Introducción a la Generación y Suministro DC en Aeronaves
Corriente Fundamental en Aeronaves
En la aeronave, se entiende como corriente fundamental a la primera que se produce. En aeronaves de gran tamaño, lo habitual es que esa corriente fundamental sea de AC. En los aviones pequeños, el sistema principal suele ser de corriente continua con la alimentación principal suministrada por generadores de corriente continua.
La salida de cada generador alimenta a su bus correspondiente, con conexiones a inversores para el suministro de corriente alterna para determinados servicios.
Sistemas con DC como Corriente Principal
En este caso, los generadores serán: Autoexcitados, Generadores de bobinado de derivación y Generadores de arranque. El voltaje de salida tiene que ser constante a 28 voltios, independientemente de la velocidad del generador y la carga que soporte. El trabajo del regulador de voltaje es mantener la salida del generador a un voltaje constante de 28 voltios en las siguientes condiciones:
Factores que Afectan la Tensión de Salida
Aumentando la Velocidad del Motor
Aumenta la Tensión de Salida del Generador
Al aumentar la velocidad del motor, aumentará la velocidad del generador. En este caso, la armadura se mueve con más velocidad y el flujo inducido aumentará y, por tanto, la tensión tenderá a subir.
Disminuyendo la Velocidad del Motor
Disminuirá la Tensión de Salida del Generador
Al disminuir la velocidad del motor, disminuirá la velocidad del generador. En este caso, la armadura se mueve con menos velocidad y el flujo inducido disminuirá y, por tanto, la tensión tenderá a bajar.
Aumentando la Carga Eléctrica
Disminuirá la Tensión de Salida del Generador
Un aumento en la carga eléctrica provocará un aumento de la corriente a través de los devanados del inducido, provocando un aumento en la caída de tensión interna y la tensión en bornes tiende a caer.
Vbornes = FEM – I Ri
Disminuyendo la Carga Eléctrica
Aumentará la Tensión de Salida del Generador
Una disminución en la carga eléctrica provocará una disminución de la corriente a través de los devanados del inducido, provocando una disminución en la caída de tensión interna y la tensión en bornes tiende a subir.
Regulación de Voltaje DC
En la actualidad, la mayoría de los aviones han transistorizado los reguladores de voltaje, pero algunos aviones más viejos todavía tienen reguladores denominados de pila de carbón, por lo que conviene analizar ambos tipos. La misión de cualquier regulador de voltaje es ajustar la corriente de campo del generador (corriente de excitación) para mantener la tensión en un valor constante, típicamente 28 voltios, cuando hay un cambio de velocidad o carga en el generador.
Regulador de Pila de Carbón
Este regulador tiene una superficie granular, y una resistencia de contacto entre las dos caras de carbono que se mantienen juntas. Esta unión dependerá de la presión y área de contacto. Cuando la pila de carbono se comprime, su resistencia es baja; cuando no está comprimida, es alta.
La regulación de tensión en las dinamos, sean de excitación paralela o compound, se consigue **variando la corriente de campo del generador (excitación)** por medio de un regulador de pilas de carbón conectado en serie con el devanado paralelo del campo.
Los discos de la pila se encuentran apretados por la acción de un muelle, acción a la que se opone la bobina del regulador, que está energizada con la salida de la dinamo. Si la salida es pequeña, la fuerza ejercida por la bobina del regulador es también pequeña.
El muelle antagonista comprime los discos de la pila de carbón disminuyendo así su resistencia, con lo que la intensidad de campo y, por tanto, la salida del generador de continua, aumenta. Análogamente, sucede a la inversa.
Variación de la Velocidad del Generador
Veamos un ejemplo con el siguiente esquema. Este muestra el regulador conectado a un generador en derivación autoexcitado.
La pila de carbono está en serie con el campo del generador, y la bobina magnética se conecta a través de la salida del generador.
En serie con la bobina del imán está la resistencia de la propia reactancia y una resistencia de ajuste. La resistencia de la reactancia se hace generalmente de un material con un coeficiente de temperatura despreciable y tiene una resistencia mucho mayor que la bobina magnética.
La resistencia de la bobina del imán aumentará debido al incremento de la temperatura, mientras que la resistencia de la reactancia se mantendrá estable.
Esto significa que el cambio total en la resistencia del circuito de la bobina será insignificante debido al mayor valor de la resistencia de balasto.
La resistencia de ajuste puede ser, como se muestra, en el regulador o puede ser una unidad remota. Se utiliza para ajustar el sistema a la tensión requerida.
El trimmer resistor tiene como misión evitar que el voltaje del generador se eleve a un valor no regulado, en el caso de que el trimmer resistor se quedara en circuito abierto.
