BR102016019182A2 - sistema para distribuição de potência de aeronave - Google Patents
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Abstract
trata-se de sistemas, métodos e dispositivos para distribuição de potência de aeronave que incluem um componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52]; um componente de carregamento elétrico [58] com capacidade de extrair potência elétrica do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52]; um conjunto de componentes de comutação [54] configurado para acoplar, de forma seletiva, potência a partir do componente bipolar de fonte de cc de alta tensão [52] ao componente de carregamento elétrico [58] e um componente de supressão transitório [56]. o componente de supressão transitório [56] é configurado para limitar a corrente que flui através do primeiro ou do segundo subconjunto do conjunto de componentes de comutação [54] quando o primeiro e o segundo subconjuntos não estiverem no mesmo estado.
Description
“SISTEMA PARA DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DE AERONAVE” Antecedentes da Invenção [001] Sistemas de distribuição de potência elétrica administram a alocação de potência a partir de fontes de energia para cargas elétricas que consumem potência elétrica distribuída. Em aeronaves, motores de turbina a gás para propulsão da aeronave tipicamente fornecem energia mecânica que, por fim, alimenta vários acessórios diferentes tais como geradores, iniciador/geradores, geradores de ímã permanente (PMG), bombas de combustível e bombas hidráulicas, por exemplo, equipamento para funções necessárias em uma aeronave diferentes de propulsão. Por exemplo, uma aeronave contemporânea precisa de potência elétrica para cargas elétricas relacionadas a aviônica, motores e outro equipamento elétrico.
[002] Ao longo do tempo, as tensões de fonte de potência elétrica de aeronave aumentaram. As aeronaves com sistemas de potência elétrica de corrente contínua de 14 e 28 volts (VDC) deram lugar às aeronaves com sistemas de potência elétrica que operam em corrente alternada de 115 volts (VAC) e 230 VAC. Atualmente, uma 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 bimotor de corpo alongado usa 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 bipolar de corrente contínua de alta tensão que inclui fontes de mais e menos 270 VDC.
[003] As tensões nos sistemas elétricos de CC de alta tensão alcançam níveis comparáveis a sistemas de CA domésticos e precisam incluir recursos de mitigação de falha para detectar e reagir a fluxo de corrente elétrica anormal que pode ocorrer no sistema. Em sistemas de CA domésticos dispositivos de proteção contra falha tipicamente incluem um disjuntor que pode mudar 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 no caso de uma condição de falha. Um comutador eletromecânico que passa corrente de uma fonte de CC de alta tensão para uma carga elétrica traça um arco na abertura do comutador quando o fluxo de elétron através dos contatos de comutador de abertura ioniza as moléculas de ar através do vão entre os contatos para formar um plasma de gás. O plasma é de baixa resistência e tem capacidade de sustentar fluxo de potência. O plasma é quente e tem capacidade de corroer as superfícies metálicas dos contatos de comutador. O arqueamento de corrente elétrica causa degradação dos contatos e, portanto, do comutador eletromecânico e também interferência eletromagnética (EMI) que pode exigir o uso de métodos de supressão de arco.
Descrição Resumida [004] Em um aspecto, um sistema para distribuição de potência de aeronave inclui um componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão com um fio condutor de tensão positivo e um fio condutor de tensão negativo; um componente de carregamento elétrico com capacidade de extrair potência elétrica do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão; um conjunto de componentes de comutação configurado para acoplar, de forma seletiva, potência a partir do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão ao componente de carregamento elétrico através da comutação entre um estado aberto que desacopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão para o componente de carregamento elétrico e um estado fechado que acopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão ao componente de carregamento elétrico em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão; e um componente de supressão transitório. O componente de supressão transitório é configurado para limitar a corrente que flui através do primeiro ou do segundo subconjunto do conjunto de componentes de comutação quando o primeiro e o segundo subconjuntos não estiverem no mesmo estado.
[005] Em outro aspecto, um método de distribuir potência inclui aplicar potência de um componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão com um fio condutor de tensão positivo e um fio condutor de tensão negativo para um componente de carregamento elétrico com capacidade de extrair potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão através de um conjunto de componentes de comutação configurado para acoplar, de forma seletiva, potência a partir do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão ao componente de carregamento elétrico através da comutação entre um estado aberto que desacopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão para o componente de carregamento elétrico e um estado fechado que acopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão ao componente de carregamento elétrico em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão e limita a corrente que flui através do conjunto de componentes de comutação quando o primeiro subconjunto e o segundo subconjuntos não estão no mesmo estado com um componente de supressão transitório.
