JP2009514494A - 直流ネットワークの２つのコア間の電力伝達を制御し、かつ交流電流エンジンに給電するために組み合わされた装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、直流ネットワークの２つのコア（４２、４６）間の電力伝達を即座に制御し、かつ交流モータ（１３）を給電するために組み合わされた装置（１０）に関連し、それぞれ、２つの三相インバータに接続される３つの固定子巻き線を有するモータ（１３）に接続された３つのスイッチングセルからなる２つの三相インバータのアセンブリ（１９）と、調整可能な直流電力を伝達し、かつ２つのコア（４２または４６）の一方が接続されず、かつモータを制御する場合に、２つのコア（４２または４６）の一方の直流電圧を確立するアセンブリ（１９）を制御するためのモジュール（２３）とを含む。

Description

本発明は、直流ネットワークの２つのコア間の電力伝達を制御し、かつ交流エンジンに給電するために組み合わされた装置に関する。

本発明の分野は、特に航空機に搭載される直流ネットワークの分野である。しかしながら、本発明のデバイスは、また、任意のタイプの搭載ネットワーク（軍艦、自動車など）で、および例えば固定ネットワーク（直流ローカルネットワーク、鉄道など）に対応する固定用途の分野などの搭載されていないネットワークにおいても使用されてもよい。

説明を簡潔にするために、説明を航空機搭載分野に限定する。

明細書の残りの部分において、用語「連続ネットワーク」および「直流ネットワーク」は、同じ意味を有し、したがって交換可能に使用されうる。

搭載ネットワークにおける直流接続によってエネルギーを伝達する利点は、主に、パワーエレクトロニクスの開発に起因し、特に航空機に搭載される搭載電子機械アクチュエータの数の増大に起因する。静電変換器で制御されかつ給電されるほとんどのこれらアクチュエータは、実際に、直流電圧ステージの存在を必要とする。しかしながら、そのようなステージは、交流直流変換を使用する従来の交流ネットワークから得られる。

そのように使用される全ての変換ユニットを、集中された直流電圧の電力分布と置き換えることが可能であり、この分布は、全直流分布（高電圧直流またはＨＶＤＣネットワーク）または部分的な直流分布（組み合わせられた交流直流ネットワーク）でありうる。

しかしながら、そのような直流ネットワークの実装は、供給される充電器のタイプに関わらずこれらネットワークの安定性を確実にする必要性を特に考慮する、新規な技術的問題を呈する。

そのような直流ネットワークに接続される各機器アイテムに関する十分な電圧品質を得るために、かつこの機器によって生成される高調波をフィルタリングするために、機器の入力に配置されるＬＣタイプフィルタ（Ｌ：インダクタンス、Ｃ：コンデンサ）などのフィルタを使用することが可能である。現在の直流ネットワークにおいて、接続される充電器は、フィルタの遮断周波数の規模で、ほぼ一定の電力を吸収する電力および制御電子機器によってしばしば制御される。そのような現象は、接続される機器の調節が動的に効果的である限り、さらにより注目に値する。しかしながら、直流電力供給源と調節された静的コンバータとの間に配置された入力フィルタは、このように強力な衝撃時に発振し始めることがある。特に機器が長いケーブル長さにわたって接続される場合に、Ｌ／Ｃ比がより高いと、フィルタコンデンサの端子での電圧発振がより大きい。

明細書の末尾で参照される非特許文献１は、このようにフィルタの動力学の規模で一定の電力を吸収する静的コンバータによって充電されるフィルタからなる任意のシステムが潜在的に不安定なシステムであることを示す。

現在の交流ネットワークのアーキテクチャは、非常に長いことがあり、したがって著しいインピーダンスを有するラインを介して、単一の集中された「コア」に全ての機器を接続することからなる。

「コア」は、その電圧（この場合、直流）が外部要素によって安定化される保護および接触部材を含む電源−充電器相互接続ノードである。コアは、交流発電機＋整流器グループ（「接続されたコア」）であるエネルギー源に接続されうる。また、コアは、電源（格納部材）だけに接続されてよく、または非常に簡単に１つもしくは複数の他のコア（「接続されていないコア」）に接続されてよい。

