BRPI0709231A2 - dispositivo e processo de geração elétrica a bordo de uma aeronave, e, aeronave - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO E PROCESSO DE GERAçãO ELéTRICA A BORDO DE UMA AERONAVE, E, AERONAVE. A presente invenção se refere a um dispositivo e a um processo de geração elétrica a bordo de uma aeronave que compreende vários geradores (GENl-GEN4) e vários grupos de condicionamento de ar (ECS1, ECS2, ECS3, ECS4) que têm uma admissão de ar exterior. Esse dispositivo compreende meios de comando dos grupos de condicionamento de ar em geradores de auxílio e um dispositivo de estocagem (30).
Description
"DISPOSITIVO E PROCESSO DE GERAÇÃO ELÉTRICA A BORDO DEUMA AERONAVE, E, AERONAVE"
DOMÍNIO TÉCNICO
A invenção se refere a um dispositivo e a um processo degeração elétrica de auxílio a bordo de uma aeronave, por exemplo um avião.
ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR
Depois do avião "mais elétrico", o avião "todo elétrico"implica numerosas mudanças em relação aos aviões atuais. Assim a supressãoda extração de ar nos motores ("bleed"), que é utilizada, entre outras coisas,de maneira a realizar o condicionamento de ar do cockpit e da cabine, é umamudança importante. Essa supressão implica a necessidade de efetuar um talcondicionamento de ar do cockpit e da cabine a partir da eletricidadedisponível a bordo, seguindo a filosofia de um avião mais elétrico.
Para realizar esse condicionamento de ar, que exige umapotência elétrica muito elevada, da ordem daquela atualmente disponível nosaviões de transportes civis, é possível utilizar quatro motores distintos paraacionar compressores de ar.
Uma arquitetura simplificada de uma rede elétrica de aviãotodo elétrico com um dispositivo elétrico de auxílio tradicional é ilustrada nafigura 1.
Essa arquitetura possui uma geração elétrica principal emcorrente alternada (AC) trifásica (por exemplo 230/400 volts AC) e umadistribuição mista com uma alta tensão contínua (por exemplo +/- 270 voltsDC).
Nessa arquitetura a geração elétrica principal é realizada porquatro geradores GEN1, GEN2, GEN3 e GEN4 que alimentam cada um delesuma barra coletora de distribuição elétrica trifásica 230 volts AC, essas barrassendo referenciadas 10, 11, 12, 13.
A geração contínua (DC) de alta tensão +/- 270 volts DC(barras bus referenciadas 15, 16, 17, 18) é obtida por retificação da tensãoalternada precedente, por exemplo a partir de unidades autotransformadores-retificadores ATRUl, ATRU2, ATRU3 e ATRU4.
Os grupos do sistema de condicionamento de ar ECS1, ECS2,ECS3, ECS4 são alimentados em alta tensão contínua via onduladores detensões MCI, MC2, MC3 E MC4.
Essa rede elétrica de avião compreende assim quatro zonas 20,21, 22 e 23 totalmente segregadas, o que permite melhorar a disponibilidadeda eletricidade a bordo do avião em caso de pane.
A parte "essencial" da rede (cargas essenciais 25) é conectadaa uma barra coletora de alta tensão contínua +/- 270 volts DC "essencial" 26.Como ilustrado na figura 1, essa barra coletora 26 é normalmente alimentadapela barra coletora de alta tensão 15.
Como ilustrado na figura 2, em caso de perda do conjunto dageração elétrica principal (GEN1, GEN2, GEN3, GEN4), um gerador deauxílio EMER GEN permite alimentar essa barra coletora essencial 26. Nessecaso somente as cargas essenciais 25 da rede são alimentadas.
Esse gerador de auxílio EMER GEN pode ser uma turbinaeólica que se estende sob o avião (RAT ou "Ram Air Turbine"). Em um avião"mais elétrico" ou "todo elétrico", essa turbina pode acionar um geradorelétrico, e assim alimentar as cargas essenciais da rede em auxílio.
Outros geradores de mesmo tipo podem também serconsiderados: por exemplo as turbinas tipo APU ("Auxiliary Power Unit")que funcionam com querosene ou com hidrazina, as pilhas de combustíveis,etc.
