CN102428265B

CN102428265B - 飞机发动机起动/发电系统和控制的方法

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Publication number: CN102428265B
Application number: CN2010800225522A
Authority: CN
Inventors: 黄豪; S·加塔里克; D·D·卡里皮德斯; X·贾; M·A·E·阿巴斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: WO2010135030A2; US20100295301A1; WO2010135030A3; CA2760870C; CN102428265A; JP5568129B2; EP2432978A2; EP2432978B1; BRPI1009069B8; BRPI1009069A2; BRPI1009069B1; US8148834B2; CA2760870A1; JP2012527863A

Abstract

一种用于飞机发动机的起动和发电系统包括起动器/发电机和联接到该起动器/发电机的反相器/转换器/控制器(ICC)。该起动器/发电机构造成在起动模式中起动飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率。起动器/发电机包括激励器和旋转轴。ICC构造成在起动模式中以第一频率提供AC功率到起动器/发电机，并且构造成在发电模式期间控制激励器，使得发电模式AC功率具有第二频率，其中第一频率基于轴的轴速。

Description

飞机发动机起动/发电系统和控制的方法

技术领域

本文描述的实施例总体涉及飞机发动机，并且更具体地涉及飞机发动机起动和发电系统和控制的方法。

背景技术

至少一些已知用于飞机的起动器/发电机系统用于在起动模式中起动飞机发动机，和用于在飞机发动机起动之后使用飞机发动机以在发电模式中提供电能到飞机上的电力系统。例如，至少一些已知系统包括带有两个定子激励器绕组的起动器/发电机和可变电压、可变频率的功率转换器，其交替地连接以作为起动马达驱动电动机或者以在发电机操作期间从动力电机(dynamic electric machine)接收电能。在至少一些系统中，一个绕组是用于起动模式的多相AC绕组，并且一个绕组是用于发电模式的DC绕组。然而，这种系统包括沉重且昂贵的绕组选择电路。而且，这种系统中激励器定子使用不充分，并且转换电路大。

而且，至少一些已知系统中的同步激励器不能产生用于处于零速或低速的起动器/发电机中的主同步机的足够的激励功率。例如，至少一些已知系统在发电模式期间供应DC电压到传统激励器的激励器绕组，并且在起动模式期间供应AC电压到相同绕组。然而，这种系统要求对激励器的AC供应电压高于反相器的输入处DC总线或DC环路电压能够被反向到的最大电压，这要求额外电路以提高DC总线或DC环路电压。结果，更高的AC电压使得这种系统更易于产生电晕效应。

此外，至少一些已知系统利用AC激励用于起动模式和发电模式。这种系统通常包括多相AC激励器，其在起动模式期间被控制以在高的恒定频率下操作以便通过旋转变压器效应(rotating transformer effect)在设置在轴上的激励器电枢中产生AC电压。电枢的输出连接到旋转整流器，其设置在相同轴上，并且输出期望的DC电压用以为主电机的激励绕组供电。在发电模式期间，所供应的AC电压的频率从高的恒定频率切换到低的恒定频率。通过旋转变压器效应再次产生电枢中的AC电压，该旋转变压器效应通过旋转整流器提供激励功率到主发电机。为了在两种模式中都利用AC激励，与用于仅发电应用的电流相比，在发电模式中通常利用更高的激励电流。这导致要求大的沉重的转换器。高电流可避免，但要求引入用于起动模式的额外的绕组选择电路。

发明内容

提供本发明内容用于以简单的形式介绍将在具体实施例中在下文进一步描述的概念的选择。发明内容并不意图确认要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意图用作帮助确定要求保护的主题的范围。

一方面，提供用于飞机发动机的起动和发电系统。起动和发电系统包括起动器/发电机和联接到起动器/发电机的反相器/转换器/控制器(ICC)。该起动器/发电机构造成在起动模式中起动飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率。起动器/发电机包括激励器和旋转轴。ICC构造成在起动模式中以第一频率提供AC功率到起动器/发电机，并且构造成在发电模式期间控制激励器使得发电模式AC功率具有第二频率，其中第一频率基于轴的轴速。

