BRPI1104281A2 - sistema de controlador de energia, aeronave, mÉtodo para operar um sistema de controlador de energia e mÉtodo para operar um sistema de controlador de energia de uma aeronave - Google Patents
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Abstract
"SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA, AERONAVE, MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA DE UMA AERONAVE". Trata-se de um sistema de controlador de energia disposto para suprir eletricamente uma carga através de um circuito. O sistema de controlador de energia compreende um dispositivo de comutação 30 proporcionado em um caminho elétrico 31 para fornecer corrente a uma carga 20. Um controlador 50 é disposto para abrir o dispositivo de comutação 30 quando uma corrente ou tensão através do dispositivo de comutação 30 exceder um nível predeterminado. Um caminho elétrico 60 é proporcionado em paralelo á carga 20 para permitir que a corrente de carga continue a fluir através do caminho elétrico paralelo 60 e da carga 20, quando o dispositivo de comutação 30 estiver aberto, para dissipar a energia indutiva armazenada no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo 60 à carga 20. O caminho elétrico paralelo 60 permite que a corrente continue a ser fornecida á carga 20, mesmo durante um cenário transiente de falta, como uma descarga de relâmpago, quando o dispositivo de comutação estiver aberto. Consequentemente, durante um cenário transiente de falta, o dispositivo de comutação 30 é aberto para evitar que uma corrente excessiva passe através dele, enquanto a corrente de carga não for interrompida, devido à diddipação da energia indutiva através do caminho paralelo 60 e da carga 20.
Description
"SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA, AERONAVE, MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA
DE UMA AERONAVE" Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um sistema de controlador de energia, em particular a um sistema de controlador de energia que é protegido de descargas de relâmpagos ou condições de falha, por exemplo.
Antecedentes da Invenção Tradicionalmente, um sistema de controlador de energia inclui um
dispositivo de comutação como um comutador eletromecânico para interromper o fornecimento de energia elétrica a uma carga, em caso de descarga de relâmpago ou condição de falha. Entretanto, a fim de proporcionar tempos de reação mais rápidos e reduzir o tamanho e o custo de dispositivos comutadores, dispositivos que operam mais rápido estão sendo usados, como comutadores microeletromecânicos (MEMS) e transistores, como MOSFETs (Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor). Embora estes dispositivos sejam mais rápidos em operação, seu tamanho é proporcional ao transiente de falha que ele pode acomodar. Como eles geralmente têm massa térmica relativamente baixa, eles apenas podem acomodar um transiente de falha limitado.
Em aplicações de aviação, como em uma aeronave, é importante que uma condição de falha ou uma descarga de relâmpago não interrompa a corrente para uma dada carga que pode ser crucial para a aeronave, como, por exemplo, os controles e instrumentos da cabine do piloto, trem de pouso, sistemas ambientais etc. Além disso, a distribuição de energia elétrica na indústria de aviação está se encaminhando para arquiteturas de tensão cada vez mais altas, de modo que a corrente de falta e as considerações ambientais como descargas de relâmpagos estão se tornando cada vez mais severas. Tradicionalmente, o sistema de distribuição de energia apresenta engenharia excessiva, por exemplo, o comutador de transistor é muito maior para ser capaz de absorver estes eventos, como descargas de relâmpagos e falhas, sem interromper a carga durante estes transientes. Entretanto, exceder na engenharia do sistema de distribuição de energia e comutadores aumenta o custo, tamanho e peso, o que reduz o desempenho da aeronave e aumenta seu consumo de combustível.
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, proporciona-se um sistema de controlador de energia disposto para suprir energeticamente uma carga através de um circuito, o sistema compreende
um dispositivo de comutação proporcionado em um caminho elétrico para fornecer corrente para a carga;
um controlador disposto para abrir o dispositivo de comutação quando uma corrente ou tensão através do dispositivo de comutação exceder um nível predeterminado; e
um caminho elétrico paralelo à carga para permitir que a corrente de carga continue a fluir pelo caminho elétrico paralelo e pela carga, quando o dispositivo de comutação estiver aberto, para dissipar a energia indutiva armazenada no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo à carga.
Durante um cenário temporário de falha, como uma descarga de relâmpago, quando a corrente através do dispositivo de comutação excede um nível predeterminado, por exemplo, dez vezes a corrente pretendida, o dispositivo de comutação será comandado pelo controlador a desligar. Durante este tempo, a corrente da carga continuará a fluir através do caminho elétrico paralelo à carga, dissipando a energia indutiva armazenada nos cabos do circuito que conectam o sistema de distribuição e a carga. Consequentemente, a corrente da carga não será interrompida o que é muito importante na aviação, por exemplo, para sistemas dos quais uma aeronave depende durante o voo.
