Impianto Elettrico. Capitolo 5 5.1

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1 Capitolo 5 Impianto Elettrico 5.1

2 5.1. Introduzione L'impianto elettrico ha la funzione di distribuire energia alle varie utenze ed è presente in tutti velivoli in forma più o meno sviluppata. Già nei primi velivoli a motori era presente un impianto elettrico, se non altro come accessorio del motore per provvedere all'accensione; a questo si aggiunsero poi dispositivi di illuminazione, strumenti, apparecchiature radio, motori, ecc. Se si esaminano diverse categorie di utenze a bordo di un velivolo (tab. 5.1), si vede che per alcune di esse non esiste nessuna alternativa valida all'energia elettrica. Elettrica Pneumatica Idraulica Meccanica Attuatori Illuminazione Riscaldamento Avionica Tab Principali utenze e tipi di energie necessarie Esistono quindi categorie di utenze nelle quali l'energia elettrica è insostituibile, altre nelle quali si presenta la possibilità di scelta; così ad esempio per l'impianto antighiaccio è possibile utilizzare aria calda prelevata dal gruppo motopropulsore, ma esistono alcune zone, come le prese d'aria degli strumenti anemometrici e i bordi d'attacco delle pale delle eliche, per le quali è decisamente preferibile utilizzare energia elettrica. L'impianto elettrico è un impianto di trasformazione e distribuzione di energia; occorrerà quindi analizzare come ottenere l'energia elettrica, come distribuirla e controllarne l'impiego Tipi di alimentazione Dovendo ottenere dell'energia elettrica si impongono alcune scelte preliminari sul tipo di alimentazione adottata. Infatti è possibile sia pensare ad impianti in corrente continua, che in corrente alternata, ed è possibile costruire impianti con diversi valori di tensione nominale. Teoricamente si può pensare per ogni impianto di ottimizzare i valori di tensione e di frequenza; in pratica questo non si dimostra economicamente valido perché obbligherebbe ad una progettazione e validazione di tutti i componenti; si è quindi giunti ad una standardizzazione che consente la scelta fra pochi valori tipici (tab. 5.2). Tali valori sono il compromesso di diverse esigenze, come di seguito descritto. Tipo di corrente Tensione (V) Frequenza (Hz) Continua 28 - Alternata mono/trifase 115/200 Variabile o 400 Tab Standard di alimentazione 5.2

3 Dalla 1 A legge di Ohm: V = R I dove V è la tensione, R la resistenza e I l intensità di corrente. Dalla 2 A legge: L R S dove è la resistività del materiale conduttore, L la lunghezza e S l area del conduttore. Dall espressione della potenza si ha: da cui: W 2 V VI R WL S 2 V 1 V L 2 S Questo significa che a pari potenza un innalzamento della tensione porta ad una forte riduzione della sezione, e quindi del peso, dei conduttori. Uno dei principali motivi per l impiego della corrente continua consiste nella possibilità di utilizzare accumulatori, per limitarne il peso si è fissato lo standard della tensione in corrente continua a 28 V; con gli attuali sviluppi tecnologici delle batterie basate sull impiego di metalli molto più leggeri del piombo, si ha la tendenza a passare a tensioni superiori, sono attualmente in fase di sperimentazione sistemi a 270 VDC per le cosiddette versioni di velivolo more electric. Per quel che concerne la tensione dell alternata invece, bisogna garantire un adeguato isolamento e inoltre non conviene scendere oltre una certa sezione del conduttore aumentando la tensione, perché inizierebbe a diventare troppo importante il peso della guaina isolante e troppo debole la resistenza meccanica del conduttore. 115/200 VAC sono generati da sistemi trifase di peso ed ingombro contenuti. Infine, i 400 Hz di frequenza sono stati scelti come ottimali tra esigenze di leggerezza dei generatori (a pari potenza è più leggero un generatore più veloce) e meccaniche (limite alla velocità di rotazione); a pari potenza un motore che gira più velocemente richiede meno coppia e quindi meno corrente e questo si riflette su tutto l impianto. Nonostante che le tecnologie attuali potrebbero ormai spostare questi valori ottimali, non è ancora prevista una modifica degli standard Scelta del tipo di impianto Dato che lo standard prevede la possibilità di realizzare impianti con vari tipi di corrente (continua, a frequenza variabile e a frequenza costante), si impone la necessità di operare fra queste una scelta. A tale scopo è necessario analizzare le varie utenze elettriche e le loro necessità; evidentemente queste variano in ogni velivolo, ma in prima approssimazione possono essere divise a titolo di esempio nelle categorie riportate in tab

