Sistemas Elétricos de Aeronaves
Praticamente todas as aeronaves contêm algum tipo de sistema elétrico. A aeronave mais básica deve produzir eletricidade para a operação do sistema de ignição do motor. Aeronaves modernas possuem sistemas elétricos complexos que controlam quase todos os aspectos do voo. Em geral, os sistemas elétricos podem ser divididos em diferentes categorias de acordo com a função do sistema. Os sistemas comuns incluem iluminação, partida do motor e geração de energia.
Aeronave Monomotor Pequena
Aeronaves leves normalmente têm um sistema elétrico relativamente simples porque aeronaves simples geralmente requerem menos redundância e menos complexidade do que aeronaves de categoria de transporte maiores. Na maioria das aeronaves leves, há apenas um sistema elétrico alimentado pelo alternador ou gerador acionado pelo motor. A bateria da aeronave é usada para energia de emergência e partida do motor. A energia elétrica é normalmente distribuída através de um ou mais pontos comuns conhecidos como barramento elétrico (ou barramento).
Quase todos os circuitos elétricos devem ser protegidos contra falhas que possam ocorrer no sistema. As falhas são comumente conhecidas como aberturas ou shorts. Um circuito aberto é uma falha elétrica que ocorre quando um circuito é desconectado. Um curto-circuito é uma falha elétrica que ocorre quando um ou mais circuitos criam uma conexão indesejada. O curto-circuito mais perigoso ocorre quando um fio positivo cria uma conexão indesejada com uma conexão negativa ou terra. Isso é normalmente chamado de curto para o terra.
Existem duas maneiras de proteger os sistemas elétricos contra falhas: mecanicamente e eletricamente. Mecanicamente, fios e componentes são protegidos contra abrasão e desgaste excessivo por meio de instalação adequada e pela adição de capas e blindagens protetoras. Eletricamente, os fios podem ser protegidos usando disjuntores e fusíveis. Os disjuntores protegem cada sistema em caso de curto-circuito. Deve-se notar que fusíveis podem ser usados em vez de disjuntores. Os fusíveis são normalmente encontrados em aeronaves mais antigas.
Circuito da bateria
A bateria da aeronave e o circuito da bateria são usados para fornecer energia para a partida do motor e para fornecer uma fonte de alimentação secundária no caso de falha do alternador (ou gerador). Um esquema de um circuito de bateria típico é mostrado na Figura. Este diagrama mostra a relação dos circuitos de partida e de alimentação externa que serão discutidos posteriormente neste capítulo. As linhas em negrito encontradas no diagrama representam o fio grande (veja o fio que sai da conexão positiva da bateria), que é usado no circuito da bateria devido à forte corrente fornecida por esses fios. Como as baterias podem fornecer grandes fluxos de corrente, uma bateria normalmente é conectada ao sistema por meio de um solenóide elétrico. No início/fim de cada voo, a bateria é conectada/desconectada do barramento de distribuição elétrica através dos contatos do solenóide.
Embora sejam muito semelhantes, muitas vezes há confusão entre os termos “solenóide” e “relé”. Um solenóide é normalmente usado para comutação de circuitos de alta corrente e relés usados para controlar circuitos de baixa corrente. Para ajudar a esclarecer a confusão, o termo “contator” é frequentemente usado ao descrever uma chave operada magneticamente. Para fins gerais, um técnico de aeronaves pode considerar os termos relé, solenóide e contator como sinônimos. Cada um desses três termos pode ser usado em diagramas e esquemas para descrever interruptores elétricos controlados por um eletroímã.
Aqui pode ser visto que o fio positivo da bateria está conectado ao barramento elétrico quando a chave geral da bateria está ativa. Um solenóide de bateria é mostrado na Figura. O interruptor da bateria é muitas vezes referido como o interruptor principal, uma vez que desliga ou liga praticamente toda a energia elétrica controlando a conexão da bateria. Observe como as conexões elétricas do solenóide da bateria são protegidas contra curtos elétricos por tampas de borracha na extremidade de cada fio.
