Tendências no Aeroespaço: Distribuição de Energia

Na indústria aeroespacial e em aplicações semelhantes, os projetistas estão preocupados em reduzir  o SWaP, ou seja, o tamanho, peso e consumo de energia. O espaço é sempre valioso, e a economia de peso se traduz em mais economia de combustível, mais autonomia de voo e mais capacidade de carga. Da mesma forma, a redução do consumo de energia ao longo do sistema de geração e distribuição também pode economizar peso e espaço. Considerando que um grande jato comercial pode conter 100 ou mais contatores de alta potência em seu sistema de distribuição de energia , economizar até 0,1 ampere na energia de controle para cada dispositivo pode ser significativo na dissipação geral de energia. Uma menor dissipação de energia permite fontes de energia menores. Os requisitos técnicos dos relés de média capacidade são detalhados em MIL-PRF-83536. Eles são usados para distribuição de carga secundária e oferecem vários polos e configurações de contato de forma C (comutação). Eles são leves, compactos e altamente confiáveis para uso nos ambientes aeroespaciais mais exigentes. 

A comutação de altas correntes e tensões ao longo de muitos anos de serviço das aeronaves pode ser um desafio para os contatores de potência. O estresse térmico e o arco de contato normal durante a comutação podem desgastar contatores e interconexões. A energia de desligamento, comum no momento de abertura dos contatos principais, pode ser menos severa com sistemas convencionais de 115 VCA: por definição, a tensão/corrente cai para zero a cada ciclo, diminuindo a magnitude dos picos e permitindo aliviá-los mais rapidamente. Em sistemas de 230 VCA, no entanto, o espaçamento dos contatos abertos deve ser aumentado para ajudar a eliminar a reignição do arco elétrico conforme a tensão aumenta após a corrente cair para zero. 

Nos sistemas de energia CA aeroespaciais modernos, a frequência não é mais fixada em 400 Hz. Ela varia de 350 a 800 Hz, dependendo da rotação do motor. Os projetistas de contatores e painéis de energia devem avaliar cuidadosamente os efeitos que essa ampla faixa de frequências tem na vida útil e no desempenho térmico do dispositivo.

A adoção de 270 VCC e 540 VCC, primeiro na aviação militar e agora na aviação comercial, resultou em mudanças dramáticas em projetos de contatores de potência. Os projetos de contatores existentes não são adequados para comutação de alta tensão devido à sua incapacidade de gerar tensão de arco adequada para interrupção. Para superar essas limitações físicas, o projeto do contator deve integrar métodos como placas de divisão de arco, guias, ímãs de extinção e melhores atmosferas de comutação interna. Por muitos anos, os contatores de potência aeroespacial têm sido em grande parte contatores liga/desliga do tipo tudo ou nada, com pouca inteligência adicional e recursos de proteção de circuito. Uma das tendências mais importantes de hoje para contatores aeroespaciais e militares é a integração de mais inteligência eletrônica para oferecer proteção contra eventos anormais e detectar falhas no sistema. Esses recursos se tornam ainda mais importantes à medida que os sistemas de energia têm tensões mais elevadas, como corrente contínua de alta tensão (HVDC).

A primeira aplicação de controles eletrônicos em contatores teve como objetivo reduzir o consumo de energia da bobina através de circuitos economizadores. Em todo contator eletromecânico , o atuador magnético precisa de muito mais energia para iniciar o movimento de fechamento dos contatos do que para mantê-los na posição fechada. Por exemplo, podem ser necessários 5 amperes para acionar um contator, mas menos de 1 ampere para manter o estado ligado. Isso quer dizer que uma redução de 80% de energia pode ser obtida por meio de um controle superior da bobina. Dessa forma, há menos geração de calor e menos estresse para o dispositivo ou painel de distribuição de energia. 

Dois métodos comuns usados para reduzir o consumo de energia são o uso de bobinas múltiplas e modulação por largura de pulso (PWM). 