4 % carico totale DC AC freq. var. AC 400 Hz Illuminazione e riscaldamento 5070 Motori 1040 Comandi e controlli 510 Avionica 520 Batteria Tab Utenze principali, carico sull impianto e alimentazione richiesta Come si può notare per la parte più consistente del carico l'impiego di corrente continua o alternata è indifferente; per alcuni organi essenziali, come gli organi di comando e controllo (relè, spie, indicatori di misura), è preferibile la corrente continua, per gli accumulatori è indispensabile disporre di corrente continua, mentre per l'avionica è preferibile ricorrere a corrente alternata a frequenza costante. In pratica quindi nella maggioranza dei velivoli occorre disporre sia della corrente continua che della corrente alternata a 400 Hz; la scelta non sarà quindi sul tipo di impianto, ma sul tipo dell'energia elettrica generata. Si tende ad evitare, infatti, di generare energia elettrica di entrambi i tipi, ma si costruiscono impianti nei quali la generazione primaria di energia elettrica (ossia la trasformazione di energia meccanica in energia elettrica) è del tipo continuo o del tipo alternato. In generale velivoli d aviazione generale, trasporto leggero, executive e trasporto regionale sono dotati di impianto primario in DC; velivoli di linea con motori a turbogetto o turbofan e militari utilizzano impianto primario in AC. In pratica la discriminante è nella potenza installata. In entrambi i casi occorrerà provvedere ad una trasformazione dell'energia elettrica anche nell'altra forma per provvedere all'alimentazione di quella parte del carico per il quale la generazione primaria non è adatta (fig. 5.1). AC GENERATOR AC USES AC DC CONVERSION DC USES AC PRIMARY BATT DC PRIMARY BATT DC GENERATOR DC USES DC AC CONVERSION AC USES Fig. 4.1 Primary and secondary power Fig Due soluzioni possibili di impianto 5.4

5 5.4. Generazione di corrente elettrica La generazione dell'energia elettrica avviene attraverso generatori, dinamo o alternatori, che possono essere azionati meccanicamente da: i propulsori attraverso opportuni riduttori; motori idraulici o pneumatici; A.P.U. (Auxiliary Power Unit), quando il velivolo è fermo a terra; R.A.T. (Ram Air Turbine), un elichetta posta al vento relativo in casi di emergenza; Alternativamente un velivolo parcheggiato può disporre di energia elettrica tramite connessione a terra. Normalmente si ha il prelievo di energia meccanica dai propulsori per l azionamento dei generatori elettrici. Nei velivoli plurimotori si ha comunemente un generatore per motore, mentre velivoli monomotori spesso ci sono due generatori collegati all'unico motore. Si ha sempre uno o più generatori sull APU. Il Boeing 747 per esempio ha impianto primario in alternata con 4 alternatori da 60 KVA sui 4 propulsori e due alternatori da 90 KVA sull APU. Il BAE 146, pur essendo quadrimotore, ha solo due alternatori da 40 KVA sui motori esterni ed uno sull APU. Il SIAI S 211 ha l impianto primario in corrente continua, con starter - generatore sul propulsore, e corrente alternata ottenuta da due invertitori. L ATR-42 ha una configurazione anomala: ognuna delle due turboeliche ha sia uno starter - generatore che un alternatore, generando quindi entrambi i tipi di corrente contemporaneamente. L impianto elettrico riveste una importanza talmente elevata che si prevede sempre la possibilità di disporre di energia elettrica, almeno per un certo tempo, anche in caso di guasto di tutti i propulsori. Una fonte di energia elettrica sempre presente è costituita dagli accumulatori, che devono soddisfare l'esigenza di creare una riserva di energia da utilizzare in mancanza di generazione per guasto dell'impianto o del propulsore, in caso di assorbimenti superiori alla potenza fornita dai generatori (batterie tampone) e ovviamente quando i propulsori sono fermi. In condizioni di emergenza, oltre alle batterie e alle R.A.T., possono essere utilizzati anche generatori trascinati da turbinette alimentate dalla combustione di cartucce pirotecniche Impianto primario in continua La macchina tipicamente usata per la generazione di corrente continua è la dinamo; la dinamo è costituita da un certo numero di spire (rotore) che ruotano in un campo magnetico permanente (statore). In fig.5.2 è rappresentata per semplicità una sola spira; in questo modo si crea in ogni spira del rotore una forza elettromotrice variabile sinusoidalmente. La corrente è prelevata dal rotore attraverso spazzole striscianti su un collettore; se il collettore è diviso in due settori semicircolari, ad ogni giro di una singola spira si riescono a prelevare due semisinusoidi dello stesso segno. Fissata la velocità angolare del rotore, la tensione totale prelevata ha un valore sostanzialmente costante dato dalla somma delle tensioni di ogni spira (fig. 5.2). Il problema è che la velocità angolare non è in pratica costante, essendo il dispositivo azionato da un propulsore di bordo, e quindi le dinamo devono essere corredate di regolatori per garantire la costanza della tensione. Nel caso della dinamo tradizionale, si usa come generatore del campo magnetico un elettromagnete, la cui intensità viene regolata in base all uscita. 5.5

