WO2010052338A1 - Leistungsverteilungs-vorrichtung zum verteilen von leistung und verfahren zum verteilen von leistung - Google Patents

Leistungsverteilungs-vorrichtung zum verteilen von leistung und verfahren zum verteilen von leistung Download PDF

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WO2010052338A1
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power distribution
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Carsten Koeppen
Sebastian Thiel
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Airbus Operations Gmbh
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/30—Special adaptation of control arrangements for generators for aircraft

Definitions

  • Power distribution device for distributing power and method for distributing power
  • the present invention relates to a power distribution apparatus for distributing power and method for distributing power.
  • AC grids are known at a constant grid frequency.
  • variable frequency AC grids and, thirdly, DC grids are known.
  • the first approach of the constant frequency AC mains described above has the particular advantage over variable frequency ones in that all those loads which are to be operated at the same voltage and speed during the flight of the aircraft can be connected directly to the power distribution network ,
  • These consumers are for example fuel pumps, hydraulic pumps or fans.
  • IDG integrated drive generators
  • VFGs variable speed generators
  • the DC voltage network is an alternative to the AC voltage networks.
  • DC motors or DC generators with commutators should not be used in commercial aircraft, since these are very maintenance-prone and thus cost-intensive due to the required carbon brushes, brushless DC technology is used ,
  • the generator or motor is operated with alternating voltage, which is generated by special motor control devices from a DC voltage network, for example, 270 V.
  • the document US 4,357,524 shows an electric heating control device for heating control of an aircraft window. Furthermore, the document DE 198 21 952 C2 describes a power supply unit on board an aircraft.
  • a power distribution apparatus for distributing power, in particular in an aircraft, comprising: a number N1 of conversion devices having a respective cascade generator for converting a first portion of a provided mechanical power into a first electrical power having an AC voltage a constant amplitude and constant frequency and having a respective frequency converter for providing a second electrical power having the constant amplitude, constant frequency alternating voltage in response to a second portion of the provided mechanical power; a number N2 of constant-frequency buses for respectively transmitting the constant-frequency electric power provided by the at least one converting means to a number N3 of consumers including at least a number N4 of consumers to be regulated in power consumption; and a number N4 of control devices, the respective control device being coupled between the respective load to be regulated and the constant frequency bus and is set up to regulate the power consumption of the consumer to be regulated.
  • a method for distributing power comprising the following steps: a) providing a number N 1 of conversion devices with a respective cascade generator for converting a first part of a provided mechanical power into a first electrical power an AC voltage having a constant amplitude and at a constant frequency and having a respective frequency converter for providing a second electrical power with the AC voltage having the constant amplitude and the constant frequency in response to a second part of the provided mechanical power; b) providing a number N2 of constant frequency buses for respectively transmitting the constant frequency electrical power provided by the at least one conversion device to a number N3 of consumers including a number N4 of consumers to be regulated in power consumption; c) arranging a respective control device between the respective load to be controlled and the constant frequency bus; and d) controlling the power consumption of the controlled consumer ⁇ Chers by means of the control device is arranged.
  • An advantage of the present invention is that the power distribution device according to the invention or the method according to the invention for distributing the power Advantages of a constant frequency network and combines the advantages of a generator without constant speed gearbox. Furthermore, it is possible according to the invention to couple a fuel cell as an additional energy source to the power distribution device according to the invention.
  • Another advantage of the present invention is that, for the power distribution apparatus according to the invention, only a single type of network, namely a constant frequency mains alternating current network, is used for the power distribution and thus no transformations between power grids are required. This advantageously means significantly reduced energy losses in the power distribution network according to the invention or in the power distribution device according to the invention.
  • the architecture of the power distribution device according to the invention results in greatly reduced power in relation to the total power provided, which would have to be conducted via converters. As a result, they can also be designed correspondingly smaller, which allows a further reduction in energy losses. This advantageously causes a minimization of the required effort for cooling measures, and ultimately also reduces the overall mass of the aircraft and thus the resulting costs.
  • the power distribution device can also integrate one or more fuel cells in its network architecture, which make it possible to flexibly adjust the power provided to the individual buses to the power requirements of the connected consumers. This results in an improved utilization of existing power and increased redundancy.
  • the use of a three-phase system, such as the constant frequency AC power grid of the present invention allows the provision of three different voltage systems as the only type of network without the need for dedicated conversion. It is thus a more efficient adaptation to the needs of the connected loads possible, as for example in a DC voltage network.
  • the proposed architecture of the power distribution apparatus of the present invention can thus reduce the complexity of the network for powering the aircraft.
  • a separate control device or regulating device is provided for each consumer to be regulated, which is dimensioned precisely for this. This results in a reduced development effort and a separate design of the individual control devices is possible.
  • cascade generators are used, which on the in the publication Fräger, Carsten: “Novel cascade machine for brushless speed control drives with low power converter effort", Dusseldorf, VDI-Verlag, 1995, and on in US Pat. No. 7,045,925 B2 based on the generator concept and its generator-like applicability in Fräger, Carsten, "Cascade generator for wind power plants", drive and circuit technology,
  • the advantage of this arrangement lies in the fact that the main power of the generator with the synchronous frequency of the generator, whose shaft is coupled to the engine of the aircraft, is fed directly into the network and only the differential power must be routed through the frequency converter. This allows it to be made considerably smaller, thus reducing the thermal losses and the mass.
  • the engine, the generator and the intermediate transmission are preferably designed such that the generator is driven at synchronous speed when the engine rotates at cruising speed.
  • the AC power supply of the invention is proposed with a constant frequency, since this is very suitable for the operation of consumers, such as motors or cascade motors, and also provides without a reversal three different voltage systems.
  • These are preferably the full three-phase three-phase system, a single-phase AC system with the outer conductor voltage and a similar one with a factor of 1 / -J ⁇ smaller voltage.
  • the voltage level for the buses can preferably be adjusted freely, but provides a mains voltage of 230/400 volts to achieve compared to conventional 115/200-volt networks smaller currents and thus a lower cable mass. This provides various voltage systems for using different voltages for each consumer.
  • each consumer can be supplied with the most suitable voltage for this, whereby the overall system can be further optimized.
  • the coupling of at least one low voltage DC voltage network with a preferred voltage of 28 volts is proposed, for example, to power the avionics and other electrical control and supervisory units.
