CN104919682A - 包括电源和负载间的电气绝缘的机电致动和/或发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括AC旋转电子机器(130)的致动器或发电机设备，该AC旋转电子机器(130)具有用于将电能传递至所述机器的定子的端子的电连接(122，124)，该设备的特征在于，该连接包括变压器(122)。

Description

包括电源和负载间的电气绝缘的机电致动和/或发电系统
技术领域和现有技术
本发明涉及交流电(AC)旋转电子机器的领域。这种机器具体包括异步电动机或感应机器，以及同步电动机或发电机。这种电子机器传递电压或者由电压供电，该电压可以是单相或三相的、或更少见的为双相的。在电动机或发电机操作中，存在由通过施加电能而达到的扭矩和旋转速度表征的工作点。
由于功率电子学变得可用，可以使用使电子机器在其整个扭矩/速度利用范围上被控制的控制器转换器。
当电动机和/或发电机以及控制器转换器相对于彼此移动时，已知利用移动触点，一般是旋转触点，诸如滑环组件。这例如应用于喷气式飞机，例如其中需要动态控制叶片间距的无涵道桨扇：用作叶片枢轴的电机自身绕引擎的轴旋转、并且由外部控制器转换器来控制，该外部控制器转换器使电子机器中可能通过将机械能转化为电能来执行制动并且通过将电能转化为机械能来执行致动。连接经由滑环组件来提供。
对于相对于其控制器转换器而旋转的电子机器，在冷却触点以及在需要维持触点时遇到难题。旋转触点具有有限的寿命，其程度使得电气致动尚未取代基于旋转接头的液压致动系统，液压致动系统自身也有其他弱点，特别是泄漏风险。控制器转换器有时甚至被安装于运动参考系中以避免对于在静态参考系和运动参考系之间发送功率控制的需要，但导致其他困难，诸如位于约束条件下的电子设备的加速老化，约束条件诸如振动、离心力和潜在的高温，还导致与传递控制信号有关的困难。
发明内容
为了解决这些问题，本发明提供了一种包括AC旋转电子机器的致动器或发电机设备，该AC旋转电子机器具有用于将电能传递至机器定子的端子的电连接，该设备的特征在于该连接包括变压器。因而，取决于电子机器是在电动机模式中还是在发电机模式中工作这可用于将电子机器与AC电源或负载电隔离。变压器可用于利用其电流或电压变换比对电能进行附加整型，并且因此其可使得功率转换器得以简化或者能使其适用于电动机，反之亦然。
本发明可以在机载电网中实现，例如飞机电网。因此，可能对辅助电源装置(APU)涡轮的启动电动机供电，以便通过基于本文档中描述的原理使用变压器来启动它。根据相同的原理，为启动目的，也可能对涡轮喷气式飞机的主涡轮机的启动电动机供电。
借助于本发明，通过磁耦合将电子机器与源电隔离或者与其电负载电隔离。
机器可以是异步机器或者它可以是包括阻尼电路或阻尼条的同步机器，在后一情况下，尽管有在零速度下伺服控制扭矩中所涉及的约束条件，还是可能通过变压器来实现这一点。
有利的是，变压器可以是具有适用于优化控制器转换器和/或电动机的特定变压比率的变压器。
有利的是，变压器可以是旋转变压器，该情况下它可以取代在滑环组件中找到的那种动触点，或者它可以取代基于旋转接头的液压旋转致动器系统。
变压器能够避免将控制器转换器置于旋转区域(旋转区域也可以是高温区域)中，同时还避免提供特定冷却的需求，并同时使目标系统在旋转期间或者在静止时被致动。变压器和电动机可以彼此间隔。
设备可以包括被配置成执行矢量控制和/或伺服控制的控制单元。因此，电动机控制命令可能在没有使变压器饱和，提供关于那些命令满足特定的标准，特别是使电压除以频率的比率V/f最小的情况下而极大地变化。
在一实施例中，设备具有至少一个第二AC电子机器，其具有用于使其由一源电力供电的电连接，该源向定子的端子施加电压，第二电动机的连接包括变压器，设备还包括用于致动两个不同目标系统的两个机械连接，每个机械连接都通过两个电动机中的相应一个来致动。
在还有另一实施例中，设备具有至少一个第二AC电子机器，其具有用于使其由一源电力供电的电连接，该源向定子的端子施加电压，设备还包括两个机械连接，每个机械连接都由两个电动机中的相应一个来致动，设备还包括用于同步这两个机械连接的同步链接。
