CN104169168B - 用于向地面上的飞机供应电功率的装置以及使用该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于向地面上的飞机供应电功率的装置(210)，其包括由辅助动力单元(220)驱动的两个发电机(216，218)，第一发电机通过连接/断开设备(232)与飞机网络(212)和电滑行网络(214)连接，以便当其与此飞机网络连接时向飞机网络供应交流电压Vac2，或当其与此滑行网络连接时向滑行网络供应交流电压Vac1或功率P，第二发电机通过连接/断开设备(232)与飞机网络或滑行网络连接以便向这些网络中的一个供应交流电压Vac2。

Description

用于向地面上的飞机供应电功率的装置以及使用该装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于向地面上的飞机供应电功率的装置，其包括至少两个电力网络：具体用于供应飞机的客舱和驾驶舱的电力飞机网络，以及电力滑行网络。
背景技术
申请人的申请FR10/55457和申请FR10/59612分别描述了用于供应飞机的电力网络的装置，以及用于在飞机的滑行工作过程中处理由电力执行器再生的功率的电结构。
飞机的滑行指的是通过飞机起落架的轮子媒介此飞机在地面上的循环或滚动。当飞机的至少一个起落架的轮子(通常地主起落架的轮子)由是滑行网络的一部分的电动机驱动时，滑行被称作是电动的。
飞机网络和滑行网络通过由辅助动力单元(APU)驱动的至少一个发电机供应。
在当前现有技术中，辅助动力单元通过由电池供应的独立起动机媒介起动，并包括上述发电机的驱动输出轴。
提出了一种使用由辅助动力单元供应电力，用于供应飞机网络和滑行网络的几种电结构。
现有技术的第一电结构包括由辅助动力单元驱动的两个发电机。第一发电机向滑行网络供应交流电压Vac1(230V)，第二发电机向飞机网络供应交流电压Vac2(115V)。滑行网络包括用于控制电动机的电动机控制单元(被称为MCU)，所述电动机用于驱动飞机的轮子，所述电动机控制单元通过连接/断开设备与第一发电机连接。
此架构的优点在于，滑行网络和飞机网络是彼此独立的，并由单独的发电机供应。因此，(ATA24型)飞机网络的认证的确定性约束不影响到滑行网络，所述滑行网络可以包括简化的电动机控制单元并降低了此单元的重量(大约50kg)。
然而，上述两个发电机具有分别为120kVA和90kVA的相对大的电功率，其被添加到辅助动力单元的起动机的电功率。在飞机上的电功率因此相对大。由于它们高的电功率，因此发电机是沉重且累赘的，将它们安装在辅助动力单元的输出轴上可能是困难的且甚至是不可能的。
在现有技术的第二电结构中，飞机网络和滑行网络由具有高电功率(150kVA)的由辅助动力单元驱动的普通发电机所供应。此发电机向飞机网络和滑行网络供应交流电压Vac2(115V)，所述飞机网络和所述滑行网络通过连接/断开设备与发电机连接。滑行网络包括与用于驱动飞机的轮子的电动机连接的电动机控制单元。
此电结构的缺点在于，滑行网络必须满足应用到飞机的(例如ATA24型的)所有网络标准，并且由115V的电压Vac2所供应。滑行网络的电动机控制单元包括使得可提高电压的水平而不污染飞机网络的功率转换功能。此功能通常由ATRU(自动变压器整流器单元)模块提供，这导致了该单元重量增加(50至100kg的大小)。
在另外一个已知的电结构中也提出了借助于由飞机电动机所驱动的至少一个发电机供应飞机的滑行网络，电动飞机网络通过由辅助动力单元驱动的另外一个发电机供应。然而，此架构要求运行电动机，这导致了期望用于飞机电动滑行功能的煤油消耗中的收益的大量降低。
发明内容
由于用于飞机电动滑行的新电架构，本发明尤其具有简单地、有效地和经济地减少或消除至少一部分的现有技术的上述缺点的目的。
为此目的，提出了一种用于向地面上的飞机供应电功率的装置，所述装置包括两个由辅助动力单元驱动的发电机，第一发电机旨在供应包括用于驱动飞机轮子的电动机的电力滑行网络，第二发电机旨在供应电力飞机网络，其特征在于，第一发电机通过有选择的连接/断开设备与飞机网络和滑行网络连接，以当其与此飞机网络连接时向飞机网络供应第一交流电电压Vac2，或者当其与此滑行网络连接时向滑行网络供应较高的交流电压Vac1或功率P，第二发电机通过有选择的连接/断开设备与飞机网络和滑行网络连接，并能够向其与它连接的网络供应所述第一交流电电压Vac2。