6 TENSIONE 1 SPIRA TEMPO TENSIONE 11 SPIRE Fig Dinamo TEMPO La dinamo ha il vantaggio di essere una macchina reversibile, cioè può essere usata anche come motore ed infatti in molti casi viene utilizzata oltre che come generatore anche come motore di avviamento. Questo è possibile con motori a turbina di potenza limitata; per motori a turbina di maggiore potenza, la coppia necessaria per l'avviamento è troppo elevata per uno starter - generatore e si preferisce dividere i compiti fra due macchine separate, una dinamo per la generazione di energia ed un motore per l'avviamento; per i motori alternativi è necessario un motorino elettrico per l'avviamento, ma esso può essere sottodimensionato perché deve funzionare per tempi molto brevi; per i grossi motori a turbina l'avviamento avviene normalmente prelevando energia pneumatica dall'apu. Lo svantaggio di questo tipo di generatore è dato dai contatti striscianti, che comportano un intensa usura e degrado della conducibilità elettrica; inoltre la bassa densità dell aria, che il tipico ambiente operativo del velivolo, favorisce la formazione di archi voltaici e il consumo delle spazzole. Di conseguenza, rinunciando al vantaggio offerto dalla dinamo di essere una macchina reversibile, si preferisce generare la corrente continua avviene attraverso generatori senza spazzole, in pratica alternatori la cui uscita viene raddrizzata e stabilizzata. Questa tecnica, del resto diffusa anche in campo automobilistico, consente di avere generatori a pari potenza di dimensioni e pesi inferiori ed elimina il problema della manutenzione delle spazzole Impianto primario in alternata Gli alternatori funzionano sullo stesso principio delle dinamo, cioè sull induzione di una forza elettromotrice in un armatura metallica tramite un campo magnetico variabile. Facendo riferimento alla fig. 5.2 precedente, è sufficiente sostituire i due semi-collettori con due collettori circolari completi per avere, in uscita, una tensione sinusoidale completa. Ovviamente, un alternatore siffatto soffre degli svantaggi della dinamo, ossia i contatti striscianti. Se però l armatura metallica è lo statore ed il campo magnetico è il rotore, allora si ottiene un alternatore senza contatti striscianti. 5.6