另一方面，提供用于飞机发动机的起动和发电系统。该起动和发电系统包括起动器/发电机和联接到起动器/发电机的反相器/转换器/控制器(ICC)。起动器/发电机构造成在起动模式中起动飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率。起动器/发电机包括激励器和旋转轴。ICC构造成在起动模式中以第一频率提供AC功率到起动器/发电机，并且在发电模式期间控制激励器使得发电模式AC功率具有第二频率。ICC包括控制板，其构造成通过基于轴的轴速确定第一频率来控制ICC。

又一方面，提供方法用于控制用于飞机发动机的起动和发电系统。该起动和发电系统包括起动器/发电机，其包括旋转轴。起动和发电系统还包括反相器/转换器/控制器(ICC)。该方法包括在起动模式期间通过ICC以第一频率提供AC功率到起动器/发电机，并且利用起动器/发电机起动飞机发动机，其中第一频率是基于轴的轴速的可变频率。该方法还包括在发电模式期间利用ICC控制起动器/发电机以第二频率产生AC功率。

附图说明

通过参考结合附图的以下说明可更好地理解本文描述的实施例。

图1是用于飞机发动机的示范起动和发电系统的示意框图；

图2是可用于图1所示起动和发电系统的示范起动器/发电机的截面视图；

图3是图1所示起动和发电系统的示范电气结构的方框示意图；

图4是可用于图1所示起动和发电系统的示范外壳的第一等距视图；

图5是图4所示外壳的第二等距视图；

图6是示出组装图1所示起动和发电系统的示范方法的流程图。

具体实施例

以下将参考附图详细描述本发明的各种实施例。本文描述的实施例涉及双向能量转换、无刷式、电气旋转装置，其在起动模式中将电能转换成机械能并且在发电模式中将机械能转换为电能。

图1是根据本发明的示范实施例的、用于飞机发动机(未示出)的起动和发电系统100的示意框图。图2是可用于系统100的起动器/发电机(S/G)102的截面视图。在示范实施例中，起动和发电系统100包括S/G 102和电联接到S/G 102的反相器/转换器/控制器(ICC)104。

参考图1和图2，并且在示范实施例中，S/G 102构造成在起动模式中起动飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率，以下将更详细地解释。而且，S/G 102是三个电机的联合。特别地，S/G 102是主电机106、激励器108和永磁发电机(PMG)110的联合。该配置通常称为三电机组。在一实施例中，主电机106是凸极同步电机(salientsynchronous machine)。在示范实施例中，主电机106包括主定子112和主转子114。主转子114包括延伸通过其中的轴116，和具有电联接到主转子114的输出(未示出)的旋转整流器118。在示范实施例中，整流器118定位在轴116内。然而，在其它实施例中，整流器118可关于轴116不同地定位。此外，在一实施例中，整流器118是全波旋转整流器。在另一实施例中，整流器118是半波旋转整流器。在示范实施例中，主定子112包括3相AC绕组(图1和图2中未示出)。可选实施例可包括任何合适的绕组，诸如但不受限于6相AC绕组、9相AC绕组等。而且，在示范实施例中，激励器108包括激励器定子120和激励器转子122。激励器定子120包括第一3相AC绕组(图1和图2中未示出)，并且激励器转子122包括联接到整流器118的输入(未示出)处的第二3相AC绕组(图1和图2中未示出)。而且，永磁发电机(PMG)110包括PMG定子124和PMG转子126。

参考图1，ICC 104在起动模式中以第一频率提供AC功率到S/G102，并在发电模式期间控制S/G 102以小于第一频率的第二频率产生AC功率。第一频率是可变的并且基于轴116的轴速。第二频率基本恒定并且小于第一频率，以最小化从激励器定子120传输的功率同时仍使激励器108能够恰当地控制，以下将详细解释。而且，在示范实施例中，ICC 104包括电联接到主定子112并且电联接到飞机内的电气系统(未示出)的主电桥128。ICC 104还包括电联接到激励器定子122并且电联接到外部电源130的激励器电桥132。更特别地，激励器电桥132电联接到第一AC绕组。激励器电桥132还电联接到PMG定子124。在示范实施例中，主电桥128是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)/二极管电桥。然而，可选实施例可利用任何合适的电桥。在示范实施例中，激励器电桥132也是IGTB/二极管电桥。在可选实施例中，激励器电桥132是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电桥。在另一可选实施例中，激励器电桥132是碳化硅(SiC)MOSFET电桥。然而，更多可选实施例可利用任何合适的电桥。在以下描述中，主电桥128和激励器电桥132可以分别可互换地称为主反相器/转换器和激励器反相器/转换器。

