JP2015532081A - 航空機用電気系統安定化システム - Google Patents
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Abstract
Description
[航空機の動力系統]
まず、本発明の実施の形態1に係る航空機用電気系統安定化システムが適用される航空機の動力系統の概要について、図1A,Bを参照して説明する。なお、以下の説明では、便宜上、「航空機用電気系統安定化システム」を単に「安定化システム」と省略する。
次に、本発明の実施の形態1に係る安定化システムの全体構成の一例について、図2を参照して具体的に説明する。なお、図1Aに示す航空機100は、電源装置として燃料電池19を備えている構成を例示しているが、以下の実施の形態では、航空機100がより一般的なAPU12を備えている構成を例示して説明する。
次に、各電気系統20L,20Rを構成する電源装置、電源バス、整流器、および変圧器等について具体的に説明する。まず、電源装置のうち交流電源の一つである始動発電機141L,142L,141R,142Rは、前述した通り、それぞれ左エンジン11L、右エンジン11Rに設けられており、三相交流電力を発電する。三相交流電力の電圧および周波数は特に限定されないが、本実施の形態では、230VAC、360〜800Hz可変周波数(VF)である。あるいは、115VAC、360〜800HzVFであってもよい。さらには、始動発電機141L,142Lのいずれか1つと、始動発電機141R,142Rのいずれか1つとは、230VACあるいは115VACで、AC400Hzの一定周波数(CF)であってもよい。なお、始動発電機141L,142L,141R,142Rの電圧が115VACの場合には、図1に示す変圧器261L,261Rは無くてもよい。
次に、各電気系統20L,20Rに接続される電源安定化装置30L,30Rの基本構成の一例について、図3および図4を参照して具体的に説明する。
次に、電源安定化制御部36の具体的な構成の一例について、図5A〜C、図6、および図7A,Bを参照して説明する。
次に、前記構成の電源安定化装置30L,30Rによる各電気系統20L,20Rの安定化の一例について、図3および図4に加えて、図8、図9A,B、図10ないし図12を参照して具体的に説明する。なお、図9A,Bおよび図10ないし図12においては、電力負荷15のうち大きな逆起電力が発生しやすい舵面アクチュエータ151と、舵面アクチュエータ151以外のその他の電力負荷152とに分けて、電気系統20Lまたは20Rの安定化を説明する。
本実施の形態では、直流電源として定格電圧250Vの二次電池13L,13Rを例示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、同様の定格電圧を有するキャパシタであってもよいし、キャパシタおよび二次電池の組合せであってもよい。ここでいうキャパシタは、ウルトラキャパシタと呼ばれる大容量の電気二重層キャパシタを挙げることができる。このように、本発明においては、直流電源は、電力負荷15からの逆起電力を吸収するよう構成されていればよく、その具体的な構成は二次電池13L,13Rに限定されない。
本発明の実施の形態2に係る航空機用電気系統安定化システムは、前記実施の形態1に係る安定化システムと同様の構成を有しているが、従来のATRUをPWMコンバータに置き換えるのではなく、図15に示すように、ATRU255L,255Rはそのままとして、昇圧コンバータ332L,332Rを介して二次電池13L,13Rを第二DCバス242L,242Rに双方向に接続する(便宜上、図中太線の矢印で示す)構成を有している。
11R 右エンジン
12 補助動力装置(APU、電源装置)
13L,13R 二次電池(電源装置、直流電源)
15 電力負荷
17 ラムエアタービン(RAT)
20L 左側電気系統
20R 右側電気系統
22L,22R エッセンシャルバス
23L,23R 二次交流電源バス(二次ACバス)
27L,27R 直流電源バス(DCバス)
29 バックアップバス
30L,30R 電源安定化装置
36 電源安定化制御部
100 航空機
121 第一APU始動発電機(電源装置、交流電源)
122 第二APU始動発電機(電源装置、交流電源)
141L,141R 第一始動発電機(電源装置、交流電源)
142L,142R 第二始動発電機(電源装置、交流電源)
151 舵面アクチュエータ(電力負荷、搭載機器)
152 他の電力負荷(油圧系統、抽気系統)
171 RAT発電機(電源装置、交流電源)
211L,211R 第一一次交流電源バス(第一一次ACバス)
212L,212R 第二一次交流電源バス(第二一次ACバス)
241L,241R 第一直流電源バス(第一DCバス)
242L,242R 第二直流電源バス(第二DCバス)
251L,251R 変圧整流器(TRU)
253L,253R 第一PWMコンバータ(電力変換部)
254L,254R 第二PWMコンバータ(電力変換部)
255L,255R 自動変圧整流器(ATRU、整流器、電力変換部)
261L,261R 変圧器
262L,262R 電圧変換器
281 一次電源リレー
282 二次電源リレー
283 始動切換リレー
331 モータコントローラ(搭載機器の制御器)
333 モータコントローラ(始動兼用モータコントローラ)
332L,332R 昇圧コンバータ(電力変換部)
Claims (20)
- 電源装置としての直流電源および交流電源と、当該交流電源に接続される交流電源バスと、前記直流電源に接続される直流電源バスと、前記交流電源バスを介して前記直流電源バスに電力を供給するために、少なくとも前記交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、を備え、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスを介して搭載機器に電力を供給する航空機の電気系統と、
