CN104603424A - 电气设备 - Google Patents

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Abstract

一种飞机电气设备包括被配置为用以向变压器整流器单元(2)提供交流输入电压的发动机起动电动机控制单元(1)。优选的是，该设备包括用于向飞机直流电源总线(4)供应电力的变压器整流器单元(2)，其中，该发动机起动电动机控制单元(1)向变压器整流器单元(2)提供交流输入电压。

Description

电气设备
技术领域
本发明涉及用于飞机的电气设备，并且具体地涉及用于控制对于飞机发动机起动电动机和向变压器整流器单元的电力供应的电子控制器。
背景技术
历史上地，已经通过使用气动设备来起动飞机发动机。最近，已经采用电气起动设备来避免对于在使用气动起动设备时所需的气动电力发电机和相关联的输送管线的需要。该电气起动设备典型地包括电动的起动电动机。有益的是，无刷起动电动机得以使用，其可以直接地机械耦合到发动机。无刷电动机需要电子电动机控制单元以根据电动机位置和其他工作条件来激励电动机绕组。
考虑到用于起动飞机发动机的相对高的功率要求，用于向起动电动机供应电力并且控制起动发动机的工作的发动机起动电动机控制单元(ESMCUs)必须能够应对高电流和电压，并且因此相对的大而重。发动机起动电动机控制单元通常不是100％有效的，并且它们消耗的电力中的一部分被转换为热量，该热量需要被去除。散热器和冷却设备进一步地增加了ESMCU的体积和重量。
因此，在电动发动机起动系统相对于气动装置提供某些益处的同时，这样的系统伴随有下述代价：要求飞机包含相对重的ESMCU，而该ESMCU仅在每次飞行中短暂地使用以用于起动发动机。
公所周知地，ESMCU用于在飞行期间向用于其他发动机和飞机功能的电动机提供电力和控制。然而，当ESMCU用于在发动机起动时控制起动电动机并向其供应电力时，ESMCU可以仅用于向其他电动机供应电力，其中，那些电动机并不需要在发动机起动期间运行。清楚的是，这对于可以应用的ESMCU的功能施加了限制。
发明内容
本发明的一个目的是改善ESMCU的利用率。本发明的另一个目的是减少电动机起动系统的重量和体积代价，并且改善飞机电气系统的可靠性。
根据本发明，提供了一种飞机电气设备，包括被配置为向变压器整流器单元提供交流输入电压的发动机起动电动机控制单元。优选的是，所述设备包括用于向飞机直流电源总线供应电力的变压器整流器单元，其中，所述发动机起动电动机控制单元向所述变压器整流器单元提供所述交流输入电压。
这样的设备的益处在于它可以允许更小、更轻的变压器整流器单元的使用。
所述设备可以进一步包括电池，用于在所述发动机起动时向所述直流电源总线供应电力。
优选的是，所述设备进一步地包括直流电压监控部件，用于测量来自于所述变压器整流器单元的输出电压。它可以进一步被布置使得所述发动机起动电动机控制单元被配置为根据由所述直流电压监控部件所测量的来自于所述变压器整流器单元的所述输出电压来调整向所述变压器整流器单元提供的所述交流输入电压。
所述交流输入电压的频率优选地被选择为大体上大于交流电源总线的频率，其中，由所述交流电源总线向所述发动机起动电动机控制单元供电，由此，允许重量的减轻，但是它优选地小于下述的点：在所述点处，所述发动机起动电动机控制单元花费其转换周期的大部分以在其工作状态之间转换，此时，转换损耗变得显著，并且可导致增多的热耗散。例如，所述交流输入电压的频率是所述交流电源总线的所述频率的至少10倍。
所述交流输入电压波形可以大体上采取方波的形状。
本发明还涉及一种飞机电气设备，包括用于向飞机直流电源总线供应电力的变压器整流器单元，其中，所述变压器整流器单元被配置为从发动机起动电动机控制单元接收交流输入电压。
附图说明
借由实施例并参考附图，本发明得以进一步地描述，在附图中：
图1是典型的发动机电气设备的示意性框图；
图2是与图1相类似的，但示出了根据本发明的实施例所述的电气设备的示意性框图；
图3示出了包含根据本发明的实施例所述的电气设备的飞机电力供应系统的电路图；以及
图4示出了图3的设备的一部分的另一电路图。
具体实施方式
首先，参见图1，示出了典型的飞机电气设备，其包括发动机起动电动机控制单元(ESMCU)1，ESMCU 1可操作用于向发动机起动电动机5提供电力并且控制其工作。ESMCU 1连接到交流电源总线6，并且由交流电源总线6供电，交流电源总线6也向变压器/整流器2供电，变压器/整流器2的输出被供应给直流电源总线4。可充电电池3被布置为由变压器/整流器2的输出充电，并且在变压器/整流器2的输出不足以对在使用中连接到直流电源总线4上的各个电气设备供电的情况下向直流电源总线4提供电力。
