BRPI0709812A2 - dispositivo e processo de alimentaÇço de auxÍlio elÉtrico a bordo de uma aeronave, e, aeronave - Google Patents

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Abstract

<B>DISPOSITIVO E PROCESSO DE ALIMENTAÇçO DE AUXÍLIO ELÉTRICO A BORDO DE UMA AERONAVE, E, AERONAVE <D>A invenção se refere a um dispositivo e a um processo dealimentação de auxílio elétrico a bordo de uma aeronave, próprio para alimentar a parte "essencial" da rede elétrica da aeronave. Esse dispositivo compreende uma primeira máquina síncrona de excitação separada (MS 1) associada a uma roda de inércia (RI), e um dispositivo auxiliar (30) de colocação em rotação e de manutenção em rotação da roda de inércia.

Description

"DISPOSITIVO E PROCESSO DE ALIMENTAÇÃO DE AUXÍLIOELÉTRICO A BORDO DE UMA AERONAVE, E, AERONAVE"DOMÍNIO TÉCNICO
A invenção se refere a um dispositivo e a um processo dealimentação de auxílio elétrico a bordo de uma aeronave, por exemplo "todaelétrica".
ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR
Na seqüência da descrição será considerada, a título deexemplo, uma aeronave do tipo avião.
Uma fonte de auxílio elétrico correntemente empregada emum avião "mais elétrico" (ou "more electric aircrafit") é uma turbina eólica("Ram Air Turbine" ou RAT em inglês) que aciona um gerador elétrico porintermédio de um multiplicador de velocidade.
Em situações de emergência a bordo de um avião, é possívelutilizar uma tal turbina eólica para gerar uma potência elétrica suficiente parapermitir que esse avião voe tempo suficiente e depois aterrisse.
Uma turbina eólica compreende uma hélice que é acionadapelo ar em alta velocidade que circula contra o avião. A hélice, que giraassim, aciona um gerador elétrico que fornece a potência de auxílio necessáriapara alimentar a parte "essencial" da rede elétrica para permitir que ossistemas críticos do avião, por exemplo os comandos de vôo e os circuitos deequipamentos técnicos chaves, continuem a funcionar. Em vôo normal, oconjunto é dobrado e armazenado na fuselagem ou em uma asa do avião.
Em um avião dito "mais elétrico" os comandos de vôo quepermitem manobrar o avião são deslocados por acionadores hidráulicos eelétricos. Um exemplo de arquitetura das redes hidráulica e elétricacorrespondentes é ilustrado na figura 1, em um caso de funcionamentonormal, a turbina eólica não estando em serviço.
Nessa figura, um primeiro motor Ml do avião acionamecanicamente uma primeira geratriz elétrica GEN 1 e uma bomba hidráulicaPH1, e um segundo motor M2 do avião aciona mecanicamente uma segundageratriz elétrica GEN 2 e uma segunda bomba hidráulica PH2.
Cada geratriz elétrica GEN 1 ou GEN2 é ligada a uma barrabus de distribuição elétrica trifásica respectivamente IOe 11, cada uma dessasúltimas sendo ligada a uma barra bus de distribuição elétrica trifásica"essencial" 12 e 13. Por outro lado, cada bomba hidráulica PHl ou PH2permite alimentar acionadores hidráulicos 20 ou 21.
A parte "essencial" 15 da rede elétrica compreende, alémdessas barras bus 12 e 13, acionadores elétricos 16 e 17, por exemplo osacionadores elétricos de comando de vôo, e de outras cargas essenciais 18.
Uma turbina eólica RAT pode ser ligada a essas barras bus dedistribuição trifásica essenciais 12 e 13.
Em caso de pane, ou perda, total dos motores Ml e M2,somente os acionadores elétricos 16 e 17, assim como as outras cargasessenciais 18 são utilizados. De fato, a fonte de auxílio, que é aqui a turbinaeólica RAT, é elétrica. De fato, em funcionamento de auxilio, o geradorelétrico da turbina eólica RAT permite alimentar a parte "essencial" 15 darede elétrica, por exemplo com corrente alternada trifásica 115/200 Volts AC.
