CN102037625A - 电气网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气网络。本发明尤其应用于航空领域中包括更多机载电气设备的宽体商用飞机。该电气网络包括：能够提供或消耗电能的两类设备(21，26，27，35，36)，连接在所述两类设备(21，26，27，35，36)之间并允许两类设备(21，26，27，35，36)交换能量的传输模块，根据本发明，所述传输模块包括可逆DC/AC转换器(22，23，24，25)，可以在升压或降压DC/DC模式下操作所述转换器(22，23，24，25)。在本发明的具体实施例中，第一类设备为高压DC总线，网络包括若干诸如负载(26，27)的第二类设备以及电池(35)可以连接到其上的低压DC总线。该网络包括若干非专用转换器，可以连接在第一类设备和任何第二类设备之间。

Description

电气网络

本发明涉及一种电气网络。本发明尤其应用于航空领域中包括更多机载电气设备的宽体商用飞机。这样的设备性质上变化很大且其能量消耗随时间变化很大。例如，内部空调和照明系统几乎是连续运行的，而冗余的安全防范系统，例如机翼控制机构仅在异常情况下才使用。

通常，飞机备有三相发电机，能够向所有机载电气设备供电，下文将这些电气设备称为负载。这些发电机例如向飞机的AC总线提供频率400Hz的115V电压。飞机上有一个或多个主发电机。这些发电机是由飞机的一个或多个引擎驱动的旋转电机。其他发电机可以为AC总线供电，例如在文献中公知为“辅助动力单元”并由该发电机专用的涡轮驱动的辅助发电机，或在飞机在地面时由很多航空港处置飞机时布置的堆栈发电机。这种堆栈发电机使得能够在飞机在地面上时避免调用辅助发电机。

近来，在出现了需要由三相电压逆变器供电的大功率负载(电动机或AC子网)之后，已经在飞机上安装了通过整流器从AC总线供电的高压DC总线。在文献中这些高压DC总线被通称为HVDC，表示“高压直流”。在下文中，将把高压DC总线称为HVDC总线。

飞机还备有电池，使其能够在AC电源(堆栈发电机或发电机组)不可用时为特定负载供电。

具体而言，电池必须为特定计算机或特定的关键电气系统做后备，关键电气系统例如是飞行控制系统、制动系统、引擎的推力逆转或通过低压DC总线启动涡轮机。

历史上，电池具有低电压，例如24V DC(或任选地将来为48V DC)，以便尽可能直接地为当前标准为28V DC的关键计算机电源供电并限制串联电池的数目。

对于更高功率的电力负载，例如制动系统、推力逆转或引擎启动，利用DC DC升压变压器，以便能够使用电压比HVDC高压DC总线低得多的低压电池。还可能想到为这些负载采用更高电压的特定电池，以便限制或消除电池和HVDC总线之间要求的电压升高。

低压DC总线，例如28V DC，一般是利用众多航空设备制造商制造的变压和整流装置由AC总线生成的。在文献中这种装置公知为“变压整流单元”，接下来将称为TRU。TRU由飞机的AC总线供电并提供28V的DC电压。TRU一般包括工作在飞机的AC网络的频率，例如300Hz和1200Hz之间的变压器。

然后，直接由低压DC总线，或通过实现DC DC变换器的电池充电器为低压电池充电。

另一种用于实现低压DC总线和HVDC总线间的能源转换连接的方案是利用高频变压器实施脉宽调制双向DC/DC专用变换器或实施均使用高频变压器的两个独立的头到尾DC DC变换器。高频意味着大于10kHz的频率。

