DE102009005242A1

DE102009005242A1 - Elektromotor für Brennstoffpumpe mit verbesserten Abschalteigenschaften

Info

Publication number: DE102009005242A1
Application number: DE102009005242A
Authority: DE
Inventors: Gregory I. Rockford Rozman; Jacek F. Glastonbury Gieras
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: GB0901177D0; GB2456676A; US8209107B2; US20090187326A1; DE102009005242B4; GB2456676B

Abstract

Ein Elektromotor für eine Brennstoffpumpe (48) ist mit einem Aus-Schalter (62) versehen, der zwischen einem Inverter (56) und dessen Steuerspule (60) angeordnet ist. An dieser Stelle lässt sich die Ausschaltfunktion ohne schwere Komponenten erzielen. Gemäß einem weiteren Merkmal wird bei Abschalten der Brennstoffpumpe (48) ein Signal in Aufwärtsrichtung zu einem Spannungsregler geschickt, der einem Generator (213) zugeordnet ist, so dass die von dem Generator in Abwärtsrichtung zugeführte Spannung reduziert werden kann, um jegliche potentielle Spannungsspitzen aufgrund des Abschaltens des Elektromotors zu eliminieren. Der Elektromotor mit Aus-Schalter ermöglicht die Schaffung von leichten, fehlertoleranten, flussgeregelten Maschinen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für eine Brennstoffpumpe, bei der der Brennstoffpumpenmotor mittels einfacher Steuervorgänge rasch gestoppt werden kann.
Elektromotorsteuerungen werden zunehmend komplexer. Typischerweise wird einem Stator Dreiphasen- bzw. Drehstrom zugeführt, um einen Rotor für den Elektromotor antriebsmäßig zu bewegen. Zusätzlich dazu steuert eine Steuerspule den Betrieb des Motors. Ein Inverter bzw. Stromrichter ist mit einer Gate-Ansteuerung versehen und steuert den Stromfluss zu Spulen, die den drei Phasen zugeordnet sind.
Es ist bekannt, dem Inverter einen Buck-Regler bzw. Abwärtsregler vorzuschalten, der eine Steuerung der Spannungsversorgung von einer Spannungsquelle zu dem Inverter bewirkt.
Bei vielen Anwendungen wird es notwendig, den Brennstofffluss in bestimmten Notsituationen zu stoppen. Beispielsweise wenn der Motor hohen Stromspitzen, Spannungsspitzen usw. ausgesetzt wird, ist es wünschenswert, den Betrieb des Elektromotors unmittelbar zu stoppen. Auch andere Bedingungen, wie z. B. ein Feuer, eine Brennstoffleckage usw., sind eine Anzeige für ein sofortiges Stoppen des Elektromotors. Daher ist es wünschenswert, eine Brennstoffpumpe innerhalb von Millisekunden zu stoppen, sobald eine Entscheidung für ein Stoppen der Brennstoffpumpe gefallen ist.
Die Steuerung von Brennstoffpumpen der vorstehend beschriebenen Art wird dann besonders aufwendig, wenn diese zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinentriebwerk in einem Flugzeug angebracht sind. Bei derartigen Anwendungen werden die Größe und das Gewicht der Steuerung von kritischer Bedeutung. Es ist stets wünschenswert, das Gewicht von Komponenten in Verbindung mit Flugzeugtriebwerken zu reduzieren.
Beim Stand der Technik wurde das Abschaltsignal für den Elektromotor durch den Buck-Regler geleitet. Da der Stromfluss beim Stand der Technik unidirektional ist, war eine Unterdrückungsvorrichtung für Übergangszustände auf einer Gleichstrom-Busleitung erforderlich, um die Spannung während eines raschen Abschaltvorgangs innerhalb spezifizierter Grenzen zu halten, wenn der Motor im regenerativen Modus arbeitet. Darüber hinaus verwendet der Stand der Technik die Steuerwicklung nicht nur als Schutzvorrichtung in der Anordnung mit dualer Redundanz, sondern auch als Induktor des Buck-Reglers. Dies führte zu dem Erfordernis, die Größe und das Gewicht der Steuerung größer als gewünscht auszuführen.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, Abhilfe bei den vorstehend geschilderten Problemen zu schaffen.
Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Ausschalt-Schalter bzw. Aus-Schalter für einen Elektromotor zum Ansteuern einer Brennstoffpumpe zum Öffnen eines an eine Steuerspule angrenzenden Schaltkreises angeordnet sowie einem Motorsteuerungs-Inverter bzw. Motorsteuerungs-Stromrichter nachgeschaltet. Somit weist die Steuerung ein relativ geringes Gewicht auf. Gemäß einem weiteren Merkmal wird bei der Feststellung, dass der Antriebsmotor für die Brennstoffpumpe in einen Regenerationsmodus für einen raschen Stillsetzungs- bzw. Abschaltvorgang eingetreten ist, ein Signal zurück in Aufwärtsrichtung zu einer Steuerung für einen zugeordneten Generator geschickt, um den von dem Generator zugeführten Strom zu reduzieren und dadurch einer erwarteten Spannungsspitze Rechnung zu tragen, nachdem der Brennstoffpumpen-Elektromotor nunmehr in einen Regenerationsmodus eingetreten ist.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen:
1 eine Motorsteuerung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines Gesamtsystems, in das die vorliegende Erfindung integriert ist;
3 eine schematische Darstellung für eine Brennstoffpumpen-Motorsteuerung; und
4 eine detailliertere Darstellung des Systems der 3.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben.
Eine Elektromotorsteuerung 20 gemäß dem Stand der Technik ist in 1 veranschaulicht. Wie gezeigt ist, sind ein Paar redundante Statoren 22 und 24 zum Antreiben einer Welle 26 vorgesehen. Die Statoren beinhalten drei Spulen, die drei Phasen von elektrischem Strom zugeordnet sind, sowie Steuerspulen 27.
Die Buck-Regler- bzw. Abwärtsreglereinrichtung besitzt eine Leistungsstufe 32, eine Steurung 30 sowie einen Induktor 27. Der Induktor 27 der Buck-Reglereinrichtung verwendet eine Steuerspule einer geregelten Permanentmagnet-Maschine. Die Buck-Regler steuern den Gleichspannungs-Busleitungsstrom zu den Invertern bzw. Stromrichtern 28. Bei diesem System des Standes der Technik würde ein Signal zum Abschalten von einem der defekten Elektromotoren 22 oder 24 von einer Stelle 34 kommen und den Buck-Reglern zugeführt werden. Dies ist unerwünscht, da die Steuerspule für die Handhabung der gesamten Motorleistung ausgelegt ist, um eine Steuerung mit vollem Drehmoment zu erzielen, und nicht nur für Schutzzwecke vorgesehen ist. Die elektromagnetische Entkopplung in einer dualen redundanten Anordnung kann dadurch erzielt werden, dass der Motor mit einer Steuerwicklung von beträchtlich geringerer Größe ausgebildet wird. Der Stand der Technik beinhaltet keine Unterdrückungs vorrichtung für Übergangszustände (einen Leistungswiderstand, der über einen Leistungsschalter mit der Gleichstrom-Busleitung verbunden ist), der während eines raschen Abschaltvorgangs der Brennstoffpumpe notwendig wäre, um die Gleichstrom-Busspannung innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, wenn der Motor in einem regenerativen Modus arbeitet. Dies führte zu unerwünscht schweren Komponenten, die für die Steuerung für die Flugzeug-Brennstoffpumpe erforderlich waren.
Ein erfindungsgemäßes System 39, das eine Verbesserung des bestehenden Systems darstellt, ist in 2 gezeigt. Bei dem System 39 wird eine Kraftmaschine 40, wie eine Gasturbinenmaschine, rotationsmäßig angetrieben und diese erzeugt elektrische Energie durch ein elektrisches Stromerzeugungssystem 42. Wie bekannt ist, führt das Stromerzeugungssystem 42 Strom über eine Gleichstrom-Busleitung 43 einer Verbraucher-Last 44 zu. Die Verbraucher-Last 44 kann durch eine beliebige Anzahl von Komponenten an einem Flugzeug gebildet sein. Darüber hinaus führt eine Zusatz-Busleitung 45 Energie einer Motorsteuerung 46 zu, die eine Brennstoffpumpe 48 steuert. Bei dieser grundlegenden Architektur kann die Busleitung 45 auch Energie zu einer Mehrzahl von Zusatzeinrichtungen zuführen, die der Gasturbinenmaschine zugeordnet sind, wie z. B. einer Wasserpumpe, einer Brennstoffpumpe und einer Schmiermittelpumpe.