Depois do avião "mais elétrico", o avião "todo elétrico" éconsiderado. Em um tal avião os comandos de vôo são ativados poracionadores unicamente elétricos. Um exemplo de arquitetura correspondenteé ilustrado na figura 2 em um caso de funcionamento normal, a turbina eólicanão estando em serviço. Os elementos dessa figura 2, que já estavamrepresentados na figura 1, conservam referências idênticas.
Nessa figura duas novas geratrizes elétricas GEN3 e GEN4 sãoligadas respectivamente a barras bus de distribuição elétrica trifásica 25 e 26,às quais são conectados acionadores elétricos 27 e 28.
A geração elétrica de auxílio pode ser realizada por exemploem 115/200 Volts AC ou em 230/400 Volts AC. A parte "essencial" 15 darede elétrica é projetada para essas mesmas tensões a fim de alimentar osequipamentos consumidores "essenciais".
Por ocasião da perda total dos motores se apresenta umproblema técnico ligado ao período transitório que intervém entre essa perdatotal e a colocação em serviço efetiva da fonte de auxílio.
Em um avião "mais elétrico", que possui uma arquiteturamista, tal como aquela ilustrada na figura 1, com acionadores elétricos ehidráulicos, a produção de energia durante esse período transitório énaturalmente assegurada pelas bombas hidráulicas devido à inércia dosmotores. Em contrapartida a geração de eletricidade é muito rapidamenteinterrompida depois da perda dos motores devido a limitações em freqüênciaelétrica que impedem a utilização das geratrizes elétricas de baixa velocidadede rotação.
A figura 3 ilustra assim as conseqüências da perda dos motoresem geratrizes elétricas GEN 1 e GEN2 e bombas hidráulicas PHl e PH3normais. Ela ilustra, de fato, uma curva N/Nmax em função do tempo, Nsendo a velocidade de rotação dos motores, com:
- P: faixa de funcionamento normal dos motores.
- tl: perda dos motores com uma velocidade N igual àvelocidade máxima Nmax,
- t2: perda dos motores com uma velocidade N = 50 % deNmax, e perda da geração elétrica (geratrizes GENl e GEN2),
- ∆t; período transitório (t2—»t3),
- t4: perda da geração hidráulica (bombas hidráulicas PHl ePH2).
Assim se a velocidade inicial dos motores é de 50 % davelocidade máxima, a geração elétrica (GEN1, GEN2) é perdidainstantaneamente depois da perda dos motores (Ml e M2). Em contrapartida ageração hidráulica (PH1, PH2) é assegurada durante alguns segundos (até otempo t4).
Uma potência e uma energia hidráulica suficiente podeportanto ser fornecida durante a colocação em serviço da fonte de auxílio(turbina eólica RAT), o que permite garantir a manobrabilidade do avião.
Em um avião "todo elétrico", a ausência de energia hidráulicanão permite portanto mais assegurar a cobertura do período transitório Atjusto após a perda dos motores, nem portanto assegurar a manobrabilidade doavião.
É preciso, além disso, notar que um segundo períodotransitório é observado por ocasião da aterrissagem do avião. De fato, umaturbina eólica RAT é ineficaz em baixa velocidade do avião, depois daaterrissagem. Ora, a frenagem das rodas do avião exige uma potência e umaenergia conseqüente.
Em um avião "mais elétrico" que possui uma rede hidráulica,a frenagem em modo de auxílio é realizada graças a acumuladoreshidráulicos, que permitem alimentar os freios liberando para isso o fluido dosmesmos sob uma pressão dada. Em contrapartida em um avião "todoelétrico", a energia necessária para a frenagem deve portanto ser fornecida poruma fonte elétrica diferente da turbina eólica.
A invenção tem como objeto propor um dispositivo e umprocesso de alimentação em potência de auxílio que permite assegurar acobertura desses períodos transitórios.
EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO
A invenção se refere a um dispositivo de alimentação deauxílio elétrico a bordo de uma aeronave, próprio para alimentar a parte"essencial" da rede elétrica da aeronave, caracterizado pelo fato de que elecompreende uma primeira máquina síncrona de excitação separada associadaa uma roda de inércia, e um dispositivo auxiliar de colocação em rotação e demanutenção em rotação da roda de inércia.
Em um modo vantajoso de realização, o dispositivo dainvenção compreende por outro lado uma segunda máquina síncrona deexcitação separada associada a uma turbina eólica.
Vantajosamente a primeira máquina síncrona é ligada:
- ao dispositivo auxiliar, que é ele próprio ligado a uma barrabus "essencial" através de um primeiro contactor trifásico,
- a essa barra bus através de um segundo contactor trifásico,
- à segunda máquina síncrona, através desse segundo contactortrifásico e um terceiro contactor trifásico.
Vantajosamente o dispositivo auxiliar compreende doisconversores estáticos. O primeiro conversor é um retificador trifásico quepermite obter uma tensão contínua. O segundo conversor é um onduladortrifásico, que permite o auto-comando da primeira máquina síncrona.
A invenção se refere também a um processo de alimentação deauxílio elétrica a bordo de uma aeronave, caracterizado pelo fato de que éutilizada uma primeira máquina síncrona de excitação separada associada auma roda de inércia para alimentar a parte "essencial" da rede elétrica daaeronave por ocasião de uma pane total em geração elétrica, e pelo fato deque coloca-se em rotação e mantém-se em rotação a roda de inércia com aajuda de um dispositivo auxiliar.
Vantajosamente é utilizada uma segunda máquina de excitaçãoseparada associada a uma turbina eólica. Vantajosamente quando uma panetotal da geração elétrica intervém, a roda de inércia é instantaneamenteacoplada à parte essencial da rede elétrica, e no qual, depois de algunssegundos necessários ao desdobramento e à colocação em rotação da turbinaeólica, a roda de inércia é desacoplada da rede. Recarrega-se a roda de inérciautilizando-se para isso a parte "essencial" da rede elétrica, via o dispositivoauxiliar.Vantajosamente por ocasião da aterrissagem da aeronave,depois da soltura da turbina eólica, a roda de inércia é acoplada à rede a fimde fornecer a potência necessária para a frenagem do avião.
A invenção se refere, também, a uma aeronave quecompreende um dispositivo tal como descrito acima.
Vantajosamente a aeronave é um avião "todo elétrico".
O dispositivo da invenção apresenta numerosas vantagens:
- Ele permite assegurar a cobertura dos períodos transitórios: acolocação no lugar de um dispositivo de estocagem de tipo roda de inérciapermite assegurar a disponibilidade da rede elétrica durante os períodostransitórios de inatividade da fonte de auxílio elétrica, por exemplo da turbinaeólica. Essa função é especialmente útil nos instantes que seguem a perdatotal dos motores, e por ocasião da aterrissagem do avião. Uma tal vantagemse aplica a qualquer avião que possui uma fonte de auxílio elétrica.
- Ele pode ser acoplado diretamente à rede alternada trifásicado avião: a roda de inércia associada a uma máquina elétrica trifásica permiteum acoplamento direto à rede trifásica do avião, sem o uso de conversoresestáticos. Isso é especialmente interessante na medida em que umaexperiência significativa é adquirida no que se refere à corrente alternada emaeronáutica. A ausência de conversor estático permite melhorar a robustez, sóutilizando para isso sistemas simples. Uma tal vantagem se aplica a um aviãoque possui pelo menos uma parte da rede de auxílio elétrica em correntealternada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 ilustra a arquitetura simplificada de uma redeelétrica de avião "mais elétrico" com acionadores elétricos e hidráulicos.
A figura 2 ilustra a arquitetura simplificada de uma rede deavião "todo elétrico", sem energia hidráulica.
A figura 3 ilustra uma curva N/Nmax em função do tempo t, Nsendo a velocidade de rotação dos motores, em caso de perdas de motorespara uma arquitetura do tipo ilustrada na figura 1.