  • a power supply device is provided with a plurality of power supply units for respectively providing the constant frequency electrical power, wherein the respective power supply unit acts as a power supply unit N1 of the conversion means and / or one of a number N5 of fuel cells and / or one of a number N6 of terminals for coupling an external power source for providing a constant frequency electric power.
  • a fuel cell basically supplies DC voltage, a conversion is required here in order to allow a feed into the intended AC power supply with a constant frequency.
  • the fuel cell is preferably designed so that the delivered voltage can be converted by pure inversion into the selected mains voltage and no transformer is required.
  • a controllable switching device is provided, which is set up for switching a respective power supply unit to a respective one of the number N2 of the constant frequency buses.
  • the switching device or switching logic according to the invention it is possible to supply each of the existing buses from each of the sources of the power supply device.
  • two engine generators should not feed the same bus at the same time or be connected to the external supply, as this synchronization of the actual voltage and phase would be required to prevent damage to the components.
  • the present invention dispenses in this area with a coupling of the networks.
  • both a bus may be supplied by a fuel cell stack alone and a fuel cell stack combined with one of the other sources.
  • the inverter is preferably operated in the first case as a self-commutated inverter and in the second case, when combined with another source, as a foreign-guided inverter.
  • the number N4 of consumers to be regulated with regard to their power consumption has a first quantity Ul of cascade motors to be controlled and a second quantity U2 of consumers to be regulated, which can be regulated within a range of 0% to 100% of their power consumption.
  • the respective control device which is arranged coupled between the respective constant-frequency bus and the respective cascade motor, designed as a frequency converter.
  • the respective control device which between the respective constant-frequency bus and a respective one of the second set U2 is arranged coupled to the load to be controlled, designed as a phase control.
  • the number N3 of the consumers includes the number N4 of the consumers to be regulated with respect to their power consumption and a number N7 of unregulated consumers.
  • Unregulated consumers which should only be switched on and off, can be connected directly to the respective bus.
  • the connected motors as exemplary loads then rotate at a constant speed, as they are supplied directly by the constant frequency network. All other non-regulated or unregulated consumers are supplied with a constant voltage and constant frequency.
  • the consumers to be regulated are regulated within different operating points. These then require a conversion by means of the corresponding control device, the structure of which depends on how large the required control range is. If the factor between minimum and maximum required speed of the motor is less than or equal to 2, then the above-described concept of the cascade motor is used.
  • the power to be converted can be considerably reduced and the converter designed correspondingly small.
  • a phase control is used, which allows a relatively effective conversion of the AC voltage of the bus in the voltage required in the respective control state.
  • the number N2 of the constant frequency buses includes a first set M1 of main buses and a second set M2 of emergency buses.
  • the controllable switching device switches the respective power supply unit to a respective one of the number N2 of the constant frequency buses as a function of a determined load distribution.
  • the appropriate selection of the inverters for the fuel cell preferably allows both a bus to be powered by a single fuel cell stack and a fuel cell stack combined with another source.
  • the inverter can be operated as a self-commutated inverter and in the second case when combined with another source as an externally controlled inverter.
  • a number N5 of fuel cells is provided, wherein the respective fuel cell is coupled to the switching device by means of an inverter.
  • the respective inverter is designed as a foreign-guided inverter.
  • At least one transformer rectifier device is provided, which couples one of the number N2 of the constant frequency buses to a low-voltage DC voltage network.
  • the number of transformer rectifier devices is equal to N2.
  • At least one mechanical provisioning device is provided for providing the mechanical power, which preferably comprises an engine of the aircraft.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of one embodiment of a power distribution apparatus for distributing power in an aircraft
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram of one embodiment of a method for distributing power in an aircraft.
  • the power distribution device 1 has a number N 1 of conversion devices 2, a number N 2 of constant frequency buses 5, 6, and a number N 4 of control devices 13, 14.
  • the conversion device 2 has a cascade generator 3 and a frequency converter 4 coupled to the cascade generator 3.
  • the cascade generator 3 is designed for converting, in particular for direct conversion, of a first part of a mechanical power provided into a first electrical power II having an alternating voltage with a constant amplitude and at a constant frequency.
  • the frequency converter 4 is for providing a second electric power 12 having the constant amplitude, constant frequency alternating voltage in response to a second part the provided mechanical power so that deviations of the rotational speed of the input shaft are compensated by the synchronous speed.
  • the power 13 as the output power of the conversion device 2 according to FIG. 1 is the sum of the first electrical power Il and the second electric power 12.
  • the respective constant-frequency bus 5, 6 is arranged to transmit the constant-frequency electrical power 13 provided by the at least one conversion device 2 to a number N3 of consumers 7-12, which has at least a number N4 of consumers to be regulated with regard to their power consumption 11, 12 includes.
  • the respective control device 13, 14 is arranged coupled between the respective load to be controlled 11, 12 and the respective constant-frequency bus 5, 6.
  • the regulating device 13, 14 is set up to regulate the power consumption of the consumer 11, 12 to be regulated.
  • the power distribution device 1 preferably has a power supply device 15 with a plurality of power supply units 2, 16-19.
  • the respective power supply unit 2, 16-19 is, for example, a conversion device 2, a fuel cell 16, 17 or a connection 18, 19 for coupling an external power source to provide a constant frequency electrical power.
  • the power distribution device 1 preferably has a controllable switching device 20, which is set up for switching a respective power supply unit 2, 16-19 to a respective one of the number N2 of the constant frequency buses 5, 6.
  • the controllable switching device 20 preferably switches as a function of a specific or determined load distribution within the network.
  • the number N4 of the consumers 11, 12 to be regulated with respect to their power consumption has a first quantity Ul of cascade motors 11 to be regulated and a second quantity U2 of consumers 12 to be regulated, which are adjustable in a range from 0 to 100% of their power consumption are rules.
  • the respective control device 14 which is arranged coupled between the respective constant-frequency bus 5, 6 and a respective one of the second set U2 of the load to be controlled 12, as a phase control 14 is formed.
  • the number N3 of consumers 7-12 has the number N4 of consumers to be regulated in terms of their power consumption 11, 12 and a number N7 of unregulated consumers 7-10.
  • the unregulated consumers 7-10 include, for example, a fuel pump or a hydraulic pump.
  • the number N2 of the constant frequency buses 5, 6 comprises a first set M1 of main buses 5 and a second set M2 of emergency buses 6.
  • the power distribution device 1 has a number N8 of fuel cells 16, 17, wherein the respective fuel cell 16, 17 by means of an inverter 21, 22 with the switching device 20 is coupled.
  • the respective inverter 21, 22 is preferably designed as a foreign-guided inverter.
