CN102915005A - 用来自随意源的功率供应的负载的功率管理 - Google Patents

用来自随意源的功率供应的负载的功率管理 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用来自随意源的功率供应的负载的功率管理。具体地，一种固态功率调节器调节从随意源发电机输送到频率耐受负载的功率。所述固态功率调节器包括固态开关装置和控制器。所述固态开关装置被接通以从所述随意源发电机向所述频率耐受负载输送功率并且被关断以阻止向所述频率耐受负载输送功率。所述控制器监视被输送到所述频率耐受负载的功率并选择性地调制所述固态开关装置以调节被输送的功率。

Description

用来自随意源的功率供应的负载的功率管理
技术领域
本发明涉及功率分配，并且具体地涉及对于来自“随意”功率源的负载的功率分配和管理。
背景技术
在飞机应用中，所产生的电功率大部分源自飞机发动机所供应的机械功率，机械功率由发电机转换为交流（AC）电功率。飞机发动机速度的变化导致发电机所产生的输出电压的变化。然而，一些负载对于频率的变化敏感，因此，现代飞机上采用的大多数发电机提供恒定的输出频率或者提供在所附接的负载可接受的限定范围内变化的可变频率。例如，恒定频率发电机使用机械联轴器以提供恒定频率AC输出，而不论发动机速度的变化如何。然而，机械联轴器增加了发电机的成本和重量。可变频率发电机是恒定频率发电机的替代方案，但是仍然必须能够提供在严格限定的范围（例如，350Hz-800Hz）内的AC输出。该要求也增加了可变频率发电机的重量和成本。
恒定频率发电机和可变频率发电机的更便宜的替代方案是随意源（wild-source）发电机，其相比可变频率发电机提供频率和电压变化更大的AC输出。传统上，随意源发电机无法应用在飞机应用中，因为它们不能提供飞机上的大多数负载所需类型的功率。
发明内容
一种固态功率调节器（SSPR）调节从随意源功率源输送到频率耐受负载的功率。所述SSPR包括固态开关装置和控制器。所述固态开关装置被接通以从所述随意源功率源向所述频率耐受负载输送功率并且被关断以阻止向所述频率耐受负载输送功率。所述控制器监视被输送到所述频率耐受负载的功率并选择性地调制所述固态开关装置以调节被输送的功率。
附图说明
图1是根据本发明实施例的采用“随意”源的电功率生成/分配系统（EPGDS）的方框图。
图2是根据本发明实施例的固态功率调节器（SSPR）的方框图，其用在EPGDS中以调节由“随意”源供应到负载的功率。
图3是根据本发明实施例的控制器所执行的功能的方框图，该控制器被SSPR用于调节输送到负载的功率。
具体实施方式
本发明提供采用随意源发电机的系统和方法，该随意源发电机相比传统的可变频率发电机提供频率和电压变化更大的AC输出。具体地，本发明采用随意功率源向能够适应大幅度频率变化的特定类型的负载（例如，电阻性负载）供应功率。固态开关装置被用于调节从随意源输送到特定负载的功率以确保该负载不会过载或损坏。这需要监视和使用被输送到负载的功率来调节固态开关的通/断时间以向所附接的负载提供期望量的功率。
图1是根据本发明实施例的采用随意源的电功率生成/分配系统（EPGDS）10的方框图。EPGDS 10包括飞机发动机12、轴14、随意源发电机16、功率分配总线18、固态功率调节器（SSPR）20a，20b，…20N以及频率耐受负载22a，22b，…22N。
在图1所示的实施例中，由飞机发动机产生的动力经由轴14传输到随意源发电机16。在其它实施例中，可采用其它公知的手段来相对于飞机发动机12安装随意源发电机16以将机械能从发动机12传输到发电机16。例如，随意源发电机16可经由来自飞机发动机12的轴（未示出）的直接驱动来接收机械能，可安装在飞机发动机12周围，其中，发动机的轴经由机械齿轮箱联接或者其它公知的用于将机械功率从飞机发动机12传输到随意源发电机16的装置来充当随意源发电机的定子或转子。
随意源发电机16将飞机发动机12所供应的机械能转换成可变频率、可变电压的AC输出，以经由功率分配总线18分配到所附接的负载。随意源发电机16由于发电机所产生的频率和电压的范围而被称为“随意”源发电机，其可被限定为大于与可变频率发电机相关的频率范围的频率范围。例如，各种规格（例如，军用规格MIL-STD-704F）定义了可变频率发电机所产生的最大可允许频率范围。所提供频率范围大于关于可变频率发电机所定义的频率范围的发电机被分类为随意源。在一个实施例中，可变频率发电机提供在350Hz-800Hz的频率范围内的AC输出。因而，随意源发电机所提供的AC输出在大于关于可变频率发电机限定的频率范围的频率范围内。
