CN101523716B - 向至少一个位于飞行器上的感应电机供电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向位于飞行器上的至少一个感应电机(M1，M2，M3)供电的装置及其方法。该装置包括至少一个CVFR类型的电源(40)，其中，该电源的电压和频率都是可变的，但是电压和频率的比为常量，所述电源向所述至少一个感应电机(M1，M2，M3)供电。

Description

向至少一个位于飞行器上的感应电机供电的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种向至少一个位于飞行器上的感应电机供电的装置和方法。

以下，为了简化描述，示例性地考虑飞机作为飞行器。

背景技术

感应电机(异步电动机)是广泛应用于航空领域的电子机械制动器。事实上，由于这种电机的工作原理简单、坚固并且制造简单，因此它具有很多优点。

飞机的系统结构广泛使用三相异步电动机，以便驱动诸如液压泵、燃料泵或者风扇的机械负载。

首先，由于供电电压和频率都保持常量(115伏特交流电，400Hz)，因此通过配电母线向感应电机供电不存在特别问题。但是随着飞机系统的可用性的日益增大的要求，飞机上的电网络逐渐转换为具有可变频率(300Hz-800Hz)的能够使电能发生系统简化和可靠的网络。

但是，当在很大的频率范围内增大感应电机的供电频率并且同时保持电压为常量时，气隙中的最大通量减小，并且因此对于高频来说由电机提供的最大机械转矩成大比例减小：最大转矩按照频率的平方而减小。因此，通过具有可变频率的网络向这种电机的“直接”供电导致质量增大以及效率下降，这不是想得到的。

为了解决这个技术问题，一个可以考虑的解决方案是在具有可变频率的配电母线和感应电机之间加入静止变流器(功率电子设备)，以便通过电能的转换重新产生固定电压和频率。这个解决方案具有的优点是能够在使用具有可变频率的机载网络的时候在飞机中继续使用感应电机。然而，该解决方案需要在感应电机中加入具有两个转换级(整流+换流器)的静止变流器，这在一定程度上降低了整体的安全性。

本发明的目的是提供一种向至少一个位于飞行器上的感应电机供电的装置和方法，以便解决这个技术问题，本发明同时是一种简单可靠的解决方案，不增大质量并且无需加入功率电子设备。

发明内容

本发明涉及一种向位于飞行器(例如飞机)上的至少一个感应电机供电的装置，其中，变频配电母线向该至少一个感应电机供电，其特征在于，该装置包括至少一个CVFR类型的电源，其中，电源的电压和频率都是可变的，但是电压和频率的比为常量，所述电源向该至少一个感应电机供电，所述至少一个感应电机是具有至少两个鼠笼的异步电机或者是具有深槽的异步电机。

在第一实施例中，本发明的装置包括永磁交流发电机。

在第二实施例中，本发明的装置包括VFG类型的交流发电机，所述交流发电机由控制发生器控制。

在第三实施例中，本发明的装置包括感应调节器和角位置调节回路。有利地，角位置调节回路包括除法器、具有参考值的比较器、小功率换流器以及角位置驱动器。

本发明还涉及一种向位于飞行器(例如飞机)上的至少一个感应电机供电的方法，其中，变频配电母线向该至少一个感应电机供电，其特征在于，通过至少一个CVFR类型的电源向该至少一个感应电机供电，其中，电源的电压和频率都是可变的，但是电压和频率的比为常量，并且该至少一个感应电机是至少具有一个鼠笼的异步电机或者是具有深槽的异步电机。

在第一实施例中，使用永磁交流发电机来实现CVFR类型的电源。

在第二实施例中，使用VFG类型的发电机来实现CVFR类型的电源。

在第三实施例中，使用感应调节器，所感应调节器由具有固定电压和可变频率的网络供电，并且使转子的近似静态位置服从所述电压和频率的比。

附图说明

图1示出了对至少一个感应电机进行常量电压和可变频率的供电。

图2示出了根据本发明的对感应电机进行的CVFR类型的供电。

图3A至3C示出了对双鼠笼式电动机进行的CVFR类型的供电。

图4示出了根据本发明的装置的第一实施例。

图5示出了根据本发明的装置的第二实施例。

图6A和6B示出了根据本发明的装置的第三实施例。

具体实施方式

图1示出了向感应电机进行常量电压和可变频率供电。该图示出了感应电机的最大转矩按照电压V和频率f的变化，该感应电机是由供电电压和频率控制的通量制动器。该转矩C定义为：C＝k(V/f)²。因此，图1中的曲线示出了当电压保持115伏特恒定且频率在400Hz和800Hz之间变化时的感应电机的电磁转矩的变化，曲线10对应于频率在400Hz时的转矩，曲线11对应于频率在600Hz时的转矩，以及曲线12对应于频率在800Hz时的转矩。频率在800Hz时的最大转矩是频率在400Hz时的最大转矩的四分之一；这表示这种模式的供电不合适。

