飛機發動機電氣起動系統的製作方法

2023-05-19 19:48:51

專利名稱：飛機發動機電氣起動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及功率變換器領域，而且，特別涉及航空發動機的起動系統。
背景技術：
在航空領域，眾所周知，飛機噴氣發動機和輔助動力裝置(APU)的起動採用圖6 所示電氣起動系統。這種起動系統10通常包括交流變直流(AC/DC)的整流器12，以便從飛機供電網14或地面發電裝置獲得直流電壓Vdc，而後是DC/AC變換器16，在起動噴氣發動機的同時，(經由連接矩陣向有關發動機的起動發電機18，20，22供電。DC/AC變換器16通常包括帶有功率電平"Pn"的逆變器，其足以在地面起動噴氣發動機。為了提高發動機空中再起動能力和地面起動有效性(調度可靠性)的可靠性，可以加裝具有相同功率"Pn"的第二逆變器。然而，這種加裝增加了重量和容積，從而也增加了成本。供電網通常為115Va。供電網或任何其他電網，諸如230Va。電網。整流器輸出端所獲得的直流電壓可以是一例如一270Vdc或MOVde等。若供電網不可使用時，噴氣發動機可以由輔助動力裝置(APU)起動，而後者本身則可用蓄電池起動。為此，必須加裝DC/DC變換器觀，其所輸送的電壓與相連的逆變器的輸入電壓相兼容。傳統的蓄電池電壓在MVde到48Vd。的範圍內，所以，這種升壓的DC/DC變換器包括多個級或單元，或許還包括電絕緣，而且，必須提供高升壓比，一般大於10，結果，造成設備複雜，難以控制，沉重，容積大，進而導致價格尤為昂貴。

發明內容
為此，本發明提出緩解上述缺陷，特別是，最大限度地降低使用供電網或蓄電池起動飛機噴氣發動機和輔助動力裝置(APU)所需設備的重量，提高空中再起動的可靠性，而且，必要時，也可使調度可靠性提高到足以進行地面起動。這些目的通過可起動至少一臺發動機的電氣系統來實現，該系統包括由交流電網供電以輸送第一直流電壓vd。的AC/DC整流器；以及從所述第一直流電壓Vd。向所述至少一臺發動機輸送起動交流電壓的DC/AC變換器模塊；每個逆變器輸送的功率不大於起動所述至少一臺發動機所需最大功率Pmax的一半，而且，其特徵還在於，所述每個逆變器的兩個電源線均接到接收所述第一直流電壓Vd。的電子保護裝置上，而每個所述逆變器的n輸出端通過η各個串聯電感器向所述發動機輸送所述起動交流電壓。按照設想的方案，所述DC/AC變換器模塊包括至少兩個逆變器，每個所述Ii逆變器輸送功率pmax/k，或至少三臺逆變器，每個所述Ii逆變器輸送功率Pmax/ (k-1)。為此，在將DC/AC變換細分成並聯逆變器部分的上述任何一種布局中，每個的功率都不大於P/2，就重量和體積而言，電氣起動系統的尺寸大大縮小，總成本也降低了。為了使這種布局更為有利，至少其中一臺發動機必須要求功率小於所述最大功率的l/(k-l) 倍，和/或能夠以小於所述最大功率的l/(k_l)倍的功率在安全關鍵條件下起動。有利的是，所述DC/AC變換器模塊可以包括並聯布置的兩臺或三臺三相逆變器。然而，根據所需要的最大功率，顯然，也可以使用超過三臺逆變器的布局。當電氣起動系統的所述至少一臺發動機能夠在安全關鍵情況下以小於最大功率一半的所述功率起動時，所述至少一臺發動機的供電只需要使用所述兩個三相逆變器中的其中一個進行，從而通過用一備二式冗餘設備(1 on 2 type)來增加所述安全關鍵情況下系統的可靠性。有利的是，所述至少一臺發動機可由所述三臺三相逆變器中的兩臺來供電，從而通過用二備三式O on 3 type)冗餘設備來增加系統的可靠性。所述電氣起動系統應用於由蓄電池起動，而且，電氣起動系統的所述至少一臺發動機能夠以小於最大功率一半的所述功率來起動，所述蓄電池經由η串聯電感器連接到其中一個所述η-相逆變器上，以便形成DC/DC升壓變換器，以輸送所述直流電壓Vd。，當交流供電網不使用時，經由所述電子保護裝置加到另一個所述η-相逆變器上的該直流電壓Nic經由所述Π串聯電感器動作，輸出所述交流電壓，從而使所述至少一臺發動機得以能由所述蓄電池起動。優選地，為了從蓄電池中獲得直流電壓Vd。，DC/DC升壓變換器通過控制電路轉換來以恆定負荷比控制。有利的是，所述電子保護裝置包括在兩個電源線的其中一個線上串聯的控制開關和在所述逆變器旁邊跨所述兩個電源線並聯的電容器。優選地，本發明的電氣起動系統還包括布置在所述蓄電池輸出端的濾波器。