O amperímetro mostrado no circuito da bateria é usado para monitorar o fluxo de corrente da bateria para o barramento de distribuição. Quando todos os sistemas estão operando corretamente, a corrente da bateria deve fluir do barramento principal para a bateria dando uma indicação positiva no amperímetro. Neste caso, a bateria está sendo carregada. Se o alternador da aeronave (ou gerador) apresentar um mau funcionamento, o amperímetro indicará um valor negativo. Uma indicação negativa significa que a corrente está saindo da bateria para alimentar qualquer carga elétrica conectada ao barramento. A bateria está sendo descarregada e a aeronave corre o risco de perder toda a energia elétrica.
Circuito Gerador
Os circuitos geradores são usados para controlar a energia elétrica entre o gerador da aeronave e o barramento de distribuição. Normalmente, esses circuitos são encontrados em aeronaves mais antigas que não foram atualizadas para um alternador. Os circuitos geradores controlam a energia para o enrolamento de campo e a energia elétrica do gerador para o barramento elétrico. Um interruptor mestre do gerador é usado para ligar o gerador normalmente controlando a corrente de campo. Se o gerador estiver girando e a corrente for enviada para o circuito de campo, o gerador produz energia elétrica. A potência de saída do gerador é controlada através da unidade de controle do gerador (ou regulador de tensão).
Como pode ser visto na Figura, a chave do gerador controla a potência para o campo do gerador (terminal F). A corrente de saída do gerador é fornecida ao barramento da aeronave através do circuito de armadura (terminal A) do gerador.
Circuito do alternador
Os circuitos do alternador, como os circuitos do gerador, devem controlar a energia de e para o alternador. O alternador é controlado pelo piloto através do interruptor principal do alternador. A chave geral do alternador, por sua vez, opera um circuito dentro da unidade de controle do alternador (ou regulador de tensão) e envia corrente para o campo do alternador. Se o alternador for alimentado pelo motor da aeronave, o alternador produzirá energia elétrica para as cargas elétricas da aeronave. O circuito de controle do alternador contém os três principais componentes do circuito do alternador: alternador, regulador de tensão e chave geral do alternador.
O regulador de tensão controla a corrente de campo do gerador de acordo com a carga elétrica da aeronave. Se o motor da aeronave estiver funcionando e a chave geral do alternador estiver ligada, o regulador de tensão ajusta a corrente para o campo do alternador conforme necessário. Se mais corrente flui para o campo do alternador, a saída do alternador aumenta e alimenta as cargas da aeronave através do barramento de distribuição.
Todos os alternadores devem ser monitorados quanto à saída correta. A maioria das aeronaves leves emprega um amperímetro para monitorar a saída do alternador. A figura mostra um circuito amperímetro típico usado para monitorar a saída do alternador. Um amperímetro colocado no circuito do alternador é um medidor de polaridade única que mostra o fluxo de corrente em apenas uma direção. Este fluxo é do alternador para o barramento. Como o alternador contém diodos no circuito da armadura, a corrente não pode reverter o fluxo do barramento para o alternador.
Ao solucionar problemas de um sistema de alternador, certifique-se de monitorar o amperímetro da aeronave. Se o sistema do alternador estiver inoperante, o amperímetro dá uma indicação de zero. Neste caso, a bateria está sendo descarregada. Um voltímetro também é uma ferramenta valiosa ao solucionar problemas de um sistema de alternador. O voltímetro deve ser instalado no sistema elétrico enquanto o motor estiver funcionando e o alternador funcionando. Um sistema operando normalmente produz uma tensão dentro dos limites especificados (aproximadamente 14 volts ou 28 volts dependendo do sistema elétrico). Consulte o manual da aeronave e verifique se a tensão do sistema está correta. Se a tensão estiver abaixo dos valores especificados, o sistema de carregamento deve ser inspecionado.
Circuito de Energia Externa
Muitas aeronaves empregam um circuito de energia externo que fornece um meio de conectar energia elétrica de uma fonte terrestre à aeronave. A energia externa é frequentemente usada para iniciar o motor ou atividades de manutenção na aeronave. Este tipo de sistema permite o funcionamento de vários sistemas elétricos sem descarregar a bateria. Os sistemas de alimentação externa normalmente consistem em um plugue elétrico localizado em uma área conveniente da fuselagem, um solenóide elétrico usado para conectar a alimentação externa ao barramento e a fiação relacionada ao sistema.