[006] Em outro aspecto, um dispositivo de comutação de potência, inclui um conjunto de componentes de comutação configurado para acoplar, de forma seletiva, potência a partir de um componente bipolar de fonte de CC de alta tensão a um componente de carregamento elétrico através da comutação entre um estado aberto que desacopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão para o componente de carregamento elétrico e um estado fechado que acopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão ao componente de carregamento elétrico em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão e um componente de supressão transitório acoplado ao conjunto de componentes de comutação. O componente de supressão transitório é configurado para limitar a corrente que flui através do primeiro ou do segundo subconjunto do conjunto de componentes de comutação quando o primeiro e o segundo subconjuntos não estiverem no mesmo estado.
Breve Descrição das Figuras [007] Nas Figuras: A Figura 1 é um exemplo de ilustração esquemática de topo para base de uma aeronave e sistema de distribuição de potência elétrica de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 2 é um exemplo de diagrama de um sistema de distribuição de CC de alta tensão de potência elétrica de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 3 é um fluxograma que ilustra um método de distribuir potência em um sistema bipolar de potência elétrica de CC de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 4 é um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 5 é um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 6 é um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; A Figura 7 é um exemplo de plotagem de formas de onda de tensão e corrente que demonstra a operação do sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento; e A Figura 8 é um exemplo de plotagem de formas de onda de tensão e corrente que demonstra a operação do sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento.
Descrição Detalhada da Invenção [008] As realizações da presente invenção são descritas no presente documento no contexto de uma aeronave, o que permite a produção de potência elétrica a partir de uma fonte de energia tal como um motor de turbina, combustível para motores a jato, hidrogênio, etc. Entretanto, será compreendido que, embora uma realização da invenção seja mostrada em um ambiente de aeronave, a invenção não se limita a tal, e tem uma aplicação geral para sistemas de distribuição de potência elétrica em aplicações que não de aeronave, tais como outras aplicações móveis e aplicações industriais, comerciais e residenciais não móveis. Por exemplo, os ambientes móveis aplicáveis podem incluir uma aeronave, espaçonave, veículo de lançamento espacial, satélite, locomotiva, automóvel, etc. Os ambientes comerciais podem incluir instalações de fabricação ou instalações ou infraestrutura de geração e distribuição de potência.
[009] Pelo menos algumas das realizações da invenção proporcionam métodos, aparelhos e sistemas bipolares de distribuição de potência elétrica de alta tensão que incluem capacidades de detecção e mitigação transitórias. O sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão inclui um conjunto de componentes de comutação tal como controladores de potência de estado sólido (SSPC). Será compreendido que “um conjunto” pode incluir qualquer número de comutadores de estado sólido, o que inclui um único comutador de estado sólido. De modo similar, “um conjunto” conforme usado no presente documento pode incluir qualquer número de elementos, o que inclui 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, pode ser definida como uma fonte de potência elétrica de corrente contínua em que a tensão de saída pode ser ajustada para positiva ou negativa e pode extrair corrente. Será compreendido que CC de alta tensão, conforme usada no presente documento, pode ser definida como energia elétrica em tensões altas o suficiente para danificar componentes em estado sólido no caso de uma falha elétrica e pode incluir, porém, sem limitação, tensões maiores que as fornecidas por fontes de potência elétrica de 28 VDC integradas em várias aeronaves convencionais.
[0010] Atualmente, poucas aeronaves incluem fontes de potência bipolar de alta tensão tal como mais e menos 270 VDC e nenhuma dessas aeronaves integram um sistema de distribuição de potência elétrica para potência de alta tensão bipolar. Entretanto, com o fornecimento de um sistema de distribuição elétrica de CC de alta tensão, fontes de CC de alta tensão bipolar não estarão mais confinadas a uma única área da aeronave.
Consequentemente, as fontes de CC de alta tensão bipolar, por meio do sistema de distribuição elétrica, precisarão da capacidade para suprimir atividade elétrica transitória e mitigar eventos de falha que podem ocorrer em qualquer lugar na aeronave em que uma carga é alimentada pela fonte de CC de alta tensão bipolar.
[0011] Devido a problemas associados a comutadores eletromecânicos relacionados a confiabilidade e velocidade de comutação, comutadores de estado sólido são tipicamente usados em sistemas de potência de segurança crítica, tal como aqueles encontrados em aeronave e que incluem aplicações de CC de potência de alta tensão. Os comutadores de estado sólido estão suscetíveis a dano resultante de uma resposta transitória em um circuito ou sistema elétrico. Os sistemas de potência elétrica, tais como aqueles fornecidos em aeronaves, são expostos a várias fontes em potencial para atividade elétrica transitória que incluem, porém, sem limitação, falha de equipamento e quedas de raios. Um esquema de proteção transitório para sistemas de distribuição elétrica de CC de alta tensão inclui coordenar a temporização de abrir e fechar os comutadores de estado sólido acoplados às alimentações positiva e negativa de uma fonte de CC de alta tensão. A coordenação dos comutadores de estado sólido inclui uma medida protetora de tal modo que, caso um comutador de estado sólido acoplado a uma das alimentações positiva e negativa falhe, o outro não é danificado.