O caminho elétrico, de preferência, inclui um diodo para assegurar que a energia indutiva armazenada no circuito continue a fluir pelo circuito na direção apropriada.
O controlador é disposto, de preferência, para fechar o comutador
novamente após um período de tempo predeterminado durante o qual um evento transiente, como uma descarga de relâmpago provavelmente tenha diminuído ou uma falha tenha sido corrigida, de modo que um sistema de distribuição de energia possa continuar a fornecer uma carga. De acordo com um segundo aspecto da presente invenção,
proporciona-se um método para operar um sistema de controlador de energia disposto para suprir energeticamente uma carga através de um circuito, o método compreende
abrir um dispositivo de comutação em um caminho elétrico para fornecer uma corrente para a carga, quando uma corrente ou tensão através do dispositivo de comutação exceder um nível predeterminado, de modo que a corrente de carga continue a fluir através da carga e um caminho elétrico paralelo à carga dissipe a energia indutiva armazenada no circuito que inclui e conecta o caminho elétrico paralelo à carga. O dispositivo de comutação, de preferência, é fechado após um
período de tempo predeterminado, de modo que a carga possa receber corrente de um suprimento novamente e, se a corrente ou tensão de suprimento ainda exceder o nível predeterminado, o dispositivo de comutação é aberto novamente, caso contrário, ele permanece fechado até que uma corrente ou tensão que exceda o nível predeterminado seja detectada novamente.
Realizações da presente invenção serão agora descritas, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexados, sendo que: A figura 1 mostra um sistema de controlador de energia com uma carga, que ilustra um exemplo da presente invenção;
A figura 2 é um gráfico que ilustra a tensão através de um dispositivo de comutação e uma corrente através de um caminho elétrico paralelo à carga, durante a abertura e fechamento do dispositivo de comutação;
A figura 3 mostra um diagrama de fluxo, que ilustra um método de uma realização da presente invenção; e
A figura 4 mostra um exemplo mais detalhado de um sistema de controlador de energia, que ilustra a presente invenção.
A figura 1 mostra um sistema de controlador de energia 10 disposto para suprir eletricamente uma carga 20. O sistema de controlador de energia inclui um circuito 11 que compreende um dispositivo de comutação 30 proporcionado em um caminho elétrico 31 para fornecer corrente à carga 20. O caminho elétrico 31 inclui um suprimento elétrico 40 conectado ao dispositivo de comutação 30 que, por sua vez, está conectado à carga 20. Na prática, o caminho elétrico 31 pode compreender geralmente cabos elétricos ou similares que podem ter vários metros ou várias dezenas de metros, dependendo da aeronave, e que proporcionam inerentemente certa quantidade de indutância indicada na figura 1 por símbolos com o número 32.
Um controlador 50 é disposto para abrir o dispositivo de comutação 30 quando uma corrente ou tensão através do dispositivo de comutação 30 exceder um nível predeterminado. O controlador 50, de preferência, é conectado ao caminho elétrico 31 para detectar a corrente ou tensão que passa através do dispositivo de comutação 30. O controlador 50 pode incluir um meio de controle adequado, como um microprocessador, para abrir o dispositivo de comutação 30 quando a corrente ou tensão detectada exceder o nível predeterminado. O dispositivo de comutação 30 pode ser qualquer dispositivo adequado como um transistor, por exemplo, um MOSFET, um MEMS ou um comutador eletromecânico, por exemplo.
Um caminho elétrico 60 é proporcionado em paralelo à carga 20. Quando o controlador 50 abre o dispositivo de comutação 30, desconectando o suprimento 40 da carga 20, a corrente é capaz de continuar a fluir através do caminho elétrico paralelo 60 e da carga 20, conforme indicado pela seta 61, para dissipar a energia indutiva 32 armazenada no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo 60 à carga 20. O circuito será formado tipicamente por cabos ou similares. O caminho elétrico paralelo 60 pode incluir um diodo 62 para assegurar que a corrente continue a fluir através da carga 20 na mesma direção de quando o comutador 30 estava fechado.