在根据本发明的装置中，由辅助动力单元所驱动的第一发电机使用来当飞机必须在地面上滚动时供应滑行网络，以及当滑行网络没有被供应时用于供应飞机网络。被称为“混合式的”的此第一发电机能够有选择地供应用于供应滑行网络的电压Vac1或供应用于供应飞机网络的电压Vac2。或者，第一发电机可以有选择地供应用于供应滑行网络的功率P或供应用于供应飞机网络的电压Vac2。第二发电机使用来当第一发电机供应电力滑行网络时供应飞机网络。此第二发电机有利地设定尺寸为单独地供应在地面上的飞机的需求物，这使得可减少机载电功率并因此降低安装在飞机上的体积。连接/断开设备被控制以便在滑行过程中将第一发电机与滑行网络(用于电压Vac1或功率P的其供应)连接和将第二发电机与飞机网络(用于电压Vac2的其供应)连接，以及以便在飞机的其他运行阶段中将第一发电机与用于电压Vac2的其供应的飞机网络连接，第二发电机然后停止。
根据本发明的特征，第二发电机使用来当第一发电机有缺陷或毁坏时供应滑行网络。因此存在用于滑行网络的电力供应的设备的冗余。例如通过GCU(发电机控制器单元)类型的其控制设备，连接/断开设备被控制成当第一发电机的失效被检测到时将第二发电机与滑行网络(用于电压Vac2的其供应)连接。
在前述情况下，滑行网络供应有低于电压Vac1的电压Vac2。虽然由第二发电机供应的功率不可以充分用于滑行的优化利用，但是其足够提供尤其用于滑行的反向功能，所述功能不需要相对大的功率。本发明同样地甚至在其主发电机损坏的情况下，使得可提供滑行网络的反向功能的可用性。当第二发电机保持对供应滑行网络的可用性时，滑行功能的可靠性同样地不再受到其主发电机的可靠性限制。
本发明使得可设计滑行网络，而不存在由适用于网络的标准所强加的约束，所述网络对ATA24型的飞机是适当的，以及使得可减少与滑行功能有关的谐波污染的约束。
根据本发明的特征，两个发电机中的一个是起动机/发电机，所述起动机/发电机能够起动辅助动力单元并同样地可以替代现有技术中所使用的独立的起动机，所述起动机在重量方面具有极大的收益。此外，此起动机/发电机安装在位于起动机的位置中的辅助动力单元上(即，在通常专门用于现有技术的起动机的单元的小齿轮上)，并因此不妨碍其他发电机在辅助动力单元的输出轴上的安装。
根据本发明的装置进一步包括与用于控制辅助动力单元的起动的起动机/发电机连接的电动机控制单元。此单元可以包括GCU(发电机控制单元)类型的控制设备，所述控制设备调节起动机/发电机的输出电流或电压并在电过载的情况下保护其。
第一发电机更优选地是具有缠绕转子励磁的三级同步发电机。根据例如150kW的功率的大致恒定的滑行需求，转子励磁的变化使得可不是在数值Vac1与Vac2之间改变发电机的输出功率就是将电压发电机(传送大致恒定的交流电压Vac2)切换到传送电流或功率的电流/功率发电机。
第一发电机当其与飞机网络连接时可以供应115Vac(Vac2)的电压和90kVA的功率，或者当其与滑行网络连接时可以供应230Vac(Vac1)的电压和150kW的功率(在电压或功率调节发电机的情况下)。
第二发电机可以供应足够的电功率以供应在地面上的飞机，并在400Hz处供应115V的电压Vac2。第二发电机然后确定尺寸成满足飞机所需的电需求并且不再用于整个飞行周期。用于其运行的在地面上的飞机中的机载电功率因此明显地低于在现有技术中所使用的机载电功率，如上文所描述的那样。而且，由于其低的电功率，因此第二发电机不会非常笨重并且可以通过辅助动力单元的输出轴使用第一发电机来驱动。然而，第二发电机的功率(是瞬变的或不是瞬变的)足够供应滑行网络的反向功能。
本发明还涉及一种用于向在地面上的飞机供应电功率的方法，借助于以上所描述的装置，其特征在于，其包括在于借助于第一发电机供应滑行网络并且借助于第二发电机供应飞机网络的步骤，以及在于当不使用滑行功能时借助于第一发电机供应飞机网络的步骤，第二发电机然后暂停运行。
有利地，第一发电机是具有缠绕转子励磁的三级同步发电机，此发电机的励磁由电动机控制单元控制，以便将电压发动机Vac1切换到电压发动机Vac2，或从功率为P的发电机切换到电压发电机Vac2。
该方法更优选地包括在于当第一发电机有故障时借助于第二发电机供应滑行网络的步骤。
附图说明
