JP2015525551A - ヘリコプタタービンエンジン用制御・電力供給システム - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのヘリコプタモータ発電機用の電気制御・電力供給システムであって、システムは、電子制御回路（３４）から作動される接続マトリックス（３２）のコンタクタ（３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２）のそれぞれの位置に応じて、少なくとも１つのモータ発電機にＡＣ電力を選択的に供給する第１のＤＣ／ＡＣコンバータ（３０）を備え、第１のＤＣ／ＡＣコンバータは、ＡＰＵ（１６）の始動発電機（１８）によってコンタクタ（２２）を介して供給されたＡＣ電圧を整流する回路（３６）、もしくはコンタクタ（２４）を介してバッテリ（２０）から電力を供給される電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータ（３８）によって形成されたＤＣ電力供給装置によってＤＣ電力が供給され、接続マトリックスはさらに、モータ発電機の少なくとも１つが始動すると、ＡＰＵの始動発電機から追加電力を注入することができるように、第１のＤＣ／ＡＣコンバータを第２のＤＣ／ＡＣコンバータと並列に接続するためのコンタクタ（３２８）を含む、システム。

Description

本発明は、少なくとも１つのブレード付き主ロータを有するヘリコプタおよび他の回転翼航空機の推進力の電気的ハイブリダイゼーションの分野に関し、特に、回転翼航空機のタービンエンジンもしくは主ギアボックス（ＭＧＢ）に結合された少なくとも１つの電気モータ用の制御・電力供給システムに関する。

このような回転翼航空機では、ＭＧＢは、減速機を介してタービンエンジンからの出口シャフトをブレード付き主ロータに接続する。また、補助動力装置（ＡＰＵ）は、特に、回転翼航空機のエンジンが回転し始める前に、特に、地上で停止した場合に、機内に電力を供給する働きをする。

ＡＰＵは、発電機を駆動するタービンエンジンの形態である。この発電機は、ＡＰＵを始動させるためにモータモードで動作し、タービンエンジンが始動した後、タービンエンジンが十分な回転速度に達した時に、発電機モードで動作する始動発電機（Ｓ／Ｇ）として設計される。Ｓ／Ｇは、モータモードで動作している時には、多相電力を動力源とする。そのためには、電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータを介して、バッテリによって供給されたＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する働きをするインバータと共に、直流／交流（ＤＣ／ＡＣ）コンバータを使用するのが周知である。

現在では、航空機内のさまざまなシステムを作動させるために、油圧式パワーもしくは空気圧式パワーを電力と切り替えるというのが主な傾向である。メンテナンスの簡素化以外に、重量およびサイズの減少、コストの低減に関して、利点が求められる場合が多い。

本発明は、現在の傾向に従って、上述の目的を達成するために、少なくとも１つのヘリコプタモータ発電機用の電気制御・電力供給システムであって、該システムは、電子制御回路から作動される接続マトリックスのコンタクタのそれぞれの位置に応じて、前記少なくとも１つのモータ発電機にＡＣ電力を選択的に供給する第１のＤＣ／ＡＣコンバータを備え、第１のＤＣ／ＡＣコンバータは、ＡＰＵの始動発電機によってコンタクタを介して供給されたＡＣ電圧を整流する回路、もしくはコンタクタを介してバッテリから電力を供給される電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータによって形成されたＤＣ電力供給装置によってＤＣ電力が供給され、前記接続マトリックスはさらに、前記モータ発電機の少なくとも１つが始動した時に、ＡＰＵの前記始動発電機から追加電力を注入することができるように、前記第１のＤＣ／ＡＣコンバータを前記第２のＤＣ／ＡＣコンバータと並列に接続するためのコンタクタを含むシステムを提案する。

２つのシステム間、すなわち、同時に動作せず、実質的に同じレベルの電力を必要とするＡＰＵの始動発電機とＭＧＢもしくはタービンエンジンのモータ発電機とで、共通の電力供給源を使用できるようにすることは、共通の電力供給装置が過大寸法にならずに、装置、ハーネス、およびインターフェースの数を低減することができ、ひいては、重量、サイズ、およびコストを低減することができるという点で、特に、有利である。