典型地，飞机电力系统包括多条电源总线4、6，该多条电源总线4、6向飞机上的各种电动负载供电。为了提供所需的冗余度，多条交流电源总线6可以通过适当的交换连接而彼此互连，这样在中断向其中一条交流电源总线6的正常供电的情况下，交换连接的适当切换可允许继续对交流电源总线6供电。传统上地，交流电源总线6将接收通过被飞机发动机驱动的旋转电机所产生的、在大约115V和300Hz至800Hz下工作的三相交流电源。
变压器/整流器2调节直流电源并且将其转换为28V直流电源。
与交流电源总线6一样，在直流电源总线4之间可设置交换连接。
发动机起动电动机控制单元1由交流电源总线6供电，并且包括控制电路和电力电子装置(power electronics)。ESMCU 1根据电动机位置和对于电动机电力的需求向起动电动机5的电动机绕组提供电压。
由直流电源总线4供电的各种电气装置的电力要求可能高，并且因此，可能需要变压器/整流器2提供大的供电输出。已知的是：当电流消耗增加时时(例如，当变压器的铁芯开始接近磁饱和时)，变压器倾向于提供较低的输出电压。该效果对于越轻、越小的变压器越显著。由于要求变压器/整流器2达到特定的电压范围，所以它必须具有足够大的尺寸和重量以将直流电源保持在可接受的极限内。而且，输入到变压器/整流器2中的频率的频率范围在300Hz至800Hz之间，而已知的是在这样的较低频率下工作的变压器会大于在较高频率下工作的那些变压器。因此，变压器/整流器2通常是在飞机上的设备中相对重的部件。
因为变压器/整流器的输出(或次级)电压与输入(或初级)电压直接相关，所以确保交流电源电压得到很好的控制也是必要的。
接着，参见图2，示出根据本发明所述的一个实施例的飞机电气设备，其主要包括与图1中所示出的元件相同的元件。然而，与现有技术的布置相反，在该实施例中，变压器/整流器2并没有被布置为由交流电源总线6直接供电，而是换为由ESMCU 1提供电力。在使用中，与图1的布置相同，ESMCU 1在数万赫兹下通过转换电子装置(例如，绝缘栅双极晶体管或场效应晶体管)而产生起动电动机5所需的电压。然而，在这个实施例中，ESMCU 1也被以如下方式配置，以使得当它未向起动电动机5提供电压时，它产生适当的电波形，以激发变压器/整流器2，变压器/整流器2被相应地配置为从ESMCU 1接收电力。该布置允许变压器/整流器2在尺寸和重量上大大地减小，这是因为与从交流电源总线6处可获得的波形相比，来自于ESMCU 1的波形可在不同的且更高的频率下被提供。技术人员可以明白，变压器的铁芯尺寸随着频率的提高而减小。申请人已经发现，使用该手段可获得的变压器/整流器2重量上的减小是ESMCU 1的重量的显著部分。这减小了用于提供电动机起动系统所需的电子设备的总重量，并且允许飞机承载比具有现有技术的电动机起动布置的飞机更多的有效负荷。
在通常为大约1分钟的、要求ESMCU 1起动发动机的时间期间，ESMCU 1将不能向变压器/整流器2提供电力。在这个期间，直流电源总线上的电气负载可以由电池3供电。这一布置是有益的，因为在地面上的飞机的发动机起动期间，它使得电池3承受全部电气负载，一旦来自于交流电源总线6供电在飞行期间故障，所述全部电气负载都需要它来供电。由于可充电电池的性能通常随着时间而衰减，所以重要的是，它们需要周期地检查以确定它们可以为所需的负载供电。在飞行前即刻测试是理想的，因为它保证了电池性能不会变差。因此，在发动机起动过程期间，此时ESMCU1的输出将被用以驱动起动电动机5，通过核查由直流电源总线4供电的各个装置在正常地运行，可以确定电池3能够满足所需的负载。因此，使用ESMCU1来向起动电动机5供应电力并且在除发动机起动以外的时间驱动变压器/整流器2具有另外的优点：允许对可充电电池3的能力的测试以使其满足所需的负载。
来自于ESMCU 1的用于驱动变压器/整流器2所需的电力比用于驱动起动电动机5所需的电力小得多。因为ESMCU 1必须针对在发动机起动期间所需的较高的电力水平而加以设计，所以它在其使用期限的大多数时间内都以较低的电力水平运行，以对于变压器/整流器2供电。这自然地使得ESMCU1具有增强的可靠性和长的服务寿命。
在一个可替代的实施例中，该设备可以被布置使得，尽管在ESMCU 1实际起动发动机的过程中从直流电源总线4处可获得降低的电力，但是ESMCU输出一直与变压器/整流器2连接。在这些时间段期，ESMCU输出将被优化以用于驱动起动电动机5，并且对于驱动变压器/整流器2则可能是次优的。