Ein Abschalt- bzw. Aus-Schalter 50 führt der Motorsteuerung 46 ein Abschaltsignal zu. Wenn ein Abschaltsignal an der Motorsteuerung 46 eingeht, wird ein Signal 52 zu dem elektrischen Stromerzeugungssystem 42 zurückgeschickt.
3 zeigt die Motorsteuerung 46. Wie gezeigt ist, ist die Brennstoffpumpe 48 mit einem Rotor 55 versehen. Den mehreren Statorwicklungen 54 wird Spannung über einen Inverter bzw. Stromrichter 56 zugeführt. Eine Gleichstromquelle 58, bei der es sich bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel um die Zusatz-Busleitung 45 handelt, führt die Energie über den Inverter 56 zu, um den den drei Phasen führenden Spulen 54 zugeordneten Strom zu steuern und dadurch wiederum den Rotor 55 antriebsmäßig zu bewegen. Eine Steuerspule 60 ist auch dem Stator für den Elektromotor zugeordnet. Ein Spulen-Steuerschalter 62, bei dem es sich um einen MOSFET handeln kann, empfängt ein Ab schaltsignal, wie es bei dem Bezugszeichen 68 dargestellt ist. Ein Impulsweitenmodulator 66 empfängt das Abschaltsignal 68 und sendet ein Signal durch eine Gate-Ansteuerung 64 zum Steuern des Schalters 62. Wenn der Schalter 62 geöffnet ist, fließt keine Energie mehr zu der Steuerspule 60, und der Motor wird nicht mehr angetrieben. Bei der dualen redundanten Anordnung würde die Steuerspule 60 diesen Motor von dem zweiten Motor, der sich die gleiche Rotorwelle mit diesem Motor teilt, elektromagnetisch entkoppeln. Das bei dem Bezugszeichen 68 dargestellte Signal kann ein Signal für Überstrom, Überspannung oder irgend eine andere Art von Notfall sein, beispielsweise ein Feuer oder eine Brennstoffleckage.
Die Motorsteuerung verwendet einen stromgesteuerten bidirektionalen Spannungsquelleninverter 56. Ein Positions-Rückkopplungssignal 70 wird einem Geschwindigkeitsdetektor 72, einer Koordinaten-Transformationseinheit 202 und einem Raum-Vektor-Modulator 88 zugeführt. Die Koordinaten-Transformationseinheit 202 leitet direkte (Id_fdbk) und Quadratur-(Iq-fdbk)Komponenten des Statorstroms von Stromwandlern 201 ab. Ein Komparator 74, dem auch ein Referenzgeschwindigkeitssignal (spd_ref) zugeführt wird, erzeugt ein Geschwindigkeits-Fehlersignal, das von einem Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) verarbeitet wird, um ein Drehmoment erzeugendes Referenzsignal (Iq_ref) zu erhalten. Ein Abschaltsignal 78 wird auf dieser Leitung bereitgestellt, die zum Öffnen angesteuert werden kann, wenn das Signal an der Stelle 68 ansteht. An diesem Punkt würde der erwünschte Strom Iq_ref an dem Komparator 80 Null werden. Eine Nachschlagtabelle 84 ergibt einen Gleichstrom-Referenzwert (Id_ref) als Funktion der Geschwindigkeit. Die d- und q-Stromschleifen des Motors werden unter Verwendung der Komparatoren 86 bzw. 80 und der PI-Regler 203 bzw. 204 geschlossen. Die Ausgangssignale der Stromschleifen-PI-Regler (Vd_ref und Vq_ref) gehen dann an einen Raum-Vektor-Modulator 88, der wiederum die Gate-Ansteuerungen 90 zum Steuern des Stroms in den Statorwicklungen 54 steuert.
Wenn ein Null-Signal, wie ein Abschaltsignal von dem Schalter 78 vorliegt, liefert ferner ein Differenzierer 82 ein Ansteuer- bzw. Feedforward-Signal 52 zurück zu einem Spannungsregler für das Stromerzeugungssystem. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
Ein elektrisches Stromerzeugungssystem 42 ist in 4 veranschaulicht. Die Kraftmaschine 40, bei der es sich um eine Gasturbinenmaschine handeln kann, ist einem Generator 213 zugeordnet. Bei dem Generator 213 kann es sich um eine Permanentmagnet-Maschine mit geregeltem Fluss mit einer Steuerspule 92 handeln. Der Generator 213 führt Energie über einen Gleichrichter 43, wobei ein Gleichstromfilter durch einen Kondensator 206 gebildet ist, und einer Gleichstrom-Busleitung 43 sowie die Zusatz-Busleitung 45 zu. Ein Stromqualitäts-/EMI-Filter 212 wird dafür verwendet, sicherzustellen, dass die der Verbraucher-Last zugeführte Stromqualität die Erfordernisse gemäß Spezifikation erfüllt.