A figura mostra como o receptáculo de alimentação externa se conecta ao solenóide de alimentação externa por meio de um diodo de polaridade reversa. Este diodo é usado para evitar qualquer conexão acidental caso a fonte de alimentação externa tenha a polaridade incorreta (ou seja, o inverso das conexões elétricas positiva e negativa). Uma conexão de polaridade reversa pode ser catastrófica para o sistema elétrico da aeronave. Se uma fonte de alimentação de aterramento com polaridade reversa for conectada, o diodo bloqueia a corrente e o solenóide de alimentação externa não fecha.
Este diagrama também mostra que a energia externa pode ser usada para carregar a bateria da aeronave ou alimentar as cargas elétricas da aeronave. Para que a energia externa dê partida no motor da aeronave ou alimente cargas elétricas, a chave geral da bateria deve estar fechada.
Circuito de partida
Praticamente todas as aeronaves modernas empregam um motor elétrico para dar partida no motor da aeronave. Como a partida do motor requer vários cavalos de potência, o motor de partida pode consumir 100 ou mais amperes. Por esta razão, todos os motores de partida são controlados através de um solenóide.
O circuito de partida deve ser conectado o mais próximo possível da bateria, pois é necessário um fio grande para alimentar o motor de partida e a economia de peso pode ser alcançada quando a bateria e o motor de partida são instalados próximos um do outro na aeronave. Conforme mostrado no diagrama do circuito de partida, a chave de partida pode fazer parte de uma chave multifuncional que também é usada para controlar os magnetos do motor.
O motor de partida pode ser alimentado pela bateria da aeronave ou pela fonte de alimentação externa. Muitas vezes, quando a bateria da aeronave está fraca ou precisa ser carregada, o circuito de alimentação externo é usado para alimentar o motor de partida. Durante as operações mais típicas, o motor de partida é alimentado pela bateria da aeronave. O mestre da bateria deve estar ligado e o solenóide mestre fechado para dar partida no motor com a bateria.
Circuito de alimentação de aviônicos
Muitas aeronaves contêm um barramento de distribuição de energia separado especificamente para equipamentos eletrônicos. Este barramento é muitas vezes referido como um barramento de aviônicos. Como os equipamentos aviônicos modernos empregam circuitos eletrônicos sensíveis, muitas vezes é vantajoso desconectar todos os aviônicos da energia elétrica para proteger seus circuitos. Por exemplo, o barramento de aviônicos geralmente é desenergizado quando o motor de partida é ativado. Isso ajuda a evitar que quaisquer picos de tensão transitórios produzidos pelo motor de partida entrem nos aviônicos sensíveis.
O circuito emprega um solenóide normalmente fechado (NC) que conecta o barramento de aviônicos ao barramento de força principal. O eletroímã do solenóide é ativado sempre que a partida é acionada. A corrente é enviada da chave de partida através do diodo D1, fazendo com que o solenóide abra e desenergize o barramento de aviônicos. Nesse momento, todos os eletrônicos conectados ao barramento de aviônicos perderão energia. O contator de aviônicos também é ativado sempre que uma alimentação externa é conectada à aeronave. Neste caso, a corrente percorre os diodos D2 e D3 até o contator do barramento de aviônicos.
Um interruptor de alimentação de aviônicos separado também pode ser usado para desconectar todo o barramento de aviônicos. Um interruptor de alimentação de aviônicos típico é mostrado conectado em série com o barramento de alimentação de aviônicos. Em alguns casos, este interruptor é combinado com um disjuntor e desempenha duas funções (chamadas de interruptor do disjuntor). Deve-se notar também que o contator de aviônicos é muitas vezes referido como um relé de barramento dividido, uma vez que o contator separa (divide) o barramento de aviônicos do barramento principal.
Circuito do trem de pouso
Outro circuito comum encontrado em aeronaves leves opera os sistemas de trem de pouso retrátil em aeronaves leves de alto desempenho. Esses aviões normalmente empregam um sistema hidráulico para mover o trem. Após a decolagem, o piloto move a chave de marcha para a posição de retração, acionando um motor elétrico. O motor opera uma bomba hidráulica e o sistema hidráulico move o trem de pouso. Para garantir o correto funcionamento do sistema, o sistema elétrico do trem de pouso é relativamente complexo. O sistema elétrico deve detectar a posição de cada marcha (direita, esquerda, nariz) e determinar quando cada uma atinge o máximo ou a baixa; o motor é então controlado em conformidade. Existem sistemas de segurança para ajudar a evitar o acionamento acidental da engrenagem.
