SISTEMA DE PARTIDA E GERAÇÃO DE ENERGIA PARA TURBINA AERONÁUTICA.

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1 SISTEMA DE PARTIDA E GERAÇÃO DE ENERGIA PARA TURBINA AERONÁUTICA. Marco Antonio Souza 1, Milton Benedito Faria 2, Carlos Eduardo Cabral Vilela, Prof. MSc 3. Homero Santiago Maciel, Prof. DR 4. UNIVAP, AV. Shishima Hifumi, 2911, Urbanova, S.J.Campos-SP marco@ita.br 1 ; mfaria@bidim.com.br 2 ; cvilela@univap.br 3.homero@ita.br 4 UNIVERSIDADE DO VALE PARAIBA -UNIVAP 1, 2,3 ; INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA-ITA 4 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 1

2 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. Figura 2- Speed Control. Tabela 2 Especificações do motor. Eficiência 86% Corrente sem carga / 10 V 2,1 A Corrente de operação 44 A Resistência Interna 275 mohm Tensão 14,8 V 2

3 As principais características do motor Brushless são: 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 50 A Tensão máxima 200 V Tensão reversa 1200V Temperatura 92ºC A ponte trifásica é constituída por diodos e cada um conduz durante um intervalo igual a 120 o. Então dois diodos estarão em condução simultaneamente, um no grupo positivo e outro no grupo negativo do conversor, ocorrendo uma comutação a cada 60 o. 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 3

4 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. Grafico- Gerador (sem Carga) Tensão RPM Figura 8- Gráfico de tensao x velocidade do gerador (sem Carga). Figura 10. Espectro de onda do gerador( sem Carga). A análise do sistema com carga foi obtida na interpreteçao no formato de onda a seguir. A figura 9 apresenta a característica potencia o gerador operando em uma condição linear, ou seja, fora da região de saturação. 22 Gráfico de Potencia Watts 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. Figura 11- Espectro de onda do gerador ( com Carga). 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. 4

5 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, Souza, M. A. Subvenção Econômica FINEP- Otimização Turbo Reator TR3500 para veículos aéreo não tripulados.sao Jose dos Campos, Afjei, E. H. New hydrid brushless dc motor/generator without permanent magnet Sokira, J. T. Brushless DC Motor, electronics commutation and control 1º ed, Pág