CN107534401B

CN107534401B - 用于消散由致动器再生的电能的系统和方法

Info

Publication number: CN107534401B
Application number: CN201680026434.6A
Authority: CN
Inventors: 劳伦·卡尔塔耶; 班诺特·米肖
Original assignee: Safran Electrical and Power SAS
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2036-04-21
Also published as: WO2016193559A1; FR3035557B1; FR3035557A1; EP3298686B1; JP6711843B2; CN107534401A; EP3298686A1; JP2018513664A; CA2983363A1; US10543749B2; US20180141440A1

Abstract

本发明涉及一种用于消散由飞机的电致动器(1)所产生的再生电能的系统(10)，该消散系统(10)包括：电阻器(R)；两个切换臂(12，13)，每个切换臂(12，13)均与该电阻器(R)串联连接，该两个切换臂(12，13)并联连接在一起，每个切换臂(12，13)均包括相互串联连接的两个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)，每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均包括两个端子和一个控制栅极，每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均能够通过控制应用在其控制栅极(G1，G2，G3，G4)上的电位来被控制；以及测量设备(MM1，MM2，MM3，MM4)，所述测量设备能够测量在每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)的端子处的电压。

Description

用于消散由致动器再生的电能的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用来消散由飞机的电致动器再生的电能的系统和方法。

背景技术

如专利申请FR2967847的前序部分所述，飞机的电致动器可以根据两种模式操作：

电动机模式，其中飞机的电源给它们提供能量。该电源通常必须是直流电源。为了实现这一点，飞机通常包括交流电源和整流器，所述整流器使得可将由飞机的电源供应的交流电压电流转换成直流电压电流；所述整流器也可以位于致动器本身中；

发电机模式，其中电致动器产生电力。这种能量通常被称为“再生电能”。例如在飞机的飞行中机动过程中产生再生电能，在此过程中飞行控制器的致动器可以发回能量。

然而，在目前的飞机电气网络中，这种再生的电能不能被发送回飞机的电源。因此，在现有技术中，如图1所示，各致动器1均通过电转换器3连接到飞机的电源2，该电转换器3包括：

整流器4，所述整流器使得可将由飞机的电源提供的交流电压电流转换为直流电压电流；

系统5，所述系统用于消散再生能量；

电容6。

用于消散现有技术的再生能量的系统5在图2中更具体地表示。其包括：

电阻器8，所述电阻器8使得能够通过焦耳效应消散由电致动器1产生的再生电能；

可控开关7，所述可控开关7与电阻器8串联连接；

续流二极管9，所述续流二级管9使得可在开关7打开时避免电阻器8的端子处的电压浪涌。

此能量消散系统由于其开关7而被控制。这可以通过脉冲宽度调制信号来控制，该脉冲宽度调制信号的循环比被调节，以便控制电阻器中消散的能量的量。实际上，当由电致动器产生的再生电能的量增加时，施加到开关的控制信号的循环比增加。相反，当由电致动器产生的再生电能的量增加时，施加到开关的控制信号的循环比增加。可以使用其他控制方法，例如通过阈值控制电压(滞后比较器)。

这种能量消散系统是有效的。然而，具有与电致动器一样多的能量消散系统的事实增加了安装在飞机上的系统的重量和成本。

因此将所有电致动器连接到相同的消散系统是有利的。然而，如果消散系统发生故障，则由电致动器之一产生的再生电能将不再消散，使得它可能损坏或甚至破坏飞机的其它致动器和/或电源，损坏去耦电容端子处的直流电压的增加有关的连接。

然而，已经观察到，现有技术的能量消散系统不具有消散几个电致动器的再生电能的可用性。

发明内容

本发明旨在通过提出一种用于消散由飞机的至少一个致动器再生的能量的系统来克服现有技术的缺点，该系统在先有技术的飞机中不能够获得。

为了实现这一点，根据本发明的第一方面，提出一种用于消散由飞机的电致动器(1)产生的再生电能的系统，该消散系统包括：

电阻器

两个切换臂，每个切换臂与该电阻器串联连接，两个切换臂并联连接在一起，每个切换臂包括彼此串联连接的两个开关，每个开关包括两个端子和一控制栅极，每个开关能够通过控制施加到其控制栅极的电位来控制；