有利には、前記電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも１つのコンタクタを介して三相インダクタと第２のＤＣ／ＡＣコンバータとを直列接続することによって形成される。

さらにＤＣ／ＡＣコンバータが三相インダクタを介してバッテリから供給された直流電流を交流電流に変換するこの構造により、ＡＰＵを始動させることができる。

好ましくは、前記接続マトリックスは、前記第１のＤＣ／ＡＣコンバータを第１のモータ発電機に接続するための少なくとも１つのコンタクタと、前記第２のＤＣ／ＡＣコンバータを第２のモータ発電機に接続するための少なくとも１つのコンタクタとを含む。

本発明は、非限定的な例として、本発明の電気制御・電力供給システムの簡略化した回路図である一枚の図を参照しながら詳述する以下の説明を読めばより良く理解されるであろう。

ガス発生器１２Ａ、１４Ａをそれぞれ有する２つのタービンエンジン１２、１４それぞれと係合されるＭＧＢ１０、ガス発生器によって発生したガス流によって駆動されるフリータービン１２Ｂ、１４Ｂ、および発電機として動作可能であり、かつガス発生器に機械的に連結された電気モータで構成される可逆電気機械１２Ｃ、１４Ｃを示す図である。

ヘリコプタ、特に、回転翼航空機は、上昇力および推進力を発生させるために回転される少なくとも１つのブレード付き主ロータを有する。主ロータは、一般に、主ギアボックス（ＭＧＢ）と呼ばれる変速減速機構を介して、１つまたは複数のタービンエンジンによって駆動される。

図１は、ガス発生器１２Ａ、１４Ａをそれぞれ有する２つのタービンエンジン１２、１４それぞれと係合されるＭＧＢ１０、ガス発生器によって発生したガス流によって駆動されるフリータービン１２Ｂ、１４Ｂ、および発電機として動作可能であり、かつガス発生器に機械的に連結された電気モータで構成される可逆電気機械１２Ｃ、１４Ｃを示している。図面では、参照番号１６は、始動発電機（Ｓ／Ｇ）を形成する電気機械１８に機械的に連結される補助動力装置（ＡＰＵ）を指し、参照番号２０はバッテリを指している。始動発電機１８は、一般に、コンタクタ２２を介して１１５ボルトＡＣ（Ｖａｃ）で三相電力を供給し、バッテリ２０は、一般に、コンタクタ２４を介して２８ボルトＤＣ（Ｖｄｃ）で電力を供給し、これらの電圧は共に航空業界では一般的であり、電力は制御装置２６の制御下で供給される。

本発明において、ヘリコプタのモータ発電機１２Ｃ、１４Ｃ用の電気制御・電力供給システム２８は、電子制御回路３４によって作動される接続マトリックス３２のコンタクタ３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０の位置に応じてモータ発電機に交流電力を選択的に供給する第１のＤＣ／ＡＣコンバータ３０を備え、この第１のＤＣ／ＡＣコンバータ自身は、ＤＣ電圧を供給しており、始動発電機１８によって供給されるＡＣ電圧を整流するためのダイオード整流回路３６（非制御整流器）、もしくはバッテリ２０から電力を供給される電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータ３８によって形成される電力供給装置を介してＤＣ電力を供給される。

第１のＤＣ／ＡＣコンバータ３０は、三相コンバータ（すなわち、６つのスイッチを有する）によって形成され、三相コンバータは、図示されるように、任意で、制御スイッチの次に並列接続コンデンサを備えた保護装置の後に置かれてもよい。インバータを形成するスイッチは、通常、端子を介して接続された逆並列ダイオードを有し、電子制御回路３４の制御下で切り替えられる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

非制御整流回路３６は、有利には、コンデンサの端子を介して、整流されフィルタリングされた２７０Ｖｄｃ電圧（航空業界では一般的である）を供給する三相ダイオードブリッジによって形成される。

