CN108155816A - 一种飞机配电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞机配电系统和方法。该系统包括：电源，为飞机的用电设备提供一次输出电源；多个变换配电装置，与电源连接，分布于飞机上一个用电设备或位置相近的多个用电设备周围，接收一次输出电源，并在接收到电能变换消息时，将一次输出电源转换为用电设备工作时需要的电能以为其供电；至少一台用电设备，分别和与其紧邻的变换配电装置以及汇流条功率控制器连接，在准备工作之前，发送准备工作的通知消息至汇流条功率控制器；汇流条功率控制器，分别与多个变换配电装置和至少一台用电设备连接，在接收到通知消息时，发送电能变换消息至位于用电设备附近的变换配电装置。本发明能够在用电设备端进行电能变换和功率控制。

Description

一种飞机配电系统及方法
技术领域
本发明涉及航空电气系统领域，具体涉及一种飞机配电系统及方法。
背景技术
随着大型民用飞机多电系统的用电设备逐渐增加，电能需要经过一次、两次以及更多次的电能变换，才能满足用电设备对电能类型和质量的要求。基于传统电能变换装置的多电飞机配电系统架构均为集中变换式结构。
在实现本发明对飞机多电系统的用电设备配电过程中，集中变换式结构存在以下问题：
1)现有飞机配电系统的用电设备对电能变换装置的功率和输出电能质量提出了更高要求，集中变换式结构达不到质量要求；
2)集中变换式电能变换装置在能源变换后会有较多备用余量，造成变换后的电能利用率较低；
3)现有飞机配电系统的用电设备分布在机身的各个位置，较为分散，且对电能的要求各不相同，造成了需要大量的线缆实现电能变换装置和用电设备的连接，存在线损较大和线缆铺设路径复杂的问题，如果用电设备更改就需要更改线缆，增加了配电系统的制造的工期和造价；
综上所述，目前飞机多电系统的集中式大功率电能变换装置导致飞机配电系统功率有效利用率低，同时对单台电能变换装置的功率、设计、输出电能质量和散热等要求越来越高，现有电能变换装置很难达到该要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高电能变换利用率和电能变换质量，降低配电系统复杂度和线损的飞机配电系统和方法。
根据本发明的一个方面，提供一种飞机配电系统，包括：电源，用于为飞机的用电设备提供一次输出电源；多个变换配电装置，与电源连接，分布于飞机上一个用电设备或位置相近的多个用电设备周围，用于接收所述一次输出电源，并在接收到电能变换消息时，将所述一次输出电源转换为所述用电设备工作时需要的电能以为其供电；至少一台用电设备，分别和与其紧邻的变换配电装置以及汇流条功率控制器连接，用于在准备工作之前，发送准备工作的通知消息至所述汇流条功率控制器；汇流条功率控制器，分别与所述多个变换配电装置和所述至少一台用电设备连接，用于在接收到所述通知消息时，发送电能变换消息至位于用电设备附近的变换配电装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种飞机配电方法，包括：当用电设备准备工作时，发送准备工作的通知消息至汇流条功率控制器；汇流条功率控制器发送电能变换消息至位于用电设备附近的变换配电装置；变换配电装置按照预设的电能转换规则对接收到的电源电能进行转换，并为所述用电设备供电。
本发明通过采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明通过对传统技术中的远程配电系统架构进行改进，将变换配电装置与电源直接相连，且将变换配电装置分布于飞机上一个用电设备或位置相近的多个用电设备周围，实现在用电设备端对电能进行变换和功率控制，可降低单台电能变换装置功率，提高配电系统电能利用率和电能变换质量；如果用电设备更改，则只需更换用电设备处变换配电装置即可实现需要的电能输出，不需对线路进行更改，实现了配电系统设计的灵活性和简易性；通过汇流条功率控制单元对变换配电装置启动与关闭，实现在用电设备端对电能进行变换和功率控制，有利于减少不必要的电能转换损耗。
附图说明