7 Per la generazione della corrente alternata vengono usati alternatori monofase o, molto più comunemente, trifase; in ogni caso l'alternatore ha la caratteristica di creare una corrente la cui frequenza dipende dalla velocità angolare del generatore. Nel trifase vi sono 3 avvolgimenti monofase, sfasati di 120 ed immersi nel campo magnetico rotante (fig. 5.3). Non vi sono spazzole ed il tutto viene raffreddato ad aria. Solitamente le 6 uscite AC vengono connesse come in figura e ridotte a 4 uscite, cioè un neutro e tre fasi. Ovviamente è disponibile l utilizzo monofase o trifase. Accoppiando così il generatore al propulsore si ha una frequenza f che dipende dal regime del propulsore stesso, ovvero dalla velocità angolare n (in rpm) e dal numero di poli p, secondo la relazione: f np 120 Fig Alternatore trifase La tensione in uscita è funzione invece del numero di avvolgimenti, velocità angolare ed intensità del campo magnetico. Il controllo di fatto viene effettuato su quest ultimo tramite regolatori elettronici Controllo della frequenza In un impianto elettrico vi sono molte utenze per le quali è indifferente l'impiego di corrente continua o alternata, e quindi la frequenza può essere casuale. Per le utenze che richiedono però frequenze ben precise (tipicamente alcuni sistemi avionici e motori) è ovvio che tale soluzione non è idonea; d'altra parte occorre anche osservare che, nella maggioranza dei casi di generazione in corrente alternata, si tratta di velivoli plurimotori di grosse dimensioni e di impianti elettrici di elevata potenza con più generatori accoppiati ai diversi propulsori; nasce quindi anche l'esigenza di collegare in parallelo i diversi generatori, collegamento che è possibile solo se i generatori sono in fase, è quindi indispensabile che per mantenere la fase funzionino in modo sincrono con uguale frequenza. E così necessario controllare la velocità di rotazione dei generatori e disaccoppiarla dal regime del propulsore, cosa che può essere ottenuta ad esempio mediante un sistema idraulico costituito Fig Regolatore idraulico di giri da una pompa ed un motore, uno dei quali a cilindrata variabile (fig. 5.4). 5.7

8 Controllando così la cilindrata, ad esempio della pompa, in funzione della frequenza ottenuta dall alternatore è possibile avere una frequenza costante e un sincronismo fra i diversi generatori anche per quanto riguarda la fase. Questo sistema ha l'inconveniente di trasmettere tutta la potenza per via idraulica e quindi con una perdita dovuta ai rendimenti della pompa e del motore idraulico; esistono dispositivi meccanici alternativi (CSD, constant speed driver) costituiti da un differenziale per cui il grosso della potenza meccanica passa attraverso i planetari mentre un sistema pompa - motore idraulico introduce una rotazione dei satelliti tale da avere sull'albero di uscita una velocità costante (fig. 5.5), in questo modo la perdita di potenza dovuta ai rendimenti del sistema idraulico è limitata al rendimento della frazione di potenza necessaria a correggere la velocità. Fig. 5.5 Schema di CSD Se A e B ruotano nella stessa direzione e con la stessa velocità i satelliti non ruotano e la scatola del differenziale ruota alla stessa velocità; se le velocità dei due planetari sono uguali e di verso opposto la scatola del differenziale non ruota. In generale la velocità di rotazione della scatola C del differenziale risulta A B C ; è quindi possibile con il sistema idraulico 2 introdurre un valore di B tale da mantenere costante C. Attualmente alternatore e CSD sono riuniti in un unico dispositivo chiamato IDG, integrated drive generator, con risparmio di materiale. Si osservi che per i generatori collegati all APU non è in genere necessario un regolatore di giri, poiché l APU viene fatta girare sempre a velocità costante. 5.8

9 Oltre a dispositivi di regolazione della frequenza di tipo meccanico ed idraulico, che hanno affidabilità e rendimenti inferiori a quella della turbina e dell alternatore in sé, sono comunque disponibili, ed oggi preferiti, dispositivi completamente elettronici a componenti solidi, che hanno inoltre il vantaggio di essere installati lontani dal propulsore, e quindi in condizioni ambientali più favorevoli. Questi dispositivi si chiamano variable speed constant frequency, o VSCF, e la loro versione più comunemente usata a bordo è quella dei cicloconvertitori; in essi l alternatore genera su 6 uscite tensioni trifase con frequenze più elevate dei 400 Hz; queste vengono trattate elettronicamente di modo da ottenere uscite a frequenza costante di 400 Hz Conversione AC/DC e DC/AC Come detto in precedenza, nella maggior parte dei casi un velivolo è dotato di un impianto elettrico primario in AC o DC, ed uno secondario rispettivamente in DC o AC ottenuto per conversione dal precedente. Per soddisfare alle utenze in DC a bordo di un velivolo con sistema primario in AC, si utilizzano trasformatori - raddrizzatori (TRU, transformer rectifier unit), basati su trasformatore per portare la tensione a 28 V e ponti a semiconduttori per raddrizzare la tensione alternata in una tensione costante monofase. Viceversa, per ottenere AC da un impianto primario in DC si usano invertitori allo stato solido (solid state inverters). Fig. 5.6 Schema distribuzione 5.9

