ЦЕПЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ В СЕБЯ АСИНХРОННУЮ МАШИНУ
AIRCRAFT POWER SUPPLY CIRCUIT COMPRISING ASYNCHRONOUS MACHINE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к электрически питаемому электрическому оборудованию двигателя летательного аппарата.
Известно использование электрогенератора, входящего в состав двигателя летательного аппарата, для выработки электрической энергии с целью питания электрического оборудования, связанного с двигателем. Например, в документе FR 2911848 описан генератор электропитания, соединенный с цепью противообледенительной защиты авиадвигателя.
Генератор электропитания, используемый для применения этого типа, обычно представляет собой синхронный генератор, имеющий два или три каскада. Такой синхронный генератор допускает подачу напряжения переменного тока, которое хорошо регулируется и которое имеет хороший форм-фактор. Таким образом, возможна подача напряжения переменного тока, по существу, постоянной амплитуды даже при изменении скорости вращения двигателя, приводящего в действие генератор электропитания. Тем не менее, сложность такого многокаскадного синхронного генератора обычно влечет за собой большую массу, низкую надежность и высокую стоимость. Трудно также ввести резервированность, когда она требуется по причинам надежности.
Также известно, в частности в области техники выработки электроэнергии посредством ветряных турбин, что асинхронная машина может работать как самовозбуждаемый асинхронный генератор. Такая асинхронная машина обычно содержит ротор, имеющий замкнутую электрическую цепь («беличью клетку» или ротор с короткозамкнутыми обмотками), и статор, включающий в себя, по меньшей мере, одну обмотку, которая может быть соединена с нагрузкой. Чтобы сделать возможной работу в режиме самовозбуждаемого асинхронного генератора, с асинхронной машиной соединяют батарею конденсаторов, чтобы обеспечить реактивную мощность. Когда ротор приводится во вращение и обеспечивается надлежащий выбор емкости батареи конденсаторов в зависимости от нагрузки и скорости вращения, такая асинхронная машина может работать как генератор и подавать электрическую энергию на нагрузку, соединенную со статором.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В изобретении предпринимается попытка предоставить цепь электропитания для двигателя летательного аппарата, не обладающую, по меньшей мере, некоторыми из вышеупомянутых недостатков известных технических решений.
C этой целью, изобретение предоставляет цепь электропитания для подачи электрической энергии в летательном аппарате, содержащая генератор электропитания, выполненный с возможностью приведения во вращение посредством двигателя летательного аппарата для питания электрического оборудования двигателя летательного аппарата, отличающаяся тем, что генератор электропитания содержит асинхронную машину, соединенную с устройством возбуждения;
причем асинхронная машина включает в себя ротор, выполненный с возможностью приведения во вращение посредством двигателя, и статор, соединенный с упомянутым электрическим оборудованием; и
устройство возбуждения выполнено с возможностью вызывать протекание реактивного тока в упомянутом статоре.
Таким образом, изобретение дает возможность использовать асинхронную машину для питания электрического оборудования двигателя летательного аппарата, получая тем самым несколько преимуществ. В частности, асинхронная машина - это машина, которая является устойчивой к внешним воздействиям, надежной и недорогой. Помимо этого, велика степень свободы выбора форм-фактора асинхронной машины при ее проектировании, что упрощает внедрение ее в двигатель летательного аппарата. Помимо этого, при выборе размеров устройства возбуждения нужно учитывать лишь ток намагничивания асинхронной машины, который меньше, чем ток электропитания электрического оборудования. Таким образом, можно спроектировать устройство возбуждения так, что оно будет, в частности простым, а его размеры можно будет выбирать с учетом ограничений, вследствие чего представляется возможным ограничение размеров и стоимости устройства возбуждения.
Устройство возбуждения может содержать один или более конденсаторов.