Nos primeiros projetos de contatores economizados, a transferência de energia entre as bobinas de captação e retenção era feita através de chaves fim de curso mecânicas. Quando o atuador completava a maior parte do seu movimento, uma chave era acionada para reduzir a potência. As chaves fim de curso se mostraram problemáticas por vários motivos. Seu ajuste pode ser crítico para o desempenho adequado do contator a longo prazo, já que a chave pode ser acionada muito cedo ou muito tarde no ciclo. Como a chave desliga a bobina de alta potência no momento do fechamento dos contatos principais, isso pode aumentar a oscilação ou repique dos contatos.

Com a integração de controles eletrônicos da bobina, o tempo de transferência da potência da bobina não está mais vinculado ao movimento do atuador e a uma chave fim de curso. Desse modo, é possível garantir que os conjuntos de contatos completem seu movimento e atinjam uma posição estável de fechamento antes de iniciar a transferência entre bobinas. Ao controlar o tempo da transferência, a confiabilidade aumenta.  

O PWM usa pulsos de bobina liga/desliga de diferentes durações (ou ciclos de trabalho) para controlar a corrente média fornecida a uma bobina. O PWM tem a vantagem de tolerar uma gama mais ampla de níveis de tensão, mas pode causar ruído irradiado se não houver filtragem adequada. O PWM também tem a capacidade de ajustar o ciclo de trabalho quando há tensão operacional anormal. Em condições de bateria baixa, aumenta-se o período em estado “ligado” do ciclo de trabalho para que uma fonte de corrente constante para o contator seja efetivamente criada.

Um problema comum com sistemas aeroespaciais de energia é o perigo de sobrecargas. Falhas elétricas podem ocorrer não apenas no equipamento que recebe a carga, mas também na fiação e na rede de distribuição de energia elétrica da aeronave. Existem diversos estudos sobre o envelhecimento de aeronaves e como a exposição prolongada ao ambiente afeta os sistemas de isolamento. A proteção inclui detecção de subtensão no gerador, monitoramento de corrente operacional e detecção de corrente de fuga. 

Muitas aplicações existentes ainda dependem de disjuntores térmicos baseados em bimetais. Esses dispositivos têm baixo custo e também podem funcionar como uma desconexão completa para solucionar problemas. No entanto, não são adequados para correntes muito elevadas, apresentam precisão limitada na curva de disparo e não possuem recursos de autoteste para garantir seu funcionamento adequado quando necessário. Para superar essas deficiências, sensoriamento eletrônico é frequentemente integrado aos contatores de potência. 

O sensoriamento eletrônico é uma opção mais confiável para detectar sobrecorrentes. Esses dispositivos podem fornecer pelo menos o dobro da precisão da curva de disparo em relação aos disjuntores térmicos convencionais. Sensores eletrônicos também podem ser treinados por meio de testes integrados para simular eventos de falha e garantir que funcionem conforme o esperado se ocorrer uma falha no sistema.

O primeiro requisito para proteção eletrônica contra sobrecarga é um método para monitorar com precisão a corrente operacional no contator. O método mais simples é usar um resistor de precisão como shunt e medir a tensão que o atravessa. O método é muito preciso, mas pode gerar calor considerável em contatores de alta corrente. Também não é recomendável misturar circuitos de controle com linhas de sensoriamento de 120 V/240 V, considerando a integridade geral dos sistemas. 

Um segundo método para monitorar a corrente é o uso de um transformador de corrente (TC). O campo magnético criado pela corrente primária estabelece uma corrente secundária no TC. Esta corrente é proporcional, porém muito menor. Uma proporção típica de corrente para corrente de TC é de 500:1. TCs são simples de aplicar e precisos, mas podem ser pesados quando usados como sensores de loop aberto ou complexos em projetos de loop fechado. 

Sensores de efeito Hall são outro método comum para medir o campo magnético gerado pela corrente. Os elementos de efeito Hall têm um nível de saída de tensão baseado na exposição a um campo magnético. Normalmente, este campo é concentrado no sensor de efeito Hall através de um anel concentrador de fluxo ou coletor que envolve o barramento ou alimentador de saída do contator. Sensores de efeito Hall modernos têm tensão de saída e linearidade programáveis, e permitem medição de corrente bidirecional e alternada. A Figura 4 mostra um sensor de efeito Hall integrado junto a um contator da TE de 28 VCC ou diretamente integrado em um projeto de 600 VCC. 