10 5.7. Distribuzione dell'energia L'energia elettrica generata viene distribuita alle utenze attraverso le barre di carico, intendendo per barra un nodo da cui partono i conduttori verso le diverse utenze. Nell'impianto elettrico esistono un certo numero di barre indipendenti, ognuna delle quali alimenta un certo numero di utenze; le utenze vengono a questo fine suddivise in base alla loro importanza e rilevanza dal punto di vista della sicurezza del velivolo; si avranno così barre essenziali, primarie e secondarie. Come schematizzato in fig. 5.7, le barre essenziali saranno sempre collegate al gruppo generatore di potenza, mentre le barre primarie e secondarie possono essere escluse in conseguenza di guasti ai generatori o alle barre stesse; dovranno quindi esserci degli organi di manovra in grado di escludere le singole barre e degli organi di sicurezza e di manovra per il Fig. 5.7 Schema barre di carico collegamento delle varie utenze. 5.8 Cavi Il collegamento dei vari componenti dell'impianto avviene attraverso cavi scelti fra un'ampia tipologia, standardizzati MIL sia dal punto di vista della conduttività che del tipo di isolamento; si usano conduttori di rame e di alluminio, isolati da PVC, nylon, teflon o fibre di vetro. Nel cablaggio di un velivolo si deve tenere conto di diverse esigenze: contenere i pesi riducendo le sezioni; contenere le cadute di tensione aumentando le sezioni; evitare surriscaldamento per effetto Joule; utilizzare isolanti resistenti al calore per i cavi in prossimità di fonti termiche; verificare la compatibilità elettromagnetica con l avionica, evitando vicinanze tra cavi di alta potenza e apparati; considerare la resistenza a sollecitazioni meccaniche, specialmente le vibrazioni. Come in campo automobilistico, è comune mettere a terra l impianto attraverso la struttura dell aeromobile, quando questa è realizzata con materiale conduttore come le leghe leggere. Quando un cavo è attraversato da corrente alternata o continua pulsante si comporta come un antenna ed interferisce con gli apparati radio. In tal caso si è necessario schermare i cavi con una calza di maglie di metallo messa a terra. 5.10

11 Si fa ampio uso di collegamenti smontabili al fine di poter sostituire rapidamente componenti che possono richiedere manutenzione e controlli; si impiegano quindi terminali saldati o pinzati sul cavo e poi fissati con morsetti, viti, o prigionieri e dadi, oppure connettori multipolari con i singoli cavi saldati o pinzati. I cablaggi vengono realizzati con singoli cavi raccolti in fasci; lo studio della realizzazione dei cablaggi e della loro installazione costituisce una fase rilevante del progetto dell'impianto elettrico e richiede tecniche particolari di test per poterne verificare la correttezza dell'esecuzione. E molto comune l impiego di CAD per l ottimizzazione dei cablaggi. Fig Terminali Per il collegamento dei cavi si ricorre all impiego di capicorda, preferibilmente pinzati anziché saldati. 5.9 Collegamenti e connettori Per i cablaggi complessi, normalmente più diffusi in collegamenti di apparecchiature elettroniche che non di potenza, si usano estensivamente connettori facilmente smontabili per poterli facilmente rimuovere per manutenzione dei componenti. I connettori sono normalmente multipolari e hanno sistemi di blocco per impedire lo scollegamento sotto effetto di accelerazioni e vibrazioni. Fig. 5.9 Esempi di connettori 5.11

