CN104541176A - 十二脉冲自耦变压器整流单元 - Google Patents

十二脉冲自耦变压器整流单元 Download PDF

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Abstract

一种用于检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的缺失相位的方法和设备，ATRU用于接收三相输入并输送施加了共模电压的标称DC输出。监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一，由此确定输入中是否存在缺失相位。还可以监测所述共模电压的频率和/或振幅，由此确定是否存在输入电压的损失。

Description

十二脉冲自耦变压器整流单元
本发明涉及十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)以及特别地并且不排他地涉及用于检测其连接的三相电源中的特定状况和/或其操作的方法和设备。
十二脉冲ATRU是用于从三相AC电源输入产生DC输出电源的整流器。这种类型的整流器特别地用于飞机中，因为与最简单的可能的三相整流器(六脉冲整流器)相比，其给出了DC输出上的较小波动，以及三相输入电源中谐波电流的较低水平。为了最小化需要实现十二脉冲方案的相移变压器的成本和重量，其由自耦变压器做出。
在这种装置中重要的是能够迅速确定诸如缺失的AC相位或输入电源的下降等的异常。如果存在缺失的相位，则在整流器处将仅存在三个相位中的两个，这可能导致由ATRU的输出所供能的设备的损坏或故障。输入电源下降也可能在由ATRU的输出所供能的特定类型的设备中是有问题的。例如，在使用无传感器的方波驱动器的设备中，至关重要的是存在对输入电源下降的快速检测。这是需要的，因为为了能够提供输入电源被重新连接时的“热”重启，桥式驱动器必须在输入电源下降的非常短的时间(通常1ms)内关闭，由于电机控制器需要在电源被中断的时间段期间保持对转子位置的跟踪。
存在许多用于检测缺失相位的现有提议。例如，US5548207公开了一种方法，其中，被监测的三相电源连接至隔离变压器的初级绕组，隔离变压器逐步降低电压并将电压供给至整流器。整流后输出的纹波被分析以确定是否存在缺失相位。该技术需要连接至三相电源，并且这可能是有问题的，特别在至或从被监测电源的接入不方便的情况下。例如，在这里提出的构造中，ATRU可以布置在燃料箱内以使得燃料提供对单元的主动冷却(由此允许ATRU的重量减少)。监测电路通常在燃料箱的外部并且在US5548207中所公开的类型的配置中如此，需要提供附加的密封馈通连接以将ATRU链接至监测电路。
我们发现，由于使用自耦变压器构造，三相十二脉冲自耦变压器具有不同的特性，整流后的标称DC输出具有施加其上的相对于发电机中性点电压的共模电压，其根据各种操作状况而变化。因此，我们设计了一种系统，其能够监测至ATRU的三相电源的状况，其不需要连接至三相电源的每个相位，而是监测出现在ATRU的整流标称DC输出上的相对于发电机地线的共模电压。因此，在一个方面，本发明提供检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的缺失相位的方法，ATRU用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，该方法包括监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一，由此确定输入中是否存在缺失相位。
由此，在一个配置中，检测共模电压的频率，并且如果共模电压的频率低于预设的阈值频率，则确定缺失相位事件。这可以提供指示信号输出或显示警告。频率检测可以使用模拟电路或数字电路来实现。
可替换地或另外地，可以检测共模电压的振幅，并且如果共模电压的振幅超过预设的振幅阈值，则确定缺失相位事件。
除了或代替寻找缺失相位，该方法可以再次通过监测相对于发电机地线的共模电压来寻找输入电源下降。
由此，在另一方面中，本发明提供检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的输入电源下降的方法，ATRU用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，该方法包括监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一，由此确定是否存在输入电源下降。
由此，共模电压的振幅可以被监测并与预定阈值振幅进行比较。
振幅检测可以使用模拟电路或数字电路来实现。
在这些方面中的每一个中，可以便利地通过参考三相发电机中性点电压或另一接地基准来检测共模电压。本发明还扩展至用于检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的缺失相位的设备，ATRU用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，该设备包括用于监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一并由此确定输入中是否存在缺失相位的电路。
本发明还扩展至用于检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的输入电源下降的设备，ATRU用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，该设备包括用于监测所述共模电压的振幅并判断所述振幅是否小于预定阈值振幅的电路。
本文所公开的设备和方法具有以下优点，控制电路不需要接入三相电源，这是有益的，因为允许至低压控制电路的高压增加了成本和复杂性。此外，检测的方法比使用变压器的方法(其是可替换的已知方法)更便宜和简单。
尽管以上描述了本发明，但其可扩展至以上列出的或以下描述或附图中的特征的任何创造性组合。
仅通过示例的方式，现在将参考附图详细描述本发明的特定的具体实施例，其中：
图1是根据本发明的包括缺失相位检测和输入下降保护的三相十二脉冲ATRU的图；
图2(a)是示出所有三个相位存在时施加在ATRU的DC输出上的共模电压的图；以及
图2(b)是类似于图2(a)但示出相位之一缺失时的共模电压的图。
结合三相电源来描述此处公开的实施例和修改，该三相电源被设计为对操作燃料泵的DC电机供电。当然，应该理解，电路可以容易地适于在其他应用中确定三相电源的状况。
首先参考图1，来自三相发电机10的三相电源被供给至已知电路设计的ATRU 12。三相发电机中性点电压连接至地线，并且ATRU安装在也连接至地线的外壳14中。在飞机中实现的该方案中，“地线”的意思是共用机体或共用接地网(在组合式飞机的情况下)。在ATRU 12中，三相电源以已知方式连接至三角形结构中的三个初级绕组161、162和163。在每个顶点处，两个次级绕组181、182被连接，并将电流供给至二极管对的两个阵列201、202，整流DC经由两个相间变压器221、222(也称为相间反应器)输出。DC电源被传送至电机控制器24并且由此至电机26。电机控制器控制电机的角速度和角位移。
