CN104426444B - 一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机，所述恒频起动器/发电机包括第一逆变器/转换器、第二逆变器/转换器、将所述第一逆变器/转换器电连接至所述第二逆变器/转换器的DC链路以及具有同步主机的电机，其中所述恒频起动器/发电机可在起动模式和运行模式下运转。

Description

一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机。
背景技术
当前存在用于飞机的起动器/发电机系统，所述起动器/发电机系统用于起动飞机发动机并且还用于在飞机发动机起动之后将来自飞机发动机的机械能转换成电能，以用于飞机上的电力系统。在这些系统中，连接(例如)可变电压、变频电力以便在起动模式下驱动起动器/发电机。在起动之后，起动器/发电机在发电模式下运转，从而产生电力以用于飞机。
发明内容
在一个方面，一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机包括：具有第一恒频AC输入、第一恒频AC输出、第一DC输入和第一DC输出的第一逆变器/转换器；具有第二AC输入、第二AC输出、第二DC输入和第二DC输出的第二逆变器/转换器；将所述第一DC输出电连接至所述第二DC输入并且将所述第二DC输出电连接至所述第一DC输入的DC链路；具有同步主机和AC励磁机的电机，所述同步主机具有电连接至所述第二AC输出的AC输入和电连接至所述第二AC输入的AC输出，并且所述AC励磁机具有电连接至通向AC逆变器的第三DC的AC输出的AC输入。所述第二逆变器/转换器在起动模式下运转，在所述起动模式下所述第二逆变器/转换器将所述主机AC输出与所述第二AC输入电断开，并将所述主机AC输入电连接至所述第二AC输出，以使所述主机在所述起动模式下起动，并且所述第二逆变器/转换器在发电模式下运转，在所述发电模式下所述第二逆变器/转换器将所述励磁机AC输入电连接至所述第二AC输出、将所述主机AC输入与所述第二AC输出电断开、并且将所述主机AC输出电连接至所述第二AC输入，以使所述主机在所述发电模式下运行。
在另一个方面，一种操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，所述方法包括：通过从外部电源接收AC输入来在起动模式下起动所述电机，使用第一逆变器/转换器将所述AC输入转换成DC输出，通过将所述DC输出供应至第二逆变器/转换器来将所述DC输出转换成第二AC输入，并且将所述第二AC输出供应至所述主机以便起动所述主机的旋转；在所述主机的旋转起动之后，通过将第三AC输出供应至所述励磁机使所述同步主机加速来使所述电机在发电模式下运行；以及通过所述发电模式下使用所述主机生成第四AC输出来供应所发的电，使用所述第二逆变器/转换器将所述第四AC输出转换成第二DC输出，并且将所述第二DC输出转换成第五AC输出。
附图说明
在附图中：
图1是起动器/发电机组件的截面图。
图2是起动器/发电机组件的可旋转轴的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的恒频起动器/发电机的示意图。
具体实施方式
虽然可使用(例如)同步机或主机在任何环境中实施本发明的各项实施例，但本发明各项实施例的特定实例是起动器/发电机(S/G)。当前预期在喷气式发动机环境中实施S/G。对所预期环境和实例性起动方法的简要说明应当有助于更完整的理解。图1示出安装在燃气涡轮飞机发动机上或其内的电机组件10。燃气涡轮发动机可以是涡轮风扇发动机，如General Electric GEnx或CF6系列发动机，通常用于现代商用和军用航空领域中，或者燃气涡轮发动机可以是各种其他已知的燃气涡轮发动机，如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。所述燃气涡轮发动机还可具有后燃室，所述后燃室在低压涡轮区域的下游燃烧额外量的燃料，以增加排出气体的速度，并且从而增加推力。
