sistema de partida e geração de energia para turbina

SISTEMA DE PARTIDA E GERAÇÃO DE ENERGIA PARA TURBINA AERONÁUTICA.
Marco Antonio Souza1, Milton Benedito Faria2, Carlos Eduardo Cabral Vilela, Prof.
MSc3. Homero Santiago Maciel, Prof. DR4.
UNIVAP, AV. Shishima Hifumi, 2911, Urbanova, S.J.Campos-SP
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[email protected] ; [email protected] ; [email protected] [email protected]
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UNIVERSIDADE DO VALE PARAIBA -UNIVAP
; INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA-ITA
Resumo – O objetivo principal desta proposta é especificar e desenvolver uma unidade de “starter
generator”, ou seja, um sistema composto por motor e gerador, com as características que atendam as
exigências de motores aeronáuticos. Adicionalmente o projeto propiciará aumento de capacidade nacional
para o desenvolvimento de sistemas de turbinas para outras aplicações especificas, difundindo seu uso em
variados setores da indústria brasileira. Tal projeto será constituído de motor Brushless, ponte retificadora,
controlador de velocidade e regulador de tensão. O sistema é inovador no Brasil e se apresenta como
expoente para abertura de pesquisa e desenvolvimento.
Palavras-chave: Turbina, Energia, Engenharia, Motor brushless.
Área do Conhecimento: III – Engenharias.
Introdução
Tem sido muito rápido o processo de
desenvolvimento de turbina a gás para aviões.
Este método tem sido objeto de interesse por
projetistas de aeronaves durante muito tempo,
más inicialmente devido a baixas velocidades dos
motores a pistão para produzir alta velocidade no
fluxo de ar tem causados muitos obstáculos
(ROLLS ROYCE et al., 1986).
Sabe-se que, atualmente pouquíssimos países
conseguem juntar conhecimento, estrutura e
capacidade técnico – cientifica para desenvolver,
construir e homologar motores aeronáuticos.
Podemos citar, entre estes, França, Estados
Unidos, Inglaterra e Canadá. No Brasil, um projeto
de tal magnitude jamais foi posto em pratica,
sendo todos os motores utilizados, sejam em
aviões militares ou civis, importados de países
fabricantes, tornando caro tanto o produto como
sua manutenção.
Com o desenvolvimento e construção das
primeiras turbinas aeronáuticas no Brasil surgiu a
necessidade de um sistema de partida compacto e
que ao mesmo tempo funcionasse como gerador
de energia elétrica para suprimento do sistema de
controle e navegação,
veículos aéreos não
tripulados – (VANTS) (SOUZA et al., 2008).
O procedimento de partida para todos os tipos
de turbina é basicamente o mesmo, mas pode ser
alcançado por vários métodos. O tipo e a fonte de
energia para o sistema de partida variam de
acordo com os requisitos da turbina e do
equipamento; pode-se utilizar sistema elétrico,
outros utilizam gás e outros utilizam sistema
hidráulico sendo que cada um oferece suas
vantagem e desvantagem.
As aeronaves militares necessitam de um
tempo de partida mínimo que quando possível,
deve ser completamente independente de
equipamento externo. Uma aeronave comercial
necessita de um sistema de partida econômico e
com a menor perturbação aos passageiros.
Adicionalmente para qualquer sistema, a
confiabilidade dever ser um fator de extrema
importância (ROLLS- ROYCE; et al 1987).
Motores elétricos são componentes essenciais
nas indústrias hoje em dia, sendo estimado que
mais de 5 milhões de motores sejam fabricados no
mundo a cada ano. Em geral existem dois tipos de
motores:
motores
de
corrente
alternada
usualmente mais baratos e de baixo custo de
manutenção, porém com controle preciso de
velocidade é mais difícil.
Os motores de corrente continua (CC) são mais
caros, porém permitem um controle preciso de
velocidade. Os motores CC convencionais são
altamente eficientes e suas características fazem
com que sejam utilizados em diversas aplicações.