这种利用具有高功率电平的高频脉宽调制转换器的解决方案通常比实施由AC网络为TRU供电的转换方案可靠性低得多，更加昂贵且更笨重。

TRU不是双向的，然后由发电机或由专用三相倒相器从低压DC总线向AC总线馈电。

本发明的目的是通过将求助对象限制到专用于这些功能的资源来简化以下转换功能的实现：

1.从电压为Y的DC总线调节到电压为X的DC总线的电源；

2.从电压为Y的DC总线为电压为X的电池充电；

3.从电压为X的DC总线或电压为X的电池调节到电压为Y的DC总线的电源；

4.从电压为X的总线为电压为Y的电池充电；

在上文所述的转换功能中，X小于Y。从本发明的意思当然可以推知其他转换功能。

为此目的，本发明的主题是电气网络，包括：

·能够提供或消耗电能的两类设备，

·连接在所述两类设备之间并允许两类设备交换能量的传输模块，

其特征在于，所述传输模块包括可逆DC/AC转换器，可以在升压或降压DC/DC模式下操作所述转换器。

两类设备的第一类形成例如电源总线，如第一DC总线。第二类设备之一形成例如蓄能电池能够连接到其上的第二DC总线，蓄能电池能够被第二总线充电或如果需要时为其提供能量。

在具体实施例中，两类设备是由两根电压为不同的X和Y的DC总线形成的，传输模块允许沿一个方向和另一个方向在总线间交换电能。电池可以连接到每根总线。本发明能够命令从或向一个或多个电池交换能量。传输模块使得能够在其由另一个供电时调节总线之一的电压或调节DC总线之间流动的电流。

为此目的，传输模块在两根总线之间包括：

1.一个或多个可逆DC/AC多相逆变器，其DC输入连接到电压为Y的总线并可以工作在：

·降压三相电压逆变器模式；

·并联的单相降压DC/DC转换器模式；

·或并联的单相升压DC/DC转换器模式下。

2.任选地，连接在逆变器的AC输出的升压TRU，其变压比使得能够从电压Y提供电压X；

3.任选地，可逆DC/AC三相逆变器，其DC输入连接到电压为X的总线，能够工作在降压三相电压逆变器模式下，其AC输出连接到升压TRU，其变压比使得能够从逆变器输入的电压X提供电压Y。

在具体实施例中，第一类设备形成诸如HVCD总线的电源总线，网络包括若干第二类设备、多个可逆转换器，使得能够在总线和各个第二类设备之间交换能量，以及路由模块，使得能够改变转换器和第二类设备之间的关联。有利地，转换器全部能与每个第二类设备交换能量。任意第二类设备不拥有任何专用转换器。

换言之，可以使用可逆DC/AC转换器从飞机的电源总线为飞机的各种负载供电。可以通过路由模块组合若干转换器，使得能够改变转换器和负载之间的关联，电池或第二DC总线被视为特定负载或源。于是，在转换器不可用的情况下，能够利用路由模块向电池和总线之间的链路分配另一转换器。这些路由模块可以实时工作，从而改善电池的可用性并更一般地改善飞机电气网络的可靠性。

结合飞机上的电气网络描述了本发明。当然，可以在任何其他行业中实施本发明，例如汽车行业，在汽车行业中电气机动化和随之而来的电池的使用正在扩展开。可以利用任何其他蓄能元件，例如电容器或超级电容器代替电池。为了方便起见，在接下来的描述中，将把术语电池用于任何蓄能元件。

在阅读通过举例方式给出的实施例详细描述时，本发明将得到更好理解，其他优点将变得显而易见，由附图例示了该描述，附图中：

图1表示安装在飞机上的网络的电气图；

图2示意性表示用于图1的网络中的TRU；

图3示意性地表示用于图1的网络中的转换器的示范性实施例；

为了清楚的缘故，在各幅图中相同元件将带有相同标号。

图1示意性地表示飞机，尤其是宽体商用飞机上的各个电气设备。MG表示的主发电机10是由飞机的引擎之一驱动的。在飞机引擎工作时，发电机10工作并向飞机的AC网络11提供例如频率400Hz的115V电压。断路模块12使得能够打开将发电机10连接到网络11的链路。由APU表示的辅助发电机13是由专用于该发电机13的涡轮机驱动的，以便向AC网络11提供115V电压。同样地，断路模块14使得能够断开将辅助发电机13连接到网络11的链路。涡轮机利用飞机燃料工作，是在飞机在地面上时实施的。