A figura 4 ilustra o dispositivo de alimentação de auxílioelétrico da invenção.
As figuras 5, 6, e 7 ilustram um exemplo de realização dodispositivo de alimentação de auxílio elétrico da invenção, assim como ofuncionamento desse último.
EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODOS DEREALIZAÇÃO ESPECIAIS
Como ilustrado na figura 4, o dispositivo de alimentação deauxílio elétrico da invenção compreende um dispositivo de estocagem, porexemplo uma roda de inércia RI, associada eventualmente a uma turbinaeólica RAT, os outros elementos dessa figura, já ilustrados na figura 2,conservando as mesmas referências.
A figura 4 ilustra uma arquitetura simplificada de uma redeelétrica de avião "todo elétrico" quer dizer sem energia hidráulica emfuncionamento de auxílio durante os períodos transitórios em que a turbinaRAT não está em serviço. A roda de inércia RI (ou volante de inércia, ouacumulador cinético, ou "Flywheel") alimenta a parte "essencial" 15 da redeelétrica.
De fato, essa roda de inércia RI que é acoplada a uma máquinaelétrica giratória, é reversível em potência: ela permite a transferência deenergia mecânica em energia elétrica, e vice-versa. Ela permite portantoestocar energia elétrica sob a forma mecânica fora dos períodos transitórios, eliberar em seguida a energia estocada mecanicamente para a rede elétricadurante os períodos transitórios.
O uso de uma tal máquina elétrica oferece a possibilidade derealizar o acoplamento da roda de inércia diretamente na rede alternadatrifásica do avião, por exemplo 115/200 Volts AC ou 230/400 Volts AC, oque não é o caso dos numerosos outros sistemas de estocagem eletroquímicosexistentes, tais como as baterias de acumuladores e os supercondensadores,que são utilizados exclusivamente em corrente contínua. Um tal acoplamentoevita a colocação de um conversor estático realizado a partir de umaeletrônica de potência. Disso resulta um ganho de massa, de custo, esobretudo de confiabilidade.
Vantajosamente essa máquina elétrica pode ser uma máquinasíncrona de excitação separada, que permite controlar as tensões da rededurante os períodos transitórios, por ação sobre sua excitação. Em uma talmáquina é associada uma máquina principal e uma máquina auxiliar, como écom freqüência realizado para geradores elétricos em aeronáutica, a excitaçãoda máquina principal sendo realizada indiretamente pela excitação damáquina auxiliar.
No entanto uma tal máquina síncrona de excitação separadanão pode ser acoplada em permanência na rede elétrica, pois ela perturbariabastante as tensões. De fato, a menor variação de freqüência, mesmo no casode uma rede de freqüência fixa 400 Hz, forçaria uma variação de velocidadede rotação da roda de inércia. Sua grande inércia, se opondo à variação develocidade imposta, implicaria então uma grande variação de torquemecânico, e assim grandes picos de potência perturbadores na rede elétrica.
Essa máquina síncrona de excitação separada só é portantoacoplada à rede elétrica no momento dos períodos transitórios, que a rede sejaalimentada pelos geradores elétricos, em funcionamento normal, ou a turbinaeólica, em funcionamento de auxílio.
Um dispositivo auxiliar permite colocar em rotação a roda deinércia e depois mantê-la em rotação.
A colocação em rotação da roda de inércia, que permiteestocar a energia cinética nessa última, é efetuada por ocasião da partida doavião. Ela pode ser obtida por um auto-comando da máquina síncrona comum conversor estático auxiliar de pequena potência, ou por uma segundamáquina de pequena potência.
A manutenção em rotação da roda de inércia, durante ofuncionamento do avião, permite que ela possa intervir a qualquer instante, aenergia necessária para sua manutenção em rotação, que é essencialmentedestinada a compensar as perdas por atritos mecânicos, sendo pequena.