La acción electromagnética de ‘tirar’ sobre la armadura de hierro del regulador está influenciada por dos factores:
- a) La magnitud de la corriente que fluye en la bobina.
- b) La distancia entre la armadura y el polo del imán.
La fuerza de oposición ejercida por el resorte de compresión de la pila depende solo de la posición de la armadura.
Con el generador detenido, no hay ninguna corriente a través de la bobina, por lo que no tira de la armadura. Por lo tanto, el muelle de compresión de la pila está totalmente comprimido, y la pila de carbón ofrece entonces una resistencia mínima en el circuito de campo del generador. El hueco de aire entre la armadura y el regulador en la cara polar del imán está en su valor máximo.
A medida que el generador empieza a girar, una FEM se genera a partir del magnetismo residual del generador, y la tensión de salida aumenta progresivamente aplicándose a través de la bobina en el regulador.
En las etapas iniciales, hay una fuerza débil de atracción sobre la armadura, y la pila queda totalmente comprimida, permitiendo el aumento en la salida del generador.
Como la tensión del generador se eleva a su valor de 28 voltios, hay más atracción sobre la armadura y se alcanza una posición donde la tracción del resorte es igual y opuesta a la atracción del imán. Esta posición se conoce como la”**posición de inmersión*”, y se ajusta en el banco de prueba. De modo que cualquier posición de la armadura se equilibra con una fuerza de resorte igual y opuesta. Si aumentara la velocidad del generador, el voltaje de salida del generador se elevaría.
El aumento de la tensión a través de la bobina magnética da lugar a un aumento en la fuerza de atracción que actúa sobre la armadura, es decir, la atracción del imán es momentáneamente mayor que la fuerza del resorte.
Esto reduce la compresión en la pila de carbono, aumenta el valor de la resistencia de la pila de carbono y, por lo tanto, reduce la corriente al campo del generador.
La condición de equilibrio se alcanza cuando la fuerza del resorte es igual a la tracción del imán, con la armadura en una nueva posición, con el voltaje del generador estable a los 28 V.
Si la velocidad del generador disminuye, la FEM del generador tenderá a caer, la corriente en la bobina se reducirá y el equilibrio se rompe, esta vez con la fuerza del muelle mayor que la atracción del imán.
La pila se comprime, disminuyendo la resistencia, y la corriente fluirá más al campo del generador, aumentando su salida de nuevo a 28 voltios.
Variación de la Carga Eléctrica
En el caso de que la carga eléctrica se incremente, entonces la caída de tensión interna aumentará y la tensión en bornes caerá. La acción ahora será exactamente la misma que por una reducción en la velocidad del generador.
Si la carga eléctrica se reduce, la tensión en bornes se elevará, y la acción será exactamente la misma que si aumentara la velocidad del generador.
Regulador de Tensión Transistorizado
Este es un circuito simplificado para indicar el principio de funcionamiento de un regulador de voltaje transistorizado.
Supongamos que el motor está funcionando y el generador está dando una salida pequeña debido solamente al magnetismo residual.
Cuando el interruptor del generador se coloca en **ON**, la batería energiza el relé de campo. La batería suministra ahora una red divisora de tensión con R1, R2 y Rv1 (esto es a través de la salida del generador). También se aplica energía a TR2, que conduce, alimentando su salida a la base de TR3.
TR3, al conducir, conecta el circuito de campo del generador a masa.
La salida del generador está ahora alimentada a través de su campo en derivación y TR3 a tierra.
Si la salida del generador comenzara a aumentar, el punto X en el divisor de tensión también aumentaría, haciendo que la polarización inversa del diodo Zener le permitiera conducir. Esto haría más positiva la base de TR1 y, al conducir este, evitaría la conducción de TR2 y este, a su vez, el corte de TR3, lo que evitaría la puesta a masa de la bobina de excitación.
Cuando la tensión del generador cae hasta un valor determinado, es el punto X el que hará que el diodo Zener deje de conducir. Entonces, TR1 se cortará, lo que significa que TR2 y TR3 conducirán de nuevo y la excitación volverá.
Esta secuencia de operaciones se repite continuamente, manteniendo la salida del generador a 28 voltios de forma constante.
Así, la forma de onda aplicada al campo es realmente una forma de onda rectangular, donde los transistores TR2 y TR3 están continuamente alternando entre el estado de conducción y de corte.
El diodo D1, en derivación con la bobina de campo, absorbe los picos de tensión, evitando una alta tensión en TR3 en cada una de las conmutaciones de estado.
RV1 permite un pequeño *trimado* del punto X y, como consecuencia, el ajuste del valor de salida del generador.