测量设备，所述测量设备能够测量每个开关端子处的电压。

能量消散系统是特别有利的，因为已经观察到在现有技术的能量消散系统中，最常损坏的部件是开关。根据本发明的能量消散系统使得可通过测量每个开关的端子处的电压来克服现有技术的缺点，这使得可以在任何时刻知道每个开关是否起作用。实际上，当开关正常工作并且当其关闭时，其端子处的电压必须低于阈值电压。以相同的方式，当开关正常工作并且当其打开时，其端子处的电压必须高于阈值电压。通过测量每个开关的端子处的电压并通过将其与阈值电压进行比较，因此可以在任何时刻均知道所述开关是否起作用。如果检测到开关不再起作用，则可以打开属于与故障开关相同的臂的另一个开关，并且可以通过另一个臂单独地起作用。因此，根据本发明的能量消散系统具有比现有技术更高的可用性。

根据本发明的第一方面的能量消散系统还可具有独立地或根据其技术上可能的组合的一个或多个以下特征。

有利地，消散系统还包括与每个开关并联安装的平衡电路，每个平衡电路均包括称为“平衡电阻器”的电阻器和被称为“平衡电容”的电容。与每个开关并联安装的平衡电路使得可在位于相同臂的两个开关之间的中点的电平处控制电位，特别是当开关打开时。实际上，在没有这些平衡电路的情况下，在每个开关从关闭位置切换到打开位置过程中，同一臂的两个开关之间的电位将不被控制，使得在每个开关的端子处测量的电压不可靠。平衡电路使得可扩展同一臂的两个开关之间的电压，使得在每个开关的端子处测量的电压更可靠。此外，这些平衡电路使得可以在没有与现有技术的消散系统的消散电阻器并联安装的续流二极管的情况下进行，因为它们使得像所述二极管一样可当开关打开时避免在该开关的端子处的电压浪涌。

优选地选择平衡电阻器和平衡电容的值，使得：

平衡电路的时间常数RC足以补偿开关切换时间的分散，从而保证对开关的打开状态或关闭状态的可靠检测；

平衡电路的时间常数RC与开关的切换时间兼容，这可以通过驱动器的栅极电阻器进行参数化；

平衡电容足够高以恢复存储在由消散电阻器及其布线形成的电感中的全部或部分能量；

平衡电容足够低，以便不会储存在关闭开关时消散的太多能量；

平衡电阻器的值足够低，以便在阻塞与消散电阻器中循环的电流相关的开关时不产生电压浪涌；

平衡电阻的功率与存储在平衡电容中的能量兼容。

有利地，该消散系统还包括与每个开关并联安装的补偿电路，每个补偿电路均包括称为“补偿电阻器”的电阻器。该补偿电阻器使得可以在其打开时补偿开关的漏电流，这也使得可平衡在它们打开时同一臂的两个开关之间的电压的扩展。

补偿电阻的值优选严格地低于当开关打开时其连接的端子的开关的阻抗。

更具体地，补偿电阻器的值优选地基本上等于当开关打开时其连接的端子的开关的阻抗值的十分之一。

根据不同的实施例，每个开关均可以是：

绝缘栅双极晶体管，也称为IGBT；

金属氧化物半导体场效应晶体管，也称为MOSFET；

集成门极换向晶闸管，也称为IGCT；

门极关断晶闸管，也称为GTO；

双极晶体管；

通常关闭的SiC JFET晶体管。

本发明的第二方面涉及一种用于从交流电源供应飞机的至少一个电致动器的电转换器，所述转换器包括：

整流器；

根据本发明的第一方面的消散系统，所述消散系统与该整流器并联安装；

电容，所述电容与该消散系统并联安装。

该转换器是有利的，因为它使得可同时供应多个电致动器。

本发明的第三方面涉及一种用于消散在根据本发明的第一方面的系统中的再生能量的方法，其中同一臂的两个开关被控制，以便被同时打开且被同时开闭，该开关进一步被控制，以交替地关闭两个臂。实际上，交替操作两个臂的事实使得可永久地测试所有开关。而且，这使得可以平衡的方式加载所有开关。

