Proteção Diferencial e Operação em Paralelo
no Sistema Elétrico da Aeronave

Onde a energia da aeronave se reúne — a barra

• Toda a energia gerada na aeronave se reúne num ponto comum: a barra.
• A barra é o nó por onde passa a alimentação dos equipamentos de bordo.
• Da barra partem os circuitos que distribuem essa energia pela aeronave.
• É na barra que as fontes se somam — e é por ela que uma falha se espalha.

Dois ou mais geradores, uma barra — a aeronave multimotora

• A aeronave multimotora tem mais de uma fonte de energia a bordo.
• Cada motor aciona o seu próprio gerador ou alternador.
• Todos alimentam a mesma barra, ao mesmo tempo.
• Com isso, a perda de um não deixa a aeronave sem energia.
• Fontes trabalhando juntas numa barra: é a operação em paralelo.

Por que desconectar rápido: a janela entre a falha e o dano

• Havendo falha elétrica, o alternador tem de sair da barra.
• Os disjuntores abrem rápida e automaticamente.
• Retirado a tempo, evita-se que ele queime.
• A correção rápida também diminui o perigo de incêndio e o dano ao sistema.
• Entre a falha e o dano há uma janela de tempo: a proteção existe para caber nela.

Duas tarefas do sistema: proteger e repartir

• O sistema elétrico da aeronave tem duas tarefas distintas.
• Proteger: retirar da barra a máquina que falhou, antes que ela queime.
• Repartir: fazer os que permanecem dividirem a carga entre si.
• A proteção age depois que algo falhou; a repartição evita que a falha nasça do procedimento.

O que precisa ser protegido no alternador

• Um alternador não pode continuar ligado à barra depois que a falha aparece.
• Os contatos precisam abrir rápido e automaticamente — senão ele queima.
• Curto interno: entre as fases ou à massa.
• Curto na linha: carga excessiva e campo acima do normal.
• Alternador vizinho inoperante: a carga passa para quem fica.
• A ação é sempre a mesma: retirar o alternador da barra.

A família de relés do circuito

• A proteção não é um só relé: é um conjunto.
• O excitador é o enrolamento de campo do alternador — quem cria o campo.
• O campo é energizado em corrente contínua — em CA pesaria mais.
• Vigia duas grandezas: corrente de linha e corrente de campo.
• Relés de sobrecarga e diferencial: corrente de linha.
• Relé do excitador (térmico): corrente de campo.

O dispositivo: o que o relé diferencial compara

• Nome completo: relé de proteção de corrente diferencial.
• A comparação é dentro da mesma fase, nunca entre fases.
• Ele confronta a corrente que entra em uma fase com a corrente que sai dessa mesma fase.
• As duas correntes passam pelo mesmo núcleo toroidal, dentro do relé.

O que ele mede é a diferença, não a intensidade

• Enquanto entra e sai a mesma corrente, o relé não opera.
• A intensidade não importa: a igualdade mantém o relé parado.
• Entram 200 A e saem 200 A: diferença zero, nada acontece.
• Entram 200 A e saem 197 A: diferença de 3 A — há caminho paralelo na zona.
• O relé mede uma diferença, não um patamar de corrente.

I_dif = I_entra − I_sai

Como o relé mede: os transformadores de corrente

• Os dois fios de cada fase atravessam as aberturas circulares do relé.
• Cada abertura é o núcleo de um transformador de corrente.
• Os condutores são o primário; o secundário aciona o mecanismo de contatos.
• O relé não entra em série na linha: os condutores apenas atravessam.
• A ligação com a potência é pelo acoplamento magnético, sem corte na linha.

Por que a comparação funciona: campos que se cancelam

• Os dois condutores da fase atravessam o mesmo núcleo, em sentidos opostos.
• Em operação normal, os ampères-espiras (força magnetomotriz: corrente × voltas) de um anulam os do outro.
• Sem fluxo no núcleo, não há corrente no secundário; o relé fica parado.
• O relé opera quando uma falha desequilibra as correntes e cria corrente no secundário.
• Partida, carga pesada ou leve não o acionam — só o desequilíbrio.

Operação normal × falta: a variável é a igualdade

• Normal: a corrente entra e sai da zona com a mesma intensidade.
• Os campos se cancelam, nada flui no secundário e o relé não opera.
• Falta: um curto interno desequilibra as correntes e cria uma diferença nas linhas.
• O desequilíbrio faz fluir corrente no secundário e o relé opera.
• O que muda não é o valor da corrente: é a igualdade.

