BR102016018159A2 - sistema para distribuição de potência de aeronave - Google Patents

Abstract

trata-se de sistemas, métodos e dispositivos para a distribuição de potência de aeronave [200] include a componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210]; um componente de carregamento elétrico [226] com a capacidade de extrair potência elétrica do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210]; um conjunto de componentes de comutação [216] configurado para acoplar potência seletivamente a partir do componente de fonte de cc de alta tensão bipolar [210] ao componente de carregamento elétrico [226], e um componente de interrupção de falha de aterramento [232] acoplado ao conjunto de componentes de comutação [216]. o componente de interrupção de falha de aterramento [216] é configurado para detectar uma falha de aterramento com base em uma diferença captada entre uma corrente que sai do conjunto de componentes de comutação [216] e volta a partir do componente de carregamento elétrico [226].

Description

“SISTEMA PARA DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DE AERONAVE” Antecedentes da Invenção [001] Os sistemas de distribuição de potência elétrica gerenciam a alocação de potência a partir das fontes de energia para cargas elétricas que consomem a potência elétrica distribuída. Na aeronave, motores de turbina a gás para a propulsão da aeronave fornecem tipicamente energia mecânica que, por fim, energiza vários acessórios diferentes como geradores, motor de partida/geradores, alternadores de ímã permanente (PMA), bombas de combustível e bombas hidráulicas, por exemplo, equipamento para funções necessárias em uma aeronave além da propulsão. Por exemplo, a aeronave contemporânea precisa de potência elétrica para cargas elétricas relacionadas à aviônica, motores, e outro equipamento elétrico.

[002] Ao longo do tempo, as tensões de fonte de potência elétrica da aeronave aumentaram. A aeronave com sistemas de potência elétrica de 14 e 28 volts em corrente contínua (VDC) deram lugar a aeronave com sistemas de potência elétrica que operam em 115 volts em corrente alternada (VAC) e 230 VAC. Atualmente, a aeronave pode incluir uma ou mais fontes de potência elétrica que operam em tensões que incluem mais/menos 270 VDC. Por exemplo, um avião comercial a jato de fuselagem larga de dois motores atual utiliza um sistema elétrico que é um sistema de tensão híbrido que inclui subsistemas que operam em tensões de 230 VAC, 115 VAC, 28 VDC em conjunto com um subsistema de corrente contínua de alta tensão bipolar que inclui fontes de 270 VDC positiva/negativa.

[003] A tensões nos sistemas elétricos de CC de alta tensão atingem níveis comparáveis aos sistemas de CA domésticos. Nos sistemas de CA domésticos, um disjuntor pode desarmar para uma posição desligada, tipicamente por meio de um comutador eletromecânico que pode atuar em aproximadamente 50 milissegundos (ms), para desenergizar a linha de alimentação quando a corrente de terra excede um nível de 25 a 30 miliamperes (mA). Mas, em um sistema elétrico de CC de alta tensão, provisões semelhantes são complicadas devido ao acesso limitado ao laço de retorno por terra necessário para obter uma medição exata o suficiente da corrente. Isto é, para sistemas elétricos de tensão de CC, a discrepância na corrente de saída e corrente de retorno é difícil de medir devido ao trajeto de retorno de corrente a partir da carga flui através do chassi da aeronave Breve Descrição da Invenção [004] Em um aspecto, um sistema para a distribuição de potência de aeronave inclui um componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar com uma derivação de tensão positiva e uma derivação de tensão negativa; um componente de carregamento elétrico com a capacidade de extrair potência elétrica do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar; um conjunto de componentes de comutação configurado para acoplar seletivamente a potência a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar ao componente de carregamento elétrico comutando-se entre um estado aberto que desacopla a potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar ao componente de carregamento elétrico e um estado fechado que acopla a potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar ao componente de carregamento elétrico em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado à derivação positiva do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado à derivação negativa do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar; e um componente de interrupção de falha de aterramento acoplado ao conjunto de componentes de comutação. O componente de interrupção de falha de aterramento é configurado para detectar uma falha de aterramento com base uma diferença captada entre uma corrente que sai do conjunto de componentes de comutação e volta a partir do componente de carregamento elétrico.