当阅读以下说明书时、通过非限制性例子和参考附图，本发明将更好地明白并且后者的其他特征、细节和优点将更加清楚地显而易见，其中：
-图1和2根据现有技术各用图表显示了用于向飞机供应电功率的装置；
-图3根据本发明用图表显示了用于向飞机供应电功率的装置；
-图3a、3b和3c根据本发明用图表显示了该装置的连接/断开设置，以及根据本发明显示了用于分别地供应滑行和飞机网络、飞机网络和滑行网络的方法的步骤；
-图4根据本发明用图表显示了具有缠绕转子励磁的三级同步发电机；以及
-图5和6根据本发明用图表显示了用于供应电功率的装置的可替代实施例。
具体实施方式
首先参考图1，图1显示了设置有现有技术中的装置10的飞机，该装置10用于向飞机网络12提供电功率，尤其是用于在飞机的驾驶舱和乘客舱中供应设备以及电力滑行网络14。
网络12，14均由发电机16，18供应，所述发电机由辅助动力单元20驱动，所述辅助动力单元随后由首字母缩略词APU(辅助动力单元)表示。
APU20定位在飞机的机身的后部，并包括发电机16，18的转子的驱动输出轴(未示出)。APU20设置有独立的起动机(未示出)，所述起动机与电池和用于控制APU的起动的设备连接。
发电机16具有90kVA的电功率并向网络12供应115v的交流电压Vac2，后者用在图1中由通过电电导线24与发电机16连接的主分配单元22所示意性地显示。
发电机18具有120kVA的电功率，并向滑行网络14供应230v的交流电压Vac1，所述滑行网络14由与电动机控制单元(MCU)28连接的四个电动机(M)26所示意性地显示，所述电动机控制单元本身通过整流器30与发电机18连接。发电机18的输出通过连接/断开设备32与滑行网络14连接，当没有找到滑行功能时，例如飞机在飞行过程中时，所述连接/断开设备使得可将发电机与滑行网络14隔离。
此电结构具有上述的缺点，这主要是由于发电机16，18(分别为90kVA和120kVA)的相对大的电功率、由于它们的重量以及由于它们的累赘所造成的。
图2显示了设置有用于向飞机网络112和滑行网络114供应电功率的现有技术的另外一个装置110的飞机。
网络112，114通过由APU120驱动的共同发电机116所供应。
发电机116的输出通过连接/断开设备132与网络112，114连接，并向这些网络供应115v的交流电压Vac2。
滑行网络114的电动机控制单元(MCU)128包括用于转换功率的ATRU(自动变压器整流器单元)模块，所述模块使得可增加由发电机116所供应的电压的水平。
此另外一个电结构也具有缺点，该缺点主要是由于ATRU模块导致电动机控制单元(MCU)128的重量的极大地提高，以及滑行网络114必须符合应用到(ATA24型的)飞机12的网络112的所有认证标准。
由于借助于两个发电机供应滑行网络和适合于飞机的网络，本发明使得可克服现有技术的至少一部分缺点，所述两个发电机中的一个是“混合式的”，这些发电机中的每个均使得可选择性地供应这两个网络。
图3显示了根据本发明的装置210的优选实施例，其中位于飞机的机身的后部的APU220驱动两个独立发电机216，218的转子。
发电机216的输出通过连接/断开设备232与飞机网络的主分配单元222的输入连接，此单元222的输出例如与在驾驶舱和飞机机身的各种隔室中的设备连接。在单元222、设备232和发电机216之间的电连接由电电导线224建立。
发电机216具有在30和40kVA之间的电功率，并向飞机和滑行网络212，214供应例如在400Hz115V的交流电压Vac2。
发电机218的输出通过连接/断开设备232与滑行网络的整流器230的输入连接，整流器230的输出与电动机控制单元(MCU)228的输入连接，所述电动机控制单元供应用于驱动飞机主起落架的轮子的电动机226。这些电动机226可以具有四个的数量。
在所显示的例子中，具有网络212，214的发电机216，218的连接/断开设备232由包括接触器或类似件的共同GNTPCU单元(绿色滑行动力控制单元)形成，所述接触器或类似件能够在发电机218和滑行网络214之间、在发电机218和飞机网络212之间、在发电机216和飞机网络212之间以及在发电机216和滑行网络214之间建立电连接。GNTPCU单元使得可借助于接触器管理飞机的电配置，并进一步包括GCU(发电机控制单元)类型的至少一个卡，以便控制发电机218的励磁，如随后将要描述的那样。