Die Spannungsregelung auf der Gleichstrom-Busleitung 43 wird durch Steuern des Stroms in der Steuerwicklung 92 in Abhängigkeit von der durch den Spannungswandler 207 erzielten Rückkopplungsspannung (Vdc_fdbk) erreicht und beinhaltet eine Spannungs- und eine Stromschleife. Die Spannungsschleife beinhaltet einen Komparator 102 und einen PI-Regler 211. Der Komparator 102 leitet einen Spannungsfehler zwischen einem Referenzsignal (Vdc_ref) und einem Rückkopplungssignal (Vdc_fdbk) ab. Außerdem beinhaltet der Komparator 102 einen dritten Eingang, um einem Feedforward-Signal von der Motorpumpensteuerung 48 Rechnung zu tragen, um die Leistungsqualität auf der Gleichstrom-Busleitung während starker Übergangszustände in Verbindung mit der Motorpumpe, wie z. B. einem Schnellabschaltvorgang, aufrecht zu erhalten. Der PI-Regler 211 erzeugt ein Strom-Referenzsignal (Icc_ref) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Komparators 102.
Die Stromschleife beinhaltet ein H-Brückenelement 94, einen Stromwandler 214, einen Komparator 100, einen PI-Regler 209, einen PWM-Modulator 210 und eine Gate-Ansteuerung 96. Ein Komparator 100 leitet ein Strom-Fehlersignal zwischen dem Strom-Referenzsignal (Icc_ref) und dem Rückkopplungssignal (Icc_fdbk) ab, das von dem Stromwandler 214 zugeführt wird. Dieses Signal wird von einem PI-Regler 209 verarbeitet, um einen Arbeitszyklus für den PWM-Modulator 210 abzuleiten, der die Gate-Ansteuerung 96 steuert. Das H-Brückenelement 94 steuert den Strom in der Steuerspule 92 in Abhängigkeit von dem Strom-Referenzsignal Icc_ref.
Wenn der Brennstoffpumpen-Elektromotor in den regenerativen Modus versetzt wird, um einen Schnellabschaltvorgang zu erzielen, könnte eine Spannungsspitze der Spannung vorhanden sein, die an einer nachgeordneten Stelle durch die Busleitung 43 zugeführt wird. Durch Bereitstellen des Feedforward-Signals 52 wieder zurück in Aufwärtsrichtung bzw. zu einer vorgeschalteten Stelle können jedoch die Spannungs-Übergangszustände auf der Gleichstrom-Busleitung 43 in signifikanter Weise verbessert werden.
Zusammengefasst betrachtet schafft die vorliegende Erfindung ein System mit geringerem Gewicht zur Erzielung eines raschen Abschaltvorgangs sowie eine hinsichtlich Fehlern redundante Architektur eines Elektromotors für eine Brennstoffpumpe. Die vorliegende Erfindung ist besonders gut zur Verwendung bei der Steuerung einer Brennstoffpumpe für ein Gasturbinentriebwerk bei einer Flugzeuganwendung geeignet.

Claims

Generator- und Brennstoffpumpen-Anordnung, aufweisend: einen Generator (213), der zum Erzeugen von elektrischem Strom sowie zum Zuführen von Spannung zu einer Busleitung (43) betreibbar ist; wobei die Busleitung (43) einem Elektromotor für eine Brennstoffpumpe (48) Spannung zuführt; und ein Abschaltsignal, welches anzeigt, dass der Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48) abgeschaltet werden sollte; sowie eine Steuerung (46) für den Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48), die betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, die Rotation des Elektromotors für die Brennstoffpumpe (48) zu stoppen sowie ein Spannungsreduzierungssignal in Aufwärtsrichtung zurück zu einem Spannungsregler für den Generator (213) zu schicken, um die zu der Busleitung (43) geschickte Spannung zu reduzieren.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48) mit einem Inverter bzw. Stromrichter (56) versehen ist, wobei dem Inverter (56) Strom von der Busleitung (43) zugeführt wird und der Inverter (56) mindestens drei Phasen von Strom mindestens drei Wicklungen (54) zuführt, die einem Stator zugeordnet sind, um einen Rotor (55) anzutreiben, der Bestandteil des Elektromotors ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stator auch eine Steuerspule (60) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspule (60) dem Inverter (56) nachgeschaltet angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterbrecherschalter (62) zum Stoppen der Spannungszufuhr zu der Steuerspule (60) zwischen der Steuerspule (60) und dem Inverter (56) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Unterbrecherschalter (62) um einen Halbleiterschalter handelt, der zum Öffnen eines Schaltkreises und zum Stoppen der Spannungszufuhr zu der Steuerspule (60) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsschaltung zum Steuern der den Wicklungen (54) zugeführten Spannung auch einen Schalter aufweist, der sich bei Empfang des Abschaltsignals öffnet, um die Spannungszufuhr zu den Wicklungen (54) zu stoppen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsschaltung für den Elektromotor ein Signal zurück zu dem Spannungsregler dahingehend bereitstellt, dass der Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48) gestoppt wird, und dass der Spannungsregler dann die der Busleitung (43) zugeführte Spannung reduziert.