12 5.10. Motori elettrici Vi sono diverse applicazioni dei motori elettrici a bordo di velivoli: deflessione di superfici di manovra; azionamento valvole idrauliche e pneumatiche; avviamento propulsori; trascinamento pompe idrauliche; rotazione giroscopi; azionamento ventole di raffreddamento. Il primo problema da affrontare è la scelta di un motore AC o DC. Come già osservato in precedenza, il motore in corrente continua ha la stessa struttura di una dinamo: applicando una tensione ai morsetti di una spira immersa in una campo magnetico, questa viene sottoposta ad una coppia per interazione col campo magnetico. Il verso di rotazione dipende dal segno della tensione applicata o del campo magnetico, la coppia che si ottiene dipende dall intensità della tensione o del campo. I motori DC sono in genere usati per impieghi non continuativi o a velocità variabili: azionamenti lineari o rotativi, controllo di valvole, avviamento propulsori. Per quanto riguarda la corrente alternata sui velivoli vengono usualmente installati motori sincroni trifase e, più comunemente, motori ad induzione. In un motore sincrono lo statore genera un campo magnetico rotante, eccitato dalla tensione trifase in ingresso. Due avvolgimenti opposti generano un campo intenso, con un contributo minore da parte delle altre due coppie di avvolgimenti. Durante un intero ciclo della corrente in ingresso, il campo magnetico copre un intera rotazione. Se coassiale con lo statore si trova un rotore, costituito da un armatura eccitata in DC, il campo magnetico generato dallo statore si accoppia con quello del rotore, generando una coppia. Il problema principale di questo tipo di accoppiamento è che l avviamento non è possibile, perché il momento d inerzia del rotore lo rende incapace di accelerare per seguire il campo magnetico rotante generato dallo statore; in altri termini un motore sincrono siffatto non possiede una coppia di avviamento, ma la coppia di interazione tra i due campi si genera solo quando il rotore sta ruotando in modo sincrono col campo magnetico generato dallo statore. Per questo motivo è necessario un particolare avvolgimento addizionale, costituito da una gabbia di barre di rame cortocircuitate; il campo magnetico rotante generato dallo statore induce una piccola forza elettromotrice nelle barre di rame; essendo queste in cortocircuito, viene generate un intensa corrente nella gabbia, la quale a sua volta genera un campo magnetico perfettamente accoppiato con quello rotante. A causa dell interazione tra i due campi, la gabbia, e quindi il rotore, entra in rotazione; questa fase di avviamento è effettuata senza eccitare gli avvolgimenti principali del rotore; quando però questo ruota sincrono col campo rotante, gli avvolgimenti vengono alimentati e quindi si genera il campo magnetico DC, che aggancia definitivamente il rotore al campo magnetico rotante dello statore. In un motore ad induzione, lo statore è molto simile a quello del motore sincrono. Il rotore è costituito da un cilindro metallico, sulla cui superficie laterale sono ricavati degli incavi in cui sono inserite delle barre di rame, collegate tra loro da un anello di rame o ottone. Il campo magnetico rotante generato dallo statore induce una forza elettromotrice nel rotore, e quindi un altro campo magnetico, che tende ad opporsi alla variazione del campo magnetico rotante; si genera una coppia tra il rotore e lo statore, dovuta all interazione tra i due campi, che tenta di annullare il movimento relativo tra statore e rotore: quest ultimo, in altri termini, tende a 5.12

13 mettersi in rotazione inseguendo il campo magnetico rotante. In realtà se ruotasse alla stessa velocità angolare, il rotore non vedrebbe un campo magnetico rotante, e quindi non si genererebbe la coppia; il rotore quindi si metterà a ruotare ad una velocità inferiore di quella del campo magnetico; questo scorrimento sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la coppia applicata all asse motore. I motori AC sono in genere vantaggiosi per utilizzi continuativi e velocità costanti, come il trascinamento di pompe idrauliche e combustibile e la messa in rotazione degli strumenti giroscopici Organi di manovra e protezione Per quanto riguarda le manovre sui circuiti elettrici queste vengono eseguite attraverso interruttori o relè. Gli interruttori permettono l'apertura e la chiusura di circuiti con un comando manuale o con sensori di posizione, i relè attraverso un comando elettrico. Vengono utilizzati i relè quando il comando di un circuito proviene da automatismi, da combinazioni di informazioni provenienti da un comando manuale e da sensori di posizione, o quando si devono commutare potenze di un certo rilievo per cui si preferisce portare in cabina solo cavi per bassa potenza con ovvi vantaggi in peso. Per la protezione dell'impianto da corto circuiti o assorbimenti comunque troppo elevati vengono utilizzati fusibili o interruttori di massima corrente (breakers). Fig Fusibile Nel caso del fusibile si ha una rottura del componente stesso e quindi la necessità di una sua sostituzione per ripristinare l'alimentazione del circuito da esso protetto. Con gli interruttori di massima corrente il riscaldamento provoca la deformazione di una lamina e Fig Breaker lo sganciamento di un interruttore che può essere ripristinato premendo un pulsante. Entrambi i metodi vengono impiegati: ovviamente il ripristino di un breaker è un'operazione molto più semplice della sostituzione di un fusibile. Il breaker può inoltre far parte direttamente dell interruttore di comando dell utenza, quando questo non è indiretto tramite relè. 5.13

