ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ELECTRIC SYSTEM TO START AIRCRAFT ENGINES

Область техники
Настоящее изобретение относится к области силовых преобразователей и, в частности, касается систем запуска авиационных двигателей.
Предшествующий уровень техники
Как известно, в области авиации тяговые двигатели и вспомогательную силовую установку (называемую также) летательного аппарата запускают от электрической системы запуска типа показанной на фиг.6. Такая система 10 классически содержит выпрямитель 12 переменного тока в постоянный ток для получения постоянного напряжения Vdc от бортовой сети 14 питания летательного аппарата или от наземного источника питания, за которым установлен преобразователь 16 постоянного тока в переменный ток для питания стартер-генераторов 18, 20, 22 во время фазы запуска этих двигателей. Как правило, преобразователь 16 постоянного тока в переменный ток содержит инвертор уровня мощности 'Pn', требуемой для запуска тягового двигателя на земле. Для повышения надежности с точки зрения возможности повторного запуска в полете и степени обеспечения ресурсов для запуска на земле может быть добавлен второй инвертор такой же мощности 'Pn'. Однако такое добавление приводит к увеличению веса и объема и, следовательно, к дополнительным расходам.
Классически сеть питания является силовой сетью переменного напряжения 115 В или любой другой сетью, например 230 В переменного напряжения. Постоянное напряжение, получаемое на выходе выпрямителя, составляет, например, 270 В, или 540 В, или имеет другое значение.
При отсутствии силовых электрических сетей запуск тяговых двигателей можно производить при помощи установки APU, которую запускают от батареи. Следовательно, необходимо добавить преобразователь 28 постоянного тока в постоянный ток (DC/DC), выдающий напряжение, совместимое с напряжением на входе инвертора, с которым он соединен. Поскольку обычно напряжение от батареи составляет от 24 В постоянного напряжения до 48 В постоянного напряжения, этот многоступенчатый или многоэлементный вольтодобавочный преобразователь постоянного тока в постоянный ток, в случае необходимости, с гальванической развязкой имеет высокий повышающий коэффициент, как правило, более 10 и, следовательно, является прибором, сложным и трудным для регулирования, тяжелым, объемным и, в конечном счете, определенно дорогим.
Краткое изложение существа изобретения
Настоящее изобретение призвано устранить вышеупомянутые недостатки и, в частности, свести к минимуму массу оборудования, необходимого для обеспечения запуска тяговых двигателей и вспомогательной силовой установки APU летательного аппарата от силовой сети или от батареи при повышенной степени надежности для повторного запуска в полете и, в случае необходимости, также с достаточной высокой степенью обеспечения ресурсами для запусков на земле.
В связи с этим, объектом настоящего изобретения является электрическая система запуска, по меньшей мере, одного двигателя, содержащая выпрямитель переменного тока в постоянный ток, питаемый от силовой сети переменного тока, для получения первого постоянного напряжения Vdc, модуль преобразования постоянного тока в переменный ток для получения переменного напряжения запуска, по меньшей мере, одного двигателя из первого постоянного напряжения Vdc, отличающаяся тем, что модуль преобразования постоянного тока в переменный ток содержит k параллельно установленных n-фазных инверторов (k>1), каждый из которых выдает мощность, по меньшей мере, в два раза меньше максимальной мощности Pmax, требуемой для запуска, по меньшей мере, одного двигателя, и тем, что две линии питания каждого из инверторов соединены с электронным защитным устройством, получающим первое постоянное напряжение Vdc, и n выходов каждого из инверторов выдают переменное напряжение запуска двигателя через n последовательно соединенных катушек индуктивности.
Согласно рассматриваемой конфигурации модуль преобразования постоянного тока в переменный ток содержит, по меньшей мере, два инвертора, при этом каждый из k инверторов выдает мощность Pmax/k, или, по меньшей мере, три инвертора, при этом каждый k инверторов выдает мощность Pmax/(k-1).
Таким образом, при той или другой из этих конфигураций, в которых преобразование постоянного тока в переменный ток разбито на секции параллельных инверторов мощностью, не превышающей Р/2, размер по массе и объему электрической системы запуска существенно уменьшается, а также снижается ее общая стоимость. Чтобы такая конфигурация представляла интерес, необходимо, чтобы, по меньшей мере, один из двигателей потреблял мощность, по меньшей мере, в (k-1) раз меньше максимальной мощности и/или мог запускаться в критических условиях безопасности при мощности, по меньшей мере, в (k-1) раз меньшей максимальной мощности.