  • the power distribution device 1 may preferably have a number of transformer rectifier devices 23-25, the respective transformer rectifier device 23-25 having one of the number N2 of the constant frequency buses 5, 6 with at least one low-voltage direct current voltage.
  • Network 26 couples.
  • the low-voltage direct-voltage network 26 preferably comprises DC voltage buses 27, batteries 29 and a corresponding consumer, such as the avionics 28.
  • mechanical power for the power distribution device 1 is provided coupled from a number of engines of the aircraft.
  • the coupling preferably takes place between one of the engines and at least one of the number N 1 of conversion units via a mechanical shaft.
  • a number Nl of conversion devices 2 is provided.
  • the respective conversion device 2 has a cascade generator 3 for converting a first part of a provided mechanical power into a first electrical one Power Il with a constant amplitude, constant frequency alternating voltage and with a respective frequency converter 4 for providing a second electrical power 12 with the constant amplitude and constant frequency alternating voltage in response to a second part of the provided mechanical power, such that Deviations of the speed of the input shaft from the synchronous speed can be compensated.
  • the number N3 of consumers 7-12 comprises at least a number N4 of consumers 11, 12 to be regulated in terms of their power consumption.
  • a controllable switching device 20 is provided, which is set up for switching a respective conversion device 2 to a respective constant-frequency bus 5, 6.
  • a power supply device 15 is preferably provided with a plurality of power supply units 2, 16-19 for respectively providing the constant-frequency electrical power 13, the respective power supply unit being provided as one of the number N1 of the conversion unit.
  • Devices 2 and / or as one of a number N5 of fuel cells 16, 17 and / or as one of a number N6 of terminals 18, 19 for coupling an external power source for providing a constant-frequency electric power is formed.
  • the controllable switching device or circuitry preferably for switching a respective examrgnas- unit 2, 16-19 set to a respective one of the number N2 of the constant frequency buses 5.6.
  • a respective control device 13, 14 is arranged between the respective consumer to be controlled 11, 12 and the respective constant-frequency bus 5, 6.
  • the power consumption of the consumer 11, 12 to be regulated is regulated by means of the arranged regulating device 13, 14.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Leistungsverteilungs- Vorrichtung zum Verteilen von Leistung und ein Verfahren zum Verteilen von Leistung. Die Leistungsverteilungs-Vorrichtung zum Verteilen von Leistung, insbesondere in einem Flugzeug, hat eine Anzahl N1 von Wandlungs-Einrichtungen mit einem jeweiligen Kaskadengenerator zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung; eine Anzahl N2 von Konstantfrequenz-Bussen zum jeweiligen Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern, welche zumindest eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern beinhaltet; und eine Anzahl N4 von Regelungseinrichtungen, wobei die jeweilige Regelungseinrichtung zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher und dem Konstantfrequenz-Bus gekoppelt angeordnet ist und zum Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrauchers eingerichtet ist.

Description

Leistungsverteilungs-Vorrichtung zum Verteilen von Leistung und Verfahren zum Verteilen von Leistung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsverteilungs- Vorrichtung zum Verteilen von Leistung und Verfahren zum Verteilen von Leistung.
Obwohl auf beliebige Bereiche anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug mit einem Flugzeug oder mit einem Passagierflugzeug näher erläutert.
Herkömmliche elektrische Leistungsverteilungs-Vorrichtungen oder Leistungsverteilungs-Netzwerke lassen sich in drei wesentliche Gruppen einteilen. Erstens sind Wechselspannungsnetze mit einer konstanten Netzfrequenz bekannt. Zweitens sind Wechselspannungsnetze mit variabler Frequenz und drittens sind Gleichspannungsnetze bekannt.
Der erste oben beschriebene Ansatz des Wechselspannungsnetzes mit konstanter Frequenz hat gegenüber einem solchen mit variabler Frequenz insbesondere den Vorteil, dass alle diejenigen Verbraucher, die während des Fluges des Flugzeuges mit gleichbleibender Spannung und Drehzahl betrieben werden sollen, direkt an das Leistungsverteilungs-Netzwerk angeschlossen werden können. Diese Verbraucher sind beispielsweise Kraftstoffpumpen, Hydraulikpumpen oder Ventilatoren.
Diese Verbraucher sind dazu eingerichtet, mit konstanter Drehzahl zu arbeiten. Dies ist bei einem direkten Anschluss an ein Konstantfrequenz-Netzwerk automatisch der Fall. Bei Netzen mit variabler Frequenz müssen nachteiligerweise Umrichter eingesetzt werden. Diese reduzieren die Effizienz und erhöhen neben dem technischen Mehraufwand auch die Kosten und die Gesamtmasse des Flugzeuges.
Um ein Konstantfrequenz-Netz aufbauen zu können, werden herkömmlicherweise so genannte Integrated-Drive-Generatoren (IDG) eingesetzt, die im Wesentlichen aus einem Konstantdrehzahlgetriebe und einem Generator bestehen. Hierbei erfolgt die Wandlung von einer variablen Drehzahl auf eine konstante Drehzahl auf der mechanischen Eingangsseite des Generators. Weiter ist es wichtig, dass während des Fluges für das Flugzeug auch unterschiedliche elektrische Energiequellen verfügbar sind, um heutige und auch zukünftige Anforderungen zu erfüllen .
Dies ist allein mit einem Triebwerksgenerator nicht möglich und erfordert die Kombination anderer Energiequellen.
Bei neueren Entwicklungen, wie z.B. beim Airbus A380, wurden die IDG durch Generatoren ohne Konstantdrehzahlgetriebe, so genannte Variable-Frequency-Generatoren (VFG) , ersetzt, welche die erforderliche Drehzahlbandbreite, beispielsweise Faktor 2, abdecken und ein entsprechendes Netz mit variabler Frequenz aufbauen können. Dies erspart zwar den Aufwand des IDG, erfordert aber an vielen Verbrauchern zusätzlich Umrichter, was sich wiederum nachteilig auf die Anschaffungskosten, die Service-Kosten und die Gesamtmasse sowie die Betriebszuverlässigkeit auswirken kann.