在还有另一实施例中，致动器或发电机设备还包括用于将电能传递至转子的端子的第二变压器。这能够改变到机器的电力，例如，取决于它是否启动或者它是否在稳态条件下旋转。
设备还可能包括用于修改主变压器和次级变压器之间的电压或电流比的配置单元。
本发明被应用于具有可变间距叶片的推进引擎，并且包括上述的致动器设备，该致动器设备被设置以致动引擎的至少一个叶片，其中变压器是将电力从在引擎工作时不在旋转的电子机器区域传递至正在旋转的区域的旋转变压器。在电子机器的发电机操作中，旋转变压器或用于将电力从旋转区域传递至非旋转区域、或用于控制电能作为电子机器中热能的耗散。引擎可以是具有无涵道桨扇的喷气式发动机。
本发明还提供了包括上述致动器或发电机设备的机载电网。
附图简述
以下参照通过图示给出的附图描述了本发明。
图1示出按照现有技术供电和控制的电动机。
图2示出按照现有技术、应用于图1电动机的矢量控制的示例。
图3示出图2矢量控制对图1电动机的转子的效应。
图4示出按照本发明供电和控制的电动机。
图5示出本发明一实施例。
图6示出按照本发明、应用于图4电动机的矢量控制的示例。
图7示出图6矢量控制对图4或图5的电动机的转子的效应。
图8示出本发明的变化实施例。
图9示出本发明的另一变化实施例。
图10和11示出本发明的两个其他实施例。
本发明的详细描述
图1示出现有技术致动器设备，更一般而言是能量转换器设备，该设备包括具有电连接20的AC电动机30，电连接20用于施加和取得来自源10的AC电力并将其施加至设备的定子。电连接20包括至少两个导体电缆，电缆数量是所使用的AC电力的类型的函数，所使用的AC电力的类型可以特别是是单相、三相或六相。对于三相电力，定子可以用星形连接或三角形连接连至电连接。电动机具有机械连接40，机械连接40连至电动机的转子用于致动目标系统50。
源10一般包括控制器转换器，其在电连接20之前的最后一个组件用于控制在控制电子设备所定义的频率下的电压或电流。
除了导体电缆以外，电连接20还可具有与滑环或摩擦环耦合的一组刷型旋转拾取器。
电动机30可以是异步的、同步的、直流的(DC)或压电的电动机。对于异步的机器，电动机可以使用恒定的V/f比(电压除以频率)下的标量控制来控制，或者在频率低时，用恒定的E/f比(电动势(emf)除以频率)来控制。
对于异步的机器，图2示出在现有技术中在电动机的转子被锁定时由源10施加于电动机30的矢量控制的示例。图2a的图表示出所施加的电压的频率，图2b的图表示出所施加的电压的分量，图2c的图表示出这两个值的比率。所示的顺序具有三个连续阶段：首先是对于50伏的一个电压分量开始而在10V(另一分量为零)稳定的DC通量阶段；其次是较高电压下的阶段，其分量为35V，对于接近1的V/f比以2.7赫兹(Hz)交替(忽略乘法因子)；最后是较低电压和频率下的阶段，其V/f比为8。
图3示出转子上的这一控制的效应。图3a的图表示出转子受到的通量分量，图3b的图表示出转子中始发的扭矩。图3c的图表是图3b的图表的一部分的放大。
在通量阶段的应用期间，电动机30的转子受到具有一幅度的定向通量，该幅度自0韦伯(Wb)开始并且快速变为在1.1Wb处确立(对于分量之一，另一分量为零)。此后，通量保持恒定，直到第三阶段结束。扭矩在第一阶段期间为零，在第二阶段期间上升至37牛顿米(Nm)，并且在第三阶段期间为弱，处于1Nm至2Nm。图3c的图表示出扭矩自第二阶段开始起0.1秒(s)内确立。
在图2c中可见，在将V/f维持在具有恒定数量级的值的同时产生低扭矩是困难的。
图4示出本发明的致动器设备，更一般而言是能量转换器设备。它包括与图1所示类似的元件，参考符号递增100。因此，设备包括具有电连接的AC电动机130，该电连接用于将AC电力施加至电动机定子的端子，该电力由源110传递。电连接具有由至少两个导体电缆组成的区段120以及类似由多个并行电缆组成的区段124，导体电缆的数量取决于所使用的AC电力的类型，并行电缆的数量是所使用的电子机器的类型的函数。这两个区段通过隔离变压器122连接在一起，区段120连至主变压器122，区段124连至次级变压器122。主变压器和次级变压器122彼此电隔离。对于三相电源，定子以星形连接或三角形连接连至区段124。电动机具有机械连接140，机械连接140连至电动机的转子用于致动目标系统150。
