar o ajuste do controle do vetor da presente invenção para maximizar o torque relutante da máquina. O torque eletromagnético gerado pela máquina é:

T ⁼ Lmd (if + Id )Í_q - Lm_qidi_q, na qual Lmd e L_mq são respectivamente as indutâncias de magnetização d e q. Uma vez que a máquina está magneticamente saturada, o termo Lmd (if + id) se torna uma constante. Portanto, a forma de gerar um torque relutante é a de aplicar uma id negativa na máquina. Sabendo que id=lsinõ e l_q= Icosõ, a realização de uma otimização na equação supra chega-se a um perfil ótimo para o corrente id:

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19/24 na qual λι é a ligação do fluxo interno da máquina.

[036] Pode ser conseguido um aumento de aproximadamente 38% no torque através da aplicação de perfil de id na entrada do controle do vetor, com base nas simulações realizadas pelos inventores. Em síntese, com o ajuste no controle de vetor e com um perfil da corrente id apropriado obtido, a densidade do torque da máquina aumenta dramaticamente.

[037] A terceira forma de realização da máquina é descrita abaixo. Esta é relacionada com a configuração e o controle do ICC de forma a se conseguir uma eficiência máxima na geração de energia, e assim é aplicável no modo de geração do sistema 50 S/G e ICC.

[038] No modo de geração, tal como ilustrado na figura 2, a máquina principal 110 se torna um gerador síncrono e o excitador 120 se torna um gerador síncrono. O PMG 130 fornece energia para o conversor do excitador através da ponte retificadora tal como ilustrada. O conversor do excitador inclui duas chaves ativas IGBT/Diodo na ponte de diodo/IGBT 212 do excitador, tal como ilustrado na figura 4. As chaves IGBT/Diodo em linhas sólidas em seus gates são aquelas utilizadas para o conversor do excitador. Estas são a chave IGBT número 1 e a chave IGBT número 4. Durante o modo de geração, a IGBT 1 se encontra no modo PWM e a IGBT 4 está ligada todo o tempo. Os restantes das outras chaves IGBT estão desligadas. O diodo número 2 é usado para a rodagem livre. A IGBT 1, a IGBT 4 e o Diodo 2 mais o enrolamento do estator do excitador formam um conversor macho que abaixa a tensão no barramento DC, por exemplo, 270 VDC, para a tensão que gera a corrente de excitação necessária do excitador síncrono.

[039] O primeiro aspecto é relacionado com a possibilidade de configuração ativa e inativa do retificador. Controlada pelo conjunto 240 de

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20/24 controle digital do conversor do excitador e pelo conjunto 230 de controle digital do conversor principal, a ponte principal de IGBT/Diodo pode se tornar um retificador inativo ou um retificador ativo, dependendo da aplicação. Para uma aplicação na qual o fluxo de energia apresenta uma única direção, a ponte IGBT/Diodo é configurada como uma ponte operacional de diodo pelo conjunto 230 de controle digital do conversor principal. Para uma aplicação na qual o fluxo de energia apresenta duas direções, a ponte IGBT/Diodo é configurada como uma ponte operacional de diodo e de IGBT pelo mesmo conjunto de controle digital. Quando a direção do fluxo de energia é do ICC para a carga, o sistema S/G e ICC se encontra no modo de geração. Quando a direção do fluxo de energia é da carga para o ICC, o sistema se encontra no assim chamado modo de regeneração, o qual é de fato um modo motor. Na retificação inativa, apenas os diodos intrínsecos nas chaves IGBT do inversor principal, também chamada de ponte principal de IGBT/Diodo, são utilizados. A regulagem da tensão é conseguida através do software encerrado no conjunto 240 de controle digital do excitador e o conjunto 230 de controle digital do conversor gerador mantém os IGBTs do inversor principal desligados, tal como ilustrado na figura 4. Existem três ciclos de controle controlado a tensão do POR. O mais interno deles é o regulador de corrente. A corrente de excitação medida é o retorno, e a saída do regulador de tensão AC é a referência. O regulador de corrente controla a corrente de excitação no nível comandado. O ciclo seguinte é o ciclo da tensão AC. Tal como mostrado na figura 4, o sinal de retorno é max{|Vab|, |Vbc|, |V_ca|}. A referência é a saída do regular de tensão DC. O ciclo da tensão AC realiza um papel importante na manutenção da tensão DC no ponto de regulagem (POR) dentro da faixa desejada durante os transientes de descarga. O último ciclo de controle é o ciclo da tensão DC. A tensão medida no POR é comparada com a tensão de referência, 270 Vdc. O erro vai para o regulador de compensação no controlador digital correspondente. Assim, a tensão DC da POR é regulada.