Предпочтительно модуль преобразования постоянного тока в переменный ток может содержать два или три установленных параллельно трехфазных инвертора. Вместе с тем, разумеется, возможна и конфигурация с более чем тремя инверторами в зависимости от используемой максимальной мощности.
Если, по меньшей мере, один двигатель электрической системы запуска может запускаться в критических условиях безопасности при мощности, по меньшей мере, в два раза меньшей максимальной мощности, то, по меньшей мере, один двигатель получает питание только от одного из двух трехфазных инверторов, чтобы повысить степень надежности системы в критических условиях безопасности за счет резервирования типа 1 к 2 (один к двум).
Предпочтительно, по меньшей мере, один двигатель получает питание от двух из трех трехфазных инверторов, чтобы повысить степень надежности системы в критических условиях безопасности за счет резервирования типа 2 к 3 (два к трем).
Когда электрическую систему запуска применяют для запуска от батареи и, по меньшей мере, один двигатель электрической системы запуска может запускаться при мощности, по меньшей мере, в два раза меньшей максимальной мощности, батарею соединяют с одним из n-фазных инверторов через последовательно соединенные катушки индуктивности, чтобы, образуя вольтодобавочный преобразователь постоянного тока в постоянный ток, получать постоянное напряжение Vdc, при этом постоянное напряжение Vdc, подаваемое на другой из n-фазных инверторов через электронное защитное устройство, позволяет получить через последовательно соединенные катушки индуктивности переменное напряжение, обеспечивающее запуск, по меньшей мере, одного двигателя от батареи, когда нет доступа к силовой сети переменного тока.
Предпочтительно для получения постоянного напряжения Vdc от батареи, управление вольтодобавочным преобразователем постоянного тока в постоянный ток осуществляют при помощи схемы управления с фиксированным соотношением цикла переключения.
Предпочтительно электронное защитное устройство содержит управляемый выключатель, последовательно соединенный с одной из двух линий питания, и конденсатор, параллельно соединенный с этими двумя линиями питания со стороны инвертора.
Предпочтительно электрическая система запуска в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит фильтр, установленный на выходе батареи.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает принципиальную схему электрической системы запуска двигателей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.1А и 1В изображают детальный вид модуля преобразования постоянного тока в переменный ток системы, показанной на фиг.1;
Фиг.2А-2D изображают различные конфигурации работы системы, показанной на фиг.1;
Фиг.3 изображает детальный вид конфигурации, показанной на фиг.2D;
Фиг.4 изображает временные диаграммы в некоторых характерных точках конфигурации, показанной на фиг.3;
Фиг.5А-5D изображают различные другие конфигурации работы системы показанной на фиг.1;
Фиг.6 изображает принципиальную схему электрической системы запуска двигателей известного уровня техники.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 схематично показана электрическая система запуска двигателей в соответствии с настоящим изобретением.
Как и системы известного уровня техники, система содержит выпрямитель 12 переменного тока в постоянный ток, предназначенный для выпрямления переменного напряжения, поступающего от сети 14 питания, предпочтительно трехфазной сети, за которым следует преобразователь 16 постоянного тока в переменный ток, питающий различные пусковые генераторы 18, 20, 22 через соединительную матрицу, положение различных контакторов которой, показанное в качестве примера, обеспечивает различные варианты работы. Вместе с тем, эта матрица 28 является по существу отличной, чтобы интегрировать дополнительный канал питания от батареи 26, за которой в отличие от известных систем нет преобразователя постоянного тока, а только установлен классический фильтр 30, выход которого подает питание напрямую и через выход этой соединительной матрицы 28 питает преобразователь постоянного тока в переменный ток. Следует отметить, что сокращение числа полупроводниковых устройств в результате исключения этого преобразователя постоянного тока повышает общий показатель надежности (MTBF) системы.
Согласно изобретению этот преобразователь состоит из нескольких параллельных секций преобразователя постоянного тока в переменный ток. Далее со ссылкой на фиг.1А следует описание их идентичной двунаправленной структуры.
Действительно, каждая секция преобразователя постоянного тока в переменный ток (например, первая секция 16А) содержит, по меньшей мере, одно электронное защитное устройство (в идеале управляемый электронный выключатель 170А, например, полевой транзистор с изолированным затвором IGBT, оборудованный своим встречно-параллельным диодом и связанный с конденсатором 168А), обычный n-фазный инвертор (как правило, трехфазный, как показано на фигуре) и набор из n катушек 320А, 322А, 324А индуктивности, последовательно соединенных с n выходами инвертора.