图1是现有技术中飞机配电系统架构图；
图2是现有技术中飞机配电系统各电气设备和装置位置分布示意图；
图3是根据本发明一实施方式的飞机配电系统架构示意图；
图4是本发明飞机配电系统各电气设备和装置位置分布示意图；
图5是根据本发明飞机配电系统中变换配电装置的结构示意图；
图6是根据本发明又一实施方式的飞机配电系统的结构示意图；
图7是根据本发明又一实施方式的飞机配电系统的结构示意图；
图8是根据本发明一实施方式的飞机配电方法的流程图；
图9是根据本发明另一实施方式的飞机配电方法的流程图；
图10是根据本发明又一实施方式的飞机配电方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是现有技术中飞机配电系统架构图。
如图1所示，现有技术中发电机作为电源供电给一次配电单元，所有一次配电单元的电能传输到电能变换单元集中进行转换，电能变换单元中包括自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器，电能变换单元集中将 230V高压交流电变换为115V交流电、540V高压直流电和28V直流电，转换后的电能输入到远程配电装置分别给个用电设备供电。在现有技术中，汇流条功率控制单元接收到用电设备的用电控制信号后，同时开启电能变换单元和与所述用电设备连接的远程配电装置。
如图1所示，电源包括发电机和一次配电单元，发电机共七台，如图 1所示，GEN L1为左1主发电机，GEN L2为左2主发电机，GEN R1为右1 主发电机，GEN R2为右2主发电机，APU GEN1为1号辅助动力装置发电机，APU GEN2为2号辅助动力装置发电机，RAT为冲压空气涡轮发电机。主发电机通过飞机发动机带动发电，辅助动力装置发电机通过飞机发动机带动发电，冲压空气涡轮发电机通过空气气流带动发电，飞机配电系统在运行过程中，优选采用主发电机进行发电，当主发电机发生故障时通过辅助动力装置发电机进行发电，当主发电机和辅助动力装置发电机均发生故障时采用冲压空气涡轮发电机进行发电。一次配电单元为从发电机端到电能变换单元之前的配电部分，一次配电单元输出的电压为发电机输出的电压。
图2是现有技术中飞机配电系统各电气设备和装置位置分布图。
如图2所示，现有技术中多电飞机配电系统中所有电能变换装置均集中的机头部位，而发电机位于机翼。电能变换单元包括自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器，用电设备分布在机箱的各个位置，每个用电设备均与远程配电装置连接。这样就导致发电机首先需要通过线缆将电能传输至电能变换装置，电能变换装置再将变换后的电能输出至用电设备附近。
通过图1和图2的介绍，传统集中变换式电能变换装置传输的电压包括了大量电能变换后的低电压，增加了线缆损耗。且集中变换式的电能变换单元在能源变换后会有较多富余，造成变换后的电能利用率较低，且用电设备分布在机身的各个位置，较为分散，且对电能的要求各不相同，这就造成了需要大量的线缆实现电能变换单元和用电设备的连接，经常存在线缆铺设路径复杂的问题，如果用电设备更改就需要改线，增加了配电系统的制造工期和造价。
实施例一
如图3所示，本发明实施例一种飞机配电系统，包括：
电源1，用于为飞机的用电设备3提供一次输出电源；多个变换配电装置2，与电源1连接，分布于飞机上一个用电设备3或位置相近的多个用电设备3周围，用于接收所述一次输出电源，并在接收到电能变换消息时，将所述一次输出电源转换为所述用电设备3工作时需要的电能以为其供电；至少一台用电设备3，分别和与其紧邻的变换配电装置2以及汇流条功率控制器4连接，用于在准备工作之前，发送准备工作的通知消息至所述汇流条功率控制器4；汇流条功率控制器4，分别与所述多个变换配电装置2和所述至少一台用电设备3连接，用于在接收到所述通知消息时，发送电能变换消息至位于用电设备附近的变换配电装置2。
本实施例中，电源1、变换配电装置2和用电设备3在飞机中的分布位置如图4所示，其包括多个变换配电装置2和多台用电设备3，一个变换配电装置2可连接多个用电设备3，一台用电设备3连接一个变换配电装置2。变换配电装置2是设置在用电设备3周围的。