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21/24 [040] Como previamente citado, para a aplicação relativa a geração de energia na qual é necessária a regeneração, a ponte principal de IGBT/Diodo será configurada como em retificação ativa. Em uma tal configuração, a regulagem da tensão é realizada através do seguinte. Tal como ilustrado na figura 4, tanto os códigos encerrados no conjunto de controle digital do excitador quanto no conjunto de controle digital principal são estruturados diferentemente daqueles da retificação inativa. Com relação ao controle pelo lado do excitador, o ciclo da corrente de excitação se torna apenas um ciclo de controle PI. A referência para o ciclo de controle é gerada através de uma tabela de consulta à qual é uma função da corrente DC de carga. A tabela é gerada de tal forma que a corrente no estator principal se aproxima de seu menor valor possível. O controle do ciclo de controle externo do lado principal é o ciclo da tensão DC. A referência é a tensão de 270 VDC; o sinal de retorno a tensão do POR. Tal como mostrado na figura 4, o ciclo de controle é um controlador PI com fornecimento avançado [fedforward] da energia de saída DC adicionado na saída do controlado PI. A energia de saída DC é igual ao produto da corrente de saída DC pela tensão POR. A soma do sinal fedforward e a saída do controlador PI é um comando de potência o qual é utilizado como a referência para o ciclo de controle interno, o qual também é um controlador PI. O sinal de retorno e a energia computada através do uso das tensões e correntes do gerador, tal como ilustrado na figura 4. A saída do ciclo de controle interno é o ângulo da tensão θν o qual é definido na figura 8 e é utilizado para gerar os vetores Vd* e V_q* SVPWM. Os dois vetores são a entrada para a transformação inversa de Park. A saída da transformação é a entrada do SVPWM, tal como mostrado na figura 4.

[041] O segundo aspecto da terceira forma de realização está relacionado com o controle do conversor IGBT o qual combina a modificação do próprio campo e a sobre modulação para se conseguir uma eficiência otimizada para a operação no modo de geração IGBT.

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22/24 [042] Tal como ilustrado na figura 4, Vd* e V_q* são calculados através das equações que seguem:

Vd* =\ V* \ sinOv V_q' =\ F' \ COSOv na qual | V* | = Vmag .

[043] Para otimizar a eficiência, primeiro Vmag é escolhido como sendo 1 pu, assim forçando o conversor para a região de sobre modulação completa e derrubando completamente o chaveamento IGBT causado pelo SVPWM. Isto minimiza pás perdas no chaveamento IGBT. O IGBT age como uma chave de deslocamento de fase.

[044] Devido ao fato de que Vmag é constante, o ciclo de potência regula a potência através do ajuste do ângulo θν. Quando a carga é zero, θν se aproxima de zero, e quando a carga aumenta, θν aumenta tal como o quanto mostrado na figura 8.

[045] O segundo fator para que se consiga a otimização da eficiência é o de otimizar a corrente de campo do excitador, e assim a corrente id é minimizada. Desta forma, as perdas por condução dos IGBTs e as perdas nos fios do gerador são minimizadas. Foi descoberto que a corrente de campo do excitador está diretamente relacionada com a corrente de carga DC. Quanto maior a corrente de carga DC, maior será a corrente de campo do excitador necessária. Com o propósito de se obter a menor corrente de campo do excitador, é gerada uma tabela de consulta através de medições. A entrada da tabela de consulta é a corrente de carga DC, e a saída da tabela de consulta é o comando da corrente de campo do excitador do estator do excitador. A tabela é gerada de tal forma que para cada corrente de carga DC pontual, uma corrente de campo do excitador otimizada é encontrada quando a corrente id se encontra em seu valor mínimo. Um tal método de controle não apenas não apenas consegue obter a eficiência otimizada para o sistema S/G e ICC, mas também