Curto entre fases e falta à massa: os três caminhos de retorno

• Na mesma abertura toroidal, três caminhos de retorno: normal, curto entre fases e falta à massa.
• No normal, as setas iguais e opostas zeram o secundário; nos dois defeitos, ele acende.
• Mais usado nas aeronaves de grande porte: numa multimotora, cobre cada máquina da barra.
• Se o próprio relé diferencial falhar (não operar), quem cobre é o relé de proteção do excitador.

Um detector cobre os dois defeitos

• Curto entre fases: o isolamento falha entre dois enrolamentos e a corrente retorna por outra fase.
• Falta à massa: o isolamento falha contra a massa e a corrente retorna pelo chassi.
• Nos dois, a corrente que entra difere da que sai.
• Basta a ida e o retorno de cada fase na abertura: um detector cobre os dois defeitos.

A corrente que não retorna pela zona

• Numa fase sadia, a corrente que entra pelo condutor de ida sai pelo de retorno.
• Rompido o isolamento na zona, parte dela não volta pelo condutor de retorno (o que se chama de corrente de fuga).
• Essa parcela circula pela falha, entre as fases ou para a massa.
• É essa parcela que o secundário enxerga — e ela faz o relé operar.
• Não confundir: esta é a corrente que não retorna — não é uma simples inversão de sentido.

A zona protegida e a sua fronteira

• A zona protegida é o interior do alternador: enrolamentos, terminais internos e isolamento.
• Ela termina onde os dois fios de cada fase atravessam a abertura do relé.
• Fora do percurso, a corrente de entrada e a de saída são iguais.
• Falha na zona — enrolamento, terminal interno, isolamento à massa: atua.
• Falha fora — fiação, barra, disjuntores, carga: não atua.
• Fora da zona respondem o relé protetor de sobrecarga e o relé de proteção do excitador.

A religação: quando a zona muda

• A zona depende do caminho físico: os dois fios de cada fase atravessam a abertura do relé.
• Depois de reparo no chicote, troca do relé ou do alternador, a religação segue as instruções do fabricante.
• Condutor pelo lado errado, ou pelo número errado de voltas, muda a zona.
• Resultado: o relé fica cego para a falha ou atua sobre carga normal.
• Há grande número de sistemas: seguir o manual em todos os casos.

O que abre a linha: CLOSE, TRIP e a trava mecânica

• Quem abre a linha é o contator da linha principal.
• A bobina CLOSE é um eletroímã de CC que fecha os contatos.
• A bobina TRIP libera os contatos e abre o circuito.
• Só o pulso momentâneo de CLOSE e TRIP é necessário.
• Uma trava mecânica mantém os contatos fechados até a TRIP liberá-la.
• Não precisa manter a CLOSE energizada para o alternador ficar na barra.

A cadeia de desarme, passo a passo

• O relé diferencial não abre a linha — ele arma o desarme.
• A excitação do excitador cai antes de a linha abrir.

A cadeia de desarme: do relé ao contator

• Desequilíbrio na zona → os contatos do relé diferencial fecham.
• A TRIP do excitador abre o campo do excitador.
• A TRIP do excitador fecha a TRIP do contator da linha principal.
• O contator abre os contatos principais: o alternador sai da barra.
• Na sobrecarga, o relé térmico abre o campo e desliga o alternador ao mesmo tempo.
• A excitação cai antes da linha: o alternador não segue gerando sobre uma linha rompida.

O alternador fora da barra: a carga migra

• A carga do alternador que saiu migra para o que permanece na barra.
• A corrente de campo do remanescente sobe para fornecer a carga maior.

O que acontece com quem fica na barra

• A retirada da barra pode ser automática ou por comando remoto.
• Com o alternador fora, os que ficam passam a alimentar essa carga.
• Havendo carga excessiva, a voltagem do excitador do que fica sobe para fornecer a carga maior.
• O relé térmico do excitador atua quando a corrente de campo cresce o bastante para causar danos.
• Os disjuntores devem abrir rápida e automaticamente — senão o alternador pode queimar.