电机组件10包括：具有励磁机转子14和励磁机定子16的第一机器12；以及具有主机转子20和主机定子22的同步第二机器18。至少一个电力连接件提供在电机组件10的外部上，以便提供至电机组件10的电力输送和离开电机组件10的电力输送。电力由这个电力连接件(示出为电力电缆30)直接或间接地传输至电负载，并且可提供具有来自电机组件10的接地参考输出的三相。
电机组件10进一步包括机械地连接至轴向旋转源的可旋转轴32，所述轴向旋转源可以是围绕共同轴34的燃气涡轮发动机(未示出)。可旋转轴32由隔开的轴承36支撑。励磁机转子14和主机转子20安装至可旋转轴32，以便相对于定子16、22旋转，所述定子16、22旋转地固定在电机组件10内。定子16、22可安装至电机组件10外壳部分的任何合适部分。电机组件10还可包括将可旋转轴32(例如)与燃气涡轮发动机(未示出)连接在一起的机械轴37(示出为示意框)。机械轴37配置成使得可旋转轴32的旋转产生机械力，所述机械力通过轴37传递以便提供燃气涡轮发动机的旋转。
在图示实施例中，第二机器18位于电机组件10的后部，并且第一机器12定位在电机组件10的前部。可设想第一机器12和第二机器18的其他位置。
现转向图2，电机组件10进一步包括由输出引线44与励磁机定子16连接在一起的外部励磁机逆变器40，其中所述逆变器40可示意性地位于控制电路50内。如所示出，励磁机定子16包括用于提供三相励磁的三个引线L7、L8、L9。励磁机逆变器40提供三相AC电力，以便为三个励磁机定子16引线L7、L8、L9中的每一个提供励磁。尽管励磁机定子16示出为具有三个引线L7、L8、L9，但可设想其中定子16可仅具有单个引线或任何数量的多个引线的替代配置。相应地，励磁机逆变器40可将单相或多相AC电力提供至所配置引线中的每一个。
励磁机转子14包括布置用于沿引线L1、L2、L3提供三相输出的绕组，所述引线L1、L2、L3如所示出被供应至整流器46，所述整流器46示出为基于二极管的旋转整流器。整流器46进一步为主机转子20提供公共供应线路48。
主机定子22具有布置用于与控制电路50连接在一起的引线L4、L5、L6，其中定子22可与外部交流电(AC)电源(如飞机的恒频辅助电力单元(APU)52和配电节点54)连接在一起。可设想与逆变器连接在一起产生所需三相电力时的替代恒频外部电源，包括另一个正在运行的涡轮发动机或另一个电机10的电力输出、常见的三相墙上插头、地面电力车或甚至直流电(DC)源(如电池)。
图3示出根据本发明一个实施例的恒频起动器/发电机55。如所示出，起动控制电路包括第一逆变器/转换器56、第二逆变器/转换器60和DC链路58。第一逆变器/转换器56包括第一恒频AC输入62、第一恒频AC输出64、第一DC输入66和第一DC输出68。第二逆变器/转换器包括第二AC输入70、第二AC输出72、第二DC输入74和第二DC输出76。
DC链路58可包括导电材料(如传输线)，所述导电材料在第一逆变器/转换器56与第二逆变器/转换器60之间延伸，并将第一DC输出68电连接至第二DC输入74并将第二DC输出76电连接至第一DC输入66。DC链路58还与励磁机逆变器40电连接在一起。另外，应注意，DC链路58可跨越比图3的示意图中所表示的长得多的传输长度，例如，它可横跨飞机的长度。
控制电路50示出为进一步包括任选的输出滤波器78和电子开关80，其中所述输出滤波器78包括(例如)低通滤波器并且与第一AC输入62和第一AC输出64连接在一起。输出滤波器78还可与电子开关80电连接在一起。电子开关80示出为具有第一位置和第二位置，其中当所述开关80处于所述第一位置时，输出滤波器78与APU 52电连接在一起并且输出滤波器78与配电节点54电断开，并且当所述开关80处于所述第二位置时，输出滤波器78与配电节点54电连接在一起并且输出滤波器78与APU 52电断开。
在不具有任选的输出滤波器78的实施例中，电子开关80可与第一逆变器/转换器56直接连接在一起，以使得当所述开关80处于第一位置时，第一AC输入62与APU 52电连接在一起并且第一AC输出64与配电节点54电断开，并且当所述开关80处于第二位置时，第一AC输出64与配电节点54电连接在一起并且第一AC输入62与APU 52电断开。
