CN109217131A - 用于航空器机载网络的配电箱及相应的供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于航空器供电网络的配电箱，所述配电箱用于连接到负载，并以第一电压电平和低于第一电压电平的第二电压电平对所述负载供电。所述配电箱包括用于以所述第一电压电平为负载供电多个分配模块(SSPC1)，还包括固态转换器(1)，所述固态转换器(1)能够将第一电压电平转换成处于第二电压电平的电压，以便以所述第二电压电平为负载供电。

Description

用于航空器机载网络的配电箱及相应的供电系统
技术领域
本发明总体上涉及航空器中电力的分配，尤其涉及一种航空器的电网的配电箱。
背景技术
航空器中的电力分配通常是分级构造的。首先，电力主要由航空器发动机驱动的发电机产生。然后该电力通过电缆传输到多个主配电箱。然后这些主配电箱将该电力传输到多个次级配电箱。连接到机载网络的嵌入式负载由次级配电箱供电，甚至直接由主配电箱供电。
由于输送的电力的增加，用于航空器的配电系统的结构逐步发展。
机载网络的电压初始为28Vdc(28伏直流电压)，以消除液压网络为目的，并出于易于维护和减少嵌入物重量，特别是配线、发电机和其他设备的重量的原因，逐渐变为固定频率的三相115Vac(115伏交流电压)，然后变为可变频率。
当前航空器的电压水平遵循相同的趋势。它们可以是230Vac和正负135Vdc。然而，商务飞机和商业大型喷气式飞机仍然存在28Vdc和115Vac的网络。
图1显示了商业大型喷气式飞机的配电结构的示例。
在这种类型的结构中，电力由发电机G提供，发电机G由飞机的发动机M驱动并且将交流电压传送到母线B，此处为230伏交流电压。
在所示的示例性实施例中，配电结构旨在以115Vac的交流电压为负载供电和以28Vdc的直流电压为负载供电。
配电系统因此包括：自耦变压器ATU，其将由母线B传送的交流电压转换成115Vac的交流电压；以及电压转换整流器TRU，其将母线B上可获得的电压转换成28Vdc的直流电压。
由自耦变压器ATU和电压转换整流器TRU供应的电压被供应至次级配电箱SPDB(Secondary Power Distribution Box，次级配电箱)，其中自耦变压器ATU和电压转换整流器TRU分别以115Vac和28Vdc的电压为负载供电。
可以看出，断路器如D或接触器分布在配电网络中，以确保对配电结构的各种元件进行保护。
根据这种结构，必须将115Vac和28Vdc这两个电压电平从电芯的母线B引入配电箱SPDB。现在，对于大型喷气式飞机，由28Vdc供电的负载(例如机舱和驾驶舱设备)消耗的电力相对较高。此外，在转换整流器TRU和配电箱之间分配电压所需的电缆长度相对较长。电缆的长度大约为15km，对于标准尺寸(规格)为8的电缆，其每单位线长的重量约为每千米39公斤。相反，传输115Vac的电压所需的电缆的截面较小，因此每单位线长的重量较轻。因此大型喷气式飞机供电网络中用于传送115Vac的电压的配线的总重量较小，例如大约为1.5kg。
此外，28Vdc网络和115Vac网络之间的电流绝缘由转换整流器TRU产生。
由于115Vac网络的频率动态特性，转换器TRU必须具有体积增大的磁芯，因此所述转换器具有相对较大的重量。此外，为负载供电的28Vdc的电压是不稳定的，这导致已经供电的设备的尺寸过大，以便能够承受高达42Vdc的电压范围，甚至是高达80Vdc的电压范围，或者需要添加能够将28Vdc转换成稳定电压的级(stage)，然后将该稳定电压应用于上述设备的电子功能。
因此，本发明的目的是克服上述全部或部分缺点。
发明内容
