СПОСОБ И СИСТЕМА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD AND SYSTEM OF POWER SUPPLY OF THE AIRCRAFT

ОБЩАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электрического питания летательного аппарата и, в частности, к способу и к системе управления сетью электрического питания летательного аппарата.
Летательный аппарат классически содержит сеть электрического питания, предназначенную для питания различного оборудования летательного аппарата (механические приводы, рычаги управления, мультимедийная система для пассажирских кресел, вентиляция салона и т.д.). С точки зрения электрики, оборудование летательного аппарата считается нагрузкой, потребляющей электрическую энергию.
Для обеспечения рационального управления электрической энергией в сети электрического питания нагрузки подразделяют на две категории: так называемые «основные» нагрузки, которые имеют первостепенное значение для работы летательного аппарата (рычаги управления и т.д.) и так называемые «не основные» нагрузки, которые являются менее важными для работы летательного аппарата (мультимедийная система для пассажирских кресел, вентиляция салона и т.д.). Нагрузки также подразделяются по своему географическому расположению, чтобы получать питание от ближайших источников и чтобы избегать, по мере возможности, потери избыточности и/или функционально дополняющего оборудования.
Сеть электрического питания классически включает в себя главный источник энергии, которую отбирают на двигателях летательного аппарата, участвующих в создании тяги летательного аппарата. Иначе говоря, двигатель летательного аппарата производит, с одной стороны, движущую энергию для обеспечения перемещения летательного аппарата и, с другой стороны, не движущую энергию, которую используют как главный источник энергии для сети электрического питания.
В последние годы все больше возрастают потребности в электрической энергии для летательного аппарата. Поэтому, когда двигатели работают в режиме малого газа, например во время посадки, иногда сеть электрического питания не получает достаточного питания, что является недостатком, т.к. не обеспечивает питание не основных нагрузок (мультимедийная система для пассажирских кресел и т.д.) и создает неудобство для пассажиров. Прямым решением для устранения этого недостатка является повышение режима двигателей летательного аппарата, но это приводит к не желательному увеличению расхода топлива.
В патентной заявке FR 2964087, поданной на имя компании TURBOMECA, было предложено использовать главную силовую установку, когда двигатели не могут в достаточной степени удовлетворить потребности сети электрического питания.
На практике не основные нагрузки обслуживаются главной силовой установкой, тогда как основные нагрузки получают питание от тяговых двигателей.
Такой способ управления источниками энергии не является оптимальным, так как требует сложных в применении алгоритмов разгрузки, поскольку разгрузка зависит от питаемых нагрузок. Разгрузка является тем более сложной, поскольку она должно учитывать также условия доступности источника энергии. Действительно, электрические нагрузки должны получать питание, когда один или несколько источников являются не доступными. На практике, такие алгоритмы разгрузки не позволяют обеспечивать питание максимально возможного числа электрических нагрузок.
Кроме того, выход из строя одного источника предполагает, что остальные доступные источники должны иметь мощность, достаточную для питания всех нагрузок до конца полета. В результате мощность каждого источника энергии должна намного превышать мощность, потребляемую обслуживаемой им нагрузкой, что приводит к не производительным затратам энергии и отрицательно сказывается на энергетическом КПД летательного аппарата.
Кроме того, известные системы управления энергией являются сложными в применении, так как существуют разные модули разгрузки для нагрузок, требующих тока сверх 15 ампер, и для нагрузок, требующих тока менее 15 ампер. Разгрузка должна учитывать совместимость источников с нагрузками, что является недостатком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения по меньшей мере некоторых из этих недостатков изобретением предложен способ питания электрической энергией летательного аппарата, содержащего множество питаемых нагрузок и систему питания, при этом система питания включает в себя множество источников энергии и бортовой модуль управления энергией, при этом способ отличается тем, что модуль управления энергией управляет питанием по меньшей мере одной из упомянутых нагрузок при помощи по меньшей мере двух разных параллельно соединенных источников энергии в случае увеличения потребности в энергии, при этом упомянутая нагрузка изначально получает питание от единственного источника энергии.
Объектом изобретения является также система питания электрической энергией летательного аппарата, содержащего множество питаемых нагрузок, при этом система питания включает в себя множество источников энергии и бортовой модуль управления энергией, при этом модуль управления энергией электрически соединен с упомянутыми источниками энергии и с упомянутыми питаемыми нагрузками, при этом модуль управления энергией выполнен с возможностью управления питанием по меньшей мере одной из упомянутых нагрузок при помощи по меньшей мере двух разных параллельно соединенных источников энергии в случае увеличения потребности в энергии, при этом упомянутая нагрузка изначально получает питание от единственного источника энергии.
Благодаря изобретению, нагрузка получает гибридное питание от нескольких разных источников энергии. Больше нет необходимости подключать нагрузку к другому источнику энергии, если питающего источника энергии не достаточно. Такой способ питания обеспечивает большую гибкость применения и позволяет оптимально питать все нагрузки без чрезмерного генерирования энергии, что улучшает энергетический КПД летательного аппарата. Кроме того, модуль управления энергией образует универсальный источник энергии, который позволяет динамично адаптировать энергетические возможности к потребностям в электрической энергии. Предпочтительно источники энергии взаимно дополняют друг друга.