O controlador 50, de preferência, é disposto para fechar o dispositivo de comutação 30 novamente após um período de tempo predeterminado. Este período de tempo predeterminado dependerá da quantidade de indutância no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo 60 à carga 20 e da duração provável de um evento transiente, como uma descarga de relâmpago ou o tempo de uma falha ser corrigida automaticamente. Este período de tempo predeterminado, por exemplo, pode ser de poucos microssegundos, dezenas de microssegundos ou mais, dependendo da quantidade de indutância no sistema, que pode ser parasitária ou pode incluir o efeito de componentes adicionais. A indutância no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo 60 à carga 20 pode ser apropriada para proporcionar tempo suficiente para uma corrente ser mantida, conforme indicado pela seta 61, de modo que o evento transiente terá diminuído substancialmente na hora em que o comutador 30 for fechado novamente. Entretanto, se necessário, indutâncias adicionais podem ser proporcionadas entre a carga 20 e o caminho paralelo 60. Após este período de tempo predeterminado ter decorrido, o controlador 50 fecha o dispositivo de comutação 30, de modo que a energia elétrica possa ser proporcionada novamente pelo suprimento 40. Isto vai revigorar a indutância no circuito que conecta a carga 20 ao caminho elétrico paralelo 60. Entretanto, se a corrente ou tensão através do dispositivo de comutação 30 ainda exceder o nível predeterminado, o controlador 50 abrirá o dispositivo de comutação novamente, de modo que a energia indutiva 32 proporcionada no circuito ou cabeamento que conecta o caminho elétrico paralelo 60 à carga 20 seja novamente dissipada.
O controlador pode continuar a ligar e desligar o dispositivo de comutação 30 até que o evento transiente tenha passado ou que a falta tenha sido corrigida.
O exemplo ilustrado na figura 1 permite que a corrente continue a ser fornecida a uma carga 20 mesmo no caso de um evento transiente, como uma descarga de relâmpago ou uma falha. Isto é particularmente importante quando se deseja continuar a fornecer uma carga, mesmo no caso de uma descarga de relâmpago ou falha transiente, por exemplo, para componentes essenciais em uma aeronave, como a cabine do piloto ou os controles do motor. Pode-se alcançar isto sem ter que exceder na engenharia de componentes de comutação como na técnica anterior, reduzindo custos e peso.
A figura 2 ilustra a corrente Is e a tensão Vs através do dispositivo de comutação 30 durante o Iigamento e desligamento do dispositivo de comutação 30. Como se pode ver na figura 2, com o dispositivo de comutação fechado, há uma corrente Is e uma tensão Vs através dele. Entretanto, quando se detecta uma falha com uma corrente ou tensão que exceda um nível predeterminado, o dispositivo de comutação 30 é aberto, de modo que não haja mais nenhuma corrente Is através do dispositivo de comutação 30 e uma tensão Vs é, então, proporcionada através dele. Uma corrente, então, flui através de um caminho elétrico paralelo 60. Após um período de tempo predeterminado, durante o qual o transiente terá diminuído consideravelmente, o controlador 50 fecha o dispositivo de comutação 30 novamente, retomando a corrente Is através do dispositivo de comutação 30 e cessando o fluxo de corrente através do caminho elétrico paralelo 60.
Se for verificado que a tensão ou a corrente através do dispositivo de comutação 30 ainda excede o nível predeterminado, o comutador 30 é aberto uma segunda vez. Se necessário, o dispositivo de comutação 30 pode ser aberto e fechado repetidamente até que a condição de falha tenha diminuído. Cada fechamento do dispositivo de comutação 30 revigorará a indutância 32 no circuito, como cabos, conectando a carga 20 ao caminho elétrico paralelo 60.
A figura 3 é um diagrama de fluxo que ilustra um método para operar um sistema de controlador de energia de uma realização da presente invenção. Na etapa 100, o controlador 50 detecta se há uma condição de corrente ou tensão excessiva. Se houver uma corrente ou tensão excluída, na etapa 200 o dispositivo de comutação 30 é aberto, cessando o fluxo de corrente do gerador ou suprimento 40. Enquanto o dispositivo de comutação 30 está aberto, a corrente continua a fluir através da carga 20, devido à indutância do circuito 31 e do caminho elétrico paralelo 60.
Na etapa 300, o controlado fecha o dispositivo de comutação 30 após um período de tempo predeterminado, após o qual é provável que o transiente tenha diminuído consideravelmente. Após fechar o dispositivo de comutação 30, o controlador 50 retorna à etapa 100, na qual determina se há uma condição de carga ou tensão excessiva no dispositivo de comutação 30. Se o transiente tiver diminuído suficientemente para a corrente ou tensão através do dispositivo de comutação 30 estar abaixo dos níveis predeterminados, o dispositivo de comutação 30 permanece fechado. Entretanto, se a corrente ou tensão através do dispositivo de comutação 30 ainda estiver acima do nível predeterminado, a seqüência das etapas 200 e 300, ilustrada na figura 3, é repetida.