有利地，每个开关由称为“正常信号”的脉冲宽度调制信号控制，控制两个臂的正常信号相对于彼此被去相位，使得一个臂关闭，而另一个臂打开。从而可以通过扩展两臂上的控制来调节在消散电阻器中消散的再生能量的量。

有利地，每当开关关闭时，该方法包括以下步骤：

测量所述开关的端子处的电压；

将测量的电压与阈值电压进行比较。

这些步骤使得可测试每次其处于关闭位置时开关均起作用。

在这种情况下，如果在指定为“故障开关”的开关的端子处测量的电压高于阈值电压，则该方法优选地包括以下步骤：

将与故障开关属于同一臂的开关保持在打开位置；

通过被称为“失败时的信号”的脉冲宽度调制信号来控制属于另一臂的开关，具有比正常信号的频率大两倍的频率。

因此，如果检测到开关故障，则其所属的臂受到限制，并且仅使用另一个臂。

有利地，每当开关打开时，该方法包括以下步骤：

测量所述开关的端子处的电压；

将测量的电压与阈值电压进行比较。

这些步骤使得可测试每次其处于打开位置时开关均起作用。

在这种情况下，如果在指定为“故障开关”的开关的端子处测量的电压低于阈值电压，则该方法优选地包括以下步骤：

将与故障开关属于同一臂的开关保持在打开位置；

通过被称为失败时的信号摂的脉冲宽度调制信号来控制属于另一臂的开关，具有比正常信号的频率大两倍的频率。

当开关处于短路时，这是特别有利的，因为它则可以借助于同一臂的另一个开关来打开它所属的臂，并且由于另一个臂而继续正常工作。

附图说明

参考附图通过阅读下面的详细描述，本发明的其他特征和优点将更好地显现出来，其图示：

图1是连接到飞机的电源的现有技术的电致动器的示意图；

图2是用于消散现有技术的能量的系统的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的用于消散能量的系统的示意图；

图4是用于控制图3的系统的信号的示意图；

图5是用于控制图3的能量消散系统的设备的示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的电转换器的示意图。

图7是根据本发明的另一个实施例的电转换器的示意图。

为了更清楚，在所有附图中，相同或相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图3表示根据本发明的一个实施例的能量消散系统10。

该能量消散系统包括称为“消散电阻器”的电阻器R。该消散电阻器R能够通过焦耳效应消散能量。该能量消散系统还包括两个指定为“切换臂”12和13的臂。每个切换臂12，13均与消散电阻器R串联连接。两个切换臂12，13相互并联连接。

每个切换臂12，13均包括相互串联连接的两个开关Q1，Q2和Q3，Q4。每个开关均包括两个端子B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂。每个开关均包括控制栅极G1，G2，G3，G4。在同一臂的两个开关Q1，Q2和Q3，Q4之间定位有指定为“中点”P1，P2的一点。

每个开关均是可控的。实际上，每个开关Q1，Q2，Q3，Q4均可以关闭或打开。为此，施加到每个开关的控制栅极的电位可以根据希望放置开关的状态来选择。

每个开关Q1，Q2，Q3，Q4可以例如是：

-金属氧化物半导体场效应晶体管，也称为MOSFET；

-集成门极换向晶闸管，也称为IGCT；

-门极关断晶闸管，也称为GTO；

-双极晶体管；

-SiC JFET晶体管，通常关闭。

根据一优选实施例，每个开关Q1，Q2，Q3，Q4均是绝缘栅双极晶体管，也称为IGBT。

该能量消散系统还包括用于控制每个开关的设备MC1，MC2，MC3，MC4。这些控制设备MC1，MC2，MC3，MC4使得可施加一在每个开关的控制网格G1，G2，G3，G4上控制的电压控制信号，以便控制所述开关的打开和关闭。

