Tendencias sobre la distribución de energía aeroespacial

En aplicaciones aeroespaciales y similares, a los diseñadores les interesa reducir  el SWaP: tamaño, peso y potencia. El espacio siempre es escaso, y el ahorro de peso mejora la economía de combustible y aumenta los tiempos de vuelo y la capacidad de carga. Del mismo modo, reducir el consumo de energía en todo el sistema de generación y distribución puede ahorrar peso y espacio. Teniendo en cuenta que un jet comercial grande puede contener 100 o más contactores de alta potencia en el sistema de distribución de energía, ahorrar incluso 0.1 amperios en la potencia de control para cada dispositivo puede ser significativo en la disipación total de potencia. La menor disipación de potencia hace posible fuentes de energía más pequeñas. Los requisitos técnicos de los relevadores de medio alcance se detallan en MIL-PRF-83536. Se utilizan para la distribución de carga secundaria y cuentan con múltiples configuraciones de polos y de contactos de forma C (cambio). Son livianos, compactos y muy confiables para su uso en los entornos aeroespaciales más exigentes. 

Conmutar altas corrientes y voltajes durante muchos años de servicio de la aeronave puede ser un reto para los contactores de potencia. La tensión térmica y el arco de contacto normal durante la conmutación pueden desgastar tanto los contactores como las conexiones. La energía de conmutación común con la apertura de los contactos principales puede ser menos severa con  los sistemas convencionales de 115 V de CA: por definición, el voltaje o la corriente cae a cero en cada ciclo, lo cual disminuye la magnitud de los picos y hace posible eliminarlos con mayor rapidez. Sin embargo, a 230 V de CA, se debe aumentar el espaciado de los contactos abiertos para ayudar a eliminar el reinicio del arco a medida que el voltaje aumenta después de la corriente cero. 

En las modernas redes de energía eléctrica de CA aeroespaciales, la frecuencia ya no se fija en 400 Hz. Varía de 350 a 800 Hz en función de la velocidad del motor. Los diseñadores de contactores y paneles de potencia deben evaluar con cuidado los efectos que este amplio rango de frecuencia tiene sobre la vida útil y el rendimiento térmico del dispositivo.

La adopción de 270 V de CC y 540 V de CC, primero en la aviación militar y ahora en la comercial, ha obligado a cambios drásticos en el diseño de los contactores de potencia. Los diseños de contactores existentes no son ideales para la conmutación de alto voltaje debido a su incapacidad para generar un voltaje de arco suficiente para la interrupción. Para superar estas limitaciones físicas, el diseño del contactor debe basarse en métodos como placas de división de arco, corredores, imanes de soplado y mejores atmósferas de conmutación interna. Durante muchos años, los contactores de potencia aeroespaciales han sido, en gran medida, contactores de encendido/apagado con poca inteligencia y protección de circuitos. Una de las tendencias más importantes de la actualidad para los contactores militares y aeroespaciales es la creación de más inteligencia electrónica para brindar protección contra eventos anormales y detectar fallas en el sistema. Estas características se vuelven aún más importantes a medida que las redes de energía eléctrica tienen voltajes elevados como la corriente continua de alto voltaje (HVDC).

Una de las primeras áreas en las que se agregaron controles electrónicos a los contactores fue para economizar los circuitos a fin de reducir el consumo de energía de las bobinas. Todos los contactores electromecánicos contienen un accionador magnético que requiere mucha más potencia para iniciar el movimiento del accionador para cerrar los contactos que la requerida para mantenerlos cerrados. Por ejemplo, puede tomar 5 amperios para accionar un contactor, pero menos de 1 amperio para mantenerlo encendido: se puede lograr una reducción del 80 por ciento en la potencia a través de un mejor control de la bobina. Esto provoca menor generación de calor y menos tensión para el dispositivo o el panel de distribución de energía. 

Dos métodos comunes que se utilizan para economizar el consumo de energía son las bobinas múltiples y la modulación por ancho de pulso (PWM). 