В частности, представленный трехфазный инвертор содержит три линии питания, одна из которых является линией массы, между которыми установлены три плеча, каждое из которых содержит два последовательно соединенных переключателя. Точка соединения между двумя переключателями 1600А, 1602А, образующими первое плечо 160А, соединена с одним концом первой катушки 324А индуктивности, установленной на выходе инвертора, а ее другой конец соединен с линией питания стартер-генератора 18, 20, 22 через соединительную матрицу 28. Точно так же, точка соединения между двумя переключателями 1620А, 1622А второго плеча 162А этого инвертора соединена с концом второй катушки 322А индуктивности. Наконец, точка соединения между двумя переключателями 1640А, 1642А третьего плеча 164А соединена с концом третьей катушки 320А индуктивности. Классически эти переключатели являются транзисторами IGBT, на концах которых установлены встречно-параллельные диоды и переключение которых обеспечивает схема 166А управления, которая обеспечивает также управление переключателем 170А.
В целом преобразователь 16 постоянного тока в переменный ток может содержать k n-фазных инверторов, установленных параллельно (при k>1) таким образом, чтобы выдавать мощность Pmax/k или Pmax/(k-1), при этом Pmax является мощностью, необходимой для запуска двигателей в условиях, требующих максимального уровня мощности. Этот принцип разделения на k секций инвертора мощностью, по меньшей мере, в два раза меньшей максимальной мощности Pmax, можно обобщить. Таким образом, в зависимости от применения и от уровня мощности, параметр k становится переменной величиной оптимизации массы и/или стоимости.
На фиг.1В представлен частный вариант работы электрической системы запуска двигателей, показанной на фиг.1, в которой один из двигателей максимальной мощности запускают от силовой сети 14 через выпрямитель 12 переменного тока в постоянный ток и питают при помощи двух секций 16А и 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток (при этом предполагается, что соответствующие контакторы соединительной матрицы 28 замкнуты и поэтому не показаны). Параметры каждой секции установлены таким образом, чтобы выдавать мощность Pmax/2.
Разумеется, здесь используют структуру, описанную со ссылкой на фиг.1А, которая в этой частной конфигурации работы дублирована, при этом каждая секция содержит свою собственную схему 166А, 166В управления, каждая из которых классически за счет своего собственного контура управления тока, связанного с тремя выходными катушками индуктивности трехфазного инвертора, обеспечивает сбалансированное распределение максимальной мощности, подаваемой на стартер-генератор рассматриваемого двигателя. В этой конфигурации переключатели 170А, 170В позволяют избежать распространения неисправности типа короткого замыкания между линиями питания, подающими постоянное напряжение Vdc между секциями инвертора.
На фиг.2А-2D схематично показаны возможные различные схемы функционирования с применением электрической системы запуска двигателей в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2А схематично представлена структура, описанная выше со ссылками на фиг.1В, которая соответствует, например, в применении к запуску двигателей летательного аппарата случаю, когда искомым результатом является только степень надежности повторного запуска в полете. В этой конфигурации система содержит две секции 16А, 16В преобразователей постоянного тока в переменный ток, два инвертора мощности Pn/2, которые связаны и синхронизированы таким образом, чтобы выдавать мощность Pn, требуемую для запуска на земле.
Для повторного запуска в полете, поскольку требуемая мощность, как правило, меньше Pn/2, то достаточно только одной секции преобразователей постоянного тока в переменный ток, и, как показано на фиг.2В, один или другой из тяговых двигателей 20, 22 можно перезапустить от силовой сети 14, что позволяет получить резервирование 1 к 2 для обеспечения повышенной степени надежности.
Для запуска установки APU применяют конфигурацию, показанную на фиг.2С, так как эта установка, как правило, имеет меньшую мощность, в частности, намного меньше Pn/2.
С другой стороны, для запуска установки APU от батареи, как показано на фиг.2D, используют обе секции преобразователя постоянного тока в переменный ток, но в этом случае одна предназначена для преобразования постоянного тока для повышения напряжения батареи, тогда как другая классически работает в режиме преобразования постоянного тока в переменный ток.
Эту конфигурацию иллюстрируют, в частности, фиг.3 и 4.
На фиг.3 детально показаны различные схемы, обеспечивающие, например, запуск установки APU 18 от батареи 26.
С двумя контактами батареи 26 (контактом напряжения и контактом массы) соединен фильтр 30, который в представленном примере является классическим фильтром типа LC с последовательно соединенной катушкой 300 индуктивности и параллельно соединенным конденсатором 302. С одним из выходных контактов этого фильтра в точке соединения катушки 300 индуктивности и конденсатора 302 соединены первые концы трех катушек 320В, 322В, 324В индуктивности, причем каждый из вторых концов которых соединен с точкой соединения между двумя переключателями одного из плеч секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток, одна из линий питания которого, образующая линию массы, соединена с другим из выходных контактов фильтра, соединенным, в свою очередь, с контактом массы батареи.