[005] Em outro aspecto, um método de atenuação de falha de aterramento, inclui aplicar a partir de um componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar com uma derivação de tensão positiva e uma derivação de tensão negativa; fechar um conjunto de componentes de comutação para acoplar potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar a um componente de carregamento elétrico com a capacidade de extrair potência do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar; detectar uma falha de aterramento com um componente de interrupção de falha de aterramento com base em uma diferença captada entre uma corrente que sai do conjunto de componentes de comutação e volta a partir do componente de carregamento elétrico; alimentar um sinal indicativo da falha de aterramento detectada ao conjunto de componentes de comutação; e abrir o conjunto de componentes de comutação para desacoplar a potência do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar a um componente de carregamento elétrico.

[006] Em outro aspecto, um dispositivo de interrupção de falha de aterramento inclui um componente de interrupção de falha de aterramento acoplado a um conjunto de componentes de comutação. O conjunto de componentes de comutação é configurado para acoplar seletivamente potência a partir de um componente de fonte de CC de alta tensão bipolar a um componente de carregamento elétrico com a capacidade de extrair potência elétrica do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar comutando-se entre um estado aberto que desacopla potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar ao componente de carregamento elétrico e um estado fechado que acopla potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar ao componente de carregamento elétrico. O primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado a uma derivação positiva do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado a uma derivação negativa do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar. O componente de interrupção de falha de aterramento é configurado para detectar uma falha de aterramento com base uma diferença captada entre uma corrente que sai do conjunto de componentes de comutação e volta a partir do componente de carregamento elétrico.

Breve Descrição das Figuras [007] Nos desenhos: [008] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de cima para baixo exemplificativa de uma aeronave e sistema de distribuição de potência elétrica de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[009] Figura 2 é um diagrama exemplificativo de um sistema de distribuição de potência elétrica de CC de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[010] A Figura 3 é um fluxograma que ilustra um método de interromper uma falha de aterramento em um sistema de potência elétrica de CC de alta tensão bipolar de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[011] A Figura 4 é uma ilustração esquemática exemplificativa de um sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[012] A Figura 5 é uma ilustração esquemática exemplificativa de um sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[013] A Figura 6 é um gráfico exemplificativo de formatos de onda de corrente e tensão que demonstra a operação do sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

[014] A Figura 7 é um gráfico exemplificativo de formatos de onda de corrente e tensão que demonstra a operação do sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.

Descrição das Realizações da Invenção [015] As realizações da presente invenção são descritas no presente documento no contexto de uma aeronave, que habilita a produção de potência elétrica a partir de uma fonte de energia como um motor de turbina, combustível de jato, hidrogênio, etc. Entretanto, será compreendido que embora uma realização da invenção seja mostrada em um ambiente de aeronave, a invenção não é tão limitada e tem aplicação geral a sistemas de distribuição de potência elétrica em aplicações de não aeronave, como outras aplicações móveis e aplicações residenciais, comerciais e industriais não móveis. Por exemplo, os ambientes móveis aplicáveis podem incluir uma aeronave, espaçonave, veículo de lançamento ao espaço, satélite, locomotiva, automóvel, etc. Os ambientes comerciais podem incluir instalações de fabricação ou infraestrutura ou instalações de distribuição ou geração de potência.

[016] Pelo menos algumas das realizações da invenção proporcionam sistemas de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar, métodos e aparelhos que incluem capacidades de interrupção e detecção de falha de aterramento. O sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar inclui um conjunto de componentes de comutação como controladores de potência de estado sólido (SSPC). Será compreendido que “um conjunto” pode incluir inúmeros comutadores de estado sólido, incluindo um único comutador de estado sólido. De forma semelhante, “um conjunto” conforme usado no presente documento pode incluir inúmeros elementos, incluindo um único elemento. Será compreendido que uma fonte de alimentação de CC bipolar ou fonte de potência de CC bipolar conforme usado no presente documento podem ser definidos como uma fonte de potência elétrica de corrente contínua em que a tensão de saída pode ser estabelecida como positiva ou negativa e pode prover corrente. Será compreendido que a CC de alta tensão conforme usado no presente documento pode ser definida como a energia elétrica em tensões altas o suficiente para infligir danos a seres vivos. Por exemplo, tensões maiores do que 50 V aplicadas através de pele humana não rompida seca pode causar fibrilação cardíaca se as mesmas produzirem correntes elétricas em tecidos corporais que acabam por passar pela área do peito. Será compreendido que uma falha de aterramento conforme usado no presente documento pode ser definida como um contato acidental entre um condutor energizado de uma carga elétrica ou sistema de distribuição de potência e aterramento elétrico como aterramento de chassi.

