CN103201946A - 包括异步电机的飞机供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为飞机供应电能的电路（1），包括一供电发电机，用于由该飞机的引擎（2）驱动旋转，以给所述飞机引擎的用电设备（7）供电，其特征在于，所述供电发电机包括与一励磁装置（8）相连的异步电机（5），该异步电机（5）包括可由所述引擎（2）驱动旋转的转子，和与所述用电设备（7）相连的定子；该励磁装置（8）适于在所述定子中生成无功电流。

Description

包括异步电机的飞机供电电路

技术领域

本发明涉及对飞机的用电设备进行供电。

背景技术

已知使用结合在飞机引擎中的发电机来产生电能供应给与引擎相关的用电设备。例如，文献FR 2 911 848描述了一种与飞机的除冰回路相连的供电发电机。

该用于那种类型申请中的供电发电机典型为具有2-3个级的同步发电机。这样的同步发电机使得能够传递经良好调节并具有良好形式因子的交流电压。因此，可传递大致等幅的交流电压，即使当驱动该供电发电机的引擎的转速变化的时候。然而，这样的多级同步发电机的复杂性通常包含大体积、低可靠性和高成本。当出于可靠性原因而需要时引入备件也是困难的。

还已知的是，具体在产生来自风力涡轮机的电能的技术领域中，异步电机可作为自励异步发电机工作。这样的异步电机典型地包括具有闭合电路（鼠笼或具有连接在一闭合电路中的绕组的转子）的转子，和包括至少一个可连接到一负载的绕组的定子。为了可在自励异步发电机模式中进行工作，一组电容器连接到该异步电机上，以提供无功功率。当转子被驱动旋转，并根据负载和旋转速度正确选择提供该组电容器的电容量时，这样的异步电机可作为发电机运转，并将电能传送至与定子相连的负载。

发明内容

本发明寻求提供一种用于飞机引擎的供电电路，其至少不存在一些现有技术中的上述缺点。

为此，本发明提供一种用于在飞机中供应电能的供电电路，该电路包括一供电发电机，用于由飞机引擎驱动而旋转，以给飞机引擎的用电设备供电，该电路的特征在于，所述供电发电机包括与励磁装置相连的异步电机；

该异步电机包括适于被引擎驱动旋转的转子，和与所述用电设备相连的定子；以及

该励磁装置适于在所述定子中生成无功电流。

因此，本发明使得可使用异步电机，用于为飞机引擎的用电设备供电，从而具有几个优点。具体为，异步电机是坚固、可靠和廉价的机器。而且，当设计一异步电机时，有很大的选择其形状因数的自由，从而可容易地将其并入飞机的引擎中。而且，所述励磁装置的尺寸需要仅相对于该异步电机的磁化电流来设计，该电流小于所述用电设备的供电电流。该励磁装置因此可设计为特别简单的方式，其尺寸可以限制的方式设定，从而使该励磁装置的尺寸和成本被限制。

所述励磁装置可包括一个或多个电容器。

在这种情况下，所述励磁装置可具有非常简单的结构，从而有利于限制其尺寸和成本。

在一实施例中，该异步电机具有可由以下关系表示的磁化感应系数L_m：

$L_m=L_0\frac{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}}{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}+{I_m}^{\mathrm{\α}}}$