O que se inspeciona no alternador

• A unidade deve ser mantida limpa e as ligações elétricas firmes.
• Verificam-se as escovas do excitador quanto a desgaste e ao estado das superfícies.
• Parte áspera do comutador ou do anel do coletor: lixar levemente com lixa 000.
• O relé diferencial: montagem firme, contatos sem queimaduras, teste de continuidade; a troca é por condição, não por horas de voo.
• Após a retirada, a barra individual pode ser checada operando o equipamento ligado a ela.
• Registro de desarme, ligações firmes e condições das escovas guiam a decisão.

O relé de sobretensão: o guardião do limite superior

• Quando a saída do gerador atinge 32 V, o relé de sobretensão fecha.
• O fechamento desarma a bobina do relé de controle do campo.
• O campo abre em paralelo por um resistor: a corrente de campo cai e a voltagem acompanha.
• Uma luz de aviso acende no painel.
• O sistema só rearma no RESET do interruptor da cabine.
• Em multimotor, o circuito do interruptor e o de equalização também abrem.

A proteção do excitador (térmica)

• O dispositivo é o relé de proteção do excitador, operado termicamente.
• Opera quando a corrente de campo do excitador sobe a ponto de causar danos ao alternador.
• Carga excessiva (curto na linha ou vizinho inoperante) eleva a voltagem do excitador.
• O relé térmico fecha a TRIP: abre o campo e desliga o alternador da linha.
• O retardamento permite superexcitação (o campo acima do normal, por instantes) e evita o desarme na primeira ponta de corrente.

Voltagem abaixo do previsto: o quadro de subtensão

• Subtensão: a voltagem de saída fica abaixo da especificada.
• Se o alternador deixa de fornecer a voltagem prevista, a sequência do manual é:
• testar o voltímetro · comparar com outro voltímetro ou com os outros alternadores · verificar a fiação, as escovas e a unidade de transmissão.
• Sem pane identificada, o excitador pode ter perdido o magnetismo residual — recuperável pela excitação do campo.
• Sem indicação de voltagem depois disso, o alternador é substituído.

Sem excitação, sem voltagem

• Sem corrente de campo não há voltagem: a excitação cria o campo magnético do alternador.
• A perda de excitação retira o alternador de operação sem falha de isolamento.
• Dois pontos governam o campo: o relé de controle do excitador e o contator da linha principal.
• O contato auxiliar do contator fecha o campo sempre que os contatos principais se fecham.
• Linha e campo abrem juntos: a excitação cai antes da saída da barra.

Geradores em paralelo: o que é

• Dois ou mais geradores na mesma carga estão em paralelo.
• Cada um fornece uma parte proporcional da corrente total.
• A repartição vem das máquinas — e exige-se que a carga seja distribuída por igual.
• Um pequeno aumento de voltagem faz um gerador assumir quase tudo.
• Assim se somam as capacidades numa única barra.

Ampère-carga: por que a corrente mede a carga

• A potência de um gerador é chamada de ampères-carga.
• É medida em watts: voltagem × corrente.
• Com a voltagem considerada constante, sobra a corrente como medida.
• Ler a corrente de cada gerador é ler a parcela que ele entrega.
• Daí o painel trazer amperímetros, e não wattímetros.

P = V × I — com V constante, P ∝ I.

A divisão da corrente entre dois geradores

• A corrente total é a soma das correntes de cada gerador.
• Com 300 A no total, a divisão igual dá 150 A em cada.
• A divisão é comandada pela voltagem de saída de cada gerador.
• Tensão maior assume mais corrente; tensão menor, menos.
• Nada iguala sozinho: depende dos reguladores.
• É o papel do sistema de equalização.

I₁ + I₂ = I_total; em equilíbrio, 150 A cada (300 A / 2).

Quando um gerador não acompanha

• Um pequeno aumento de voltagem faz um gerador assumir quase tudo.
• Com 300 A, pode dar 100 A num e 200 A no outro.
• Surge corrente de equalização, que corrige as tensões.
• Com carga pequena, a bobina de corrente não arma e o relé não fecha.
• Carga maior: a equalização sobe a tensão e o relé fecha.
• Uma vez fechados, os contatos se retêm até o comando desligar ou a velocidade cair.

"Diferencial" em dois sentidos

• Diferencial nomeia dois dispositivos distintos.
• Corrente diferencial: compara a corrente que entra e a que sai de cada fase.
• Diferencial do gerador CC: compara a voltagem do gerador com a da barra.
• O primeiro protege o alternador de curtos internos.
• O segundo liga e desliga o gerador da barra.
• Mesmo apelido, grandezas diferentes.

