CN105993104A - 航空器的电气转换与分布系统 - Google Patents

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文森特·乔治
沃吉夫斯 埃里克·德
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Abstract

本发明涉及一种航空器的电气转换与分布系统，所述系统包括用于连接到航空器发动机上的同步起动发电机(ENG S/G)，能够将交流电压转换为直流电压的整流器(R)，用于连接到辅助功率组上的辅助同步起动发电机(AUX S/G)，能够将直流电压转换为交流电压或反过来能够将交流电压转换为直流电压的第一、第二和第三功率转换器(CV1，CV2，CV3)，以及至少一个蓄电池(BATT)。

Description

航空器的电气转换与分布系统
技术领域
本发明涉及航空器的电气转换与分布系统。
背景技术
航空器是，例如，其上的非推进系统主要由电功率供应的飞机。
航空器上的非推进系统一般由三个功率网供应功率，而这些功率网的功率来自飞机发动机或涡轮喷气发动机，即液压功率网、电气功率网和气动功率网。
液压功率网通常用于向致动装置供应功率，用于飞行控制、起落架伸出与收回系统，前机轮导向与制动系统。
电气功率网通常用来向技术负载供应功率，诸如，航空电子设备、照明、燃油泵、风机和商用载荷，诸如厨房(即厨房区域)以及旅客娱乐系统。
最后，气动功率主要用来向舱室增压和空气调节系统、机翼和机舱防止结冰系统，以及发动机起动系统供应功率。
最近，已经研发出了非推进系统的新的结构，其需要更大比例的电能。电能转换领域的技术发展供应了采用电气功率供应系统来完成所有上述功能的能力。
使用电气系统或机电系统具有如下优点，其中，这些系统包括功率电子装置和致动装置。
这种系统仅在必要时使用，以便优化对航空器发动机的功率汲取。此外，这种系统的维护成本要低于液压系统或气动系统的维护成本。
然而，其主要缺陷是具有专用功率电子元器件(专用的功率转换器(powerconverter)等)的电气系统的推广应用。
例如，文献FR 2907762公开了一种航空器的电气转换和分布系统，其中，每个转换器都专门用于特定功能(例如，空调系统电动压缩机的供电)。
该文献还公开了一组或多组蓄电池和功率转换器之间的接口。该接口特别设置了一种所谓的《升降压式转换器装置》式转换器。但这种接口并不能够确保连接到辅助功率单元(APU)上的辅助同步起动发电机的电气起动。
为此，看来必须提供一种适于航空器的电气转换和分布系统，使得在减少功率电子元器件的数量(诸如，转换器)的同时，还能确保航空器内部的最大功能。
发明内容
特别是，本发明的目的是提供一种针对这个问题的简单、有效而合算的解决方案。
为此，本发明提供了一种适于航空器的电气转换和分布系统，该系统包括至少一个连接到航空器发动机上的同步起动发电机，能够将交流电压转换为直流电压的整流器，至少一个连接到辅助功率组上的辅助同步起动发电机，能够将直流电压转换为交流电压或反过来能够将交流电压转换为直流电压的至少一个第一、第二和第三功率转换器，以及能够提供直流电压的至少一个蓄电池，能够进行电气连接的连接和切换装置，在第一种操作模式下，连接和切换装置能够依次通过第三功率转换器、第一功率转换器和第二功率转换器，将蓄电池电气连接到辅助同步起动发电机上，所述连接和切换装置还能够在第二种操作模式下依次通过整流器、第一功率转换器和第三功率转换器将同步起动发电机电气连接到蓄电池上。
于是，在第一种操作模式下，可以使用蓄电池起动辅助功率单元。在另一种方案中，在第一种操作模式下，可以使用辅助功率单元来为蓄电池充电。
在第二种操作模式下，可以使用航空器发动机来为蓄电池充电。
该系统可在第一功率转换器和第三功率转换器之间设置一种变压器。
那么，该变压器可以是单相变压器的并可包括第一和第二输入/输出端子(terminal)和第一和第二输出/输入端子。
此外，第一和第二功率转换器为三相功率转换器，每个功率转换器由六个切换单元组成，每个切换单元则包括二极管和晶体管，例如，特别是绝缘栅双极晶体管，每个所述第一和第二功率转换器均包括第一和第二输入/输出端子，以及第一、第二和第三输出/输入端子。
第一功率转换器的第一输出/输入端子能够连接到变压器的第一输入/输出端子上，第一功率转换器的第二输出/输入端子能够连接到变压器的第二输入/输出端子上。
此外，第一功率转换器的第三输出/输入端子能够连接到变压器的第一输入/输出端子，和变压器的第二输入/输出端子上，或不连接到变压器的所述输入/输出端子上。