As vantagens do sensor de efeito Hall são:

• Isolamento entre circuitos primários e secundários
• Funciona com corrente contínua ou alternada
• Alta precisão
• Alto desempenho dinâmico
• Altas capacidades de sobrecarga
• Alta confiabilidade

Independentemente do tipo de sensor, componentes eletrônicos de suporte são necessários para coletar informações desses sensores e tomar decisões sobre a configuração do sistema. Em certos casos, a eletrônica integrada apenas comunica as condições de operação a outros sistemas da aeronave. Essas informações podem ser muito úteis na tomada de decisões sobre o corte de carga se uma fonte de energia for perdida. As cargas da aeronave são priorizadas quanto à criticidade, de modo que cargas não críticas relacionadas à conveniência sejam desligadas para manter as cargas essenciais ao voo e outras cargas críticas. 

Além de comunicar as condições do circuito, os contatores com eletrônica de detecção integrada podem reagir independentemente às condições de falha de sobrecarga. Isso permite um disparo rápido e o bloqueio em até 10 ms. O nível de proteção contra falhas em contatores inteligentes – isto é, aqueles com sensoriamento eletrônico – pode ser ajustado conforme o usuário ou posição específica da aplicação, permitindo personalizar a proteção para cada carga. Tais ajustes podem ser feitos através de programação de pinos do conector, chaves DIP, adição de resistores externos ou programação via software. Isso permite que o contator inteligente seja reconfigurado quando a aplicação exigir mudanças.

Embora a detecção de sobrecorrentes seja geralmente a principal tarefa exigida de um contator inteligente, outras falhas podem ser detectadas. Estas incluem: 

• Perda de fase e rotação de fase
  
• Falha do alimentador diferencial
  
• Falta à terra
• Detecção de falha de arco

Falhas de fase

Para proteger motores, ventiladores e outros dispositivos que usam energia trifásica, as fases devem permanecer sincronizadas para garantir o fornecimento adequado de energia. Falhas de fase estressam os dispositivos operados, encurtando sua vida útil, causando operação inadequada e até causando falhas catastróficas. As duas principais falhas de fase são a perda de fase e a rotação de fase inadequada. Ambas resultam em uma entrega desigual e desequilibrada de energia. Quando uma das fases é perdida, a energia fornecida é diminuída, pois apenas duas fases estão fornecendo energia. O erro de rotação de fase ocorre quando as fases não estão sincronizadas corretamente a 120 graus de separação. 

As mesmas técnicas utilizadas no monitoramento de corrente de sobrecarga podem ser usadas para detectar problemas de sequência de fase. Ao detectar e comparar os níveis de corrente em cada fase, qualquer diferença pode ser detectada. 

Proteção contra falha por corrente de fuga

A detecção de correntes de fuga e a proteção contra falhas diferenciais envolvem vários sensores de corrente ao longo de um trecho de fiação. As saídas dos sensores são comparadas para detectar falhas. A detecção de falta à terra é um esquema de proteção especializado que usa um único sensor para garantir que toda corrente fornecida à carga retorne sem fugas. Esse meio de detecção tornou-se comum em bombas de combustível de aeronaves para reduzir o risco de ignição do vapor de combustível. 

A proteção diferencial de alimentadores contra falhas é comum na indústria aeroespacial. Geralmente, trata-se de uma proteção com limiar alto para verificar se não há fuga de corrente em alimentadores de potência de grande diâmetro. Uma configuração típica inclui um sensor no gerador
de energia ou em seu interior e um segundo sensor no contator da linha principal. Se as correntes detectadas forem diferentes, ocorreu uma falha.

As faltas à terra podem ser monitoradas de duas formas. Uma maneira é verificar a corrente no plano de aterramento. A segunda é usar as informações fornecidas pelos sensores de fase. A soma de todas as três fases deve ser zero. Se a soma não for igual a zero, existe uma falha na fiação ou na carga.