A figura 4 mostra um exemplo mais detalhado de um sistema de controlador de energia que ilustra a presente invenção. Como pode ser visto na figura 4, muitos dos componentes são equivalentes aos mostrados na figura 1 e são proporcionados com os mesmos numerais de referência. O sistema de controle de energia ilustrado na figura 4 mostra uma arquitetura possível para um sistema de distribuição CC de mais/menos 270 V. Os dispositivos de comutação 30 neste exemplo são MOSFETs, mas outros dispositivos de comutação como MEMS ou IGBTs (Transistores Bipolares de Porta Isolada) podem ser usados. Durante um cenário transiente de falha, como uma descarga de relâmpago, quando a corrente através dos MOSFETs 30 excede um nível predeterminado (por exemplo, 10 vezes a corrente de proteção pretendida), os MOSFETs 30 serão comandados pelo controlador 50 a desligar. Durante este tempo, a corrente da carga continuará a fluir através dos diodos de comutação 62, dissipando a energia indutiva armazenada nos cabos e elementos indutivos 32 que conectam o sistema à carga 20.
Os dispositivos de comutação 30 serão comandados de volta pelo controlador 50 um pouco depois, neste momento o transiente terá diminuído consideravelmente. O resultado final é que a corrente da carga não foi interrompida durante o transiente e a energia transiente total não foi experimentada pelos MOSFETs.
Esta técnica proporciona a capacidade de um limite de corrente digital para fins de distribuição de energia elétrica, que elimina a necessidade de excesso de engenharia dos componentes de comutação economizando, assim, custo e peso. t· 9
Muitas variações podem ser feitas nos exemplos descritos acima sem que se distancie do escopo da presente invenção. Por exemplo, qualquer número de cargas 20 pode ser proporcionado no circuito ou qualquer número de circuitos pode ser proporcionado. Embora descrita com referência a exemplos na indústria de aviação, a presente invenção pode ser usada em um sistema de controlador de energia em qualquer aplicação, por exemplo, um navio, um veículo, uma fábrica, uma rede de fornecimento de energia ou um domicílio.
Claims (14)
1. SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA, disposto para suprir eletricamente uma carga através de um circuito, sendo que o sistema compreende: um dispositivo de comutação proporcionado em um caminho elétrico para suprir corrente para a carga; um controlador disposto para abrir o dispositivo de comutação quando uma corrente por, ou tensão através do dispositivo de comutação exceder um nível predeterminado; e um caminho elétrico fornecido paralelo à carga para permitir que a corrente de carga continue a fluir pelo caminho elétrico paralelo e pela carga quando o dispositivo de comutação estiver aberto para dissipar a energia indutiva armazenada no circuito que conecta o caminho elétrico paralelo à carga.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico paralelo é disposto de modo que a energia indutiva armazenada no circuito continue a fluir na mesma direção de quando o dispositivo de comutação estava fechado.
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, em que o caminho elétrico paralelo inclui um diodo para assegurar que a energia indutiva armazenada no circuito continue a fluir na mesma direção de quando o dispositivo de comutação estava fechado.
4. SISTEMA, de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o controlador é disposto para fechar o dispositivo de comutação após um período de tempo predeterminado.
5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, em que o controlador é disposto para abrir o dispositivo de comutação novamente, se a corrente por, ou tensão através do dispositivo de comutação ainda exceder o nível predeterminado.
6. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, que inclui um elemento indutivo para aumentar a indutância entre o caminho elétrico paralelo e a carga.
7. AERONAVE, que inclui sistema de controlador de energia, conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.
8. MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA, disposto para suprir eletricamente uma carga através de um circuito, sendo que o método compreende: abrir um dispositivo de comutação em um caminho elétrico para suprir uma corrente para a carga, quando uma corrente por, ou tensão através do dispositivo de comutação exceder um nível predeterminado de modo que a corrente de carga continue a fluir através da carga, e um caminho elétrico paralelo à carga dissipe a energia indutiva armazenada no circuito que inclui e conecta o caminho elétrico paralelo à carga.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, que compreende, ainda, fechar o dispositivo de comutação por um período de tempo predeterminado após ele ter sido aberto.
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, que compreende, ainda, abrir o dispositivo de comutação novamente se a corrente por, ou tensão através do dispositivo de comutação ainda exceder o nível predeterminado.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, que compreende, ainda, abrir e fechar repetidamente o dispositivo de comutação até que a corrente por, ou tensão através do dispositivo de comutação não mais exceda o nível predeterminado.
12. MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA DE UMA AERONAVE, conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 8 a 11.
13. SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA disposto para suprir eletricamente uma carga através de um circuito, substancialmente conforme descrito acima com referência aos desenhos em anexo.
14. MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA, disposto para suprir eletricamente uma carga através de um circuito substancialmente como descrito acima com referência aos desenhos em anexo.
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