本发明的装置旨在使用由CVFR(常量电压-频率比)类型的电源供电的感应电机，该电源的电压和频率可变，但是电压和频率的比保持常量。图2中的曲线示出了这种电机的电磁转矩的变化：曲线20对应于115伏特和400Hz时的转矩，曲线21对应于172.5伏特和600Hz时的转矩，以及曲线22对应于230伏特和800Hz时的转矩。在频率变化的整个范围内最大转矩没有变化。然而，启动转矩递减，这可能在满负载启动时带来一些问题。

图3A示出了具有“双鼠笼”的异步电动机的转子构造细节。在这种情况下，该电动机具有由两个同心的鼠笼30和31构成的转子，外鼠笼30具有大电阻和小电感；内鼠笼31具有小电阻和大电感。

图3B示出了由两个不同的鼠笼产生的转矩C，曲线32对应于外鼠笼，曲线33对应于内鼠笼，曲线34对应于整个转矩。

在启动和低速旋转(转差率接近1)时，由于表面效应，场的变化是诸如场几乎不进入转子中，只有外鼠笼(小电感大电阻)30有影响。在高速旋转(转差率接近0)时，场相对于转子缓慢旋转并且场深入到该转子中。此时，内鼠笼(小电阻大电感)31对场施加影响，然而外鼠笼30具有非常大的阻抗从而产生大电流。因此，外鼠笼没有了影响。在中等旋转速度时，内鼠笼31和外鼠笼30共同产生转矩。在所有的情况中，电动机的转矩由内鼠笼31产生的转矩和外鼠笼30产生的转矩的瞬时和给出。

图3C中的曲线示出了根据本发明的由CVFR类型的电源供电双鼠笼电动机的频率特性，曲线36对应于115伏特、400Hz时的转矩，曲线37对应于172.5伏特、600Hz时的转矩，曲线38对应于330伏特、800Hz时的转矩。对于在整个频率范围内的可能的满负载启动，这种装置还能够在整个频率范围内显著地改善启动转矩。在使用“三鼠笼”或“深槽”电动机的情况下也是如此。

因此，本发明的装置旨在通过CVFR(常量电压-频率比)类型的电源向感应电机供电，电源的电压和频率都是可变的，但是电压和频率的比为常量或近似常量，气隙中的电机最大通量保持常量，因此最大电磁转矩保持不变。

电机的速度是可变的，并且速度直接依赖于供电频率和所驱动的机械负载，如果所驱动的机械系统(液压或燃料电动泵)适应可变速度(在泵上添加具有可变倾斜盘(plateau)，该盘自调节流量)，这完全能够接受。

电机的启动转矩在大频率时比小频率时更弱。但是，通过使用具有“双鼠笼”、“三鼠笼”或“深槽”类型的转子的异步电动机，能够保证满负载启动，使用这种鼠笼类型的技术允许电动机在损害一些效率的情况下减小起动时的恢复电流。如果所驱动的系统是手摇泵(可调节流量的泵)，盘的初始位置可以使抵抗转矩在启动时最小(泵的流量为零)。

现在，将会考虑本发明装置的多个有利实施例。

1.第一实施例：使用具有永久磁铁的交流发电机。

该第一实施例是一个简单、可靠且有利的解决方案。为了实现CVFR类型的电源，使用具有永久磁铁的交流发电机40，即PMA。如图4所示，该交流发电机40例如通过CVFR母线41向三个感应电机M1，M2和M3供电。事实上，由于由移动的永久磁铁产生的电动势E(FEM)与永久磁铁的机械轴的旋转频率f直接成正比(E＝k.f)，这种交流发电机40“自然地”产生CFVR电压。如果定义这种交流发电机的尺寸使得感应作用较小，那么输出电压很少地按照负载变化，因此可以考虑电压在给定的频率下近似为常量。

