Impianto elettrico nelle applicazioni aeronautiche. ITIS Ferentino Trasporti e Logistica Costruzione del Mezzo Aeronautico

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1 Impianto elettrico nelle applicazioni aeronautiche ITIS Ferentino Trasporti e Logistica Costruzione del Mezzo Aeronautico prof. Gianluca Venturi Indice generale Richiami delle leggi principali...2 La prima legge di Ohm...2 Resistenze in serie...5 Resistenze in parallelo...7 Cenni sulla corrente alternata...8 Impianti di bordo...9 Componenti elettrici ed elettronici di bordo...9 Schema tipo dell'impianto elettrico...11 Alcuni esempi di impianto (fonte IBN Editore materiale online)...13 Bibliografia / sitografia di 15

2 Richiami delle leggi principali La prima legge di Ohm La legge di Ohm esprime una relazione tra la differenza di potenziale V (tensione elettrica) ai capi di un conduttore elettrico che ha una certa resistenza e l'intensità di corrente elettrica che lo attraversa. Si noti che la legge di Ohm esprime unicamente la relazione di linearità fra la corrente elettrica I e la differenza di potenziale V applicata in ragione delle resistenza elettrica R. L'equazione indicata è semplicemente una forma dell'espressione che definisce il concetto di resistenza ed è valida per tutti i dispositivi conduttori. Considerando una esistenza R compresa tra i morsetti A e B, la legge di Ohm dice che la differenza di potenziale VAB misurata fra i morsetti A e B è proporzionale alla corrente I che scorre nella resistenza. La legge deve il proprio nome a quello del fisico tedesco Georg Simon Ohm. È descritta dalla relazione matematica: V=RI Unità di misura del SI (Sistema Internazionale) V = Volt I = Ampere R = Ohm Analogia idraulica (fonte: Si può paragonare la corrente elettrica, generata dal movimento di portatori di carica elettrica (elettroni) in materiali conduttori, al flusso di un liquido attraverso un tubo. Consideriamo due serbatoi (Figura) contenenti un liquido (es. acqua), collegati tramite un tubo. Per fare scorrere l'acqua nel tubo occorre che il liquido si trovi a livelli diversi nei serbatoi, in modo che un volume d'acqua posto ai due livelli abbia una differenza di energia potenziale. 2 di 15

3 Così come la differenza di livello (e quindi una differenza di pressione) tra due liquidi è in grado di creare una corrente del liquido, è necessaria una differenza di potenziale elettrico per far muovere le cariche. La quantità di acqua che passa nel tubo nell unità di tempo viene chiamata portata, cioè q =V t dove V è il volume dell acqua e t è il tempo. In modo analogo si definisce intensità di corrente elettrica la quantità di cariche elettriche che transitano nella sezione di un conduttore nella unità di tempo, ovvero i=qt Per mantenere la corrente del liquido, occorre che sia ripristinato il dislivello, compito svolto da una pompa idraulica. La resistenza idraulica indica la difficoltà che incontra il liquido al suo passaggio nella 3 di 15

4 tubazione. La resistenza idraulica può dipendere da differenti fattori: viscosità del liquido, curve nelle tubazioni, filtri, che interagisce per attrito e rallenta il flusso del liquido, altri ostacoli presenti nelle condutture in analogia alla resistenza aerodinamica di un profilo alare a contatto con il fluido (aria) in movimento. Per un sistema idraulico composto da una pompa e un tubo in cui scorre del liquido vale la legge di Poiseuille, che afferma che la portata in un condotto è direttamente proporzionale alla differenza di pressione applicata ai capi del condotto, cioè: Dp = Q * R Grandezza elettrica Grandezza idraulica V Tensione o d.d.p p pressione R Resistenza elettrica R Resistenza idraulica I Corrente elettrica (flusso di cariche) Q Flusso in volume di fluido 4 di 15