飞机上还安装了连接到AC网络11的整流器20，使得能够向HVDC表示的高压DC供电总线21提供DC电压，该缩写表示“高压直流”。通用于高压DC总线21的电压为540V。

DC总线21为若干能量转换器22到25供电，每个能量转换器都意在经由路由模块30为负载，例如26和27供电。图1的图示是示意性的。在实践中，可以由若干转换器为负载供电，或者一个转换器可以为若干负载供电。可以为特定负载供应DC电压，关联的转换器然后将DC总线21的电压转换成可以由所考虑负载使用的电压。在宽体飞机中，有很多负载使用频率为400Hz的115V AC电压。为了为这些负载供电，转换器24和25为逆变器。已知的逆变器具有的特定特征是可逆的。

可以根据每个负载的瞬时需要并根据每个转换器22到25的可用性，实时将每个转换器22到25分配给各个负载26和27。路由模块30使得能够实时改变转换器22到25以及负载26和27之间的关联。转换器22到25以及负载26和27之间的关联是根据与其关联的负载的瞬时电流需要和瞬时命令模式实现的。负载的命令模式实质取决于负载类型。例如，可以提到的通常飞机中实施的是调节速度、扭矩或位置、抗结冰或除冰、以恒定功率工作以及用于引擎命令的各种策略(去焊剂，有无传感器的命令)。

路由模块30例如包括电控制的断路器，使得能够将每个转换器与所有与其兼容的负载关联。兼容的意思是几个负载可以借助于同一转换器工作，尤其是在它们需要相同电源时，例如频率为400Hz的115V电压时。转换器使得能够从成员可以互换的一组提供同一个电源。组的各成员有利地是相同的。这样通过使其制造标准化而降低了转换器的生产成本，并使得能够通过仅库存一种转换器而简化飞机维护。接下来将看到，某种类型的转换器能够根据转换器的工作模式提供几种不同电源。于是，利用同一组转换器，例如能够将工作在例如115V 400Hz AC电压下的负载与工作在例如电池的DC电压下的负载关联在一起。

该组是能够根据可以由该组供电的负载瞬时需要重新配置的。不必每个负载专用一个转换器。实际上，负载并非全部同时工作。同一组的转换器数目是根据与该组关联的一组负载可能消耗的瞬时最大功率定义的。该功率小于每个负载最大功率相加。因此，路由模块30使得能够减少机载转换器的数目并因此减少这些转换器的质量。

此外，重新配置使得能够提高负载的可靠性。实际上，对于有故障转换器而言，同一组中的另一个转换器能够立刻接管下来为给定负载供电。某些关键负载，例如机翼控制机构，于是能够利用安全的电源工作，然而却不需要单独专用于这些控制机构的转换器冗余。同一组的该组转换器然后形成能够为一组负载供电的共用资源。在同一个共用资源内部，构成其的各转换器是无差别的。

网络的特别负载由通过路由模块30连接到转换器之一的电池35构成。在飞机上的常规方式下，已知使用的是标称电压28V DC的电池。其他电池电压当然也可用于实施本发明。基于540V DC总线21，能够操作转换器22，使其直接向能够为电池35供电的第二DC总线33提供28V DC电压。可以在第二总线33和电池35之间插入电池充电器，使得能够调节为电池充电的电流。同样有利的是在转换器22和电池35之间插入变压和整流单元36，以为电池35充电，下文将其称为TRU。TRU 36被供应115V 400Hz的AC电压并提供28V DC电压。TRU的使用便于用作接收540V DC电压的逆变器的转换器22的工作。可以将TRU 36和电池35形成的组视为可以通过路由模块30与转换器之一关联的负载。