При таких обстоятельствах, устройство возбуждения может представлять собой конструкцию, которая является относительно простой, тем самым способствуя ограничению его размеров и его стоимости.
m
В варианте осуществления, асинхронная машина имеет индуктивность L намагничивания, которую можно выразить следующим соотношением:
0
µ2
m
m
где L - индуктивность намагничивания при нулевом токе, I - ток намагничивания, который уменьшает индуктивность L намагничивания в 2 раза, I - ток намагничивания, а α - коэффициент, который зависит от характеристик асинхронной машины, причем α меньше 2,5.
Такой коэффициент, близкий к 2, делает возможным ограничение изменения амплитуды электрического напряжения, генерируемого асинхронной машиной, даже когда скорость вращения двигателя изменяется в диапазоне относительных значений от 1 до 2. Таким образом, оказывается возможным питание электрического оборудования, требующего напряжения с амплитудой, которая, по существу, постоянна.
В варианте осуществления, цепь электропитания включает в себя электронный блок управления, выполненный с возможностью управления реактивным током, подаваемым устройством возбуждения.
Посредством этих характеристик, возможно, питать электрическое оборудование, требующее напряжения с амплитудой, которая, по существу, постоянна.
Например, устройство возбуждения может включать в себя элемент с переменной емкостью, а электронный блок управления может быть выполнен с возможностью управления емкостью элемента с переменной емкостью.
При таких обстоятельствах, элемент с переменной емкостью может содержать модуль, выполненный с возможностью размыкания и замыкания переключателя со скважностью, которая определяется в зависимости от уставки емкости.
В еще одном примере, устройство возбуждения содержит электронное устройство, выполненное с возможностью подачи реактивного тока, которым управляет электронное устройство управления.
При таких обстоятельствах, электронное устройство может быть инвертором.
В варианте осуществления, цепь электропитания включает в себя второе устройство возбуждения, соединенное с асинхронной машиной.
Такая резервированность делает возможным повышение надежности цепи электропитания. Кроме того, поскольку устройство возбуждения можно спроектировать так, что оно будет, в частности, простым, а его размеры можно будет выбирать с учетом ограничений, эта резервированность не приведет к большим габаритам или большой стоимости.
Изобретение также предоставляет авиадвигатель, включающий в себя цепь электропитания в соответствии с изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение можно будет лучше понять по прочтении нижеследующего описания, приводимого в качестве неограничительного указания и со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
Фиг. 1 - схема цепи электропитания в варианте осуществления изобретения, показанной в ее окружении.
Фиг. 2 - более подробное изображение цепи электропитания согласно фиг. 1.
Фиг. 3 и 4 - графики, иллюстрирующие напряжение фазы цепи электропитания того типа, которая представлена на фиг. 2, в зависимости от скорости вращения.
Фиг. 5, 7 и 8 - фигуры, подобные фиг. 2 и иллюстрирующие другие варианты осуществления изобретения.
Фиг. 6 - график, иллюстрирующий напряжение фазы цепи электропитания согласно фиг. 5 в зависимости от скорости вращения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показана, в ее окружении, цепь 1 электропитания в варианте осуществления изобретения. Цепь 1 электропитания предназначена для питания компонента электрического оборудования 7 двигателя летательного аппарата 2. В качестве примера, отметим, что двигатель 2 может быть газотурбинным двигателем. Электрическое оборудование 7 является оборудованием в основном резистивного типа. Например, в нижеследующем описании считается, что электрическое оборудование 7 содержит цепь противообледенительной защиты двигателя 2, состоящую из резисторов противообледенительной защиты, встроенных в краях впускного отверстия двигателя 2.
Цепь 1 электропитания содержит генератор 5 электропитания, электрическое оборудование 7 и устройство 8 возбуждения. Генератор 5 электропитания можно приводить во вращение посредством вала 3 двигателя 2. Вал 3 также соединен со стартерами-генераторами (С/Г) 4, выполненными с возможностью работы в качестве синхронных электрических двигателей при запуске двигателя 2 и в качестве синхронных генераторов во время работы двигателя 2, например, для бортовой сети 6 летательного аппарата.
