JP2009531015A - 航空機エンジンスタータ/発電機およびコントローラ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本発明は、一般に、始動モードにおいて電気エネルギーを機械エネルギーに、発電モードにおいて機械エネルギーを電気エネルギーに変換する双方向エネルギー変換ブラシレス電気回転デバイスの組合せに関する。特に、本発明は、3つの電気機械セット、スタータ/発電機(S/G)、およびインバータ/コンバータ/コントローラ(ICC)と本明細書で呼ばれるIGBTベースでかつデジタル制御式のデバイスを含む高電力密度航空機エンジン始動および発電システムに関する。さらに、本発明は、巻線形界磁同期機械ベースS/Gの回転子位置センサをなくすことに関し、センサレス制御式のS/GおよびICCシステムをもたらす。
θ=θ’
であり、θ’が、北極領域に対して南極下にある場合、角度は、
θ=θ’+π
である。この角度は、図7に示すように、その後dおよびq電流調節ループ内のパーク変換および逆パーク変換において利用される。図3に示すように、バンドストップフィルタ(図3に示す500Hzフィルタ、それにより本発明の精神および範囲内に留まったままで他のストップバンド周波数が利用されてもよい)が、クラーク変換とパーク変換との間に設置されて、dおよびq電流調節ループに関する搬送波周波数の擾乱がなくなる。
P=ωLmd(if+id)iq−ωLmqidiq
を著しく増加させる。式中、Pおよびωは、それぞれ電気機械的電力および回転子速度であり、LmdおよびLmqは、それぞれdおよびq励磁インダクタンスである。
T=Lmd(if+id)iq−Lmqidiq
である。式中、LmdおよびLmqは、それぞれdおよびq励磁インダクタンスである。機械が磁気飽和すると、項Lmd(if+id)は一定になる。したがって、リラクタンストルクを発生する方法は、負のidを機械に印加することである。id=IsinδとIq=Icosδを知り、上記式に対して最適化を実施すると、id電流の最適プロファイル
V* d=|V*|sinθv
V* q=|V*|cosθv
によって計算される。式中、|V*|=Vmagである。効率を最適化するために、まずVmagが、1puになるように選択され、そのためコンバータが、完全に過変調領域内に押しやられ、SVPWMによってもたらされるIGBTスイッチングが完全に低下する。これは、IGBTスイッチング損失を最小にする。IGBTは、位相シフトスイッチングのように働く。Vmagが一定であるため、電力ループは、角度θvを調整することによって電力を調節する。負荷がゼロになると、θvはゼロに近づき、負荷が増加すると、θvは、図8に示すように増加する。
60 電力源VDC
100 S/G
110 主機械
112 主固定子
114 主回転子
116 全波または半波回転整流器
118 回転子軸
120 励磁器
122 励磁器回転子
124 励磁器固定子
130 PMG
200 ICC
210 主IGBT/ダイオードブリッジ
212 励磁器IGBT/ダイオードブリッジ
220 接触器
230 主デジタル制御アセンブリ
240 励磁器デジタル制御アセンブリ
600 ハウジング
610 コールドプレート
620 フィルタキャップアセンブリ
630 センスアセンブリ
640 270VDC出力端子ブロック
Claims (29)
- 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機に接続され、前記航空機の原動機を始動するための始動モードにおいて前記スタータ/発電機を駆動するAC電力を発生し、前記原動機が始動した後に前記スタータ/発電機から取得されるAC電力を前記スタータ/発電機の発電モードのDC電力に変換し、接触器を含むインバータ/コンバータ/コントローラ(ICC)とを備え、
前記励磁器は、固定子および回転子を含み、前記励磁器固定子は、前記接触器と連携して働いて前記始動モード中にAC巻線として機能するように構成され、また、前記発電モード中にDC巻線として前記接触器と連携して働くように構成された巻線を含む航空機用始動および発電システム。 - 前記インバータ/コンバータ/コントローラは、
前記主機械の主固定子に接続される主IGBTブリッジと、
前記励磁器の励磁器固定子に接続される励磁器IGBTブリッジとを備える請求項1記載の航空機用始動および発電システム。 - 前記スタータ/発電機は、
全波または半波整流器をさらに備え、
前記励磁器は、励磁器回転子および励磁器固定子を含み、
前記全波または半波整流器は、前記励磁器回転子の軸上に設けられ、前記励磁器軸の回転によって回転する請求項1記載の航空機用始動および発電システム。 - 前記接触器は、前記始動モード中に、前記励磁器IGBTブリッジと前記励磁器固定子との接続を提供する請求項3記載の航空機用始動および発電システム。
- 航空機用始動および発電システムであって、