[0012] Agora, em relação à Figura 1, um exemplo de ilustração esquemática de topo para base de uma aeronave e sistema de distribuição de potência elétrica de acordo com vários aspectos descritos no presente documento é mostrado. Uma aeronave 2 ilustrada como por ter 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 um ao outro. A aeronave 2 pode ter qualquer número de 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 ou todos os motores em uma aeronave 2, que inclui os sistemas de motor esquerdo e direito 12, 14, podem ser então acoplados a uma ou mais fontes bipolares de potência elétrica de CC de alta tensão 16. A fonte bipolar de potência de CC de alta tensão 16 pode ser acoplada a um sistema de distribuição de potência elétrica 18 que energiza, de forma seletiva, um conjunto de sistemas e dispositivos na aeronave 2 que compõem, de forma coletiva, a carga elétrica. Sistemas e dispositivos alimentados pela fonte bipolar de potência de CC de alta tensão 16 por meio do sistema de distribuição de potência elétrica 18 podem ser qualquer sistema ou dispositivo em uma aeronave com capacidade de extrair uma carga elétrica e incluem, porém, sem limitação, atuadores de controle de voo 26, conversores descendentes localizados 27 em visores de cabine, sistemas de controle ambiental 28, etc.
[0013] Na aeronave 2, os sistemas operacionais de motor esquerdo e direito 12, 14 fornecem energia mecânica que pode ser extraída através de uma bobina, para fornecer força de acionamento para a fonte bipolar de potência de CC de alta tensão 16. Outras fontes de potência podem incluir, porém, sem limitação, geradores, baterias, células de combustível, fontes de potência reserva tal como uma turbina de ar de pressão dinâmica “RAT” (Ram Air Turbine), 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 para as cargas elétricas para os sistemas e dispositivos 26, 27, 28 para carregar operações que é distribuída pelo sistema de distribuição de potência elétrica 18.
[0014] Agora, em relação à Figura 2, é mostrado um exemplo de diagrama de um sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão de potência elétrica 50 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. O sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão de potência elétrica inclui um componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 acoplado a um conjunto de componentes de comutação 54. O conjunto de componentes de comutação 54 acopla, de forma seletiva, potência a partir do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 a um componente de carregamento elétrico 58. O conjunto de componentes de comutação 54 inclui um componente de supressão transitório 56 para limitar a corrente que flui através do conjunto de componentes em estado sólido de comutação durante um evento de tensão transitória. 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.
[0015] O componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 é uma fonte bipolar de potência de CC de alta tensão ou suprimento. O componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 pode emitir qualquer nível de tensão positivo e negativo para usar na distribuição de potência elétrica para um componente de carregamento elétrico 58 que inclui, mas não se limita, a 270 V positivo e negativo.
[0016] 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 capacidade de comutar entre ligado ou desligado (isto é, fechado ou aberto) quando uma tensão externa é 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 potência para o conjunto de circuitos de carga do componente de carregamento elétrico 58, e um mecanismo de acoplagem para permitir que o sinal de controle ative o comutador sem componentes eletromecânicos. O conjunto de componentes de comutação 54 pode ser qualquer tipo de comutadores eletrônicos de estado sólido que inclui, mas não se limita, a um controlador de potência de estado sólido (SSPC), um relê de estado sólido que inclui um único transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET), um relê de estado sólido que inclui múltiplos MOSFETs dispostos em uma configuração paralela, etc. O semicondutor que comuta elementos do conjunto de componentes de comutação pode ser formado de qualquer material usado para aplicações eletrônicas de comutação de estado sólido que inclui, porém, sem limitação, silício, carbureto de silício, nitreto de gálio, etc.
[0017] Uma configuração do conjunto de componentes de comutação 54 inclui o fornecimento de SSPCs que são dispositivos semicondutores que controlam potência elétrica suprida para uma carga. Adicionalmente, SSPCs realizam funções de diagnóstico e supervisão de modo a identificar condições de sobrecarga e impedir curtos-circuitos. De forma funcional, SSPCs são similares a disjuntores com elementos de comutação eletromecânica que protegerão fiação e cargas em relação a falhas. Os SSPCs podem comutar estados dentro da ordem de microssegundos em comparação com comutadores eletromecânicos que podem exigir aproximadamente 30 ms ou mais para completar uma transição de um estado para outro. Implantado com SSPCs, o conjunto de componentes de comutação 54 pode incluir recursos de monitoramento e proteção integrados que incluem, porém, sem limitação, o monitoramento de tensão, monitoramento de corrente, monitoramento de temperatura para garantir que os SSPCs negativo e positivo não superaqueçam, 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 permitem que o conjunto de componentes de comutação 54 funcione como um controlador que pode controlar saídas para cargas para garantir operações apropriadas. Os SSPCs podem incluir microprocessadores configuráveis que podem ser programados para aumentar características de controle. Cada SSPC pode incluir qualquer configuração, topologia ou componentes eletrônicos para usar na comutação de potência no sistema de distribuição de CC de alta tensão de potência elétrica 50 que inclui, porém, sem limitação, o fornecimento de cada SSPC para incluir um ou mais dispositivos semicondutores em paralelo para intensificar a capacidade de transporte de corrente, sendo que a configuração de SSPCs é bidirecional através do uso de dois dispositivos unidirecionais em série, etc.