[017] Atualmente, poucas aeronaves incluem fontes de potência de alta tensão bipolar como 270 VDC positiva ou negativa e nenhuma dessas aeronaves integram um sistema de distribuição de potência elétrica para potência de alta tensão bipolar. Entretanto, com a provisão de um sistema de distribuição elétrica de CC de alta tensão, fontes de CC de alta tensão bipolar não serão mais confinadas a uma única área da aeronave. Consequentemente, as fontes de CC de alta tensão bipolar, por meio do sistema de distribuição elétrica, necessitarão da capacidade de atenuar eventos de falha de aterramento que podem ocorrer em qualquer lugar na aeronave em que uma carga é energizada pela fonte de CC de alta tensão bipolar.

[018] Referindo-se agora à Figura 1, uma ilustração esquemática de cima para baixo exemplificativa de uma aeronave e sistema de distribuição de potência elétrica de acordo com vários aspectos descritos no presente documento é mostrada. Uma aeronave 2 é ilustrada tendo pelo menos um motor de turbina a gás, mostrado aqui como um sistema de motor esquerdo 12 e um sistema de motor direito 14 que podem ser substancialmente idênticos entre si. A aeronave 2 pode ter inúmeros sistemas de motor. O sistema de motor esquerdo 12 pode ser acoplado a uma ou mais fontes de potência elétrica 16 que convertem energia mecânica em potência elétrica. Será compreendido que qualquer um ou todos os motores em uma aeronave 2, incluindo os sistemas de motor esquerdo e direito 12, 14 podem ser assim acoplados a uma ou mais fontes de potência elétrica de CC de alta tensão bipolar 16. A fonte de potência de CC de alta tensão bipolar 16 pode ser acoplada a um sistema de distribuição de potência elétrica 18 que seletivamente energiza um conjunto de sistemas e dispositivos na aeronave 2 que coletivamente compõem a carga elétrica. Os sistemas e dispositivos energizados pela fonte de potência de CC de alta tensão bipolar 16 através do sistema de distribuição de potência elétrica 18 podem ser qualquer sistema ou dispositivo em uma aeronave com a capacidade de extrair uma carga elétrica e incluem, sem limitação, atuador de controles de voo 26, conversores descendentes localizados 27 para exibições de cabine do pilo, sistemas de controle ambiental 28, etc.

[019] Na aeronave 2, os sistemas de motor esquerdo e direito operacionais 12, 14 fornecem energia mecânica que pode ser extraída por meio de um carretei, para fornecer força de acionamento para a fonte de potência de CC de alta tensão bipolar 16. Outras fontes de potência podem incluir, sem limitação, geradores, baterias, células de combustível, fontes de potência de reserva como uma turbina de ar por pressão dinâmica (RAT), retificadores para converter uma ou mais entradas de fonte de CA em uma fonte de CC de alta tensão bipolar etc. A fonte de potência elétrica 16, por sua vez, fornece a potência gerada às cargas elétricas para os sistemas e dispositivos 26, 27, 28 para operações de carga que são distribuídas pelo sistema de distribuição de potência elétrica 18.

[020] Referindo-se agora à Figura 2, um diagrama exemplificativo de um sistema de distribuição de potência elétrica de CC de alta tensão bipolar 50 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento é mostrado. O sistema de distribuição de potência elétrica de CC de alta tensão bipolar inclui um componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 acoplado a um conjunto de componentes de comutação 54. O conjunto de componentes de comutação 54 acopla seletivamente a potência do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar a um componente de carregamento elétrico 58. Acoplado tanto ao conjunto de componentes de comutação 54 quanto ao componente de carregamento elétrico 58, um componente de interrupção de falha de aterramento 56 proporciona a medição de fluxo de corrente fora do conjunto de componentes de comutação 54 e de volta a partir do componente de carregamento elétrico 58. Um componente de comunicações 60 é acoplado ao conjunto de componentes de comutação 54 para controlar e monitorar o estado do conjunto de componentes de comutação 54.