我们对上述类型的ATRU电路的分析揭露了针对十二脉冲方案，当所有三个相位存在时，DC输出具有施加于其上的相对于发电机中性点电压的共模电压，其由大致半个正弦脉冲组成，具有DC输出电压的大约18％的振幅，并且是输入频率的三倍(参见图2(a))。当缺失相位事件发生时，共模电压增大至DC输出电压的大约54％，并且变得等于输入频率(参见图2(b))。由于在自耦变压器中从通电绕组(相位间连接的绕组)耦合至共享现在断开的相位连接的两个绕组的影响，该电压具有复杂的形状。当然，可以理解，共模电压等同地影响了DC正和负线，这样，在DC电路中，仅看到整流后的标称DC输出。共模电压存在于发电机中性点电压(其接地至飞机结构或其它底盘类型)之间，可以通过观察地线或底盘与DC负线之间的电势差来监测。
因此，本实施例利用以下事实：在正常操作期间，共模输出电压是输入频率的三倍，但在缺失相位状况期间，其等于输入频率。在该特定实施例中，输入频率可以在360和800Hz之间变化，这对于使用“频率紊乱的”发电机的新一代飞机来说是典型的；缺失相位状况将产生同一范围中的共模频率，而正常操作状况将产生在1080至2400Hz范围内的共模频率。因此，以范围800至1080Hz内的阈值频率操作的频率检测器可以在整个输入频率范围中辨别正常操作和缺失相位。清楚的是，该方案也可以在固定频率或密切调节频率的电源的情况下应用。
该方案的好处是检测器仅需要从电机控制器外壳至电机控制器的连接，电机控制器外壳连接至飞机接地系统(其是也连接发电机中性点的位置)，电机控制器参考ATRU的DC输出的负侧。该连接可以是高阻抗并且可以包括电容器，以使得感测电路不产生显著的循环接地电流，并且不阻止电子电路和ATRU DC输出与泵外壳之间的DC隔离测试。结果是不需要电子器件和三相输入电源之间的连接。这在实现本发明的燃料泵的情况下具有特别的益处，因为ATRU浸没在燃料中以提供主动冷却(并由此允许进一步的重量减少)，并且需要密封馈通连接以将TRU连接至未浸没在燃料中的电子器件。这些馈通中存在两个来将ATRU的正和负DC输出传送至电子器件，并且本发明消除了经由馈通连接器引入另外的三个电压的需要。这提供了成本节省和有价值的空间节省，并且比基于变压器的替换方式具有低得多的成本。频率检测器针对缺失相位检测工作良好。它还可以用于在不需要最快的可能响应的情况下检测输入电压的损失。信号振幅检测器针对缺失相位检测工作良好，并且还可以用于快速检测输入电压的损失。
输入电源下降的快速检测在使用无传感器的方波驱动器的情况下具有好处，因为其需要在输入电源被关闭的1毫秒内关闭桥式驱动器，以能够在再次施加输入电源时提供热重启(即，为了控制器能够在电源断开时成功地保持对电机转子位置的跟踪)。缺失相位检测器的输入级用于提供这个功能并且能够在小于1毫秒内检测输入电源的损失。
因此，在该实施例中，存在许多电路模块，其处理在此参考发电机中性点电压的共模电压以提取信息来确定三相电源的状况，即相位是否缺失或者输入电源是否一起下降。
共模电压被供给至总地以28示出的中性点电压传感器。这里，中性点电压在电容器30上获得，电容器30将共模信号的AC分量耦合至电阻器32和34，因此耦合至运算放大器36，其输出被标记为Neut Atten，是至中性点电压传感器28的输入的反向版本，由已知比率衰减并具有5V偏移。重新比例调节后的Neut Atten信号之后用于驱动缺失相位检测器38和总地以36表示的低输入检测器。
在低输入检测器36中，比例调节后的共模电压(Neut Atten)被供给至比较器IC201a，其在引脚2给出方波输出，其边沿与Neut Atten信号跨越5V参考线的时刻一致，5V也是Neut Atten信号的平均值。在IC201a的引脚2上的方波供给由C245和C246、以及D205和D206形成的充电泵，其中R211用作负载。当存在输入电源时，充电泵在TP818输入几伏，以使得低压检测(LVD)比较器看到它比1V基准高。相反，当不存在输入电源(但是辅助电源(APS)仍然工作)时，充电泵输出降到零，并且LVD比较器看到它低于1V基准。
因此，LVD比较器52的输出状态根据输入电源是否存在而是高或低。
缺失相位检测器38由精度f-V电路39和用于接收精度f-V电路39的输出的平均电路40组成。在精度f-V电路39中，来自中性点电压传感器28的Neut Atten信号被施加至比较器IC201d，其给出方波输出，该方波输出的边沿对应于Neut Atten信号跨越其平均值(其是5V)的时刻。IC202缓存电压，是CMOS，从精确的5V电源供电，利用一系列电阻产生在0和精确5V基准之间切换的输出。将该输出连接至CR电路C251/R249产生边沿，其跟随有朝向0V线的指数延迟。该衰减的平均值精确地与5V基准和CR时间常数的乘积成比例(并且不依赖于CMOS门IC202的串联输出电阻)。IC200d和D213形成精度整流器。运算放大器将有效二极管电压降低至大致IC200d的输入偏移电压(其是几mV)。这将C251的输出限制为仅是正的，从而跨越R249的输出是一系列跟随有指数衰减的正向跳动。只要衰减时间足够短(例如小于周期的25％)，该电压的平均值就精确地与输入频率成比例。IC810a缓存跨越R249的输出电压，以发送至平均电路41。
在平均电路41中，来自精度f-V电路39的IC801a的缓存输出被供给至由R250-253以及C252和253组成的差分低通滤波器，以平均化脉冲并提供电压增益。R266可以是SOT(测试选择)部件以对初始设置的增益进行精确调节。R254和C254形成第二级低通滤波器。
标记为CPDet的滤波后输出现在是具有小波动的DC电压，DC电压与频率成比例，并且被比例调节以针对900Hz输入给出5V。该信号在比较器54的输入处与5V基准进行比较，从而比较器输出根据频率小于还是大于900Hz而是低或高。如上所述，800Hz或更小的频率表示缺失相位状况，1080Hz或更大的频率意味着不存在缺失相位，因此比较器输出状态用作缺失相位信号。
因此，所述实施例提供了用于与三相电源和12脉冲变压器整流单元(TRU)一起使用的缺失相位检测器和快速作用低输入电压检测器，诸如通常用在飞机中，并且响应于共模信号的振幅和/或频率。本实施例具有以下优点：当使用TRU的DC输出的电路参考DC轨道中之一(这是通常的实践)时，检测器不需要连接至三相输入电源，而是使用发电机中性点/共用接地连接，并且可以电容地耦合至该连接，从而不引入接地漏电流。这在使用其的设计上具有优点，因为其用在燃料泵(其中TRU在燃料中以保持冷却)中，并且电子电路处于干燥密封区域，使得电子器件和TRU之间的互连需要馈通连接，其是庞大的并且生产成本昂贵。