下面參照附圖，閱讀以非限定性示例給出的說明，本發明的特性和優點會清楚地顯現出來，附圖如下·圖1為根據本發明的發動機電氣起動系統方框圖； 圖IA和圖IB為圖1所示系統DC/AC變換器模塊的詳圖； 圖2A到圖2D為圖1所示系統各種使用布局； 圖3為圖2D使用布局的詳圖；·圖4給出了圖3所示布局某些特性點上的定時圖； 圖5A到圖5D示出了圖1所示系統其他各種使用布局；以及·圖6為現有技術的發動機電氣起動系統方框圖。最佳實施方案圖1為本發明的發動機電氣起動系統方框圖。正如現有系統中那樣，可以看到，用來對供電網14(最好三相電網)輸送的交流電壓進行整流的AC/DC整流器12，同樣，隨後是DC/AC變換器16，用來通過連接矩陣向各個起動發電機18，20，22供電，在這種連接矩陣中，以示例給出的各種接觸器的位置可以使得各種不同工作方式得以實施。然而，連接矩陣觀卻是迥然不同，以便增加來自蓄電池26的附加通道，而該蓄電池不同於現有技術系統，不是採用DC/DC變換器，而只是採用傳統的濾波器30，後者的輸出端經由連接矩陣觀直接連接到DC/AC變換器的輸出端。應該注意的是，DC/DC變換器的省略降低了半導體裝置的使用數量，提高了系統的平均無故障工作時間 (MTBF)。
4
根據本發明，該變換器由多個相同雙向結構的並聯DC/AC變換器部分組成，下面參照圖IA介紹該結構。DC/AC變換器的每個部分(例如，第一部分16A)包括至少一個電子防護裝置(最好是與電容器168A相聯的可控電子開關170A，例如，絕緣的雙極電晶體(IGBT)以及反向並聯二極體)，傳統的η-相逆變器(如圖所示，傳統的三相)，和一組分別與逆變器的η輸出端串聯的電η感器320Α，322Α，324Α。更確切地說，所示三相逆變器由兩個供電線路組成，一個為接地線路，兩者之間連接有三個支路，每個支路帶有兩個串聯開關。構成第一支路160Α的兩個開關1600Α，1602Α 之間的連接點在逆變器的輸出端連接到第一電感器324Α的一端，其另一端則連接到經由連接矩陣觀向起動發電機18，20，22供電的線路上。同樣，逆變器第二支路162Α的兩個開關1620Α，1622Α之間的連接點連接到第二電感器322Α的端部。最後，第三支路164Α的兩個開關1640Α，1642Α之間的連接點連接到第三電感器320Α的端部。這些開關都是傳統的 IGBT，帶有跨端子連接的各個反向並聯二極體，端子的轉換由控制電路166Α來控制，後者也用來控制開關170Α。更普遍的是，DC/AC變換器16可以包括並聯布置的相逆變器(其中k > 1)， 以便能夠輸送pmax/k或Pmax(k-ι)的功率，其中，Pfflax是在需要最大功率條件下起動發動機所需的功率。採用細分Ii逆變器部分的這種原則，可以使得每個的功率不大於最大功率Pmax的一半。這樣，根據用途和功率電平，參數k就成為優化重量和/或費用的一個變量。圖IB示出了圖1所示發動機電氣起動系統的具體實施方式
，按照這種方式，其中一臺最大功率發動機是經由AC/DC整流器12由供電網14起動，並由兩個DC/AC變換器16A 和16B(連接矩陣觀中所述接觸器假定為閉合狀態，因此圖中未示)供電。每個部分的規格為可按照電平Pmax/2來輸送電力。很顯然，可以看到參照圖IA所述的結構，在這個具體工作布局中再次採用了這種結構，每個部分帶有其自己的控制電路166A，166B，按傳統方式，每個經由與三相逆變器三個輸出電感器相連的其自己的電流控制環路，來確保均衡分配輸送到所述發動機，起動發電機的最大功率。在這個布局中，開關170A，170B防止在逆變器各部分之間輸送直流電壓 Vdc的供電線路之間出現短路型故障。圖2A到2D為使用本發明發動機電氣起動系統的各種可能不同的工作方式。圖2A為上面參照圖IB所述的結構的示意圖，其對應於一例如在起動飛機發動機時一如下情況，即要求僅獲得空中再起動可靠性水平的情況。