本实施例中，变换配电装置2接收电源1输出的电能并对其进行转换包括：对电能进行电压转换，对电能进行电流转换，对电能进行交直流转换。电压转换包括由高压转换成低压或者由低压转换成高压；电流转换包括由某一电流转换成另一电流；交直流转换包括由直流转换成交流，或由交流转换成直流；
本实施例中，变换配电装置2转换后的电能，即为与所述变换配电装置2直接相连的用电设备所需电能，如电源输出电能为230V高压直流电，用电设备1所需电能为540V高压直流，则变换配电装置1将230V高压直流电转换为540V高压直流，用电设备4所需电能为115V交流电，则变换配电装置2将230V高压直流电转换为115V交流电。
本发明实施例通过对传统技术中的远程配电系统架构进行改进，将变换配电装置与电源直接相连，且将变换配电装置分布于飞机上一个用电设备或位置相近的多个用电设备周围，使电能转换在用电设备端进行，以实现对电能进行变换和功率控制，这样可降低单台电能变换装置功率，提高配电系统电能利用率和电能变换质量。如果用电设备更改，则只需更换用电设备处变换配电装置即可实现需要的电能输出，不需对线路进行更改，实现了配电系统设计的灵活性和简易性。
实施例二
如图5所示，本发明实施例中变换配电装置2包括：
功率控制单元21，与所述汇流条功率控制器连接，用于接收所述电能变换消息，并基于所述电能变换消息形成控制消息发送至电能变换单元；
电能变换单元22，与电源连接，用于接收所述一次输出电源，以及在接收到所述控制消息时，将所述一次输出电源转换为用电设备工作时需要的电能并发送至所述远程配电器；其中，每个所述电能变换单元配置为将一次输出电源转换为一种输出电能，所述一种输出电能为与该电能变换单元所在的变换配电装置紧邻的一个或多个用电设备工作时需要的电能。
远程配电器23，与所述电能变换单元连接，用于将接收到的电能分配给准备工作的用电设备以为其供电。
本发明实施例二通过对现有飞机配电系统中的电能变换单元进行改进，使其结构小型化，且配置为只转换一种电能，与现有飞机配电系统中的远程配电器结合，组成变换配电装置，并分布于飞机上在用电设备附近，利用汇流条功率控制单元对变换配电装置进行远程控制，实现在用电设备端对电能进行变换和功率控制。
实施例三
本发明实施例中电能变换单元22包括自耦变压整流单元220、自耦变压器221和变压整流器222中的一种：
所述自耦变压整流单元220，用于将230VAC变换为28VDC，其功率小于10kw；
所述自耦变压器221，用于将230VAC变换为115VAC，其功率小于 10kw；；
所述自耦变压整流器222，用于将230VAC变换为540VDC，其功率小于10kw。
传统的电能变换单元内部包含多个大功率的自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器(ATU、TRU和ATRU)，自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器的功率都在50KW以上，因此只要电能变换单元一开始工作，就会耗电，而本发明中的电能变换单元能够根据负载的不同选用自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器中(ATU、TRU和ATRU)的一种，且单台自耦变压整流单元、自耦变压器和变压整流器的功率小，功率都在 10KW以内，可提高电能变换效率和降低变换器发热量。
优选地，本发明的功率控制单元21，还与外部上位机或飞机控制系统连接，以接收所述外部上位机或所述飞机控制系统远程发送的电能变换指令。
实施例四
如图6所示，本发明实施例的一种飞机配电系统中电源1包括：
发电机10，
一次配电单元11，与所述发电机连接，且与各个变换配电装置直接连接，用于将发电机的一次配电电压直接输出给各个远程变换配置装置。
具体地，是将发电机安装于飞机机翼，与发电机相连的一次配电单元安装于飞机机箱，用电设备分布在飞机机箱的各个位置，用电设备分别和与其相邻的远程电能变换装置连接，远程电能变换装置再与一次配电单元连接。