这样，就可以消除在第一功率转换器的第一输出/输入端子和变压器的第一输入/输出端子之间，或在该功率转换器的第二输出/输入端子和变压器的第二输入/输出端子之间可能出现的连接故障。
有利的是，第一功率转换器的第一输入/输出端子是连接到第二功率转换器的第一输入/输出端子上，而第一功率转换器的第二输入/输出端子则是连接到第二功率转换器的第二输入/输出端子上。
优选地，第一和第二功率转换器的每一个都包括在两个连接端(link end)处并联的三个支路，每个支路包括串联的两个切换单元，而连接点则位于该两个切换单元之间，相应的功率转换器的每个输出/输入端子连接到其中一个所述连接点上，相应的功率转换器的每个输入/输出端子连接到其中一个所述连接端上。
根据本发明的一个特性，第三功率转换器包括在两个连接端处并联的两个支路，每个支路都包括串联的两个切换单元，而连接点则位于该两个切换单元之间，第三功率转换器的每个输入/输出端子连接到其中一个所述连接点上，第三功率转换器的每个输出/输入端子连接到其中一个所述连接端上。
然后，变压器的每个输出端子连接到第三功率转换器的其中一个输入/输出端子上，第三功率转换器的每个输出/输入端子连接到蓄电池两极中的其中一极上。
附图说明
通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下说明，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、特性和优点会显现出来，附图如下：
-图1为根据本发明的系统的一个实施例的示意图，
-图2为根据本发明的系统的局部示意图，所示为第一种操作模式，
-图3为根据本发明的系统的局部示意图，所示为第二种操作模式。
具体实施例
图1示出了一种根据优选实施例的适于航空器的电气转换与分布系统。
航空器通常包括旋转连接到同步起动发电机ENG S/G上的发动机，和旋转连接到辅助同步起动发电机AUX S/G上的辅助功率单元。
每台起动发电机ENG S/G，AUX S/G都是三相同步机器，既能够在交流电压供电时起动相应的发动机(起动机模式)，也能够或在起动发动机时产生交流电压(发电机模式)。在此应该注意的是，在发电机模式下，所产生的电压具有可变频率，该频率取决于发动机的转速。例如，所产生的电压为230V或115V(相位对地电压(phase-to-ground))时，频率范围，例如，在360至800Hz之间。
起动发电机包括端子1，2，3，通过接触器CT51，52和CT53分别连接至整流器R的输入端4，5，6上。整流器R包括两个输出端78。众所周知，这种整流器R可以将三相交流电压转换为直流电压。
输出端7,8分别通过接触器CT61和CT62连接到母线排+DC BUS和-DC BUS上，其电势分别为：母线排+DC-BUS是+270V或+135V，母线排DC_BUS是-270V或-135V。母线排+DC_BUS还连接到第一功率转换器CV1的第一输入/输出端子和第二功率转换器CV2的第一输入/输出端子上。母线排+DC_BUS连接到第一功率转换器CV1的第二输入/输出端子上，和第二功率转换器CV2的第二输入/输出端子上。
每个功率转换器CV1，CV2为单相式的，能够将直流电压转换为交流电压，或反过来将交流电压转换为直流电压。每个功率转换器CV1，CV2特别包括在两个连接端10，11处并联的三个支路9，形成了所述转换器CV1，CV2的输入/输出端子，每个支路9包括串联的两个切换单元12，连接点13就位于所述两个切换单元12之间。
众所周知，每个切换单元12包括二极管和晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管。
每个功率转换器包括三个输出/输入端子14，15，16，相应的功率转换器CV1，CV2的每个输出/输入端子14，15，16都连接到其中一个所述连接点13上。电容器C1，C2安装在每个转换器CV1，CV2的输入/输出端子10，11之间。
第二功率转换器CV2的输出/输入端子14，15，16分别通过电感器L21，L22，L23、切换矩阵17的接触器CT21，CT22，CT23、和接触器CT41,CT42,CT43连接到辅助同步起动发电机AUX SIG的三个端子上。