電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、接続マトリックス３２を介して第２のＤＣ／ＡＣコンバータ３８２と直列接続される三相インダクタ３８０によって形成される。第１のコンバータと同様に、第２のコンバータは、６つのスイッチを有する三相インバータによって形成され、三相インバータは、図示されるように、任意で、制御スイッチの次に並列接続コンデンサを備えた保護装置の後に置かれる。インバータを形成するスイッチは、通常、端子を介して接続された逆並列ダイオードを有し、切り替えは電子制御回路３４によって制御されるＩＧＢＴである。

接続マトリックス３２および２つのＤＣ／ＡＣコンバータ３０、３８を制御する電子制御回路３４は、１つの制御装置内に取り付けられてもよく、この場合、制御装置２６を組み込むのが好ましいが、あるいは、図示されているように、別個に配置されてもよい。

以下に、本発明のシステムの動作について説明する。本発明のシステムの動作は、ヘリコプタの意図された機能および操作上の要件、特に、ＡＰＵの始動、タービンエンジンの制御、もしくは１つの電気モータを介しておよび／または同時に駆動するために両方の電気モータを介して行われるかどうかに基づいたタービンエンジンへの追加電力の注入のいずれかによって決まる。例えば、電力が１つの電気モータのみを介してＭＧＢに注入される、もしくは一度に１つのタービンエンジンのみに注入される（例えば、他方のタービンエンジンが機能しない場合に一方のタービンエンジンを昇圧させるために）が、同じ電力機器を使用してタービンエンジンのいずれか一方に電力を供給することができる状況が挙げられる。また、２つの電気モータが共に同じタービンエンジンのガス発生器に取り付けられる、または実際、フリータービンもしくはＭＧＢに取り付けられた２つのモータについての状況が挙げられる。

より詳細には、整流ブリッジ、２つのインバータ、および１組のコンタクタを基本とした本発明の構造は、後述するように（ガス発生器用の２つのモータの制御に関して好適な実施形態が示されているが、当然、この実施形態は、例えば、ＭＧＢ用の１つのモータの制御にも適用可能である）、上述したさまざまな機能を非常に簡単に実行することができる。

コンタクタ２４を閉じてバッテリ２０によって供給された低い電圧（一般的に、２８Ｖｄｃ）からＡＰＵを始動させるために、約２７０Ｖｄｃの電圧にするために、第２のＤＣ／ＡＣコンバータ３８はアクティブ整流器（三相電圧ブースタ）として使用され（この場合、コンタクタ３２０、３２２は閉じられる）、第１のＤＣ／ＡＣコンバータ３０は、コンタクタ３２４および３２６を介して、このＤＣ電圧を使用してＡＰＵの始動発電機１８を駆動する（この場合、コンタクタ３２４および３２６は閉状態であり、コンタクタ２２およびコンタクタ３２８、３３０、３３２は開状態である）。

ＡＰＵが始動すると、次に、Ｓ／Ｇ１８によって供給された１１５Ｖａｃ回路網の電圧を使用してタービンエンジンが始動される。コンタクタ２２が閉じられると、この電圧は非制御整流回路３６に供給され、その後、非制御整流回路３６が整流されフィルタリングされたＤＣ電圧を供給し、それと同時に、２つのＤＣ／ＡＣコンバータ３０、３８２がそれぞれの直列のコンタクタの組３２４＆３３０および３２２＆３３２を介してそれぞれの電気モータ１２Ｃおよび１４Ｃを駆動するように動作することにより、（必要に応じて）両方のタービンエンジン同時に始動させ、この時、コンタクタ２４、３２０、３２６、および３２８は開状態になる。

タービンエンジンは、ＡＰＵを始動させるのと同様の方法で、バッテリ２０からの低い電圧から始動されてもよいことに留意されたい。実際には、先にＳ／Ｇ１８に電力を供給するコンタクタ３２６を閉じるのではなく、電気モータ１２Ｃに電力を供給するために、例えば、コンタクタ３３０を閉じて、２つのタービンエンジンの１つを始動させるのが妥当である。第１のタービンエンジンが始動すると、その電気モータは、コンタクタ３２２および３３２を閉じることにより（コンタクタ２４および３２０は同時に開状態になる）、第２のタービンエンジンを始動させるのに必要な電力を供給する発電機として使用可能になる。さらに、このことにより、タービンエンジンを始動させるのに、代替電力供給装置（ＡＰＵまたは任意の他の発電機による）を全く使用せずに対処することができる。

