CN106068591B - 航空器的电气转换与分布系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于航空器的电气转换与分布系统，所述系统包括用来连接到航空器的发动机(Engine 1)上的至少一个同步起动发电机(S/G1，S/G2)，至少一个转换路径，其包括多个与切换装置相连的功率转换器(CVn，CV’n)，适于从至少一个电源(S/G1,S/G2,AUX S/G1,AUX S/G2,GPU1,GPU2)向至少一个负载(CAC1，CAC 2，CAC 3，CAC 4，P1，P2)供电，以及至少一个分布路径，适于向电气负载(CT1n，SW1n，CT2n，SW2n)供电。
Description
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FR2907762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)。
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
本发明特别在于供应一种针对这个问题的简单、有效而合算的解决方案。
为此，本发明供应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用于连接到航空器的发动机的同步起动发电机(synchronous generator-starter)，其特征在于，该系统进一步包括：
-至少一个转换路径，包括至少一个连接到多个功率转换器上的第一直流电压母线，该功率转换器适于将直流电压转换为交流电压或反之将交流电压转换为直流电压，至少一个连接到需要交流电压的负载(charge)上的线路，以及至少一个连接到交流电压源上的另一条线路；所述转换路径进一步包括第一切换装置，适于有选择地连接每个功率转换器至所述第一直流电压母线或从所述第一直流电压母线上断开每个功率转换器，以及第二切换装置，适于有选择地连接每个所述线路至每个转换器或从每个转换器上断开每个所述线路；
-至少一个分布路径，包括至少一个适于向至少一个电气负载供电的第二直流电压母线。
同步起动发动机通过至少一个装载有电压整流器的线路连接到所述第一和/或第二直流电压母线上。
为此，本发明可以共享一组功率转换器，从而根据需要，通过各种切转换装置从各种可利用的电源向确定的电气负载供电。
这种结构可以降低电气转换和分布系统的成本和重量。
例如，分布路径可以向与飞行控制装置、起落架、除冰系统或各种泵相关的电气负载供电。
具体来讲，转换路径特别涉及：
-需要交流电压供电和属于舱室空调系统或属于NGS系统(“氮气生成系统”)的负载，以及
-交流电压源，诸如工作在发电机模式时的起动发电机或“电力地面装置”或GPU。
应该提醒的是，电压整流器可以将交流电压转换为直流电压。
该系统可以包括第一起动发电机和第二起动发电机，用于连接到航空器的同一台发动机上，所述第一起动发电机通过装载有第一电压整流器的线路连接到第一直流电压母线上，第二起动发电机通过装载有第二电压整流器的另一个线路连接到第二直流电压母线上。
在这种情况下，第一和第二直流电压母线优选使用通过切换装置有选择地相互连接。例如，切换装置由至少一个接触器构成。
这样，与第二直流电压母线相关的负载就可从第一直流电压母线相关的电源得到供电。
此外，第一直流电压母线和/或第二直流电压母线通过装载有升压转换器(boostconverter)的线路连接到至少一个蓄电池上。
在此应该提醒的是，升压转换器(又称之为并联斩波器)为斩波调节器，其将直流电压转换为具有更高电压值的另一种直流电压。
为此，可以通过上述蓄电池向相应的直流电压母线供电。
根据一个显著的特性，至少一组蓄电池通过装载有变压器整流器的线路连接到起动发电机上。
现在应该提醒的是，变压器整流器可以改变所供应电流的电压值和安培值并可将交流电压转换成直流电压。
根据另一个显著的特性，转换路径包括至少一个线路，该线路将用于航空器机内电网(home network)的交流电压母线连接到切换矩阵(switching matrix)上。
特别是，将切换矩阵连接到机内电网交流电压母线的线路可以装载有正弦滤波器。
此外，该系统可包括至少一个辅助同步起动发电机，其连接到辅助功率单元(APU)并通过线路连接到第一直流电压母线和/或第二直流电压母线上。
如果两个起动发电机的其中一个出现故障，那么，可以通过第一和/或第二直流电压母线，使用另一个起动发电机来向所有或部分功能供电(而且首先是，要求最高可利用率的功能)。