Таким образом, конец первой катушки 324В индуктивности соединен с точкой соединения (или центральной точкой) между двумя переключателями 1600В, 1602В первого плеча 160В секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток. Точно так же, конец второй катушки 322В индуктивности соединен с точкой соединения между двумя переключателями 1620В, 1622В второго плеча 162В. Наконец, конец третьей катушки 320В индуктивности соединен с точкой соединения между двумя переключателями 1640В, 1642В третьего плеча 164В. Классически эти переключатели являются транзисторами IGBT, на контактах которых установлены антипараллельные диоды и переключение которых обеспечивает схема 166В управления. Параллельно подключенный конденсатор 168В соединяет обе линии питания секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток, и последовательно соединенный переключатель 170В на одной из линий питания выдает в эту линию питания постоянное напряжение Vdc от этой секции 16В. Как и предыдущие переключатели, переключателем 170В, например, транзистором IGBT с его встречно-параллельным диодом управляют при помощи схемы 166В управления.
На выходе переключателя 170В линия питания постоянного тока секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток соединена напрямую с линией питания постоянного тока другой секции 16А преобразователя постоянного тока в переменный ток (действительно, поскольку сеть питания отсутствует, выпрямитель не выдает никакого напряжения, и линии питания двух секций преобразователя постоянного тока в переменный ток соединены напрямую), который последовательно соединен с другим переключателем 170А, например с транзистором IGBT, оборудованным своим встречно-параллельным диодом, переключение которого обеспечивает схема 166А управления и на выходе которого параллельно установлен конденсатор 168А, который выдает входное напряжение для этой секции 16А преобразователя постоянного тока в переменный ток. Другая линия питания этой секции 16А, образующая линию массы, соединена с линией массы секции 16В.
Секция 16А преобразователя постоянного тока в переменный ток имеет структуру, аналогичную структуре секции 16В с точкой соединения между двумя переключателями 1600А, 1602В первого плеча 160А этой секции 16А, соединенной в данном случае с концом первой катушки 324А индуктивности выхода инвертора. Другой конец соединен с линией стартер-генератора установки APU. Точно так же, точка соединения между двумя переключателями 1620А, 1622А второго плеча 162А соединена с концом второй катушки 322А индуктивности. Наконец, точка соединения между двумя переключателями 1640А, 1642А третьего плеча 164А соединена с концом третьей катушки 320А индуктивности. Как и в случае предыдущей секции, эти переключатели классически являются транзисторами IGBT, на концах которых установлены встречно-параллельные диоды и переключение которых обеспечивает схема 166А управления.
Далее следует описание работы электрической системы запуска в этой конфигурации со ссылками на временные диаграммы, упрощенно показанные на фиг.4, на которых сигнал Iboost является током питания на выходе фильтра 30, сигнал Ip1 является током, проходящим через одну из катушек 320В, 322В, 324В индуктивности, сигнал Iload является током на линии питания на выходе секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток, и два взаимодополняющих сигнала Cde являются двумя сигналами управления, применяемыми на уровне четных переключателей и, соответственно, нечетных переключателей секции 16В.
Прежде всего, необходимо отметить, что различные соединители, необходимые для соединения различных схем между собой, намеренно не показаны, чтобы не перегружать чертежи. Вместе с тем, разумеется, специалист сможет их установить на место для обеспечения активации только тех схем, которые задействованы во время цикла запуска от батареи. В этой конфигурации запуска от батареи 26 выдаваемый ею ток предварительно фильтруют при помощи фильтра 30, который, таким образом, снижает уровень пульсации тока. Форма тока Iboost перед фильтрацией представлена на диаграмме, где показан ток с пульсацией при повышенной частоте, соответствующей тройной частоте переключения переключателей. Напряжение батареи, подаваемое на контакты трех катушек 320В, 322В, 324В индуктивности, соединенных с точками соединения переключателей секции 16В преобразователя постоянного тока в переменный ток, используют для образования вольтодобавочного преобразователя постоянного тока в постоянный ток (типа двунаправленного чередующегося повышающего преобразователя), позволяющего повышать напряжение батареи (на практике 24 В постоянного напряжения) до требуемого значения входного напряжения другой секции преобразователя постоянного тока в переменный ток (например, 270 В постоянного напряжения), работа которой для обеспечения управления стартер-генератором установки APU под действием схемы управления 166А известна.