A figura 5 ilustra um exemplo de realização do dispositivo dainvenção que compreende um dispositivo auxiliar 30 associado a uma roda deinércia RI acoplada a uma primeira máquina síncrona MSl de excitação (El)separada, e uma turbina eólica RAT acoplada a uma segunda máquinasíncrona de excitação (E2) separada.
A primeira máquina síncrona MS1 é ligada:
- ao dispositivo auxiliar 30, que é ele próprio ligado à barrabus "essencial" 33 através de um primeiro contactor trifásico KMpwaux?
- a essa barra bus 33 através de um segundo contactor trifásicoKMfw,
- à segunda máquina síncrona MS2, através desse segundocontactor trifásico KMfw, e um terceiro contactor trifásico KMrat-
O dispositivo auxiliar 30 compreende dois conversoresestáticos 31, 32. O primeiro conversor 31 é um retificador trifásico quepermite obter uma tensão contínua (DC). Essa tensão é em seguida"ondulada" com a ajuda do segundo conversor 32, que é um onduladortrifásico, que permite o auto-comando da primeira máquina síncrona MS1, afim de colocar progressivamente em rotação essa primeira máquina síncronaMSl e a roda de inércia RI.
O dispositivo auxiliar 30 é utilizado em permanência enquantoa barra bus AC "essencial" 33 for alimentada pelos geradores principais(GEN1-GEN4) ou pela turbina eólica RAT, o interruptor KMrat sendo entãofechado nesse último caso. Esse dispositivo 30 mantém a velocidade derotação da roda de inércia RI em seu valor nominal. Ele retira portantopotência na rede elétrica para manter seu estado de carga. O contactor KMFwé então aberto e o contactor KMpwaux fechado.
Quando a roda de inércia RI é acoplada à barra bus 33 com oobjetivo de alimentá-la em eletricidade. As ordens de comando doscontactores de invertem: o contactor KMfw é fechado, e o contactor KMpwauxé aberto. A potência transita então da roda de inércia RI para essa barra busAC "essencial" 33. A roda de inércia RI se descarrega.
Assim, na figura 6, a flecha 35 ilustra o único caminhopossível da potência para a carga da roda de inércia RI. A flecha 36ilustra o único caminho possível da potência para a descarga da roda deinércia RI.
Quando uma pane total da geração elétrica intervém, a redeelétrica se encontra então desconectada de qualquer fonte elétrica. Aroda de inércia RI é instantaneamente acoplada à rede (fechamento docontactor KMpw), permitindo manter um nível de tensão conveniente, efornecer a potência e a energia necessárias para o bom funcionamento doavião.
Depois de alguns segundos necessários para a extensão e acolocação em rotação da turbina eólica RAT, a roda de inércia RI édesacoplada da rede para deixar lugar para esse turbina eólica (abertura deKMfw e fechamento de KMrat). Essa turbina eólica se encarrega então demanter as tensões da rede e de fornecer o conjunto da potência e a energianecessária para o funcionamento do avião.
Durante o período transitório, a roda de inércia RI sedescarregou de uma quantidade de energia conseqüente. É preciso entãorecarregá-la a fim de assegurar sua disponibilidade para um futuro períodotransitório. Essa recolocação em velocidade da roda de inércia é realizada,como a primeira colocação em velocidade descrita precedentemente,utilizando-se para isso a parte "essencial" 33 da rede, via o dispositivoauxiliar 30.
Por ocasião da aterrissagem do avião, depois da soltura daturbina eólica RAT, essa última é desacoplada da rede. A roda de inércia RI éde novo acoplada à rede a fim de fornecer a potência necessária para afrenagem do avião (abertura do contactor KMrat e fechamento do contactorKMfw).
O cronograma da figura 7 ilustra o funcionamento daroda de inércia RI, tal como definido acima, em função do tempo t, avelocidade V de rotação da roda de inércia RI representando seu estado decarga.
Nessa figura são ilustrados os instantes t seguintes:
- TO: colocação em funcionamento do avião,
- TI: decolagem,
- T2: perda da geração elétrica (geradores GEN1-GEN4),
- T3: colocação em serviço da turbina eólica RAT,
- T4: aterrissagem,
- ΔΤ1: geração elétrica por geradores GEN1-GEN4,
- ΔΤ2: geração elétrica por turbina eólica RAT.