该能量消散系统还包括测量设备MM1，MM2，MM3，MM4，所述测量设备MM1，MM2，MM3，MM4用于测量每个开关Q1，Q2，Q3，Q4的端子B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂处的电压。实际上，测量每个开关端子处的电压的事实使得可以知道所述开关是否起作用。实际上，当开关起作用并且当其打开时，其端子处的电压必须高于一阈值电压。相反，当开关起作用并且当其关闭时，其端子处的电压必须低于一阈值电压。因此，通过测量每个开关的端子处的电压，可以知道所述开关是否起作用。

该能量消散系统还包括称为“平衡电路”BE1，BE2，BE3，BE4的电路。每个平衡电路BE1，BE2，BE3，BE4均与开关Q1，Q2，Q3，Q4中的一个并联连接。每个平衡电路BE1，BE2，BE3，BE4均包括称为“平衡电阻器”RE1，RE2，RE3，RE4的电阻器和被称为“平衡电容”CE1，CE2，CE3，CE4的电容。这些平衡电路使得当这些开关从关闭状态转换到打开状态时，可以在同一分支的两个开关之间传递电压。因此，这些平衡电路使得可管理每个分支的中点P1，P2的电位。这些平衡电路还使得可在开关被打开时避免开关的端子处的电压浪涌，而不必使用续流二极管。

每个平衡电阻RE1，RE2，RE3，RE4的值和每个平衡电容CE1，CE2，CE3，CE4的值优选选择如下：

-平衡电路的时间常数RC足以补偿开关的切换时间的散布，从而保证开关状态(打开/关闭)的可靠检测；

-平衡电路的时间常数RC与开关的切换时间兼容，这可以使用驱动器的栅极电阻器进行参数化；

-平衡电容足够高以恢复存储在由消散电阻器及其布线形成的电感中的全部或部分能量；

-平衡电容足够低，以便不会储存将在关闭开关的瞬间消散的太多能量；

-平衡电阻器的值足够低，以便在阻滞与消散电阻器中循环的电流相关的开关时不产生电压浪涌；

-该平衡电阻器的功率与存储在平衡电容中的能量兼容。

该能量消散系统还包括称为“补偿电路”BC1，BC2，BC3，BC4的电路。每个补偿电路BC1，BC2，BC3，BC4均与开关Q1，Q2，Q3，Q4中的一个并联连接。每个补偿电路BC1，BC2，BC3，BC4均包括称为“补偿电阻器”RC1，RC2，RC3，RC4的电阻器。该补偿电阻器使得在开关打开时可相对于开关的泄漏电流平衡该能量消散系统。

每个补偿电阻器RC1，RC2，RC3，RC4的值严格低于与其连接的开关Q1，Q2，Q3，Q4的阻抗值。每个补偿电阻RC1，RC2，RC3，RC4的值优选等于与其连接的开关Q1，Q2，Q3，Q4的阻抗值的十分之一。

因此，平衡电路BE1，BE2，BE3，BE4和补偿电路BC1，BC2，BC3，BC4使得可控制每个臂的中点P1，P2处的电位，使得在每个开关的端子处执行的电压测量是可靠的，实际上代表每个开关的状态。

现在将参照图4详细描述用于控制图3的能量消散系统的方法的一个例子。

控制信号可以由下文所示的PWM产生，但是其也可以由其他控制系统产生，例如利用迟滞现象所进行的控制，其在于一旦电容器的端子处的电压高于一阈值就关闭开关，并且一旦其低于一比第一阈值低的第二阈值就打开开关。