Требуемый уровень выходного напряжения секции 16В зависит, как известно, от соотношения цикла переключения, которое предпочтительно можно выбирать фиксированным, чтобы избежать проблем стабильности контура автоматического регулирования напряжения, в котором, как известно, при этом высоком коэффициенте повышения напряжения возникают проблемы, что показано в виде формы сигналов Cde. Форма тока Ip1, проходящего через катушки индуктивности, показывает, что его частота пульсации равна частоте широтно-импульсной модуляции транзисторов IGBT, что его средняя амплитуда в три раза меньше, чем у тока Iboost, и что его степень пульсации в три раза больше, чем у тока Iboost. Взаимное чередование позволяет, таким образом, поделить на n (n=число фаз=3 в представленном примере) степень пульсации тока, обрабатываемого фильтром 30. Фильтр 30, представленный здесь в качестве примера, является фильтром типа LC с 1 секцией, хотя можно использовать многие другие типы фильтров. Поскольку коэффициент трансформации является высоким, конденсатор 168В заряжают большими пиками тока очень короткой продолжительности. Другим положительным эффектом чередования является уменьшение амплитуды этих пиков тока в n раз (в данном случае n=3) и увеличение соответствующей частоты в соотношении n, что позволяет снизить нагрузку на конденсатор 168В и повысить эффективность фильтрации. Форма тока Iload показывает ток, выдаваемый на другой секции преобразователя постоянного тока в переменный ток, который в этом случае характеризуется очень слабой пульсацией.
Предпочтительно переключатели 1640В, 1620В и 1600В можно также активировать (в отличие от переключателя, соединенного последовательно) таким образом, чтобы получить двунаправленный преобразователь. Этот принцип работы позволяет работать в непрерывном режиме при любой выдаваемой мощности. При фиксированном соотношении цикла выходное напряжение мало подвержено влиянию уровня нагрузки.
Другие возможные варианты работы с применением электрической системы запуска двигателей в соответствии с настоящим изобретением схематично представлены на фиг.5А-5D.
Так, на фиг.5А показана система, содержащая 3 инвертора мощностью Pmax/2, специально адаптированная для работы в случае, когда степень наличия ресурсов для запуска на земле является определяющей. Действительно, для такого запуска на земле избыточность типа 2 к 3 обеспечивает повышенную степень наличия ресурсов.
На фиг.5В показан случай повторного запуска в полете, когда при такой системе с 3 инверторами степень надежность повышается еще больше при избыточности типа 1 к 3.
Случай запуска установки APU от батареи показан на фиг.5С, и, как в предыдущем случае, одну секцию преобразователя постоянного тока в переменный ток используют для повышения напряжения батареи, а одну из двух других - для преобразования постоянного тока в переменный ток, что позволяет повысить степень наличия ресурсов и для этой конфигурации запуска от батареи.
Наконец, на фиг.5D показано использование системы для перезарядки батареи 26 или просто для питания сети 32 низкого напряжения постоянного тока летательного аппарата, а также для замены функции, называемой TRU (блок выпрямляющего трансформатора). В этом варианте работы секция преобразователя постоянного тока в переменный ток получает питание от бортовой силовой сети 14 через выпрямитель 12 переменного тока в постоянный ток и выдает постоянное напряжение на выходе для сети низкого напряжения постоянного тока (например, 28 В постоянного напряжения) или для зарядки батареи, или для того и другого. В этом случае инвертор работает в режиме двунаправленного многофазного чередующегося преобразователя постоянного тока понижения напряжения (типа BUCK).
Следует заметить, что, если по какой-либо причине (например, уровень мощности >Pn/k для повторного запуска в полете) секции преобразователя постоянного тока в переменный ток должны иметь мощность, равную Pn, остается в силе принцип использования одной секции в качестве преобразователя постоянного тока во взаимосвязи с батареей.
Необходимо отметить, что, хотя описание представлено для управления запуском авиационных двигателей, понятно, то изобретение можно применять и в других областях, например в области автомобилей или промышленных машин. Точно так же, хотя на фигурах представлено питание от трехфазной сети, изобретение находит свое применение для любой сети питания с n фазами (n>1), в том числе для двухфазной сети.
Следует также отметить, что в случае, когда степень гармонического искажения во время фаз запуска двигателей не является определяющей, выпрямитель 12 переменного тока в постоянный ток может быть простым n-фазным выпрямителем (как правило, n=3), после которого установлена простая фильтрующая катушка индуктивности. Это позволяет оптимизировать массу и рассеяние.
Можно также отметить, что, хотя для выполнения переключателей упоминалось использование полевых транзисторов с изолированным затвором IGBT, можно применять другие типы управляемых переключателей МОП, такие как MCT, BJT или SCR.