因此，本发明的主题是用于航空器供电网络的配电箱，其旨在连接到负载并以第一电压电平和低于第一电压电平的第二电压电平对所述负载供电，所述配电箱包括用于以所述第一电压电平为负载供电的一组分配模块。
根据总体特征，所述配电箱还包括固态转换器，所述固态转换器能够将第一电压电平转换为第二电压电平的电压，以在所述第二电压电平下向负载供电。
因此，在输送28Vdc电压和115Vac电压的配电网络中，28Vdc由尽可能靠近负载的固态转换器产生，按照现有技术在整流器和配电箱之间使用的用于传输28Vdc的电缆可以去除。
此外，必须由TRU提供的电力大大减少。
因此，将固态转换器结合到配电箱中允许相对显著的重量的减轻，这极大地补偿了转换器的添加造成的重量的增加。
因此，本发明允许减小配电网络和转换设备的配线的重量。
此外还可能从配电箱的输入端接收的电压稳定地产生28Vdc电压，该28Vdc电压通常为第二电压电平的电压。
在一个实施例中，固态转换器包括由基于场效应晶体管的开关元件产生的开关式电源。
固态转换器还可以包括电压转换整流器(TRU)，DC/DC(direct current，直流电)转换器，AC/AC(alternating current，交流电)转换器或DC/AC转换器。
在一个实施例中，转换器包括至少一个具有半导体功率转换器(semiconductorpower converter，SSPC)的通道，其能够以所述第二电压电平对负载供电。
有利地，至少一些分配模块包括具有半导体功率转换器(SSPC)的通道。
所述配电箱还可以包括连接到转换器的一组配电板，并且包括至少一个具有半导体功率转换器的通道，用于以所述第二电压电平为负载供电。
在一个实施例中，所述配电箱包括连接在转换器和配电板之间的电力存储模块。
根据第二方面，本发明的另一主题是用于航空器的供电系统，其包括发电机，由发电机供电的供电母线以及通过自耦变压器连接到供电母线的至少一个配电箱，还包括如上所限定的配电箱。
附图说明
在阅读以下仅作为非限制性示例并参考附图给出的描述时，本发明的其它目的，特征和优点将变得一目了然，在附图中：
图1示出了，如已经提到的，现有技术的配电结构；
图2示出了根据本发明实施例的用于航空器的供电系统的示例性实施例；
图3是根据本发明的配电箱的转换器的第一示例性实施例的示意图；
图4示出了根据本发明的配电箱的转换器的变型实施例的示意图；和
图5-9示出了根据本发明的配电箱的各种变型实施例的示意图。
具体实施方式
首先参考图2，其示出了根据本发明的用于航空器的配电系统。
这样的系统例如用于嵌入至大型喷气式商用飞机或喷气式商务飞机上，在飞机中配电网络共同传输各自为28Vdc的直流电压电平和115Vac的交流电压电平。
然而，很显然地，当配电系统旨在向航空器的机载网络提供两个分别为高和低的不同的电压电平而需要相对高的电功率消耗时，并未偏离本发明的范围。
图2示出了驱动发电机G的发动机M。发电机G在这里以230Vac的交流电压为电母线B供电。并且断路器D连接在配电箱和母线之间，并位于发电机的一侧。
该配电系统还包括：自耦变压器ATU，其将母线B上可获得的电压电平变换成第一电压电平，此处第一电压电平等于115Vac；以及转换整流器TRU，其用于将在母线B上传输的电压转换并整流成第二电压电平，此处第二电压电平等于28Vdc，所述第二电压电平低于所述第一电压电平。
该转换整流器TRU旨在直接为例如紧靠着转换整流器的负载供电。
自耦变压器ATU连接到配电箱SPDB，所述配电箱SPDB在输入端接收由自耦变压器转换的电压。
所述配电箱包括一个或多个分配通道，特别是三个分配通道SSPC1，SSPC2，SPPCN，每个分配通道包括用作“固态功率控制器(Solid State Power Controller)”的半导体功率转换器或SSPC，以将115Vac的交流电压分配给负载。