[021] O componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 é uma fonte de potência ou alimentação de CC de alta tensão bipolar. O componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 pode emitir qualquer nível de tensão positivo ou negativo para uso na distribuição de potência elétrica a um componente de carregamento elétrico 58 que inclui, sem limitação, 270 V positivo e negativo.

[022] O conjunto de componentes de comutação 54 inclui um conjunto de comutadores de estado sólido. O conjunto de comutadores de estado sólido pode incluir qualquer tipo de comutador de estado sólido com a capacidade de ligar ou desligar (isto, fechado ou aberto) quando uma tensão externa for aplicada através de um conjunto de terminais de controle do comutador. Cada um dos comutadores de estado sólido no conjunto de componentes de comutação 54 pode incluir um dispositivo de comutação eletrônico de estado sólido que comuta a potência para o circuito de carga do componente de carregamento elétrico 58, e um mecanismo de acoplamento para habilitar o sinal de controlar para ativar o comutador sem componentes eletromecânicos. O conjunto de componentes de comutação 54 pode ser qualquer tipo de comutador eletrônico de estado sólido que inclui, sem limitação, um controlador de potência de estado sólido (SSPC), um relé de estado sólido que inclui um único transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET), a relé de estado sólido que inclui múltiplos MOSFETs dispostos em uma configuração paralela, etc.

[023] Uma configuração do conjunto de componentes de comutação 54 inclui a provisão de SSPCs que são dispositivos semicondutores que controlam a potência elétrica suprida a uma carga. Adicionalmente, os SSPCs realizam funções de supervisão e diagnosticas a fim de identificar condições de sobrecarga e evitar curtos-circuitos. Funcionalmente, os SSPCs são semelhantes a disjuntores com elementos de comutação eletromecânicos que protegerão a fiação e cargas de falhas, mas devido ao fato de que os SSPCs são mais confiáveis e mais rápidos no desligamento de potência do que os elementos disjuntores eletromecânicos, os SSPCs são tipicamente usados em sistemas de potência críticos de segurança como aqueles encontrados na aeronave. Os SSPCs podem comutar estados dentro da ordem de microssegundos em comparação aos comutadores eletromecânicos que exigem aproximadamente 30 ms para completar uma transição de um estado para outro. Implantado com SSPCs, o conjunto de componentes de comutação 54 pode incluir recursos de proteção e monitoramento integrados que incluem, sem limitação, monitoramento de tensão, monitoramento de corrente, monitoramento de temperatura, limitação de corrente, monitoramento de l2t, proteção contra falha de arco, e proteção contra falha de aterramento de baixa fidelidade, etc. Os recursos de monitoramento e proteção integrados de SSPCs habilitam o conjunto de componentes de comutação 54 a funcionar como um controlador que pode controlar as emissões para cargas para assegurar as operações adequadas. Os SSPCs podem incluir microprocessadores configuráveis que podem ser programados para aumentar as características de controle. O monitoramento atual em um SSPC não é, tipicamente, de resolução suficiente para a detecção de falha de aterramento. Isto é, as funções de monitoramento atuais dos SSPCs têm a capacidade de um alcance de 3 a 5% de resolução. Consequentemente, um comutador que passa aproximadamente 10 amperes (A) não detectará uma falha de aterramento menor do que 300 mA com a proteção contra falha de aterramento integrada de um SSPC.

[024] O conjunto de componentes de comutação 54 pode incluir inúmeros comutadores que incluem, sem limitação, um comutador acoplado a uma derivação positiva a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 e um segundo comutador acoplado a uma derivação negativa a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52. Portanto, em uma configuração, o conjunto de componentes de comutação 54 inclui um primeiro SSPC acoplado a uma derivação positiva a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 e um segundo SSPC acoplado a uma derivação negativa a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52.

[025] O componente de comunicações 60 para controlar e monitorar o estado do conjunto de componentes de comutação 54 se comunica com outros elementos de controle da aeronave. O componente de comunicações 60 relata a situação dos SSPCs de volta para outros sistemas de controle de gerenciamento de veículo. O componente de comunicações 60 pode transmitir dados para o comutador; os dados indicativos de comandos para o comutador, ler a situação do comutador que inclui se o comutador está aberto ou fechado e monitorar a saúde do comutador que inclui a temperatura do comutador. O componente de comunicações 60 pode ter por base qualquer hardware ou protocolo de comunicações de dados com a capacidade de transmitir dados relacionados ao controle e ao estado do conjunto de componentes de comutação 54 que inclui, sem limitação, um cabo de interconexão equilibrado configurado para implantar o Padrão Reconhecido 485 (RS-485), um cabo serial de dois fios configurado para implantar um protocolo de rede de área de controlador (barramento de CAN), um cabo serial de três ou cinco fios configurado para implantar o Padrão Reconhecido 232 (RS-232), etc.

