(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチ発電機システム（10、11）の発電機破損に際して電気的負荷を制御するための方法において、
発電機破損に対応して発電機トリップシグナル（30）を与えるステップと、
それぞれが作動している前記発電機クリティカルホットスポット温度を表した温度シグナル（30）を与えるステップと、
前記発電機クリティカルホットスポットは、発電機負荷の増加に伴ってその熱的限界温度へと最初に達する前記発電機内部コンポーネントであるとともに、
前記発電機トリップシグナルに応答して作動している発電機からすべての電気的負荷（20、25）に対して電力を供給するステップと、
前記温度シグナルが対応するトリップシグナルを超えた前記温度シグナルの１つに対応して電気的負荷（20、25）を切断するステップと、
前記温度シグナルの増加速度を表した速度シグナル（30）を与えるステップと、
最大許容速度を超えた前記温度シグナルの１つに対応して電気的負荷（20、25）を切断するステップとを有してなる、電気的負荷の制御方法。
【請求項２】
リセットシグナルよりも低い前記温度シグナルに応答して、切断した負荷に再度電力を自動的に供給するステップをさらに有してなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記温度シグナルは、温度センサ手段（30）によって与えられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記温度センサ手段を、前記発電機クリティカルホットスポットに配設するステップを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記温度センサ手段を、前記クリティカルホットスポットの温度と所定の温度関係にある各発電機内部部位に配設するステップを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記トリップシグナルと前記リセットシグナルとは、前記クリティカルホットスポットの熱的限界に直接相関していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電気的負荷システムに関するものであり、より詳細には、マルチ発電機システムの発電機が破損した際に電気的負荷を制御するための方法に関するものである。
発明の背景
多くの電源システムは、安全のため２つ以上の余剰の発電機を有している。例えば、ヘリコプター電源システムは、一般には１つの発電機、例えば任務に必須の装置への電力供給が失われても任務の遂行が不可能とならないように設計されている。ヘリコプター電源システムの一例としては、種々のヘリコプター負荷に対して動力を与えるための対となった発電機を有するシステムを挙げることができる。＃１発電機は、＃１プライマリバスと、＃１モニタバスを有している。同様に＃２発電機は、＃２プライマリバスと＃２モニタバスを駆動している。各バスは15KVAに規制されているとともに、上記各発電機は45KVAに規制されている。上記各プライマリバスは、一般には任務に必須の装置に電力を供給するために使用され、上記モニタバスは、補助装置及び周辺装置に電力を供給する。上記発電機の一方が破損した場合、例えば＃１発電機が破損した場合には、上記＃１モニタバスには、自動的に電力が供給されなくなるとともに、上記＃２プライマリバスと、＃２モニタバスと上記＃１プライマリバスは、上記＃２発電機により駆動されることになる。
上記したようなヘリコプター電源システム構成は、上記各発電機は、固定出力を有しており、すべての電気的負荷に対してエネルギを供給していることが前提とされている。また、さらには発電機出力は、モニタされず、かつそれぞれの負荷による上記トータル電力消費量はモニタされないということが前提となっている。従って、上記発電機は、ワーストケース条件を想定して設定されている。加えて、対応したモニタバスによって電力供給されている所定の負荷は、プライマリ発電機が失われても電力が切断されないようにされている。
発明の開示
本発明の目的は、マルチ発電機システムの発電機が破損しても、上記したような残りの発電機により使用可能な電力と必須的に運転しなければならない負荷とに応じて負荷を切断する電源システムを提供することを目的とする。
本発明は、さらに実際の発電機パラメータに基づき発電機から得られる電力を決定する航空機電源システムを提供することにある。
