JP2005098296A - スタータ／ジェネレータシステム用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の制御／電力ユニットを使用してスタータと発電機の両機能性を奏する航空機電力システムを提供することにより、航空機におけるシステム設備のコスト及び重量を軽減する、航空機電力システムのスタータ／ジェネレータ用の制御装置が提供される。
【解決手段】動作の始動モードの間、始動コンバータ１０６からＡＣ電力をスタータ／ジェネレータ１１０の主固定子に供給するとともに、制御ユニット２０２からＡＣ電力をスタータ／ジェネレータの励磁固定子１１４に供給することにより、航空機エンジンを回転し、始動する。一方、エンジン始動後の発電モードの間は、制御装置からＤＣ電力をスタータ／ジェネレータに供給してスタータ／ジェネレータから調整電圧出力を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して電力システムに関する。特に、本発明は、エンジンを始動して動作中に調整電圧を発生するために、ブラシレス同期スタータ／ジェネレータにＡＣまたはＤＣ電力を選択的に供給する制御装置に関する。

図１に示されるように、多くの従来の電力システム１００は、ＡＣ電力を発生するのにブラシレス同期型スタータ／ジェネレータ１１０を使用する。一般に、スタータ／ジェネレータ１１０は、主発電機、励磁発電機、及び回転子に設けられた整流器アセンブリ１１３を有する。主発電機は、主固定子コイル（多相ＡＣ固定子巻線）が設けられた主固定子１１６、及びＤＣ主界磁巻線１１５を有する。励磁発電機は、ＤＣ巻線１２０が設けられた励磁固定子１１４、及び多相ＡＣ励磁電機子巻線１１１を有する。回転子１１２には、ＤＣ主界磁巻線１１５、多相ＡＣ励磁電機子巻線１１１、及び整流器アセンブリ１１３が設けられる。航空機エンジン適用の場合、回転子１１２は、始動後の航空機エンジン（図示せず）により駆動されて、主固定子コイル１１６に電力を発生する。主固定子コイル１１６からの電圧出力は、調整ポイント（ＰＯＲ）１０８で調整され、ＡＣバス１１８を介して航空機負荷に供給される。例示の実施形態において、ＤＣ励磁がＤＣ巻線１２０に供給されているとき、航空機エンジンにより発電機シャフト（図示せず）が回転して、多相（図１の場合）または単相の電圧が電機子巻線１１１に発生し、これが整流器アセンブリ１１３で整流されて巻線１１５に与えられる。この整流電圧により主回転子磁界１１５にＤＣ磁界が発生し、これにより、主固定子コイル１１６に回転磁界が発生し、その結果、出力電力が発生し、（バス接点スイッチの前に）ＰＯＲ１０８で電圧が調整されてＡＣバス１１８に供給される。

さらに、システム１００は、航空機エンジンを始動するのに、スタータ／ジェネレータ１１０を電動機として利用する。外部電源（励磁電源：ＥＸＰＳ）１０４が励磁固定子１１４を介してスタータ／ジェネレータ１１０に接続される。ＥＸＰＳ１０４から結合電力は、回転子と固定子間の相対的運動はゼロ速度で存在しないことから、変圧器作用により、回転子１１２の多相巻線または単相巻線（図示せず）にＡＣ電力を誘起する。この巻線１１１に確立したＡＣ電力は整流器アセンブリ１１３で整流されて主界磁巻線１１５にＤＣ電力が発生する。さらに、始動コンバータ１０６から制御ＡＣ電力を主固定子コイル１１６に供給して、スタータ／ジェネレータ１１０に十分なトルクを発生させる。このトルクは、主回転子巻線１１５の磁束とコイル１１６の確立された電流（磁束）間の相互作用により生成される。制御ＡＣ電力の周波数は、０Ｈｚ（０ＲＰＭ）から、始動完了時にスタータ／ジェネレータ１１０の角速度に対応する所定周波数にまで増大する。供給されるＡＣ電力入力の電流位相は、スタータ／ジェネレータ１１０に所要のトルクが発生するように制御される。有益なことに、電流は巻線１１５に確立された磁束よりほぼ９０度進み、これにより発電機シャフトに航空機エンジンを回転させ、始動し、所定（定格）速度にする。