[026] O componente de interrupção de falha de aterramento 56 monitora a saída ambas as correntes de SSPC positiva e negativa no sistema de distribuição de CC de alta bipolar 50. Com um sistema de distribuição elétrico de alta tensão bipolar 50, a corrente de desloca a partir do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52, para o conjunto de componentes de comutação 54, para o componente de carregamento elétrico 58 e, então, de volta novamente. Portanto, o componente de interrupção de falha de aterramento 56 é configurado para determinar a diferença entre a corrente que flui a partir do conjunto de componentes de comutação 54 até o componente de carregamento elétrico 58 e a corrente de flui de volta a partir do componente de carregamento elétrico 58 até o conjunto de componentes de comutação 54. O componente de interrupção de falha de aterramento 56 pode ser formado a partir de qualquer dispositivo com a capacidade de determinar uma corrente diferencial indicativa de uma falha de aterramento no sistema de distribuição elétrico de alta tensão bipolar 50 que inclui, sem limitação, um transformador físico convencional, um transformador de corrente toroidal, um sensor de efeito Hall de CC, e um transdutor de corrente fluxgate.

[027] Referindo-se agora à Figura 3, um fluxograma que ilustra um método 100 de interromper uma falha de aterramento em um sistema de potência elétrica de CC de alta tensão bipolar de acordo com vários aspectos descritos no presente documento é mostrado. Em 110, o componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 aplica potência ao sistema de distribuição de CC de alta bipolar 50. Dependendo do tipo ou configuração do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52, a aplicação de potência pode incluir ativar um gerador, iniciar um motor, emitir um comando de controle para energizar a fonte, fechar um ou mais circuitos etc. Em 112, o conjunto de componentes de comutação 54 fecha. Os componentes de carregamento elétricos 58 são energizados, durante a operação normal, dissipam corretamente a potência em conformidade com os requisitos operacionais dos ditos componentes de carregamento elétrico 58. Se uma falha de aterramento ocorrer, em 114, o componente de interrupção de falha de aterramento 56 detecta a falha de aterramento. Para detectar uma falha de aterramento, o componente de interrupção de falha de aterramento 56 pode captar ou detectar qualquer característica elétrica indicativa de uma falha de aterramento que inclui, sem limitação, uma tensão, uma corrente, uma resistência, uma mudança em tensão, uma mudança em corrente, uma mudança em resistência em qualquer componente elétrico interno ou externo ao sistema de distribuição de potência elétrica 50. O componente de interrupção de falha de aterramento 56 pode captar ou detectar o sinal com qualquer realização usada para o processamento e detecção de sinal que inclui, sem limitação, digital, analógico, distinto, contínuo ou combinações dos mesmos. O componente de interrupção de falha de aterramento 56 alimenta um sinal, em 116, para um módulo de monitoramento, como no componente 218 abaixo nas Figuras 4 e 5, do conjunto de componentes de comutação 54. Em 118, o conjunto de componentes de comutação 56 abre os comutadores e desenergiza o componente de carregamento elétrico 58.

[028] Referindo-se agora à Figura 4, uma ilustração esquemática exemplificativa de um sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar 200 com um componente de interrupção de falha de aterramento 232 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento é mostrada. O componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210 inclui duas fontes de CC de alta tensão 211, cada uma acoplada ao aterramento de chassi 236, uma pela derivação negativa e a outra pela derivação positiva. O componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210 é acoplado ao conjunto de componentes de comutação 216 que inclui dois SSPCs 212 e 214; um primeiro SSPC 212 acoplado ao lado positivo do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210 e um segundo SSPC 214 acoplado ao lado negativo do componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210. O acoplamento entre o componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210 e o conjunto de componentes de comutação 216 pode incluir o fio limitador de corrente 238. O conjunto de componentes de comutação 216 é acoplado ao componente de interrupção de falha de aterramento 232. O componente de interrupção de falha de aterramento 232 é acoplado ao componente de carregamento elétrico 226. O acoplamento entre o componente de interrupção de falha de aterramento 232 e o componente de carregamento elétrico 226 pode incluir o fio limitador de corrente 238.