Claims (12)

1.一种检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的缺失相位的方法，所述三相十二脉冲自耦变压器整流单元用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，所述方法包括监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一，由此确定所述输入中是否存在缺失相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述共模电压的频率，并且如果所述共模电压的频率低于预设的阈值频率，则确定缺失相位事件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用模拟电路来实现所述频率检测。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，使用数字电路来实现所述频率检测。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述共模电压的振幅，并且如果所述共模电压的振幅超过预设的振幅阈值，则确定缺失相位事件。
6.一种检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的输入电源下降的方法，所述三相十二脉冲自耦变压器整流单元用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，所述方法包括监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一，由此确定是否存在输入电源下降。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述共模电压的振幅被监测并与预定的阈值振幅进行比较。
8.根据权利要求5或7所述的方法，其中，使用模拟电路来检测所述振幅。
9.根据权利要求5或7所述的方法，其中，使用数字电路来检测所述振幅。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于三相发电机中性点电压来检测所述共模电压。
11.一种用于检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的缺失相位的设备，所述三相十二脉冲自耦变压器整流单元用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，所述设备包括用于监测所述共模电压的频率和振幅中的至少之一以由此确定所述输入中是否存在缺失相位的电路。
12.一种用于检测三相十二脉冲自耦变压器整流单元(ATRU)中的输入电源下降的设备，所述三相十二脉冲自耦变压器整流单元用于接收三相输入并输送施加了共模电压的整流标称DC输出，所述设备包括用于监测所述共模电压的振幅并判断所述振幅是否小于预定阈值振幅的电路。
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