従来、励磁電源１０４及び始動コンバータ１０６を使用してエンジンを始動した後、制御は分離ユニット（発電機制御ユニット：ＧＣＵ）１０２に切り替え、ジェネレータ１１０にＤＣ電力を供給し、ＰＯＲ１０８を介してＡＣバス１１８に調整電圧を供給する。このように、電力システムのスタータと発電機としての両機能を果たすのに、複雑なスイッチングユニット１０３を使用し、制御及び入力電力の供給を行う２つの分離ユニット１０２、１０４が必要になり、その結果、航空機における電力システムが複雑化し、高価になり、設備重量が重くなる。

したがって、現電力システムの上記欠点に鑑み、単一の制御／電力ユニットを使用してスタータと発電機の両機能性を奏する航空機電力システムを提供することにより、航空機におけるシステム設備のコスト及び重量を軽減する必要がある。

本発明のシステムは、上記問題点を解決するために、航空機電力システムのスタータ／ジェネレータ用制御装置を提供する。動作の始動モードの間、始動コンバータから制御されたＡＣ電力をスタータ／ジェネレータの主固定子に供給するとともに、制御装置からＡＣ電力をスタータ／ジェネレータの励磁固定子に供給することにより、航空機エンジンを回転し、始動する。一方、エンジン始動後の動作の発電モードの間は、制御装置からＤＣ電力をスタータ／ジェネレータに供給してスタータ／ジェネレータから調整電圧出力を発生させる。

図２は、本発明の実施形態に基づいた、スタータ／ジェネレータシステム２００の例を示すブロック図である。図２に示されるように、従来システム１００（図１に示される）の発電機制御ユニット１０２及び励磁電源１０４は、スタータ／ジェネレータ１１０の励磁固定子１１４にＡＣ及びＤＣ電力を供給する単一のコントローラ２０２に置き換えられている。有益なことに、システム２００に含まれる、従来システム１００の残りの要素は、本発明の実施形態に基づいて、上述したのと同様な機能を奏する。

有益なことに、動作の始動モードの間、システム２００はスタータ／ジェネレータ１１０を電動機として使用し、回転子１１２に相互接続された発電機シャフトを回転することにより航空機エンジンを始動する（シャフト及びエンジンは共に図示されていない）。始動モード中、コントローラ２０２は励磁電源として動作し、ＤＣ巻線接続１２０を介して励磁固定子１１４に所定の大きさ及び周波数のＡＣ電力を供給する。始動モードにおいて、励磁固定子１１４は入力にＡＣ電力を用いる回転変圧器として動作し、変圧器磁束結合作用により、ＤＣ巻線１２０から空隙を介して、回転子１１２の多相（図２の場合）または単相（図示せず）のＡＣ励磁電機子巻線１１１に伝える。ＡＣ励磁電機子巻線１１１から発生する三相（多相）電圧は整流器アセンブリ１１３で整流されて、ＤＣ主界磁巻線１１５に結合される。さらに、始動モードの間、始動コンバータ１０６からＡＣ入力電力が、ＰＯＲ接点スイッチ１０８を使用して、主固定子コイル１１６に結合される。励磁固定子１１４に供給されるＡＣ電力からの界磁巻線１１５に発生する磁界電力は主固定子コイル１１６のＡＣ電力（始動コンバータ１０６出力）と協働して始動力（電動機作用）を与え、回転子１１２に相互接続された発電機シャフトを回転させることにより航空機エンジンを始動する。

有益なことに、コントローラ２０２は、始動モード中に航空機エンジンが所定（定格）の十分な速度に達した後、動作の発電モードに切り替わっても良い。発電モードの間、コントローラ２０２は供給するＤＣ電力を、ＤＣ界磁巻線１２０を介して励磁固定子１１４に切り換える。エンジン始動後の発電モード中に、航空機エンジンシャフト（図示せず）の回転により、ＡＣ励磁電機子巻線１１１に多相電圧が発生し、これが整流器アセンブリ１１３で整流されて、ＤＣ主界磁巻線１１５に結合される。発電機界磁巻線１１５の電流及びシャフトの回転により、主固定子コイル１１６に回転磁界が発生することで、多相周波数出力電力が発生し、ＰＯＲ接点スイッチ１０８（システムの所定点）に調整電圧を生じ、ＡＣバス１１８に出力されて航空機負荷（図示せず）に供給される。

図３は、本発明の実施形態に基づいた、スタータ／ジェネレータシステム２００用制御装置２０２の例を示すブロック図である。有益なことに、コントローラ２０２は、始動モードと発電モード間で切り替わり、始動モードで航空機エンジンを始動し、発電モードでは、航空機エンジンが始動モード中に所定（定格）の十分な速度に達した後、ＰＯＲ１０８にスタータ／ジェネレータ１１０からの調整電圧出力を維持する。

