JP5396670B2 - 電気的ネットワークの管理方法 - Google Patents

Description

本発明は電気的ネットワークの管理方法に関する。本発明は従来以上の機上電気機器を備える、広幅機体の民間航空機のための航空学において特別な有用性を見出す。そのような機器は性質において大幅に変化し、そのエネルギー消費は時間と共に著しく変動する。例として、機内の空調及び照明システムは殆ど連続的に機能し、一方で操縦翼の制御のような冗長安全システムは、例外的にのみ使用される。

一般に、航空機はこれ以降負荷と呼ばれる全ての機上電気への電力供給を可能にする、三相電気エネルギー供給バスを備える。近年、三相電圧インバータにより給電される必要がある、高出力負荷（電動機又はＡＣのサブネットワーク）の出現に伴い、整流器を通じてＡＣバスから給電される高電圧ＤＣバスが航空機上に設置されている。これらの高電圧ＤＣバスは、「高電圧直流」（“Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ”）を表わすＨＶＤＣの名称により文献で良く知られている。これ以降、高電圧ＤＣバスをＨＶＤＣバスと呼ぶ。

様々な負荷が、電圧及び、電流の性質であるＡＣ又はＤＣに関して、様々なエネルギー供給を必要とし得る。本出願者の名前で出願された仏国特許出願公開第２ ８９９ ７３４号明細書において、エネルギー供給バスからの電気的エネルギーに関する、様々な負荷の瞬時的要求に応じてそれらに給電可能なコンバータの分散化が提案されている。

幾つかの問題が現在まだ解決されていない。電気的負荷の数の増加に伴い、それらの幾らかは時々電気エネルギーを回生し得る。現在、例えばジュール効果を通じて回生されるエネルギーの消散を可能にする抵抗のような、負荷によって生み出されるエネルギーを消散させるための、局部的手段を備えながら考慮される負荷のレベルにおいて、回生は局部的に考慮されている。航空機上の回生負荷の中には、例えば電気的に制御される操縦装置がある。操縦翼にブレーキをかけようとするとき、関連する操縦装置は電気エネルギーを回生する。

事実、バスにエネルギーを戻す負荷は、バスの不安定性を生じ得る。

本発明は、分散化されたコンバータを含むネットワークを管理するための、特定の方法を提案することによって、この問題を軽減することを意図している。

本発明の１つの目的は、一定の負荷により回生されたエネルギーを再使用せずに、その消散を避けることである。

本発明の別の目的は、コンバータと負荷との間の組合せの再構成を最小限にすることである。

航空機はまた、搭載発電機も外部発電機も利用出来ない場合に、一定の負荷に給電出来るようにするバッテリーを備える。特に、バッテリーは低電圧ＤＣバスを通じて、例えば操縦装置、ブレーキ、エンジンの逆推力、あるいはタービンの始動のような、一定のコンピュータ又は一定の決定的に重要な電気システムを支援しなければならない。本発明はまたこれらのバッテリーを、分散化されたコンバータにつなぐことを可能にする。

このために、本発明の主題は：
・電力供給バスと、
・バスの電気エネルギーを供給あるいは消費できる、幾つかの負荷と、
・バスと様々な負荷との間のエネルギー交換を可能にする、複数の可逆的コンバータと、
・コンバータと負荷との間の組合せ変更を可能にする切り換え手段と
を備える、電気的ネットワークの管理方法であって、
本方法は負荷がエネルギーを回生した場合、このエネルギーが他の負荷において消散されることを特徴とする。

本発明は例のために与えられ、添付図により例示されている実施形態の詳細記述を読むことによって更に良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。

本発明を利用する１つの例示的な電気的ネットワークを表わす。

本発明は、航空機において利用される電気的ネットワークに関連して記述されている。勿論、本発明を他の分野、とりわけ機上の電気的ネットワークを用いる分野において利用することが可能である。

図１は航空機、特に広幅機体の民間航空機に搭載される、各種の電気機器を図式的に表わす。この航空機はＭＧと称される２つの主発電機１０ａ及び１０ｂを有する。各発電機は航空機エンジンの内の１つにより駆動される。発電機１０ａ及び１０ｂは、航空機のエンジンが動作し、航空機のそれぞれ１１ａ及び１１ｂのＡＣバスに、例えば４００Ｈｚの周波数で１１５Ｖの電圧を供給するときに機能する。開放手段１２ａ及び１２ｂは、各発電機１０ａ及び１０ｂを関連するバス１１ａ及び１１ｂにつなぐ、リンクの開放を可能にする。各主発電機と組み合わされて、ＡＰＵと称される補助発電機１３ａ及び１３ｂが、１１５Ｖの電圧を対応するＡＣバス１１ａ及び１１ｂに供給するため、各発電機１３ａ及び１３ｂに専用のタービンによって駆動される。同様に、開放手段１４ａ及び１４ｂは、補助発電機１３ａ又は１３ｂを関連するバス１１ａ又は１１ｂにつなぐ、リンクの開放を可能にする。タービンは航空機の燃料を使用することにより機能し、そして航空機が地上にあるときに利用される。