Wie oben bereits ausgeführt, stellt das Gleichspannungsnetz eine Alternative zu den Wechselspannungsnetzen dar. Da jedoch keine Gleichspannungsmotoren oder Gleichspannungsgeneratoren mit Kommutatoren in Verkehrsflugzeugen eingesetzt werden sollten, da diese durch die erforderlichen Kohlebürsten sehr wartungsanfällig und damit kostenintensiv sind, wird auf die bürstenlose Gleichspannungs-Technologie zurückgegriffen. Dabei wird der Generator oder Motor mit Wechselspannung betrieben, welche durch spezielle Motor-Steuereinrichtungen aus einem Gleichspannungsnetz, z.B. 270 V, erzeugt wird.
Bei der Kombination eines Gleichspannungsnetzes mit einem Wechselspannungsgenerator auf der einen Seite und einem bürstenlosen Gleichspannungsmotor auf der anderen Seite resultiert eine so genannte Mehrfachumrichtung der Leistung. Aus der Wechselspannung der Generatoren wird über einen Gleichrichter zunächst eine Gleichspannung erzeugt, die dann entsprechend zu den Motor-Steuereinrichtungen der betroffenen Komponenten verteilt wird. Diese Mehrfachumrichtung verursacht nachteiligerweise jedoch zusätzliche Energieverluste und erfordert zusätzlichen technischen Aufwand, welcher nachteiligerweise zusätzliche Anschaffungs- und Service- Kosten und eine zusätzliche Masse verursachen kann.
Diese Motor-Steuereinrichtungen erzeugen dann die individuelle Wechselspannung zum Antrieb und zur Steuerung des eigentlichen Motors.
Derartige Gleichspannungsnetze haben allerdings den Nachteil, dass bei Schaltvorgängen Lichtbögen entstehen können, die nicht von selbst erlöschen, sondern deren Unterdrückung komplexe Schaltelemente erfordern.
Diese zusätzlich erforderlichen Schaltelemente verursachen nachteiligerweise zusätzliche Anschaffungs- und Service- Kosten und verursachen weiter eine zusätzliche Masse. Weiter sind diese erforderlichen Schalteinheiten noch nicht in vollem Umfang in der Luftfahrt einsetzbar, weil sie die luftfahrttechnische Service-Serienreife noch nicht in dem erforderlichen Maße erreicht haben.
In den Druckschriften US 5,977,645 A, US 7,116,003 B2 und US 7,210,653 B2 sind Kombinationen der oben beschriebenen Netze beschrieben. Weiter sind in den Druckschriften US 3,571,693 A, US 5,627,744 A und US 7,045,925 B2 Konstantfrequenz-Netze beschrieben, bei welchen die Wandlung von variabler in konstante Frequenz auf der elektrischen Ausgangsseite des Generators erfolgt.
Die Druckschrift US 4,357,524 zeigt eine elektrische Heiz- Steuervorrichtung zur Heizsteuerung eines Flugzeugfensters. Weiter beschreibt die Druckschrift DE 198 21 952 C2 eine Energieversorgungseinheit an Bord eines Luftfahrzeuges.
Insgesamt ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Verteilung von Leistung in einem Flugzeug zu schaffen .
Demgemäß wird eine Leistungsverteilungs-Vorrichtung zum Verteilen von Leistung, insbesondere in einem Flugzeug, vorgeschlagen, welche aufweist: eine Anzahl Nl von Wandlungs-Einrichtungen mit einem jeweiligen Kaskadengenerator zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung; eine Anzahl N2 von Konstantfrequenz-Bussen zum jeweiligen Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern, welche zumindest eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern beinhaltet; und eine Anzahl N4 von Regelungseinrichtungen, wobei die jeweilige Regelungseinrichtung zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher und dem Konstantfrequenz-Bus gekoppelt angeordnet ist und zum Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrauchers eingerichtet ist.
Weiter wird ein Flugzeug mit einem Leistungsverteilungsnetz vorgeschlagen, welches eine wie oben erläuterte Leistungsver- teilungs-Vorrichtung aufweist.
Ferner wird ein Verfahren zum Verteilen von Leistung, insbesondere in einem Flugzeug, vorgeschlagen, das folgende Schritte hat: a) Bereitstellen einer Anzahl Nl von Wandlungs- Einrichtungen mit einem jeweiligen Kaskadengenerator zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung; b) Bereitstellen einer Anzahl N2 von Konstantfrequenz- Bussen zum jeweiligen Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern, welche eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern beinhaltet; c) Anordnen einer jeweiligen Regelungseinrichtung zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher und dem Konstantfrequenz-Bus; und d) Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrau¬ chers mittels der angeordneten Regelungseinrichtung.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die erfindungsgemäße Leistungsverteilungs-Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Verteilen von Leistung die Vorteile eines Konstantfrequenz-Netzes und die Vorteile eines Generators ohne Konstantdrehzahlgetriebe kombiniert. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, eine Brennstoffzelle als zusätzliche Energiequelle an die erfindungsgemäße Leistungs- verteilungs-Vorrichtung zu koppeln.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass für die erfindungsgemäße Leistungsverteilungs- Vorrichtung nur ein einzelner Netzwerktyp, nämlich ein Wechselspannungsnetz mit konstanter Netzfrequenz, für die Leistungsverteilung verwendet wird und somit keine Umformungen zwischen Leistungsnetzen erforderlich sind. Dies bedeutet vorteilhafterweise deutlich verringerte Energieverluste in dem erfindungsgemäßen Leistungsverteilungsnetz bzw. in der erfindungsgemäßen Leistungsverteilungs-Vorrichtung.
Als weiterer Vorteil ergibt sich aus der Architektur der erfindungsgemäßen Leistungsverteilungs-Vorrichtung eine im Verhältnis zur gesamten bereitgestellten Leistung stark verminderte Leistung, welche über Umrichter geführt werden müsste. Dadurch lassen sich diese auch entsprechend kleiner auslegen, was eine weitere Verringerung der Energieverluste ermöglicht. Dies verursacht vorteilhafterweise eine Minimierung des erforderlichen Aufwandes für Kühlungsmaßnahmen, und letztendlich reduziert dies auch die Gesamtmasse des Flugzeuges und damit die entstehenden Kosten.
Wie im Weiteren noch ausgeführt werden wird, kann die Leistungsverteilungs-Vorrichtung auch eine oder mehrere Brennstoffzellen in ihrer Netzwerkarchitektur integrieren, welche es ermöglichen, die den einzelnen Bussen zur Verfügung gestellte Leistung flexibel dem Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher anzupassen. Dabei ergibt sich eine verbesserte Ausnutzung der vorhandenen Leistung und eine erhöhte Redundanz. Weiter ermöglicht die Verwendung eines Drehstromsystems, wie dem erfindungsgemäßen Wechselstromnetz mit konstanter Frequenz, als einzigem Netzwerktypen die Bereitstellung von drei verschiedenen Spannungssystemen, ohne dass eine eigens vorgesehene Umrichtung erforderlich wäre. Es ist somit eine effizientere Anpassung an die Erfordernisse der angeschlossenen Verbraucher möglich, als beispielsweise bei einem Gleichspannungsnetz .