图2的实施例的另一个优点是ESMCU 1可包括用以控制提供到变压器/整流器2的电波形的额外的特征(未示出)。例如，可以监控来自于变压器/整流器2的直流电压输出，并且，可以相应地调整来自于ESMCU 1的电波形以补偿来自于变压器/整流器2的输出电压上的任何变化。例如，ESMCU 1可以对变压器/整流器2的倾向进行补偿，以在高电流输出下提供较低电压，从而，允许在变压器/整流器2的尺寸上的进一步的缩小。而且，ESMCU 1可以包括对交流电源总线6的电压振幅的变化进行补偿的特征。
由ESMCU 1来向变压器/整流器2提供电力并且能够提高该电力供应的频率的另一个优点在于高的工作频率将导致在变压器/整流器2的输出上的较高频率纹波(ripple)，其更容易使用小和轻重量的组成部分滤掉。因此可以减少在直流电源总线4上产生的电压纹波。
图3为设备的电路图，其参考图2的框图以上文所描述的方式运行。在图2和3中，相同的附图标号用于表示相同的部分。
图3的设备为大体对称的形式，具有上部10a和下部10b，上部10a和下部10b彼此大体等效，并且被用于例如双发动机飞机的各自的发动机。虽然图3图示了具有两个大体等效的部分的电路，但是可以了解的是，本发明在这一点上不受限。上部10a包括ESMCU 1、变压器/整流器2、电池3、28V直流电源总线4、发动机起动电动机5和被发动机驱动的115V交流发电机13。虽然发电机13和电动机5被分别地示出，但是在实际应用中和公知的是，将这些功能合并为单个旋转机构。发电机13向交流电源总线6供应输出。ESMCU 1向起动电动机5和变压器/整流器2两者供电。下部10b包括与上部10a相同组成部分的集合和功能。在电路的各个元件之间设置了电子开关11，以控制电发动机起动系统的工作以及与飞机电力供应系统的整合。
两个发动机或可以经由连接14由地面电源或可以经由其中任何一个发电机13所提供的115V交流电来起动。该布置也允许经由其中一个ESMCU 1以及相关联的变压器/整流器2由交流电源总线6或者从地面电源得到的交流电对两条直流电源总线4供电。
虽然在图3中所示的设备可以形成为单个单元，但是可以想到的是对于每一个部分10a、10b来讲采取两个分开的单元的形式是方便的。因此，上部10a可以包括：第一单元10a’，其包括交流电源总线6和多个开关11；以及第二单元10a”，其包括ESMCU 1和变压器/整流器2。类似地，下部10b可以包括两个分开的单元10b’、10b”。
图4是图3中的单元10a”的ESMCU 1和变压器/整流器2的电路示意图。ESMCU 1包括三相全波桥式整流器24以及3个全桥NMOSFET电动机驱动电路26、27、28。变压器整流器电路29、30、31分别与每一个电动机驱动电路26、27、28相关联。每个电动机驱动电路26、27、28的每一个NMOSFET的栅极连接到控制电路21，并且每一个电动机驱动电路的输出连接到起动电动机5的绕组，并且经由电子开关32、33、34连接到相关联的变压器/整流器电路29、30、31的各自的变压器的初级绕组。控制电路21可以由此控制在起动电动机绕组和变压器整流器电路29、30、31上施加的电压。
如所示，每一个电动机驱动电路26、27、28采取下述形式：上部NMOSMET 26’、27’、28’，其由ESMCU1控制，并且可操作地控制来自整流器24的高输出线24a与起动电动机驱动连接/变压器/整流器电路29、30、31的变压器的初级绕组之间的连接；以及，下部NMOSMET 26”、27”、28”，其也被ESMCU 1控制，并可操作地控制来自整流器24的低输出线24b与起动电动机驱动连接/变压器/整流器电路29、30、31的变压器的初级绕组之间的连接。在使用中，通过控制上部和下部NMOSFET的状态，可以向变压器/整流器电路29、30、31的初级绕组供应大体呈方形的输入波形。在使用中，可借由以下方式对每个驱动电路的NMOSFET加以控制，其中可能有三种工作状态上部NMOSFET导通(或高)，下部NMOSFET截止(或低)；上部NMOSFET截止，下部NMOSFET导通；以及两个NMOSFET都截止。因此，可以保证没有向相关联的初级绕组供应的直流组成部分。通过控制两个NMOSFET同时截止的时间的比例，可以控制来自于相关联的变压器/整流器电路的净输出电压。
变压器/整流器电路29、30、31的每一个变压器的次级绕组的输出被在中心抽头，并且在相应的次级绕组的任何一端处由二极管全波整流。来自中心抽头的电压由此形成负直流电源总线电压，而来自于位于次级绕组的任何一端的二极管的电压形成正直流电源总线电压。三个变压器整流器电路29、30、31的每一个与正、负直流电源总线轨道并联。在每一个变压器整流器电路的初级绕组的输入上设置了一对滤波电容器。这些电容器执行下述双功能：在直流供电条(DC supply bar)上提供滤波的措施，同时也防止在例如设备故障下或一旦电动机驱动电路26、27、28中的上部和下部开关由于任何原因而应当变得不同步的情况下直流在变压器初级绕组中流动。