上述の可能性がある不安定性現象、すなわち非常に長いケーブルが、この現象を増大するために使用されるときの傾向を考慮して、したがって、交流ネットワークのアーキテクチャをもとにして、直流ネットワークのアーキテクチャをモデル化するには不十分でありまた慎重でない。

非特許文献２および非特許文献３は、不安定性のリスクを低減することを目的とする従来技術の２つの解決方法を説明する。

これら２つの文献の非特許文献２は、ＭＥＡ（「More Electric Aircraft」）主導に関連して航空機に搭載される電力分配システムを説明する。アクチュエータを含むほとんどの充電器は、直流バスに基づき電力を制御しかつ調整する二方向電力変換機によって調節される。著しい乱れの場合における安定性の損失は、非線形安定性解析方法の有効性を示すために、この文献において解析される。

これら２つの文献の非特許文献３は、直流バス上の高調波および反応電流を補償し、かつ直流電力システムにおける発振を能動的に減衰する分散電力システムのための能動直流バス調整器を説明する。
"Methode d'etude de la stabilite des ensembles convertisseurs-filtres" by Philippe Barrade, Hubert Piquet, and Yvon Cheron (Journal de Physique III, vol. 6, pages 91 to 104, January 1996) "Subsystem interaction analysis in power distribution system of next generation air-lifters" by Sriram Chandrasekaran, Douglas K. Lindner, Konstantin Louganshi, and Dushan Boroyevich (European Power Electronics Conference, Lausanne, Switzerland, 7-9 September 1999, pages 1-6) "An active bus conditioner for a distributed power system" by Kun Xing, Jinghong Guo, Wenkang Huang, Dengming Peng, Fred C. Lee and Dusan Borojevic (Power Electronics Specialists Conference, pages 895-900, 1999 PESC 99. 30th Annual IEEE)

本発明は、
ａ）ネットワークが設置されるシステムの異なる領域に配置されてこれにより有意な距離だけ離間される２つのコア間、これらコア間の電力伝達を制御することができる電力および制御電子機器にインタフェースすることによって不安定性のリスクを低減し、一方、この電源の通常モードならびに劣化モード（電源の損失、コアでの過剰な電力など）の品質および利用可能性を確実にする機能と、
ｂ）交流エンジンを給電する機能と、
の２つの別個の機能を組み合わせることを目的とする。

本発明は、
ａ）直流ネットワークの２つのコア（ノード）間の電力伝達を制御する機能と、
ｂ）交流エンジンの制御された給電をする機能と、の２つの機能を組み合わせることを可能にする装置に関連し、
それぞれ２つの三相インバータに接続される３つの固定子巻線を有する前記エンジンに接続された３つのスイッチングセルからなる２つの三相インバータのアセンブリと、
調整可能な直流電力伝達と前記エンジンの２つのコアの一方の直流電圧の安定化および制御の双方とを確実にする、このアセンブリを制御するためのモジュールと、
を含むことを特徴とする。

有利には、スイッチングセルそれぞれは、電圧において一方向性でありかつ電流において二方向性である２つのスイッチからなる。各スイッチは、反平行構造のダイオードに結合されるトランジスタを含むことができる。

本発明のデバイスは、以下の利点を有する。すなわち、
− ほぼ一定の電力を吸収し不安定にする充電器が存在するときでも、分散されるコアを有するメッシュネットワークアーキテクチャを設計すること、および安定化された電圧ノード（コア）と機器との間のケーブル長さを最小化することによってこれらネットワークの安定性を確実にすることを可能にする。
− 通常モードにおいて、２つのコア間の制御可能な電力伝達を実行し、ネットワークの電力フラックスを分配しかつ平衡することを可能にする。安定性は、コア間のケーブル長さが長く、かつ発振可能なメッシュが存在する場合でも、電流制御接続によって確実にされる。コア接続／分離モードは、これにより安定でありかつ滑らかである。
− 通常モードにおいて、それは、直流ネットワークに接続されていないコアの「電圧安定器」として機能することができる。
− 劣化モード（例えば、電源が失われたとき）において、前記電源からコアを分離した後、初期状態の電源に接続されたコアの「電圧安定化器」として作用することができる。
− それは、交流エンジンの誘導巻線が使用される限り、追加のインダクタンスを必要としない。電源機能は、長いケーブル長さをわずかな長さにまたはケーブル無しに変更する。
− 交流エンジンの３つの巻き線の６個の端子で別個に印加される電圧は、コアから利用可能な電圧に対して２倍にされ、同じ電力に対して電流の低減、および原理的には交流エンジンのより有利な寸法決定を予想することを可能にする。
− シリコンのさらなるコストは、等価の電力を有するアクチュエータの従来の機能に対してゼロである。