14 Entrambi i dispositivi sono basati su componenti che risentono del riscaldamento dovuto al passaggio della corrente: la figura 5.12 mostra schematicamente la loro risposta in termini di tempo di intervento in funzione dell intensità di corrente per varie temperature ambiente. È possibile realizzare fusibili e breaker dove a pari corrente il tempo di intervento è molto diverso ed avere quindi fusibili istantanei o ritardati. Ad esempio nella figura 5.13 sono riportate le curve tipiche di due fusibili da 100 A con tempi di intervento diversi; in particolare si osserva che a 110 A uno dei due interviene in 5ms e l altro in 20 ms Tempo intervento [ms] Corrente [A] Fig Tempo di intervento Fig Confronto fra fusibile rapido e ritardato 5.14

15 5.12 Accumulatori L accumulatore è costituito da una batteria di celle in cui energia chimica viene trasformata in energia elettrica e viceversa. Il suo scopo è anzitutto quello di conservare una riserva di energia a bordo da utilizzare per l avviamento motori a velivolo parcheggiato e non assistito oppure in condizioni di emergenza; scopo secondario è l attenuazione di fluttuazioni di tensione. La procedura di avviamento motori dipende dalla categoria del velivolo. In un piccolo velivolo con motore a pistoni o a turbina di bassa potenza, l accumulatore fornisce energia elettrica ad un motore d avviamento calettato sull albero del propulsore. In un velivolo con motore a turbina di maggiori dimensioni, l accumulatore alimenta un motore elettrico che avvia l APU, con pompe idrauliche e alternatori scollegati per ridurre la coppia di reazione. Una volta portata l APU a regime, il velivolo dispone della potenza pneumatica sufficiente all avviamento dei turbomotori. I parametri più significativi che caratterizzano una batteria sono la capacità, la corrente massima erogabile e la densità di energia accumulabile. La capacità si esprime in Ah (amperora): essendo fissata la tensione nominale di funzionamento questa indica l energia accumulabile; viene espressa in questi termini perché evidenzia il legame fra l intensità di corrente ed il tempo in cui questa è disponibile se la batteria è completamente carica. In realtà questo fattore dipende anche da un efficienza, la quale è legata all intensità della corrente di carica o scarica della batteria; al crescere dell intensità di corrente di carica o scarica, diminuisce l efficienza e quindi l effettiva capacità, esiste di conseguenza un valore massimo di corrente erogabile dalla batteria. La ricarica ottimale è a corrente costante con intensità non superiore al 7% del valore di capacità, il che significa che la tensione deve aumentare durante la carica. La densità di energia si esprime in Wh/kg ed è naturalmente un indice di grande importanza per le applicazioni aerospaziali. La classica batteria è quella con armature al piombo annegate in elettrolito di acido solforico (H2SO4). Un armatura è fatta di biossido di piombo (PbO2) e l altra di piombo spugnoso. Ogni cella è in grado di fornire una tensione di 2.1 V a circuito aperto. La reazione reversibile durante la scarica consiste nella combinazione del piombo dei due elettrodi con l acido: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O Questa reazione non è bilanciata ai due elettrodi e genera elettroni: PbO2 + 4H + + SO e - PbSO4 + 2H2O Pb + SO4 -- PbSO4 + 2e - Il metodo di controllo più diretto dello stato di carica è attraverso la misura della densità dell elettrolito, che va da 1300 kg/m 3 in condizioni di massima carica a 1150 kg/m 3 quando è pressoché scarica. La tensione corrispondente della cella scende a circa 1.75 V quando è da considerare scarica. 5.15