如上所述，源110一般、但不总是包括具有在电连接120之前的最后元件的控制器转换器，该最后元件由以控制电子设备所定义的频率产生AC电压的转换器构成。电连接120的导体电缆连接至在二极管、晶体管和无源滤波器之间的转换器的输出节点，这些元件在被致动时产生AC电压。
除了导体电缆以外，区段120和124可以包括耦合至摩擦环或滑环以获取测量信号的具有包括刷型在内的类型的一组旋转拾取器。重要的是，在变压器和电动机130之间，即在区段124中，没有供电电子设备。电压及其频率的波形在此区段中一直保持不变，不像其幅度可能变化(变压器的变压率、电压降、等等)。
图5示出本发明一实施例，例如适用于无涵道桨扇的结构。电动机230包括定子231和转子232，定子231和转子232通过可能包括一组或多组齿轮的一个或多个链接140起作用以致动单个目标系统250，在该例中，目标系统250为动态地改变风扇叶片的间距的系统。定子231在参考系B中是静止的，参考系B相对于飞机主体或引擎的机舱205而旋转，飞机主体或发动机的机舱205构成静止的参考系A，例如，参考系B连至引擎的旋转轴200。目标系统250构成经由旋转链接260相对于参考系B(或旋转轴)旋转运动的参考系C。
电动机230可以是异步机器，电动机230由并行电缆224进行AC供电，并行电缆224直接连至旋转变压器222的次级变压器222a，旋转变压器222的主变压器222b在参考系A中静止，例如，静止安装于引擎的机舱205上。
在图4和5的实施例中，在构成改进的变化实施例中，变压器122或222可以被设有具有厚度相对于其臂而言尺寸过大的外部环，用于避免在以低速度或零速度施加命令的情况下铁磁材料的饱和。对于常规设计而言，旋转变压器中的气隙面积通常自一开始增加，以便限制磁化电流。
这尤其为了控制电动机130或230的目的而完成，但不仅为了该目的而完成，电动机130或230为异步机器。
因此，通过将变压器122或222的重量增加少至约10％，由于环的这种过大尺寸，变压器可以接受比在高频率下控制电动机所需的比率大三倍的比率V/f，并且可以在不使其内核在以低速度施加命令时变得饱和的情况下来这样做。无需增加变压器的臂的重量。
图6示出施加于异步电动机的矢量控制，该异步电动机以图4和5所示方式供电并且基于与该配置兼容的控制策略，借此通量至少部分作为扭矩设定点的函数被伺服控制。
图6a的图表示出所施加的电压的频率，图6b的图表示出所施加的电压的分量，图6c的图表示出这两个值之间的比率。所示的顺序具有三个连续阶段：首先是处于零电压的阶段；然后是具有快速上升至35伏的分量以及开始于高值并且快速稳定于10伏的分量的所施加的电压的阶段，对于接近0.7的比率V/f以约2.7赫兹(Hz)交替(忽略乘法因子)；接着最后是较低电压和频率下的阶段，其比率V/f接近0.4。
图7示出该命令对转子的效应。图7a的图表示出转子所受到的通量分量，图7b示出转子中产生的扭矩。图7c的图表构成图7b的图表的一部分的放大。
尽管施加该命令，但电动机130的转子在第一阶段期间受到零通量，通量然后在第二阶段期间快速上升至大于1Wb(对于分量之一，另一分量为零)，并且快速降低至0.4Wb，此后通量保持恒定直到第三阶段结束(另一分量保持为零)。扭矩在第一阶段期间为零，在第二阶段期间高达约37Nm，并且在第三阶段期间低至约1Nm或2Nm。图7c的图表示出该扭矩自第二阶段开始起0.1秒处确立，仅比图3所示的控制的相应阶段慢一点点。
图6b示出根据所提出的策略，可能控制低扭矩而同时保持具有一数量级的比率V/f，该数量级小于或等于与电子机器的标称操作相对应的比率V/f。
图8示出包括两个异步电动机330a和330b、两个目标系统350a和350b以及变压器322(例如，旋转变压器)的第二实施例。在该实施例中，两个电动机直接用相同的电压和相同的频率来供电，并且事先保证在稳态条件之前的瞬态条件期间、考虑到相应电动机的特征、来自目标系统的相反扭矩总是小于最大可能的扭矩。链接340a和340b存在于电动机的转子以及相应的目标系统之间。具有分支连接的电缆对电动机330a的定子以及电动机330b的定子两者供电，但是在变压器322和电动机330a的定子之间没有供电电子设备，在变压器322和电动机330b的定子之间也没有供电电子设备。