En los primeros diseños de contactores economizados, la transferencia real de potencia de los devanados de recogida a los de retención se lograba mediante interruptores de final de carrera mecánicos. Una vez que el accionador ha transferido la mayor parte de su recorrido, se dispara un interruptor para reducir la potencia. Los interruptores de final de carrera han resultado problemáticos por varias razones. El ajuste puede ser muy crítico para que el contactor funcione de manera adecuada a largo plazo, ya que el interruptor puede accionarse demasiado pronto o tarde en el ciclo. Dado que el interruptor apaga el devanado de alta potencia coincidente con el cierre del contacto principal, puede causar mayor rebote o vibración de los contactos.

Con la integración de los controles electrónicos de la bobina, el tiempo de transferencia de la potencia de la bobina ya no está vinculado al movimiento del accionador ni a un interruptor de final de carrera. Es posible asegurarse de que los kits de contactos se hayan transferido por completo y estén en una posición cerrada estable antes de iniciar la transferencia de la bobina. Al controlar así el tiempo de la transferencia, la confiabilidad mejora de manera significativa.  

El PWM utiliza pulsos de bobina de encendido/apagado de diferentes duraciones, o ciclos de trabajo, para controlar la corriente promedio suministrada a una bobina. El PWM tiene la ventaja de tolerar una gama más amplia de niveles de voltaje, pero puede causar ruido radiado si no se filtra de manera correcta. El PWM también tiene la capacidad de ajustar el ciclo de trabajo durante un voltaje de funcionamiento anormal. En condiciones de batería baja, el tiempo del ciclo de trabajo en encendido se incrementa para crear de forma efectiva una fuente de corriente constante para el contactor.

Un problema común en las redes de energía eléctrica aeroespaciales es el peligro de sobrecargas. Las fallas eléctricas pueden ocurrir no solo en el equipo de carga, sino también en el cableado y la red de distribución de energía eléctrica de una aeronave. Esto ha sido bien estudiado en relación con el envejecimiento de las aeronaves y los efectos de la exposición ambiental a largo plazo de los sistemas de aislamiento. La protección incluye la detección de bajo voltaje en el generador, el monitoreo de los niveles de corriente de funcionamiento y la detección de corriente de fuga. 

Muchas aplicaciones actuales todavía dependen de disyuntores térmicos bimetálicos. Estos dispositivos son económicos y también se pueden utilizar como una desconexión completa para el diagnóstico y solución de problemas. Sin embargo, no son ideales para corrientes muy altas, la precisión de la curva de disparo es limitada y no tienen características BIT para garantizar que funcionarán de manera correcta cuando sea necesario. Para superar estas deficiencias, suelen integrarse sensores electrónicos en los contactores de potencia. 

Los sensores electrónicos detectan las sobrecorrientes con más confiabilidad, puesto que pueden proporcionar al menos el doble de precisión en la curva de disparo que los disyuntores térmicos convencionales. Asimismo, se pueden verificar a través de pruebas integradas para simular fallas y garantizar su funcionamiento.

El primer requisito para la protección electrónica contra sobrecargas es un método para monitorear con precisión la corriente de funcionamiento a través del contactor. El método más simple es utilizar una resistencia de precisión como shunt y solo medir el voltaje a través de ella. El método es muy preciso, pero puede generar un calor considerable en contactores de alta corriente. También es poco preferible para mezclar circuitos de control y líneas de detección de 120 V/240 V para la integridad general de los sistemas. 

Un segundo método para monitorear la corriente es un transformador de corriente (CT). El campo magnético creado por la corriente de paso establece una corriente secundaria en el CT. La corriente es proporcional pero es mucho menor. Un índice típico de corriente a corriente de CT es de 500:1. Los CT son precisos y se aplican con facilidad, pero pueden ser pesados en el caso de los sensores de bucle abierto o complejos en los diseños de bucle cerrado. 