A utilização de um gerador de auxílio de tipo turbina eólicaapresenta vários inconvenientes. Sua massa e seu volume não sãodesprezíveis. Sua instalação no avião é restritiva, pois ela deve ser colocadaem um local estratégico que permite que ela seja corretamente exposta ao ar:seus desempenhos dependem disso. Um mau posicionamento acarretariadimensões e uma massa superiores para obter uma mesma produção deeletricidade. Inconvenientes similares existem também no âmbito dautilização de um outro gerador de auxílio qualquer (APU, pilha decombustível, etc.).
Existe um primeiro período transitório durante o qual odispositivo elétrico de auxílio é inoperante: desde o instante de perda doconjunto da geração elétrica principal até a partida efetiva do gerador deauxílio EMER GEN.
De fato, o tempo de partida de um gerador de auxilio EMERGEN é relativamente longo. Ele pode exceder vários segundos. Durante esseperíodo transitório entre o instante em que intervém a perda da geraçãoprincipal e a partida desse gerador de auxílio, as cargas essenciais não sãoalimentadas, o que não é aceitável.
No caso de uma turbina eólica, um segundo período transitóriopode ser observado por ocasião da aterrissagem. De fato, uma tal turbina éineficaz em baixa velocidade, depois da aterrissagem. Ora, a frenagem dasrodas do avião requer uma energia elétrica conseqüente, que é imperativofornecer.
A invenção tem como objeto resolver os problemas técnicosligados à utilização de uma turbina eólica como fonte de energia de auxílio, eà existência de tais períodos transitórios.
EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO
A invenção se refere a um dispositivo elétrico a bordo de umaaeronave, por exemplo um avião, que compreende vários geradores e váriosgrupos de condicionamento de ar que têm uma admissão de ar exterior,caracterizado pelo fato de que ele compreende meios de comando dos gruposde condicionamento de ar em geradores de auxílio e um dispositivo deestocagem.Vantajosamente ele compreende uma barra coletora essencial,na qual são conectadas cargas essenciais da aeronave e o dispositivo deestocagem, e meios de conexão de conversores estáticos, que são ligados aosgrupos de condicionamento de ar, na barra coletora essencial. Esse dispositivode estocagem pode compreender vários dispositivos: baterias deacumuladores, supercondensadores, acumuladores cinéticos (rodas cominércia), etc. Vantajosamente o dispositivo de estocagem compreende doissubsistemas distintos: um para o +270 volts DC e um para o -270 volts DC.Vantajosamente o dispositivo de estocagem utiliza uma estocagemeletroquímica por baterias de acumuladores ou supercondensadores, ecompreende dois subconjuntos de estocagem e dois conversores estáticosDC/DC. Vantajosamente o dispositivo de estocagem compreende uma funçãode filtragem ativa.
A invenção também se refere a um processo de geraçãoelétrica a bordo de uma aeronave, por exemplo um avião, que compreendevários geradores e vários grupos de condicionamento de ar que têm umaadmissão de ar exterior, caracterizado pelo fato de que em funcionamentonormal alimenta-se os grupos de condicionamento de ar em alta tensão e pelofato de que em funcionamento de auxílio são utilizados os grupos decondicionamento de ar como geradores de auxílio, e pelo fato de queassegura-se o fornecimento de eletricidade, durante os períodos transitóriosentre o funcionamento normal e o funcionamento de auxílio e por ocasião daaterrissagem da aeronave, com a ajuda de um dispositivo de estocagem.
Vantajosamente em funcionamento normal alimenta-se osgrupos de condicionamento de ar via conversores estáticos utilizados comoonduladores, e no qual em funcionamento de auxílio são utilizados os gruposde condicionamento de ar para alimentar uma barra coletora essencial, na qualsão conectadas as cargas essenciais da aeronave e o dispositivo de estocagem,via os conversores estáticos utilizados como retificadores.A invenção se refere a uma aeronave que compreende odispositivo tal como definido acima, e também a uma aeronave quecompreende um dispositivo suscetível de executar o processo tal comodefinido acima.
A invenção apresenta numerosas vantagens, e notadamente asvantagens seguintes:
- A exploração da reversibilidade em potência dos grupos decondicionamento de ar, e mais especialmente dos compressores de ar, permiteutilizar esses últimos como gerador de auxílio. Suas potências elevadaspermitem considerar a supressão de qualquer outro gerador de tipo RAT,APU, pilha de combustível, etc. O ganho em volume e em massa éinteressante.