图2示意性地表示示范性TRU 36，包括变压器或自耦变压器37，接收由作为逆变器工作的转换器22提供的三相115V 400Hz AC电压。在TRU 36位于转换器22或23和DC总线33之间的实施例中，变压器37使得能够降低其接收的电压。变压器37提供20V左右的三相电压，一旦被整流器38整流，就能够获得28V DC电压以为电池35供电。整流器38例如是利用全波二极管电桥制造的，提供由电容器平滑化的电压。

图3示意性地并以简化方式表示了转换器22到25之一的示范性实施例。转换器包括两个端子40和41，端子40连接到DC总线21的正极，端子41连接到DC总线21的负极。在端子40和41之间，转换器包括三个支路42、43和44，每个支路包括两个电子断路器，支路42的T421和T422，支路43的T431和T432以及支路44的T441和T442。在每个支路42、43和44中，两个断路器都是串联的，二极管与每个断路器并联连接。二极管的标号是D后面跟着相关联断路器标号的数字部分，例如二极管D421连接到断路器T421的端子。每个二极管相对于每个断路器中电流从DC总线21的正端子40向负端子41流动的方向以反并联方式连接。断路器T421到T442例如都是相同的，并且是在文献中公知为缩写IGBT的绝缘栅极双极晶体管类型，IGBT表示“绝缘栅极双极晶体管”。在每个支路42、43和44，在两个断路器的公共点，分别通过其第一端子连接扼流圈L42、L43和L44。在每个扼流圈的第二端子46、47和48，L42、L43和L44分别允许转换器为三相负载供电。电容器C421到C442连接在端子46、47和48之一和端子40和41之一之间。在由DC网络21向转换器提供电能时，转换器能够作为电压逆变器工作。另一方面，例如由再生负载或电池在端子46、47和48之间以AC形式提供电能时，转换器能够作为整流器工作。

可以使用包括内部模块的TRU 36，用于调节其提供给电池35的DC电压。但是有利地，调节提供给电池35的电压是在用于操作与电池35关联的转换器22的模块辅助下完成的，例如，通过改变转换器22的占空比。用于确保这种调节的模块包括将TRU 36连接到所考虑的转换器的链路39。为此目的，路由模块30可以包括断路器50和51，使其能够选择连接至TRU36的输入的转换器。在转换器22作为逆变器工作，为电池35供电时，在总线33上TRU 36的输出处测量的电压使得能够调整断路器T421到T442打开和闭合的占空比，以在预定时段内维持TRU提供的DC电压。属于转换器22的电子器件使得能够控制断路器T421到T442的打开和关闭。通过已知的方式，这样的器件是每个转换器中必有的或与之相关联，使得包括它的断路器工作在相干方式下。因此有利的是利用其电子控制装置将TRU 36调节提供给电池35的电压的功能转移到关联的转换器。这种布置还能够提高电气网络的整体可靠性。实际上，通过简化TRU，其不再包括任何内部调节模块，其可靠性增加了。此外，通过电池35所关联的组内部的转换器的可能重新配置实时减轻了转换器的电子控制装置的故障(如果有的话)。

在用电池35为DC总线21供电时，进行路由模块30的重新配置以绕开TRU 36。换言之，电池35直接连接到端子46、47和48，不通过单向的TRU 36。这种连接是由路由模块30通过链路52执行的。诸如图3所示的转换器然后作为单相升压器工作。更确切地说，每个支路及其关联的扼流圈使得能够提升由电池35提供的电压。例如，对于支路42，备选地使用断路器T422来在扼流圈L42中以通过它和二极管D421的电流形式存储能量，以便向连接到DC总线21的端子40释放所存储的能量。三个支路和关联的扼流圈以π/3的相移工作。可以操作转换器以作为多相逆变器工作，以便通过TRU 36为电池35供电，或作为N个单相升压器工作以从电池为DC总线21供电，N表示逆变器的相数，N个升压器相移π/N。