另外，控制电路50示出为具有与第二AC输入70连接在一起的主机AC输出86和与第二AC输出72连接在一起的主机AC输入88。第二逆变器/转换器60配置用于当恒频起动器/发电机55处于起动模式时，将主机AC输出86与第二AC输入70选择性地断开并将主机AC输入88选择性地连接至第二AC输出72，并且当恒频起动器/发电机55处于发电模式时，将主机AC输入88与第二AC输出72选择性地断开并将主机AC输出86选择性地连接至第二AC输入70。在这个图示中，主机AC输出86和主机AC输入88二者均可与主机定子22绕组(未示出)电连接在一起。
控制电路50还包括至少一个控制器，示出为用于控制恒频起动器/发电机55的操作的第一控制器90和第二控制器92。第一控制器90通过通信线路(示出为虚线)与第一逆变器/转换器56和电子开关80连接在一起并与其双向通信。第二控制器92示出为与第一控制器90、第二逆变器/转换器60和励磁机逆变器40中的每一个连接在一起并与其双向通信。
每个逆变器/转换器56、60均配置用于将相应的第一AC输入62和第二AC输入70有效地整流(activelyrectify)成相应的第一DC输出68和第二DC输出76。逆变器/转换器56、60的一个实例可以是具有中性点(如三相四线逆变器/转换器)或不具有中性点的三相逆变器/转换器。每个逆变器/转换器56、60均可配置成使得从AC到DC的转换产生类似的DC输出68、76电压，例如28VDC或270VDC。
同样，每个逆变器/转换器56、60均配置用于将相应的第一DC输入66和第二DC输入74转化成相应的第一AC输出64和第二AC输出72。可设想的是，每个逆变器/转换器56、60均可配置成允许不类似的DC到AC的转换，以使得每个AC输出64、72在电压或频率上均可有所不同。另外，第一逆变器/转换器56可配置用于将DC输入66转化成恒频AC输出64，如400Hz三相电力，而第二逆变器/转换器60可配置用于提供可具有一个或多个相的可变第二AC输出72。第一逆变器/转换器56和第二逆变器/转换器60可由固态逆变器/转换器材料构成，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)，这归因于它们以更小且更轻的形状系数处理大功率电平的能力。可设想第一逆变器/转换器56和第二逆变器/转换器60的替代构成或结构。
虽然仅示出用于多个AC输入、AC输出和连接器62、64、70、72、86、88的单个连接器，但是设想可存在多个导线或连线以用于多相信号的每个相。例如，可设想第一AC输入62可包括三相电力，并且因此具有在附图中用单个连接器表示的三根导线。同样，应理解，第二电子开关80可配置用于切换到多个AC电力相或从多个AC电力相切换(switch to or frommultiple AC power phases)。
根据本发明方法的电机组件10在以下两种不同模式下运转：起动模式和发电模式，其中所述起动模式运转来提供可旋转轴32的起动转矩和加速度，并且发电模式以稳态自给自足方式运转并生成AC电力。
在起动模式起动时，可旋转轴32不旋转并且电子开关80处于第一位置。从这种状态开始，来自APU 52的AC电力输入被供应至电子开关80，所述电子开关80通过所述开关80将电力传递至输出滤波器78。所述输出滤波器78基于APU52的电特性可对来自APU 52的AC电力执行或不执行任何滤波。例如，输出滤波器78可能不在来自APU 52的AC电力上执行任何滤波操作，但它可在替代电源(如来自另一个发动机的AC电力)上执行滤波操作。
接着，在第一逆变器/转换器56处将AC电力从输出滤波器78提供至第一AC输入62。第一逆变器/转换器将使AC电力转换成预定的DC电力，如28VDC或270VDC，并通过第一DC输出68将所述DC电力提供至DC链路58。DC链路58将DC电力传输至第二逆变器/转换器60的第二DC输入74。DC链路58还可将DC电力提供至励磁机逆变器40。或者，DC链路58此时可不将DC电力提供至励磁机逆变器40。第二逆变器/转换器60将DC电力转化成适当AC电力，并将所述适当AC电力提供至第二AC输出72。