Uma série de interruptores de limite são necessários para monitorar a posição de cada marcha durante a operação do sistema. (Um interruptor de limite é simplesmente um interruptor de contato momentâneo com mola que é ativado quando um trem atinge seu limite de curso.) Normalmente, existem seis interruptores de limite localizados nos poços das rodas do trem de pouso. Os três interruptores de limite de subida são usados para detectar quando a marcha atinge a posição de retração total (UP). Três interruptores de limite inferior são usados para detectar quando a engrenagem atinge a posição totalmente estendida (DOWN). Cada um desses interruptores é acionado mecanicamente por um componente do conjunto do trem de pouso quando o trem apropriado atinge um determinado limite.
O sistema do trem de pouso também deve fornecer uma indicação ao piloto de que o trem está em uma posição segura para o pouso. Muitas aeronaves empregam uma série de três luzes verdes quando todas as três marchas estão abaixadas e travadas na posição de pouso. Essas três luzes são ativadas pelos interruptores de limite de subida e descida encontrados na caixa da engrenagem. Um painel de instrumentos típico mostrando a chave de posição do trem de pouso e os três indicadores de redução de marcha é mostrado na Figura.
Fornecimento CA
Muitas aeronaves leves modernas empregam um sistema elétrico CA de baixa potência. Comumente, o sistema AC é usado para alimentar certos instrumentos e algumas luzes que operam apenas com AC. O painel eletroluminescente tornou-se um sistema de iluminação popular para painéis de instrumentos de aeronaves e requer AC. A iluminação eletroluminescente é muito eficiente e leve; portanto, excelente para instalações de aeronaves. O material eletroluminescente é uma substância pastosa que brilha quando alimentada com uma voltagem. Este material é normalmente moldado em um painel de plástico e usado para iluminação.
Um dispositivo chamado inversor é usado para fornecer CA quando necessário para aeronaves leves. Simplificando, o inversor muda DC para AC. Dois tipos de inversores podem ser encontrados em aeronaves: inversores rotativos e inversores estáticos. Os inversores rotativos são encontrados apenas em aeronaves mais antigas devido à sua baixa confiabilidade, excesso de peso e ineficiência. Os inversores rotativos empregam um motor CC que gira um gerador CA. A unidade é normalmente uma unidade e contém um circuito regulador de tensão para garantir a estabilidade da tensão. A maioria das aeronaves tem um inversor estático moderno em vez de um inversor rotativo. Os inversores estáticos, como o nome indica, não contêm partes móveis e usam circuitos eletrônicos para converter CC em CA. A figura mostra um inversor estático. Sempre que a CA for usada em aeronaves leves, um circuito de distribuição separado do sistema CC deve ser empregado.
Algumas aeronaves usam um interruptor de alimentação do inversor para controlar a alimentação CA. Muitas aeronaves simplesmente alimentam o inversor sempre que o barramento CC é alimentado e nenhum interruptor de alimentação do inversor é necessário. Em aeronaves complexas, mais de um inversor pode ser usado para fornecer uma fonte de alimentação CA de backup. Muitos inversores também oferecem mais de uma saída de tensão. Duas voltagens comuns encontradas em inversores de aeronaves são 26VAC e 115VAC.
Aeronave leve multimotor
Aeronaves multimotores normalmente voam mais rápido, mais alto e mais longe do que aeronaves monomotores. Aeronaves multimotores são projetadas para maior segurança e redundância e, portanto, geralmente contêm um sistema de distribuição de energia mais complexo quando comparados a aeronaves monomotores leves. Com dois motores, essas aeronaves podem acionar dois alternadores (ou geradores) que fornecem corrente para as diversas cargas da aeronave. O sistema de barramento de distribuição elétrica também é dividido em dois ou mais sistemas. Esses sistemas de barramento são normalmente conectados por meio de uma série de protetores de circuito, diodos e relés. O sistema de barramento é projetado para criar um sistema de distribuição de energia extremamente confiável, fornecendo corrente para a maioria das cargas através de mais de uma fonte.