并且这种具有永久磁铁的交流发电机40具有的优点是：当不需要计算机来控制它的激励时，对闪电不敏感。

2.第二实施例：使用VFG发电机。

在图5示出的第二实施例中，使用VFG(变频发电机)类型的发电机50，该发电机向CVFR母线51供电，并且在特殊的工作模式(CVFR模式)下通过发电机GCU(发电机控制单元)52控制该发电机50。事实上，除了当频率或负载改变时在调节点POR上保持电压为常量以外，将定律V/f＝k(常量)与激励电流相结合，以便在点POR上的电压V变为与发电机GCU 52测量的频率f成正比。因此，控制输出电压的最大值以便通过在交流发电机的激励电流上的作用来产生频率f。这个解决方案具有的优点是补偿由负载电流变化时发电机50的感应作用引起的电压变化。换言之，可以保持比例V/f为常量。

3.第三实施例：使用感应调节器。

图6A示出了第三实施例，旨在于在配电母线和感应电机之间加入“感应调节器”类型的变流器60(具有旋转场的变换器)。

该变流器60由常量电压和可变频率供电，在电机状态，该变换器的转换比由小功率的制动器(电动机)61控制。

该实施例能够不将发电机专用于CVFR类型的供电。可以使用飞机的主发电机来继续向具有固定电压和可变频率的常规负载供电。

使用变流器60能够创建配电母线63，该配电母线用于独立于飞机网络其它部分的负载V/f＝常量(CVFR)。

该实施例使用类似于具有绕组转子的异步变流器的电机结构，但是变流器的转子为准静态。该转子的位置对于所给的供电频率是固定的，但是当系统的供电频率改变时，转子的位置可以更改。电压V1对应于由配电母线63收到的初级的常量供电电压。电压V2对应于变流器60通过它的次级绕组自动感应的电压。如图6B所示，输出电压Vs是电压V1和V2的向量和，该电压Vs将会用于向感应电机62供电。给定的频率和给定的负载对应于角位置θ。如图6所示，通过角位置的控制回路67，改变V1和V2的向量组合，以便保持比例Vs/f＝(V1+V2)/f＝常量，该角θ可以调节。该回路67包括：除法器64，该除法器能够计算比例Vs/f；比较器65，具有参考比Rref，例如115/400＝0.288，并且该比较器将比例差ΔR传送给小功率换流器66，该换流器控制角位置驱动器61。

由于这些简单、可靠的解决方案不降低感应电机的固有安全性，因此这些实施例使感应电机能够在不加入功率电子设备的情况下运转。

Claims (11)

1.一种包括至少一个可变频率网络的飞行器，其中所述频率在400Hz至800Hz之间变换，所述可变频率网络包括一个变频配电母线和向驱动机械负载的至少一个感应电机(M1，M2，M3；62)供电的装置，其中，所述变频配电母线向所述至少一个感应电机供电，其特征在于，所述装置包括至少一个常量电压频率比类型的电源，其中，所述电源的电压和频率都是可变的，但是所述电压和所述频率的比为常量，所述电源向所述至少一个感应电机供电，其中，所述至少一个感应电机是具有至少两个鼠笼的异步电动机或者是具有深槽的异步电动机。

2.根据权利要求1所述的飞行器，所述装置包括永磁交流发电机(40)。

3.根据权利要求1所述的飞行器，所述装置包括变频发电机类型的交流发电机(50)，所述交流发电机由控制发生器(52)控制。

4.根据权利要求1所述的飞行器，所述装置包括感应调节器(60)和角位置调节回路(67)。

5.根据权利要求4所述的飞行器，其中，所述角位置调节回路(67)包括除法器(64)、具有参考值(Rref)的比较器(65)、小功率换流器(66)以及角位置制动器(61)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的飞行器，其中，所述飞行器是飞机。

7.一种向包括至少一个可变频率网络的飞行器供电的方法，其中，所述频率在400Hz至800Hz之间变换，所述可变频率网络包括一个变频配电母线和驱动机械负载的至少一个感应电机，其中所述变频配电母线向所述至少一个感应电机供电，其特征在于，通过至少一个常量电压频率比类型的电源向所述至少一个感应电机供应电压和频率，其中，所述电压和所述频率都是可变的，但是所述电压和所述频率的比为常量，其中所述至少一个感应电机是具有至少两个鼠笼的异步电动机或者是具有深槽的异步电动机。

8.根据权利要求7所述方法，其中，使用永磁交流发电机(40)来实现所述常量电压频率比类型的电源。

9.根据权利要求7所述方法，其中，使用变频发电机类型的发电机(50)来实现所述常量电压频率比类型的电源。

10.根据权利要求7所述方法，其中，使用感应调节器(60)，所述感应调节器由具有固定电压和可变频率的网络供电，并且使转子的准静态位置服从所述电压和所述频率的比。

11.一种飞行器，包括能够应用根据权利要求7至10中任一项所述的方法的装置。

Images