Insgesamt kann damit durch die vorgeschlagene Architektur der Leistungsverteilungs-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Komplexität des Netzwerkes für die Leistungsversorgung des Flugzeuges reduziert werden.
Erfindungsgemäß ist für jeden zu regelnden Verbraucher eine eigene Regelvorrichtung oder Regelungseinrichtung vorgesehen, welche genau für diesen dimensioniert wird. Es ergibt sich ein reduzierter Entwicklungsaufwand und eine separate Auslegung der einzelnen Regelungseinrichtungen ist möglich.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden, wie oben beschrieben, so genannte Kaskaden-Generatoren verwendet, welche auf dem in der Veröffentlichung Fräger, Carsten: "Neuartige Kaskadenmaschine für bürstenlose Drehzahlstellantriebe mit geringem Stromrichteraufwand", Düsseldorf, VDI-Verlag, 1995, und auf dem in der Druckschrift US 7,045,925 B2 beschriebenen Motorkonzept beruhen und deren generatorische Anwendbarkeit in Fräger, Carsten, "Kaskadengenerator für Windenergieanlagen", Antriebs- und Schaltungstechnik,
Vol. S2/2006, Berlin, VDI-Verlag, gezeigt ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt dabei darin, dass die Hauptleistung des Generators mit der synchronen Frequenz des Generators, dessen Welle mit dem Triebwerk des Flugzeuges gekoppelt ist, direkt in das Netz eingespeist wird und lediglich die Differenzleistung über den Frequenzumrichter geführt werden muss. Damit kann dieser erheblich kleiner ausgelegt werden und reduziert damit die thermischen Verluste und die zu installie- rende Masse. Das Triebwerk, der Generator und das zwischengeschaltete Getriebe werden dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass der Generator mit synchroner Drehzahl angetrieben wird, wenn das Triebwerk mit Reiseflugdrehzahl dreht.
Für die Busse, nämlich die Konstantfrequenz-Busse, wird das erfindungsgemäße Wechselstromnetz mit konstanter Frequenz vorgeschlagen, da diese für den Betrieb von Verbrauchern, wie Motoren oder Kaskadenmotoren, sehr geeignet ist und darüber hinaus ohne eine Umrichtung drei verschiedene Spannungssysteme zur Verfügung stellt. Diese sind vorzugsweise das volle dreiphasige Drehstromsystem, ein einphasiges Wechselspannungssystem mit der Außenleiterspannung und ein ebensolches mit einer um den Faktor 1/-JΪ kleineren Spannung. Das Spannungsniveau für die Busse kann vorzugsweise frei eingestellt werden, jedoch bietet sich eine Netzspannung von 230/400 Volt an, um im Vergleich zu herkömmlichen 115/200-Volt-Netzen kleinere Ströme und damit eine geringere Kabelmasse zu erzielen. Dadurch werden verschiedene Spannungssysteme für die Verwendung verschiedener Spannungen für die einzelnen Verbraucher bereitgestellt. Danach kann jeder Verbraucher mit der für diesen am besten geeigneten Spannung versorgt werden, wodurch das Gesamtsystem weiter optimiert werden kann. Zusätzlich zu den Konstantfrequenz-Bussen wird die Ankoppelung zumindest eines Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerkes mit einer bevorzugten Spannung von 28 Volt vorgeschlagen, um beispielsweise die Avionik und weitere elektrische Steuerungsund Kontrolleinheiten zu versorgen.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Leistungsbe- reitstellungs-Einrichtung mit einer Mehrzahl von Leistungsbe- reitstellungs-Einheiten zum jeweiligen Bereitstellen der e- lektrischen Leistung mit konstanter Frequenz vorgesehen, wobei die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit als eine der Anzahl Nl der Wandlungs-Einrichtungen und/oder als eine einer Anzahl N5 von Brennstoffzellen und/oder als eine einer Anzahl N6 von Anschlüssen zur Kopplung einer externen Stromquelle zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz ausgeführt ist.
Für die Anschlüsse zur Koppelung einer oder mehrerer externer Stromquellen müssen vorteilhafterweise keine Umrichter vorgesehen werden, da das erfindungsgemäße Konzept vorsieht, dass jegliche Umwandlung bezüglich der externen Versorgung am Boden in einer entsprechenden Bodenversorgungseinrichtung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass Komponenten, welche nur am Boden benötigt werden, nicht im Flugzeug mitfliegen und dadurch nicht unnötig den Kraftstoffverbrauch des Flugzeuges erhöhen sowie erhöhte Entwicklungs- und Wartungskosten für das Flugzeug verursachen. Vor allem bei Langstreckenflugzeugen ist dies von Vorteil und durch die vergleichsweise geringe Anzahl an angeflogenen Großflughäfen auch gut realisierbar. Die oben angesprochene Integration einer oder mehrerer Brennstoffzellen dient dazu, die Forderung nach einer zweiten unabhängigen Energiequelle zu erfüllen. Diese kann dann vorzugsweise die Funktion der Notfallversorgung und bei entsprechender Auslegung auch die der Hilfsgasturbine übernehmen. Da eine Brennstoffzelle grundsätzlich Gleichspannung liefert, ist hier eine Umwandlung erforderlich, um eine Einspeisung in das vorgesehene Wechselstromnetz mit konstanter Frequenz zu ermöglichen. Die Brennstoffzelle wird vorzugsweise dabei so ausgelegt, dass die gelieferte Spannung durch reines Wechselrichten in die gewählte Netzspannung konvertiert werden kann und kein Transformator erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine steuerbare Schalteinrichtung vorgesehen, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse eingerichtet ist. Durch die erfindungsgemäße Schalteinrichtung oder Schaltlogik ist es möglich, jeden der vorhandenen Busse von jeder der Quellen der Leistungsbereitstellungs-Einrichtung versorgen zu lassen. Dabei sollten jedoch zwei Triebwerksgeneratoren nicht gleichzeitig den gleichen Bus speisen oder mit der externen Versorgung zusammengeschaltet werden, da hierbei eine Synchronisation der tatsächlichen Spannung und Phasenlage erforderlich wäre, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden. Für eine derartige Synchronisation wären jedoch weitere technische Maßnahmen mit den entsprechenden Folgen für Massenzunahme, Kosten und Leistungsverluste erforderlich. Daher verzichtet die vorliegende Erfindung in diesem Bereich auf eine Verkoppelung der Netze. Jedoch kann es durch einen entsprechenden Aufbau der Wechselrichter der Brennstoffzelle ermöglicht werden, dass sowohl ein Bus alleine von einem Brennstoffzellen-Stapel versorgt wird als auch von einem Brennstoffzellen-Stapel kombiniert mit einer der anderen Quellen. Dabei wird der Wechselrichter vorzugsweise im ersten Fall als selbstgeführter Wechselrichter und im zweiten Fall, bei Kombination mit einer anderen Quelle, als fremdgeführter Wechselrichter betrieben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung hat die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher eine erste Menge Ul von zu regelnden Kaskadenmotoren und eine zweite Menge U2 von zu regelnden Verbrauchern, welche in einem Bereich von 0% bis 100% ihrer Leistungsaufnahme regelbar sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die jeweilige Regelungseinrichtung, welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus und dem jeweiligen Kaskadenmotor gekoppelt angeordnet ist, als ein Frequenzumrichter ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die jeweilige Regelungseinrichtung, welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus und einem jeweiligen der zweiten Menge U2 der zu regelnden Verbraucher gekoppelt angeordnet ist, als eine Phasenanschnittsteuerung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beinhaltet die Anzahl N3 der Verbraucher die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher und eine Anzahl N7 von ungeregelten Verbrauchern.