O relé diferencial do gerador CC: fecha e abre

• Fecha quando o gerador excede a barra: o IAC (manual brasileiro) pede 0,35 a 0,56 V.
• A 22 V (arme do manual), o relé de voltagem arma o circuito.
• Abre na corrente reversa — falha do regulador, do motor ou da excitação.
• A corrente reversa enfraquece o ímã e a mola abre os contatos; sobrecarga não é causa.
• O piloto também corta no interruptor.

V_gerador > V_barra + 0,35 V | arme ≥ 22 V

O que há dentro do relé que fecha e abre

• Três peças: relé de voltagem, diferencial e contator.
• Duas bobinas no mesmo núcleo.
• Bobina de voltagem: muitas espiras finas, em paralelo.
• Bobina de corrente: poucas espiras grossas, em série.
• Ímãs pivotados entre as peças polares (faces do eletroímã) giram e fecham os contatos.
• Limiar: o IAC (brasileiro), 0,35 a 0,56 V; o FAA (americano), 0,35 a 0,65 V — autoridades distintas, ambas válidas; ajuste do conjunto, não constante física.

V_ger > V_bar + 0,35 V

O gerador não conecta: por onde procurar

• Sintoma: o gerador ganha voltagem, mas não entra na barra.
• 1.º o interruptor alimenta a bobina do relé de voltagem.
• 2.º a 22 V ele fecha e energiza a bobina diferencial.
• 3.º o contato do diferencial fecha e o contator liga a barra.
• São duas bobinas de voltagem: a do relé (22 V) e o enrolamento L5 — a bobina de voltagem do relé diferencial.
• Causa provável: L5 aberto — confirme por continuidade.

As duas ligações do paralelismo

• O paralelismo CC tem duas ligações: negativa e positiva.
• Nas duas, mede-se a corrente e corrige-se a voltagem.
• Comum às duas: a bobina de equalização no núcleo do regulador; muda só a posição do resistor calibrado.
• Negativa: o resistor vai do terminal "E" (ponta do resistor calibrado) à massa.
• Positiva: os resistores ficam nos terminais "K" e "D" (as pontas do circuito de equalização).

Ligação negativa: a queda no resistor calibrado

• Com corrente máxima, a queda no resistor é de 0,5 V.
• Correntes iguais → quedas iguais → sem sinal.
• Correntes diferentes → sinal: 150 A dá 0,25 V; 300 A dá 0,5 V.
• A corrente vai do "E" de maior corrente para o de menor.

E = I × R (300 A → 0,5 V; 150 A → 0,25 V).

Ligação positiva: o sinal nos terminais K e D

• Equilíbrio: 150 A em cada, sem corrente.
• Desequilíbrio: 100 A num e 200 A no outro.
• Lei de Ohm: 200 A dá 0,5 V; 100 A dá 0,25 V.
• A diferença de 0,25 V empurra a corrente no sentido das setas.

E = I × R (200 A → 0,5 V; 100 A → 0,25 V; Δ = 0,25 V).

O efeito da corrente de equalização nos reguladores

• No regulador 1, bobina de equalização e de voltagem se opõem: o eletroímã enfraquece.
• A mola comprime os discos de carvão do regulador (encostados, a resistência cai) e a voltagem do gerador 1 sobe.
• No regulador 2, os campos se auxiliam.
• Menos pressão nos discos, mais resistência: a voltagem do gerador 2 cai.
• As quedas nos resistores se igualam e a equalização cessa.

Como se ajusta cada gerador

• A operação pede voltagem constante.
• Só a corrente de campo se controla: a velocidade vem do motor.
• Mais resistência no campo → menos campo → voltagem cai; menos resistência → sobe.
• Nos reguladores, mola e reostato do eletroímã fixam o valor mantido.
• Ajustar a voltagem é ajustar a corrente de campo.

I_campo = V / R_campo.

Regulagem mal ajustada: 100 / 200 A

• Tensões diferentes: o de maior tensão assume a maior parte da carga.
• Com 300 A totais, pode ser 100 A num e 200 A no outro.
• O sobrecarregado chega perto do nominal; nele atua o limitador de corrente — o regulador que limita a corrente de saída.
• É ele que mais castiga as escovas e o comutador.
• O ocioso trabalha abaixo da capacidade.
• Leituras desiguais com carga constante apontam para o circuito de equalização.