适当AC电力从第二AC输出72传输至电机组件10的主机AC输入88。AC电力被驱动至(例如)主机定子22绕组中，以便在主机定子22中生成旋转磁场，所述旋转磁场转而又在主机转子20上感应出电流。随后感应出的电流在主机转子20上生成足够的转矩以使所附接的可旋转轴32开始旋转。或者，主机AC输入88可与可响应于AC电力在可旋转轴32上生成起动转矩的任何其他组的绕组或另一个电机组件10部件连接在一起。
在上文提及的起动模式期间，第一控制器90和第二控制器92中的每一个均正在与相应的第一逆变器/转换器56和第二逆变器/转换器60通信并且正在可操作地控制所述第一逆变器/转换器56和第二逆变器/转换器60。例如，第一控制器90可能正在控制第一逆变器/转换器56中的AC电力至DC电力的转换，所述转换可以是稳定的或动态的电力转换。同样，第二控制器92可能正在控制第二逆变器/转换器60中的DC电力至AC电力的转换，并且控制第二AC输出72的供应以起动主机转子20的旋转。
可设想本发明的各项实施例，其中控制器90、92中的至少一个在起动模式期间控制恒频起动器/发电机55，以使得第二逆变器/转换器60供应AC电力以基于电机组件的物理特性或电气特性(如额定电压或温度测量结果)根据起动方法、算法、预定简档(profile)、优化操作、频率步进操作或通过动态反馈简档来起动主机转子20的旋转。上文提及的起动方法中的任何一种可存储在第一控制器90或第二控制器92中，并且可设想的是，控制器90与控制器92之间的双向通信可允许控制器90、92在主配置/从属配置中起作用，其中一个控制器90、92指导另一个控制器90、92如何应用所述方法。
另外，在上文提及的起动模式期间，第二控制器92可能正在控制励磁机逆变器40，以使得励磁机逆变器40可能正在将DC电力转化或不转化成可接受的一相、两相或三相励磁信号。在任何情况下，第二控制器92对励磁机逆变器40的控制可能是无关紧要的，因为励磁信号可能未传输至励磁机定子16。
一旦可旋转轴32达到最小操作频率(例如，如由所述方法或算法所限定)，控制器90、92中的至少一个指导恒频起动器/发电机55从起动模式改变成发电模式。在此模式改变之时，主机转子20可能正在旋转，但不是以用于电机组件10的预期操作速度旋转。在从起动模式改变至发电模式之时，第一控制器90指导第二电子开关从第一位置切换至第二位置，从而允许配电节点54与输出滤波器78连接在一起。
在发电模式期间，主机转子20的旋转在主机定子22的引线L4、L5、L6中生成三相输出，从而将电力供应至主机AC输出86。AC输出86供应至第二逆变器/转换器60，所述第二逆变器/转换器60转而又将AC电力整流成DC电力，所述DC电力通过第二DC输出76供应至DC链路58。DC链路58将此DC电力进一步供应至励磁机逆变器40。第二控制器92(例如)根据方法或算法来控制励磁机逆变器40，以便为逆变器定子16提供励磁，其中所述励磁继续引导可旋转轴32的旋转频率。通过引导可旋转轴32的旋转频率，受控的励磁使电机组件10运行加速至预期的运转速度或稳态发电模式。在此加速期间，至少一个控制器90、92可控制第一逆变器/转换器56和/或第二逆变器/转换器60，以防止将所生成的AC电力供应至配电节点。
在稳态发电模式期间，电机组件10正在引线L4、L5、L6处生成三相电力，以便在主机AC输出86处提供AC电力。AC电力从电机组件10提供至第二逆变器/转换器60的第二AC输入70。第二逆变器/转换器60将AC电力转换成DC电力，并且将所述DC电力供应至DC链路58，所述DC链路58将所述DC电力传输至第一逆变器/转换器56的第一DC输入66。第一逆变器/转换器56将DC电力转化成AC电力，并且通过第一AC输出64将所述AC电力提供至输出滤波器78。输出滤波器78执行任何必需的电气或信号滤波，并且将已滤波的AC电力提供至配电节点54。