航空機の機上には又、各バス１１ａ及び１１ｂに関連して動力キャビネット１５ａ及び１５ｂが設置される。このタイプのキャビネットは「パワーセンター」（“Ｐｏｗｅｒ Ｃｅｎｔｅｒ”）の名称により、文献において良く知られている。２つのキャビネット１５ａ及び１５ｂは類似であり、以下に続く記述を簡略にするため、１つだけが記述される。キャビネット１５ａは、ＡＣネットワーク１１ａに接続され、「高電圧直流（“Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ”）」を表わす略語に従って、ＨＶＤＣと称される高電圧ＤＣ電力供給バス２１ａへ直流電圧の給電を可能にする、整流器２０ａを含む。高電圧ＤＣバス２１ａ用に通常用いられる電圧は５４０Ｖである。

ＤＣバス２１ａは、切り換え手段３０ａを経由して負荷、例えば２６、２７に給電するよう各々が意図された幾つかのエネルギー・コンバータ２２ａ〜２４ａに給電する。図１の表現は概略的である。実際に、１つの負荷は幾つかのコンバータによって給電されることができ、あるいは１台のコンバータは幾つかの負荷に給電し得る。一定の負荷は直流電圧を供給されることができ、関連するコンバータはそのときＤＣバス２１ａの電圧を、考慮される負荷によって使用可能な電圧へと変換する。広幅機体の航空機において、４００Ｈｚの周波数で１１５Ｖの交流電圧を使用する多数の負荷が存在する。これらの負荷に給電するため、コンバータ２２ａ〜２４ａはインバータである。既知のインバータは可逆的であるという特定の機能を有する。

各コンバータ２２ａ〜２４ａは、各負荷の瞬時的な要求に応じて、及びコンバータ２２ａ〜２４ａの各々の稼働率に応じて、各種の負荷２６及び２７にリアルタイムで割り当てられ得る。切り換え手段３０ａは、コンバータ２２ａ〜２４ａと負荷２６及び２７との間の組合せをリアルタイムで変えることを可能にする。コンバータ２２ａ〜２４ａと負荷２６及び２７の組合せは、瞬時的な電流の要求及び、それが関連する負荷の瞬時的な制御モードに応じて行われる。負荷の制御モードは、実質的に負荷のタイプに依存する。航空機において通常利用される例として、速度、トルク又は位置の調整、防氷又は霜取り、一定出力での運転、及びエンジン制御用の様々な方策（磁束除去、センサー有り又は無しでの制御）が挙げられ得る。

切り換え手段３０ａは、例えば各コンバータをそれと適合し得る全ての負荷と組合せることを可能にする、電気的に制御されるスイッチを備える。「適合し得る」とは幾つかの負荷が、とりわけ例えば４００Ｈｚの周波数で１１５Ｖの電圧の同じ電源を必要とするとき、同じコンバータの助けにより動作できる事実を意味する。コンバータは、その構成要素が互換性のあるグループを形成する、同一の電源を生み出すことを可能にする。グループの様々な構成要素は、同一であることが有利である。これはコンバータの製作を標準化することにより、それらの製作コストを低減し、１つだけのタイプのコンバータの在庫を持つことにより、航空機の保守の単純化を可能にする。以下に見られるように、或るタイプのコンバータはコンバータの動作モードに応じて、幾つかの異なる電源を生み出し得る。従って、同一のグループのコンバータを用いて、例えば１１５Ｖ、４００Ｈｚの交流電圧で動作する負荷と、例えばバッテリーのような直流電圧で動作する負荷を組み合わせることが可能である。

グループは、そのグループにより給電され得る負荷の瞬時的な要求に応じて再構成が可能である。各負荷に専用のコンバータは必要ではない。事実、負荷は全て同時には動作しない。同一のグループのコンバータの数は、１つのグループに関係する負荷の集まりが消費できる瞬時的な最大電力に応じて定義される。この電力は各負荷の最大出力の合計よりも小さい。切り換え手段３０ａは、従って機上のコンバータの数と、それ故これらコンバータの質量の低減を可能にする。

さらに、再構成は負荷の稼働率改善を可能にする。事実、１つのコンバータが故障した場合、同じグループの別のコンバータが所与の負荷に給電するため、直ちに交代することができる。例えば操縦翼の制御のような、一定の決定的に重要な負荷は、従ってその点に関しては、これらの制御のみに専用のコンバータの冗長性を必要とせずに、安定した電源で動作可能である。同一グループのコンバータの集まりは、そのとき負荷の１つのグループに給電できる共通の手段を形成する。同一の共通手段の内部では、それを構成する各種のコンバータは区別されない。