Conexión del Generador a las Barras de Distribución
Debe haber alguna forma de conexión y desconexión eléctrica del generador a la barra DC. Cuando el generador se ha detenido, o por una corriente inversa, la barra puede pasar a alimentar al generador, causando que el generador se comporte como un motor. Esto se realiza a través de los contactores o relés de potencia.
Los contactores, por tanto, son los encargados de conectar la salida del generador a las barras de distribución en las siguientes condiciones:
- **CONECTAR:** Cuando la tensión del generador es correcta.
- **DESCONECTAR:** Cuando la tensión del generador cae por debajo de un umbral determinado.
Sistemas de Protección del Generador DC
En un sistema generador de corriente continua, los sistemas de protección suelen ser:
- a) Protección contra sobretensiones.
- b) Protección contra sobrecarga.
- c) Protección contra corriente inversa.
- d) Protección diferencial.
Tipos de Protección
Protección contra Sobretensiones
La bobina de detección del relé de sobretensión está conectada en paralelo con el campo (excitación) del generador.
Si el generador sufre sobrevoltaje (30 V – 31 V), habrá un aumento en la corriente de campo y la bobina del relé de sobretensión lo detectará; inicialmente, parte de esa corriente se desvía a través de las bajas resistencias de las lámparas L1 y L2; como las lámparas aumentan la resistencia de su filamento al calentarse, la corriente se desvía más a la bobina de detección; esto da una pequeña demora antes de que el circuito de la bobina de detección pueda funcionar, para asegurar que cualquier sobretensión transitoria no dispare el generador.
Cuando el circuito de la bobina de detección opera y cierra sus contactos, permite suministrar corriente desde los terminales 3 y 4 y energizar la bobina de blocaje (**Latching Coil**).
Esto hace que se interrumpa el circuito de excitación o campo.
Como la resistencia a través de los contactos es muy alta, el circuito está abierto (lo que impide arco en los contactos del gran campo inductivo del generador).
El generador, por lo tanto, abre la línea, cerrando los contactos y proporcionando alimentación a la bobina de retención.
Quedándose en este estado aunque desaparezca la sobretensión, siendo necesario realizar el reset.
Protección contra Sobrecargas
En serie con las barras principales, se encuentra la denominada **Bobina Serie**.
que está conectada a un elemento bimetálico. A través de esta bobina, se alimentan las cargas de la aeronave.
Si esta corriente se elevase por encima de un cierto valor, el bimetal se deformaría debido a la temperatura y esto cambiaría la posición de sus contactos.
Una vez que dichos contactos han variado su posición, y a través del circuito formado por los contactos 5-3, alimentamos la bobina de blocaje del relé de sobrevoltaje, interrumpiendo la excitación y sacando al generador de barras.
Cada vez que el generador se desconecta de las barras, bien por el sistema de protección o bien por una parada normal del motor, un aviso de **Warning** rojo se encenderá a través de los contactos 5 y 6.
Si la salida del generador es de 1.5 a 2 voltios, se debe al magnetismo residual del generador (imán permanente). Por consiguiente, existe la posibilidad de un fallo en el circuito de excitación.
Si la salida del generador es de cero voltios, entonces hay dos posibles fallos:
- a) Generador no gira.
- b) El generador ha perdido su magnetismo residual.
Protección contra Corriente Inversa
**Switch del Generador en ON**
Aproximadamente a 22 V, energiza el relé de bajo voltaje, al estar alimentado directamente de masa (a este relé se le denomina a veces **piloto**).
Al cerrarse el relé de bajo voltaje, la tensión del generador se conecta al terminal 6 del relé, polarizando el terminal 5 al que le llega información del voltaje existente en la barra.
Cuando entre la tensión del generador y la de la barra se acumula una diferencia superior entre 0,5 V a 0,75 V, el voltaje diferencial creado es suficiente para hacer conducir una corriente excitadora que pivota la armadura y cierra los contactos.
Esto energiza el contactor principal, cerrando sus contactos y aplicando la tensión del generador a la barra. Cuando el generador está conectado a la barra, la corriente ahora fluye a través de la bobina en serie en dirección (generador → barra), polarizándose la armadura en el mismo sentido que la bobina diferencial.
Cuando cae la tensión del generador por debajo de la tensión de la barra, provocará una corriente inversa de la barra hacia el generador.
Cuando esa corriente inversa (entre 15 y 20 amperios) circula a través de la Bobina Serie, polarizará la armadura giratoria en el sentido opuesto y provocará su movimiento hacia atrás, es decir, a su posición original.
Esto desconecta la alimentación que energizaba el contactor y el generador se quitará de la barra distribuidora.