Por que sincronizar antes de ligar

• Ligar um alternador à barra em operação exige condições satisfeitas antes.
• No CC bastava acertar voltagem e divisão de carga.
• No CA existem, além dessas, a sequência de fase — a ordem em que as três fases atingem o pico: "A", "B", "C" — e a frequência.
• Fechar fora de fase liga as duas fontes uma na outra, sem carga entre elas — o curto-circuito virtual.
• A diferença de potencial aplica-se sobre os enrolamentos.

As três condições simultâneas

• Para sincronizar, três coincidências simultâneas:
• Mesma sequência de fase (padrão "A", "B", "C"), voltagens iguais (a do alternador = a da barra) e frequências iguais (velocidade do entrante = a dos já ligados).
• A frequência padrão dos sistemas CA de aeronave é 400 Hz.
• Fase se checa por duas lâmpadas indicadoras pequenas; se errada, invertem-se dois fios.
• Voltagem e frequência se ajustam nos reostatos do painel.

frequência diretamente proporcional à velocidade: f ∝ n

A corrente de circulação

• Sem coincidência de fase, o que aparece não é carga: é corrente de circulação — o curto-circuito virtual.
• As duas fontes ficam em oposição momentânea de fase, e o caminho são os próprios enrolamentos e as ligações — não há carga.
• A energia se converte em calor e esforço sobre os enrolamentos.
• Pode chegar à ordem da corrente nominal, sem fornecer um watt.
• A proteção é o último recurso; evitar a causa é o procedimento.

A lâmpada de sincronização

• A leitura do sincronismo é feita pela lâmpada de sincronização (popularmente, "sincroscópio").
• Ela é ligada entre fases correspondentes: fase "A" da barra e fase "A" do alternador.
• Pisca rápido quando as duas frequências ainda estão distantes, e devagar à medida que se aproximam.
• Apagada significa que não há voltagem entre as duas fases "A".
• Fecha-se o interruptor com o pisca-pisca de um ou menos por segundo, com a lâmpada apagada.

A sequência prática de sincronizar

• Antes de fechar: fase, voltagem e frequência.
• Fase: duas lâmpadas indicadoras, sequência "A", "B", "C".
• Voltagem: reostato do painel.
• Frequência: medidor de frequência e reostato de velocidade.
• Fechamento: pisca a um por segundo ou menos, com a lâmpada apagada.
• Depois: conferir pelos amperímetros a divisão.

Carga positiva e carga reativa

• A carga no CA tem duas parcelas: positiva (também dita ativa) e reativa.
• As duas precisam ser divididas entre os alternadores.
• A condição: cada alternador conduzindo a mesma carga.
• Em paralelo, a de voltagem mais alta entrega mais corrente.
• Cada parcela tem seu comando: a voltagem pelo campo; a frequência, pela velocidade da máquina.

I_total = I₁ + I₂, com I₁ = I₂ na condição de paralelismo correto

Revisão: a proteção, ideia por ideia

• A proteção retira o alternador da barra quando há pane no circuito.
• Ela só funciona se os disjuntores abrirem rápida e automaticamente.
• O relé diferencial abre pela diferença entre o que entra e o que sai da zona.
• O relé do gerador CC abre pela corrente reversa.
• O desarme tem ordem: primeiro cai a excitação, depois a linha.
• O que não coincide vira diferença — e é isso que o relé enxerga.

Revisão: o paralelismo, ideia por ideia

• No CC, dois geradores na mesma barra dividem a carga pela voltagem.
• O circuito de equalização corrige o desequilíbrio pelos resistores calibrados.
• No CA, é preciso coincidir sequência de fase, voltagem e frequência.
• Fecha-se com a lâmpada apagada e o pisca em um ou menos por segundo.
• Depois de ligado, cada alternador conduz a mesma carga.
• O que não coincide vira corrente de circulação — só aquece.

O que fica para a sua bancada

• Proteger é o que se faz quando algo já falhou: tirar o alternador da barra antes que ele queime.
• Operar em paralelo é o que se faz para que a falha não seja criada pelo próprio procedimento.
• Conhecer a fronteira da zona protegida evita desarme indevido e incêndio.
• Dominar a sincronização evita a corrente de circulação que só aquece enrolamentos.
• É isso que o seu trabalho entrega no sistema elétrico da aeronave.