5 Esempio di applicazione Di seguito è stato riportato un esempio di calcolo della corrente che scorre in un circuito formato da una resistenza, alimentato con un generatore ideale di tensione continua. Se vogliamo provare ad intuire ciò che succede in un circuito possiamo ragionare in termini di analogie con i circuiti idraulici in cui: La tensione (V) è assimilabile alla Pressione L'intensità di corrente (I) è assimilabile alla quantità di acqua che scorre in un tubo nell'unità di tempo (flusso) La resistenza elettrica (R ) è assimilabile alla resistenza all'avanzamento del fluido nel tubo (resistenza idraulica o perdita di carico) Resistenze in serie La resistenza equivalente di due o più resistenze posti in serie e uguale alla somma delle resistenze che applica ciascun resistore. Nel gergo comune i termini resistenze e resistenza vengono generalmente confusi; per definizione il resistore e il componente fisico e la resistenza e l'unità di misura dei resistenze (ohm) La serie di due o più resistenze aventi resistenze R1, R2, R3, Rn sarà uguale REQUIVALENTE = R1 + R2 + R3 + + Rn Di seguito è riportato un esempio di due piccoli circuiti: e mostra come si può passare da un circuito formato da due resistenze ad uno formato da una sola resistenza 5 di 15

6 In questo circuito è importante determinare la resistenza equivalente ai capi del circuito ai fini della determinazione della corrente che scorre in esso. Req = R1 + R2 = 1 kw+ 1 kw = 2 kw Così possiamo applicare la legge di Ohm al circuito semplificato I = V / Req = 12 V / 2 kw = 6 A E importante notare che i due resistenze nel primo circuito sono attraversate dalla stessa corrente. Di conseguenza due o più resistenze in serie sono sottoposti alla stessa corrente 6 di 15

7 Resistenze in parallelo La resistenza equivalente di due o piã¹ resistenze posti in parallelo à data dalla seguente espressione: 1 / Req = 1 / R1 + 1 / R / Rn ovvero Di seguito è riportato un esempio di due piccoli circuiti: e mostra come si può passare da un circuito formato da due resistenze ad uno formato da una sola resistenza 7 di 15

8 Riflessioni sul circuito: Dalla relazione (1) si evince che nel caso che bisogna calcolare la resistenza equivalente di 2 resistenze si può applicare una formula ridotta evidenziata in grassetto. Si nota, che il parallelo di n resistenze uguali e dato dal valore di resistenza di un resistore diviso il numero dei resistenze Dalle relazioni (3) e (4) si evince, invece, che la corrente che attraversa ogni resistore non è uguale a quella erogata dal generatore. La corrente erogata dal generatore sarà uguale alla somma algebrica delle correnti I1 ed I2 (primo principio di Kirchhoff) E importante notare che i due resistenze nel primo circuito sono sottoposti alla stessa tensione. Di conseguenza due o più resistenze in parallelo sono sottoposti alla stessa tensione Cenni sulla corrente alternata In Europa l'energia elettrica viene distribuita sotto forma di corrente alternata sinusoidale a frequenza costante di 50 Hz per cui la legge di Ohm funziona allo stesso modo. L'utilizzo della corrente alternata deriva dal fatto che il trasporto (soprattutto su lunghe distanze) di elevate potenze elettriche è molto efficiente se effettuato ad elevate tensioni, queste ultime raggiungibili abbastanza facilmente con l'utilizzo di trasformatori gli alternatori sono costruttivamente più semplici e hanno rendimento più elevato rispetto alle dinamo in corrente continua non è possibile sfruttare i vantaggi di un sistema trifase (approfondimento non necessario). Gli apparecchi utilizzatori elettrici ed elettronici che funzionano in corrente continua possono ottenerla dalla corrente alternata, mediante un semplice raddrizzatore. Per contro dalla corrente continua è possibile ottenere corrente elettrica alternata, generata in opportuni parametri di frequenza, forma d'onda e tensione mediante dispositivi detti inverter. 8 di 15