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23/24 se mostra como uma solução efetiva de modo que o ponto de operação pode ser facilmente alterado entre o modo de geração e o modo de regeneração, isto é, o modo motor ou gerador. Assim, consegue-se o retorno da energia em excesso no barramento DC para o gerador de forma rápida. O terceiro aspecto da terceira forma de realização é direcionado ao fornecimento de uma solução de comutação do IGBT durante o modo de geração. A comutação dos IGBTs está baseada no modo de tensão sem sensor, o qual é similar à solução sem sensor usada no modo de partida. Contudo, e devido as alterações no modo operacional entre o modo apenas com diodos e o modo com IGBT, o ângulo de posição do rotor é determinado antes de se avançar para o modo IGBT. V_a e Vp são obtidos diretamente das medidas das tensões linha a linha, ao invés de a partir dos comandos SVPWM.

[046] O quarto aspecto da terceira forma de realização está relacionado com a obtenção de uma regeneração que absorva o excesso de energia no barramento DC na máquina ao mesmo tempo em que se regula a tensão do barramento. Durante o modo de geração, pode existir a criação de um excesso de energia pela carga. Tal energia em excesso aparece na tensão do barramento DC. Esta energia pode ser absorvida pela máquina através da solução de regeneração fornecida através da sobre modulação SVPWM desta invenção. Durante esta situação, e tal como ilustrado na figura 8, o controle digital do inversor principal reverte a direção do ângulo de tensão θ_ν, e força a ponte principal de IGBT/Diodo para o modo motor ou gerador. Assim, a direção do fluxo de energia será revertida. A energia irá fluir da carga para a máquina. A sobremodulação evita o chaveamento dos IGBTs, e assim, minimiza as perdas de chaveamento. Este aspecto da invenção fornece um modo rápido de alterar a ponte principal de IGBT/Diodo do modo de geração para o modo de regeneração, e vice-versa.

[047] Assim, foram descritas em detalhes as formas de realização

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24/24 da presente invenção. Outras formas de realização da invenção ficarão claras para os peritos na arte a partir de considerações em relação à descrição e a prática da invenção aqui descrita. Pretende-se que a descrição e os exemplos sejam considerados apenas como exemplos.

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Claims

Reivindicações

1. SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO (50) PARA UMA AERONAVE, caracterizado pelo fato de compreender:

um motor de partida/gerador (100) o qual inclui uma máquina principal (110), um excitador (120), e um gerador de magneto permanente (130);

e um inversor/conversor/controlador (ICC) (200) que é ligado no motor de partida/gerador (100) e que gera uma energia AC para acionar o motor de partida/gerador (100) no modo de partida para iniciar um ente móvel primário da aeronave, e que converte a energia AC, obtida do motor de partida/gerador (100) após o ente móvel primário ter sido iniciado, em energia DC, no modo de geração do motor de partida/gerador (100), o ICC (200) incluindo um contator (220), no qual o excitador (120) inclui um estator (124) e um rotor (122), e sendo que o estator (124) do excitador (120) inclui um enrolamento o qual é configurado para operar em conjunto com o contator (220) de modo a atuar como um enrolamento AC durante o modo de partida, e que é configurado para operar em conjunto com o contator (220) como um enrolamento DC durante o modo de geração.
2. SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO (50) PARA UMA AERONAVE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual o inversor/conversor/controlador (200) compreende:

uma ponte IGBT principal (210) a qual está ligada a um estator principal (112) da máquina principal (110); e uma ponte IGBT do excitador (212) a que é ligada ao estator (124) do excitador (120).
3. SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO (50) PARA UMA AERONAVE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual

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2/2 o inversor/conversor/controlador (200) compreende:

um retificador de onda completa ou de meia onda (116), sendo que o excitador (120) inclui um rotor (122) do excitador (120) e um estator (124) do excitador (120), e sendo que o retificador de onda completa ou de meia onda (116) é dotado de um eixo do rotor (122) do excitador (120), e gira com a rotação do eixo do excitador (120).
4. SISTEMA DE PARTIDA E DE GERAÇÃO (50) PARA UMA AERONAVE, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato no qual o contator fornece a conexão da ponte IGBT principal (210) com o estator (124) do excitador (120) durante o modo de partida.

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200 210 projeto síncrono com três núcleos ο

CM

Ο

CO

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2 / 8

CN d

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3 / 8 co

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4/8 o

CM conversor principal

O

CM

T^- ¹

CM

O

CM

O

C*5

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5/8

ÚJ οθ

FIG 5

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