最后，该信号还可由两个控制器之间的逻辑OR产生，这使得可确保更大服务的可用性。

曲线PWM_ANT表示如果该能量消散系统包括一单个开关将使用的控制信号。该控制信号PWM_ANT是脉宽调制信号，也叫PWM。它优选具有恒定的频率。通过控制该信号PWM_ANT的循环比来控制电阻器中消散的能量的量。

曲线PWM_Q1-Q2表示应用到属于第一臂12的开关Q1和Q2中的每一个的控制信号。曲线PWM_Q3-Q4表示施加到属于第二臂13的开关Q3和Q4中的每一个的控制信号。应用到每个开关的控制信号是脉宽调制信号，也称为PWM。只要属于同一臂的两个开关Q1，Q2或Q3，Q4起作用，则优选将相同的控制信号应用到属于同一臂的两个开关，使得同一臂的开关在同时打开和同时关闭。另一方面，应用到第一臂12的开关Q1，Q2的控制信号PWM_Q1-Q2相对于应用到第二臂13的开关Q3，Q4的控制信号PWM_Q3-Q4交替地起作用。而且，如图4所示，应用到每个臂的控制信号PWM_Q1-Q2和PWM_Q3-Q4的循环比相对于如果该能量消散系统仅包括单一臂时将使用的控制信号PWM_ANT低两倍。实际上，只要所有的开关都起作用，该两个臂才交替地使用。两个臂的这种交替使用使得可永久检查所有的开关是否都起作用。

为此，该方法还包括每次开关关闭时测量每个开关的端子处的电压的步骤。该方法接下来包括将测量的电压与一阈值电压进行比较的步骤。只要所测量的电压保持低于该阈值电压，则电压已经被测量的端子处的开关就被认为是起作用的。另一方面，如果检测到在开关的端子处测量的电压高于该阈值电压，则认为所述开关有故障。

例如，可以假设Q1被认为是有故障的。

该方法随后包括打开在本例子中与被认为是故障的开关属于相同的臂的另一个开关Q2的步骤，以便使包含故障开关的臂无效。

在该控制方法的其余部分中，仅使用另一个臂，在本例中为第二臂13。因此，应用到该第二臂的控制信号PWM_Q3-Q4的循环比等于由于臂的激活频率加倍而在开关发生故障之前应用到每个臂的循环比的两倍。

图5表示可用于控制所述开关的控制设备中的一个的例子。如该图所示，可以使用单电源Vcc_驱动器来发出控制信号PWM_Q1-Q2和PWM_Q3-Q4，使得可控制四个开关。为此，两个臂的开关Q2和Q4的控制可以由充电泵提供，两个臂的开关Q1和Q3的驱动器的供应被称为总线HVDC。

图6表示根据本发明的一个实施例的电转换器。该电转换器使得可将飞机的电源2连接到至少两个电致动器1。为此，该电转换器包括整流器4，所述整流器使得可将由飞机的电源2产生的交流电压电流转换成直流电压电流。因此，该转换器包括在整流器4的输出处的第一和第二总线20，21，这两个总线20，21使得可使在整流器的输出处的电流传输到电致动器1。

电转换器还包括例如参考图3所描述的能量消散系统10。该能量消散系统包括连接到第一总线20的第一端子14和连接到第二总线21的第二端子15。该电转换器还包括电容6，所述电容6与该能量消散系统和该整流器并联连接。该电转换器接下来通过保护装置22连接到电致动器1，所述保护装置使得可保护所述电致动器。

当然，本发明不限于参考附图所描述的实施例，在不超出本发明的范围下可以考虑替代方案。

这样，图7表示另一实施例，其中转换器包括电阻器R 11和三个开关Q1，Q2，Q3。其中两个开关Q2和Q3相互并联连接。开关Q1与那两个开关Q2和Q3串联连接。电路RC与开关Q2和Q3并联连接。电路RC与开关Q1并联连接。