9 Impianti di bordo Componenti elettrici ed elettronici di bordo Il fabbisogno elettrico a bordo dei velivoli è costantemente in aumento infatti sempre più componenti, tra strumenti ed impianti, sono parzialmente o integralmente di tipo elettronico: la radio, i servo-motori, strumenti di navigazione come il radar o il gps, impianti di illuminazione interna ed esterna ecc. In alcuni velivoli, come anche in strutture critiche come gli ospedali, l'impianto viene separato in due: uno primario, che alimenta tutti i dispositivi più critici per la sicurezza del velivolo e soprattutto del suo equipaggio ed uno secondario, che alimenta tutti gli altri. Le linee principali che portano l'elettricità nelle varie aree del velivolo vengono spesso denominate barre. Si definisce così una barra primaria ed una seondaria. La fonte di energia a bordo di un velivolo è costituita dall'insieme dei generatori (dinamo per C.C. e alternatore per A.C. Che sono elementi che trasformano energia meccanica del motore in energia elettrica) e le batterie (solitamente a 24V, simili a quelle utilizzate nelle automobili, in modo da restare sempre sotto carica finché è disponibile l'energia del generatore). Le batterie sono molto pesanti e il loro utilizzo per questo viene limitato il più possibile, quindi garantiscono da sole (in assenza di un generatore) una autonomia limitata. Lo sviluppo generale della tecnologia aeronautica, che ha portato alla progettazione di velivoli sempre più complessi, ha determinato, nel tempo, l'allargamento del dominio di utilizzazione dell'energia elettrica a bordo. Un'indicazione di larga massima sul numero e tipo di utenze alimentate dall'impianto elettrico in funzione dell'importanza del velivolo è fornita dalla seguente tabella. 9 di 15

10 Alle prime utenze elettriche, essenzialmente dispositivi di accensione e di comando e controllo del gruppo moto-propulsore, si aggiunsero presto i dispositivi di illuminazione e i primi rudimentali strumenti di bordo per l'apparato radio; successivamente, coll'aumento delle dimensioni e delle prestazioni dei velivoli, dispositivi per il riscaldamento (cucine, climatizzazione, antigelo etc.), attuatori lineari e motori, apparati avionici e dispositivi di comando e controllo (relè, teleruttori, servo-valvole, etc.). Tipo utenza Alimentazione Resistenze Possibile sia a mezzo c.c. che c.a. % del carico di 15

11 (illuminazione e riscaldamento) Motori Possibile sia a mezzo c.c. che c.a Solitamente c.c c.a. 400 Hz (a volte anche c.c.) 5-20 (servocomandi, ventole,...) Comandi e controlli (relè, spie, indicatori) Avionica (dispositivi elettronici) Le utenze costituite da resistenze (illuminazione e riscaldamento) e da motori, che generalmente rappresentano un'alta percentuale del carico elettrico totale, possono essere alimentate sia in corrente alternata che in corrente continua; nel primo caso è accettabile anche una frequenza non costante. Il fatto che però l'avionica richieda corrente alternata a 400 Hz comporta che a bordo di un velivolo saranno presenti corrente continua e corrente alternata, quest'ultima tutta o in parte a 400 Hz. La necessità di avere a bordo due tipi di correnti potrebbe soddisfarsi con l'installazione di due diversi tipi di generazione. Ciò urterebbe, però, contro esigenze di sicurezza e affidabilità; si preferisce, pertanto, adottare un solo tipo di generazione capace di fornice energia alla maggiore percentuale di carico elettrico, trasformando con un trasformatoreraddrizzatore (da AC a CC) oppure con un inverter (da DC a AC) la rimanente parte dell'energia generata per le utenze che debbono essere alimentate diversamente. APU Una particolare fonte aggiuntiva di alimentazione è l'apu (Auxiliary Power Unit), che è una unità di potenza ausiliaria che viene utilizzata dal velivolo nel momento in cui il velivolo è a terra (e quindi probabilmente con i propulsori non accesi). L'APU è sostanzialmente una turbina dedicata a questo scopo che si trova a bordo del velivolo o viene portata dal personale di terra attraverso un carrello e collegata al velivolo attraverso una presa elettrica. RAT Infine citiamo il RAT (Ram Air Turbine) che è una soluzione adottata solo in particolari casi e consiste in un'elica che, in caso di emergenza, raccoglie l'energia cinetica dell'aria all'esterno del velivolo in volo e lo trasforma in energia elettrica (analogamente a quanto accade per le pale eoliche). Schema tipo dell'impianto elettrico Lo schema logico è leggermente differente per alimentazione in corrente alternata o in corrente continua. Schema semplificato per l'alimentazione in CC 11 di 15