在這種布局中，該系統帶有兩個DC/AC變換器部分16A和16B，其中，功率Pn/2的兩個逆變器耦合到一起並同步，以便輸送地面起動時所要求的功率Pn。至於空中再起動，所需的功率一般小於Pn/2，而一臺DC/AC變換器部分就足以，諸如圖2B所示，一臺或另一臺噴氣發動機20，22可以通過電網14來再起動，從而提供了用一備二(1 on 2)的冗餘設備，以確保高度可靠性。圖2C所示為起動APU的相同的布局形式，因為通常起動APU所需功率較小，而且特別是，功率會大大小於Pn/2。相反，為了通過蓄電池來起動APU，如圖2D所示，使用了 DC/AC變換器的兩個部分， 但是，其中一個專門用於DC/DC轉換，以升高蓄電池的電壓，與此同時，另一個則按傳統方式工作以進行DC/AC轉換。圖3和圖4更詳細地示出了這種布局形式。圖3詳細示出了採用蓄電池沈起動APU 18的各種電路。濾波器30跨接在蓄電池沈的兩個端子上(電壓端子和接地端子)，在所示示例中，該濾波器是一種傳統電感器電容器(LC)型濾波器，帶有串聯電感器300和並聯電容器 302。濾波器的其中一個輸出端子由電感器300和電容器302之間的連接點構成，連接到三個電感器320B，322B, 324B的第一端，而這些電感器的第二端則分別連接到DC/AC變換器部分16B支路內兩個開關之間的連接點上，變換器的其中一個電源線構成接地線，則連接到濾波器的另一個輸出端子上，該輸出端子本身連接到蓄電池的接地端子上。 為此，第一電感器324B的端部連接到DC/AC變換器部分16B第一支路160B中兩個開關1600B，1602B之間的連接點(或中間點)上。同樣，第二電感器322B的端部連接到第二支路162B兩個開關1620B，1622B之間的連接點上。最後，第三電感器320B的端部連接到第三支路164B兩個開關1640B，1642B之間的連接點上。這些開關都是傳統上的IGBT，每個開關的反向並聯二極體跨接在其端子上，而其轉換則由控制電路166B來控制。並聯電容器168B將DC/AC變換器的部分16B的兩個電源線連接到一起，在其中一個電源線上串聯的開關170B在所述電源線上輸送所述部分16B的直流電壓Vd。。至於上述開關，開關170B (例如，帶反向並聯二極體的IGBT)由控制電路166B控制。在開關170B的輸出端，DC/AC變換器的部分16B的直流電源線直接連接到DC/ AC變換器另一部分16A的直流電源線上(因為沒有供電網，整流器不輸送任何電壓，為此， DC/AC變換器的兩個部分的電源線直接連接)，該部分16A與另一個開關170A串聯，例如， 帶反向並聯二極體的IGBT，而其轉換由控制電路166A控制，開關輸出端帶有並聯的電容器 168A，以便向DC/AC變換器的部分16A輸送輸入電壓。這部分16A的另一根電源線構成接地線，連接到部分16B的接地線上。DC/AC變換器的部分16A的結構類似於部分16B，所述部分16A的第一支路160A的兩個開關1600A，1602A之間的連接點則連接到該變換器第一輸出電感器324A的端部。而其另一端連接到APU的起動發電機的一根線上。同樣，第二支路162A的兩個開關1620A，1622A 之間的連接點連接到第二電感器322A的端部。最後，第三支路164A的兩個開關1640A， 1642A之間的連接點連接到第三電感器320A的端部。關於上述部分，這些開關都是傳統的 IGBT，其各自反向並聯二極體連接到其端子上，而其轉換則由控制電路166A控制。該布局中的電氣起動系統的工作原理在下面參照圖4簡化定時圖來介紹，在該圖中，電流加強信號(signaUboost)是指來自濾波器30的電源電流輸出，信號IPl是流經其中任何一個電感器320B，322B，324B的電流，而電流負載信號(signal I load)是DC/AC變換器的部分16B的輸出端電源線內流動的電流，兩個附加信號Cde是分別加到部分16B的偶-奇開關上的兩個控制信號。首先，應該注意的是，各個電路之間相互連接所需各種連接器都有意略去，以避免圖中出現過度擁擠。然而，所屬領域的技術人員很容易安裝這些連接器，以便能夠使得那些按起動順序僅由蓄電池供電的所需電路得以激活。