Генератор 5 электропитания представляет собой асинхронную машину. Таким образом, та же позиция 5 ниже применяется также для обозначения асинхронной машины.
На фиг. 2 цепь 1 электропитания показана подробнее. Асинхронная машина 5 имеет ротор 9, соединенный с валом 3, и статор 10, соединенный посредством электрической цепи 12 с резисторами 11 противообледенительной защиты электрического оборудования 7. В качестве примера, отметим, что ротор 9 представляет собой короткозамкнутый ротор. В иллюстрируемом примере, статор 10, электрическая цепь 12 и резисторы 11 противообледенительной защиты образуют трехфазную систему. В одном варианте, они могут образовывать многофазную систему.
Устройство 8 возбуждения содержит электронный блок 13 управления, переключатели 14 и конденсаторы 15.
Электронный блок 13 управления представляет собой архитектуру аппаратных средств компьютера. Он содержит, в частности, процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и интерфейс. Процессор служит для исполнения компьютерных программ, хранимых в ПЗУ, с использованием ОЗУ. Интерфейс делает возможным прием сигналов измерения и сообщений команд, а также выдачу сигналов управления и сообщений отчетов.
Таким образом, электронный блок 13 управления принимает сигналы измерения, отображающие напряжения и токи в электрической цепи 12. Электронный блок 13 управления также может управлять размыканием и замыканием переключателей 14. Помимо этого, электронный блок 13 управления может принимать сообщение команды, например, из главного компьютера двигателя 2, причем упомянутое сообщение предписывает этому блоку ввести в действие противообледенительную защиту, и он может посылать в основной компьютер сообщение отчета о статусе и исправности функции противообледенительной защиты.
Когда переключатели 14 находятся в своем замкнутом состоянии, конденсаторы 15 соединены с электрической цепью 12, а когда переключатели 14 находятся в своем разомкнутом состоянии, конденсаторы 15 не соединены с электрической цепью 12.
Цепь 1 электропитания работает следующим образом.
Когда переключатели 14 разомкнуты, в статор 10 не подается реактивный ток. В асинхронной машине 5 не генерируется магнитное поле. Таким образом, не генерируется электрическое напряжение и не питаются резисторы противообледенительной защиты.
Когда переключатели 14 замкнуты, через них происходит подача реактивного тока в статор 10. Таким образом, в асинхронной машине 5 генерируется магнитное поле. Если скорость N вращения вала 3 двигателя 2 соответствует емкостям конденсаторов 15 и сопротивлениям резисторов 11 противообледенительной защиты, то асинхронная машина 5 может работать как самовозбуждаемый асинхронный генератор и поэтому может генерировать электрическое напряжение в статоре 10, тем самым обеспечивая питание резисторов 11 противообледенительной защиты.
Когда переключатели 14 замкнуты, остаточный поток асинхронной машины 5 инициирует явление самозапуска. В одном варианте осуществления, с электрической цепью 12 соединено устройство, способствующее запуску (не показано). Когда переключатели 14 замкнуты, устройство, способствующее запуску, посылает импульс тока в электрическую цепь 12, например, через трансформатор, чтобы создать остаточное магнитное поле, которое делает возможным запуск.
Чтобы сделать возможной работу в режиме самовозбуждаемого асинхронного генератора, емкости конденсаторов 15 следует выбирать надлежащим образом, в частности - как функцию характеристик асинхронной машины 5, скорости N вращения вала 3 и сопротивлений резисторов 11 противообледенительной защиты. Специалист в данной области техники знает, как определить надлежащее значение для емкости, так что в подробном описании этого нет необходимости.