其中L₀为在零电流时的磁化感应系数，I_μ2为将磁化感应系数L_m减去因数2的磁化电流，L_m为磁化电流，α为取决于该异步电机的特性的系数，其中α小于2.5。

此接近于2的系数使得可限制由该异步电机所产生的电压幅度的变化，即使当引擎的转速以1比2的比率变化的时候。因此可为需要大致恒定幅度电压的用电设备供电。

在一实施例中，所述供电电路包括一适于控制由所述励磁装置传送的无功电流的电控单元。

通过这些特征，可为需要大致恒定幅度电压的用电设备供电。

例如，该励磁装置可包括可变电容量的电池，该电控单元可适于控制该可变电容电池的电容量。

在此情况下，该可变电容电池可包括一适于在根据一电容设定值确定的负载比打开和关闭一开关的模块。

在另一例中，所述励磁装置包括一适于传送由所述电控装置所控制的无功电流的电子装置。

在此情况下，所述电子装置可以是换流器。

在一实施例中，所述供电电路包括一连接到所述异步电机的第二励磁装置。

这样的备件使得可改进所述供电电路的可靠性。另外，由于所述励磁装置可设计为非常简单的样式，其尺寸可以限制的方式设定，此备件并不引起较大尺寸或较大成本。

本发明还提供一种飞机引擎，其包括根据本发明的供电电路。

附图说明

通过参照附图阅读以下作为非限定性说明的描述，本发明可被更好地理解，其中：

图1为显示于本发明一实施例的环境中的该实施例中的供电电路的示图；

图2为图1中供电电路的更详细的示图；

图3和4为显示根据转速的图2类型的供电电路的相电压的图表；

图5、7和8为显示本发明其他实施例的类似于图2的图；以及

图6为显示根据转速的图5中供电电路的相电压的示图。

具体实施方式

图1显示在本发明一实施例的环境中该实施例中的供电电路1。该供电电路1用于为飞机引擎2的一用电设备7供电。在例中，该引擎2可以是燃气涡轮。该用电设备7为主抗（mainly-resistive）类型的设备。例如，在下文中的描述中，认为用电设备7包括引擎2的，由并入引擎2的入口边缘的除冰电阻器构成的除冰电路。

供电电路1包括供电发电机5、用电设备7和励磁装置8。供电发电机5可由引擎2的轴3驱动旋转。该轴3还与一起动发电机（S/G）4相连，该起动发电机能够在起动引擎2时作为同步电动机工作，并且当引擎2运转时，例如用于为该飞机的机上网络6供电时作为同步发电机。

供电发电机5为异步电机。这样，相同的附图标记5在下文也用于表示异步电机。

图2显示供电电路1的更详细细节。异步电机5具有与轴3相连的转子9，和通过电路12与用电设备7的除冰电阻器11相连的定子10。在例中，转子9为鼠笼转子。在所示的例中，定子10、电路12以及除冰电阻器11形成三相系统。在一变化中，它们可形成多相系统。

励磁装置8包括电控单元13、开关14和电容器15。

该电控单元13具有计算机的硬件结构。其具体包括处理器、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和界面。该处理器用于执行将计算机程序储存在ROM中，同时使用RAM。所述界面使得可接收测量信号和指示信号，并且发布控制信号和报告信息。

这样，电控单元13接收表示电路12中的电压和电流的测量信号。该电控单元13还可控制开关14的打开和关闭。而且，电控单元13可接收一来自例如引擎2的主计算机的指示信息，所述信息指示其执行除冰操作，其可将有关除冰功能的健康状况和状态的报告信息发给主计算机。

当开关14处于它们的关闭状态时，电容器15与电路12相连，当开关14处于它们的打开状态时，电容器15不与电路12相连。

供电电路1工作如下。

当开关14打开时，无无功电流传送至定子10。无磁场在异步电机5中产生。这样，无电压产生，除冰电阻器11未被供电。

当开关14关闭时，它们向定子10传送无功电流。于是在异步电机5中产生一磁场。如果引擎2的轴3的转速N相对于电容器15的电容量和除冰电阻器11的电阻值确定适当，则异步电机5可作为自励异步发电机工作，因此其可在定子10上产生电压，从而可使除冰电阻器11被供电。

当开关14关闭时，自触发现象由该异步电机5的剩余通量引起。在一实施例中，一触发辅助装置（未示出）与电路12相连。当开关14关闭时，该触发辅助装置例如经一变压器向电路12中发送电流脉冲，以产生可发生触发的剩余磁场。

为了能够在自励异步发电机模式中工作，所述电容器15的电容量必须正确选择，特别是根据异步电机5的特性、轴3的转速N以及除冰电阻器11的电阻值。本领域技术人员知道如何确定该电容量的合适值，这不需要详细描述。

图3显示即使当转速N超过1比2的范围变化时，在自励异步发电机中工作是可能的。由于用电设备7主要为阻抗型的，其可设计为在无任何较大坏处的情况下接受几个百分数的电压变化。

特别是，异步电机5可由其磁化感应系数L_m来限定其特征，该磁化感应系数L_m可由使用下等式的饱和关系表示：

$L_m=L_0\frac{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}}{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}+{I_m}^{\mathrm{\α}}}$