在由蓄電池26起動的這個布局中，其所輸送的電流最初由濾波器30來濾波，從而降低了波紋電流電平。濾波前的電流波形由電流加強(Iboost)圖形來表示，說明以高頻呈現的波紋電流，該頻率相當於開關轉換頻率的三倍。在DC/AC變換器的部分16B中，開關之間的連接點上連接的三個電感器320B，322B，324B 端子上施加的蓄電池電壓用來構成升壓的DC/DC變換器(屬於交錯的雙向升壓類型)，以使蓄電池電壓(實際上，24Vd。)升高到DC/AC變換器另一部分輸入電壓所需要的電壓(例如， 270Vd。)，其功能是在控制電路166A本身採用傳統控制方式時控制APU的起動發電機。按照已知方式，部分16B的輸出端所要求的電壓電平取決於轉換負荷比，該負荷比可以方便地選擇為恆定的，如信號Cde的波形所示，目的是避免電壓伺服控制迴路出現穩定性問題，眾所周知，在如此高的升壓比的情況下，其穩定性是很難的。流過電感器的電流IPl的波形說明，波紋頻率等於施加到IGBT上的脈衝寬度調製的頻率，其平均幅度是電流加強(Iboost) 信號幅度的三分之一，而其波紋比是電流加強(Iboost)信號波紋比的三倍。為此，這種交錯布置使得濾波器30要處理的電流的波紋比除以n(其中，η =相位數=3，如示例所示)。 此處，通過示例給出的濾波器30屬於單級LC型，然而，其他各種類型的濾波器同樣可以使用。由於變比高，電容器168Β採用持續時間很短的大峰值電流來充電。交錯布置的另一個有利效果是，這些峰值電流的幅度以係數Π(此處η = 3)而降低，而對應的頻率則增加了比率H，從而可以降低電容器168Β上的應力，改善濾波效果。電流負載(Iload)的波形說明， 送到DC/AC變換器的另一部分的電流此時僅呈現非常小的波紋電平。有利的是，開關1640B，1620B，和1600B也可以激活(相對於與之串聯的開關為逆向)，從而形成雙向變換器。這種工作原理可以在直流方式下工作，不論所提供的功率如何。 在負荷比固定的情況下，輸出電壓則受負荷電平的影響很小。圖5A到5D示出了本發明的發動機電氣起動系統的其他可能的工作方式。因此，圖5A所示系統由三個功率為Pmax/2的變換器組成，該系統尤其適合於地面起動時調度可靠性為決定因素的情況下使用。對於這種地面起動，用二備三O on 3 type) 的冗餘設備確保了高調度可靠性。圖5B示出了採用三個變換器系統的空中再起動方式，這樣，可靠性比率會更多， 因為所提供的冗餘設備為用一備三(1 on 3 type)形式。如圖5C所示和上面所述，當採用蓄電池起動APU時，DC/AC變換器的一個部分用來升高蓄電池電壓，而另外兩個中的其中一個用來進行DC/AC轉換，這樣，還可以確保採用蓄電池起動的這種方式時的高調度可靠性。 最後，圖5D示出了蓄電池沈充電或僅僅用來向飛機低壓直流電網32供電所用的系統，為此，取代了變壓器整流器裝置(TRU)。在這種工作方式時，DC/AC變換器的部分由機上電網14經由AC/DC整流器12供電，向低壓直流電網(例如，28Vd。)輸出直流電壓或對蓄電池充電，或二者兼之。然後，逆變器作為交錯的、多相、雙向、降低電壓(降壓型)DC/DC變換器使用。應該注意的是，如果出於任何原因(例如，空中再起動時功率電平大於Pn/k)DC/AC 變換器的部分需要提供等於Pn的功率，那麼，使用一個部分作為與蓄電池接口的DC/DC變換器的原則仍然有效。應該注意的是，儘管上面所述是有關航空發動機的起動控制，很顯然，本發明也可適用於其他領域，尤其是汽車領域和工業機器領域。同樣，附圖所示為三相電網供電，但很顯然，本發明也適用於任何類型的η-相供電網(η> 1)，為此，包括了兩相電網。還應該注意的是，當發動機起動階段諧波失真程度不是很重要時，那麼，AC/DC整流器12可以是簡單的η-相整流器(通常，η = 3)，而後是簡單的濾波電感器。這樣，可用來優化重量和損耗。 還應該注意的是，即使實施開關參照的是IGBT，其他類型的可控金屬氧化物半導體(MOS)開關同樣可以使用，諸如MOS控制的半導體閘流管(MCTs)，雙極結電晶體(BJTs)， 或矽可控整流器(SCRs)。
權利要求