[029] O primeiro e o segundo SSPC 212, 214 podem incluir vários subcomponentes e módulos para controlar e proteger o conjunto de componentes de comutação 216. Um SSPC 212, 214 pode incluir um comutador de estado sólido principal 224 que se abre ou fecha para acoplar ou desacoplar o componente de carregamento elétrico 226 ao componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 210. O comutador de estado sólido principal 224 pode incluir um ou mais elementos de proteção que incluem, sem limitação, um varistor de oxido metálico (MOV), um supressor de tensão transiente (TVS), etc. Um SSPC 212, 214 pode incluir um ou mais circuitos de amortecedor 228 através da entrada do comutador, a saída do comutador ou ambos, para suprimir os picos de tensão e amortecer o zunido causado pela indutância de circuito quando um comutador se abrir. Um SSPC 212, 214 pode incluir um ou mais circuitos de teste integrados 230 para fornecer recursos de Teste Integrado (BIT). O circuito de teste integrado 230 permite a operação de um esquema de Teste Integrado Iniciado (IBIT) que habilita o autoteste do SSPC 212, 214 para verificar o funcionamento adequado do SSPC 212, 214. O circuito de teste integrado 230 pode testar qualquer recurso do SSPC e inclui, sem limitação um circuito de detecção de falha de arco para a detecção de uma falha de arco. Ouando ambos os SSPCs estão abertos à tensão desenvolvida na saída de cada SSPC devido ao vazamento de semicondutor é gerenciada pelo elemento resistivo 240, 241 acoplado à saída do SSPC 212, 214 e aterramento de chassi 236. O SSPC 212, 214 pode incluir um subcomponente de controle de comutação 222 que pode coordenar as comunicações com componentes de comunicações externo 234, habilitar as funções de proteção por meio de um módulo de monitoramento 218 e controlar o estado do comutador principal 224 do SSPC 212, 214. O módulo de monitoramento 218 pode incluir quaisquer recursos de monitoramento para determinar eventos potenciais que podem danificar o comutador que incluem, sem limitação, monitoramento de tensão, monitoramento de corrente, monitoramento de temperatura, limitação de corrente, monitoramento de l2t, proteção contra falha de arco, e proteção contra falha de aterramento de baixa fidelidade, etc. O módulo de controle 220 pode controlar o estado do comutador principal 224 com base em entradas dos componentes de comunicações externos 234 ou do módulo de monitoramento 218 ou combinações dos mesmos.

[030] Como mostrado na Figura 4, o componente de interrupção de falha de aterramento 232 inclui um transformador físico convencional com um núcleo magnético. Cabos alimentadores positivos e negativos da saída dos SSPCs positivo e negativo 212, 214 são alimentados através do transformador com enrolamentos em fase. Os enrolamentos de captação 242 no transformador fornecem uma indicação de desiquilíbrio indicativa de uma falha de aterramento. Durante a operação normal em que o fluxo de corrente do lado positivo da carga do componente de carregamento elétrico 226 e a corrente do lado negativo da carga do componente de carregamento elétrico 226 são de igual magnitude, a tensão de captação resultante é zero. Devido ao fato de que a carga do componente de carregamento elétrico 226 não é assimetricamente referenciada ao chassi, como seria o caso para um sistema com uma fonte de tensão de CC unipolar, no ponto em que uma falha de aterramento ocorre em ambas as saídas positiva ou negativa do conjunto de componentes de comutação 216, um pico de tensão positivo ou negativo é captado nos enrolamentos de captação 242 do transformador do componente de interrupção de falha de aterramento 232, determinado assim a existência e localização da falha. Dois enrolamentos são fornecidos no transformador do componente de interrupção de falha de aterramento 232 para considerar o monitoramento de dois SSPCs separados 212, 214 para falhas de terra. Devido ao fato de que não há campo magnético de CC no núcleo do transformador durante a operação normal, o transformador pode incluir um núcleo de ar ou núcleo de permeabilidade alta. O número de voltas em cada enrolamento de captação 242 pode ser aumentado para fornecer sensibilidade adicional a falhas de terra, assim como a permeabilidade do material de núcleo selecionado A tensão de saída de cada bobina de captação pode ser filtrada a fim de eliminar desarmes incômodos criados pela operação de comutação entre múltiplas cargas com várias características elétricas.