[0018] O conjunto de componentes de comutação 54 pode incluir qualquer número de comutadores que inclui, porém, sem limitação, um comutador acoplado a um fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 e um segundo comutador acoplado a um fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52. Portanto, em uma configuração, o conjunto de componentes de comutação 54 inclui um primeiro SSPC acoplado a um fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 e um segundo SSPC acoplado a um fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52.
[0019] O componente de comunicações 60 controla e monitora o estado do conjunto de componentes de comutação 54 em parte através da comunicação com outros elementos de controle da aeronave. Por exemplo, o componente de comunicações 60 relata o estado dos SSPCs de volta para outros sistemas de controle de gerenciamento de veículo. O componente de comunicações 60 pode transmitir dados indicativos de comandos para o comutador, ler um estado do comutador que inclui se o comutador está aberto ou fechado e monitorar uma integridade do comutador. Por exemplo, o estado do comutador pode incluir uma indicação se o comutador está aberto ou fechado, e a integridade do comutador pode incluir uma indicação de temperatura. O componente de comunicações 60 pode ter base em qualquer hardware e protocolo de comunicações de dados com capacidade de transmitir dados relacionados ao controle e o estado do conjunto de componentes de comutação 54 que incluem, porém, sem limitação, um cabo de interconexão balanceado configurado para implantar o Padrão Reconhecido 485 (RS-485), um cabo serial de dois fios configurado para implantar um protocolo de rede de área do controlador (barramento CAN), um cabo serial de três ou cinco fios configurado para implantar o Padrão Reconhecido 232 (RS-232), etc.
[0020] O componente de supressão transitório 56 limita o fluxo de corrente através do conjunto de componentes de comutação 54 no sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão 50. Com um sistema bipolar de distribuição elétrica de alta tensão 50, a corrente percorre do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52, para o conjunto de componentes de comutação 54, para o componente de carregamento elétrico 58 e, então, de volta. Portanto, o componente de supressão transitório 56 é configurado para limitar ou deter a corrente que flui através do conjunto de componentes de comutação 54 durante uma condição de sobretensão que pode potencialmente dissipar um nível de dano de corrente em um ou mais dentre o conjunto de componentes de comutação 54. O componente de supressão transitório 56 pode ser formado e configurado com qualquer dispositivo com capacidade de limitar corrente através de um elemento de comutação de estado sólido que inclui, porém, sem limitação, um varístor de óxido metálico (MOV), um supressor de tensão transitório (TVS), diodo de volante (isto é, retorno, supressão, grampo, etc.) e combinações dos mesmos que incluem elementos internos e externos para o conjunto de componentes de comutação 54.
[0021] Agora, em referência à Figura 3, é mostrado um fluxograma que ilustra um método 100 de distribuir potência em um sistema bipolar de potência elétrica de CC de alta tensão 50 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. Em 110, o componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 aplica potência ao sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão 50. Dependendo do tipo ou configuração do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 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. Durante operações normais ou idealizadas, o conjunto de componentes de comutação 54 fecha e o componentes de carregamento elétrico 58 são energizados e dissipam, de forma correta, a potência como pelas exigências operacionais dos componentes de carregamento elétrico 58. Em operações anormais ou mesmo em operações de mundo real nominais reais, o conjunto de componentes de comutação 54 não está sempre no mesmo estado. Por exemplo, um comutador pode ser aberto quando outro está fechado. Em alguns casos, a assimetria no estado do conjunto de componentes de comutação 54 ocorre devido a uma falha no sistema bipolar de distribuição de potência de CC de alta tensão 50. Em outros casos, a assimetria no estado do conjunto dos componentes de comutação 54 ocorre devido a uma falta em simultaneidade dos eventos de comutação. Isto é, um comutador muda de estado antes de outro comutador no conjunto de componentes de comutação 54. A falta de simultaneidade na comutação do conjunto de componentes de comutação 54 ocorre, em parte, devido ao nível finito de coordenação que pode ser alcançado com controle eletrônico. Adicional ou alternativamente, a falta de simultaneidade pode ser adicionalmente exacerbada por exigências operacionais que podem incluir, porém, sem limitação, a separação física dos comutadores. Por exemplo, os comutadores são frequentemente separados por pelo menos 30,48 centímetros (um pé) para reforçar o isolamento elétrico devido à alta tensão do sistema bipolar de potência elétrica de CC de alta tensão 50. A separação física pode fazer com que uma pequena comutação não sincronizada ocorra devido a atrasos em comunicação entre comutadores.