图3是起动和发电系统100的电气结构200的方框示意图。更特别地，图3示出系统100，其中重点在于组成主电桥124和激励器电桥132的构件。在示范实施例中，ICC 104还包括电联接到主电桥128和激励器电桥132的控制板202。控制板202包括主电桥数字信号处理器(DSP)204、激励器电桥DSP 206和现场可编程门阵列(FPGA)208。联接到激励器定子120的第一AC激励器绕组210电联接到FPGA 208和激励器电桥132。联接到激励器转子122的第二AC激励器绕组212电联接到主转子114。主定子AC绕组214电联接到FPGA 208。当在系统100的起动模式期间利用时，主电桥DSP 204可在本文中可互换地称为起动器反相器控制器或起动器反相器DSP。当在系统100的发电模式期间利用时，主电桥DSP可在本文中可互换地称为发电机转换器控制器或发电机转换器DSP。而且，当在系统100的起动模式期间利用时，激励器电桥DSP 206可在本文中可互换地称为激励器反相器控制器或激励器反相器DSP。当在系统100的发电模式期间利用时，激励器电桥DSP 206可在本文中可互换地称为激励器转换器控制器或激励器转换器DSP。主电桥DSP 204操作地联接到主电桥128并且包括用于控制主电桥128的嵌入式软件。特别地，在系统100的起动模式中主电桥DSP 204控制主电桥128以产生AC功率以驱动S/G 102。而且，在系统100的发电模式中主电桥DSP 204控制主电桥128以将AC功率转换成DC功率用于为飞机的其他构件(未示出)所利用。

图4和图5是ICC 104(图1和图3所示)的等距视图，ICC 104可容纳在外壳300中，外壳300定尺寸成插入飞机(未示出)内的箱体(cabinet)(未示出)中或安装在飞机(未示出)内的箱体(未示出)上。在示范实施例中，外壳300定尺寸成包含冷却板302，其便于从ICC 104的热耗散和/或热移除。外壳300还包含主电桥128、激励器电桥132、主电桥DSP 204、激励器电桥DSP 206和FPGA 208。而且，外壳300包含滤波帽(filter cap)组件304和一个或多个检测组件306。输出电压接线盒308联接在外壳300的外表面310上，以提供DC功率到飞机内的其他构件(未示出)。

在利用期间，并且参考图1到图5，起动和发电系统100具有两种操作模式：起动模式和发电模式。在发电模式中，3相激励器AC绕组212在激励器转子122和激励器定子120之间的空气间隙(未示出)中产生必要的旋转场。与第一AC激励器绕组210相互作用的旋转磁场在第一AC激励器绕组210中产生电压。另外，在起动模式期间3相AC绕组210从激励器定子120传送电磁能到激励器转子122。更特别地，因为系统100将它的操作时间的大部分花费在发电模式中，所以激励器定子120在每相的匝数和磁电路(magnetic circuitry)(未示出)方面对发电操作最优地构造。激励器定子绕组210的电流因而最小化到低水平并且仍可恰当地控制。而且，激励器电桥DSP 206控制激励器定子120，使得激励器108中的空气间隙中的旋转场的方向与轴116的旋转方向相对，因而迫使激励器108在它的制动模式中起感应机的作用。当感应机在它的制动模式中工作时，电枢的输出处的功率是两项的和：P_S和P_m＝(1-S)P_S，其中P_S是从激励器定子120传送的电功率，P_m是从轴116上的机械功率转换的机械功率，并且S是滑差(slip)，其为定子场的速度与转子速度之间的差。另外，S由等式(1)如下定义：

S = \frac{ω_{S} - ω}{ω_{S}}

等式(1)

其中，ω_S＝2πf_S并且ω＝2πf。此外，f_S是由激励器电桥132供应的AC电压的频率，并且由等式(2)如下定义：

f = \frac{RPM \cdot P}{120}

等式(2)