上記した本発明によれば、電源システムにおける発電機破損に応じ、すべての電気的負荷が自動的に第２の発電機に切り替えられるとともに、上記電源システムは、上記すべての負荷に対して電力を供給することができる。この際すべての負荷を駆動するために必要な上記トータル電力は、運転されているその発電機の規格出力を超えて運転されるようになっているとともに、作動している上記発電機の巻き線温度あるいは別のクリティカルホットスポット温度がモニタされて、熱的ストレスが限界を超えていないか否かが判断される。クリティカルホットスポット温度が上記熱的ストレス限界に達した場合には、所定の電気的負荷は、所定のプログラムによる負荷切断優先順位に従って電力供給が断たれる。その後、別の負荷への電力供給を断つか、又は上記クリティカルホットスポット温度が下がった場合に再び接続がなされることになる。
本発明は、発電機の各負荷をその運転条件の最大安全出力に制御できる点において上記従来技術を著しく改善するものである。加えて、重要な負荷を有する環境下で使用される航空機用電源システムといった電源システムにおいては、航空機負荷を継続的に作動させ、発電機が失われた場合であっても操縦でき、パイロットが任務を遂行できるようにされていることが好ましい。上記発電機は、固定された出力制限の下で運転されるものではなく、発電機の出力は上記発電機の特定の運転パラメータ、例えば上記発電機の巻き線温度や他のクリティカルホットスポット温度によって判断されるようにされている。
１つ以上の発電機を有するシステムでの発電機が失われても、負荷への電力供給は自動的に切断されないようにされており、運転されている発電機のクリティカルホットスポット温度が熱的ストレス限界に近づいた場合にだけ電力供給が断たれる。加えて負荷は、特定のプロトコルに従って電力供給が断たれて、任務に必須の負荷にのみ電力供給が行われることになる。
本発明の上記及びその他の目的及び特徴、効果については、代表的な実施例を図面をもって説明する。
【図面の簡単な説明】
図は、本発明の電気負荷システムの概略を示すブロックダイアグラムである。
発明の最良の実施態様
本発明の電気負荷システムは、１つ以上のシステム発電機が破損した際に電気的負荷を制御するために特に好適である。発電機の破損に応じて、作動している発電機の巻き線温度や他のクリティカルホットスポット温度が熱的ストレス限界に達しないようにしながらすべての負荷に対して電力が供給し続けられる。負荷は、所定のようにプログラムされた負荷優先順位に従って切断されることになる。その負荷は、他の負荷への電力供給が断たれるか又は、上記クリティカルホットスポット温度が下がってから再度電力供給が行われる。
図に示すように、対となった各電気発電機10、11は、航空機の電気的負荷15に電気的負荷マネージメントセンタ（ELMC）（management  centers）を介して電力を与えている。各ELMCは、リモートターミナルとソリッドステートの電力コントローラ（solid  state  power  controllers）（SSPC）を有している。上記各航空機の負荷15には、SSPCが組み合わされており、そのSSPCは、ELMCによって制御されている。上記ELMCには、上記発電機10、11からの電力が供給され、データバス22のディジタルコマンドを受け取るようになっている。上記ELMCターミナル領域では、上記データバスからの上記ディジタルコマンドをオン、オフ、又はSSPCリセット等へとそれぞれ変換する。上記発電機10、11に要求される電気的負荷の大きさは、各負荷に対応した定格電力使用量に基づき、電力が供給されている特定の各負荷から判断される。ジェネラルパーパスプロセッサセット（general  purpose  processor  set）（GPPS）は、１つ以上のコンピュータ又はマイクロプロセッサを有してなる。これらは、上記データバス22を介してそれぞれの負荷をオン、オフすべくパイロットが発したコマンド、航空機センサ、及び上記ELMCs等を動作させるために記憶されているサブルーチンに応答するようにされている。上記GPPS25は、また、航空機センサインタフェイス（ASI）30を介して種々の発電機パラメータをモニタしている。