図１は、本発明の直流ネットワークの２つのコア４２および４６間の電力伝達を制御し、かつ交流エンジン１３に給電するために組み合わされた装置１０であって、
− それぞれ図３に示されるように、前記エンジン１３に接続された３つのスイッチングセル１６、１７、１８および２０、２１、２２からなる２つの三相インバータ１４および１５のアセンブリ１９であって、各スイッチングセルが、電圧において一方向性でありかつ電流において二方向性である２つのスイッチ、例えば反平行構造におけるダイオードに結合されるトランジスタからなり、交流エンジン１３が、２つの三相インバータに接続される３つの固定子巻線を有するアセンブリ１９と、
− 調整可能な直流電力伝達と、２つのコア４２および４６の直流電圧の安定化ならびに前記エンジンの制御との双方を確実にするように、このアセンブリ１９を制御するためのモジュール２３と、を有する組み合わされた装置１０を示す概略図である。

スイッチングセル１６、１７、１８および２０、２１、２２の制御は、本発明のデバイス内の結合されたセルのいくつかのスイッチング期間オーダー（典型的に数ミリ秒）の応答時間で、２つのコア４２および４６を接続するライン上の電流のほぼ瞬間的な制御を可能にし、この制御は、
− 通常動作モードおよび、２つのコアの一方に結合される発電機であってこの電力伝達が２つのコアの一方から他方へ無関係に生じることができる発電機の故障の場合に、２つのコア４２および４６間の電力伝達の調整を確立し、
− コアを給電する交流発電機によって供給される電力を調整しかつ平衡にし、かつ、
− 本発明のデバイスの２つのスイッチングセルの適切な制御で、コアのレベルに供給される２つのコア４２および４６の電圧の安定性を確実にすることを促すことを可能にする。

本発明のデバイスは、このように複数の機能を実行する。それは、同時に
− 調整可能な直流電力伝達と、
− ２つのコア４２または４６の一方の直流電圧の制御および安定化と、
− 交流エンジンの給電および制御と、を可能にする。

本発明のデバイスは、より詳細には、２つの分散されるコアの間のエネルギー交換の管理および制御に向けられ、２つの分散されるコアは、一組のコンデンサによって確実にされうることが必要である（少なくとも瞬間的に）基本的な「電圧源」特性を有する。

したがって、図２は、分散されるコア３０、３１、３２および３３であって本発明における複数の装置３５、３６、３７、３８および３９がそれぞれ２つの隣接するコアの間に配置されるコアを有する搭載された航空機３４のアーキテクチャを示す。

以下に、本発明のデバイスの各機能を考える。

調整可能な電力伝達
本発明のデバイスは、交流発電機にわたるネットワークユーザによって消費される電力を等しく分配することを可能にする。

図１は、このように、２つの交流発電機４０および４１間で消費される電力の分配を示す。

第１の交流発電機４０は、第１の安定化された交流直流整流器モジュール４３を介して、第１のバスバー（第１のコア）４２に接続される。第１の充電器４４は、第１の直流−直流モジュール４５を介してこの第１のバスバー４２に接続される。

第２の交流発電機４１は、第２の安定化された交流直流整流器モジュール４７を介して、第２のバスバー（第２のコア）４６に接続される。第２の充電器４８は、第２の直流−直流モジュール４９を介してこの第２のバスバー４６に接続される。