Detecção de falha de arco elétrico

A detecção de falha de arco elétrico está se tornando mais comum em disjuntores e controladores de energia de estado sólido secundários (SSPCs). Foi demonstrado que os dispositivos de proteção existentes são ineficazes contra arcos intermitentes. Embora os níveis de corrente possam não aumentar o suficiente para desencadear uma falha grave, as falhas de arco podem gerar níveis de calor inaceitáveis. Arcos elétricos em paralelo podem evoluir para falhas de sobrecorrente totais, enquanto arcos em série, resultantes de condutores rompidos ou terminais soltos em dispositivos, podem gerar calor intenso mesmo quando a corrente geral está bem abaixo da curva de disparo do disjuntor. A detecção de falhas de arco e até mesmo a determinação da distância de uma falha na fiação é uma área emergente para contatores inteligentes.

Embora relés de estado sólido sejam comuns, a aplicação de semicondutores de potência em contatores é relativamente nova. Os MOSFETs podem substituir os contatos de potência, com a óbvia vantagem de maior confiabilidade por não terem partes móveis. Dispositivos de energia de estado sólido podem prolongar a vida útil de comutação de um contator. Os contatos de potência estão sujeitos ao desgaste tanto pelo acoplamento mecânico quanto pelos efeitos do arco elétrico. À medida que os contatos se desgastam, a maior resistência na conexão resulta em maior geração de calor e falhas por fim de vida útil.

Relés de estado sólido exigem maior controle térmico em comparação com projetos de contatos fixos. Embora a ausência de peças mecânicas torne os projetos de estado sólido muito confiáveis, o principal mecanismo de falha agora é o calor. Os dispositivos devem ser protegidos contra superaquecimento. Além do controle térmico via dissipação de calor, múltiplos transistores de potência podem ser conectados em paralelo para manter as correntes bem abaixo dos níveis nominais máximos. Para aplicações aeroespaciais, os transistores são dimensionados para operar com apenas 15 a 20 por cento da capacidade nominal de transmissão de corrente especificada na ficha técnica, visando um controle térmico eficaz. Uma especificação precisa da corrente de falta é mais crítica em projetos de estado sólido do que em contatores eletromagnéticos convencionais. 

O desafio da comutação sob carga (“hot-switching”) em contatores tornou-se ainda mais crítico quando a indústria aeronáutica passou a adotar o conceito de “aeronaves mais elétricas” (MEA). Essa tendência começou com a conversão de sistemas hidráulicos de bordo para atuadores elétricos, sendo que agora até mesmo os sistemas de propulsão estão migrando para operação elétrica no caso de aeronaves eVTOL. Classes inteiramente novas de arquiteturas HVDC estão sendo desenvolvidas, podendo chegar a 6.000 VCC. Claramente, componentes projetados para 270 VCC não são adequados para essas novas demandas. Para a maioria das cargas HVCC de alta corrente, como sistemas de propulsão, utiliza-se um controlador de motor, e a vida útil de comutação sob carga do contator a montante não é crítica (pois é acionada com corrente mínima). No entanto, é fundamental que o contator possa abrir sob carga no caso raro de falha de um controlador, motor ou alimentador. O desafio que os projetistas enfrentam com HVCC é encontrar o equilíbrio adequado entre a especificação da resistência de comutação sob carga e as necessidades reais da aplicação. A penalidade de tamanho, peso e custo quando as especificações são excessivas pode ser significativa em arquiteturas HVCC. Há boas notícias, no entanto, considerando que agora existem soluções para esses problemas por meio do uso de contatores híbridos e controladores de energia de estado sólido (SSPC) de alta potência.  