回転子と固定子を有する主機械、回転子と固定子を有する励磁器、および回転子と固定子を有する永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機に接続され、始動モードにおいて前記スタータ/発電機を駆動するAC電力を発生し、前記スタータ/発電機から取得されるAC電力を発電モードのDC電力に変換するインバータ/コンバータ/コントローラとを備え、
前記インバータ/コンバータ/コントローラは、前記スタータ/発電機の各回転子の角度位置を、前記スタータ/発電機から取得される電流および電圧信号に基づいて測定する回転子位置測定手段を含む航空機用始動および発電システム。 - 前記回転子位置測定手段は、前記各回転子が所定の回転速度未満で回転するときに回転子位置推定を実施する高周波注入推定手段と、前記各回転子が前記所定の回転速度以上で回転するときに回転子位置推定を実施する電圧モード推定手段とを含む請求項5記載の航空機用始動および発電システム。
- 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機を制御するコントローラとを備え、
前記スタータ/発電機は、前記航空機の原動機を始動する始動モードで動作し、また、前記原動機が始動した後に前記航空機の他のコンポーネントに電力を供給するために、前記原動機から電力を発生させる発電モードで動作するように構成され、
前記励磁器は、前記始動モード中に制動モードの誘導機械として動作するように構成される航空機用始動および発電システム。 - 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機を制御するコントローラとを備え、
前記スタータ/発電機は、前記航空機の原動機を始動する始動モードにおいてスタータとして動作し、また、前記原動機が始動した後に前記航空機の他のコンポーネントに電力を供給するために、前記原動機から電力を発生させる発電モードにおいて発電機として動作するように構成され、
前記始動モードにおいて、前記コントローラは、前記スタータの動作状態のセンサレス推定を実施し、前記コントローラは、a)前記スタータが所定の速度未満で回転するときに、前記スタータの前記動作状態のセンサレス推定を実施する高周波注入推定ユニット、および、b)前記スタータが前記所定の速度以上で回転するときに、前記スタータ/発電機の前記動作状態のセンサレス推定を実施する電圧モードセンサレス推定ユニットを含む航空機用始動および発電システム。 - 前記コントローラは、前記スタータの位相a電流および位相b電流を決定する手段を備え、前記決定する手段は、空間ベクトルパルス幅変調(Space Vector Pulse Width Modulation、SVPWM)ユニットを含み、
前記高周波注入推定ユニットは、空間ベクトルパルス幅変調(SVPWM)ユニットへの入力上に一対の正弦波形を重ね合わせる手段と、
前記SVPWMユニットの入力上に重ね合わされた前記一対の正弦波形に対する前記位相a電流および前記位相b電流の応答を決定する手段とを備え、
前記スタータの回転子位置情報は、前記応答を決定する手段の結果として取得される請求項8記載の航空機用始動および発電システム。 - 前記一対の正弦波形は、互いに直交し、かつ、同じ搬送波周波数である請求項9記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記電圧モードセンサレス推定ユニットは、
αおよびβ模擬磁束鎖交数であって、α軸が、前記スタータ/発電機の主固定子の位相a巻線に相当し、β軸が、前記α軸より90°進んだ軸に相当するように定義される、αおよびβ模擬磁束鎖交数を導出する手段と、
前記αおよびβ模擬磁束鎖交数から、前記スタータの回転角度を決定する手段とを備える請求項8記載の航空機用始動および発電システム。 - 前記αおよびβ模擬磁束鎖交数は、λα’およびλβ’として定義され、
前記スタータの回転角度θは、式
θ=tan−1(λβ’/λα’)
によって決定される請求項11記載の航空機用始動および発電システム。 - 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機を制御するコントローラとを備え、
前記スタータ/発電機は、前記航空機の原動機を始動する始動モードで動作し、また、前記原動機が始動した後に、前記航空機の他のコンポーネントに電力を供給するために、前記原動機から電力を発生させる発電モードで動作するように構成され、
前記コントローラは、
前記スタータ/発電機のVabおよびVbc線路間電圧を測定する手段と、
前記VabおよびVbc線路間電圧を、取得される第1および第2の被変換線路電圧に変換する手段と、
前記第1および第2の被変換線路電圧のベクトル和を取得する手段と、
自動界磁低減化制御ループによって、前記スタータ/発電機について自動界磁低減化制御を実施する手段とを含む航空機用始動および発電システム。 - DCバス電圧は、前記コントローラに入力され、前記自動界磁低減化制御ループ用の参照電圧として使用される請求項13記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記主機械はインバータを含み、システムは、