Na velocidade nominal (V = max), a energia disponível émáxima. O cronograma revela os dois períodos transitórios não cobertos pelaturbina eólica, que estão situados entre os tempos T2 e T3 e os tempos T4 eT5. Aparece claramente que a carga inicial da roda de inércia RI é realizadana colocação em funcionamento do avião (tempo TO), e é em seguida mantidadurante o vôo. Durante o primeiro período transitório (período T2-»T3), aroda de inércia RI se descarrega. Ela é em seguida recarregada. Naaterrissagem, a turbina eólica RAT se torna inativa, o que coloca a roda deinércia em plena contribuição (período T4—»T5).
No que diz respeito às potências empregadas, uma potência dodispositivo auxiliar 30 igual a cerca de 10 % daquela da turbina eólica RATpermite carregar a roda de inércia RI em um tempo da ordem do minuto. Parauma turbina eólica RAT que possui um gerador elétrico de 50 kW prexemplo, uma potência auxiliar de 5 kW é conveniente para as fases de carga.

Claims (14)

1. Dispositivo de alimentação de auxílio elétrico a bordo deuma aeronave, próprio para alimentar a parte "essencial" da rede elétricadessa aeronave, caracterizado pelo fato de que ele compreende uma primeiramáquina síncrona de excitação separada (MSl) associada a uma roda deinércia (RI), e um dispositivo auxiliar (30) de colocação em rotação e demanutenção em rotação da roda de inércia.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que ele compreende por outro lado uma segunda máquinasíncrona de excitação separada (MS2) associada a uma turbina eólica (RAT).
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que a primeira máquina síncrona é ligada:- ao dispositivo auxiliar (30), que é ele próprio ligado a umabarra bus "essencial" (33) através de um primeiro contactor trifásico(KMpwaux),- a essa barra bus (33) através de um segundo contactortrifásico (KMpw)5- à segunda máquina síncrona (MS2), através desse segundocontactor trifásico (KMfw) e um terceiro contactor trifásico (KMrat).
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o dispositivo auxiliar (30) compreende dois conversoresestáticos (31, 32).
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de que o primeiro conversor (31) é um retificador trifásico quepermite obter uma tensão contínua (DC).
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de que o segundo conversor (32) é um ondulador trifásico, quepermite o auto-comando da primeira máquina síncrona (MSI).
7. Dispositivo de acordo com uma qualquer das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a aeronave é um avião.
8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o avião é um avião "todo elétrico".
9. Processo de alimentação de auxílio elétrico a bordo de umaaeronave, caracterizado pelo fato de que é utilizada uma primeira máquinasíncrona de excitação separada (MSl) associada a uma roda de inércia (RI)para alimentar a parte "essencial" da rede elétrica da aeronave por ocasião deuma pane total em geração elétrica, e pelo fato de que coloca-se em rotação emantém-se em rotação a roda de inércia (RI) com a ajuda de um dispositivoauxiliar (30).
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que é utilizada uma segunda máquina de excitação separada(MS2) associada a uma turbina eólica (RAT).
11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que quando uma pane total da geração elétrica intervém, a rodade inércia (RI) é instantaneamente acoplada à parte essencial (33) da redeelétrica, e pelo fato de que, depois de alguns segundos necessários aodesdobramento e à colocação em rotação da turbina eólica (RAT), a roda deinércia (RI) é desacoplada da rede.
12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que recarrega-se a roda de inércia utilizando-se para isso a parte"essencial" (33) da rede elétrica, via o dispositivo auxiliar (30).
13. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que por ocasião da aterrissagem da aeronave, depois da soltura daturbina eólica (RAT), a roda de inércia (RI) é acoplada à rede a fim defornecer a potência necessária para a frenagem do avião.
14. Aeronave caracterizada pelo fato de que ela compreendeum dispositivo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 8.
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