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Alternadores de aeronaves
La corriente continua se usa normalmente como la energía eléctrica principal de las aeronaves, ya que puede ser almacenada y los motores del avión se puede arrancar utilizando energía de la batería. Las aeronaves de gran tamaño requieren complicadas instalaciones de servicio en tierra y requieren fuentes de alimentación externas para el arranque, estas pueden tomar ventaja de la reducción de peso proporcionada mediante el uso de corriente alterna para su alimentación eléctrica principal.
La corriente alterna tiene la ventaja sobre la corriente directa en que su voltaje puede ser escalonado hacia arriba o abajo. Si es necesario transportar la corriente a una larga distancia, se puede pasar la corriente alterna a través de un transformador elevador para aumentar la tensión y disminuir la corriente. El alto voltaje de corriente alterna se puede trasportar hasta el punto en que se utilice a través de un conductor relativamente pequeño, y en su destino se pasa a través de un transformador de bajada, donde se reduce su tensión y su corriente, volviendo hasta el valor que necesitamos.
Es una tarea fácil convertir CA en CC cuando necesitamos corriente continua para cargar baterías o para el funcionamiento de motores de velocidad variable. Todo lo que tenemos que hacer es pasar la corriente alterna a través de una serie de diodos semiconductores. Esto cambia la corriente alterna en corriente continua, con relativamente pocas pérdidas.
1. Tipos de alternadores
Los alternadores se clasifican de diversas maneras con el fin de distinguir correctamente los diversos tipos. Uno de los medios de clasificación es por el tipo de sistema de excitación utilizado. En alternadores usados en las aeronaves, la excitación puede verse afectada por uno de los métodos siguientes.
a. Un generador de corriente continua de conexión directa. Este sistema consiste en un generador de corriente continua fijado en el mismo eje del generador de corriente alterna. Una variación de este sistema es un tipo de alternador que utiliza corriente continua desde la batería para la excitación, después de lo cual el alternador es auto-excitado.
b. Mediante la transformación y rectificación del sistema de corriente alterna. Este método depende del magnetismo residual para la formación inicial de voltaje de corriente alterna, después de lo cual el campo se suministra con tensión rectificada del sistema de corriente alterna.
c. Tipo integrado sin escobillas. Esta disposición tiene un generador de corriente continua en el mismo eje con un generador de corriente alterna. El circuito de excitación se completa a través de rectificadores de silicio en lugar de un colector y escobillas. Los rectificadores están montados en el eje del generador y su salida alimenta directamente al campo de rotación principal del generador de corriente alterna .
Otro método de clasificación es por el número de fases del voltaje de salida. Los generadores de corriente alterna pueden ser de una sola fase, dos fases, tres fases, o incluso de seis fases y más. En los sistemas eléctricos de las aeronaves, el alternador trifásico es por mucho el más común.
Otro medio de clasificación es por el tipo de estator y rotor utilizados. Desde este punto de vista, hay dos tipos de alternadores: el tipo de inducido rotatorio y el tipo de campo rotatorio. El alternador de inducido rotatorio es de construcción similar al generador de corriente continua, en que la armadura gira a través de un tipo de campo magnético estacionario. El alternador de inducido giratorio se encuentra sólo en alternadores de potencia baja y generalmente no se utiliza.
figura 1. Alternador con inducido estacionario y campo rotativo
El alternador de tipo de campo rotatorio (figura 1) tiene un devanado estacionario de inducido (estator) y un devanado de campo giratorio (rotor). La ventaja de tener un devanado de inducido fijo es que la armadura se puede conectar directamente a la carga sin tener contactos deslizantes en el circuito de carga. La conexión directa con el circuito del inducido hace posible la utilización de conductores de grandes secciones transversales, aislados adecuadamente para alta tensión.
Dado que el alternador de campo giratorio es utilizado casi universalmente en los sistemas de aeronaves, este tipo se explicará en detalle como alternador una sola fase, de dos fases, y trifásico.
a. Alternador Monofásico
Debido a que la f.e.m. inducida en el inducido de un generador es alterna, el mismo tipo de bobinado se puede utilizar en un alternador como en un generador de corriente continua. Este tipo de alternador se conoce como alternador de una sola fase, pero puesto que la potencia suministrada por un circuito monofásico es pulsante, este tipo de circuito es objetable en muchas aplicaciones. La figura 2 ilustra un diagrama esquemático de un alternador de una sola fase que tiene cuatro polos.