第一功率转换器CV1的输出/输入端子14和15分别通过电感器L11，L12、切换矩阵17的接触器CT11,CT12、和接触器CT31,CT32连接到变压器TR的输入/输出端子18，19上。第一功率转换器CV1的输出/输入端子16通过电感器L3、切换矩阵17的接触器CT13、和接触器CT33连接到变压器TR的端子18或19上。接触器CT33特别带有三个位置，即，第一位置可以将端子16连接到端子18上，第二位置可以将端子16连接到端子19上，以及第三位置可以将端子16与端子18和端子19断开。这样，如果出现故障，相应的线路就可连接到其中一个端子18，19上。
根据变压比，变压器TR可以提供电气隔离并增加或降低变压器TR相应端子之间的交流电压。
变压器TR的输出/输入端子20，21连接到第三功率转换器CV3的输入/输出端子上，所述功率转换器CV3能够将直流电压转换为单相交流电压或反过来将单相交流电压转换为直流电压。
功率转换器CV3特别设计为单相式的并包括在两个连接端22，23处并联的两个支路9，每个支路9包括串联的两个切换单元12，而连接点13则设在该两个切换单元12之间。第三功率转换器CV3的每个输入/输出端子20，21连接到其中一个所述连接点13上。此外，第三功率转换器CV3的每个输出/输入端子22，23连接到其中一个所述连接端上。电容器C3安装在端子22和23之间。同样，蓄电池BATT安装在功率转换器CV3的端子22和23之间。
图2示出了该系统的第一种操作模式。在这种模式下，蓄电池BATT通过第三功率转换器CV3、变压器TR、第一功率转换器CV1和第二功率转换器CV2连接到辅助起动发电机AUX S/G上。
在该第一种操作模式下，辅助起动发电机AUX S/G和连接到其上的辅助功率单元可以采用蓄电池BATT进行起动。
在这种操作模式下，起动发电机ENG S/G和整流器R都可与母线排+DC BUS和-DC_BUS并进而与转换器CV1和CV2断开连接。为此，蓄电池BATT成为向转换器CV1和CV2供电的唯一来源。为此，转换器CV3(又称之为升降压转换器)可以从由蓄电池BATT构成的直流电压源上产生400Hz的单相交流电。该交流电接着被单相变压器TR升高到115V或230V的电压。频率仍保持为400Hz。
应该注意的是，变压器TR的输出电压可以通过低通滤波器，又称之为正弦滤波器或LC滤波器进行滤波。这种滤波器用于平滑波形电压前沿(waveform voltagefronts)，以获得正弦形状。阻抗L11，L12，L13和L21，L22，L23可以构成低通滤波器的一部分。
转换器CV1用于对变压器TR提供的交流电压进行整流。
可以用两种技术对转换器CV1的交流电压进行整流：
-所谓的无源整流(passive rectification)，可以将所述转换器CV1的输出直流电压分别升高至270V，或将115V或230V的输入交流电压升高至540V。在这种情况下，切换单元12的二极管仅可以整流电压。
-所谓的有源整流(active rectification)或PFC(功率因数校正)，可以从115V的输出直流电压，将输入交流电压升高到270V以上。因此，使用切换单元12的晶体管和二极管对电压进行整流。这种有源整流是有利的，因为是通过控制转换器CV1来对电压进行整流，而不论辅助起动发电机AUX S/G所要求的功率水平如何。此外，功率因数(交流电压和交流电流之间的相位差)几乎是一个单位功率因数。
转换器CV2则用于驱动辅助起动发电机AUX S/G的起动。这种转换器CV2可以将直流电压转换为三相交流电压。
作为另一种方案，在图2所示的模式中，如果辅助起动发电机AUX S/G被起动时，则可给蓄电池充电。转换器CV2然后可以将辅助起动发电机AUX S/G所提供的交流电压转换为直流电压，而转换器CV1则可将该直流电压转换为交流电压。在端子20和21之间变压器TR输出端提供的交流电压然后通过转换器CV3转换为直流电压，该电压被加到蓄电池BATT的端子上，以便对其充电。
图3示出了另一种操作模式，其中，辅助起动发电机AUX S/G和整流器R通过接触器CT61和CT62连接到母线排+DC_BUS和-DC_BUS和转换器CV1上。蓄电池BATT然后构成电气负载。
这种操作模式可以从起动发电机ENG S/G向蓄电池BATT充电，即，在与起动发电机ENG S/G相连的发动机工作时。
在本发明的情况下，功率转换器CV1和CV2可在由n个具有相同结构的功率转换器CV1，CV2，...CVn组成的转换器矩阵中间互换选择。为此，需要时，应对至少其中一个矩阵转换器(图3所示操作模式)或至少两个矩阵转换器(图2所示操作模式)的可利用率进行检查。众所周知，其它矩阵转换器也可以用于向电气负载供电。

Claims (10)