16 Un secondo tipo di batteria è quello al nichel-cadmio, con celle da 1.2 V; gli elettrodi sono in cadmio e ossidrossido di nichel (NiOOH), mentre l elettrolito è una soluzione acquosa di idrossido di potassio (KOH). La reazione risulta: Cd + 2H2O + 2NiOOH 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2. All elettrodo di cadmio gli atomi si dissolvono spontaneamente in ioni e vanno in soluzione combinandosi con gli ioni idrossido presenti: Cd Cd e - Cd OH - Cd(OH)2 Infine, nell altro elettrodo avviene la seguente reazione spontanea: 2NiOOH + 2e - + 2H2O 2Ni(OH)2 + 2OH - Questo tipo di batteria è più costosa e ha maggiore effetto memoria durante i cicli di carica e scarica parziale; tuttavia è più comunemente installata sui velivoli perché presenta una serie di vantaggi rispetto alla batteria al piombo: minore manutenzione; maggiore efficienza ad alte intensità di carica e scarica; tensione erogata più costante nel tempo; migliore mantenimento della carica durante lunghi periodi di non utilizzo; maggiore resistenza ai cicli di carica/scarica (2000 contro i 500 della batteria al Pb); maggiore densità di energia (60 Wh/kg contro i 30 della batteria al Pb). Per l alimentazione di sistemi di emergenza possono essere installate batterie all argentozinco, molto costose, dotate di una scarsa resistenza ai cicli di carica/scarica (meno di 100), ma capaci di immagazzinare fino a 200 Wh/kg. La figura 5.13 mostra l andamento tipico della tensione durante la scarica ad un determinato valore costante di corrente per batterie al piombo e nichelcadmio. Si nota che le batterie al nichel-cadmio mantengono una tensione costante fino a quasi la scarica dopo di che la tensione cala bruscamente; nella batterie al piombo si ha invece una diminuzione della tensione già dall inizio Fig Tensione durante il tempo di scarica della scarica. 5.16

17 5.13 Illuminazione La potenza elettrica impiegata per l illuminazione può essere una quota importante della potenza installata. Questa riguarda sia l illuminazione interna (luci cabina pilotaggio e passeggeri, faretti dilettura, illuminazione comandi e strumentazione) sia l illuminazione esterna. L illuminazione esterna comprende: luci di via luci anticollisione fari di atterraggio fari di taxing fari di ispezione del bordo d attacco dell ala luci di emergenza. Fig Luci esterne Le luci di via utilizzano le stesse convenzioni usate in marina che consentono di capire la direzione di moto del velivolo (rosso a sinistra, verde a destra e bianco in centro). Le luci anticollisione, lampeggianti, aumentano la visibilità del velivolo rispetto alle luci fisse. I fari di atterraggio e di taxing consentono una illuminazione delle piste in fase di atterraggio e di taxing. I fari di ispezione del bordo di attacco dell ala ne consentono un controllo in caso di anomalia. Le luci di emergenza intervengono in caso di incidente per illuminare le zone di uscita di emergenza. 5.17

18 5.14 Cariche elettrostatiche Il velivolo accumula facilmente cariche elettrostatiche sulla sua superficie esterna. Per evitare problemi dovuti alla presenza di queste cariche sono necessarie diverse azioni: evitare la possibilità di formazione di archi elettrici assicurando con opportuni collegamenti la continuità elettrica fra tutte le superfici esterne del velivolo, continuità che potrebbe mancare per esempio fra ala e superfici mobili; disporre dispersori che attraverso delle punte, dove quindi si ha una addensamento di carica elettrostatica, creino delle scariche; assicurare una volta atterrati l equilibrio di potenziale fra il velivolo ed il terreno. Fig Collegamenti per ristabilire continuità elettrica 5.18

19 5.15 Esempi di impianti elettrici Airbus A

20 McDonald Douglas MD

21 5.21

22 5.22

23 5.16 Bibliografia EHJ Pallett; Aircraft Electrical Systems, Pitman,1976. S.Chiesa, Impianti Di Bordo Per Aeromobili: Impianto Elettrico, CLUT, G.G.Wakefield; Aircraft Electrical Engineering, Chapman & Hall, R.H.Kaufmann, H.J.Finison; Dc Power Systems For Aircraft, Wiley, J.L.McKinley, R.D.Bent; Electricity And Electronics For Aerospace Vehicles, McGraw- Hill, Aircraft Electrical Power Systems, SAE,