前記電源装置の電気出力を安定化する電源安定化装置と、
から少なくとも構成され、
前記直流電源は、前記搭載機器からの逆起電力を吸収し、かつ、前記電気機器における過渡的な必要電力を供給するよう構成され、
前記電源安定化装置は、前記電力変換部の電力変換を制御する電源安定化制御部を備え、
前記電源安定化制御部は、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスにおける電圧に基づいて、前記直流電源を充放電させることにより、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電力を安定化させ、前記電気系統の安定化を図る、
航空機用電気系統安定化システム。 - 前記航空機は補助動力装置(APU)およびラムエアタービン(RAT)を備え、
前記電気系統は、
前記交流電源として、前記補助動力装置に設けられ、交流発電を可能とするAPU始動発電機と、エンジンに設けられる交流発電機と、前記ラムエアタービンに設けられるRAT発電機を備えているとともに、
前記直流電源として、二次電池およびキャパシタの少なくとも一方を備えており、
前記直流電源および前記APU始動発電機は、前記電源安定化装置にそれぞれ接続されているとともに、前記交流発電機および前記RAT発電機は前記交流電源バスを介して前記電源安定化装置に接続され、さらに前記APU始動発電機は、前記交流電源バスを介しても前記電源安定化装置に接続されている、
請求項1に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記補助動力装置が停止状態にあり、その始動が必要なときには、
前記電源安定化制御部は、前記電力変換部を制御して、前記直流電源からの直流電力を昇圧して、前記APU始動発電機を始動するための直流電力を供給する、
請求項2に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記直流電源が充電可能な状態にあるときには、
前記電源安定化制御部は、前記電力変換部を制御して、前記交流発電機または前記APU始動発電機からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を昇圧コンバータで充電に適した電圧に変換して前記直流電源に供給することにより、当該直流電源を充電する、
請求項2に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電気系統は、
前記交流電源バスを介して前記交流発電機から電力供給されるように構成され、前記直流電源よりも低い定格電圧を有するエッセンシャルバスと、
当該エッセンシャルバスおよび前記直流電源の間に介在する電圧変換器と、
を備え、
前記直流電源は、前記電力変換部を介して、常に前記エッセンシャルバスに接続されており、
前記エッセンシャルバスに対して、前記交流発電機から交流電力が供給されないときには、遮断なく前記エッセンシャルバスに電力を供給する、
請求項2に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記交流発電機が停止し、前記RAT発電機が前記交流電源バスに交流電力を供給しているときには、
前記電力安定化制御部は、前記電力変換部を制御して、前記RAT発電機からの交流電力を、直流電力に変換して前記エッセンシャルバスに供給する、
請求項5に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電気系統は、単一の前記エンジンに複数の前記交流発電機が設けられ、
これら交流発電機のそれぞれに、前記交流電源バス、前記電力変換部、および前記直流電源バスを含む系統が接続されることで、それぞれの交流発電機別の下位系統が構成され、
さらに、前記下位系統は、それぞれ前記交流電源バス同士または前記直流電源バス同士で互いに接続可能となっている、
請求項2に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電気系統に含まれる複数の前記下位系統のうち、少なくとも一つの下位系統の前記直流電源バスは、電気化された搭載機器の制御器を介して前記APU始動発電機に接続されている、
請求項7に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電気系統は、前記電力変換部として、直流電力および交流電力を相互に変換するPWMコンバータと、当該PWMコンバータに前記直流電源バスを介して接続される昇圧コンバータと、を備え、
前記電源安定化制御部は、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電圧に基づいて、前記電力変換部を制御して前記直流電源を充放電させることにより、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電力を安定化させる、
請求項1に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電源安定化制御部は、
前記交流電源バスの電圧または周波数を計測し、その計測値の一次遅れの値を制御の目標値とし、
この目標値と前記計測値との偏差に応じて、予め設定されている前記昇圧コンバータ用の基準電圧指令値を調整し、
調整された前記基準電圧指令値と前記計測値との偏差に応じて、前記昇圧コンバータの出力電流を制御するとともに、
前記直流電源バスの電圧の計測値と予め設定されている前記PWMコンバータ用の基準電圧値との偏差に応じて、前記PWMコンバータの有効電力および無効電力を制御するよう構成されている、
請求項9に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電源安定化制御部は、