- A instalação de um dispositivo de estocagem permiteassegurar a disponibilidade da rede elétrica durante os períodos transitórios deinatividade do gerador de auxílio. Essa função é especialmente útil nosinstantes que seguem uma pane total de geração principal, e por ocasião daaterrissagem do avião.
- A associação do dispositivo de estocagem aos grupos decondicionamento de ar permite diversas estratégias de comando.
Reconfigurações dos comandos de cada gerador de auxílio permitem uma boagestão da disponibilidade e da qualidade de tensão na rede. Por outro lado, odispositivo de estocagem pode ser utilizado fora do modo de auxílio comofiltro ativo para melhorar a qualidade de tensão da rede.
- A utilização dos grupos de condicionamento de ar permitereduzir o período transitório que intervém depois da pane da geração elétrica.
De fato, esses grupos já estando em serviço antes que a pane intervenha, suasvelocidades de rotação já são elevadas. O basculamento desses grupos domodo motor (em funcionamento normal) para o modo gerador (emfuncionamento de auxílio) é portanto quase instantâneo. Esse não é o casopara os geradores de auxílio, tais como uma turbina eólica, um APU, umapilha de combustível, etc... que devem ter a partida dada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As figuras 1 e 2 ilustram um dispositivo de geração elétrica deauxílio da arte conhecida a bordo de uma aeronave, respectivamente emfuncionamento normal e em funcionamento de auxílio.
As figuras 3 e 4 ilustram o dispositivo de geração elétrica deauxílio da invenção a bordo de uma aeronave, respectivamente emfuncionamento normal e em funcionamento de auxílio.
EXPOSIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE
REALIZAÇÃO ESPECIAIS
O dispositivo de gerador elétrico de auxílio da invençãopropõe uma arquitetura da rede elétrica na qual os grupos do sistema decondicionamento de ar ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4 ilustrados nas figuras 1 e2 são utilizados como geradores de auxílio elétrico.
De fato, de uma maneira simplificada, os grupos decondicionamento de ar comprimem ar em proveniência do exterior do avião.Em cada grupo um compressor de ar é acionado por uma máquina giratóriaelétrica alimentada por um conversor estático MC utilizado como ondulador.Esse compressor é reversível em potência, quer dizer que é possível acionarsua arvore mecânica em rotação injetando-se para isso ar em sua turbina. Amáquina giratória elétrica assim como o conversor MC também sãoreversíveis em potência. De acordo com a invenção cada um dos grupos decondicionamento de ar, utilizado como gerador de auxílio elétrico, forneceeletricidade na rede, enquanto o avião tiver uma velocidade suficiente.
A figura 3 ilustra assim uma arquitetura simplificada de umarede elétrica de avião todo elétrico com geração elétrica de auxílio por essesgrupos de condicionamento de ar ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4, os elementosjá utilizados nas figuras 1 e 2 conservando as mesmas referências.Como ilustrado nessa figura 3, em funcionamento normal, osgrupos de condicionamento de ar ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4 sãoalimentados a partir das barras bus 15, 16, 17 e 18.
Como ilustrado na figura 4, em funcionamento de auxílio, osgrupos de condicionamento de ar ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4 são utilizadoscomo geradores de auxílio. Os conversores estáticos MCI, MC2, MC3 e MC4são desconectados de suas barras bus de origem 15, 16, 17 e 18. Essesconversores são então acoplados na barra coletora essencial +/- 270 volts DC26. Esses conversores são então utilizados como retificadores e não maiscomo onduladores.
Mesmo se o rendimento dos grupos ECS1, ECS2, ECS3 eECS4 é menor em modo de auxílio do que em modo motor utilizado para afunção compressão de ar, é possível, devido à grande potência nominal decada grupo ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4, extrair deles uma potênciaconseqüente.
Como ilustrado nessas figuras 3 e 4, no momento dobasculamento do modo normal para o modo de auxílio, o período transitóriomuito curto necessário para o basculamento dos grupos ECS1, ECS2, ECS3 eECS4 do modo motor para o modo gerador pode ser assegurado por umdispositivo de estocagem 30. Esse sistema de estocagem, durante aaterrissagem do avião, permite assegurar ao fornecimento de eletricidadenecessário para a frenagem desse último. De fato, a velocidade do avião énesse caso pequena demais para obter uma potência suficiente dos gruposECS1, ECS2, ECS3 e ECS4.