根据一种有兴趣的实施例，该系统包括：
至少一个用于连接到航空器的同一台发动机上的第一和第二同步起动发电机；
至少一个第一和第二转换路径，每个转换路径包括连接到多个功率转换器上的至少一个第一直流电压母线，所述功率转换器能够将直流电压转换为交流电压，反过来也能将交流电压转换为直流电压，至少一个连接到负载上的线路，以及至少另一个用于连接到交流电压源上的线路；每个转换路径进一步包括第一切换装置，其适于有选择地连接每个转换器至第一直流电压母线或从第一直流电压母线上断开每个转换器；以及第二切换装置，其适于有选择地连接至少其中一个所述线路至其中一个转换器上或自其中一个转换器上断开至少其中一个所述线路；
-至少第一和第二分布路径，每个分布路径都包括适于向电气负载供电的至少一个第二个直流电压母线，
第一同步起动发电机通过至少一个装载有电压整流器的线路连接到第一转换路径或第一分布路径的第一和/或第二直流电压母线上，
第二同步起动发电机通过至少一个装载有电压整流器的线路连接到第二转换路径或第二分布路径的第一和/或第二直流电压母线上。
使用两个起动发电机可以解决其中一个起动发电机可能出现故障的问题。
本发明还涉及一种航空器，其特征在于，其包括至少一个上述类型的系统。
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为根据以上航空器的电气转换和分布系统的实施例的示意图，该图分为两部分，分别为图1A和图1B；
-图2为图1所示系统的局部示意图，所示包括功率转换器。
具体实施模式
图1示出了根据一个优选实施例的航空器的电气转换和分布系统。
航空器通常具有第一发动机(或涡轮喷气发动机)，附图标记为Engine 1,和第二发动机，附图标记为Engine 2。第一发动机可旋转地连接到第一同步起动发电机S/G1和第二同步起动发电机S/G2上。同样，第二发动机连接到第三起动发电机S/G3和第四起动发电机S/G4上。每台起动发电机为一种同步机器，能够在交流电压供电时起动相应发动机(起动机模式)或在发动机被起动时产生交流电压(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时，频率范围例如在360至800Hz之间。
航空器上还装载有连接到辅助功率单元(AUX)上的第一和第二辅助同步起动发电机AUX S/G1和AUX S/G2。
第一起动发电机S/G1连接到导电母线排(conducting bus bar)DC BUS1上，用于通过依次装载有(从第一起动发电机S/G1向第一母线排DC BUS1)接触器CTG1、导电母线排AC BUS1、接触器CT1、整流器RU1、LC滤波器LC1以及接触器CTR1的线路来供应(例如)大约540V的直流电压。其中的导电母线排AC BUS1用于以360到800Hz的不同频率供应大约230V交流电压。
整流器RU1可以将来自母线排AC BUS1的交流电压转换为直流电压。滤波器LC1的功能是限定浪涌电流，稳定电压并对电流谐波进行滤波。
母线排DC BUS1属于一种转换路径。该转换路径包括一组n个功率转换器CV1,CV2，…，CVn，通过装载有接触器DC1，DC2，…DCn的线路并联连接到母线排DC BUS1上。功率转换器通过装载有三相电感器L1，L2，…，Ln、接触器AC1，AC2，…ACn、切换矩阵(由接触器M1，M2，…，Mn组成)，以及接触器S1至S5的线路连接到负载或交流电压源上。
功率转换器CV1，CV2，…，CVn可以将直流电压转换为交流电压(逆变器模式)，反过来也可将交流电压变为直流电压(整流器模式)。
接触器S1分别通过设在上述线路的不同支路上的接触器DEM1，DEM2和DEM3，在(例如)连接到起动发动机S/G1、起动发电机AUX S/G1和起动发电机S/G3上的线路上得到供电。
接触器S2设在(例如)连接到如下部分的线路上：
-一方面，通过装载有正弦滤波器FS1的支路连接到导电母线排AC2 BUS1上，其功能是对高频部分进行滤波，以便只让转换器所产生的电压波基频(voltage wavefundamental)通过。
-另一方面，连接用于通过接触器CT GP1连接到第一地面功率单元GPU1上的支路上。
母线排AC2 BUS1用来向航空器上的机内电网供应115V至400Hz的交流电压。
接触器S3、S4和S5装在用来向电动加载的负载供电的线路上。这种负载分别是(例如)航空器舱内的空调压缩机电路CAC1和CAC3和泵P1。