[0022] Portanto, na etapa 112, uma determinação do estado do conjunto de componentes de comutação 54 inclui determinar se todos os comutadores estão abertos ou fechados. Caso todos os comutadores no conjunto de componentes de comutação 54 não estejam no mesmo estado, o componente de supressão transitório 56 limita a corrente que flui através do conjunto de componentes em estado sólido de comutação 54. Na etapa 114, o componente de supressão transitório 56 limita a corrente que flui através dos componentes em estado sólido de comutação ajustados 54 para fornecer uma medida protetora para o conjunto de componentes em estado sólido de comutação 54.
[0023] Agora, em referência à Figura 4, é mostrado um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 200 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. O componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 210 inclui duas fontes de CC de alta tensão 211 em que cada é acoplada ao aterramento de chassi 236, uma pelo fio condutor negativo e a outra pelo fio condutor positivo. O componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 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 bipolar de fonte de CC de alta tensão 210 e um segundo SSPC 214 acoplado ao lado negativo do componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 210. O acoplamento entre o componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 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 carregamento elétrico 226. O acoplamento entre o conjunto de componentes de comutação 216 e o componente de carregamento elétrico 226 pode incluir o fio limitador de corrente 238.
[0024] O primeiro e o segundo SSPCs 212, 214 podem incluir um número de 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 abre ou fecha para acoplar ou desacoplar o componente de carregamento elétrico 226 ao componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 210. Conforme mostrado na Figura 4, o comutador de estado sólido principal 224 pode incluir o componente de supressão transitório 225 que pode ser formado de um ou mais elementos protetores que incluem, porém, sem limitação, um varistor de óxido metálico (MOV), um supressor de tensão transitório (TVS), etc. O componente de supressão transitório 225 reage a condições de sobretensão súbita ou momentânea indicativa de um evento transitório e limita o fluxo de corrente através do comutador principal 224. Um SSPC 212, 214 pode incluir um ou mais circuitos do tipo snubber 228 através da entrada do comutador, a saída do comutador ou ambos, para suprimir picos de tensão e reduzir o zumbido causado por indutância de circuito quando um comutador abre. Um SSPC 212, 214 pode incluir um ou mais circuitos de teste integrados 230 para fornecer recursos de teste integrados (BIT). O circuito de teste integrado 230 permite a operação de um esquema de teste integrado iniciado (IBIT) que permite o autoteste do SSPC 212, 214 para verificar o funcionamento apropriado do SSPC 212, 214. O circuito de teste integrado 230 pode testar qualquer recurso do SSPC e inclui, mas não se limita, a um circuito de detecção de falha de arco para a detecção de uma falha de arco. Quando ambos SSPCs estão abertos, a 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 do 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 comunicação externa 234, habilitar funções protetivas através 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 em potencial que podem danificar o comutador que inclui, porém, sem limitação, o 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 SSPC 212, 214 pode fornecer proteção contra falha de alimentação diferencial onde a corrente de saída do SSPC positivo 212 e do SSPC negativo 214 é comparada de modo a determinar uma falha de aterramento grosseira. O módulo de monitoramento 218 pode monitorar a corrente de saída e tensão nos SSPCs 212, 214 para fornecer detecção de falha de arco paralelo e em série. Os SSPCs 212, 214 incluem limitação de corrente de laço fechado em que cada SSPC 212, 214 usa retroalimentação de corrente de laço fechado local para garantir que a corrente seja compartilhada igualmente entre os SSPCs 212, 214 durante eventos de limitação de corrente. O módulo de monitoramento 218 pode fornecer limitação de corrente através de qualquer configuração ou técnica útil para dispositivos de estado sólido de limitação de corrente que inclui, porém, sem limitação, técnicas de limitação de corrente linear e modulação de largura de pulso (PWM). O módulo de controle 220 pode controlar o estado do comutador principal 224 com base em entradas tanto de componentes de comunicações externas 234 como do módulo de monitoramento 218 ou combinações dos mesmos.