Für den Anschluss der unterschiedlichen Verbraucher werden drei verschiedene Prinzipien angewendet, wobei das jeweilige anzuwendende Prinzip davon abhängt, in welcher Weise der jeweilige Verbraucher geregelt werden soll. Ungeregelte Verbraucher, die lediglich ein- und ausgeschaltet werden sollen, können direkt an den jeweiligen Bus angeschlossen werden. Die angeschlossenen Motoren als beispielhafte Verbraucher drehen dann mit konstanter Drehzahl, da sie direkt durch das Konstantfrequenz-Netz versorgt werden. Auch alle übrigen nicht geregelten oder ungeregelten Verbraucher werden mit einer konstanten Spannung und konstanten Frequenz versorgt. Die zu regelnden Verbraucher werden innerhalb verschiedener Betriebspunkte geregelt. Diese erfordern dann eine Umrichtung mittels der entsprechenden Regelungseinrichtung, deren Aufbau davon abhängt, wie groß der geforderte Regelbereich ist. Ist der Faktor zwischen minimal und maximal geforderter Drehzahl des Motors kleiner gleich 2, so wird das oben beschriebene Konzept des Kaskadenmotors eingesetzt. Dadurch kann die umzurichtende Leistung erheblich reduziert und der Umrichter entsprechend klein ausgelegt werden. Für diejenigen Verbraucher, die in einem weiten Drehzahlbereich geregelt werden sollen, beispielsweise von 0% bis auf 100%, wird eine Phasenanschnittsteuerung verwendet, die eine relativ effektive Umwandlung der Wechselspannung des Busses in die in dem jeweiligen Regelzustand erforderliche Spannung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beinhaltet die Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse eine erste Menge Ml an Hauptbussen und eine zweite Menge M2 an Notfall-Bussen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung schaltet die steuerbare Schalteinrichtung die jeweilige Leistungsbe- reitstellungs-Einheit in Abhängigkeit einer festgestellten Lastverteilung auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse .
Durch die entsprechende Auswahl der Wechselrichter für die Brennstoffzelle wird vorzugsweise ermöglicht, dass sowohl ein Bus alleine von einem Brennstoffzellen-Stapel versorgt werden kann als auch von einem Brennstoffzellen- Stapel kombiniert mit einer anderen Quelle. Dabei kann der Wechselrichter im ersten Fall als selbstgeführter Wechselrichter und im zweiten Fall bei Kombination mit einer anderen Quelle als fremdgeführter Wechselrichter betrieben werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Anzahl N5 von Brennstoffzellen vorgesehen, wobei die jeweilige Brennstoffzelle mittels eines Wechselrichters mit der Schalteinrichtung gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der jeweilige Wechselrichter als ein fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zumindest eine Transformator-Gleichrichter-Einrichtung vorgesehen, welche einen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse mit einem Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerk koppelt. Vorzugsweise ist die Anzahl der Transformator-Gleichrichter-Einrichtungen gleich N2.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zumindest eine mechanische Bereitstellungs-Einrichtung zum Bereitstellen der mechanischen Leistung vorgesehen, welche vorzugsweise ein Triebwerk des Flugzeuges umfasst. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Leistungsverteilungs- Vorrichtung zum Verteilen von Leistung in einem Flugzeug; und
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Verteilen von Leistung in einem Flugzeug.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche o- der funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Die Leistungsverteilungs-Vorrichtung 1 hat eine Anzahl Nl von Wandlungseinrichtungen 2, eine Anzahl N2 von Konstantfrequenz-Bussen 5, 6 und eine Anzahl N4 von Regelungseinrichtungen 13, 14.
Die Wandlungs-Einrichtung 2 hat einen Kaskadengenerator 3 und einen mit dem Kaskadengenerator 3 gekoppelten Frequenzumrichter 4.
Der Kaskadengenerator 3 ist zum Wandeln, insbesondere zum direkten Wandeln, eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung Il mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz eingerichtet. Der Frequenzumrichter 4 ist zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung 12 mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung eingerichtet, so dass Abweichungen der Drehzahl der Eingangswelle von der synchronen Drehzahl ausgeglichen werden. Die Leistung 13 als Ausgangsleistung der Wandlungs-Einrichtung 2 gemäß Fig. 1 ergibt sich als Summe aus der ersten elektrischen Leistung Il und der zweiten elektrischen Leistung 12.
Der jeweilige Konstantfrequenz-Bus 5, 6 ist zum Übertragen des von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung 2 bereitgestellten elektrischen Leistung 13 mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern 7-12 eingerichtet, welche zumindest eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern 11, 12 beinhaltet.
Die jeweilige Regelungseinrichtung 13, 14 ist zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher 11, 12 und dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 5, 6 gekoppelt angeordnet. Dabei ist die Regelungseinrichtung 13, 14 zum Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrauchers 11, 12 eingerichtet.