第二起动发电机S/G2连接到导电母线排DC BUS2上，用于通过依次装载有(从第二起动发电机S/G2向第二导电母线排DC BUS2)接触器CTG2、(例如)以360到800Hz的不同频率供应大约230V交流电压的导电母线排AC BUS2、接触器CT2、整流器RU2、LC滤波器LC2，以及接触器CTR2的线路来供应(例如)大约540V的直流电压。
母线排DC BUS1和DC BUS2通过装载有接触器DC BUS TIE1的线路相连。母线排ACBUS1和AC BUS2通过装载有接触器AC BUS TIE1的线路相连。
母线排AC BUS1和/或母线排AC BUS2通过依次装载有(从母线排AC BUS1或ACBUS2到母线排HOT BUS1)接触器CTTRU11、变压器-整流器TRU1和接触器CTTRU12的线路连接到用于供应(例如)大约28V的直流电压的导电母线排HOT BUS1上。蓄电池BATT1连接到母线排HOT BUS1上。
蓄电池BATT1还通过(从蓄电池BATT1到母线排DC BUS1)母线排HOT BUS1、接触器CTBATCONV12、升压转换器BC和接触器CTBATCONV11连接到母线排DC BUS1上。
母线排DC BUS2属于分布路径，可以向一个或多个所谓的技术电气负载供电，这些负载通过如下部分并联到总线DC BUS2上：
-例如，当技术负载为高功率负载时，诸如飞行控制功率系统、除冰系统、起落架制动系统等，通过接触器CT11，CT12，CT1，…，CT1n进行连接；
-例如，当技术负载为低功率负载时，诸如辅助飞行控制致动装置，通过固态功率控制器SW11，SW12，…,SW1n进行连接。
这种构架是混合式的，其包括分布路径和转换路径。
第三起动发电机S/G3连接到导电母线排DC BUS3上，用于通过依次装载有(从第三起动发电机S/G3向导电母线排DC BUS3)接触器CTG3、(例如)以360到800Hz的不同频率供应大约230V交流电压的导电母线排AC BUS3、接触器CT3、整流器RU3、LC滤波器LC3，以及接触器CTR3的线路来供应(例如)大约540V的直流电压。
如上所述，母线排DC BUS3属于转换路径。该转换路径包括一组n个功率转换器CV'1，CV'2，…，CV'n，通过装载有接触器DC'1，DC'2，…DC'n的线路并联到母线排DC BUS3上。功率转换器通过装载有电感器L'1，L'2，…，L'n、接触器AC'1，AC'2，…AC'n、切换矩阵(由接触器M'1，M'2，…，M'n组成)和接触器S'1至S'5的线路连接到负载或交流电压源上。
功率转换器CV'1，CV'2，…，CV'n可以将直流电压变为交流电压(逆变器模式)，反过来也可将交流电压变为直流电压(整流器模式)。
接触器S'1分别通过设在上述线路的不同支路上的接触器DEM’1，DEM’2和DEM’3，在(例如)连接到起动发动机S/G2、起动发电机AUX S/G2和起动发电机S/G4上的线路上得到供电。
接触器S'2设在(例如)连接到如下部分的线路上：
-一方面，通过装载有正弦滤波器FS2的支路连接到导电母线排AC2 BUS2上，其功能包括切断电压波以便对高频进行滤波。
-另一方面，通过接触器CT GP2，连接到用于连接第一地面功率装置GPU2上的支路上。
母线排AC2 BUS2用来向飞机上的机内电网供应115V至400Hz的交流电压。
接触器S'3，S'4和S'5装在用来向电动加载的负载供电的线路上，分别为航空器舱内的空调压缩机CAC2和CAC4和泵P2。
第二起动发电机S/G4连接到导电母线排DC BUS4上，用于通过依次装载有(从第四起动发电机S/G4向第二导电母线排DC BUS4)接触器CTG4、(例如)以360到800Hz的不同频率供应大约230V交流电压的导电母线排AC BUS4、接触器CT4、整流器RU4、LC滤波器LC4，以及接触器CTR4的线路来供应(例如)大约540V的直流电压。
母线排DC BUS3和DC BUS4通过装载有接触器DC BUS TIE2的线路连接。母线排ACBUS3和AC BUS4通过装载有接触器AC BUS TIE2的线路连接。
母线排AC BUS3和/或母线排AC BUS4通过依次装载有(从母线排ACBUS3或ACBUS4到母线排HOT BUS2)接触器CTTRU21、变压器-整流器TRU2和接触器CTTRU22的线路连接到导电母线排HOT BUS2上，用于供应(例如)，大约28V的直流电压。蓄电池BATT21连接到母线排HOT BUS2上。