Los sensores de efecto Hall son otro método común para medir el campo magnético creado por la corriente. Los elementos de efecto Hall tienen un nivel de salida de voltaje que se basa en la exposición a un campo magnético. Este campo se enfoca, por lo común, a través del sensor de efecto Hall utilizando un anillo de flujo o colector que rodea la barra colectora o el alimentador de salida del contactor. Los sensores de efecto Hall modernos son programables para el voltaje de salida y la linealidad y pueden hacer posible la detección de corriente bidireccional y la de CA. La Figura 4 muestra un sensor de efecto Hall integrado al lado de un contactor de TE Connectivity de 28 V de CC o integrado de manera directa en un diseño de 600 V de CC. 

Las ventajas del sensor de efecto Hall son:

• Aislamiento entre circuitos primarios y secundarios
• Opera con corriente continua o alterna
• Alta precisión
• Alto rendimiento dinámico
• Altas capacidad de sobrecarga
• Alta confiabilidad

Independientemente del tipo de sensor, se requieren componentes electrónicos de apoyo para recopilar información de estos sensores y tomar decisiones sobre la configuración del sistema. En ciertos casos, la electrónica integrada solo comunica las condiciones de funcionamiento a otros sistemas de la aeronave. Esta información puede ser muy útil en la toma de decisiones para la reducción de carga si se pierde una fuente de alimentación. Las cargas de las aeronaves se priorizan por criticidad, de modo que las cargas de conveniencia no críticas se despotencian para mantener las cargas esenciales para el vuelo y otras cargas críticas. 

Además de comunicar las condiciones del circuito, los contactores con electrónica de detección integrada pueden reaccionar de forma independiente a las condiciones de falla por sobrecarga. Esto hace posible un disparo rápido y un bloqueo en tan solo 10 ms. El nivel de protección contra fallas de los contactores inteligentes, p. ej., los que tienen detección electrónica, puede ajustarse incluso por el usuario o la posición específica de la aplicación para adaptar la protección a cada carga individual. Dichos ajustes se pueden realizar a través de la programación de los pines del conector, los interruptores DIP, las resistencias externas adicionales o la codificación de software. Esto también hace posible reconfigurar el contactor inteligente si la aplicación requiere cambios.

Si bien la detección de sobrecorrientes suele ser la tarea principal de un contactor inteligente, también puede detectar otras fallas. Estas incluyen: 

• Pérdida y rotación de fase
  
• Falla del alimentador diferencial
  
• Falla a tierra
• Detección de fallas de arco

Fallas de fase

Para proteger motores, ventiladores y otros dispositivos que utilizan energía trifásica, las fases deben permanecer sincronizadas para garantizar el suministro adecuado de energía. Las fallas de fase sobrecargan los dispositivos accionados, lo cual acorta su vida útil, causa un funcionamiento incorrecto y hasta podría provocar fallas catastróficas. Las dos fallas de fase principales son la pérdida de fase y la rotación de fase incorrecta. Ambas provocan un suministro de energía desigual y desequilibrado. Cuando se pierde una de las fases, la potencia suministrada disminuye, ya que solo dos fases suministran energía. El error de rotación de fase ocurre cuando las fases no están sincronizadas de manera correcta a 120 grados de separación. 

Las mismas técnicas utilizadas para monitorear la corriente en busca de sobrecargas se pueden utilizar para detectar problemas de secuencia de fase. Al detectar y comparar los niveles de corriente en cada fase, se puede detectar cualquier diferencia. 

Protección contra fallas de corriente de fuga

La detección de corrientes de fuga y la protección contra fallas diferenciales requieren múltiples sensores de corriente a lo largo de un cableado. Las salidas de los sensores se comparan para detectar fallas. La detección de fallas a tierra es un esquema de protección especializado que utiliza un solo sensor común para garantizar que toda la corriente transmitida se devuelva también sin fugas desde la carga. Este medio de detección se ha vuelto común en las aplicaciones de bombas de combustible de aeronaves para reducir el riesgo de ignición por vapor de combustible. 

La protección contra fallas del alimentador diferencial es común en la industria aeroespacial. Por lo regular, se trata de una protección de límite alto para validar que no haya fugas de corriente en alimentadores de potencia de gran diámetro. Una configuración típica incluye un sensor en o dentro del generador de energía
y un segundo en el contactor de la línea principal. Si las corrientes detectadas son diferentes, se ha producido una falla.