所述配电箱SPDB还包括固态转换器，用于将由自耦变压器ATU传送的交流电压转换成28Vdc的直流电压，以在该直流电压下为负载供电。
所述固态转换器1还包括一个或多个SSPC板4，用于通过控制功率来为28Vdc的负载供电，同时确保这些负载得到保护。
所述配电箱SPDB还包括连接到固态转换器1以便接收转换的电压电平的配电板，这些配电板在这里的数量为三个，每个配电板都包括一个SSPC板，分别是SSPC5，SSPC6和SSPC7。
在一个实施例中，固态转换器组成开关式电源，如图3所示。从该图中可以看出，该开关式电源基于场效应晶体管T的使用、有利地基于MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)的使用以确保快速切换，利用与二极管D联接的磁回路2、以及电容器C1从输入电压VS向电阻器R1的端子处提供经转换的电压。
作为变型，如图4所示，转换器使用变压器Tr以及整流级(rectifier stage)。所述变压器Tr能够将第一电压电平(此处为220伏)的交流电压转换为第二电压电平(此处为28伏)的交流电压；所述整流级由二极管电桥P组成，该二极管电桥P能够通过滤波级(filtering stage)传送处于第二电压电平的直流电压，所述滤波级包括并联连接的电容器C2和电阻器R2。有利地，在自耦变压器的输入端和输出端设置保险丝F。
因此，固态转换器可以无偏好地包含在主配电设备或次级配电设备中，允许从115Vac的交流电压产生28Vdc的稳定电压。该转换器结合了所谓的“降级”操作模式，允许在输入网络的一个或多个相的组件出现故障时为基本的负载或关键的负载供电。如前所述，它还结合了SSPC控制功能，能够在独立的和受保护的输出端给不同的负载分配电压。因此，去除了变压器和配电箱之间的电压相对较低的电缆，使得变压器需要供应的电力大大降低。
由于配线和变压器重量减轻而节省的重量非常大地补偿了在配电箱中添加的固态转换器的重量。由于分配给负载的28Vdc是由固态转换器产生的，因此在输入电压变动和28Vdc负载的电流范围这两方面，网络的电压能在很大的操作范围内被稳定。最终，在转换器中加入的次级配电部分，使得汇集低电压电源(在现有技术中低电压电源是针对每个SSPC板的)和优化次级配电成为可能。由于母线电压是稳定的，功率元件承受到较低的电压应力，因此效率更高。
因此，本发明具有以下优点：
降低飞机机载网络中的配线的重量以及配电箱上游的电源和转换设备的重量，
产生稳定的28Vdc电压并且无过压现象，
并入由SSPC完成的次级配电部分，
在不需要辅助电源的情况下并入SSPC通道的低电平电源，
由于提供稳定电压而优化次级配电功能，
在运行异常(如断相，元件损坏等)的情况下，使区别必要负载和非必要负载而利用配电箱成为可能，
使在SPDB或其他类型的现有设备中并入转换器成为可能，只要所述配电
箱将能够采用与其可能取代的元件相同的机械和电气接口。
通过为现有的SPDB配电箱配备固态转换器，本发明进一步使得使用现有的SPDB配电箱成为可能。
如图5所示(图5示出了配电箱)，在配电箱上可以看到通道SSPC1，SSPC2和SSPCN将115Vac交流电压分配给负载，固态转换器1具有负载供电板SSPC4，电路板SSPC5和SSPC6连接到固态转换器，配电箱还包括由固态转换器1以28Vdc供电的附加板3。所述附加板为例如作为缓冲器的电力存储板，用于例如当可用电压大于分配电压时存储电力，并且用于在由母线B供应的电力供应瞬间损失的情况下保持输出电压。
图6至图9最终示出了根据本发明的配备有固态转换器的配电箱的各种实施方式。