控制电路21接收模式和起动速度命令，并且通过切换电动机驱动电路26、27、28的NMOSFET和电子开关32、33、34来控制ESMCU 1和变压器/整流器2的工作。可以明白的是，如果期望，则开关32、33、34可以采取机械类型开关的形式。起动电动机位置传感器23向控制电路21提供电动机位置，并且控制电路21经由直流电压感测导线22监控直流电源总线4上的电压。该控制电路由此可以提供如上所述的有益功能。具体地说，在发动机起动时，可以操作控制电路21以打开开关32、33、34，由此使得ESMCU 1的输出被供应给起动电动机5，而在其他时间，可以闭合开关32、33、34，使得ESMCU 1的输出用于驱动变压器整流器电路29、30、31，以向直流电源总线4提供所需的输出。开关11(参见图3，在图4中未示出)中的一部分用于防止在系统仅驱动变压器/整流器2时电力从ESMCU 1流向起动电动机5。
虽然已经将传统二极管描述为用作对来自于变压器的输出进行整流，但是其他布置也是可能的。动态整流可以被应用，例如作为同步开关工作的场效应晶体管。这样的方法可能会导致较低的损耗和较高的效率，而无需改变必要的操作原理。
本发明使得在与飞机电气起动系统相关联的尺寸和重量上的显著减小，而且能够在向直流总线供电的变压器/整流器的性能和可靠性上存在多种增强。
所描述的布置的进一步的益处是能够调节28V直流电源总线。对于传统的变压器/整流器，在变压器/整流器的输出处存在有一定程度的电压波动，这是由于输入到变压器/整流器的直流输入的波动以及在变压器上的负载的数量。为了保证在使用的设备终端的电压在可接受的限制内，电气系统设计者必须保证沿着承载直流总线的电缆的电压降得够低，以允许在变压器/整流器终端处的波动。使用调节过的变压器/整流器输出，由于沿着电缆的电压降，较大的电压波动将是被允许的，同时仍向使用的设备维持正确的电源电压。这将使得用于直流总线的电缆和相关联的终端具有小的横截面，并且因此更轻，提供了飞机上的进一步的重量的减小，而不对使用的设备做任何的改变。
可以理解的是，在不偏离如所附之权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对如上所述的布置进行范围的修改和改变。

Claims (10)

1.一种飞机电气设备，包括被配置为用以向变压器整流器单元提供交流输入电压的发动机起动电动机控制单元。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于向飞机直流电源总线供应电力的变压器整流器单元，其中，所述发动机起动电动机控制单元向所述变压器整流器单元提供所述交流输入电压。
3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括电池，用于在起动所述发动机时向所述直流电源总线供应电力。
4.根据权利要求1至3中的任何一项权利要求所述的设备，进一步包括直流电压监控部件，用于测量来自于所述变压器整流器单元的输出电压。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述发动机起动电动机控制单元被配置为根据由所述直流电压监控部件测量的、来自于所述变压器整流器单元的所述输出电压来调整向所述变压器整流器单元提供的所述交流输入电压。
6.根据在前权利要求中的任何一项权利要求所述的设备，其中，所述交流输入电压的频率被选择为大体高于交流电源总线的频率，其中，从所述交流电源总线向所述发动机起动电动机控制单元供电。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述交流输入电压的频率至少是所述交流电源总线的所述频率的10倍。
8.根据在前权利要求中的任何一项权利要求所述的设备，其中，所述交流输入电压的频率小于下述点：在所述点处，所述发动机起动电动机控制单元花费其转换周期的大部分以在其工作状态之间转换。
9.根据在前权利要求中的任何一项权利要求所述的设备，其中，所述交流输入电压大体是方波。
10.一种飞机电气设备，包括用于向飞机直流电源总线供应电力的变压器整流器单元，其中，所述变压器整流器单元被配置为从发动机起动电动机控制单元接收交流输入电压。
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