El poco frecuente sistema DC del ERJ-145

En grandes aviones existen ventajas a la hora de utilizar energía eléctrica de corriente alterna (AC) en vez de corriente continua (DC). Sin embargo, Embraer decidió en su día producir un avión "totalmente DC": el ERJ 135/145. ¿Cuáles son las ventajas en aviación de utilizar un sistema de alimentación DC en vez de el más común AC?

La DC es más fácil de producir que la AC y se puede invertir fácilmente en AC

Para producir AC de una frecuencia específica se necesita uno de los siguientes métodos:

• Un motor que gira a una velocidad fija.
• Un motor de velocidad variable acoplado a caja de transmisión que normaliza la velocidad de rotación y la mantiene constante.
• Producir DC de alguna manera y luego invertirla a AC.

El segundo método es el utilizado en la mayoría de los aviones modernos, porque simplemente no es posible hacer que el avión mantenga sus motores a RPM constantes durante todo el vuelo. La transmisión variable para estabilizar las RPM del motor es ciertamente pesada y es bastante compleja. Además, es un punto frágil donde se pueden producir fallos. 

En los aviones de última generación, como el A220, ya existen generadores AC de revoluciones variables que mandan la corriente directamente a los consumidores sin ser variada. Son los consumidores en última instancia los que aceptan la corriente en un rango de hercios determinado.

En el ERJ-145, diseñado a finales de los 80 se decidió que, dado el pequeño tamaño, lo mejor era producir DC desde el principio porque la mayoría de la aviónica es electrónica, y la mayoría de la electrónica funciona con DC de bajo voltaje. Existen excepciones, como los giróscopos, las pantallas CRT y otros sistemas como el TCAS y el EGPWS, pero en general existen más sistemas DC que AC. Es una cuestión de peso. Si se montan generadores AC, entonces cada dispositivo necesita su propio convertidor para funcionar internamente con DC. Si se necesita un convertidor para cada dispositivo la complejidad y peso aumenta. En Embarer se preguntaron: Sí de todos modos, se debe convertir AC-DC ¿por qué no utilizar DC-DC y nos ahorramos el peso y la complejidad?

La conversión de voltaje DC-DC es más robusta que AC-AC

Un transformador AC convierte el voltaje en una relación fija, por lo que cuando el voltaje o la frecuencia del lado de entrada fluctúan, se propaga a la salida. Esta fluctuación podría afectar a los dispositivos aguas abajo. Por su parte, los convertidores DC-DC y los convertidores DC-AC tienen una especificación fija, por lo que las fluctuaciones de entrada están aisladas de la salida. Esta protección adicional es ciertamente deseable para la industria de la aviación, donde la seguridad, la confiabilidad y la tolerancia a los fallos son las principales preocupaciones.

Los sistemas DC-DC tienen también algunas limitaciones. En general están limitados a un máximo de alrededor de 400 amperios o 12 kW por dos razones:

1. El tamaño y grosor de los conductores y los buses para transportar la corriente necesaria
2. El desgaste de las escobillas en los generadores de DC se vuelve excesivo.

El EMB 145 con 400 A está en el límite. Los aviones más grandes utilizan un consumo de más de 12 kW y por lo tanto deben usar AC o voltajes más altos (270 VDC). 

En el ERJ-145 existen cuatro generadores DC principales (dos en cada motor) más el APU que está limitado en altura. Por encima de los 30.000 pies el generador del APU solo puede llegar a los 300 amperios. La razón principal es la refrigeración insuficiente del generador a esas alturas. 

En los motores la denominación de los generadores parece inusual: 1-3-2-4. La razón de esta denominación se basa en la “lógica” que intenta poner los números pares a los sistemas montados a la derecha o que operan con la parte derecha y los impares a la izquierda. El motor derecho es el número 2 y por lo tanto lleva los generadores 2 y 4. 

En el diagrama superior se pueden ver la mayoría de los componentes y la llamada EDL o lógica de la distribución eléctrica. La arquitectura del sistema eléctrico en este avión parece complicada a primera vista, pero después de un estudio minucioso de los sistemas y los buses no lo es tanto. Debajo se puede ver el panel de control del sistema eléctrico. Existen pulsadores para cada generador, para el GPU, los buses de aviónica, el sistema AC y la batería de reserva.

1 - GENERATOR BUTTON
− Connects (pressed) or disconnects (released) the associated generator to/from the respective DC Bus.
− Pressing and depressing the Generator Button causes all GCU latches protection circuits to be reset if the associated generator is running
− A striped bar illuminates inside the button when it is released.

2 - GROUND POWER UNIT BUTTON
− Connects (pressed) or disconnects (released) the GPU to/from the electrical system.
− A GPU AVAIL inscription illuminates, in the upper half of the button, when the GPU is properly connected to the airplane receptacle and ready to supply power. The GPU AVAIL inscription extinguishes when the button is pressed and the external power is connected to the electrical network.
− A striped bar illuminates inside the button when it is pressed.

3 - APU STARTER GENERATOR BUTTON
− Connects (pressed) or disconnects (released) the APU starter generator, when APU RPM is above 95%, plus 7 seconds.
− A striped bar illuminates inside the button when it is released.

4 - BATTERY SELECTOR KNOB
OFF - Respective battery contactor is kept open, disconnecting the associated battery from the electrical system. AUTO - The actuation of the respective battery contactor is controlled according to the Electrical Distribution Logic.

5 - ESSENTIAL POWER BUTTON (guarded)
- When pressed the system overrides the automatic transfer to the electrical emergency circuitry, connecting the batteries directly to essential buses, regardless of any other command from the Electrical Distribution Logic. − When released, the power contactors operate automatically according to the Electrical Distribution Logic.
− A striped bar illuminates inside the button when it is pressed.

6 - SHED BUSES SELECTOR KNOB
OVRD - Closes the Shed Buses Contactors, provided the airplane is on ground and at least one generator is operative.
AUTO - Controls the operation of Shed Buses Contactors according to the Electrical Distribution Logic.
OFF - Deenergizes the Shed Buses manually regardless of any other command from the Electrical Distribution Logic.

7 - AVIONICS MASTER BUTTONS
− Connect (pressed) or disconnect (released) the navigation and communication equipment supplied by the avionics switched buses.
− A striped bar illuminates inside the button when it is released.

8 - BACKUP BATTERY BUTTON
− Connects (pressed) or disconnects (released) the backup battery to/from the electrical system.
− A striped bar illuminates inside the button when it is released.

9 - AC POWER BUTTON
− Connects (pressed) or disconnects (released) the inverter to/from the system.
− A striped bar illuminates inside the button when it is released.

10- BUS TIES SELECTOR KNOB
OVRD - Bus Tie Contactors (BTCs) are kept closed regardless of Electrical Distribution Logic, provided that no overcurrent is detected by one of the five GCUs.
AUTO - Controls the operation of the BTCs according to the Electrical Distribution Logic.
OFF - Opens the BTCs and EIC regardless of any other command from the Electrical Distribution Logic.

Existen dos baterías principales de Ni-Cd y una batería de reserva. El inverter se utiliza para energizar el TCAS, el EGPWS y el sistema de detección de Windshear. Este inveter va ligado al BUS 1. Las GCU (Generator Control Unit) se utilizan para hacer el reset de los generadores. Las cajas pintadas en azul que se encuentran en la zona del cockpit son los núcleos de distribución de la potencia eléctrica. Estas cajas son las que contienen la lógica de la distribución, es decir, cosas como cuando se abren y se cierran los contactos y que sistemas se aíslan en caso de fallo.