12 Schema semplificato per l'alimentazione in AC Nel caso di AC è necessario produrre una corrente alternata con una frequenza fissa. Ad esempio la frequenza della tensione delle forniture elettriche che abbiamo in casa è di 50Hz (ovvero 50 pulsazioni al secondo), e se risultasse modificata alcuni dei nostri elettrodomestici potrebbe non funzionare, funzionare male oppure addirittura rompersi. Per motivi tecnici la frequenza a bordo di un velivolo è solitamente molto superiore (un valore tipico è di 400Hz) e comunque deve essere indipendente dalla velocità di rotazione del motore da cui viene generata. Per questo motivo vengono aggiunti dei dispositivi aggiuntivi per stabilizzarne la frequenza e non comportare problemi tecnici ai dispositivi utilizzatori. Nella tecnica si sono affermati degli standard per la fornitura di energia elettrica a bordo: Tipo Tensione Frequenza Corrente continua - CC 28 V Corrente Alternata - AC 115 / 200 V 400 Hz 12 di 15

13 Il sistema in corrente continua a 28 V è stato il primo sistema a essere usato. I vantaggi di questo sistema sono la semplicità, la possibilità di mettere in parallelo più generatori e la possibilità di sostituire i generatori con le batterie in caso di emergenza. Alcuni esempi di impianto (fonte IBN Editore materiale online) Boeing 747 E' azionato da quattro alternatori da 60 kva, attraverso giunti a velocità costante, che forniscono corrente elettrica alternata trifase a 115/200 V a 400 Hz. Quando l'aereo è in sosta a terra la corrente può essere fornita dai generatori azionati dalla APU o da sorgenti esterne di energia, mediante prese sistemate in prossimità del vano in cui si ritrae la gamba anteriore del carrello. La rete in corrente continua, a 28 V, fa capo a quella in corrente alternata attraverso quattro trasformatori-raddrizzatori da 100 A. Una batteria al nichel-cadmio da 24 V, 20 Ah, ricaricabile in volo, fornisce energia per particolari utenze quando l'aereo è a terra, o, quando è necessario, in volo. La batteria, tramite un invertitore statico, può alimentare in condizioni di emergenza le utenze essenziali in alternata per almeno mezz'ora. Una seconda batteria identica permette l'avviamento della turbina ausiliaria. Airbus A300 Fa capo a tre alternatori trifase da 90 kva(elevabili a 135 per 5 minuti e a 180 per 5 secondi) a 400Hz e V mossi da due turboreattori e dalla APU. Ciascuno degli alternatori mossi dai motori è collegato alla corrispondente unità motrice mediante un giunto a velocità costante, mentre l accurata regolazione del numero di giri della APU rende superfluo questo tipo di giunto per il terzo alternatore. Un solo alternatore è sufficiente per alimentare tutte le utenze in condizioni di decollo e atterraggio, rendendo possibile l impiego del velivolo anche in caso di guasto ad uno degli alternatori. L energia in corrente continua a 28 V è fornita da tre trasformatori-raddrizzatori al silicio; un quarto, identico ai precedenti, può venire alimentato da sorgenti esterne. Tre batterie da 24 V e 25 Ah al nichel-cadmio sono impiegate per l avviamento della APU attraverso un invertitore a 115/400 Hz, per il controllo dell impianto di alimentazione, per le luci di soccorso, e, in caso di emergenza, per alimentare le utenze essenziali in alternata, garantendo energia sufficiente per tre tentativi di messa in moto della turbina e per assicurare le normali manovre di atterraggio. La dotazione elettronica segue gli schemi usuali, con molte apparecchiature raddoppiate e con ampie possibilità di variazioni per soddisfare le esigenze dei vari utenti. Speciale importanza riveste il sistema d pilotaggio automatico che permette di mantenere quota, velocità verticale, assetto e numero di Mach desiderati e, opportunamente integrate, anche di eseguire tutte le manovre per l atterraggio automatico fino alla presa di contatto 13 di 15

14 con il terreno, o a una eventuale riattaccata a soli 3 m di quota, anche con un solo motore funzionante. 14 di 15

15 Bibliografia / sitografia Per redigere questa raccolta di appunti mi sono basato su materiale per lo più reperito in rete che ho esaminato e, quando ritenuto necessario, rielaborato. Doverosamente riporto di seguito i riferimenti che ho utilizzato ringraziando chi lo ha messo a disposizione della comunità della rete Il portale tecnologico Costruzioni Aeronautiche (HOEPLI Flaccavento) Bassani - IBN Editore Alfredo Testa Appunti di Sistemi Elettrici di Bordo Univ. Roma 2 Altri riferimenti in rete: 15 di 15

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