[0025] Através da implantação das medidas protetivas e de monitoramento acima definidas, o sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 200 pode implantar um número de etapas para controlar e coordenar os SSPCs 212, 214. Por exemplo, o sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 200 inclui a capacidade para monitorar continuamente o estado de cada comutador principal 224 quando os mesmos estão nos estados aberto e fechado. Quando cada comutador principal 224 está em um estado fechado, o módulo de monitoramento 218 pode implantar a proteção de fio l2t em que, caso o módulo de monitoramento 218 determine que a corrente desviada de uma curva de limiar predeterminado, um comando do módulo de controle pode ajustar ambos os comutadores principais 224 para o estado aberto. O limiar predeterminado pode ser qualquer curva de corrente versus tempo que determine o percurso l2t que inclui, porém, sem limitação, o espaço aéreo e padrões industriais que fornecem curvas de amostra. De modo similar, caso o módulo de monitoramento 218 determine que a corrente de comutação em um ou outro SSPC 212, 214 excede um limiar predeterminado, a corrente pode ser limitada e comutadores principais 224 transferidos para o estado aberto. O limiar predeterminado pode ser qualquer nível de corrente dependendo do número de semicondutores de comutação disponíveis para passar corrente através do SSPC que inclui, porém, sem limitação, níveis de corrente na faixa entre 10 e 1.000 amperes (A). Caso o módulo de monitoramento determine que a temperatura para um SSPC 212, 214 excede um nível nominal, o módulo de controle 220 pode ajustar ambos os SSPCs 212, 214 para o estado aberto ou reportar de volta para um componente de controle externo através do componente de comunicações 234. O nível nominal pode ser qualquer temperatura dependendo do SSPC específico que inclui, porém, sem limitação, 100 graus Celsius (°C).
[0026] Durante o uso de dois SSPCs de limitação de corrente 212, 214 em série, conforme mostrado na Figura 4, caso os níveis de limite de corrente para cada SSPC 212, 214 sejam iguais, o sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 200 pode experimentar instabilidade no controle de corrente de laço fechado. Consequentemente, o conjunto de componentes de comutação 216 pode incluir níveis de limite de corrente escalonados para cada SSPC 212, 214. Por exemplo, o limite de corrente do SSPC positivo 212 pode ser ajustado para 600% e o limite de corrente do SSPC negativo 214 pode ser ajustado para 500%. Desse modo, os níveis de limite de corrente escalonados garantem que, durante um cenário de carga encurtada, o SSPC positivo 212 limite a corrente primeiro. As tensões e correntes são monitoradas em relação a propósitos de monitoramento de estado e integridade. O SSPC 212, 214 pode incluir elementos e métodos para controlar vazamento de semicondutor que incluem, porém, sem limitação, um resistor de purga 240. Durante a comutação do estado de um SSPC 212, 214, denominado como eventos de “ligar” e “desligar”, o SSPC 212, 214 pode controlar a tensão de carga dV/dt dentro de uma banda específica através do fornecimento de retroalimentação de laço fechado em dV/dt. A banda específica pode ser qualquer mudança de tensão por unidade de tempo, que inclui, porém, sem limitação, 100 V/microssegundo para cada comutador em um sistema de mais e menos 270 VDC. Durante eventos de “ligar” e “desligar” SSPC, o SSPC 212, 214 pode aumentar o ponto de ajuste de limite de corrente para controlar a taxa de elevação de corrente de carga dl/dt.
[0027] A Figura 5 é um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 300 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. O sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão é similar ao ilustrado na Figura 4; portanto, partes semelhantes serão identificadas com numerais semelhantes aumentados por 100, compreendendo-se que a descrição das partes semelhantes do primeiro sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão se aplica ao segundo sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão, a menos que notado do contrário. A Figura 5 inclui um componente de supressão transitório 325 com um elemento adicional mostrado como um diodo de volante 350 externo para o conjunto de componentes de comutação 316. O diodo de volante 350 pode reduzir a energia transitória dissipada nos dispositivos de MOV ou TVS através do comutador principal 324 dos SSPCs 312, 314. A Figura 6 é um exemplo de ilustração esquemática de um sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão 400 de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. O componente de supressão transitório 425 inclui o diodo de volante 450 através das saídas do conjunto de componentes de comutação 416. Os dispositivos de MOV ou TVS 452, 454 estão localizados através das entradas dos SSPCs 412, 414. Enquanto que na Figura 5 e na Figura 6, os dois SSPCs 212, 214, 312, 314 precisam ser colocalizados para reduzir perdas na fiação do diodo de volante 350,450, com a configuração na Figura 4, o conjunto de componentes de comutação 216 não precisa ser colocalizado.
[0028] A Figura 7 é um exemplo de plotagem de formas de onda de tensão e corrente que demonstra a operação do sistema bipolar de distribuição de potência elétrica de alta tensão de acordo com vários aspectos descritos no presente documento. A plotagem demonstra como a topologia de comutador acima descrita manipula a comutação não sincronizada dos SSPCs positivos 212, 312, 412 e dos SSPCs negativos 214, 314, 414, tal como ocorre quando os SSPCs positivos 212, 312, 412 e os SSPCs negativos 214, 314, 414 não são colocalizados. No tempo (1), a potência é aplicada para o componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 52 que é um suprimento de 270 VDC positivo e negativo tal como mostrado nas Figuras 4 a 6 como 210, 310, 410. A corrente através do conjunto de SSPCs 216, 316, 416 aumenta momentaneamente conforme os capacitores dos snubbers de entrada e saída 228, 328, 428 carregam. A tensão em cada SSPC no conjunto de entrada de SSPCs 216, 316, 416 se eleva para mais e menos 270 VDC e com os comutadores principais 224, 324, 424 do conjunto de SSPCs 216, 316, 416 ajustados para um estado aberto, a tensão através de ambos os comutadores principais positivo e negativo 224, 324, 424 é 270 VDC.