２つのバスバー（コア）４２と４６との間に配置された本発明のデバイス１０は、２つの交流発電機４０および４１によって供給される電力を平衡することを可能にする。充電変動が、コア４２または４６の一方で生じると、最も少ない充電を有する交流発電機は、本発明のデバイス１０を介して、充電器４４、４８および５０を給電するために必要な電力の一部を供給する。

通常の動作において、交流発電機４０および４１にわたって分布されるべき電力は、このように、もはや単一の分離された交流発電機に接続された消費要素の合計ではなく、消費要素の合計全体に従って計算されうる。これら交流発電機４０および４１の動作点は、このように課されかつ制御されうる。本発明のデバイス１０は、それを給電する直流源の電圧における変動が存在しても、電力伝達を調整することができる電子的な「バルブ」として作用する。

電圧の制御および安定化
本発明のデバイス１０は、接続されたコアから接続されていないコアを給電すること、または１つもしくは複数の電源の故障の場合にネットワークの再構成を管理することを可能にする。

本発明のデバイス１０は、交流発電機４０および４１の一方の故障の場合に、故障している交流発電機の側に配置されたネットワークの部分に電力を伝達し、生じうる過渡および発振現象を制御することを可能にする。

交流エンジンの制御
図３に示されるように、電子エンジン１３は、２つの整流器アセンブリ１１および１２に接続される２つのインバータ１４および１５間に別々に接続される。

この解決方法は、電源が、単一の電圧インバータを使用して設けられる場合に関して二重にされる前記エンジン１３の電源電圧を有することを可能にする。動作のこのモードは、標準であり、エンジン１３の必要な性能を得るために２つのインバータ１４および１５の制御は、当業者の知識の一部である。

２つのコア４２および４６が長い距離だけ離間されるなら、各インバータ１４または１５は、それが接続されるコア近くに配置されなければならない。ラインインダクタンス（図には示されていない）は、これによりエンジン１３の巻線に直列である。

したがって、エンジン１３の巻線は、インバータの三相における単極電流成分(homopolar current component)であり、コア間の電力伝送ベクトルを循環する手段として使用される。

インバータの制御によって達成されるこの単極成分の制御は、
− 動作の通常モードならびに２つのコア４２および４６の一方に結合される交流発電機の故障の場合において、２つのコア４２および４６間の電力伝達の調整を実施し、一方のコアから他方のコアへ別々に生じうるこの電力伝達に関して好ましい方向はなく、
− コアを給電する交流発電機４０および４１によって供給される電力を調整しかつ特に平衡にし、
− ２つのインバータ１４および１５の適切な制御によって、コア４２および４６のレベルで供給される電圧の安定性を確実にすることを助長すること、を可能にする。

エネルギー変換が２つのコア間で生じない場合、エンジン１３は、通常に給電され、従来のアクチュエータ機能が得られる。エネルギー変換が必要である場合、調整可能な電力は、一方のコアから他方のコアへ移送されうる。単極電流成分は、次にエンジン１３の交流電流に重ねられる。制御に関して、機能は、Ｐａｒｋの基準フレームの理論によって非常に容易かつ非常に簡単に分離される。実際に、アクチュエータの制御（トルク、速度など）は、軸電流（ｄ、ｑ）を制御することによって従来達成され、一方、電力伝達および電圧安定化機能は、単極電流（軸ｏ）の簡単な制御によって「重ね」られる。このように、三相システムの全ての自由度を使用する。

このように、本発明のデバイスの構造に起因して、全電流（直流＋交流）が、スイッチによっておよびエンジン１３によって可能な最大電流未満である限り、エンジン１３は、動作の（制限されない）通常動作の下でいまだ給電され、２つのネットワーク間の電力交換は、エンジンに関して明白(transparent)である。最大可能な電流が到達され、かつ電力伝達および電圧安定化機能に優先度が与えられる（直流成分は、優先度を有する）なら、エンジンにおける電流の交流成分を低減することが必要であり、アクチュエータ機能は、次に劣化される。