[031] A Figura 5 é uma ilustração esquemática exemplificativa de um sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. O sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento é semelhante àquele ilustrado na Figura 4; portanto, peças semelhantes serão identificadas com número semelhantes aumentados por 100, sendo com isso compreendido que a descrição das peças semelhantes do primeiro sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento se aplica ao segundo sistema de distribuição de potência elétrica de alta tensão bipolar com um componente de interrupção de falha de aterramento, salvo indicação em contrário. O componente de interrupção de falha de aterramento 332 inclui um transformador de corrente toroidal.

[032] A Figura 6 mostra o resultado de uma simulação do sistema de detecção de falha de aterramento com um modelo de corpo humano conectado diretamente à saída do SSPC positivo 212. Pretende-se que o conjunto de gráficos exemplificativos fornecidos seja ilustrado como um exemplo não limitador do método, conforme descrito, e não representa especificamente quaisquer sinais necessários, sensores, valores, ou operações do método. No tempo (1), a potência é aplicada ao componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 que é um suprimento de 270 VDC positivo e negativo como mostrado na Figura 4 e na Figura 5 como 210, 310. No tempo (2), o conjunto de componentes de comutação 54 que representa dois SSPCs 212, 214 é fechado para energizar o componente de carregamento elétrico 58. No tempo (3), uma falha de aterramento que é modelada por um capacitor de 450 nanofarad (nF) em paralelo com um resistor de 500 ohm (Ω) é aplicada à saída do SSPC positivo 212, 312, acionando assim um pico de tensão no enrolamento de captação 242, 342 do componente de interrupção de falha de aterramento 56, 232, 332. O sinal pode ser alimentado ao módulo de monitoramento 218, 318 do subcomponente de controle de comutação 222, 322 do SSPC 212, 214, 312, 314. No evento de uma falha confirmada, o módulo de controle 220, 320 pode abrir o SSPC 212, 214, 312, 314.

[033] A Figura 7 mostra o resultado de uma simulação do sistema de detecção de falha de aterramento com um modelo de corpo humano conectado diretamente à saída do SSPC negativo 214, 314. Novamente, pretende-se que o conjunto de gráficos exemplíficativos fornecidos seja ilustrado como um exemplo não limitador do método, conforme descrito, e não representa especificamente quaisquer sinais necessários, sensores, valores, ou operações do método. No tempo (1), a potência é aplicada ao componente de fonte de CC de alta tensão bipolar 52 que é um suprimento de 270 VDC positivo e negativo como mostrado na Figura 4 e na Figura 5 como 210, 310. No tempo (2), o conjunto de componentes de comutação 54 que representa dois SSPCs 212, 214, 312, 314 é fechado para energizar o componente de carregamento elétrico 58. No tempo (3), uma falha de aterramento que é modelada por um capacitor de 450 nanofarad (nF) em paralelo com um resistor de 500 ohm (Ω) é aplicada à saída do SSPC positivo 212, 312, acionando assim um pico de tensão no enrolamento de captação 242, 342 do componente de interrupção de falha de aterramento 56, 232, 332. Novamente, o sinal pode ser alimentado ao módulo de monitoramento 218, 318 do subcomponente de controle de comutação 222, 322 do SSPC 212, 214, 312, 314. No evento de uma falha confirmada, o módulo de controle 220 pode abrir o SSPC 212, 214.

[034] Embora um sistema de distribuição de potência elétrica com uma fonte de CC unipolar retorne corrente através do chassi da aeronave, um sistema de distribuição de potência elétrica com uma fonte de CC bipolar transmite corrente por um fio e retorna através de outro, habilitando o acesso tanto à alimentação quanto ao retorno de cada suprimento. Desta forma, o componente de interrupção de falha de aterramento leva vantagem dos fios positivo e negativo na carga. Portanto, o sistema de distribuição de potência elétrica de CC bipolar pode incluir a medição de uma corrente diferencial entre alimentações de envio e retorno. A medição de corrente diferencial habilita o sistema de distribuição de potência elétrica de CC bipolar para determinar se a potência está sendo transmitida a partir um lado da carga para o aterramento de chassi indicativo de uma falha de aterramento.