在该等式中：

L_m为磁化感应系数（以亨利表示）；

L₀为在零电流时的磁化感应系数（以亨利表示）；

I_μ2为将磁化感应系数L_m减去因数2的磁化电流；

I_m为磁化电流；和

α为取决于该异步电机5的特性，主要取决于所使用的磁性材料和空气隙的系数。

对于典型的异步电机，系数α大约为3。图3中的曲线16显示由异步电机5产生的电压V如何对于系数α=3而变化。

可以看到，对于超过范围1比2而变化的转速N，在从N₁=3500转/分(rpm)延伸至N₂=7000转/分的飞机引擎的典型工作范围内，电压V超过对应于大约+6.2%至-6.2%的电压变化的范围[V_min-V_max]而变化，大约+6.2%至-6.2%的电压变化对应于最小速度N₁和最大速度N₂之间的大约25%的功率变化。由于用电设备7主要是阻抗型的，因此此变化在实施例中可以接受。

图4类似于图3，其中曲线17对应于系数α=2。可以看到，电压V的变化比图3中小多了。这样，如果用电设备7可适应仅有限量的电压变化，则本发明的一实施例建议将异步电机5的形式设计为通过例如正确选择所使用的磁性材料，或通过正确设定空气隙的尺寸，而获得接近或等于2的系数α。适合的磁性材料的一个例子为由FeCo制成的叠层。

在本说明书的上下文中，认为系数α如果小于2.5，则其接近2，优选小于2.25。

在图2的实施例中，无论异步电机5是具有接近于2（如图4中所示）或者更大（如图3中所示）的系数α，励磁装置8均可包括通过开关14与电路12相连的恒定电容量的简单电容器15。而且，电容器15和开关14的尺寸可仅相对于异步电机5所需要的磁化电流来设计，该磁化电流小于传送至除冰电阻器11的供电电流。励磁装置8因此可特别设计为简单的形式，其尺寸可设定为特别限定的量，从而使其可限制励磁装置8的尺寸和成本。

参见图5和6，以下描述一实施例，其中电容器15由电容量可变的电池15’代替。图5的供电电路1的其他元件与图2中的那些相同或相似。它们因此被给予相同的附图标记，并且不再详细描述。

在图5中，放大图I显示可变-电容量电池15’的一实施例。

在此例中，电池15’为转换-电容量电池（switched-capacitance cell），其包括与一支路并联的电容量Ca的电容器18，所述支路包括串联的：电容量Cb的电容器19；包括并联的电感器20和电阻器21的LR电路；以及开关22。该电池15’还具有适于控制开关22的模块23。该模块23和开关22可以电路的形式制成。

当开关22以永久方式打开时，该电池15’具有等于Ca的电容量C。当开关22以永久方式关闭时，该电池15’具有等于Ca+Cb的电容量C。而且，当单元23使开关22以负荷比D打开和关闭时，电池15’如同等于Ca+Cb*D的电容量C工作。

根据接收自电控单元13的电容量设定点，并根据电容量C的一测量值，模块23使开关22打开、关闭或以负荷比D在打开与关闭之间切换。用于获得确定的负荷比D的脉冲宽度调制频率选择为大大高于所述异步电机5的电频率。

电感器20用于限制关闭开关22时瞬间电流的幅度，电阻器21用于限制打开开关22时的。由电容器19和电感器20构成的LC电路的共振频率选择为大大高于该脉冲宽度调制频率。

图6类似于图3和4，针对具有系数α=3的异步电机5。曲线24和25显示对于电池15’的电容量C的两个不同的值，电压V如何根据转速N变化。更准确说，曲线24对应于电容量C₁，该电容量C₁小于对应于曲线25的电容量C₂。曲线25经过点（N₁，V₀），曲线24经过点（N₂，V₀）。在图6中的曲线所对应的例中，电容量C₁比电容量C₂小18%。

对于在C₁至C₂范围中的任何电容量C，可描绘出一在曲线24和25之间的曲线。此曲线经点（N，V₀），其中N位于N₁至N₂的范围内。

可以看到，对于在N₁至N₂范围内的任何转速N，可通过控制电池15’来产生一电压幅度V₀，以获得对应的电容量C。

这样，在图1中的供电电路1中，电控单元13特别是根据转速N确定电池15’的电容量设定值，以将交流电压在大致恒定的幅度V₀传送至除冰电阻器11。所确定的设定值传送至电池15’的模块23。

与图2中的实施例相比，图5中的实施例使得可为要求大致恒定幅度供电电压的用电设备7供电。另外，开关22的尺寸可对应于仅磁化电流的部分而设定，从而有利于限制励磁装置8的尺寸和成本。