图9示出图8实施例的变化实施例，其中相应的元件被赋予再加100的参考标号，且其中两个电动机440a和440b仅致动一个目标系统或者多个同步的目标系统450。同步链接442首先存在于输出链接441a和441b之间，每个输出链接对应于电动机之一的转子，其次同步链接443致动目标系统450。同步链接可以与电动机的出口、与步降传动装置或者与目标系统相关联。
图10示出包括在电动机模式或发电机模式中工作的同步电子机器530的本发明一实施例，同步电机530具有定尺寸的阻尼条或者定尺寸的阻尼线圈的启动器激励绕组531，以使异步启动变得可能(也称为感应启动)。这使得即使同步电动机530不在旋转也能获得与启动器激励绕组相连的目标系统550中的扭矩。
同步机器530的电枢532设置于参考系B中，同步电机530的启动器激励绕组531设置于参考系C中。在目标系统550和启动器激励绕组531之间存在链接和/或步降传动装置。
启动命令由AC源510通过旋转变压器522发送至机器530的电枢532。这在参考系A和B之间构成接口，源510处在参考系A中。
一旦电子机器530和目标系统550旋转，则由AC源511供电的第二旋转变压器523就用于用DC对启动器激励绕组531供电(经由存在于变压器523和启动器激励绕组531之间的连接上的无源旋转整流器528)并随后允许其改变为同步工作模式。
用于对电枢532供电的旋转变压器522自身由AC源510供电，并且具有比用于对启动器激励绕组531供电的旋转变压器523要高的电力，启动器激励绕组531本身由AC源511供电。
若必要，则可能增加在对电动机进行伺服控制时没有任何作用的开关527(接触器、中继器、断流器、绝缘开关等等)，该开关被设置在变压器522和电枢532之间。如上所述，伺服控制仅发生在电源的参考系A中。
具有用于启动器激励绕组的第二变压器的该实施例也应用于上述的其他实施例。
在所述的全部实施例中，体系结构就电力而言是可逆的，换言之，在参考系A中可能恢复在参考系B中产生的电能。与电动机类型相对的这一发电机类型的工作模式也使得制动目标系统(250、或350a、350b、450或550，视情况而定)成为可能。
在某种程度上获得该制动功能的另一种方式可以是将机械能作为电子机器的转子中的热能进行耗散(若其是异步类型)，或者在同步机器具有阻尼条时作为阻尼条中的热能进行耗散。
图11示出在机载电网中使用本发明的伺服控制原理的示例。
第一种可能性是使用通过DC/AC电力转换器1020起作用的DC电压源1010来对变压器1030的主变压器供电，在次级电压器中产生AC电压用于用异步启动来对电子机器1040进行伺服控制。
以可逆方式，电子机器1040可以成为发电机，从而对DC电压源1010供电。
该配置的优点在于能使用变压器1030来通过使用配置单元1031来修改电压比(n3/n1)或电流比(n1/n3)，从而避免使用升压型或降压型DC/AC转换器，该升压型或降压型DC/AC转换器会具有可能又重又大并且不是很可靠的无源元件。
而且，如果电子机器1040具有启动器发电机类型，则为了使其能作为电网的发电机工作，其中点(neutral)在常规上连至机载电网的接地端以便使其安全。
在启动时，在电子机器的端子处直接使用启动器转换器使其有必要将DC源的中点或电子机器的中点与电网的接地端隔离。若没有电隔离，则电流会经由电网的接地端出现在两个中点之间。
对于本发明，电隔离由变压器1030提供。
附加实施例可以包括使用发电机作为AC源1015。于是，使用AC/AC电力转换器来取代DC/AC转换器1020。为了优化AC/AC转换器，AC/AC转换器可由简单的AC/DC转换器(例如，无源整流器)连同被适当定尺寸的上述DC/AC转换器(例如，具有H桥或半桥的三相反相器)组成以便确保兼容性。
如果变压器的第一变压比率不合适，则可能在变压器的同一磁性电路上使用另一初级电路，或者甚至串联地关联第二电路以便获得适当的变压比n3/n2或n3/(n2+n1)。如上所述，电隔离可能避免必须要将中点和接地端隔开。