Um dos grandes problemas é a comutação
através de escovas de carvão que exigem
manutenção constante e causam interferências
nos circuitos. Quando a comutação foi substituída
por chaves de estado sólido, nasceu então o
motor sem escova (brushless) livre dessa
manutenção e com grande vantagem ganhou
popularidade rapidamente sendo usado nas mais
diferentes
aplicações
como
indústria
automobilística,
aeroespacial,
aplicações
domesticas etc. (AFJEI et al.,2007).
A tecnologia brushless é composta de: Motor,
sistema de sensoriamento e sistema de controle.
O motor Brushless consiste de um rotor em
que são montados os imãs permanentes sempre
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em pares de pólos. Estes imãs fornecem o fluxo
de campo que irá interagir com o campo das
bobinas do estator.
O estator contém enrolamento onde a corrente
é chaveada nas bobinas de forma controlada e
seqüencial e a interação com o fluxo de campo
produz torque.
Para garantir uma correta seqüência de
chaveamento no tempo certo são utilizados
sistemas de sensores absolutos que podem ser
magnéticos, ópticos ou outros arranjos.
O sistema de controle consiste primeiramente
de dispositivos de potência como amplificadores
Darlington ou Fets.
O circuito de controle opera com correntes
muito baixas que chaveiam os transistores de
potência,
pode-se
também
utilizar
microprocessadores para incrementar o circuito de
controle. (SOKIRA et al.,1990)
Metodologia
Será projetado e desenvolvido um sistema
eletroeletrônico de controle da partida de uma
turbina e após atingir a rotação de autosustentação, o motor passa a funcionar como
gerador com a finalidade de fornecer energia
auxiliar para o sistema de controle e navegação de
VANT.
Será montando um protótipo para ensaio em
bancada composto por um motor brushless, seu
driver de controle e os demais componentes que
completam o sistema de partida e geração de
energia. Conforme figuras 1 e 2.
Com a vantagem de seus recursos de
programação é possível ajustar o desempenho
dos motores brushless e é possível incrementar
em ate 15% a potencia do motor.
A forma eficiente de controlar velocidade e
torque é fazer uso da modulação por largura de
pulsos ( PWM). O controle PWM mantém o torque
mesmo em baixas velocidades.
As especificações se encontram na tabela
abaixo.
Tabela 1- especificações do Speed
Control.
Corrente continua
70 A
Voltagem
14,8 V
Tipo de bateria
Selada 7,5 Ah
Freqüência
37 Hz
Uma vantagem a ser citada com relação ao
controlador, corresponde a aplicação
de
capacitores de uso militar com uma resistência
interna baixíssima na entrada da fonte de tensão,
prevenindo interferências (ruídos) gerados pelos
“speed control”.
Os motores Brushless são fabricados com a
última tecnologia em materiais ferromagnéticos e
resultam em uma excelente eficiência, altíssima
qualidade de fabricação, confiabilidade e
desempenho. Tal motor é ilustrado na figura 3
Figura1- Diagrama de blocos do sistema.
Figura 3- Motor Brushless Emax.
As especificações do motor Brushless se
encontram na tabela 2.
Tabela 2 – Especificações do motor.
Figura 2- Speed Control.
Eficiência
86%
Corrente sem carga / 10 V
2,1 A
Corrente de operação
44 A
Resistência Interna
275 mOhm
Tensão
14,8 V
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As principais
Brushless são:
características
do
motor
•
•
•
•
•
•
Comutação eletrônica;
Ímãs de neodímio;
Vida útil insuperável;
Sem fricção;
Baixo nível de ruído;
Altas velocidades inclusive com baixas
voltagens;
Para converter a tensão alternada em continua
será utilizada uma ponte trifásica conforme a
figura abaixo.
Figura 5 - Imagem do sistema montado.
O circuito da figura 6 apresenta de forma
esquemática o regulador de tensão ajustável de
1,8 V a 33 V com corrente até 3A, que deve ser
acoplado na saída da ponte retificadora trifásica. A
função desse regulador é controlar a tensão na
entrada da bateria, devido à rotação variável do
gerador.
Figura 4- Ponte Trifásica SKD 50/02.