タービンエンジンが始動すると（タービンエンジンの前の状態に関係なく）、一時的にもしくは永久的に発電機として動作するＳ／Ｇ１８からタービンエンジンの１つに追加電力が注入される。したがって、コンタクタ２２を閉じることで、Ｓ／Ｇ１８は非制御整流回路３６に電力を供給し、直列のコンタクタ３２４＆３３０および３２２＆３３２それぞれを介してガス発生器それぞれに関連した電気モータ１２Ｃ、１４Ｃを駆動するように動作するＤＣ／ＡＣコンバータ３０、３８２それぞれで使用されるＤＣ電圧を発生させる。タービンエンジンにさらに多くの電力を注入するために、並列のＤＣ／ＡＣコンバータ両方を使用することができる（例えば、モータ１２Ｃ、コンタクタ２２、３２４、３３０、３２２、および３２８は閉位置になる、コンタクタ２４、３２０、３２６、および３３２は開位置である）、あるいはＤＣ／ＡＣコンバータの一方が機能しない場合に一方または他方を使用することでより十分に電力を注入することができる（この状況では、コンタクタ３２２および３２４はさらにＤＣ／ＡＣコンバータの一方を完全に絶縁する働きをし、コンタクタ３２８によりＤＣ／ＡＣコンバータのいずれか一方が他方の代替機能を果たすことができる）。

（図示されている三相コンタクタではなく）単相コンタクタを使用と、さらに劣化モードが生じることになるので、必要な場合に、問題としている機能の有効性が高まることに留意されたい。

本発明によれば、電源部材を共有する方法により、多機能の電気制御・電力供給システムを提供することができ、特に、１つのインバータを使用して複数の電気モータ発電機を駆動することができる。ＡＰＵの始動を制御するための装置および発電機のための共通システムを使用することにより、それぞれ専用の電力供給システムを使用する場合に比べて、重量、サイズ、およびコストを大幅に低減することができる。

制御・電力供給システムは、有利には、ヘリコプタの主電気コアに近くのヘリコプタの中心部に配置されることにより、電気構造全体を最適化する働きをする。

Claims (4)

1. 少なくとも１つのヘリコプタモータ発電機用の電気制御・電力供給システムであって、システムは、電子制御回路（３４）から作動される接続マトリックス（３２）のコンタクタ（３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、３３２）のそれぞれの位置に応じて、前記少なくとも１つのモータ発電機にＡＣ電力を選択的に供給する第１のＤＣ／ＡＣコンバータ（３０）を備え、第１のＤＣ／ＡＣコンバータは、ＡＰＵ（１６）の始動発電機（１８）によってコンタクタ（２２）を介して供給されたＡＣ電圧を整流する回路（３６）、もしくはコンタクタ（２４）を介してバッテリ（２０）から電力を供給される電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータ（３８）によって形成されたＤＣ電力供給装置によってＤＣ電力が供給され、前記接続マトリックスはさらに、前記モータ発電機の少なくとも１つが始動した時に、ＡＰＵの前記始動発電機から追加電力を注入することができるように、前記第１のＤＣ／ＡＣコンバータを前記第２のＤＣ／ＡＣコンバータと並列に接続するためのコンタクタ（３２８）を含むシステム。
2. 前記電圧ブースタＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも１つのコンタクタ（３２０、３２２）を介して三相インダクタ（３８０）と第２のＤＣ／ＡＣコンバータ（３８２）とを直列接続することによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記接続マトリックスは、前記第１のＤＣ／ＡＣコンバータを第１のモータ発電機（１２Ｃ）に接続するための少なくとも１つのコンタクタ（３２４、３３０）と、前記第２のＤＣ／ＡＣコンバータを第２のモータ発電機（１４Ｃ）に接続するための少なくとも１つのコンタクタ（３２２、３３２）とを含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. 前記接続マトリックスはさらに、ＡＰＵを前記バッテリから始動させることができるように、前記第１のＤＣ／ＡＣコンバータを前記始動発電機に接続するための少なくとも１つのコンタクタ（３２０、３２６）を備えることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。

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