Фиг. 3 - график, который показывает, что работа в режиме самовозбуждаемого асинхронного генератора возможна даже тогда, когда скорость N вращения изменяется в диапазоне относительных значений от 1 до 2. Поскольку электрическое оборудование 7 является в основном резистивным, его можно спроектировать так, что оно будет допускать изменения напряжения в несколько процентов без сколько-нибудь значимого ухудшения параметров.
m
В частности, асинхронную машину 5 можно охарактеризовать ее индуктивностью L намагничивания, которую можно выразить посредством соотношения насыщения с помощью следующего уравнения:
В этом уравнении:
m
L - индуктивность намагничивания (в генри);
0
L - индуктивность намагничивания при нулевом токе (в генри);
µ2
m
I - ток намагничивания, который обуславливает уменьшение индуктивности L намагничивания в 2 раза;
m
I - ток намагничивания;
α - коэффициент, который зависит от характеристик асинхронной машины, в основном - от используемого магнитного материала и от воздушного зазора.
Для типовой асинхронной машины, коэффициент α составляет примерно 3. Кривая 16 на фиг. 3 показывает, как напряжение V, генерируемое асинхронной машиной 5, изменяется при коэффициенте α=3.
1
2
min
max
1
2
Можно заметить, что для скорости N вращения, изменяющейся в диапазоне относительных значений от 1 до 2, т.е. в типовом рабочем диапазоне двигателя летательного аппарата от N=3500 оборотов в минуту (об/мин) до N=7000 об/мин, напряжение V изменяется в диапазоне [V-V], соответствующем изменению напряжения примерно от +6,2% до -6,2%, что соответствует изменению мощности, составляющему примерно 25%, между минимальной скоростью N и максимальной скоростью N. Поскольку электрическое оборудование 7 является в основном резистивным, такое изменение - в варианте осуществления - может быть допустимым.
Фиг. 4 - график, аналогичный графику согласно фиг. 3, причем кривая 17 соответствует коэффициенту α=2. Можно заметить, что изменение напряжения V гораздо меньше, чем такое изменение на фиг. 3. Таким образом, если электрическое оборудование 7 может быть приспособлено лишь к ограниченной величине изменения напряжения, то в варианте осуществления изобретения предлагается разработать асинхронную машину 5 так, чтобы получить коэффициент α, который близок к 2 или равен 2, например - за счет надлежащего выбора используемого материала или надлежащего выбора размера воздушного зазора. Примером подходящего магнитного материала являются слоистые структуры, изготовленные из FeCo.
В контексте данного описания, считается, что коэффициент α близок к 2, если он меньше 2,5, а предпочтительно - меньше 2,25.
В варианте осуществления согласно фиг. 2, независимо от того, имеет ли асинхронная машина 5 коэффициент α, близкий к 2 (как показано на фиг. 4) или больший (как показано на фиг. 3), устройство 8 возбуждения может содержать простые конденсаторы 15 с постоянной емкостью, которые соединены с электрической цепью 12 посредством переключателей 14.
Помимо этого, конденсаторам 15 и переключателям 14 можно придать размеры с учетом лишь тока намагничивания, требуемого для асинхронной машины 5, который меньше, чем ток электропитания, подаваемый на резисторы 11 противообледенительной защиты. Таким образом, устройство 8 возбуждения можно сделать, в частности, простым и можно придать ему размеры, равные конкретно ограниченным величинам, тем самым делая возможным ограничение размеров и стоимости устройства 8 возбуждения.
Далее, со ссылками на фиг. 5 и 6, следует описание варианта осуществления, в котором конденсаторы 15 заменены элементами 15' с переменной емкостью. Другие элементы цепи 1 электропитания согласно фиг. 5 идентичны или аналогичны элементам согласно фиг. 2. Поэтому они обозначены такими же позициями, а их подробное описание не повторяется.
Деталь I на фиг. 5 иллюстрирует вариант осуществления элемента 15' с переменной емкостью.
В этом примере элемент 15' представляет собой переключаемый емкостной элемент, содержащий конденсатор 18 емкостью Ca, соединенный параллельно с ветвью, которая включает в себя последовательно соединенные: конденсатор 19 емкостью Cb; LR-цепь, содержащую параллельное соединение катушки 20 индуктивности и резистора 21; и переключатель 22. Элемент 15' также имеет модуль 23, выполненный с возможностью управления переключателем 22. Модуль 23 и переключатель 22 могут быть выполнены в форме электронных схем.