Die Leistungsverteilungs-Vorrichtung 1 hat vorzugsweise eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung 15 mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten 2, 16-19. Die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit 2, 16-19 ist beispielsweise eine Wandlungs-Einrichtung 2, eine Brennstoffzelle 16, 17 oder ein Anschluss 18, 19 zur Kopplung einer externen Stromquelle zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz.
Weiter weist die Leistungsverteilungs-Vorrichtung 1 vorzugsweise eine steuerbare Schalteinrichtung 20 auf, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs-Einheit 2, 16-19 auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse 5, 6 eingerichtet ist. Dabei schaltet die steuerbare Schalteinrichtung 20 vorzugsweise in Abhängigkeit einer bestimmten oder festgestellten Lastverteilung innerhalb des Netzes . Die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher 11, 12 hat eine erste Menge Ul von zu regelnden Kaskadenmotoren 11 und eine zweite Menge U2 von zu regelnden Verbrauchern 12, welche in einem Bereich von 0 bis 100% ihrer Leistungsaufnahme regelbar sind bzw. zu regeln sind.
Die jeweilige Regelungseinheit 13, welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 5, 6 und dem jeweiligen Kaskadenmotor 11 gekoppelt angeordnet ist, ist als ein Frequenzumrichter 13 ausgebildet.
Demgegenüber ist die jeweilige Regelungseinrichtung 14, welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 5, 6 und einem jeweiligen der zweiten Menge U2 der zu regelnden Verbraucher 12 gekoppelt angeordnet ist, als eine Phasenanschnittsteuerung 14 ausgebildet.
Die Anzahl N3 der Verbraucher 7-12 hat die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher 11, 12 und eine Anzahl N7 von ungeregelten Verbrauchern 7-10. Die ungeregelten Verbraucher 7-10 umfassen beispielsweise eine Kraftstoffpumpe oder eine Hydraulikpumpe.
Die Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse 5, 6 umfasst eine erste Menge Ml an Hauptbussen 5 und eine zweite Menge M2 an Notfallbussen 6.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind die einzelnen Anzahlen N1-N8, die Mengen Ml, M2 und die Mengen Ul, U2, die sich aus Fig. 1 ergeben, nur beispielhaft und für die Erfindung nicht einschränkend.
Weiter hat die Leistungsverteilungs-Vorrichtung 1 eine Anzahl N8 von Brennstoffzellen 16, 17, wobei die jeweilige Brennstoffzelle 16, 17 mittels eines Wechselrichters 21, 22 mit der Schalteinrichtung 20 gekoppelt ist. Der jeweilige Wechselrichter 21, 22 ist vorzugsweise als fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet.
Weiter kann die Leistungsverteilungs-Vorrichtung 1 vorzugsweise eine Anzahl von Transformator-Gleichrichter- Einrichtungen 23-25 aufweisen, wobei die jeweilige Transformator-Gleichrichter-Einrichtung 23-25 einen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse 5, 6 mit zumindest einem Niedervolt- Gleichspannungs-Netzwerk 26 koppelt.
Das Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerk 26 umfasst vorzugsweise Gleichspannungsbusse 27, Batterien 29 und eine entsprechende Verbraucher, wie beispielsweise die Avionik 28.
Insbesondere wird mechanische Leistung für die Leistungsver- teilungs-Vorrichtung 1 von einer Anzahl von Triebwerken des Flugzeuges gekoppelt bereitgestellt. Die Koppelung erfolgt vorzugsweise zwischen einem der Triebwerke und zumindest einer jeweiligen der Anzahl Nl von Wandlungseinheiten über eine mechanische Welle.
In Fig. 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels zum Verteilen von Leistung in einem Flugzeug dargestellt .
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbildes in Fig. 2 mit Bezug auf das Blockschaltbild in Fig. 1 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren nach Fig. 2 hat die folgenden Verfahrensschritte Sl bis S5:
Verfahrensschritt Sl:
Eine Anzahl Nl von Wandlungs-Einrichtungen 2 wird bereitgestellt. Die jeweilige Wandlungs-Einrichtung 2 hat einen Kaskadengenerator 3 zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung Il mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter 4 zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung 12 mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung, so dass Abweichungen der Drehzahl der Eingangswelle von der synchronen Drehzahl ausgeglichen werden.
Verfahrensschritt S2 :
Eine Anzahl N2 von Konstantfrequenz-Bussen 5, 6 wird bereitgestellt, wobei der jeweilige Konstantfrequenz-Bus 5, 6 zum Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung 2 bereitgestellten elektrischen Leistung 13 (13 = Il + 12) mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern 7- 12 eingerichtet ist. Die Anzahl N3 von Verbrauchern 7-12 um- fasst zumindest eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern 11, 12.
Verfahrensschritt S3:
Vorzugsweise wird eine steuerbare Schalteinrichtung 20 bereitgestellt, welche zum Schalten einer jeweiligen Wandlungs- Einrichtung 2 auf einen jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 5, 6 eingerichtet ist.
Weiter ist vorzugsweise eine Leistungsbereitstellungs- Einrichtung 15 mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstel- lungs-Einheiten 2, 16-19 zum jeweiligen Bereitstellen der e- lektrischen Leistung 13 mit konstanter Frequenz vorgesehen, wobei die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit als eine der Anzahl Nl der Wandlungs-Einrichtungen 2 und/oder als eine einer Anzahl N5 von Brennstoffzellen 16, 17 und/oder als eine einer Anzahl N6 von Anschlüssen 18, 19 zur Kopplung einer externen Stromquelle zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz ausgebildet ist. Dann wird die steuerbare Schalteinrichtung oder Schaltlogik vorzugsweise zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbereitstellungs- Einheit 2, 16-19 auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse 5,6 eingerichtet. Durch die erfindungsgemäße Schalteinrichtung 20 oder Schaltlogik ist es möglich, jeden der vorhandenen Busse 5,6 von jeder der Quellen der Leistungsbereitstellungs-Einheiten 2, 16-19 zu versorgen.
Verfahrensschritt S4:
Eine jeweilige Regelungseinrichtung 13, 14 wird zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher 11, 12 und dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus 5, 6 angeordnet.
Verfahrensschritt S5:
Die Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrauchers 11, 12 wird mittels der angeordneten Regelungseinrichtung 13, 14 geregelt .