Кроме того, изобретение позволяет легче избегать рисков перебоев в электрической сети.
Кроме того, вместо того, чтобы возлагать питание на более мощный источник энергии, можно объединить электрические источники меньшей мощности, чтобы удовлетворять потребности электрической нагрузки. Таким образом, ограничивают бесполезное генерирование энергии и, следовательно, расход топлива летательным аппаратом, что улучшает его энергетический КПД.
Предпочтительно система содержит средства накопления энергии, при этом модуль управления выполнен с возможностью обеспечения питания по меньшей мере одной из упомянутых нагрузок от средств накопления энергии в случае экстренной необходимости в энергии упомянутой питаемой нагрузки. Средства накопления энергии позволяют удовлетворять экстренные потребности в энергии без чрезмерного генерирования энергии в течение длительного периода времени. Средства накопления энергии позволяют точечно удовлетворять потребность в энергии, что было невозможно в рамках известных способов разгрузки.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, средства накопления энергии выполнены в виде энергетического элемента. Такой элемент имеет небольшой габарит и может быстро выдавать большое количество энергии.
Согласно другому варианту изобретения, упомянутые по меньшей мере два источника выполнены с возможностью подачи постоянного тока на упомянутую по меньшей мере одну нагрузку.
Согласно варианту изобретения, упомянутые по меньшей мере два источника выполнены с возможностью подачи переменного тока на упомянутую по меньшей мере одну нагрузку. Использование двух источников переменного тока идет в разрез с существующим мнением, согласно которому проблемы связывания, относящиеся к источникам переменного тока, препятствуют использованию в области авиации.
Предпочтительно модуль управления содержит средства синхронизации источников переменного тока, предназначенных для одновременного питания нагрузки, чтобы ограничить проблемы связывания.
Предпочтительно модуль управления энергией является автономным. Иначе говоря, модуль управления выполнен с возможностью динамичного обеспечения соединений между источниками и нагрузками. Предпочтительно модуль управления имеет базу данных, содержащую специальные правила для выбора наилучшей конфигурации соединений в зависимости от состояния источников и нагрузок.
Предпочтительно модуль управления выполнен с возможностью адаптации соединений источников энергии в зависимости от тока, потребляемого нагрузками в течение времени. Таким образом, генерирование энергии источниками адаптировано к потреблению нагрузок.
Предпочтительно модуль управления энергией выполнен с возможностью управления увеличением генерирования энергии одним из источников, питающих нагрузку, если потребление нагрузки возрастает.
Предпочтительно система содержит по меньшей мере один вспомогательный модуль питания, электрически соединенный с модулем управления и с упомянутым множеством нагрузок, при этом модуль управления энергией выполнен с возможностью прямого питания нагрузок большой мощности и опосредованного питания нагрузок низкой и средней мощности через упомянутый вспомогательный модуль питания. Модуль управления управляет питанием высокой мощностью и переключает питание средней и низкой мощностью на вспомогательный модуль, который осуществляет адаптацию тока, необходимого для нагрузок. Такая архитектура питания позволяет улучшить качество поставляемого тока и одновременно повысить надежность питания. В этом примере считается, что нагрузка большой мощности потребляет ток более 15 ампер.
Предпочтительно система содержит по меньшей мере один аварийный модуль, электрически соединенный с модулем управления и с аварийной нагрузкой, при этом модуль управления энергией выполнен с возможностью опосредованного питания аварийной нагрузки через аварийный модуль. Предпочтительно аварийный модуль включает в себя также прямое питание от аварийного источника энергии.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема бортового модуля управления энергией, электрически соединенного с источниками энергии и с питаемыми нагрузками.
Фиг. 2 - другая схема модуля управления с вспомогательным модулем питания и с аварийным модулем.
Следует отметить, что чертежи детально отображают изобретение с точки зрения его применения, однако упомянутые чертежи могут, разумеется, служить для лучшего определения изобретения.
ОПИСАНИЕ ОДНОГО ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
Описание изобретения представлено со ссылками на фиг. 1, иллюстрирующую летательный аппарат, содержащий систему питания электрической энергией и множество питаемых нагрузок С1, С2, С3 и С4. Система питания включает в себя множество источников энергии S1, S2, S3.
Источники S1, S2, S3 являются разными или одинаковыми и могут представлять собой, например, генераторы тягового двигателя летательного аппарата, главную силовую установку предпочтительно класса двигателя. Разумеется, можно использовать и другие типы источников энергии.
Кроме того, источники энергии S1, S2, S3 могут производить электрическую энергию в виде постоянного или переменного тока, пневматическую энергию в виде сжатого воздуха, механическую энергию в виде крутящего момента, подаваемого на силовой вал. Накопление этих видов энергии происходит при помощи устройств типа батарей или суперконденсатора в случае электрической энергии, резервуара под давлением в случае пневматической энергии и инерционного маховика в случае механической энергии.
