Modelamiento y control del sistema eléctrico de una aeronave y su interconexión frente a fallas del generador

Abstract

La eficiencia que representa, en los aviones modernos, el uso de energía eléctrica por sobre otras fuentes de energía como hidráulicas o neumáticas, ha permitido el desarrollo de sistemas eléctricos más complejos. Estos aviones se caracterizan porque la totalidad de la energía utilizada es eléctrica. Esta situación implica un aumento considerable en la capacidad eléctrica instalada en dichas aeronaves. Como consecuencia de lo anterior se produce un mayor acople entre los sistemas eléctrico y mecánico por lo que posibles fallas en el sistema eléctrico tendrán impactos negativos en el sistema mecánico. El objetivo de este trabajo es modelar el sistema eléctrico de un avión, el cual considera dos micro-redes gemelas, y en base a ese modelo determinar la carga máxima con la cual el sistema no pasará a ser inestable. Además de controlar y reducir el impacto que una falla, como la desconexión de un generador, produce en el sistema mecánico. Dicho impacto se presenta en forma de vibraciones torsionales las cuales producen daños en el eje del generador. Se presenta una metodología que permite la implementación de un modelo reducido del sistema eléctrico de un avión, el cual considera un sistema principal en AC y barras DC. Se comienza desde el equipo mas elemental del sistema, que corresponde al generador, componente que en primera instancia se prueba en vacío midiendo variables eléctricas de interés. Posteriormente se conecta un sistema eléctrico cuya complejidad crece gradualmente con la conexión de cargas y equipos de rectificación y se realizan mediciones en los puntos de conexión de las cargas así como en el generador para verificar el cumplimiento de condiciones de operación. Luego dicho modelo es conectado a una versión reducida del sistema mecánico, el cual permite estudiar los principales efectos que producen en él fallas ocurridas en el sistema eléctrico. Las pruebas realizadas consideran variaciones en una de las micro-redes cuando se trabaja en forma aislada y también se realizan pruebas de interconexión de los dos sistemas gemelos. Las formas de conexión utilizadas consideran escalones y pulsos y además se estudian puntos de operación estables e inestables. A partir de cada una de las pruebas se analiza el comportamiento del sistema eléctrico estudiando la tensión, potencias y torque. El comportamiento del sistema mecánico es analizado a partir de mediciones de torque y velocidad. De los resultados obtenidos, ante las distintas pruebas, se extrae que cuando uno de los sistemas gemelos trabaja de forma aislada no se producen impactos importantes en el sistema mecánico. Para la interconexión de los sistemas se obtiene que, en el caso de conexión mediante escalón, se producen oscilaciones y sobrepaso en las mediciones de las variables de interés lo que implica la presencia de vibraciones torsionales que producen daños en el sistema mecánico. La interconexión en forma de pulso reduce la presencia de esas vibraciones, por lo que mediante este tipo de conexión disminuyen los daños en el sistema mecánico.