Alternadores ou Geradores Paralelos
Como dois alternadores (ou geradores) são usados em aeronaves bimotoras, torna-se vital garantir que ambos os alternadores compartilhem a carga elétrica igualmente. Este processo de equalização das saídas do alternador é frequentemente chamado de paralelismo. Em geral, o paralelismo é um processo simples ao lidar com sistemas de energia CC encontrados em aeronaves leves. Se ambos os alternadores estiverem conectados ao mesmo barramento de carga e ambos os alternadores produzirem a mesma tensão de saída, os alternadores compartilharão a carga igualmente. Portanto, os sistemas de paralelismo devem garantir que ambos os produtores de energia mantenham a tensão do sistema dentro de alguns décimos de volt. Para a maioria das aeronaves bimotores, a voltagem estaria entre 26,5 volts e 28 volts DC com os alternadores operando. Um sistema simples de ponto de vibração usado para alternar alternadores é encontrado na Figura.
Como pode ser visto na Figura, os reguladores de tensão esquerdo e direito contêm uma bobina de paralelismo conectada à saída de cada alternador. Esta bobina de paralelismo funciona em conjunto com a bobina de tensão do regulador para garantir a saída adequada do alternador. As bobinas de paralelismo são ligadas em série entre os terminais de saída de ambos os alternadores. Portanto, se os dois alternadores fornecerem tensões iguais, a bobina de paralelismo não terá efeito. Se um alternador tiver uma saída de tensão mais alta, as bobinas de paralelismo criam a força magnética apropriada para abrir/fechar os pontos de contato, controlando a corrente de campo e a saída do alternador.
As aeronaves de hoje empregam circuitos de controle de estado sólido para garantir o paralelismo adequado dos alternadores. Aeronaves mais antigas usam reguladores de tensão de ponto de vibração ou reguladores de pilha de carbono para monitorar e controlar a saída do alternador. Na maioria das vezes, todos os reguladores de pilha de carbono foram substituídos, exceto em aeronaves históricas. Muitas aeronaves ainda mantêm um sistema de ponto vibratório, embora esses sistemas não estejam mais sendo usados em aeronaves contemporâneas.
Distribuição de Potência em Aeronaves Multimotores
Os sistemas de distribuição de energia encontrados em aeronaves multimotoras modernas contêm vários pontos de distribuição (ônibus) e uma variedade de componentes de controle e proteção para garantir a confiabilidade da energia elétrica. À medida que as aeronaves empregam mais eletrônicos para realizar várias tarefas, os sistemas de energia elétrica se tornam mais complexos e confiáveis. Um meio de aumentar a confiabilidade é garantir que mais de uma fonte de energia possa ser usada para alimentar qualquer carga. Outro conceito de projeto importante é fornecer cargas elétricas críticas de mais de um barramento. Aeronaves bimotores, como um jato corporativo típico ou um avião de passageiros, têm dois geradores DC; eles também têm vários barramentos de distribuição alimentados por cada gerador. A figura mostra um diagrama simplificado do sistema de distribuição de energia para uma aeronave bimotor turboélice.
Esta aeronave contém duas unidades geradoras de partida usadas para dar partida nos motores e gerar energia elétrica DC. O sistema é normalmente definido como um sistema de distribuição de energia de barramento dividido, pois há um barramento gerador esquerdo e direito que divide (compartilha) as cargas elétricas conectando-se a cada sub-barramento através de um diodo e um limitador de corrente. Os geradores são operados em paralelo e transportam igualmente as cargas.
A energia primária fornecida para esta aeronave é DC, embora pequenas quantidades de AC sejam fornecidas por dois inversores. O diagrama da aeronave mostra a distribuição de energia CA na parte superior e no meio do lado esquerdo do diagrama. Um inversor é usado para alimentação CA principal e o segundo operado em standby e pronto como backup. Ambos os inversores produzem 26 volts AC e 115 volts AC. Existe um relé de seleção do inversor operado por um interruptor controlado por piloto usado para escolher qual inversor está ativo.
O barramento de bateria quente mostra uma conexão direta com a bateria da aeronave. Este ônibus está sempre quente se houver uma bateria carregada na aeronave. Os itens alimentados por este ônibus podem incluir alguns itens básicos como a iluminação da porta de entrada e o relógio da aeronave, que deve sempre ter energia disponível. Outros itens neste ônibus seriam críticos para a segurança do voo, como extintores de incêndio, desligamentos de combustível e bombas de combustível. Durante uma falha maciça do sistema, o barramento de bateria quente é o último barramento da aeronave que deve falhar.