在正常操作中，开关Q1总是关闭的，以限制其在电压和温度方面的约束，并增加其使用寿命。如参考图3和图4所描述的那样，开关Q2和Q3交替切换。

在检测到开关Q2或Q3发生故障的情况下，与故障开关并联的另一个开关置于关闭位置，仅开关Q1被控制。

Claims

1.一种用于消散由飞机的电致动器(1)产生的再生电能的消散系统(10)，该消散系统(10)包括：

-电阻器(R)；

-两个切换臂(12，13)，每个切换臂(12，13)均与所述电阻器(R)串联连接，该两个所述切换臂(12，13)并联连接在一起，每个切换臂(12，13)均包括相互串联连接的两个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)，每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均包括两个端子(B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂)和一控制栅极(G1，G2，G3，G4)，每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均能够通过控制应用到其控制栅极(G1，G2，G3，G4)的电位来被控制，所述系统设置为控制一相同臂的所述两个开关(Q1/Q2，Q3/Q4)，以同时打开和同时关闭，并控制所述开关，以交替地关闭所述两个臂；

-测量设备(MM1，MM2，MM3，MM4)，所述测量设备能够测量每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)的端子(B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂)处的电压，

-与每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)并联安装的平衡电路(BE1，BE2，BE3，BE4)，每个平衡电路(BE1，BE2，BE3，BE4)均包括被称为“平衡电阻器”的电阻器(RE1，RE2，RE3，RE4)和被称为“平衡电容”的电容(CE1，CE2，CE3，CE4)，

-一控制系统，该控制系统用于产生脉宽调制控制信号(PWM_ANT)，如果该消散系统包括一单个开关，将使用所述脉宽调制控制信号，该控制系统还用于发射循环比比所述控制信号(PWM_ANT)低两倍的信号，只要所有的开关都起作用，则所述信号被应用到所述开关。

2.根据权利要求1所述的消散系统(10)，还包括与每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)并联安装的补偿电路(BC1，BC2，BC3，BC4)，每个补偿电路(BC1，BC2，BC3，BC4)均包括被称为“补偿电阻器”的电阻器(RC1，RC2，RC3，RC4)。

3.根据权利要求1或2所述的消散系统(10)，其中每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均为绝缘栅双极晶体管。

4.一种用于从交流电源供应飞机的至少一个电致动器的电转换器，所述转换器包括：

-整流器(4)；

-根据前述权利要求中任一项所述的消散系统(10)，该消散系统(10)与所述整流器(4)并联安装；

-电容(6)，所述电容(6)与所述消散系统(10)并联安装。

5.一种用于消散在根据权利要求1至3中任一项所述的系统中的能量的方法，其中同一臂的两个开关(Q1/Q2，Q3/Q4)被控制，以同时打开和同时关闭，所述开关进一步被控制，以交替地关闭所述两个臂。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，每个开关(Q1，Q2，Q3，Q4)均由称为“正常信号”的脉冲宽度调制信号控制，控制所述两个臂的所述正常信号相互移相，使得一个臂关闭，同时另一个臂打开。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，每当一开关(Q1，Q2，Q3，Q4)关闭时，所述方法包括以下步骤：

-测量所述开关(Q1，Q2，Q3，Q4)的端子(B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂)处的电压；

-将所测量的电压与一阈值电压进行比较。

8.根据权利要求7所述的方法，其中如果在指定为“故障开关”的一开关(Q1，Q2，Q3，Q4)的端子(B₁₁，B₁₂，B₂₁，B₂₂，B₃₁，B₃₂，B₄₁，B₄₂)处测量的电压高于所述阈值电压，则所述方法包括以下步骤：

-将与所述故障开关属于同一臂的开关保持在打开位置；

-通过一脉冲宽度调制信号来控制属于另一臂的开关，该脉冲宽度调制信号被称为“故障情况下的信号”，其频率比所述正常信号的频率大两倍。