コントローラ２０２は、論理ユニット２０４、２１２、スイッチ２１４、及びＤＣ界磁巻線１２０を介してスタータ／ジェネレータ１１０の励磁固定子１１４に相互接続される全ルブリッジ（Ｈブリッジ）スイッチングユニット２０６を有する。有益なことに、全ブリッジスイッチングユニット２０６の動作は、本分野において周知であり、スイッチング制御に応じて、ＤＣ界磁巻線１２０に沿う励磁固定子１１４へＤＣ電力またはＡＣ電力（ＤＣ／ＤＣ変換またはＤＣ／ＡＣ変換を経て）を供給する。全ブリッジスイッチングユニット２０６は、それぞれスイッチ２１１と逆並列接続される２対の逆ダイオード２０７を含むことができる。ユニット２０６の出力電力は大きさと極性が制御される。全ブリッジスイッチングユニット２０６は、ＤＣ／ＤＣ変換とＤＣ／ＡＣ変換を行うのに要求される定格をもつ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはその他のタイプの電子スイッチを使用する。

論理ユニット２０４は、複数の入力２０８、２１０、２１６の受信に基づいてフィードバック制御ユニットとして動作できる。コントローラ２０２における論理ユニット及びスイッチの数及び配列は、例示にすぎず、本発明の範囲から逸脱することなく、コントローラ２０２において異なる数及び配列の論理ユニット及びスイッチを使用可能である。

論理ユニット２０４は、入力２１６に基づいて、始動論理ユニット２２０及び発電論理ユニット２１８をイネーブルまたはディスエイブルすることにより、始動モードと発電モード間で切り替わる。始動モードの間、始動部２２０は入力２１６によりイネーブルされ、スイッチ２１４を介してスイッチング論理ユニット２１２に制御信号を送ることにより、全ブリッジ２０６及びＤＣ巻線１２０を使用してＡＣ電力が励磁固定子１１４に結合されるように指示する。この制御信号に応答して、スイッチング論理２１２は、電圧電源に接続された全ブリッジ２０６に対して、巻線１２０を介して励磁固定子１１４にＡＣ電力を供給するように指示する。すなわち、スイッチング論理ユニット２１２は、ＡＣ電力が全ブリッジ２０６を介して巻線１２０に結合されるように全ブリッジスイッチ２１１を制御する。有益なことに、始動モードの間、始動部２２０には、基準電流、及び巻線１２０から取り出されたフィードバック電流入力を含む入力２１０をさらに受ける。電流基準入力とフィードバック電流入力２１０の比較に基づいて、始動論理ユニット２２０は励磁巻線１２０のＡＣ励磁を調整して、信頼性のあるエンジン始動のために回転子１１２に所定（所要）レベルの磁束を生じる。

一方、発電モードにおいて、入力２１６は始動論理部２２０をディスエイブルし、発電論理部２１８をイネーブルしても良い。発電モードの間、発電論理ユニット２１８は入力２１６によりイネーブルされ、スイッチ２１４を介してスイッチング論理ユニット２１２に制御信号を送ることにより、ＤＣ電力が全ブリッジ２０６及びＤＣ巻線１２０を使用して励磁固定子１１４に結合されるように指示する。この制御信号に応答し、スイッチング論理ユニット２１２は、電圧源に接続された全ブリッジ２０６に対して、巻線１２０を介して励磁固定子１１４にＤＣ電力を供給するように指示し、このためスイッチング論理ユニット２１２は、ＤＣ電力が全ブリッジ２０６を介して巻線１２０に結合されるように全ブリッジスイッチ２１１を制御する。有益なことに、発電モードの間、発電部２１８は、ＰＯＲ電圧基準及びＰＯＲ１０８から取り出されたＰＯＲ電圧フィードバック及び負荷電流フィードバック入力を含む入力２０８を受け取る。ＰＯＲ基準と電圧および電流フィードバック入力２０８の比較に基づいて、発電論理部２１８は励磁巻線１２０のＤＣ励磁を調整して、システム２００のＰＯＲ１０８における調整電圧あるいは電流（発電機バス短絡回路中）レベルを維持する。さらに、論理ユニット２０４は、システム２００の動作状態を指示を与える状態メッセージ出力を有する。