[0029] No tempo (2), o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC negativo 214, 314, 414 fecha e a tensão através do comutador principal 224, 324, 424 do SSPC negativo 214, 314, 414 reduz para 0 V e a tensão de saída (“Vsaída negativo”) do SSPC negativo 214, 314, 414 reduz para -270 V. De modo similar, devido ao fato de que o potencial está presente no componente de carregamento elétrico 226, 326, 426, a tensão de saída (“Vsaída positivo”) do SSPC positivo 212, 312, 412 também reduz para -270 V. A tensão através do comutador principal do SSPC positivo 212, 312, 412 é 540 VDC. Durante esse tempo, a tensão de carga permanece em zero devido ao fato de que o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 não foi ajustado para um estado fechado. A corrente total (Ίpositivo Totai” e “iNegativo Totai”) é pequena devido ao carregamento dos snubbers de saída positivos e negativos 228, 328, 428.
[0030] No tempo (3), o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 é ajustado para o estado fechado e a tensão através do comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 reduz para 0 V e a tensão de saída do SSPC positivo 212, 312, 412 eleva para positivo 270 V. De modo similar, o componente de carregamento elétrico 226, 326, 426 é eletricamente acoplado ao componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 210, 310, 410 e, portanto, a tensão de carga aumenta para 540 V e a corrente total eleva para a corrente classificada em 100% (por exemplo, 120 A).
[0031] No tempo (4), o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 é ajustado para o estado aberto e a tensão através do comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 aumenta para aproximadamente 1 kV devido à força eletromotriz (EMF) de MOV/TVS retrogrampeado causada por indutância de laço de fiação. A tensão através do comutador principal 224, 324, 424 do SSPC positivo 212, 312, 412 reduz para um estado estável de 540 V. A tensão de carga também se reduz para zero e as correntes de saída de SSPC totais se reduzem para 0 A.
[0032] As plotagens na Figura 8 mostram quando o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC negativo 214, 314, 414 é ajustado para o estado aberto no tempo (5). Devido ao fato de que os snubbers de saída 228, 328, 428 possuem, cada um, uma energia significativa e os resistores de vazamento 240, 241, 340, 341, 440, 441 incluem valores de resistência relativamente altos para reduzir perdas de estado estável, os capacitores dos snubbers 228, 328, 428 descarregam em aproximadamente 25 ms. Portanto as tensões de saída positivas e negativas e as tensões de comutador principal positivas e negativas não retornam para 0V, 0V, 270V e 270V respectivamente até 25 ms após o comutador principal 224, 324, 424 do SSPC negativo 214, 314, 414 ser ajustado para o estado aberto.
[0033] Os efeitos benéficos de uma distribuição de potência bipolar de CC de alta tensão em aeronave são que altos níveis de potência podem ser entregues para uma dada carga em níveis inferiores de corrente em comparação com aqueles exigidos em sistemas de CC de baixa tensão. Em alguns casos, a corrente exigida para uma determinada carga reduz dada uma exigência de potência constante e isso reduz, portanto, a medida de fio exigida para uma determinada carga que, desse modo, resulta em uma fiação mais leve. Os efeitos benéficos das realizações acima descritas para comutação de estado sólido de fontes bipolares de alimentação de CC de alta tensão incluem rápida proteção e limitação de corrente durante eventos de curto-circuito, rápida proteção contra falhas de fio e falhas de arco, carregamento controlado de cargas capacitoras, e proteção contra comutação de carga indutiva e raio. A configuração dos elementos descritos acima fornece uma topologia de sistema elétrico que é tolerante em relação a eventos de falha de comutador que incluem falha em abrir ou fechar, tolerante em relação a comutação não sincronizada e fornece proteção secundária para cada comutador. Adicionalmente, a topologia pode ser implantada como unidirecional ou bidirecional.
[0034] Para a extensão ainda não descrita, os diferentes recursos e estruturas das diversas realizações podem ser usados em combinação entre si conforme desejado. O fato de que um recurso pode não ser ilustrado em todas as realizações não deve ser interpretado que o mesmo não possa ocorrer, porém, isso é feito a título de brevidade de descrição. Dessa forma, as várias funções das diferentes realizações podem ser misturadas e combinadas, conforme desejado, para formar novas realizações, as novas realizações estando expressamente descritas ou não. Todas as combinações ou permutações de funções descritas no presente documento são cobertas por esta revelação.
[0035] Esta descrição escrita usa exemplos para divulgar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para habilitar qualquer indivíduo versado na técnica a praticar a invenção, inclusive a fazer e a usar quaisquer dispositivos ou sistemas e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são planejados para estarem dentro do escopo das reivindicações se possuírem elementos estruturais que não os diferenciem a partir da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais a partir das linguagens literais das reivindicações.