例示的な実施形態
本発明のデバイスのエンジン１３は、図４Ａに示されるように振幅１５０Ａを有する相電流Ｉｍａｘの下の最大値動作によって特徴付けられる。インバータ１４および１５を制御する方法は、エンジン１３ならびにインバータ１４および１５の安全を確実にするように、制約としてこの値を決して超えないことを組み込む。この方法は、本発明のデバイスの構造において強制されず、一実施例として本明細書に示されている。したがって、エンジンの三相内の直流成分Ｉｃｏｎｔを含む単極成分の追加は、図４Ａに示されるように、相電流の正弦波成分の振幅の損失させるために行われる（この選択の当然の結果は、したがってエンジンによって供給される機械出力における低減である）。

本発明のデバイスを通過する電流の単極成分の定義は、２つの交流発電機４０および４１によって供給される電力を平衡する目的によって案内されるこの場合におけるものである。この目的の達成は、２つの交流発電機４０および４１によって供給される電力のイメージである、電流Ｉｄｃ１およびＩｄｃ２を示す通常動作に対応する図４Ｃの第２の部分（フェーズ３および４）で評価されうる。

コア４２の充電器４４は、図４Ｄに示されるように一定の吸収電流Ｉｃｈ１によって特徴付けられる。コア４６の充電器４８は、図４Ｄに示されるように断続的な吸収電流Ｉｃｈ２によって特徴付けられる。

交流発電機４０および４１は、初期的に双方の機能を果たす。時間ｔ１＝２０ｍｓで、交流発電機４１は故障を知り、コア４６に必要な電力を供給するためにもはや利用可能ではないとみなされる。図４Ｃは、供給された電流Ｉｄｃ２の相殺を示す。

次に、全ての電力は、交流発電機４０によって供給される。コア４６の電圧Ｖｄｃ２の維持は、インバータ１５の整流器動作モードへの切り替えによって確実にされる。図４Ｂは、２つのコア４２（Ｖｄｃ１）および４６（Ｖｄｃ２）で利用可能な電圧における変化を示す。

本発明による、直流ネットワークの２つのコア間の電力伝達を制御し、かつ交流エンジンを給電するために組み合わされた装置を示す図である。 本発明による分散されるコアを有する搭載アーキテクチャを示す図である。 本発明のデバイスの例示的な実施形態を示す図である。 時間の関数としてエンジンＩＭにおける電流を示す、図３の例示的な実施形態で得られる時間チャートを示す図である。 時間の関数としてバスの電圧ＶＢを示す、図３の例示的な実施形態で得られる時間チャートを示す図である。 時間の関数としてバスの電流ＩＢ１を示す、図３の例示的な実施形態で得られる時間チャートを示す図である。 時間の関数として充電器の電流ＩＣ１を示す、図３の例示的な実施形態で得られる時間チャートを示す図である。

符号の説明

１０ 組み合わされた装置
１３ 交流エンジン
１４、１５ 三相インバータ
１６、１７、１８、２０、２１、２２ スイッチングセル
１９ アセンブリ
２３ モジュール
３０、３１、３２、３３ 分散されているコア
３４ 航空機
３５、３６、３７、３８、３９ デバイス
４０、４１ 交流発電機
４２、４６ コア
４３、４７ 交流直流整流器モジュール
４４、４８、５０ 充電器
４５、４９ 直流モジュール

Claims (4)

1. 直流ネットワークの２つのコア（４２、４６）間の電力伝達を制御し、かつ交流エンジン（１３）を給電するために組み合わされた装置であって、
   − それぞれ２つの三相インバータに接続される３つの固定子巻線を有する前記エンジン（１３）に接続された３つのスイッチングセル（１６、１７、１８、２０、２１、２２）からなる２つの三相インバータ（１４、１５）のアセンブリ（１９）と、
   − 調整可能な直流電力伝達と前記エンジン（１３）の直流電圧の安定化および制御との双方を確実にする、このアセンブリ（１９）を制御するためのモジュール（２３）と、
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記スイッチングセル（１６、１７、１８、２０、２１、２２）それぞれが、電圧において一方向性でありかつ電流において二方向性である２つのスイッチを備える請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチそれぞれは、反平行構造におけるダイオードに結合されるトランジスタを含む請求項２に記載の装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の装置を備える航空機。