発電機の電力出力能力は、摩擦、ヒステリシス、渦電流といった磁性材料内部でのロスや、巻き線又はコンポーネント（component）内の電圧低下によるロスにより内部に蓄積される熱によって制限を受ける。種々のパーツにはそれぞれ、発電機の早期故障を避けるべく超えてはならない温度上限がある。負荷の増加に伴い温度が最初にその限界に達するような上記内部材料を、クリティカルホットスポット（critical  hotspot）と呼ぶ。その位置には、上記発電機の設計を解析すれば判断できるし、またテストプログラム中にも確認できる。本発明によれば、上記クリティカルホットスポット温度を、上記クリティカルホットスポット部位に配設されたヒートセンサ、例えば、サーミスタ、サーモカップル、抵抗温度センサ（RTD）等によってモニタすることが最も好ましい。上記センサを上記クリティカルホットスポット部位に配設することが実際上できない場合には、上記クリティカルホットスポット温度と一定の関係にあることがわかっている別の部位に配設することもできる。歴史的に見れば、最も高い電流が流され、冷媒が直接上記巻き線自体に接していない上記メインステータ巻き線が、上記クリティカルホットスポットとなっていた。しかしながら最新の設計のものでは、回転している整流器が、温度限界に達する最初のコンポーネントとなるものもある。
上記クリティカルホットスポットの温度の読み取りは、上記ASI30を介してGPPS25により行われる。上記GPPSは、上記ASIによって得られた温度読みとり値を上記クリティカルホットスポットの熱ストレス限界と比較し、上記コンポーネントが熱的ストレス限界以下で運転されるのを保証している。
例えば、上記ステータ巻き線がクリティカルホットスポットであり、かつ上記巻き線の絶縁の熱的ストレス限界を超えている場合には、上記絶縁が劣化し始める。上記巻き線が繰り返し、長期間上記のような高温にさらされていると、ついには絶縁が破れ、その結果上記巻き線間で回路が短絡して、上記発電機が発火することになる。発電機出力を判断するための従来法は、周囲状況を利用するものであり、初期にはオイルをスプレーして冷却するような発電機のオイル温度や、オイルの流速によって行われていた。従来法の電力配分ではこのような条件を予想することは困難でまた、モニタすることも困難であった。上記発電機は、最悪の温度条件と上記任務と飛行に要するために使用しなければならない重要な負荷のすべてを考慮して設計されている。上記GPPSとともに本発明の温度センサを使用すれば、上記クリティカルホットスポット温度を直接測定して、熱的ストレス限界を超えないようにすることができる。
発電機が破損した際に、上記電気的負荷は自動的に第２の発電機へと上記ELMCによって切り替えが行われる。従って、上記モニタバスを設けているため、負荷が直ちに作動しなくなることはない。上記電力システムは、運転されているすべての負荷に対して、電力を供給し続けるため、上記パイロットは、異常を感じることはない。航空機の操縦上の必要に応じて電気的負荷量が増加するにつれて、要求される全電力は運転されている発電機の定格出力を超えることとなる。このために、発電機はほとんどの作動条件の下で定格出力以上の電力を発生させることが必要となる。発電機の設置定格出力とは、上記発電機が周囲環境、飛行速度、冷媒温度、冷媒流量、冷媒の内部分布、巻き線抵抗とエアギャップ等の内部容量、力率（AC発電機では）が最悪の環境の下にあるときにでも確実に供給できる最低の電力をいい、KVA又はamps単位で表す。上記すべての要因は、現実的には上記最悪の事態に重なり合って関係してくることは多くはないが、設置すべき発電機は、定格出力を超えた電力を供給できることが要求される。本発明は、このような過剰な電力を安全に使用して、発電機が破損の後又はコンポーネントがダメージを受けた後にも任務を完了し又は、基地へと戻ることを可能にするものである。
単一の発電機だけで運転されている場合には、上記クリティカルホットスポット温度、例えば運転されている上記発電機の巻き線温度が、連続的にモニタされているまた、上記巻き線温度が上記熱的ストレス限界へと達しようとする場合には、対応するELMCへのGPPSコマンドを判断して、予めプログラムされた負荷切断優先順位に応じて所定の電気的負荷が切断される。他の負荷も、上記巻き線温度が上記熱的ストレス限界に近づき続ける場合には切断されることになる。上記GPPSは、補助的で任務に必須でない、上記航空機の安全性に影響を与えないような負荷を切断するようにプログラムされている。上記負荷は、航空機の操縦上の必要に応じて、別の負荷への電力供給が停止されるかわりに再度電力が供給されるか、又は発電機の巻き線温度が低下すると再度電力が供給されるようにされている。