参见图7，以下描述一实施例，其中电容器15被换流器26和电容器27所取代。图7中的供电电路1的其他元件与图2中的相同或相似。因此，它们被赋予相同的附图标记，且不被详述。

换流器26为三相换流器，其中电桥臂经开关14和滤波电感器28与电路12相连。电容器27与换流器26的供电轨道相连，以储存交换无功功率所要求的电能。

该换流器26由电控单元13所控制，特别是根据转速N，以对于超过预定范围变化的转速N，传送对应于产生大致恒定幅度V₀的交流电压的磁化电流。

与图2中的实施例对比，图7中的实施例用于为要求大致恒定供电电压幅度的用电设备7供电。另外，换流器26的尺寸可仅对于异步电机5所需要的磁化电流来设定，该磁化电流小于传送到除冰电阻器11上的供电电流，从而有利于限制励磁装置8的尺寸和成本。

在图8显示的实施例中，励磁装置8制造备件。在图8中，所显示的励磁装置8为恒定-电容量装置，如图2中的实施例那样。在一变例中，它们可如图5中所示的实施例那样为可变-电容量装置，或如图7中的实施例所示的那样为换流器装置。

在所示的实施例中，开关29和30用于根据由保护装置（未示出）所产生的现用通道信号连接励磁装置8的一个或另一个，该保护装置例如可以是引擎2的主电脑。当在现用励磁装置8上检测出故障时，可切换到另一个励磁装置8，从而使供电电路1具有更大的可靠性。

在一未示出的变例中，励磁装置8直接与电路12相连，即无开关29和30。在此情况下，非-现用励磁装置8的内开关14保持打开。

如以上所说明的，图2、5和7的励磁装置8的尺寸可根据异步电机5所需要的磁化电流（励磁电流）来设定，该电流小于用电设备7所要求的供电电流。这样，图8中所建议的备件并不包括大体积和高成本。

本发明因此使得可使用例如用于为飞机引擎的除冰电阻器供电的异步电机，其具有几个优点。具体为，异步电机是坚固、可靠、廉价的机器。另外，当设计异步电机时，在形式因素方面有很大的自由度，因此可容易地整合到飞机引擎中。

另外，供电电路1可容易地由电控单元13监控。如果根据在电路12中所测电流来行动的电控单元13确定流经除冰电阻器11的电流太高了，例如由于短路型故障，则它可使开关14打开，从而使异步电机5去激励（de-exciting）。

另外，如果通过设计，可由电源1传送的最大水平功率与可由除冰电阻器11接纳的最大水平功率一致（或不大于由除冰电阻器11接纳的最大水平功率），则即使电控单元13未检测出故障或未使开关14打开，除冰电阻器11也可被保护免受过大电流。短路型故障，即使是局部的，也可造成除冰电阻器的电阻值改变。在这种情况下，由励磁装置8所传送的磁化电流不再适合于以自励异步发电机模式工作，去触发（de-triggering）现象发生，从而造成电能产生的结束。

Claims (3)

1.一种用于在飞机中供应电能的供电电路（1），该电路包括一供电发电机，用于由该飞机的引擎（2）驱动旋转，以给所述飞机引擎的用电设备（7）供电，其特征在于，所述供电发电机包括与一励磁装置（8）相连的异步电机（5）；

该异步电机（5）包括适于被所述引擎（2）驱动旋转的转子（9），和与所述用电设备（7）相连的定子（10）；以及

该励磁装置（8）适于在所述定子（10）中生成无功电流；

其中所述励磁装置（8）包括一个或多个电容器（15）；并且

所述异步电机（5）具有可由以下关系表示的磁化感应系数L_m：

$L_m=L_0\frac{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}}{{I_{\mathrm{\μ}2}}^{\mathrm{\α}}+{I_m}^{\mathrm{\α}}}$

其中L₀为在零电流时的磁化感应系数，I_μ2为将磁化感应系数L_m减去因数2的磁化电流，L_m为磁化电流，α为取决于该异步电机的特性的系数，其中α小于2.5。

2.根据权利要求1所述的供电电路，其特征在于，包括与所述异步电机（5）相连的一第二励磁装置（8）。

3.一种飞机引擎（2），其包括根据权利要求1或2所述的供电电路（1）。

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