Se o interruptor da bateria estiver fechado e o relé da bateria ativado, a energia da bateria será conectada ao barramento da bateria principal e ao barramento de isolamento. O barramento da bateria principal transporta corrente para partidas do motor e alimentação externa. Portanto, o barramento de bateria principal deve ser grande o suficiente para transportar as cargas de corrente mais pesadas da aeronave. É lógico colocar este ônibus o mais próximo possível da bateria e das partidas e garantir que o ônibus esteja bem protegido contra curtos e terra.
O barramento de isolamento se conecta aos barramentos esquerdo e direito e recebe energia sempre que o barramento da bateria principal é energizado. O barramento de isolamento conecta a saída dos geradores esquerdo e direito em paralelo. A saída dos dois geradores é então enviada para as cargas através de barramentos adicionais. Os barramentos do gerador são conectados ao barramento de isolamento através de um fusível conhecido como limitador de corrente. Os limitadores de corrente são fusíveis de alta amperagem que isolam os barramentos se ocorrer um curto-circuito. Existem vários limitadores de corrente usados neste sistema para proteção entre barramentos. Como pode ser visto na Figura, um símbolo de limitador de corrente se parece com dois triângulos apontados um para o outro. O limitador de corrente entre o barramento de isolamento e os barramentos do gerador principal é de 325 amperes e só pode ser substituído no solo.
Grande Aeronave Multimotor
As aeronaves da categoria transporte normalmente transportam centenas de passageiros e voam milhares de milhas a cada viagem. Portanto, aeronaves de grande porte requerem sistemas de distribuição de energia extremamente confiáveis que são controlados por computador. Essas aeronaves possuem múltiplas fontes de energia (geradores CA) e uma variedade de barramentos de distribuição. Um avião comercial típico contém dois ou mais geradores CA principais acionados pelos motores de turbina da aeronave, bem como mais de um gerador CA de reserva. Os sistemas DC também são empregados em aeronaves de grande porte e a bateria do navio é usada para fornecer energia de emergência em caso de falhas múltiplas.
O gerador CA (às vezes chamado de alternador) produz CA trifásico de 115 volts a 400 Hz. Os geradores CA foram discutidos anteriormente neste capítulo. Como a maioria das aeronaves modernas da categoria de transporte são projetadas com dois motores, existem dois geradores CA principais. A APU também aciona um gerador CA. Esta unidade está disponível durante o voo se um dos geradores principais falhar. Os geradores principal e auxiliar são normalmente semelhantes em capacidade de saída e fornecem um máximo de 110 quilovolts amperes (KVA). Um quarto gerador, acionado por uma turbina de ar de emergência, também está disponível no caso de falha dos dois geradores principais e um gerador auxiliar. O gerador de emergência é normalmente menor e produz menos energia. Com quatro geradores CA disponíveis em aeronaves modernas, é altamente improvável que ocorra uma falha completa de energia. No entanto,
Sistemas de alimentação CA. As aeronaves da categoria transporte usam grandes quantidades de energia elétrica para uma variedade de sistemas. O conforto dos passageiros requer energia para iluminação, sistemas audiovisuais e energia da cozinha para aquecedores de alimentos e refrigeradores de bebidas. Uma variedade de sistemas elétricos são necessários para pilotar a aeronave, como sistemas de controle de voo, controles eletrônicos de motores, sistemas de comunicação e navegação. A capacidade de saída de um gerador de CA acionado por motor normalmente pode alimentar todos os sistemas elétricos necessários. Um segundo gerador acionado por motor é operado durante o voo para compartilhar as cargas elétricas e fornecer redundância.
A complexidade de vários geradores e uma variedade de barramentos de distribuição requer várias unidades de controle para manter um fornecimento constante de energia elétrica segura. O sistema elétrico CA deve manter uma saída constante de 115 a 120 volts a uma frequência de 400 Hz (±10 por cento). O sistema deve garantir que os limites de energia não sejam excedidos. Os geradores CA são conectados aos barramentos de distribuição apropriados no momento apropriado e os geradores estão em fase quando necessário. Há também a necessidade de monitorar e controlar qualquer energia externa fornecida à aeronave, bem como o controle de toda a energia elétrica DC.