Nueva tecnología eléctrica introduce cambios en los aviones

La evolución de las instalaciones eléctricas en los aviones civiles ha sido lenta. Las técnicas consolidades tienden a convertirse en "estándares" de la industria, y antes de que se aceptan las nuevas tecnologías muchas veces tienen que pasar muchos años.
Los sistemas eléctricos de los primeros aviones eran de corriente continua (c.c.). A medida que fue aumentando la potencia de los sistemas instalados a bordo, se pasó a los sistemas de corriente alterna (c.a.). Un sistema de c.a. con frecuencia constante era suficiente para todos los equipos eléctricos, a la vez que necesitaba cables de menos sección que los de c.c. Tras más de 40 años, estos son todavía los sistemas que se utilizan en la actualidad.
Pero hoy día los fabricantes de aviones están reconsiderando las técnicas de producción de electricidad, para aprovechar los nuevos sistemas de menor peso y complejidad.
Una fuente de alimentación de frecuencia constante produce una corriente de c.a. a 115 y V y a la frecuencia de 400Hz. Esta frecuencia constante se produce normalmente mediante un motor hidromecánica de velocidad constante instalado entre el generador y la reductora, de modo que hace girar el rotor a velocidad constante a pesar de las distintas revoluciones a las que gire el eje secundario de la reductora.
Aunque este sistema de c.a. a frecuencia constante tiene muchas ventajas sobre los c.c. también tiene sus problemas, pues como el motor tiene que girar a la velocidad constante, sus componentes tienen que ser de precisión y por tanto son caros de fabricar y de mantener. Además esa velocidad se ve afectada por la distinta carga del generador e incluso por la temperatura del aceite. Un motor de velocidad constante que funcione continuamente al máximo rendimiento tiene una vida útil relativamente corta.
Todos estos inconvenientes han llevado a los fabricantes y usuarios a buscar otras alternativas. Actualmente el único método viable de producir electricidad a frecuencia constante es el grupo electrógeno integrado. Combinando un motor a velocidad constante y un generador en un solo bloque resulta más pequeño, ligero y de menos mantenimiento. Pero, como el motor de velocidad constante, el conjunto es caro, complejo y con alto coste de mantenimiento.
Lucas Aerospace, empresa británica especializada en sistemas de c.c. y c.a. de frecuencia variable, viene investigando desde hace años métodos más eficientes de producir electricidad para las turbinas de los aviones y pensó que quizá la mejor solución no era un sistema de frecuencia constante. Desde hace varios años fabrica sistemas de frecuencia variable para pequeños aviones de turbohélice ya principios de esta década comenzó a desarrollar un sistema similar para las grandes turbinas.
El director de sistemas eléctricos de Lucas Aerospace explica: "La clave para resolver muchos de los problemas que presentaban estos sistemas era eliminar el motor de velocidad constante. Por eso empezamos a desarrollar un sistema de frecuencia variable (FV) que produjera electricidad con la misma fiabilidad que uno de frecuencia constante, pero sin las complicaciones que planteaba un motor de velocidad constante".
Eliminado el motor se obtiene una electricidad de FV con mayor fiabilidad, menos peso y más barata. Pero este enfoque suponía un cambio radical, lo que provocó el escepticismo de los fabricantes y usuarios, cuyo principal problema era el impacto que tendría la FV sobre los equipos eléctricos que estaban proyectados específicamente para frecuencia constante.
Lucas Aerospace inició un amplio programa de investigación y colaboración con fabricantes de equipos y sistemas hiidráulicos de combustible, de iluminación, aviones y de calefacción para probarlos en un banco de pruebas construido al efecto en la factoría de Lucas Aerospace en Hermel Hempstead, al sur de Inglaterra. Las pruebas demostraron que la mayoría de los equipos no se veían afectados por el cambio de frecuencia y que, si hubiera que modificar algunos de ellos, sobre todo los movidos a motor, esas modificaciones no supondrían un aumento importante del coste.
Los resultados del estudio pusieron también de manifiesto la importancia de la "calidad de la electricidad" en un sistema de FV. Un equipo eléctrico está diseñado generalmente para funcionar con una fuente de alimentación definida por la norma MIL-STD-704E, que especifica muchos aspectos de lo que llamamos calidad de la corriente eléctrica, por ejemplo los límites de aumento de tensión de las transitorias.
Lucas Aerospace adoptó esa norma para diseñar su sistema de FV, reduciendo así el impacto que tendría sobre los equipos eléctricos. Para conseguir esa calidad en una gama muy amplia de frecuencias, la compañía desarrolló una avanzada tecnología eletromagnética junto con sistemas electrónicos de alta velocidad para regulación de tensión y protección. Al mismo tiempo aseguraba que el nuevo sistema de FV se podía someter a las prácticas de mantenimiento de los modernos aviones, para lo que incorporó unos controladores electrónicos digitales muy funcionales.
En junio de 1994 Lucas Aerospace ganó un concurso para instalar el sistema eléctrico completo del reactor de empresa de largo alcance Bombardier Global Express. Este sistema lleva un generador de FV conectado a un avanzado sistema de control automático, convirtiéndose así en la primera aplicación de un sistema de FV a un avión a reacción y abriendo el camino a su introducción a nivel general en todos los aviones.
En 1998 a 1999 el Bombardier Global Express recibió la homologación de los organismos Transport Canada, FAA (de Estados Unidos) y JAA (de la UE), de modo que el sistema de FV se convertía en el primero homologado en un avión civil. Desde entonces ha demostrado que cumple todos los requisitos de la industria para todos los motores de aviación de la última generación.
Aunque la FV ha demostrado su utilidad en estos pequeños reactores, los aviones grandes plantean otros problemas. Para adaptarse a la diferencia de velocidad de un avión turbohélice y un turbofan, los requisitos de las fuentes de alimentación de FV se han dividido en dos: una corriente de 360 a 600Hz, que cubre los aviones turbohélice y los turbofan de baja velocidad (que cumplen prácticamente los mismos requisitos que si la electricidad fuera frecuencia constante) y otra de 360 a 800Hz que cubre todos los grandes aviones de reacción e incluso los mayores que están actualmente en proyecto.
El gran consumo eléctrico de los grandes aviones requiere generadores más grandes lo cual supone que no sólo hay que mantener la misma calidad de la corriente para sea mayor potencia y velocidad, sino que hay que cuidar más la integridad mecánica de equipos como los generadores que son más grandes y funcionan a más velocidad. Además hay que utilizar cables más largos, lo cual supone una mayor impedancia y el consiguiente deterioro de la calidad de la corriente y, por otro lado, los futuros equipos eléctricos deben incluir nuevas funciones, por ejemplo para reducir los efectos de la distorsión armónica de la fuente de alimentación que se hacen cada vez mayores debido al aumento de la carga y de dispositivos electrónicos, como todos los que llevan los sistemas de entretenimiento a bordo.
Lucas Aeropace participa actualmente en varios programas de demostración para demostrar la viabilidad de los sistemas de FV a los aviones más grandes, en un programa que se desarrolla con éxito desde hace dos años. También estudia la aplicación de la tecnología de FV a los aviones militares.
La compañía está convencida de que los problemas que encuentre en este nuevo camino se pueden resolver y que esta técnica se irá confirmando con el paso del tiempo, a medida que vayan entrando en servicio los nuevos aviones civiles y militares.