在DC总线33的电压比DC总线21的电压低得多时，作为N个单相升压器工作表现出缺点。那么转换器的效率相当一般。为了缓解这个缺点，可以在第一DC总线21和选定的转换器之间插入TRU，使得能够从第二总线33为第一总线21供电。这个TRU则包括变压器，使得能够升高其接收的电压。本实施例要求转换器是完全断开连接的，以便将转换器的端子40和41连接到低压DC总线33，而不是HVDC DC总线21。然后在端子46、47和48以及HVDC DC总线21之间连接TRU。

通过更一般的方式，在诸如图3所示的逆变器从总线21接收能量时，可以沿第一方向操作逆变器，作为多相逆变器或作为N电压降压DC/DC转换器。在逆变器从再生负载接收AC电压时，也可以沿与第一方向相反的第二方向操作逆变器，作为电流整流器，或作为N电压升压DC/DC转换器。可以与路由模块30的断路器同时，实时改变转换器的工作。

这种可以在电压升高或降低DC/DC模式下工作的可逆DC/AC转换器制造起来简单得多，其比包括高频变压器的双向DC/DC转换器可靠得多。

Claims (11)

1.一种电气网络，包括：

·能够提供或消耗电能的两类设备(21，26，27，35，36)，

·连接在所述两类设备(21，26，27，35，36)之间并允许两类设备(21，26，27，35，36)交换能量的传输模块，

其特征在于，所述传输模块包括可逆DC/AC转换器(22，23，24，25)，可以在升压或降压DC/DC模式下操作所述转换器(22，23，24，25)。

2.根据权利要求1所述的电气网络，其特征在于，所述两类设备(21，26，27，35，36)中的第一类形成电源总线(21)，且其特征在于所述网络包括若干第二类设备(26，27，35，36)、多个可逆转换器(22，23，24，25)，使得能够在总线(21)和各个所述第二类设备(26，27，35，36)之间交换能量，以及路由模块(30)，使得能够改变所述转换器(22，23，24，25)和所述第二类设备(26，27，35，36)之间的关联。

3.根据权利要求2所述的电气网络，其特征在于，所述转换器(22，23，24，25)全部能够与每个第二类设备(26，27，35，36)交换能量。

4.根据权利要求3所述的电气网络，其特征在于，所述转换器(22，23，24，25)是相同的。

5.根据前述权利要求之一所述的电气网络，其特征在于所述第一类设备是第一DC总线(21)，且其特征在于所述第二类设备(26，27，35，36)是蓄能电池(35)可以连接到其上的第二DC总线(33)。

6.根据权利要求5所述的电气网络，其特征在于，在所述转换器(22，23，24，25)和所述第二DC总线(33)之间，所述网络包括变压和整流单元(36)。

7.根据权利要求6所述的电气网络，其特征在于，位于所述转换器(22，23，24，25)和所述第二DC总线之间的所述变压和整流单元(36)包括变压器，使得能够降低其接收的电压。

8.根据权利要求6或7的任一项所述的电气网络，其特征在于借助于用于操作所述转换器(22，23，24，25)的模块来调节所述第二DC总线的电压。

9.根据前述权利要求之一所述的电气网络，其特征在于在所述第一DC总线(21)和所述转换器(22，23，24，25)之间，所述网络包括变压和整流单元，使得能够从所述第二总线(33)为所述第一总线(21)供电。

10.根据权利要求9所述的电气网络，其特征在于，位于所述第一DC总线(21)和所述转换器(22，23，24，25)之间的所述变压和整流单元包括变压器，使得能够升高其接收的电压。

11.根据前述权利要求之一所述的电气网络，其特征在于所述转换器(22，23，24，25)能够作为多相逆变器或作为N个单相升压器工作，N表示逆变器的相数，N个升压器相移π/N。

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