另外，在稳态发电模式期间，第一控制器90和第二控制器92控制恒频起动器/发电机的运转，以确保产生足够的电力用于飞机的电气系统。例如，第一控制器可监测第一逆变器/转换器56处的DC电力到AC电力的转化，以确保正在将足够量的电力提供至配电节点54。另外，第二控制器92可控制第二逆变器/转换器60以确定电机组件10是否正生成足够的电力，并且如果需要，可控制励磁机逆变器40来更改组件10的励磁，以便在主机AC输出86处生成更多或更少的电力。可设想替代配置，其中控制器90、92中的至少一个能够根据需要感测、预测或调节电机组件的电力输出。
除了以上附图中所示的实施例和配置之外，本发明预期还存在许多其他可能的实施例和配置。例如，本发明的一个实施例预期配置用于执行对上文提及的控制器90、92二者的控制的单个控制器。另外，可设想各种配置，其中例如，电子开关80配置用于可在不同阶段操作以允许从起动模式分阶段或有序改变至发电模式。
在本发明的另一个替代实施例中，电子开关80可整合到现有部件中。在又一个实施例中，至少一个控制器90、92可具有嵌入来控制上述部件的选择性连接的一个或多个电子开关，或一个或多个开关80可具有嵌入的控制器。
在本发明的再另一个实施例中，DC链路58可进一步包括用于向飞机内的DC负载供电的DC电力总线。在这个实施例中，控制器90、92中的一个可具有与DC电力总线的双向通信以确保正在提供足够的电力，或调整电机组件10的功率调节。可进一步设想的是，第一控制器90和/或第二控制器92可配置用于提供关于恒频起动器/发电机的故障或诊断应用或信息。
此外，电机组件10可包括组件10的永磁发电机(PMG)部分，所述永磁发电机部分具有PMG转子和PMG定子。在这个配置中，PMG可配置用于生成一些或所有必需的励磁机定子励磁，其中所述励磁可由(例如)第二控制器92控制。另外，可重新布置各种部件的设计和放置，以使得能够实现许多不同的轴向式(in-line)配置。
本说明书中所公开的方法提供一种使用恒频起动器/发电机的飞机发动机起动方法。在上述方法中可实现的一个优点是，所述方法在恒频AC输入处提供足够的起动转矩。因此，这种方法可代替气压起动部件，从而导致用于飞机的显著的重量减少和空间要求。或者，上述方法可代替飞机的电集成驱动发电机(IDG)、恒速驱动器(CSD)和/或空气涡轮起动器(ATS)单元，从而导致起动操作的操作效率提高并且重量限制降低。
另外，用于逆变器/转换器的固态部件的使用导致用于起动操作的部件的可靠性增加，从而减少对于飞机的维修需求。
在设计飞机部件时，要解决的重要因素是大小、重量和可靠性。上述方法具有使系统将能够提供恒频起动器/发电机的较少数量的零件，从而使得整个系统固有地更为可靠。这能够减轻重量、缩小大小、提高性能并提高系统可靠性。数量较少的零件和减少的维修将使产品成本降低并使运转成本降低。减少的重量和大小与飞行期间的竞争优势相关联。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或系统、以及执行所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例具有的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类其他实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义并无实质性差别，那么此类其他实例也在权利要求书的范围之内。

Claims (13)

1.一种用于涡轮发动机的恒频起动器/发电机，所述恒频起动器/发电机包括：
第一逆变器/转换器，所述第一逆变器/转换器具有第一恒频AC输入、第一恒频AC输出、第一DC输入和第一DC输出，所述第一恒频AC输出选择性地与配电节点电连接；
第二逆变器/转换器，所述第二逆变器/转换器具有第二AC输入、第二AC输出、第二DC输入和第二DC输出；
DC链路，所述DC链路将所述第一DC输出电连接至所述第二DC输入并将所述第二DC输出电连接至第一DC输入；
电机，所述电机具有同步主机和AC励磁机，所述同步主机具有电连接至所述第二AC输出的AC输入和电连接至所述第二AC输入的AC输出，并且所述AC励磁机具有电连接至第三AC输出的励磁机AC输入；以及