Steuerung für eine Brennstoffpumpe, aufweisend: eine Brennstoffpumpe (48) mit einem Elektromotor mit einem Rotor (55) zum Antreiben einer Welle für die Brennstoffpumpe; wobei der Motor eine Mehrzahl von Statorwicklungen (54) und eine Steuerspule (60) aufweist; eine Spannungsversorgung zum Zuführen von Spannung zu der Mehrzahl von Statorwicklungen (54) und zu der Steuerspule (60) sowie einen Inverter bzw. Stromrichter (56), der zwischen der Energieversorgung sowie der Steuerspule und der Statorspule angeordnet ist; und einen Unterbrecherschalter (62) zum Stoppen des Betriebs des Elektromotors, wobei der Unterbrecherschalter (62) dem Inverter (56) nachgeschal tet sowie der Steuerspule (60) vorgeschaltet ist und betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, die Spannungszufuhr zu der Steuerspule (60) zu blockieren.
Steuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stator auch eine Steuerspule (60) zugeordnet ist.
Steuerung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Unterbrecherschalter (62) um eine Halbleitervorrichtung handelt.
Steuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsschaltung zum Steuern der den Statorwicklungen (54) zugeführten Spannung auch einen Schalter aufweist, der sich bei Empfang des Abschaltsignals öffnet, um die Spannungszufuhr zu den Statorwicklungen (54) zu stoppen.
Generator- und Brennstoffpumpen-Anordnung, aufweisend: einen Generator (213), der zum Erzeugen von elektrischem Strom sowie zum Zuführen von Spannung zu einer Busleitung (43) betreibbar ist; wobei die Busleitung (43) einem Elektromotor für eine Brennstoffpumpe (48) Spannung zuführt; und ein Abschaltsignal, welches anzeigt, dass der Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48) abgeschaltet werden sollte; sowie eine Steuerung (46) für den Elektromotor für die Brennstoffpumpe, die betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Elektromotors für die Brennstoffpumpe (48) zu stoppen sowie ein Spannungsreduzierungssignal in Aufwärtsrichtung zurück zu einem Spannungsregler für den Generator (213) zu schicken, um die zu der Busleitung (43) geschickte Spannung zu reduzieren; wobei der Elektromotor mit einem Inverter bzw. Stromrichter (56) versehen ist, dem Strom von der Busleitung (43) zugeführt wird und der drei Phasen von Strom mindestens drei Wicklungen (54) zuführt, die einem Stator zugeordnet sind, um einen Rotor (55) anzutreiben, der Bestandteil des Elektromotors ist; und einen Unterbrecherschalter (62) zum Stoppen der Spannungszufuhr zu der Steuerspule (60), der zwischen der Steuerspule (60) und dem Inverter (56) angeordnet ist, wobei das Abschaltsignal den Unterbrecherschalter (62) öffnet.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Unterbrecherschalter (62) um eine Halbleitervorrichtung handelt.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsschaltung zum Steuern der den Statorwicklungen (54) zugeführten Spannung auch einen Schalter aufweist, der sich bei Empfang eines Abschaltsignals öffnet, um die Spannungszufuhr zu den Statorwicklungen (54) zu stoppen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplungsschaltung für den Elektromotor ein Signal zurück zu dem Spannungsregler dahingehend bereitstellt, dass der Elektromotor für die Brennstoffpumpe (48) gestoppt wird, und dass der Spannungsregler dann die der Busleitung (43) zugeführte Spannung reduziert.