功率分配总线18经由SSPR 20a-20N将随意源发电机16提供的AC输出供应到负载22a-22N。每个负载22a-22N均是频率耐受负载。例如，在飞机应用中，频率耐受负载（即，电阻性负载）包括用于除冰操作的加热元件。无论供应给电阻性负载的AC功率的频率如何，电阻性负载都以相同的方式操作，从而可以用来自随意源发电机16的功率对其进行供应。SSPR 20a-20N控制从功率分配总线18供应到单独负载22a-22N的功率。具体地，每个SSPR 20a-20N包括固态功率装置，其被选择性地控制以将功率从功率分配总线18供应到负载22a-22N。
另外，SSPR 20a-20N监视和调节被输送到负载22a-22N的功率。如关于图3更详细描述的，在一个实施例中，SSPR 20a-20N通过以大于随意源发电机16的输出频率的频率将固态开关装置调制为接通或关断来调节被输送到负载22a-22N的功率。
图2是根据本发明实施例的固态功率调节器（SSPR）20a的方框图，其用在EPGDS 10中以调节由随意源发电机16供应到频率耐受负载22a的功率。
SSPR 20a包括固态开关装置30、电流感测电阻器32和控制器34。固态开关装置30包括控制端子（例如，栅极）以及第一和第二受控端子（例如，源极和漏极）。控制器34将输入提供到固态开关装置30的控制端子以选择性地接通或关断该装置。当接通时，第一受控端子处从功率分配总线18接收到的输入功率经由第二受控端子被供应到负载22a。当关断时，第一受控端子处接收到的输入功率被防止供应到负载22a。在图2所示的实施例中，固态开关装置是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），不过根据应用也可采用其它公知的固态装置。具体地，所选择的固态装置必须能够传输大量的功率（例如大于15安培），并且能够进行对于调节被输送到负载22a的功率所需的高速切换。例如，在一个实施例中，固态开关装置30被实施为碳化硅（SiC）晶体管。
控制器34监视并调节被输送到负载22a的功率。在可变频率应用中，其中，被供应到负载的功率的频率处于限定范围内，可基于监视到的电流来计算或接近地估计被输送到每个负载的功率。然而，随意源发电机提供的频率范围使得难以准确地仅仅基于监视到的电流来监视被输送到负载的功率。因此，控制器34监视被供应到负载22a的电流和电压二者来确定被输送到负载22a的功率。
在图2所示的实施例中，控制器34通过经由输入端子36a、36b测量电流感测电阻器32上的电压来监视电流。另外，控制器34通过监视输入端子36a或输入端子36b处的电压来监视被提供到负载22a的电压。在其它实施例中，控制器34包括另外的输入端子，以便独立于用于监视电流的输入端子来监视电压。为了确保对被输送到负载22a的功率的准确测量，采用了电压和电流的快速采样（例如，采样率大于随意源发电机16的频率的二十倍）。基于监视到的电压和电流，控制器34通过经由在输出端子38处提供到固态开关装置30的栅极的控制信号选择性地接通和关断固态开关装置30，来计算被供应到负载22a的功率并调节功率的供应。在一个实施例中，控制器34采用脉冲宽度调制（PWM）切换方案来控制固态开关装置30的接通/关断时间以调节被供应到负载22a的功率。固态开关装置30的开关频率大于被供应到负载22a的随意源的频率。更特别地，为了确保对被供应到负载的功率的调节，控制器34采用的开关频率大于随意源发电机16的频率的五倍。
图3是根据本发明实施例的控制器所执行的功能的方框图，该控制器被SSPR用于调节输送到负载的功率。这些功能可通过执行软件以实施期望功能的微控制器、通过模拟和/或数字电路或者其组合来实施。
控制器34接收监视到的电压V(t)和监视到的电路I(t)作为输入。控制器34通过在乘法器40处将监视到的电压V(t)乘以监视到的电路I(t)来计算被输送到负载22a的瞬时功率P(t)。由积分器42在限定时间段（例如，随意源发电机16所提供的输出上的一个循环）上对瞬时功率P(t)进行积分，以计算被输送到负载22a的平均功率Pavg。