其中，RPM是轴速，并且P是激励器108的极数。此外，使由激励器电桥132产生的AC激励器供应电压的频率基本恒定并且合理地小，便于最小化从激励器定子120传送的功率同时仍使激励器108能够恰当地控制。例如，对于具有八极并且以大约12,000转每分钟(RPM)运行的激励器108，其中激励器108的运行方向与由激励器电桥132在激励器定子绕组210的输入(未示出)处供应的大约5赫兹(Hz)AC电压所产生的旋转场的方向相对，RPM＝-12000并且P＝8。使用上述等式，它可以示为：

ω = 2 πf = 2 π (\frac{- 12000 \cdot 8}{120}) = - 2 π \cdot 800

其中，负f指示激励器转子122以与空气间隙中的旋转场相对的方向运行。然后：

S = \frac{2 π \cdot 5 + 2 π \cdot 800}{2 π \cdot 5} = 161

因此，如下所示的P_S和P_m之间的功率比指示从旋转整流器118到激励器转子绕组212的功率输出的大部分来自通过轴116传送的机械功率。来自激励器定子120的穿过激励器空气间隙的功率也非常小。因而，可最小化激励器电桥132的物理尺寸。

\frac{P_{S}}{P_{m}} = \frac{1}{| 1 - S |} = \frac{1}{160} = 0.63 %

在起动模式中，系统100从外部电源130接收电功率。主电机106在起动模式中作为3相绕线磁极式(wound field)凸极同步马达操作。3相交流从主电桥128供应到3相主定子绕组214，并且激励电流从激励器108提供到主转子114。供应到主定子112的电流的频率与主电机106的速度成比例。由3相电流产生的旋转场与由主转子114产生的磁场相互作用以在主转子114的轴116处产生机械扭矩。同样地，在起动模式中，带有3相AC绕组210的激励器定子120与带有3相AC绕组212的激励器转子122一起形成感应激励器。激励器电桥DSP206控制3相AC绕组210和212的相位序列的方向，使得该方向与轴116的旋转方向相对。因而，感应激励器在它的制动模式中操作。结果，可最小化从激励器定子120传送的功率。此外，激励器108的供应电压的频率以如下方式控制，即使得施加到激励器108的供应电压的幅值和频率随着轴116的速度减小。因为激励器定子120的设计对发电模式最优化，所以每相的匝数相对高，随着轴速增加这要求更高的供应电压。当这发生时，随速度增加而降低频率以避免更高电压需求。

图6是示出控制用于飞机发动机(未示出)的诸如起动和发电系统100(图1所示)的起动和发电系统的示范方法的流程图400。参考图1到图5，并且在示范实施例中，利用ICC 104(图1所示)确定402轴116(图1所示)的轴速。特别地，控制板202(图3所示)确定轴116的轴速。ICC 104然后确定404用于起动模式的期望的第一频率。特别地，控制板202基于轴速确定第一频率，以便避免在起动模式期间的高供应电压需求。为了起动飞机发动机(未示出)，ICC 104为S/G102(图1所示)以第一频率提供406AC功率。特别地，整流器118(图1所示)以第一频率提供AC功率到激励器定子绕组210(图3所示)。激励器108(图1所示)利用AC功率以提供激励到主转子114以起动飞机发动机。

而且，在示范实施例中，在飞机发动机已起动之后，S/G 102以第二频率提供AC功率用于在发电模式期间为飞机内的机载电气系统(未示出)供电。第二频率基本恒定并且小于第一、可变频率。ICC 104在发电模式期间控制408主电机106(图1所示)，使得主电机106为机载电气系统提供功率。

本文详细描述了用于飞机发动机的起动和发电系统和控制的方法的实施例。这种系统凭借降低重量和优化电力系统便于提供节约燃料的益处。而且，在这种系统的起动模式和发电模式期间优化激励性能便于消除额外的复杂度、重量、尺寸和生产和维护这种系统的成本。

本书面描述利用实例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统并且实施任何合并的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于飞机发动机的起动和发电系统，所述起动和发电系统包括：

起动器/发电机，其构造成在起动模式中起动所述飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率，所述起动器/发电机包括激励器和旋转轴；和

反相器/转换器/控制器，其联接到所述起动器/发电机，所述反相器/转换器/控制器构造成在起动模式中以第一频率提供AC功率到所述起动器/发电机，并且构造成在发电模式期间控制所述激励器，使得发电模式AC功率具有第二频率，其中，所述第一频率基于所述轴的轴速，并且其中，所述第二频率基本恒定并且小于所述第一频率。