Figura 2. Alternador de una sola fase
Los cuatro bobinados del estator están conectados entre sí de manera que los voltajes de corriente alterna están en fase, o "adición en serie". Todos los cuatro grupos de bobina del estator están conectados en serie de manera que los voltajes inducidos en cada devanado se suman para dar una tensión total que es cuatro veces el voltaje en una cualquiera de los bobinados.
b. Alternador de dos fases.
Los alternadores de dos fases tienen dos o más devanados monofásicos espaciados simétricamente alrededor del estator. En un alternador bifásico hay dos devanados monofásicos separados físicamente de modo que la tensión de corriente alterna inducida en uno está 90 ° fuera de fase con la tensión inducida en el otro. Los devanados están eléctricamente separados unos de otros. Cuando una bobina es cortada por flujo máximo, la otra no está siendo cortada por ningún flujo. Esta condición establece una relación de 90° entre las dos fases.
c. Alternador trifásico
El circuito trifásico o polifásico, se utiliza en la mayoría de los alternadores de aeronaves, en lugar de un alternador de una sola o de dos fases. El alternador trifásico tiene tres devanados monofásicos espaciados de manera que la tensión inducida en cada devanado está 120 ° fuera de fase con la tensión en los otros dos devanados.
Figura 3. Esquema simplificador de un alternador de tres fases con formas de ondas de salida.
Un diagrama esquemático simplificado, mostrando cada una de las tres fases, se ilustra en la figura 3. El rotor está omitido por simplicidad. Las formas de onda de la tensión se muestran a la derecha del esquema. Los tres voltajes están separados 120 ° entre sí y son similares a las tensiones que se generarían por tres alternadores monofásicos, cuyas tensiones están fuera de fase en 120 °. Las tres fases son independientes uno de otro.
En lugar de tener las seis derivaciones del alternador trifásico, una de las derivaciones de cada fase puede estar conectada para formar una unión común. El estator se llama entonces conectado en Y o en estrella, y se ilustra en A de la figura 4. El conductor común puede o no estar sacado fuera del alternador. Si se lo saca se llama el conductor neutro.
Figura 4. Diagramas esquemáticos de conexiones Y delta
Un estator de tres fases también se puede conectar de modo que las fases están conectadas de extremo a extremo como se muestra en B de la figura 4. Esta disposición se denomina conexión delta.
Figura 5. Alternador sin escobillas
d. Alternadores sin escobillas
La mayoría de los generadores de corriente alterna utilizados en grandes aviones de propulsión a chorro son del tipo sin escobillas y generalmente se enfrían con aire. Dado que los alternadores sin escobillas no tienen ningún flujo de corriente entre las escobillas o anillos deslizantes, son muy eficientes a altas altitudes donde el arco de las escobillas podría ser un problema.
En la figura 5, tenemos un esquema de un alternador sin escobillas. La corriente de campo excitador se suministra al alternador desde el regulador de tensión. Aquí ésta produce o producirá el campo magnético de la salida del excitador de tres fases. Los imanes permanentes suministran el flujo magnético para arrancar el generador produciendo una salida antes de que la corriente de campo circule. El voltaje producido por estos imanes se denomina tensión residual. La salida del excitador es rectificada por seis diodos de silicio y la corriente continua resultante fluye a través del devanado del campo de salida. El devanado de salida del excitador, los seis diodos, y el bobinado de campo de salida están todos montados en el eje del generador y giran como una unidad. Los bobinados de salida de las tres fases del estator están arrollados en ranuras laminadas en el marco de la carcasa del alternador, y sus extremos están conectados en la forma de una Y con el neutro y los devanados trifásicos sacados a los terminales en el exterior de la carcasa. Estos alternadores están diseñados generalmente para producir 120 voltios entre cualquiera de los terminales de fase y el terminal neutro y 208 voltios entre cualquiera de los terminales de fase.