Las fallas a tierra se pueden monitorear de dos maneras. Una manera es comprobar si hay corriente en el plano de tierra. La segunda es utilizar la información proporcionada por los sensores de fase. La suma de las tres fases debe ser cero. Si no suman cero, existe una falla en el cableado o en la carga.

Detección de fallas de arco

La detección de fallas de arco es cada vez más común en los disyuntores y los controladores de potencia de estado sólido (SSPC) secundarios. Se ha demostrado que los dispositivos de protección actuales son ineficaces contra las fallas de arco de pulverización. Si bien es posible que los niveles de corriente no aumenten lo suficiente como para desencadenar una falla grave, las fallas de arco pueden generar niveles de calor inaceptables. Las fallas de arco paralelo pueden convertirse en fallas de sobrecorriente totales, a la vez que los arcos en serie resultantes de conductores rotos o terminales de dispositivos sueltos podrían generar un calor tremendo aunque la corriente general esté muy por debajo de la curva de disparo del disyuntor. Detectar fallas de arco, e incluso localizar distancias a una falla en el cableado, es un área emergente para los contactores inteligentes.

Si bien los relevadores de estado sólido son comunes, la aplicación de semiconductores de potencia a los contactores es relativamente nueva. Los MOSFET pueden reemplazar los contactos de potencia, con la ventaja obvia de una mejor confiabilidad por la ausencia de partes móviles. Los dispositivos de potencia de estado sólido pueden prolongar la vida útil de conmutación de un contactor. Los contactos de potencia están sujetos al desgaste tanto por el acoplamiento mecánico como por los efectos de la formación de arcos. A medida que los contactos se desgastan, el aumento de la resistencia en la conexión significa una mayor generación de calor y de fallas al final de la vida útil.

Los relevadores de estado sólido requieren un manejo de la temperatura adicional en comparación con los diseños de contacto duro. Si bien la ausencia de partes mecánicas hace que los diseños de estado sólido sean muy confiables, el principal mecanismo de falla ahora es el calor. Los dispositivos deben estar protegidos contra el sobrecalentamiento. Además del manejo de la temperatura del disipador de calor, se pueden aplicar múltiples transistores de potencia en paralelo para mantener las corrientes muy por debajo de los niveles nominales máximos. Para aplicaciones aeroespaciales, la capacidad de transporte de corriente especificada en la ficha técnica de los transistores se reduce un 15 a 20 por ciento para administrar el rendimiento térmico de manera efectiva. Una especificación precisa de la corriente de falla es más crítica en el diseño de estado sólido en comparación con los contactores EM convencionales. 

El reto de los contactores de intercambio en caliente creció aún más a medida que la industria aeronáutica impulsó las aeronaves más eléctricas (MEA). Esta tendencia comenzó con la conversión de los sistemas hidráulicos a bordo a accionadores eléctricos y, ahora, incluso los sistemas de propulsión funcionan con electricidad en el caso de las aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL). Se desarrollan nuevas clases de arquitecturas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que pueden llegar a 6 KV de CC. Está claro que los componentes diseñados para 270 V de CC no son ideales para estas nuevas demandas. En la mayoría de las cargas de HVDC de alta corriente, como la propulsión, se utiliza un controlador de motor y la duración del intercambio en caliente del contactor ascendente no es crítica (se enciende con una corriente mínima). Sin embargo, es importante que el contactor pueda abrirse bajo carga en el raro caso de que se produzca una falla en el controlador, el motor o el alimentador. El reto al que se enfrentan los diseñadores en HVDC es encontrar el equilibrio adecuado al especificar la duración del intercambio en caliente frente a las necesidades reales de la aplicación. La penalización en tamaño, peso y costo por sobreespecificación puede ser significativa para las arquitecturas de HVDC. Sin embargo, ahora existen soluciones a estos problemas que surgen al utilizar contactores híbridos y controladores de potencia de estado sólido completo (SSPC) de alta potencia.  