蓄电池BATT2还通过(从蓄电池BATT2到母线排DC BUS1)母线排HOT BUS2、接触器CTBATCONV22、升压转换器BC'和接触器CTBATCONV21连接到母线排DC BUS3上。
母线排DC BUS4属于分布路径，可以向一个或多个所谓的技术电力负载供电，这些负载通过如下部分并联到母线排DC BUS4上：
-例如，当技术负载为高功率负载时，诸如飞行控制功率系统、除冰系统、起落架制动系统等，通过接触器CT21，CT22，…，CT2n进行连接；
-例如，当技术负载为低功率负载时，诸如辅助飞行控制致动装置，通过固态功率控制器SW21，SW22，…，SW2n进行连接。
母线排AC BUS1和ACBUS4通过装载有接触器A11和A13的线路相互连接，所述线路还在上述两个接触器之间的点处连接到起动发电机AUX S/G1上。
起动发电机AUX S/G1通过装载有接触器A11、A12和A13的线路分别连接到ACBUS1、AC BUS2和AC BUS4上。此外，第二起动发电机AUX S/G2通过装载有接触器A21、A22和A23的线路分别连接到母线排AC BUS3、AC BUS4和AC BUS2上。
母线排DC BUS1和DC BUS3通过装载有接触器DC BUS TIE3的线路相连。
上述接触器可控制在打开和闭合状态之间，以便允许或不允许电流流过功率线路或相应的支路。
图2示出了特定的功率转换器CV1，...，CVn，Cv'1，...，CV'n的结构。每个功率转换器都为三相转换器式的常规结构，包括六个切换单元，每个单元由二极管和晶体管组成，特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。此外，电感器L1，...，Ln为三相电感器，这种电感器便于功率转换器的并行运行及其可逆性(reversibility)。
这种混合结构(转换/分布)可以共享功率电气设备并可实现这些电气设备的标准化(功率转换器，…)，同时适用于于不同的工作模式。
特别是，通过转换路径和分布路径，采用电源S/G1，S/G2，S/G3，S/G4，可向上述电气负载供电。如果其中一台起动发电机出现故障，可以使用其它起动发电机向至少部分上述负载(特别是所谓的关键负载)供电。
同样，在地面时，可以使用地面功率单元GPU1和/或GPU2，或起动发电机AUX S/G1和AUX S/G2向全部或部分负载供电。
最后，可以使用与母线排HOT BUS1和BUS2HOT相连的蓄电池BATT1和BATT2，特别是通过升压转换器BC和BC’，全部地或部分地向所述电气负载供电。
Claims (8)
1.一种航空器的电气转换与分布系统，该系统包括第一起动发电机(S/G1,S/G3)和第二起动发电机(S/G2,S/G4)，所述第一起动发电机和第二起动发电机连接到该航空器的相同的发动机(发动机1，发动机2)上，其特征在于，该系统还包括：
-至少一个转换路径，所述转换路径包括连接到多个适于将直流电压转换为交流电压或反之将交流电压转换为直流电压的功率转换器(CVn，CV'n)上的至少第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)，至少一个用于连接到需要交流电压的负载(CAC1，CAC2，CAC3，CAC4，P1，P2)上的线路，以及至少另一个用于连接到交流电压源(S/G1，S/G2，S/G3，S/G4，AUX S/G1，AUX S/G2，GPU1，GPU2)上的线路，所述转换路径还包括第一切换装置(DCn，DC'n)和第二切换装置(M，M'n)，所述第一切换装置适于选择性地将各功率转换器(CVn，CV'n)连接到所述第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)或将各功率转换器(CVn，CV'n)与所述第一电压母线(DC BUS1，DC BUS3)断开；所述第二切换装置适于选择性地将各所述线路连接到各转换器(CVn，CV'n)或将各所述线路与各转换器(CVn，CV'n)断开；
-至少一个分布路径，所述分布路径包括至少一个适于向至少一个电气负载(CT1n，SW1n，CT2n，SW2n)供电的第二直流电压母线(DC BUS2，DC BUS 4)，