事实上，如前所述，先前描述的配电箱一方面不限于在115Vac下为负载供电，另一方面也不限于在28Vdc下为负载供电。
参考图6，根据本发明的配电箱可以连接到交流网络，该交流网络提供第一电压电平并在第一电压电平下通过电路板SSPC1，SSPC2和SSPCN来确保AC负载的供电。
固态转换器1结合有AC/DC转换器以传送用于为各个负载供电的第二直流电压电平。
在与图5所示实施例相对应的图6所示的示例性实施例中，配电箱1包括用于为DC负载供电的电路板SSPC4，所述电路板SSPC4还分别与电路板SSPC5和SSPC6连接，以用于为电路板SSPC5和SSPC6相应的负载供电。在该实施例中，还设置有附加板3以确保例如电力存储。
在图7的实施例中，配电板SPDB连接到DC直流网络。所述配电板SPDB包含一组带有半导体功率转换器的电路板SSPC7，用于从网络提供的直流电源为直流负载供电。在这种情况下，所述转换器包括用于为DC负载供电的DC/DC转换器。
在图8和9的实施例中，电源盒SPDB分别连接到直流网络DC和交流网络AC。
在图8的实施例中，所述电源盒包括一组电路板SSPC8，电路板SSPC8具有用于为DC负载供电的半导体功率转换器，所述固态转换器包括用于为AC负载供电的DC/AC转换器。
在图9的实施例中，所述电源盒SPDB包括一组电路板，电路板具有功率转换器SSPC9以确保AC负载的供电，而固态转换器1包括用于为AC负载供电的AC/AC转换器。
因此，在各实施例中，电源盒包含固态功率转换器，所述固态功率转换器确保在直流或交流电压下从各种交流或直流电压电平进行转换和分配，以在不同的直流或交流电压值下为电压网络供电。

Claims (11)

1.一种用于航空器供电网络的配电箱，所述配电箱用于连接到负载，并以第一电压电平和低于第一电压电平的第二电压电平对所述负载供电，所述配电箱包括用于在所述第一电压电平下为所述负载供电的一组分配模块(SSPC1)，其特征在于，还包括固态转换器(1)，所述固态转换器(1)能够将配电箱收到的作为配电箱输入的第一电压电平转换成第二电压电平的电压，以便以所述第二电压电平为所述负载供电。
2.根据权利要求1所述的配电箱，其特征在于，所述固态转换器包括由基于场效应晶体管的开关元件产生的开关式电源。
3.根据权利要求1所述的配电箱，其特征在于，所述固态转换器包括电压转换整流器(TRU)。
4.根据权利要求1所述的配电箱，其特征在于，所述固态转换器包括DC/DC转换器。
5.根据权利要求1所述的配电箱，其特征在于，所述固态转换器包括AC/AC转换器。
6.根据权利要求1所述的配电箱，其特征在于，所述固态转换器包括DC/AC转换器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的配电箱，其特征在于，所述转换器包括至少一个具有半导体功率转换器(SSPC)的通道，该半导体功率转换器能够以所述第二电压电平对负载供电。
8.根据权利要求1-7任一项所述的配电箱，其特征在于，至少一些分配模块包括具有半导体功率转换器的通道。
9.根据权利要求1-8任一项所述的配电箱，其特征在于，还包括与固态转换器(1)连接的一组配电板，以及至少一个具有半导体功率转换器的通道，所述半导体功率转换器用于以所述第二电压电平为负载供电。
10.根据权利要求9所述的配电箱，其特征在于，包括连接在固态转换器(1)和配电板之间的电力存储模块。
11.一种航空器的供电系统，包括发电机(G)，由所述发电机供电的供电母线(B)以及经由自耦变压器(ATU)连接到所述供电母线的至少一个配电箱，其特征在于，所述供电系统包括如权利要求1至10任意一项所述的配电箱。
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