Lista de Componentes 2 - aeronave 12, 14 - sistema de mecanismo motor 16 - fonte bipolar de potência de CC de alta tensão 18 - sistema de distribuição de potência elétrica 26 - atuador de controle TI - conversor descendente localizado 28 - sistema de controle ambiental 50 - sistema bipolar de distribuição elétrica de CC de alta tensão 52 - componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 54 - conjunto de componentes de comutação 56 - componente de supressão transitório 58 - componente de carregamento elétrico 60 - componente de comunicações 100 - método de distribuição de potência 110, 112, 114 - etapas para o método 100 200 - sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão 210 - componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 211 - fonte de CC 212, 214-SSPC 216 - conjunto de componentes de comutação 218 - módulo de monitoramento 220 - módulo de controle 222 - controle de comutação e subcomponente de monitoramento 224 - comutador principal 225 - componente de supressão transitório 226 - componente de carregamento elétrico 230 - BIT 228 - circuito do tipo snubber 232 - componente de interrupção de falha de aterramento 234 - componente de comunicações 236 - aterramento de chassi 238 - fio limitador de corrente 240 - resistor 241 - resistor 300 - sistema bipolar de distribuição de CC de alta tensão 310 - componente bipolar de fonte de CC de alta tensão 311 - fonte de CC 312, 314-SSPC 316 - conjunto de componentes de comutação 318 - módulo de monitoramento 320 - módulo de controle 322 - controle de comutação e subcomponente de monitoramento 324 - comutador principal 325 - componente de supressão transitório 326 - componente de carregamento elétrico 330 - BIT 328 - circuito do tipo snubber 332 - componente de interrupção de falha de aterramento 334 - componente de comunicações 336 - aterramento de chassi 338 - fio limitador de corrente 340 - resistor 341 - resistor 350 - diodo de volante Reivindicações
Claims (10)
1. SISTEMA PARA DISTRIBUIÇÃO DE POTÊNCIA DE AERONAVE caracterizado pelo fato de que compreende: um componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52] com um fio condutor de tensão positivo e um fio condutor de tensão negativo; um componente de carregamento elétrico [58] com capacidade de extrair potência elétrica do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52]; um conjunto de componentes de comutação [54] configurado para acoplar, de forma seletiva, potência a partir do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52] ao componente de carregamento elétrico [58] através da comutação entre um estado aberto que desacopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52] para o componente de carregamento elétrico [58] e um estado fechado que acopla potência do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52] ao componente de carregamento elétrico [58], em que um primeiro subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor positivo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52] e um segundo subconjunto de componentes de comutação é acoplado ao fio condutor negativo do componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [52]; e um componente de supressão transitório [56] acoplado ao conjunto de componentes de comutação [54] e configurado para limitar a corrente que flui através do primeiro ou do segundo subconjunto do conjunto de componentes de comutação [54] quando o primeiro e o segundo subconjuntos não estiverem no mesmo estado.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro subconjunto dos componentes de comutação [212] inclui um nível de limite de corrente escalonado a partir de um nível de limite de corrente do segundo subconjunto dos componentes de comutação [214] de tal modo que quando o componente de carregamento elétrico [226] experimenta uma escassez, o primeiro subconjunto dos componentes de comutação [212] limite a corrente antes que o segundo subconjunto dos componentes de comutação [214],
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente bipolar de fonte de corrente contínua de alta tensão [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 um fio condutor negativo de uma das duas fontes de alimentação de corrente contínua de 270 volts é acoplado a um aterramento de chassi [236] e o fio condutor positivo da outra das duas fontes de alimentação de corrente contínua de 270 volts é acoplado 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.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um componente de comunicações [60] configurado para aplicar uma tensão externa através de um conjunto de terminais de controle do conjunto de componentes de comutação [54] ao estado do conjunto dos componentes de comutação.
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de supressão transitório [225, 325] inclui um conjunto de supressores de tensão transitórios ou um conjunto de varistores de óxido metálico.
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o componente de supressão transitório [325] inclui adicionalmente um diodo de volante [350] acoplado através da saída do conjunto de componentes de comutação [316],
9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os controladores de potência de estado sólido incluem um módulo de monitoramento [218, 318] que determina se a corrente de comutação em controladores de potência de estado sólido excede um limiar predeterminado e um módulo de controle [220, 320] que pode ajustar o estado de ambos os controladores de potência de estado sólido em resposta à corrente de comutação determinada.
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os controladores de potência de estado sólido incluem um módulo de monitoramento [218, 318] que determina se a temperatura dos controladores de potência de estado sólido excede um limiar predeterminado e um módulo de controle [220, 320] que pode ajustar o estado de ambos os controladores de potência de estado sólido em resposta à temperatura determinada.
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