有益なことに、論理ユニット２０４は、発電期間において、電圧調整モードあるいは電流制限モードのいずれかで動作できる。原則的には、論理ユニット２０４は電圧調整モードで動作し、ＰＯＲ電圧基準と電圧フィードバック入力２０８がＰＯＲ１０８にスタータ／ジェネレータ１１０からの調整電圧を供給する。スタータ／ジェネレータ１１０の発電端子に故障が発生したとき、論理ユニット２０４は電流制限モードで動作し、負荷電流フィードバック入力２０８とプリセット電流基準を比較して、スタータ／ジェネレータ１１０からＰＯＲ１０８に供給される電流を制限する。

単一のコントローラユニットを使用してスタータ／ジェネレータにＡＣ及びＤＣ電力を供給し、スタータ／ジェネレータシステムのコスト低減、軽量化を含む本発明の実施形態により複数の利点が提供される。さらに、制御装置は、スタータ／ジェネレータへＡＣ及びＤＣ励磁を供給するため、励磁固定子に対して複数の並列巻線相互接続（たとえば、全ブリッジと励磁固定子間に並列接続される２つの二線式接続）を含んでも良い。

従来技術のスタータ／ジェネレータシステムの例を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるスタータ／ジェネレータシステムの例を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるスタータ／ジェネレータシステム用のコントローラの例を示すブロック図である。

符号の説明

１０６ 始動コンバータ
１０８ ＰＯＲ接点スイッチ
１１０ スタータ／ジェネレータ
１１１ ＡＣ励磁電機子巻線
１１２ 回転子
１１３ 整流器アセンブリ
１１４ 励磁固定子
１１６ 主固定子コイル
２００ スタータ／ジェネレータシステム
２０２ コントローラ
２０６ 全ブリッジスイッチングユニット
２１１ 全ブリッジスイッチ

Claims (12)

1. ＤＣ巻線（１２０）が設けられた励磁発電機を有するスタータ／ジェネレータ（１１０）と、
   動作の始動モード中に上記励磁発電機にＡＣ電力を供給し、動作の発電モード中に上記励磁発電機にＤＣ電力を供給するコントローラ（２０２）と、
   備える、エンジン用のスタータ／ジェネレータシステム（２００）。
2. 上記コントローラ（２０２）は、上記始動モード中に所定の大きさ及び周波数で上記ＡＣ電力を供給して上記スタータ／ジェネレータ（１１０）の励磁発電機（１１４）を励磁し、上記発電モード中に所定の電圧レベルで上記ＤＣ電力を供給して上記スタータ／ジェネレータ（１１０）から調整電圧レベル出力を発生させる、請求項１記載のシステム（２００）。
3. 上記調整出力電圧はＡＣバス（１１８）の所定部（１０８）において供給される、請求項２記載のシステム（２００）。
4. 上記スタータ／ジェネレータ（１１０）は航空機エンジンの動作を始動し且つ維持する、請求項１記載のシステム（２００）。
5. 上記スタータ／ジェネレータは同期且つブラシレスである、請求項１記載のシステム。
6. さらに、上記スタータ／ジェネレータと組み合わされてエンジンを始動する始動コンバータ（１０６）を有する、請求項１記載のシステム。
7. 入力信号（２０８、２１０、２１６）を受け、上記入力に基づいて出力信号を発生する論理回路（２０４）と、
   上記出力信号に基づいて、動作の始動モード中にスタータ／ジェネレータシステム（２００）の励磁固定子（１１４）にＡＣ電力を供給し、動作の発電モード中に上記励磁固定子（１１４）にＤＣ電力を供給するスイッチング回路（２０６）と、
   を備える、スタータ／ジェネレータ（１１０）用のコントローラ（２０２）。
8. 上記入力（２０８、２１０、２１６）は、上記スタータ／ジェネレータシステム（２００）の特定ライン部（１０８）に供給される調整電圧レベルに関する信号（２０８）を含む、請求項７記載のコントローラ（２０２）。
9. 上記入力（２０８、２１０、２１６）は、ＡＣバス（１１８）の所定の部分（１０８）に供給される電流レベルに関する信号（２１０）を含む、請求項７記載のコントローラ（２０２）。
10. 上記入力（２０８、２１０、２１６）は、上記動作の始動モードまたは発電モードを選択的にイネーブルする信号（２１６）を含む、請求項７記載のコントローラ（２０２）。
11. 上記スイッチング回路（２０６）は、上記励磁固定子（１１４）に上記ＡＣ及びＤＣ電力を供給する全ブリッジ構成の電子スイッチ（２１１）を有する、請求項７記載のコントローラ（２０２）。
12. 上記全ブリッジ構成は少なくとも４つのスイッチ（２１１）を有する、請求項７記載のコントローラ（２０２）。
    

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