前記交流電源バスの電圧または周波数の計測値と前記目標値との偏差に対して、予め設定される比例定数を乗算することで、前記基準電圧指令値の基本値を生成するとともに、
前記直流電源の充電状態の計測値と予め設定される充電状態の目標値との偏差から補正電圧値を生成し、
さらに、前記基本値に対して、前記補正電圧値と、予め設定される前記昇圧コンバータの基準電圧の目標値と、を加算することで、前記基準電圧指令値の最終値を生成し、
この基準電圧指令値の最終値と前記計測値との偏差に応じて、前記昇圧コンバータの出力電流を制御するよう構成されている、
請求項10に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電源安定化制御部は、前記基準電圧指令値の前記基本値に対して、前記補正電圧値および前記基準電圧の目標値に加えて、さらに、前記直流電源から交流電源バスに対して補助的な電力を供給するために予め設定される、過負荷対応補正値を加算することによって、前記基準電圧指令値の最終地を生成する、
請求項11に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記搭載機器に対して、前記交流電源バスを介して前記交流発電機から交流電力が供給されないときには、
前記電源安定化制御部は、前記電力変換部を制御して、前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換して、前記交流電源バスを介して前記搭載機器に一時的に供給する、
請求項9に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電気系統は、前記電力変換部として、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの間に設けられ、交流電力を直流電力に変換する整流器を備えるとともに、前記直流電源バスに接続される昇圧コンバータを備え、
前記電源安定化制御部は、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電圧に基づいて、前記直流電源を充放電させることにより、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電力を安定化させる、
請求項1に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記電源安定化制御部は、
前記直流電源の充電状態を監視し、当該充電状態の計測値と予め設定された充電率の目標値との偏差に基づいて、前記直流電源の充放電の充放電量を補正する、
請求項1に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記交流電源で発電される交流電力が可変周波数である場合、
前記電源安定化制御部は、
監視による電圧の変動が電圧上昇であれば、前記電力変換部を制御して、前記電圧上昇に比例して有効電力の入力を増加させるために前記直流電源を充電するか、前記電圧上昇に比例して遅れ力率の無効電力を入力させるか、あるいはその両方を組み合わせて行い、
監視による電圧の変動が電圧降下であれば、前記電力変換部を制御して、前記電力降下に比例して有効電力の入力を減少させるために前記直流電源を放電させるか、前記電圧上昇に比例し進み力率の無効電力を入力させるか、あるいはその両方を組み合わせて行う、
請求項9に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記交流電源で発電される交流電力が一定周波数である場合、
前記電源安定化制御部は、
監視による周波数の変動が周波数上昇であれば、前記電力変換部を制御して、前記周波数上昇に比例して有効電力の入力を増加させるために前記直流電源を充電し、
監視による周波数の変動が周波数降下であれば、前記電力変換部を制御して、前記周波数降下に比例して有効電力の入力を減少させるために前記直流電源を放電させる、
請求項9に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記交流電源で発電される交流電力が一定周波数である場合、
前記電源安定化装置は、
監視による電圧の変動が電圧上昇であれば、前記電力変換部を制御して、前記電圧上昇に比例して遅れ力率の無効電力を入力させ、
監視による電圧の変動が電圧降下であれば、前記電力変換部を制御して、前記電圧降下に比例して進み力率の無効電力を入力させる、
請求項9に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 前記航空機は、油圧系統および抽気系統の少なくとも一方が電気化されており、
前記直流電源バスには、前記油圧系統および前記抽気系統のうち電気化された系統の制御器が接続されている、
請求項1に記載の航空機用電気系統安定化システム。 - 電源装置としての直流電源および交流電源と、当該交流電源に接続される交流電源バスと、前記直流電源に接続される直流電源バスと、前記交流電源バスを介して前記直流電源バスに電力を供給するために、少なくとも前記交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、を備え、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスを介して搭載機器に電力を供給する航空機の電気系統において、
前記直流電源として、前記搭載機器からの逆起電力を吸収し、かつ、前記電気機器における過渡的な必要電力を供給するよう構成されているものを用い、
前記交流電源バスおよび前記直流電源バスにおける電圧に基づいて、前記直流電源を充放電させることにより、前記交流電源バスおよび前記直流電源バスの電力を安定化させ、前記電気系統の安定化を図る、
航空機用電気系統安定化方法。
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