ネットワークの特定の負荷は、切り換え手段３０ａを経由してコンバータの１つに接続された、例えばバッテリーなどのエネルギー蓄積要素、キャパシタ、あるいはスーパーキャパシタ３５ａで構成される。航空機の従来のやり方においては、公称電圧がＤＣ２８Ｖのバッテリーを用いることが知られている。本発明の実施のためには、他のバッテリー電圧が勿論可能である。５４０ＶのＤＣバス２１ａに基づき、コンバータ２２ａが、エネルギー蓄積要素３５ａに給電できる第２のＤＣバス３３ａに直接２８Ｖの直流電圧を供給するような方法で、コンバータ２２ａを動作させることが可能である。第２のバス３３ａとエネルギー蓄積要素３５ａとの間に、バッテリーを充電する電流の調整を可能にする、バッテリー充電器を挿入することができる。エネルギー蓄積要素３５ａを充電するため、コンバータ２２ａとエネルギー蓄積要素３５ａとの間に、変圧及び整流ユニットを挿入することもまた有利である。

このユニットは「変圧器−整流器ユニット」（“Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｕｎｉｔ”）の名称で文献において良く知られており、以降「ＴＲＵ」と呼ばれる。ＴＲＵは航空機のＡＣバスにより給電され、２８Ｖの直流電圧を供給する。ＴＲＵは一般に、航空機のＡＣネットワークの周波数、例えば３００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの間で動作する変圧器を備える。ＴＲＵは１１５Ｖ、４００Ｈｚの交流電圧を給電され、２８Ｖの直流電圧を供給する。ＴＲＵの使用は、５４０Ｖの直流電圧を受電するインバータとして使用される、コンバータ２２ａの動作を容易にする。切り換え手段３０ａにより、コンバータの内の１つと組み合わされ得る負荷として、ＴＲＵ及びエネルギー蓄積要素３５ａにより形成される集まりを考えることが可能である。

負荷２７はエネルギーを消費できるか、又は電気エネルギーを発生できることが想定される。本発明によれば、負荷２７がエネルギーを回生するとき、このエネルギーは負荷２７と関連するコンバータによってバス２１ａに戻される。コンバータは双方向性であり、負荷２７が消費する期間と負荷２７がエネルギーを消散させる期間との間に、切り換え手段３０ａによって実行される組合せ変更の必要はない。

示されている例において、負荷２７はそれが負荷２６に向けて回生するエネルギーを消散する。全体的に、バス２１ａはエネルギー消費体である。言い換えれば、バス２１ａにつながれるエネルギー消費負荷は、とりわけ整流器２０ａを通じて、及び回生負荷２７を通じて、バス２１ａが受ける全てのエネルギーを消費できる。

回生されたエネルギーが他の負荷において消散され得ない場合、有利なことに、この瞬間に負荷２６、バッテリー３５は充電される。ここで再度、切り換え手段３０ａによって実行される組合せ変更の必要はない。

第１のパワーセンター、この場合センター１５ａに関して、回生された電力がセンター１５ａに関連する他の負荷において消散され得ない場合、有利なことに、回生負荷２７は第２のパワーセンター１５ｂのバス２１ｂに向けて、その電力を消散させる。このために、回生された電力を、コンバータ２２ａ、２３ａ、又は２４ａの内の１つを介してバス２１ａに向けて、あるいは、コンバータ２２ｂ、２３ｂ、又は２４ｂの内の１つを介してバス２１ｂに向けて、回生された電力を消散できるように、負荷２７は同一時点において、切り換え手段３０ａ及び３０ｂに接続される。

回生されたエネルギーが他の負荷において消散され得ない場合、パワーセンターの内の１つのエネルギー蓄積要素（３５ａ、３５ｂ）の１つは充電される。

Claims (3)

1. 各自のパワーセンターが幾つかの負荷（２６、２７、２８）に給電出来るようにする、２つのパワーセンター（１５ａ、１５ｂ）をネットワークが備えることを特徴とする、電気的ネットワークの管理方法であって、各パワーセンター（１５ａ、１５ｂ）が：
   ・電力供給バス（２１ａ、２１ｂ）と、
   ・バス（２１ａ、２１ｂ）と様々な負荷（２６、２７、２８）との間のエネルギー交換を可能にする、複数の可逆的コンバータ（２２、２３、２４）と、
   ・前記コンバータ（２２、２３、２４）と前記負荷（２６、２７、２８）との間の組合せ変更を可能にする切り換え手段（３０）と、
   ・エネルギー蓄積要素（３５ａ、３５ｂ）とを含み、
   前記第１のパワーセンター(１５ａ)に関して、回生された電力が前記第１のセンター（１５ａ）に関連する他の負荷（２６、３５ａ）において消散され得ない場合、回生負荷（２７）が前記第２のパワーセンター（１５ｂ）のバス（２１ｂ）に向けて、その電力を消散させることを特徴とする方法。
2. 回生されたエネルギーが他の負荷において消散され得ない場合、前記エネルギー蓄積要素（３５ａ、３５ｂ）の内の１つが充電されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ネットワークが航空機に装備されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の方法。

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