2.根据权利要求1所述的起动和发电系统，其特征在于，所述起动器/发电机还包括：

主电机，其包括主定子和主转子；和

永磁发电机，其包括永磁发电机定子和永磁发电机转子。

3.根据权利要求2所述的起动和发电系统，其特征在于，所述反相器/转换器/控制器包括联接到所述主定子的主IGBT电桥，所述主电机构造成在发电模式期间以所述第二频率产生AC功率。

4.根据权利要求3所述的起动和发电系统，其特征在于，所述反相器/转换器/控制器包括联接到所述激励器定子的激励器电桥，所述激励器电桥构造成控制所述激励器，使得所述激励器作为制动模式感应机操作。

5.根据权利要求4所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器电桥包括IGBT电桥、MOSFET电桥和SiC MOSFET电桥中的一种。

6.根据权利要求4所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器电桥构造成产生可变AC激励器供应电压。

7.根据权利要求1所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器包括激励器定子和激励器转子，所述激励器定子包括AC绕组，并且其中，所述反相器/转换器/控制器包括构造成以所述第一频率提供AC功率到所述绕组的激励器电桥。

8.一种用于飞机发动机的起动和发电系统，所述起动和发电系统包括：

起动器/发电机，其构造成在起动模式中起动所述飞机发动机并且构造成在发电模式中产生AC功率，所述起动器/发电机包括激励器和旋转轴；

反相器/转换器/控制器，其联接到所述起动器/发电机，所述反相器/转换器/控制器构造成在起动模式中以第一频率提供AC功率到所述起动器/发电机，并且构造成在发电模式期间控制所述激励器，使得所述发电模式AC功率具有第二频率，所述反相器/转换器/控制器包括控制板，其构造成通过基于所述轴的轴速确定所述第一频率来控制所述反相器/转换器/控制器，其中，所述第二频率基本恒定并且小于所述第一频率。

9.根据权利要求8所述的起动和发电系统，其特征在于，所述起动器/发电机还包括：

主电机，其包括主定子和主转子；和

永磁发电机，其包括永磁发电机定子和永磁发电机转子。

10.根据权利要求9所述的起动和发电系统，其特征在于，所述反相器/转换器/控制器还包括联接到所述主定子的主IGBT电桥，所述主电机构造成在发电模式期间以第二频率产生AC功率。

11.根据权利要求10所述的起动和发电系统，其特征在于，所述反相器/转换器/控制器包括联接到所述激励器定子的激励器电桥，所述激励器电桥构造成控制所述激励器，使得所述激励器作为制动模式感应机操作。

12.根据权利要求11所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器电桥包括IGBT电桥、MOSFET电桥和SiC MOSFET电桥中的一种。

13.根据权利要求11所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器电桥构造成产生可变AC激励器供应电压。

14.根据权利要求8所述的起动和发电系统，其特征在于，所述激励器包括激励器定子，其包括AC绕组，并且其中，所述反相器/转换器/控制器包括构造成以第一频率提供AC功率到所述绕组的激励器电桥。

15.一种控制用于飞机发动机的起动和发电系统的方法，所述起动和发电系统包括起动器/发电机和反相器/转换器/控制器，所述起动器/发电机包括旋转轴，所述方法包括：

在起动模式期间通过所述反相器/转换器/控制器以第一频率提供AC功率到所述起动器/发电机，其中，所述第一频率是基于所述轴的轴速的可变频率；

利用所述起动器/发电机起动所述飞机发动机；并且

在发电模式期间利用所述反相器/转换器/控制器控制所述起动器/发电机以第二频率产生AC功率，其中，所述第二频率基本恒定并且小于所述第一频率。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述起动器/发电机包括激励器，其具有至少一个AC绕组，并且所述反相器/转换器/控制器包括激励器电桥，并且其中，在起动模式期间以第一频率提供AC功率到所述起动器/发电机包括：

确定所述轴速；

基于所述轴速确定所述第一频率；并且

以所述第一频率提供AC功率到所述至少一个AC绕组。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，提供AC功率到所述至少一个AC绕组包括利用所述激励器电桥产生可变AC激励器供应电压。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在发电模式期间利用主电机以第二频率产生AC功率。