发电机218具有例如90kVA大小的电功率，并能够供应滑行网络214和飞机网络212。
当不使用滑行功能时，发电机218的输出通过设备232与飞机网络212连接，并向此网络供应例如在400Hz115v的交流电压Vac2。发电机218的输出可以通过设备232的媒介与滑行网络214断开。发电机216的输出也可以通过设备232的媒介与网络212断开。GNTPCU箱的接触器随后就位，如在图3b中所示。
当必须使用滑行功能时，发电机216的输出通过设备232与飞机网络212连接，并向此网络供应例如在400Hz处为115v的交流电压Vac2。发电机218的输出通过设备232与滑行网络214连接，并向此网络供应例如在400Hz处为230v的交流电压Vac1或例如在230v处为150kW的功率P。GNTPCU单元的接触器随后就位，如在图3a中所示。
当必须使用滑行功能但发电机218已经损坏或有故障时，发电机216的输出通过设备232连接到滑行网络214，并向此网络供应交流电压Vac2。此电压足够控制滑行网络的反向功能。发电机218的输出可以通过设备232的媒介与滑行网络214断开。GNTPCU单元的接触器随后就位，如在图3c中所示。
整流器230为AC/DC型，并使得可将交流电压Vac1转换成直流电压Vdc1，或将电压Vac2转换成直流电压Vdc2。MCU单元228可包括接触器和至少一个功率变换器，每个功率变换器包括一个或几个反用换流器。有利地，当发电机218向滑行网络214提供电流或功率时，这些反用换流器仅仅在电流切换模式下工作。
发电机216更优选地是起动机/发电机(S/G)，所述起动机/发电机当其供应以电力时可以在“电动机”模式下使用，以便起动APU220。这使得可阻止专门起动现有技术的APU的起动机。低功率发电机216安装在原起动机的位置中的APU220上，这使得可避免妨碍发电机218安装在APU220的输出轴上。
或者，使用来起动APU220的是发电机218。能够选择性地供应两个电压Vac1和Vac2或电压Vac2和功率P的发电机218有利地是具有缠绕转子励磁的三级同步发电机，所述三级同步发电机的工作原理示意性地显示在图4中。
发电机218包括由在主缠绕定子252内侧的APU的输出轴248所驱动的主缠绕转子250。发电机218为三级型(三个转子/定子单元)，并包括除了主转子250/主定子252单元外的转子254、具有永磁铁的定子256，以及激励器的转子258和定子260，具有永磁铁的转子254，258以及激励器与APU的输出轴248为整体。
激励器的转子258的输出与二极管整流器262的输入连接，所述二极管整流器与轴248为整体，且其输出与主转子250的输入连接。
激励器的定子260的输入和带有永磁铁的定子256的输出与用于调节和用于控制包括至少一个GCU卡的设备264连接，所述GCU卡调节发电机218的电流或电压，并在电过载的情况下进行保护。这些设备264也与主定子252的输出连接，并包括用于检测传送到飞机的网络212，214的电压或电流的设备。设备264可以容置在GNTPCU单元中。
发电机218可以下面的方式运行。
APU220的输出轴248以预先确定的速度驱动发电机218的主转子250。用于调节和用于控制的设备264调节对激励器的定子260的供应，其方式产生在激励器的转子258中感应电流的电磁场，此电流在供应主转子250以便在发电机的第三级的主定子252中感应给定的电压或电流之前激励转子258，并被整流器262整流。具有永磁铁的转子254和定子256尤其使得可向设备264报告轴248的旋转速度。
主转子250在主定子252中感应电流或电压，其将供应上述网络212，214中的一个或另外一个。设备264根据在此发电机的输出上检测到的电压或电流控制发电机218的励磁，其方式为发电机传送大致恒定或可能变化的限定电压(VAc1或Vac2)，以便尤其供应滑行网络，任何一个可比作电压发电机，或传送大致恒定的电流或功率，另外一个可比作电流/功率发电机，以便尤其供应滑行网络。
发电机218的励磁的变化使得可从用于调节电压Vac2(用于以例如115V的Vac2供应网络212)的模式切换到用于调节功率P(用于以例如150kW的功率P供应网络214)的模式，或者从用于调节电压Vac2(用于以例如115V的Vac2供应网络212)的模式切换到用于调节电压Vac1(用于以例如230V的电压Vac1供应网络214)的模式。