1.一種用來起動至少一臺發動機的電氣系統(18，20，22)，該系統包括由交流供電網 (14)供電以輸送第一直流電壓Vd。的AC/DC整流器(12)；以及從所述第一直流電壓Vd。向所述至少一臺發動機輸送起動交流電壓的DC/AC變換器模塊(16)；該系統的特徵在於，所述DC/AC變換器模塊包括並聯(k> 1)布置的kn-相逆變器，每個輸送的功率不大於起動所述至少一臺發動機所要求的最大功率Pmax的一半，而且，每個所述逆變器的兩個電源線連接到接收所述第一直流電壓vd。的電子防護裝置上，每個所述逆變器的η輸出端經由η各個串聯電感器向所述發動機輸送所述起動交流電壓。
2.根據權利要求1所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述DC/AC變換器模塊包括至少兩個逆變器，每個所述k逆變器輸送功率Pmax/k。
3.根據權利要求1所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述DC/AC變換器模塊包括兩個並聯布置的三相逆變器。
4.根據權利要求3所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述至少一臺發動機能夠以不大於最大功率一半的所述功率在安全關鍵條件下起動，所述至少一臺發動機僅由所述兩個三相逆變器中的其中一個供電，以便通過用一備二式冗餘設備來增加在所述安全關鍵條件下的系統可靠性水平。
5.根據權利要求1所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述DC/AC變換器模塊包括至少三個逆變器，而且，每個所述k逆變器輸送功率Pmax/ (k-Ι)。
6.根據權利要求5所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述DC/AC變換器模塊包括三個並聯布置的三相逆變器。
7.根據權利要求6所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述至少一臺發動機由所述三個三相逆變器中的兩個供電，以便通過用二備三式冗餘設備來增加系統可靠性水平。
8.根據權利要求1所述的電氣起動系統，適用於蓄電池06)起動，其特徵在於，所述至少一臺發動機能夠以不大於最大功率一半的功率來起動，所述系統的特徵在於，所述蓄電池經由所述η串聯電感器(32Β)連接到其中一個所述Π-相逆變器上，以形成輸送所述直流電壓Vd。的DC/DC升壓變換器，該直流電壓Vd。經由所述電子防護裝置應用到另一個所述 η-相逆變器上的直流電壓經由所述η串聯電感器(32Α)輸送所述交流電壓，當所述交流電網不能使用時，可使所述至少一臺發動機能夠由所述蓄電池起動。
9.根據權利要求8所述的電氣起動系統，其特徵在於，為了從所述蓄電池獲得所述直流電壓Vd。，該系統包括帶有固定轉換負荷比的控制電路(166B)，以控制DC/DC升壓變換器。
10.根據權利要求1到9任一項所述的電氣起動系統，其特徵在於，所述電子防護裝置包括在兩個電源線的其中一個上的串聯控制開關(170A，170B)和在所述逆變器旁邊跨所述兩個電源線的並聯電容器(168A，168B)。
11.根據權利要求1到10任一項所述的電氣起動系統，其特徵在於，其進一步包括在所述蓄電池輸出端布置的濾波器(30)。
全文摘要
一種發動機電氣起動系統(18，20，22)，該系統包括由交流供電網(14)供電以輸送第一直流電壓Vdc的AC/DC整流器(12)，以及從所述第一直流電壓Vdc輸送發動機起動用交流電壓的DC/AC變換器模塊(16)；該系統包括並聯(k＞1)布置的kn-相逆變器，每個輸送的功率都不大於起動發動機所要求最大功率Pmax的一半，以及，每個逆變器的兩個電源線連接到接收所述第一直流電壓Vdc的電子防護裝置上，每個所述逆變器的n輸出端經由n各個串聯電感器輸送發動機起動所需交流電壓。
文檔編號H02P1/00GK102439836SQ201080004348
公開日2012年5月2日 申請日期2010年1月8日 優先權日2009年1月9日
發明者艾瑞克·德沃吉福斯 申請人:伊斯帕諾-絮扎公司