Когда переключатель 22 постоянно разомкнут, элемент 15' представляет собой емкость С, которая равна Ca. Когда переключатель 22 постоянно замкнут, элемент 15' представляет собой емкость С, равную Ca+Cb. Помимо этого, когда блок 23 вызывает размыкание и замыкание переключателя 22 со скважностью D, элемент 15' ведет себя подобно емкости С, равной Ca+Cb×D.
В зависимости от уставки емкости, получаемой из электронного блока 13 управления, и в зависимости от измерения емкости C, модуль 23 вызывает размыкание и замыкание переключателя 22 или его переключение между разомкнутым и замкнутым состояниями при скважности D. Частоту широтно-импульсной модуляции, применяемую для получения определенной скважности D, выбирают гораздо большей, чем электрическая частота асинхронной машины 5.
Катушка 20 индуктивности служит для ограничения амплитуды переходного тока при замыкании переключателя 22, как и сопротивление 21 при размыкании переключателя 22. Резонансную частоту LC-цепи, образованной конденсатором и катушкой 20 индуктивности, выбирают гораздо большей, чем частота широтно-импульсной модуляции.
2
1
0
2
0
1
2
На фиг. 6 представлен график, аналогичный графикам согласно фиг. 3 и 4, для асинхронной машины 5, имеющей коэффициент α=3. Кривые 24 и 25 показывают, как изменяется напряжение V в зависимости от скорости N вращения для двух разных значений емкости С элементов 15'. Точнее, кривая 24 соответствует емкости Ca, меньшей, чем емкость C, которая соответствует кривой 25. Кривая 25 проходит через точку (N, V), а кривая 24 проходит через точку (N, V). Кривые на фиг. 6 соответствуют примеру, в котором емкость С на 18% меньше, чем емкость С.
1
2
0
1
2
При любой емкости С, находящейся в диапазоне от C до C, можно провести кривую, которая находится между кривыми 24 и 25. Эта кривая проходит через точку (N, V), где N лежит в диапазоне от N до N.
1
2
0
Таким образом, можно заметить, что при любой скорости N вращения, находящейся в диапазоне от N до N, можно создать напряжение с амплитудой V путем управления элементами 15', чтобы получить соответствующую емкость C.
0
Поэтому в цепи 1 электропитания согласно фиг. 1 электронный блок 13 управления определяет уставку емкости для элементов 15', в частности, в зависимости от скорости N вращения, чтобы можно было подать на резисторы 11 противообледенительной защиты напряжение переменного тока с амплитудой V, которая, по существу, постоянна. Определяемая уставка передается в модули 23 элементов 15'.
По сравнению с вариантом осуществления согласно фиг. 2, вариант осуществления согласно фиг. 5 дает возможность питания электрического оборудования 7, требующего напряжения электропитания, амплитуда которого, по существу, постоянна. Кроме того, переключателю 22 можно придать размеры, соответствующие лишь доле тока намагничивания, тем самым внося вклад в ограничение размеров и стоимости устройства 8 возбуждения.
Далее, со ссылками на фиг. 7, приводится описание варианта осуществления, в котором конденсаторы 15 заменены инвертором 26 и конденсатором 27. Другие элементы цепи 1 электропитания согласно фиг. 7 идентичны или аналогичны элементам согласно фиг. 2. Поэтому они обозначены теми же позициями, а их повторное описание приведено не будет.
Инвертор 26 представляет собой трехфазный инвертор, в котором плечи измерительного моста соединены с электрической цепью через переключатели 14 и сглаживающие катушки 28 индуктивности. Конденсатор 27 соединен с шинами электропитания инвертора 26, чтобы запасать энергию, которая требуется для обмена реактивной мощностью.
0
Инвертором 26 управляет электронный блок 13 управления, в частности, в зависимости от скорости N вращения, чтобы подавать ток намагничивания, соответствующий генерированию напряжения переменного тока, по существу, с постоянной амплитудой V при изменении скорости N вращения в определенном диапазоне.