发电机218当其与飞机网络连接时更优选地供应115Vac的电压和90kVA的功率，以及当其与滑行网络连接时供应150KW的功率。
在图5的可替代实施例中，SBU(起动机箱单元)型的电动机控制单元270与平行于单元222的导线224连接。此单元270用来通过起动机/发电机216或218的媒介控制APU220的起动。在这种情况下，用于控制GNTPCU单元(设备232)的接触器的逻辑可因此被适应。
图6的可替代实施例与图4的不同之处在于MCU单元被MSCU或MSU272单元(电动机起动机单元)所替换。此MSU单元272合并GNTPCU单元的一部分动力电子设备，以便通过起动机/发电机216或218的媒介控制APU220的起动。
在本发明中使用的用于起动APU的电系统可以是在本申请人的申请WO-A2-2010/079308中所描述的类型。
另外一个未示出的可替代实施例中，滑行网络包括与四个电动机不同(例如两个)的一些电动机(M)226。

Claims (10)

1.一种用于向地面上的飞机供应电功率的装置(210)，其包括由辅助动力单元(220)驱动的两个发电机(216，218)，第一发电机将供应包括用于驱动所述飞机的轮子的电动机(226)的电力滑行网络(214)，第二发电机将供应电力飞机网络(212)，其特征在于，所述第一发电机通过选择性的连接/断开设备(232)与所述飞机网络和所述滑行网络连接，并可当其与飞机网络连接时向所述飞机网络供应第一交流电压Vac2，或当其与此滑行网络连接时向所述滑行网络供应一较高的交流电压Vac1或功率P，所述第二发电机通过选择性的连接/断开设备(232)与所述飞机网络和所述滑行网络连接，并可向与其相连的所述网络供应所述第一交流电压Vac2。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发电机(216，218)中的一个是能够起动所述辅助动力单元(220)的起动机/发电机。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，其包括与用于控制所述辅助动力单元(220)的起动的所述起动机/发电机连接的电动机控制单元(228，270，272)。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于，所述第一发电机(218)是具有缠绕转子励磁的三级同步发电机。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于，当所述第一发电机(218)与所述飞机网络连接时，所述第一发电机(218)所供应的第一交流电压Vac2为在400Hz的115Vac的电压，所供应的功率为90kVA的功率。
6.根据权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于，当所述第一发电机(218)与所述滑行网络连接时，所述第一发电机(218)提供150kW的功率。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于，所述第二发电机(216)供应用于向地面上的飞机提供电荷的电功率，以及在400Hz的115Vac的电压Vac2。
8.一种使用根据前述权利要求中任何一项所述的装置(210)向地面上的飞机供应电功率的方法，其特征在于，其包括利用第一发电机(218)供应滑行网络(214)和利用第二发电机(216)供应飞机网络(212)的步骤，以及当不使用滑行功能时利用第一发电机(218)供应飞机网络(212)的步骤，该第二发电机(216)随后暂停运行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一发电机(218)是具有缠绕转子励磁的三级同步发电机，此发电机的励磁是由电动机控制单元所控制，以便从电压发生器Vac1切换到电压发生器Vac2，或从具有功率P的发电机切换到电压发生器Vac2。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其包括当所述第一发电机(218)有故障时利用所述第二发电机(216)供应所述滑行网络(214)的步骤。
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