励磁机逆变器，在发电模式期间所述励磁机逆变器将所述励磁机AC输入选择性地连接至所述DC链路的第三DC输出；
其中，所述第二逆变器/转换器在起动模式下操作，在所述起动模式下所述第二逆变器/转换器将所述主机AC输出与所述第二AC输入电断开，并将所述主机AC输入电连接至所述第二AC输出，以使所述主机在所述起动模式下起动，并且所述第二逆变器/转换器在所述发电模式下操作，在所述发电模式下所述励磁机AC输入电连接至所述第三AC输出，并且所述第二逆变器/转换器将所述主机AC输入与所述第二AC输出电断开，并将所述主机AC输出电连接至所述第二AC输入，以使所述主机在所述发电模式下运行。
2.如权利要求1所述的恒频起动器/发电机，所述恒频起动器/发电机进一步包括将所述第一逆变器/转换器电连接至所述第二逆变器/转换器的DC链路。
3.如权利要求2所述的恒频起动器/发电机，所述恒频起动器/发电机进一步包括可操作地连接至所述第一逆变器/转换器并且控制所述第一逆变器/转换器的操作的第一控制器。
4.如权利要求3所述的恒频起动器/发电机，所述恒频起动器/发电机进一步包括可操作地连接至所述第二逆变器/转换器和所述励磁机逆变器的第二控制器并且所述第二控制器控制所述第二逆变器/转换器和所述励磁机逆变器的操作。
5.如权利要求4所述的恒频起动器/发电机，其中所述第二控制器与所述第二逆变器/转换器、励磁机逆变器、所述DC链路或所述第一控制器中的至少一个双向通信。
6.如权利要求5所述的恒频起动器/发电机，其中所述第一控制器与所述第一逆变器/转换器双向通信。
7.如权利要求1所述的恒频起动器/发电机，其中所述第一逆变器/转换器或所述第二逆变器/转换器中的至少一个进一步包括固态逆变器/转换器。
8.如权利要求7所述的恒频起动器/发电机，其中所述固态逆变器/转换器进一步包括碳化硅或氮化镓中的至少一种。
9.一种操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，所述方法包括：
通过从外部电源接收AC输入来使所述电机在起动模式下起动，使用第一逆变器/转换器将所述AC输入转换成DC输出，通过将所述DC输出供应至第二逆变器/转换器来将所述DC输出转换成第二AC输入，并且将第二AC输出从所述第二逆变器/转换器供应至所述主机，以起动所述主机的旋转；
在所述主机的旋转的所述起动之后，励磁机逆变器将励磁机AC输入选择性地连接至所述DC链路的第三DC输出，通过将第三AC输出供应至所述励磁机使所述同步主机加速来使所述电机在发电模式下运行；以及
通过所述发电模式下使用所述主机生成第四AC输出来供应所发的电，使用所述第二逆变器/转换器将所述第四AC输出转换成第二DC输出，并且将所述第二DC输出转换成第五AC输出，所述第五AC输出选择性地与配电节点电连接。
10.如权利要求9所述的操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，其中在所述电机的所述起动期间，控制器控制所述第二AC输出至所述主机的所述供应，以便根据算法、预定简档或反馈简档中的至少一个起动所述主机的旋转。
11.如权利要求10所述的操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，其中在旋转的所述起动之后，所述控制器控制所述第三AC输出至所述励磁机的所述供应。
12.如权利要求10所述的操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，其中所述供应所发的电进一步包括对所述第一逆变器/转换器、所述第二逆变器/转换器或所述电机的发电中的至少一个进行控制的所述控制器。
13.如权利要求12所述的操作具有同步主机和励磁机的电机的方法，其中对所述第一逆变器/转换器、所述第二逆变器/转换器或所述电机的发电中的所述至少一个的所述控制由所感测或所预测的第五AC输出特性中的至少一个确定。
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