本発明は、負荷を、熱的ストレス限界を超えたクリティカルホットスポット温度に対応して切断するようにしたものである。上記クリティカルホットスポットに配設された温度センサは、上記クリティカルスポット温度をASI30を介して上記GPPS25へと送る。上記GPPSは、上記温度を上記熱的ストレス限界と比較して、負荷を切断するか否かを判断する。本発明の別の実施例では、上記GPPSは、上記クリティカルホットスポットの温度の変化速度を判断するようになっている。これは、例えば、上記ASIからの温度センサによって与えられる温度信号を微分することによって行われる。上記クリティカルホットスポット温度が、しきい値速度又は、最大許容温度よりも大きい速度で増加している場合には、負荷は切断され、上記クリティカルホットスポット温度がその熱的ストレス限界を超えないようにされる。マルチ発電機システムにおける発電機が破損した際に、発電機負荷を制御するための本方法は、クリティカルホットスポット温度の変化速度から発電機オーバーロードを予測するものであり、上記クリティカルホットスポット温度が実際にその熱的ストレス限界を超えないように負荷が切断される。
本発明の第２の別の実施例では、上記GPPSは、その熱的ストレス限界を超えた上記クリティカルホットスポット温度又は、負荷切断のための上記クリティカルホットスポット温度の最大許容速度のいずれかに応答するようにされている。従って、クリティカルホットスポット温度が上記最大許容温度以下の速度で増加している場合には、負荷は、上記クリティカルホットスポット温度が上記その熱的ストレス限界を超えた場合に切断されることになる。
本発明は、AC及びDC電気負荷システムに対しても等しく使用することができる。重要な点は、温度センサが上記クリティカルホットスポット部位、又は上記クリティカルホットスポット温度と所定の温度関係にある別部位に配設されてなることである。本発明は、熱的ストレス限界を超えているクリティカルホットスポット温度に対応して負荷を切断するように発明の記載を行ってきた。しかしながら実際には、上記クリティカルホットスポット温度が熱的ストレス限界よりも下の、トリップ温度に達した点をしきい値として負荷の切断を行うことでセーフティーマージンを取ることができる。
本発明は、発電機が破損した際に、動作しているすべての負荷を作動している発電機へと渡すように記載を行ってきた。しかしながら作動している上記発電機が明らかにオーバーロードしてしまうような場合には、所定の負荷だけを切断したままにさせることもできる。上記したように、発電機は、定格出力を有しており、本発明ではこの定格出力を超えて使用される。その際、クリティカルホットスポット温度は熱的ストレス限界を超えないようにされるか、又は上記クリティカルホットスポット温度の上昇速度が最大許容速度を超えないようにされる。所定の環境下において、上記発電機の定格出力を大きく超えてしまう場合、熱的ストレス限界を超えてしまうことは明らかである。このような状況では、所定の負荷は、作動している発電機へと渡されずに切断されたままとされる。上記GPPSは、上記所定の負荷が、それぞれ定格の電力を消費するものとして上記全負荷を判断する。上記全負荷が最大許容負荷を超えてしまう場合には、負荷が切断される。すなわち上記最大許容負荷が、上記定格出力より大きく、かつその負荷量が大きい場合には、明らかに熱的ストレス限界を超えてしまうことになるためである。
また、本発明では上記クリティカルホットスポット温度が、上記熱的ストレス限界と所定の関係を有するリセット温度よりも低くなるまで下がると、負荷には、再度電力が自動的に供給される。また、上記クリティカルホットスポット温度が上記リセット温度よりも下がった場合に、負荷は、パイロットのコマンドによって電力を再度供給されるようにされていてもよい。上記リセット温度は、十分に上記トリップ温度よりも低温で、負荷が周期的にオンオフしないようにされていることが好ましい。
負荷が切断されている場合には常に、パイロットのコマンドによって電力が再度供給されるようにされていても良い。切断された負荷に再度電力を供給すると、作動している上記発電機は、オーバーロードするが、その場合にはその次に優先順位の低い負荷が自動的に切断される。このことによって、パイロットは、発電機がオーバーロードしている間、どの負荷を切断するかといった上記切断ルーチンにおける決定をしなくともすむことになる。
本発明について、例示的な実施例をもって記載及び説明を行ってきたが、当業者によれば、本発明への従来からある種々の変更、削除及び付加は、本発明の趣旨及び範囲内において可能であると考える。
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