自動界磁低減化制御ループを含む自動界磁低減化ユニットであって、前記インバータから取得された線路間電圧を測定し、前記線路間電圧にある変換を適用し、前記変換の出力のベクトル和を実施し、前記ベクトル和をフィードバック信号として前記自動界磁低減化制御ループにフィードバックするように構成される、自動界磁低減化ユニットをさらに備え、
前記自動界磁低減化制御ループは、前記インバータに対して設けられて、前記インバータを前記始動モード中に飽和させないようにする請求項8記載の航空機用始動および発電システム。 - 前記主機械を、1付近の力率領域で動作させるために、前記主機械について所定の電流プロファイルを適用するように構成された1付近の力率制御ユニットをさらに備える請求項15記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記所定の電流プロファイルは、前記機械の回転子と前記主機械の固定子との間の空隙内の磁界を制御するd軸電流プロファイルである請求項16記載の航空機用始動および発電システム。
- 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記スタータ/発電機を制御するコントローラと、
主IGBT/ダイオードブリッジとを備え、
前記スタータ/発電機は、前記航空機の原動機を始動する始動モード、および前記原動機が始動した後に前記航空機の他のコポーネントに電力を供給するために、前記原動機から電力を発生する発電モードで動作可能であり、
前記主IGBT/ダイオードブリッジは、前記スタータ/発電機が、発電/回生モードで動作する、または発電モードで動作するかに応じて、アクティブ整流器かイナクティブ整流器のいずれかとして動作するように設定されるように構成される航空機用始動および発電システム。 - 前記電圧を制御する第1、第2、および第3の制御ループをさらに備え、前記第1制御ループは、最も内側の制御ループであり、電流調節を実施し、前記第2制御ループは、AC電圧調節を実施し、第3制御ループは、最も外側の制御ループであり、DC電圧調節を実施する請求項18記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記主IGBT/ダイオードブリッジは、少なくとも1つのIGBTスイッチを含み、前記励磁器固定子の巻線は、前記IGBTスイッチと共に、前記スタータ/発電機に供給されるDCバス電圧をステップダウンする降圧コンバータを形成する請求項18記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記回生モードにおいて、前記主IGBT/ダイオードブリッジは、アクティブ整流器として動作し、励磁器側で、励磁電流ループは、制御ループ参照値がDC負荷電流ルックアップテーブルによって生成されるPID制御ループとして機能する請求項18記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記主機械側で、外部制御ループに相当するDC電圧ループによって制御が実施され、前記外部制御ループは、PIコントローラの出力へのDC出力電力のフィードフォワードを有する前記PIコントローラとして動作し、SVPWMベクトルを生成するのに使用される電圧角度を出力する内部制御ループによって制御がさらに実施される請求項21記載の航空機用始動および発電システム。
- 前記コントローラは、前記発電モード中に、前記IGBT/ダイオードブリッジの自動界磁修正および過変調を実施する請求項18記載の航空機用始動および発電システム。
- 発電モード中にIGBT転流を実施する手段をさらに備え、前記IGBT転流は、センサレス電圧モードに基づいて実施される請求項20記載の航空機用始動および発電システム。
- 第1電圧Vαおよび第2電圧Vβは、前記主機械の線路間電圧測定から直接に取得される請求項24記載の航空機用始動および発電システム。
- IGBT転流を実施する前記手段は、前記主機械の少なくとも2つの線路電圧を取得し、所得された前記少なくとも2つの線路電圧に基づいて前記IGBT/ダイオードスイッチについて適切な制御を決定する線路電圧取得手段を含む請求項24記載の航空機用始動および発電システム。
- 航空機用始動および発電システムであって、
主機械、励磁器、および永久磁石発電機を含むスタータ/発電機と、
前記主機械に接続されたDCバスと、
前記スタータ/発電機を制御するコントローラと、
前記DCバス上の過剰なエネルギーを前記主機械内に吸収することによって、回生を達成する手段と、
回生が達成されつつある間に前記DCバス上の電圧を調節する手段とを備える航空機用始動および発電システム。 - 回生を達成する前記手段は、前記始動モード中ではなく、前記発電モード中に実施される請求項27記載の航空機用始動および発電システム。
- 主IGBT/ダイオードブリッジをさらに備え、回生を達成する前記手段は、前記DCバス上での電圧角度の方向を逆にし、前記主IGBT/ダイオードブリッジは、結果として強制的に運転モードにされる請求項27記載の航空機用始動および発電システム。
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