本实施例中，飞机配电系统架构中由发电机输出某一电压和频率的电能，电能输出至变换配电装置；其中，电源包括发电机和一次配电单元。作为一个较佳的实施方式，如图7所示设置发电机七台，本实施例中一共有四台主发电机：GEN L1、GEN L2、GEN R1、GENR2，两台辅助动力装置发电机：APU GEN1、APU GEN2，和一台冲压空气涡轮发电机：RAT。如图7 所示，GEN L1为左1主发电机，GEN L2为左2主发电机，GEN R1为右1 主发电机，GEN R2为右2主发电机，APU GEN1为1号辅助动力装置发电机，APU GEN2为2号辅助动力装置发电机，RAT为冲压空气涡轮发电机。本实施例中，主发电机通过飞机发动机带动发电，辅助动力装置发电机通过飞机发动机带动发电，冲压空气涡轮发电机通过空气气流带动发电，飞机配电系统在运行过程中，优选采用主发电机进行发电，当主发电机发生故障时通过辅助动力装置发电机进行发电，当主发电机和辅助动力装置发电机均发生故障时采用冲压空气涡轮发电机进行发电。一次配电单元为从发电机端到变换配电装置之前的配电部分，一次配电单元输出的电压为发电机输出的电压。变换配电装置靠近用电设备端，由汇流条功率控制单元控制其开启与关闭。当用电设备准备工作时，用电设备首先通知汇流条功率控制单元，汇流条功率控制单元接收用电设备的通知信号，汇流条功率控制单元向该用电设备附近的变换配电装置发出控制信号，控制该变换配电装置进行电能变换并进行电能分配。如，发电机输出为230V交流电，而用电设备制式为28V直流，则变换配电装置将首先将230V转换为28V 直流，之后为用电设备供电。相对于传统的配电架构来说，传统的RAT并未直接与远程配电装置连接，而是直接与电能变换单元连接，将RAT发出的电能转换为多种电压之后再连接到远程配电装置。本发明的RAT通过一次配电单元与变换配电装置连接，将其统一为电源端，之后连接到变换配电装置，优化了配电系统架构。
本发明实施例中，基于远程配电变换装置的飞机配电系统，可在用电设备端就近实现电能变换，且通过汇流条功率控制单元实现远程控制，提高了用电设备的安全性，降低了对单台电能变换装置功率的要求，相应的输出电能质量也会提高。如需对用电设备更改，则只需更换用电设备处变换配电装置，即可实现与更改后的用电设备匹配的电能输出，不需对线缆进行更改，实现了配电系统设计的灵活性和简易性。
本发明实施例中飞机配电系统，对于连接各设备、单元或装置的线缆铺设更加简单。现有技术中集中变换式电能变换装置传输的电压包括了大量电能变换后的低电压，增加了线缆损耗，而本发明实施例中基于变换配电装置的飞机配电系统架构，线缆中传输的主要是一次配电的高压电，极大程度的降低了线损。
如图8所示，本发明提供一种飞机配电方法，包括：
S101，当用电设备3准备工作时，发送准备工作的通知消息至汇流条功率控制器4；
S102，汇流条功率控制器4发送电能变换消息至位于用电设备附近的变换配电装置2；
S103，变换配电装置2按照预设的电能转换规则对接收到的电源电能进行转换，并为所述用电设备3供电。
其中，预设的电能转换规则是指将所述一次输出电源转换为一种输出电能，所述一种输出电能为与任一电能变换单元所在的变换配电装置2紧邻的一个或多个用电设备3工作时需要的电能。
如图9所示，本发明提供一种飞机配电方法，是在图8所示实施例中的通知消息携带了用电设备ID；
其中，所述汇流条功率控制器4在接收到所述通知消息时，包括：
S201，基于所述用电设备ID查找与该用电设备ID相关联的变换配电装置ID；
S202，基于查找结果，发送所述电能变换消息至与所述变换配电装置 ID相对应的变换配电装置2。
如图10所示，本发明提供一种飞机配电方法，还包括：
S100，将一个变换配电装置2设置在飞机上一个用电设备3或位置相近的多个用电设备3周围，并与位于飞机中央的一次配电单元11直接连接。
需要说明的是，本发明一种飞机配电系统是与涉及计算机程序流程的一种飞机配电方法一一对应的装置/系统，由于在前已经对一种飞机配电方法的步骤流程进行了详细描述，在此不再对一种飞机配电系统的实施过程进行赘述。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种飞机配电系统，其特征在于，包括：