1.一种航空器的电气转换与分布系统，所述系统包括用于连接到航空器发动机上的同步起动发电机(ENG S/G)，能够将交流电压转换为直流电压的整流器(R)，至少一个连接到辅助功率组上的辅助同步起动发电机(AUX S/G)，至少一个第一、第二和第三功率转换器(CV1，CV2，CV3)，其中每个功率转换器都能够将直流电压转换为交流电压或反过来将交流电压转换为直流电压的，至少一组能够提供直流电压的蓄电池，能够进行电气连接的连接和切换装置，在第一种操作模式下，所述连接和切换装置能够依次通过第三功率转换器(CV3)、第一功率转换器(CV1)和第二功率转换器(CV2)将所述蓄电池(BATT)电气连接到所述辅助同步起动发电机(AUX S/G)上，所述连接和切换装置还能够在第二种操作模式下依次通过所述整流器(R)、第一功率转换器(CV1)和第三功率转换器(CV3)将所述同步起动发电机(ENG S/G)电气连接到所述蓄电池(BATT)上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其包括位于所述第一功率转换器(CV1)和所述第三功率转换器(CV3)之间的变压器(TR)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变压器(TR)为单相变压器，包括第一和第二输入/输出端子(18，19)和第一和第二输出/输入端子(20，21)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一和第二功率转换器(CV1，CV2)为三相功率转换器，每个功率转换器包括六个切换单元(12)，每个切换单元(12)包括二极管和晶体管，例如，特别是绝缘栅双极晶体管，每个所述第一和第二功率转换器(CV1，CV2)均包括第一和第二输入/输出端子(10，11)，第三和第四输出/输入端子(14，15，16)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，第一功率转换器(CV1)的第一输出/输入端子(14)能够连接到变压器(TR)的第一输入/输出端子(18)上，所述第一功率转换器(CV1)的第二输出/输入端子(15)能够连接到变压器(TR)的第二输入/输出端子(19)上。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，第一功率转换器(CV1)的第三输出/输入端子(16)能够连接到变压器(TR)的第一输入/输出端子(18)上，和变压器(TR)的第二输入/输出端子(19)上，或者不连接到变压器(TR)的所述输入/输出端子(18，19)上。
7.根据权利要求4到6其中一项所述的系统，其特征在于，第一功率转换器(CV1)的第一输入/输出端子(10)连接到第二功率转换器(CV2)的第一输入/输出端子(10)上，而第一功率转换器(CV1)的第二输入/输出端子(11)则连接到第二功率转换器(CV2)的第二输入/输出端子(11)上。
8.根据权利要求4到7其中一项所述的系统，其特征在于，每个第一和第二功率转换器(CV1，CV2)都包括在两个连接端(10，11)处并联的三个支路(9)，每个支路(9)包括串联的两个切换单元(12)，连接点(13)就位于该两个切换单元(12)之间，相应的功率转换器(CV1，CV2)的每个输出/输入端子(14，15，16)连接到其中一个所述连接点(13)上，相应的功率转换器(CV1，CV2)的每个输入/输出端子(10，11)连接到其中一个所述连接端(10,11)上。
9.根据权利要求4到7其中一项所述的系统，其特征在于，第三功率转换器(CV3)包括在两个连接端(22，23)处并联的两个支路(9)，每个支路(9)包括串联的两个切换单元(12)，连接点(13)就位于该两个切换单元(12)之间，第三功率转换器(CV3)的每个输入/输出端子连接到其中一个所述连接点(13)上，第三功率转换器(CV3)的每个输出/输入端子连接到其中一个所述连接端(22，23)上。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述变压器(TR)的每个输出端子(20,21)连接到所述第三功率转换器(CV3)的其中一个输入/输出端子上，所述第三功率转换器(CV3)的每个输出/输入端子(22，23)连接到蓄电池(BATT)两极中的其中一极上。
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