Um projeto de contator híbrido combina a vantagem da baixa resistência em condução de um contator eletromecânico com a comutação de potência sem arco da eletrônica de potência.  Isso elimina um mecanismo de desgaste significativo dentro do contator e permite que materiais de contato sejam selecionados com base mais na baixa resistência e menos na durabilidade em situações de comutação sob carga. Os híbridos demonstraram aumentar a vida útil de comutação sob carga de contatores HVCC de algumas centenas de ciclos para muitos milhares de operações. Naturalmente, os contatores híbridos são mais complexos e muitas vezes mais caros do que os contatores eletromagnéticos convencionais. Contudo, em aplicações que exigem muitos ciclos de comutação sob carga, esta é uma solução atraente.

Os controladores SSPCs combinam todos os recursos de uma chave de energia de estado sólido a vários recursos de monitoramento e comunicação. No mínimo, um SSPC possui uma curva de disparo de sobrecorrente integrada para proteger a fiação/interconexões, bem como a carga em caso de consumo excessivo de corrente ou curto-circuito. Os controladores SSPCs também podem se comunicar por meio de um barramento de dados do veículo para enviar comandos e monitorar o status, melhorando a confiabilidade e a disponibilidade do sistema. Um controlador SSPC pode ter seu comportamento configurado remotamente para casos com condições únicas ou cargas específicas. Os SSPCs de alta tensão oferecidos pela TE Connectivity também podem ser fornecidos com um recurso de pré-carga integrado. Esses produtos frequentemente alimentam cargas não lineares e controladores de motor com entradas predominantemente capacitivas. O SSPC pode lidar com a pré-carga em tempo hábil, reduzindo as correntes de surto durante a energização. 

O controle baseado em microcontroladores permite que mais informações sobre o estado do contator ou SSPC sejam coletadas e analisadas. Essas informações podem ser usadas para ir além dos circuitos básicos de disparo em resposta a falhas. Uma coisa é detectar uma falha e desligar um componente. Porém, é mais útil monitorar a operação ao longo do tempo para identificar tendências e mudanças. Isso permite a previsão inteligente de problemas e respostas flexíveis.

Os níveis de corrente e tensão podem fornecer informações em tempo real sobre a integridade do contator e do sistema elétrico geral da aeronave. Informações sobre correntes de funcionamento, temperatura e número de ciclos podem ser usadas para prever a vida útil do contator. Operar o contator em níveis mais baixos de corrente e/ou tensão pode aumentar significativamente o número de ciclos de comutação.

Os dados coletados também podem ser usados para monitorar o sistema. Por exemplo, o consumo de corrente após a energização inicial reflete as correntes de inrush em motores ou bombas, fornecendo informações sobre o desgaste dos rolamentos. As mesmas informações podem indicar a necessidade de lubrificação ou outra manutenção. Alterações ao longo do tempo nos dados do sensor também podem indicar falhas no sistema de fiação.

Comparar as operações iniciais com as mudanças ao longo do tempo é fundamental para entender e prever problemas. Embora a saída de um único dispositivo possa produzir dados úteis, as informações de vários dispositivos e de outros sensores no sistema de fiação podem ser combinadas em análises e previsões gerais, pois permitem a comparação de condições em todo o sistema.

À medida que os contatores se tornam mais sofisticados, eles também se tornam mais complexos. Muitos usuários estão optando por painéis de potência personalizados, projetados especificamente para suas aplicações. Um exemplo de um painel projetado e construído pela TE é mostrado na Figura 7, tratando-se de uma solução plug-and-play para gerenciamento e distribuição de energia. Esses painéis contêm não apenas relés e contatores, mas também a eletrônica de controle necessária para fornecer recursos avançados de monitoramento e controle. O design do contator evoluiu. Contatores inteligentes, híbridos e controladores SSPCs agora podem fornecer recursos superiores e cada vez mais inteligentes de monitoramento das condições. Por desempenharem um papel central na distribuição e gerenciamento de energia , as informações obtidas por meio de sensores podem ser usadas não apenas para a gestão de falhas, mas também para monitorar e analisar a integridade do sistema elétrico . Em aeronaves modernas, a análise de tendências é fundamental para garantir a confiabilidade a longo prazo e a capacidade de realizar a manutenção dos sistemas de maneira oportuna e eficiente.