По сравнению с вариантом осуществления согласно фиг. 2, вариант осуществления согласно фиг. 7 служит для питания электрического оборудования 7, требующего напряжения электропитания с амплитудой, которая, по существу, постоянна. Кроме того, размеры инвертора 26 можно выбрать лишь в соответствии с током намагничивания, потребляемым асинхронной машиной 5, который меньше, чем ток электропитания, подаваемый на резисторы 11 противообледенительной защиты, тем самым внося вклад в ограничение размеров и стоимости устройства 8 возбуждения.
На фиг. 8 показан вариант осуществления, в котором устройство 8 возбуждения выполнено резервированным. Устройства 8 возбуждения, которые показаны на фиг. 8, являются устройствами с постоянной емкостью, как и в варианте осуществления согласно фиг. 2. В одном варианте, они могут быть устройствами с переменной емкостью, как показано в варианте осуществления согласно фиг. 5, или инвертирующими устройствами, как показано в варианте осуществления согласно фиг. 7.
В иллюстрируемом варианте осуществления, переключатели 29 и 30 служат для подсоединения того или иного из устройств 8 возбуждения в зависимости от сигнала активного канала, генерируемого устройством защиты (не показано), которое может быть, например, главным компьютером двигателя 2. Когда в активном устройстве 8 возбуждения обнаруживается отказ, оказывается возможным переключение на другое устройство 8 возбуждения, вследствие чего предоставляется цепь 1 электропитания с повышенной надежностью.
В варианте, который не показан, устройства 8 возбуждения соединены непосредственно с электрической цепью 12, т.е. без переключателей 29 и 30. При таких обстоятельствах, внутренние переключатели 14 неактивного устройства 8 возбуждения поддерживаются разомкнутыми.
Как пояснялось выше, устройствам 8 возбуждения согласно фиг. 2, 5 и 7 можно придать размеры в соответствии с током намагничивания (током возбуждения), требуемым асинхронной машиной 5, который меньше, чем ток электропитания, потребляемый электрическим оборудованием 7. Таким образом, резервированность, предложенная на фиг. 8, не влечет за собой большой объем или высокую стоимость.
Таким образом, изобретение делает возможным применение асинхронной машины, например, для питания резисторов противообледенительной защиты двигателя летательного аппарата, и поэтому дает несколько преимуществ. В частности, асинхронная машина - это машина, которая является устойчивой к внешним воздействиям, надежной и недорогой. Помимо этого, велика степень свободы выбора форм-фактора асинхронной машины при ее проектировании, что упрощает внедрение ее в двигатель летательного аппарата.
Кроме того, можно легко управлять цепью 1 электропитания посредством электронного блока 13 управления. Если электронный блок 13 управления, действующий в зависимости от измеряемого тока в электрической цепи 12, определяет, что токи, текущие через резисторы 11 противообледенительной защиты, слишком велики, например, из-за отказа типа короткого замыкания, то этот блок может вызвать размыкание переключателей 14, тем самым снимая возбуждение асинхронной машины 5.
Кроме того, даже если электронный блок 13 управления не обнаруживает отказ или не вызывает размыкание переключателей 14, резисторы 11 противообледенительной защиты можно защитить от избыточного тока, если - как следствие проектирования - максимальный уровень мощности, который может предоставить цепь 1 электропитания, совпадает с максимальным уровнем мощности, которую могут потреблять резисторы 11 противообледенительной защиты (или не превышает его). Дефект типа короткого замыкания, даже если оно лишь частичное, может вызывать изменение сопротивлений резисторов 11 противообледенительной защиты. При таких обстоятельствах, ток намагничивания, подаваемый устройством 8 возбуждения, больше не пригоден для работы в режиме самовозбуждаемого асинхронного генератора, и возникает явление противодействия запуску, что вызывает прекращение генерирования электрической энергии.