Un diseño de contactor híbrido combina la ventaja de la baja resistencia a la conexión de un contactor electromecánico con la conmutación de potencia sin arco de la electrónica de potencia.  Esto elimina un significativo mecanismo de desgaste dentro del contactor y hace posible seleccionar el material de contacto tomando más en cuenta la baja resistencia a la conexión y menos la durabilidad del intercambio en caliente. Se ha demostrado que los híbridos aumentan la vida útil del intercambio en caliente del contactor HVDC de unos pocos cientos a miles de ciclos. Por naturaleza, los contactores híbridos son más sofisticados y suelen ser más costosos que los EM convencionales, pero para aplicaciones que requieren muchos ciclos de intercambio en caliente, esta es una solución atractiva.

Los SSPC combinan la funcionalidad de un interruptor de alimentación de estado sólido con diversas funciones de monitoreo y de comunicaciones. Como mínimo, un SSPC tiene una curva de disparo por sobrecorriente integrada para proteger el cableado o las conexiones, así como la carga en caso de consumo excesivo de corriente o de cortocircuito. Los SPPC también pueden comunicar órdenes y estatus a través de un bus de datos del vehículo para mejorar la confiabilidad y la disponibilidad del sistema. Los SSPC se pueden configurar a distancia en condiciones únicas o para cargas específicas. Los SSPC de alto voltaje de TE Connectivity también se pueden proporcionar con una función de precarga incorporada. Estos productos suelen alimentar cargas no lineales y controladores de motor con entradas en gran medida capacitivas. Los SSPC pueden manejar la precarga a tiempo a la vez que reducen las sobretensiones en el encendido. 

Con el control basado en microcontroladores se recopila y analiza más información sobre el estado del contactor o del SSPC. Esta información se puede utilizar para no solo considerar los circuitos de disparo básicos en respuesta a las fallas. Detectar una falla y apagar un componente es útil, sin embargo, es de más útilidad monitorear la operación a través del tiempo para identificar tendencias y cambios, lo que hace posible la predicción inteligente de problemas y respuestas flexibles.

Los niveles de corriente y de voltaje pueden proporcionar información en tiempo real sobre el estado del contactor y del sistema eléctrico general de la aeronave. La información sobre las corrientes de funcionamiento, la temperatura y el número de ciclos se puede utilizar para predecir la vida útil del contactor. Operar el contactor a niveles más bajos de corriente o voltaje puede aumentar de manera significativa el número de ciclos de conmutación.

Los datos recopilados también se pueden utilizar para monitorear el sistema. Por ejemplo, el consumo de corriente después del encendido inicial refleja las corrientes de entrada a los motores o las bombas, lo que proporciona información sobre el desgaste de los rodamientos que puede indicar la necesidad de lubricación u otro tipo de mantenimiento. Los cambios a lo largo del tiempo en los datos que un sensor proporciona también pueden indicar fallas en el sistema de cableado.

Comparar las operaciones iniciales con los cambios a lo largo del tiempo es fundamental para entender y predecir problemas. La salida de un solo dispositivo puede producir datos útiles, sin embargo, la información de múltiples dispositivos y de otros sensores en el sistema de cableado se puede combinar en un análisis y una predicción generales, ya que hace posible comparar las condiciones en todo el sistema.

A medida que los contactores se vuelven más sofisticados, también se vuelven más complejos. Muchos usuarios optan por paneles de alimentación diseñados a medida para aplicaciones específicas; en la Figura 7 se muestra un ejemplo de uno diseñado y construido por TE Connectivity, como una solución plug-and-play para la administración y la distribución de energía. Estos paneles contienen no solo relevadores y contactores, sino también la electrónica de control para proporcionar funciones avanzadas de monitoreo y control. El diseño del contactor ha evolucionado. Los contactores inteligentes, híbridos y SSPC ahora monitorean las condiciones de una mejor manera y cada vez más inteligente. Debido a que desempeñan un papel central en la distribución y administración de energía, la información obtenida de los sensores se puede utilizar no solo para el manejo de las fallas, sino también para monitorear y analizar el estado del sistema eléctrico. En las aeronaves modernas, el análisis de tendencias es clave para garantizar la confiabilidad a largo plazo y la capacidad de mantener los sistemas de manera oportuna y eficiente.