As especificações da ponte trifásica
50/02 são apresentada na tabela 3.
SKD
Tabela 3 – Especificações da ponte trifásica.
Corrente operação
Tensão máxima
Tensão reversa
Temperatura
50 A
200 V
1200V
92ºC
A ponte trifásica é constituída por diodos e
o
cada um conduz durante um intervalo igual a 120 .
Então dois diodos estarão em condução
simultaneamente, um no grupo positivo e outro no
grupo negativo do conversor, ocorrendo uma
o
comutação a cada 60 .
A freqüência da componente fundamental da
tensão é igual a 6 vezes a freqüência das tensões
de alimentação.
O conjunto montado pode ser facilmente
verificado na figura 5.
Figura 6- Diagrama elétrico.
O circuito montado referente ao diagrama
esquemático da ultima figura é demonstrado na
Figura 7- Regulador de Voltagem.
Resultados
Após os primeiros ensaios realizados com o
motor Brushless acoplado a um motor universal de
300W, foi possível levantar parâmetros de
velocidade, corrente e tensão, tanto para o
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funcionamento como gerador quanto para
funcionamento como motor. A curva referente ao
comportamento da tensão em relação à
velocidade do gerador sem carga é demonstrada
no gráfico a seguir.
G rafico- Gerador (sem Carga)
18
16
Tensão
14
12
10
Figura 10. Espectro de onda do gerador( sem
Carga).
8
6
6000
8000
10000
12000
14000
16000
RPM
A análise do sistema com carga foi obtida na
interpreteçao no formato de onda a seguir.
Figura 8- Gráfico de tensao x velocidade do
gerador (sem Carga).
A figura 9 apresenta a característica potencia o
gerador operando em uma condição linear, ou
seja, fora da região de saturação.
Gráfico de Potencia
22
20
18
16
Watts
14
12
Figura 11- Espectro de onda do gerador ( com
Carga).
10
8
6
4
2
4000
6000
8000
10000
12000
14000
RPM
Figura 9- Gráfico de Potência x velocidade
Durante os testes observou-se que na faixa de
37 a 45 watts o gerador começa a entrar na região
de saturação.
O teste referente ao comportamento do
espectro do gerador sem carga demonstrou o
funcionamento perfeito do sistema. Tal resultado
foi verificado na forma de onda obtida através de
um osciloscópio.
A figura 10 apresenta o formato de onda obtido
no osciloscópio.
O resultado satisfez
as expectativas do
projeto.
Nos ensaios realizados não foram utilizados
elementos de filtragem de sinal na entrada da
ponte retificadora.
É de conhecimento que estes filtros são
obrigatórios para redução do conteúdo harmônico
e que em aplicações reais não podem ser
desprezados.
Isto pode ser observado na figura 11, onde o
sinal sofreu distorção harmônica devido a falta de
um filtro.
Discussão
O desenvolvimento do protótipo está em fase
de conclusão, falta desenvolver a interface entre o
controlador lógico programável (CLP) e o speed
control.
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Algumas dificuldades foram encontradas no
controle da modulação por largura de pulsos
(PWM).
Conclusão
O objetivo principal é adquirir competência para
desenvolvimento de equipamentos que atendam
aos vários desafios envolvidos nos projetos de
motores de partida e geradores para VANTS.
Durante o desenvolvimento foi possível
detectar alguns pontos críticos e limites que são
fundamentais na construção desses equipamentos
e que devem ser considerados em projetos
definitivos.
Conclui-se que o projeto atingiu o propósito
pretendido
que
é
a
demonstração
de
funcionalidade de uma unidade Starter Generator
utilizando motor Brushless.
Referências
ROYCE, The JET Engine. 4º ed, Pág, 1 – 122,
1987.
Souza, M. A. Subvenção Econômica FINEPOtimização Turbo Reator TR3500 para veículos
aéreo não tripulados.Sao Jose dos Campos,
2008.
Afjei, E. H. New hydrid brushless dc
motor/generator without permanent magnet.
2007.
Sokira, J. T. Brushless DC Motor, electronics
commutation and control 1º ed, Pág. 101-135
1990
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