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
e z u g s z e i c h e n l i s t e
1 LeistungsVerteilungs-Vorrichtung
2 Wandlungs-Einrichtung
3 Kaskadengenerator
4 Frequenzumrichter
5, 6 Konstantfrequenz-Bus
7 - 10 ungeregelter Verbraucher
11, 12 geregelter Verbraucher
13, 14 Regelungseinrichtung
15 LeistungsbereitStellungs-Einrichtung
16, 17 Brennstoffzelle
18, 19 (externer) Anschluss
20 Schalteinrichtung
21. 22 Wechselrichter 23 - 25 Transformator-Gleichrichter-Einrichtung 26 Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerk
27 Gleichspannungsbus
28 Rechner-Elektronik-Einrichtung, insbesondere Avionik
29 Batterie

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Leistungsverteilungs-Vorrichtung (1) zum Verteilen von Leistung, insbesondere in einem Flugzeug, mit: a) einer Anzahl Nl von Wandlungs-Einrichtungen (2) mit einem jeweiligen Kaskadengenerator (3) zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung (II) mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter (4) zum Bereitstellen einer zweiten e- lektrischen Leistung (12) mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung; b) einer Anzahl N2 von Konstantfrequenz-Bussen (5, 6) zum jeweiligen Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Leistung (13) mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern (7-12) , welche zumindest eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern (11, 12) beinhaltet; und c) einer Anzahl N4 von Regelungseinrichtungen (13, 14) , wobei die jeweilige Regelungseinrichtung (13, 14) zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher (11, 12) und dem Konstantfrequenz-Bus (5, 6) gekoppelt angeordnet ist und zum Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrauchers (11, 12) eingerichtet ist.
2. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Leistungsbereitstellungs-Einrichtung (15) mit einer Mehrzahl von Leistungsbereitstellungs-Einheiten (2, 16-19) zum jeweiligen Bereitstellen der elektrischen Leistung (13) mit konstanter Frequenz vorgesehen ist, wobei die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit als eine der Anzahl Nl der Wandlungs-Einrichtungen (2) und/oder als eine einer Anzahl N5 von Brennstoffzellen (16, 17) und/oder als eine einer Anzahl N6 von Anschlüssen (18, 19) zur Kopplung einer externen Stromquellen zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung mit konstanter Frequenz ausgebildet ist.
3. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine steuerbare Schalteinrichtung (20) vorgesehen ist, welche zum Schalten einer jeweiligen Leistungsbe- reitstellungs-Einheit (2, 16-19) auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse (5, 6) eingerichtet ist.
4. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher (11, 12) eine erste Menge Ul von zu regelnden Kaskadenmotoren (11) und/oder eine zweite Menge U2 von zu regelnden Verbrauchern (12) aufweist, welche in einem Bereich von 0% bis 100% ihrer Leistungsaufnahme regelbar sind.
5. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweilige Regelungseinrichtung (13), welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus (5, 6) und dem jeweiligen Kaskadenmotor (11) gekoppelt angeordnet ist, als ein Frequenzumrichter (13) ausgebildet ist.
6. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweilige Regelungseinrichtung (14), welche zwischen dem jeweiligen Konstantfrequenz-Bus (5, 6) und einem jeweiligen der zweiten Menge U2 der zu regelnden Verbraucher (12) gekoppelt angeordnet ist, als eine Phasenanschnittsteuerung (14) ausgebildet ist.
7. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass die Anzahl N3 der Verbraucher (7-12) die Anzahl N4 der hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbraucher (11, 12) und eine Anzahl N7 von ungeregelten Verbrauchern (7-10) aufweist.
8. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass die Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse (5, 6) eine erste Menge Ml an Hauptbussen (5) und eine zweite Menge M2 an Notfall-Bussen (6) aufweist.
9. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 8, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass die steuerbare Schalteinrichtung (20) die jeweilige Leistungsbereitstellungs-Einheit (2, 16-19) in Abhängigkeit einer festgestellten Lastverteilung auf einen jeweiligen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse (5, 6) schaltet .
10. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass eine Anzahl N8 von Brennstoffzellen (16, 17) vorgesehen ist, wobei die jeweilige Brennstoffzelle (16, 17) mittels eines Wechselrichters (21, 22), welcher bevorzugt als selbstgeführter Wechselrichter ausgeführt ist, mit der Schalteinrichtung (20) gekoppelt ist.
11. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der jeweilige Wechselrichter (21, 22) als ein fremdgeführter Wechselrichter ausgebildet ist.
12. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 11, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass zumindest eine Transformator-Gleichrichter- Einrichtung (23-25) vorgesehen ist, welche einen der Anzahl N2 der Konstantfrequenz-Busse (5, 6) mit zumindest einem Niedervolt-Gleichspannungs-Netzwerk (26) koppelt.
13. Leistungsverteilungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, dadur ch ge ke nn z e i chne t , dass zumindest eine mechanische Bereitstellungs- Einrichtung (27) zum Bereitstellen der mechanischen Leistung vorgesehen ist, welche vorzugsweise ein Triebwerk des Flugzeuges umfasst.
14. Flugzeug mit einem Leistungsverteilungsnetz, welches eine Leistungsverteilungs-Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 13 aufweist.
15. Verfahren zum Verteilen von Leistung, insbesondere in einem Flugzeug, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Anzahl Nl von Wandlungs- Einrichtungen (2) mit einem jeweiligen Kaskadengenerator (3) zum Wandeln eines ersten Teils einer bereitgestellten mechanischen Leistung in eine erste elektrische Leistung (II) mit einer Wechselspannung mit einer konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz und mit einem jeweiligen Frequenzumrichter (4) zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Leistung (12) mit der Wechselspannung mit der konstanten Amplitude und der konstanten Frequenz in Abhängigkeit eines zweiten Teils der bereitgestellten mechanischen Leistung; b) Bereitstellen einer Anzahl N2 von Konstantfrequenz- Bussen (5, 6) zum jeweiligen Übertragen der von der zumindest einen Wandlungs-Einrichtung (2) bereitgestellten elektrischen Leistung (13) mit konstanter Frequenz an eine Anzahl N3 von Verbrauchern (7-12) , welche eine Anzahl N4 von hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme zu regelnden Verbrauchern (11, 12) beinhaltet; c) Gekoppeltes Anordnen einer jeweiligen Regelungseinrichtung (13, 14) zwischen dem jeweiligen zu regelnden Verbraucher (11, 12) und dem Konstantfrequenz-Bus (5,
6) ; und d) Regeln der Leistungsaufnahme des zu regelnden Verbrau¬ chers (11, 12) mittels der angeordneten Regelungseinrichtung (13, 14) .
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