配置单元1050也互换各个电子机器1040和1041或者仅仅隔离电子机器1040以使其能作为发电机工作并且对电网供电成为可能。
对于包括静止变压器的这一组配置获得以下优点：电子机器与电压源电隔离，并且可能修改变压比率，变压比率可用于适配电压。
以上描述了各个实施例，使得或者可能经由变压器对一个或多个电动机进行伺服控制和整流、或者可能经由变压器对一个或多个电动机进行制动而无须控制。在变压器和电动机之间没有有源的致动器。在旋转区域中不需要有任何供电电子设备或控制电子设备。规定变压器的类型(单相、三相、等等)可以是所使用的电动机的类型(单相、三相、等等)以及用于启动电动机的设备(若有)的类型的函数。如上所述，取决于环境，电子机器可以在发电机模式中工作。可能有多个串联的变压器以便在源和能量用户之间传递能量。也可以有多个旋转电子机器(两个或更多个)，该多个旋转电子机器经由该变压器或多个变压器由一能量用户供电或者对能量用户供电。
本发明不限于所述的实施例，但扩展到在权利要求范围内的任何变化实施例。

Claims (12)

1.一种包括AC旋转电子机器(130；230；330a，330b；440a，440b)的设备，所述AC旋转电子机器具有用于将AC电能传递至所述机器的定子的端子的电连接(122，124；222，224；322，324；422，424)，所述设备的特征在于：所述连接包括变压器(122；222；322；422)且所述电子机器允许零速度下的扭矩以便经所述变压器传递的AC电能的帮助来被伺服控制。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述机器(130；230；330a，330b；440a，440b)是同步机器，且其中所述机器(130；230；330a，330b；440a，440b)包括阻尼电路或阻尼条。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述机器(130；230；330a，330b；440a，440b)是异步机器。
4.如权利要求1到3的任一项所述的设备，其特征在于，所述变压器(122；222；322；422)是旋转变压器。
5.如权利要求1到4的任一项所述的设备，包括控制单元(110)，所述控制单元(110)被配置成经由所述变压器用矢量控制和/或标量控制对所述机器进行伺服控制。
6.如权利要求1到5的任一项所述的设备，还包括至少一个第二AC旋转电子机器(330a，330b)，所述第二AC旋转电子机器(330a，330b)具有用于将电压施加于所述第二机器的定子的端子的电连接(322，324)，所述第二机器的连接包括变压器(322)，所述设备还包括用于致动两个不同目标系统的两个机械连接(340a，340b)，每个机械连接都是通过两个机器中的相应一个。
7.如权利要求1到5的任一项所述的设备，还包括至少一个第二机器(440a，440b)，所述第二机器(440a，440b)具有用于将电压施加于所述第二机器的定子的端子的电连接(422，424)，所述第二机器的连接包括变压器(422)，所述设备还包括两个机械连接(441a，441b)以及同步链接(442)，每个机械连接用于通过两个机器中的相应一个进行致动，所述同步链接(442)用于同步所述两个机械连接。
8.如权利要求1到5的任一项所述的设备，还包括第二变压器(523)，所述第二变压器(523)用于将电能传递至所述转子的端子。
9.如权利要求1到5的任一项所述的设备，包括配置单元(1031)，所述配置单元(1031)用于修改所述变压器的主变压器和次级变压器之间的电压或电流比率。
10.一种具有可变间距叶片的推进引擎，所述引擎包括根据权利要求1到9的任一项所述的设备，所述设备被设置以致动所述引擎的至少一个叶片，且其中所述变压器是将电能从所述引擎的非旋转区域(A)传递至所述引擎的旋转区域(B)的旋转变压器。
11.一种包括根据权利要求10的推进引擎的无涵道桨扇。
12.一种包括权利要求1到9的任一项所述的设备的机载电网。
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