控制器34在方框44处通过在平均功率Pavg和参考功率Pref（即想要输送到负载22a的期望功率）之间取差来计算被输送到负载22a的平均功率和参考功率Pref之间的差Pdiff。差Pdiff用于计算应当向负载22a施加更多还是更少的功率。在图3所示的实施例中，比例积分（P-I）控制器46产生输出以最小化平均功率Pavg和参考功率Pref之间的差。P-I控制器46的输出被提供到脉冲宽度调制（PWM）发生器48，其产生PWM控制信号（被标示为“CNTRL”），该PWM控制信号被供应到固态开关装置30的栅极以选择性地控制被供应到负载22a的功率。在其它实施例中，控制器34可采用其它控制方案以将监视到的功率调节期望值。
这样，本发明采用随意源发电机向功率分配系统中的各种频率耐受负载供应功率。通过固态功率调节器（SSPR）来调节被供应到负载的功率，固态功率调节器包括控制器和固态功率装置，固态功率装置被接通和关断以控制被输送到负载的功率。控制器监视被输送到负载的功率并且调制固态功率装置的接通/关断时间来调节被输送到负载的功率。尽管关于飞机应用进行了描述，但本发明也可用在随意源发电机被用于向频率耐受负载输送功率的其它应用中。
尽管已经参照（一个或多个）示范实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，在不背离本发明范围的情况下可作出各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不背离本发明的实质范围的情况下，可作出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，所意图的是，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是本发明将会包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于调节从随意源发电机输送到频率耐受负载的功率的固态功率调节器（SSPR），所述SSPR包括：
固态开关装置，所述固态开关装置在接通时从所述随意源功率源向所述频率耐受负载输送功率并且在关断时阻止从所述随意源功率源向所述频率耐受负载输送功率；和
控制器，所述控制器被连接成监视被输送到所述频率耐受负载的电流和被施加到所述频率耐受负载的电压，其中，所述控制器计算被输送到所述频率耐受负载的功率并选择性地接通和关断所述固态开关装置以调节被输送到所述频率耐受负载的功率。
2.如权利要求1所述的SSPR，其中，计算被输送到所述频率耐受负载的功率包括计算被输送到所述频率耐受负载的瞬时功率并且计算被输送到所述频率耐受负载的平均功率。
3.如权利要求2所述的SSPR，其中，所述控制器选择性地调制所述固态开关装置以最小化被输送到所述频率耐受负载的平均功率和期望功率之间的差。
4.如权利要求3所述的SSPR，其中，所述控制器采用脉冲宽度调制（PWM）来调制所述固态开关装置。
5.如权利要求1所述的SSPR，其中，所述固态开关装置是碳化硅（SiC）晶体管。
6.一种电功率生成和分配系统（EPGDS），包括：
随意源发电机，其产生随意源输入；
频率耐受负载；
固态功率调节器（SSPR），其具有固态开关装置和控制器，其中，所述控制器监视从所述随意源发电机输送到所述频率耐受负载的功率并调制所述固态开关装置以调节被输送到所述频率耐受负载的功率。
7.如权利要求6所述的EPGDS，其中，所述频率耐受负载是电阻性负载。
8.如权利要求6所述的EPGDS，其中，所述控制器通过监视被提供到所述频率耐受负载的电流和被提供到所述频率耐受负载的电压并响应性地计算瞬时功率来监视被输送到所述频率耐受负载的功率。
9.如权利要求8所述的EPGDS，其中，所述控制器基于所计算的瞬时功率来计算被输送到所述频率耐受负载的平均功率并且调制所述固态开关装置以调节被输送到所述频率耐受负载的平均功率。
10.如权利要求9所述的EPGDS，其中，所述控制器选择性地调制所述固态开关装置以最小化被输送到所述频率耐受负载的平均功率和期望功率之间的差。
11.如权利要求6所述的EPGDS，其中，所述控制器采用脉冲宽度调制（PWM）来调制所述固态开关装置。
12.如权利要求6所述的EPGDS，其中，所述固态开关装置是碳化硅（SiC）晶体管。
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