所述第一起动发电机(S/G1,S/G3)通过配备有第一电压整流器(RU1，RU3)的线路连接到所述第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)，所述第二起动发电机(S/G2,S/G4)通过配备有第二电压整流器(RU2，RU4)的另一线路连接到所述第二直流电压母线(DC BUS2，DCBUS4)，所述第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)和第二直流电压母线(DC BUS2，DCBUS4)适于通过切换装置(DC BUS TIE1，DC BUS TIE2，DC BUS TIE3)选择性地连接到一起。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一直流电压母线(DC BUS1,DCBUS3)和/或所述第二直流电压母线(DC BUS2，DC BUS4)通过装载有升压转换器(BC，BC’)的线路连接到至少一组蓄电池(BATT1，BATT2)上。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，至少一个蓄电池(BATT1，BATT2)通过装载有变压器-整流器(TRU1，TRU2)的线路连接到起动发电机(S/G1，S/G2，S/G3，S/G4)上。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述转换路径包括至少一个线路，将用于航空器机上电网的交流电压母线(AC2 BUS1，AC2BUS2)连接至切换矩阵(Mn)上。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，将所述切换矩阵(Mn)连接到用于机上电网的交流电压母线(AC1 BUS1，AC2 BUS2)上的线路上设置有正弦滤波器(FS1，FS2)。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其包括至少一个辅助同步起动发电机(AUX S/G1，AUX S/G2)，用来连接到辅助功率单元(AUX)，并且通过线路连接到所述第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)和/或所述第二直流电压母线(DC BUS2，DC BUS4)上。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其包括：
-至少一个用于连接到航空器的同一台发动机(Engine 1，Engine 2)上的第一和第二同步起动发电机(S/G1，S/G2，S/G3，S/G4)；
-至少一个第一和第二转换路径，每个转换路径包括连接到多个功率转换器(CVn,CV'n)上的至少一个第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)，所述功率转换器适于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，至少一个连接到负载(CAC1，CAC2，CAC3，CAC4，P1，P2)上的线路，以及至少另一个连接到交流电压源(S/G1，S/G2，S/G3，S/G4AUX S/G1，AUX S/G2，GPU1，GPU2)上的线路；每个转换路径进一步包括第一切换装置(DCn，DC'n)，适于有选择地连接每个功率转换器(CVn，CV'n)至所述第一直流电压母线(DC BUS1，DC BUS3)或将每个功率转换器(CVn，CV'n)与所述第一电压母线(DC BUS1，DC BUS3)断开；以及第二切换装置(M，M'n)，适于有选择地将至少其中一个线路连接到其中一个转换器(CVn，CV'n)上或将所述至少其中一个线路与其中一个转换器(CVn，CV'n)断开；
-至少一个第一和第二分布路径，每个分布路径包括至少一个适于向电气负载(CT1n，SW1n，CT2n，SW2n)供电的第二直流电压母线(DC BUS2，DC BUS4)；
所述第一同步起动发电机(S/G1,S/G3)通过装载有电压整流器(RU1，RU3)的至少一个线路连接到第一转换路径或第一分布路径的第一和/或第二直流电压母线(DC BUS1，DCBUS2，DC BUS3，DC BUS4)上；
所述第二同步起动发电机(S/G2S/G4)通过装载有电压整流器(RU2，RU4)的至少一个线路连接到第二转换路径或第二分布路径的第一和/或第二直流电压母线(DC BUS1，DCBUS2，DC BUS3，DC BUS4)上。
8.一种航空器，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1至7其中一项所述的系统。
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