2. Valores del alternador
La potencia real producida en un generador de corriente alterna es el producto de la tensión y la parte de la corriente que está en fase con el voltaje, y se expresa en vatios o kilovatios. Es esta energía la que determina la cantidad de trabajo útil que la electricidad puede hacer.
a.KVA
Los generadores de corriente alterna se clasifican, sin embargo, no en vatios, sino en voltio-amperios, que es una medida de la potencia aparente producida por el generador. Debido a que las salidas de los alternadores de aviones más grandes se especifican generalmente en KVA (kilo-voltio amperios). La razón de usar esta clasificación es que es el efecto de calentamiento de la corriente en los devanados del generador lo que limita la salida del generador, y esta corriente fluye en los devanados no interesa si produce energía o no.
b. Frecuencia
La frecuencia de la corriente alterna producida por un generador de CA se determina por el número de polos y de la velocidad del rotor. Cuanto más rápida sea la velocidad, mayor será la frecuencia, a menor velocidad, menor se vuelve la frecuencia. Cuanto más polos hay en el rotor, mayor será la frecuencia para cualquier velocidad dada. La frecuencia del alternador en ciclos por segundo (hertz) está relacionada con el número de polos y la velocidad, expresada por la ecuación
donde
P = número de polos
N = la velocidad en rpm
Por ejemplo, un alternador de dos polos, de 3.600 rpm tiene una frecuencia de
 |
ciclos por segundo (Hertz) |
La inductancia es una característica de un conductor que produce un voltaje opuesto cuando la corriente cambia su velocidad de circulación o su dirección. Dado que la corriente alterna está cambiando constantemente su velocidad y periódicamente cambiando de dirección, siempre hay una tensión de opuesta que se produce. Esta tensión opuesta provoca una oposición al flujo de corriente que llamamos reactancia inductiva. Cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente alterna, mayor será esta oposición. La corriente alterna comercial (corriente de línea domiciliaria) en los Estados Unidos tiene una frecuencia de 60 hertz, pero en la mayoría de los sistemas de aeronaves se utiliza corriente alterna 400 hertzios
El sistema de corriente alterna de energía eléctrica de los modernos aviones civiles de reacción, es básicamente, un sistema de producción y distribución de 3 fases de 400 Hz, 115/200- voltios.
Cada generador es accionado por el motor a través de una transmisión de relación variable. La transmisión suministra el par motor para accionar el generador a una velocidad constante desde la plataforma de accionamiento de accesorios de velocidad variable situado en el motor de un avión.
En consecuencia, el propósito de la unidad de velocidad constante puede expresarse como la conversión de la velocidad variable del motor de reacción a una velocidad constante, de manera que el generador que éste acciona, producirá corrientes a 400Hz dentro de límites estrechos. El accionamiento de velocidad constante se compone esencialmente de una transmisión hidráulica con controles mecánicos que regulan la velocidad de rotación de salida. La transmisión es capaz tanto de añadir como de restar de la velocidad recibida de la caja de cambios con el fin de proporcionar una velocidad de salida constante para mantener el generador en frecuencia. La acción del gobernador mecánico mantiene la estrecha salida del generador a 400 Hz.
A esta frecuencia más alta, la reactancia inductiva es alta y la corriente baja. Los motores pueden producir su par de giro cuando se bobinan con un alambre de menor sección y los transformadores pueden ser mucho más pequeños y livianos para su uso con esta frecuencia más alta.
Para proporcionar una frecuencia constante a medida que la velocidad del motor varía, muchos generadores de corriente alterna accionados por el motor de aeronaves están conectados al motor a través de una unidad de accionamiento de velocidad constante de mando hidrostático, una CSD (constant speed drive).
Figura 6. Diferencial de velocidad constante de accionamiento por engranaje axial utilizado en el sistema Integrado de generador de impulsión Sunstrand .
Estas unidades de accionamiento se componen normalmente de una bomba hidráulica de pistón axial de desplazamiento variable accionada por el motor, que suministra fluido a un motor hidráulico de pistones axiales que impulsa el generador. El desplazamiento de la bomba está controlado por un regulador que detecta la velocidad de giro del generador de corriente alterna. La acción de éste gobernador mantiene la velocidad de salida del generador constante y mantiene la frecuencia de la corriente alterna a 400-hertz, más o menos tolerancias establecidas.
3. Mantenimiento del alternador
El mantenimiento y la inspección de los sistemas de alternador son similares a la de los sistemas de corriente continua. El mantenimiento adecuado de un alternador requiere que la unidad se mantenga limpia y que todas las conexiones eléctricas estén bien ajustadas y en buen estado. Debido a que los alternadores y sus sistemas de accionamiento difieren en diseño y requisitos de mantenimiento, no se intentará aquí dar detalles de dichos procedimientos. La información específica se puede encontrar en las publicaciones de servicio del fabricante, y en el programa de mantenimiento aprobado para la aeronave en particular.
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