[035] Os efeitos técnicos das realizações supracitadas incluem a detecção e atenuação dos eventos de falha de aterramento em um sistema de distribuição de potência de CC de alta tensão com base no fornecimento de um esquema de interrupção e detecção de falha de aterramento com boa relação custo-benefício e simples. Além disso, as realizações supracitadas contornam o problema de polarização de CC de estado contínuo em um sistema de interrupção de falha de aterramento à base de transformador com o uso de um único núcleo magnético para a alimentação e correntes de retorno que resultam no campo magnético de estado contínuo no núcleo do transformador. O sistema de distribuição de potência elétrica supracitado monitora a saída de ambas as correntes de SSPC positiva e negativa em uma rede de CC de alta tensão bipolar e pode determinar uma corrente de fuga de terra na ordem de 5 mA a fim de fornecer um sistema de detecção de falha de aterramento mais sensível.

[036] Caso ainda não tenha sido descrito, os diferentes recursos e estruturas das várias realizações podem ser usados em combinação entre si conforme desejado. Que um recurso não possa ser ilustrado em todas as realizações não deve ser interpretado como se não pudesse ser, mas que é feito com fins de brevidade de descrição. Portanto, os vários recursos das diferentes realizações podem ser misturados e relacionados conforme desejado para formar novas realizações, estando as novas realizações expressamente descritas ou não. Todas as combinações ou permutações dos recursos descritos no presente documento são englobadas por esta revelação.

[037] Esta descrição por escrito usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também permite que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, que inclui produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas, e realizar quaisquer métodos integrados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram aos versados na técnica. Pretende-se que tais outros exemplos estejam abrangidos no escopo das reivindicações caso possuam elementos estruturais que não os diferenciem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Reivindicações

Claims (10)

1. SISTEMA [200] PARA DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DE AERONAVE, caracterizado pelo fato de que compreende: um componente de fonte de corrente continua de alta tensão bipolar [210] com uma derivação de tensão positiva e uma derivação de tensão negativa; um componente de carregamento elétrico [226] com a capacidade de extrair potência elétrica do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210]; um conjunto de componentes de comutação [216] configurados para acoplar seletivamente potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210] ao componente de carregamento elétrico [226] comutando-se entre um estado aberto que desacopla potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210] ao componente de carregamento elétrico [226], e um estado fechado que acopla potência a partir do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210] ao componente de carregamento elétrico [226], em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação [212] é acoplado à derivação positiva do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210], e um segundo subconjunto de componentes de comutação [214] é acoplado à derivação negativa do componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210]; e um componente de interrupção de falha de aterramento [232] acoplado ao conjunto de componentes de comutação [216] e configurado para detectar uma falha de aterramento com base uma diferença captada entre uma corrente que sai do conjunto de componentes de comutação [216] e volta a partir do componente de carregamento elétrico [226].

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um subconjunto do conjunto de componentes de comutação [216] se abre em resposta a um sinal captado a partir do componente de interrupção de falha de aterramento [232],

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de fonte de corrente contínua de alta tensão bipolar [210] inclui duas fontes de alimentação de corrente contínua de 270 volts [211].

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a derivação negativa de uma dentre as duas fontes de alimentação de corrente contínua de 270 volts é acoplada a um aterramento de chassi [236], e a derivação positiva da outra dentre as duas fontes de alimentação de corrente contínua de 270 volts é acoplada ao aterramento de chassi [236].

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de componentes de comutação [216] inclui dois controladores de potência de estado sólido (SSPCs).

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, um componente de comunicações [234] configurado para aplicar uma tensão externa através de um conjunto de terminais de controle do conjunto de componentes de comutação [216] a fim de alterar o estado do conjunto dos componentes de comutação [216].

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de interrupção de falha de aterramento [232] inclui um transformador com um dentre um núcleo de permeabilidade alta ou um núcleo de ar.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o transformador inclui um transformador de corrente toroidal.

9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de interrupção de falha de aterramento [232] inclui um dentre um sensor de efeito Hall de CC ou um transdutor de corrente fluxgate.

10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o transformador inclui um par de enrolamentos de captação [242] que captam um pico de tensão positivo ou negativo indicativo de uma falha de aterramento com base na diferença entre o fluxo de corrente a partir do lado positivo da carga do componente de carregamento elétrico [226] e a corrente do lado negativo da carga do componente de carregamento elétrico [226],