Vantajosamente esse dispositivo de estocagem 30 se compõede dois subsistemas de estocagem distintos um para o + 270 volts DC e umpara o - 270 volts DC. Esses subsistemas são acoplados diretamente na barracoletora essencial 26. No caso de um a estocagem eletroquímica por bateriasde acumuladores ou de supercondensadores, esse dispositivo de estocagem 30compreende dois subconjuntos de estocagem SDl e SD2 e de doisconversores estáticos SCl e SC2.
Esse dispositivo de estocagem 30 é acoplado em permanênciana rede elétrica, mesmo em funcionamento normal. Isso permite mantê-locarregado. Ele está desse modo pronto para intervir em caso de pane degeração principal.
Uma função interessante desse dispositivo de estocagem 30 é apossibilidade de absorver uma potência rejeitada por uma carga reversível darede. Uma função de filtragem ativa pode também ser acrescentada a essedispositivo de estocagem 30, tendo em vista melhorar a qualidade de tensãoem modo normal.
A figura 4 ilustra a arquitetura da rede elétrica em caso defuncionamento em auxílio com os grupos ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4. Umaestratégia de gestão possível desses diferentes grupos consiste em confiar aregulação de tensão da rede aos subconjuntos de estocagem SDl e SD2. Osgrupos ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4 são nesse caso comandados de maneira afornecer a corrente exigida pelas cargas essenciais 25. Dessa maneira, ossubconjuntos de estocagem SDl e SD2 permitem conservar uma boaqualidade de tensão na rede elétrica. Além disso eles são assim operacionaisinstantaneamente quando os grupos ECS1, ECS2, ECS3 e ECS4 não estãomais aptos para fornecer uma potência grande por ocasião da aterrissagem.
Claims (11)
1. Dispositivo de geração elétrica a bordo de uma aeronaveque compreende vários geradores (GEN1-GEN4) e vários grupos decondicionamento de ar (ECS1, ECS2, ECS3, ECS4) que têm uma admissãode ar exterior, caracterizado pelo fato de que ele compreende meios decomando dos grupos de condicionamento de ar em geradores de auxílio e umdispositivo de estocagem (30).
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que ele compreende uma barra coletora essencial (26), na qualsão conectadas cargas essenciais (25) da aeronave e o dispositivo deestocagem (30), e meios de conexão de conversores estáticos (MC1-MC4),que são ligados aos grupos de condicionamento de ar (ECS1-ECS4), na barracoletora essencial.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que esse dispositivo de estocagem (30) compreende baterias deacumuladores, supercondensadores, ou acumuladores cinéticos.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de estocagem (30) compreende doissubsistemas distintos: um para o +270 volts DC e um para o -270 volts DC.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de estocagem (30) compreende doissubconjuntos (SD1, SD2) de estocagem e dois conversores estáticos DC/DC(SCI, SC2).
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de estocagem (30) compreende uma função defiltragem ativa.
7. Dispositivo de acordo com uma qualquer das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a aeronave é um avião.
8. Processo de geração elétrica a bordo de uma aeronave, porexemplo um avião, que compreende vários geradores (GEN1-GEN4) e váriosgrupos de condicionamento de ar (ECS1-ECS4) que têm uma admissão de arexterior, caracterizado pelo fato de que em funcionamento normal alimenta-seos grupos de condicionamento de ar (ECS1-ECS4) em alta tensão e pelo fatode que em funcionamento de auxílio são utilizados os grupos decondicionamento de ar como geradores de auxílio, e pelo fato de queassegura-se o fornecimento de eletricidade, durante os períodos transitóriosentre o funcionamento normal e o funcionamento de auxílio e por ocasião daaterrissagem da aeronave, com a ajuda de um dispositivo de estocagem.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que em funcionamento normal alimenta-se os grupos decondicionamento de ar via conversores estáticos (MC1-MC4) utilizados comoonduladores, e pelo fato de que em funcionamento de auxílio são utilizados osgrupos de condicionamento de ar para alimentar uma barra coletora essencial,na qual são conectadas as cargas essenciais da aeronave e o dispositivo deestocagem, via os conversores estáticos (MC1-MC4) utilizados comoretificadores.
10. Aeronave caracterizada pelo fato de que ela compreendeum dispositivo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 7.
11. Aeronave caracterizada pelo fato de que ela compreendeum dispositivo suscetível de executar o processo de acordo com areivindicação 7.
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