电源(1)，用于为飞机的用电设备(3)提供一次输出电源；
多个变换配电装置(2)，与电源(1)连接，分布于飞机上一个用电设备(3)或位置相近的多个用电设备(3)周围，用于接收所述一次输出电源，并在接收到电能变换消息时，将所述一次输出电源转换为所述用电设备(3)工作时需要的电能以为其供电；
至少一台用电设备(3)，分别和与其紧邻的变换配电装置(2)以及汇流条功率控制器(4)连接，用于在准备工作之前，发送准备工作的通知消息至所述汇流条功率控制器(4)；
汇流条功率控制器(4)，分别与所述多个变换配电装置(2)和所述至少一台用电设备(3)连接，用于在接收到所述通知消息时，发送电能变换消息至位于所述用电设备(3)附近的变换配电装置(2)。
2.根据权利要求1所述的飞机配电系统，其特征在于，所述变换配电装置(2)包括：
功率控制单元(21)，与所述汇流条功率控制器(4)连接，用于接收所述电能变换消息，并基于所述电能变换消息形成控制消息发送至电能变换单元(21)；
电能变换单元(22)，与电源(1)连接，用于接收所述一次输出电源，以及在接收到所述控制消息时，将所述一次输出电源转换为用电设备(3)工作时需要的电能并发送至所述远程配电器(23)；
远程配电器(23)，与所述电能变换单元(22)连接，用于将接收到的电能分配给准备工作的用电设备(3)以为其供电。
3.根据权利要求1或2所述的飞机配电系统，其特征在于，所述电能变换单元(22)包括自耦变压整流单元(220)、自耦变压器(221)和变压整流器(222)中的一种：
所述自耦变压整流单元(220)，用于将230VAC变换为28VDC；
所述自耦变压器(221)，用于将230VAC变换为115VAC；
所述自耦变压整流器(222)，用于将230VAC变换为540VDC。
4.根据权利要求2所述的飞机配电系统，其特征在于，每个所述电能变换单元(22)配置为将一次输出电源转换为一种输出电能，所述一种输出电能为与该电能变换单元(22)所在的变换配电装置(2)紧邻的一个或多个用电设备(3)工作时需要的电能。
5.根据权利要求1或4所述的飞机配电系统，其特征在于，所述功率控制单元(21)，还与外部上位机或飞机控制系统连接，以接收所述外部上位机或所述飞机控制系统远程发送的电能变换指令。
6.根据权利要求1所述的飞机配电系统，其特征在于，所述电源(1)包括：
发电机(10)，
一次配电单元(11)，与所述发电机(10)连接，且与各个变换配电装置(2)直接连接，用于将发电机(10)的一次配电电压直接输出给各个远程变换配置装置(2)。
7.一种飞机配电方法，其特征在于，包括：
当用电设备(3)准备工作时，发送准备工作的通知消息至汇流条功率控制器(4)；
所述汇流条功率控制器(4)发送电能变换消息至位于用电设备(3)附近的变换配电装置(2)；
所述变换配电装置(2)按照预设的电能转换规则对接收到的电源电能进行转换，并为所述用电设备(3)供电。
8.根据权利要求7所述的飞机配电方法，其特征在于，所述通知消息携带有用电设备ID；
其中，所述汇流条功率控制器(4)在接收到所述通知消息时，包括：
基于所述用电设备ID查找与该用电设备ID相关联的变换配电装置ID；
基于查找结果，发送所述电能变换消息至与所述变换配电装置ID相对应的变换配电装置(2)。
9.根据权利要求7所述的飞机配电方法，其特征在于，
所述预设的电能转换规则是指将所述一次输出电源转换为一种输出电能，所述一种输出电能为与任一电能变换单元所在的变换配电装置(2)紧邻的一个或多个用电设备(3)工作时需要的电能。
10.根据权利要求7、8或9所述的飞机配电方法，其特征在于，还包括：
将一个变换配电装置(2)设置在飞机上一个用电设备(3)或位置相近的多个用电设备(3)周围，并与位于飞机中央的一次配电单元(11)直接连接。
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