Как было указано во вступительной части настоящей заявки, оборудование летательного аппарата (механические приводы, рычаги управления, мультимедийная система для пассажирских кресел, вентиляция салона и т.д.) считается нагрузкой, которая потребляет электрическую, пневматическую или механическую энергию. В этом примере на фиг. 1 показаны четыре нагрузки С1-С4.
Для обеспечения рационального управления электрической энергией в сети электрического питания нагрузки подразделяют на две категории: так называемые «основные» нагрузки, которые имеют первостепенное значение для работы летательного аппарата (рычаги управления и т.д.) и так называемые «не основные» нагрузки, которые являются менее важными для работы летательного аппарата (мультимедийная система для пассажирских кресел, вентиляция салона и т.д.). Нагрузки также подразделяются по своему географическому расположению, чтобы получать питание от ближайших источников и чтобы избегать, по мере возможности, потери избыточности и/или функционально дополняющего оборудования.
Согласно изобретению и как показано на фиг. 1, система питания содержит бортовой модуль управления энергией, обозначенный MG, который электрически соединен с упомянутыми источниками энергии S1, S2, S3 и с упомянутыми питаемыми нагрузками С1-С4.
Модуль управления энергией MG физически представляет собой вычислительное устройство, содержащее память, в которой записана программа управления источниками энергии S1, S2, S3 в зависимости от потребностей в энергии питаемых нагрузок С1-С4.
Модуль управления энергией MG выполнен с возможностью управления питанием по меньшей мере одной из упомянутых нагрузок С1-С4 по меньшей мере от двух разных параллельно соединенных источников энергии S1, S2, S3. Иначе говоря, нагрузка получает питание от двух разных источников энергии. При этом говорят о гибридном питании нагрузок летательного аппарата. Как показано на фиг. 1, модуль управления энергией MG передает энергию от источников S1 и S2 на нагрузку С1 с целью ее питания.
Предпочтительно модуль управления энергией MG использует гибридное питание нагрузки С1, когда эта нагрузка С1 требует все большего количества энергии, превышающего мощность источника энергии S1, которая в нормальных условиях использования самостоятельно питает нагрузку С1.
Предпочтительно модуль управления MG содержит средства (не показаны) измерения мощности, выполненные с возможностью измерения мощности, затребованной каждой нагрузкой, например типа измерителя тока, напряжения, расходомера или измерителя крутящего момента. Если затребованное количество мощности превышает заранее определенный порог мощности, модуль управления MG подает команду на другой источник энергии, в данном случае на источник S1, чтобы обеспечить потребности нагрузки С1.
Модуль управления MG выполнен с возможностью приведения в соответствие потребностей нагрузок С1-С4 с энергетическими возможностями источников энергии S1-S3 и одновременного ограничения энергетических потерь. Благодаря заявленному способу, все нагрузки получают питание без чрезмерного генерирования энергии, которое привело бы к повышенному расходу топлива летательным аппаратом. Иначе говоря, модуль управления MG позволяет адаптировать питание нагрузок для улучшения энергетического КПД летательного аппарата.
Предпочтительно модуль управления энергией MG является автономным и связывает некоторые источники энергии S1-S3 с некоторыми нагрузками С1-С4. Предпочтительно модуль управления MG содержит базу данных со специальными правилами, определяющими различные возможные конфигурации питания в зависимости от состояния источников S1-S3 и нагрузок С1-С4. Таким образом, во время работы модуль MG анализирует состояние источников S1-S3 и нагрузок С1-С4 и выводит наиболее подходящую конфигурацию, используя, например, таблицы управления конфигурацией, которые определяют, с одной стороны, задействованное оборудование и, с другой стороны, его потребление, номинальное для каждой фазы полета и максимальное при различных сценариях использования.
В первом примере управления электрической энергией нагрузка С1 получает питание от двух источников постоянного тока S1, S2. Согласно этой гипотезе, исходящие из источников S1-S2 постоянные токи суммируются известным для специалиста способом.
Во втором примере управления электрической энергией нагрузка С1 получает питание от двух источников переменного тока S1, S2. Согласно этой гипотезе, перед суммированием исходящие из источников переменные токи предварительно преобразуются в постоянные токи. Для этого модуль управления MG содержит трансформаторы AC/DC.
Согласно другой гипотезе, перед суммированием сначала осуществляют синхронизацию исходящих из источников переменных токов, чтобы ограничить феномен связывания. Сложение двух источников переменного тока считается неподходящим для использования в авиации по причине явления связывания. Действительно, в области авиации необходимы стабильные и надежные источники энергии, не зависящие от паразитных влияний, таких как связывание. Предпочтительно модуль управления MG содержит средства синхронизации, выполненные с возможностью упорядочения переменного тока с целью его суммирования с другим переменным током. Структура такой системы синхронизации может быть основана на адаптации по частоте и по фазе переменных источников. Принцип состоит в приведении источников к одной частоте на первом этапе, затем, при переходе фазы одного из источников, в синхронизации другого источника. Это позволяет уменьшить электрические потери в момент связывания.
Предпочтительно, благодаря изобретению, если нагрузка С1 получает питание переменным током от электрического источника S1 и требует все возрастающего количества энергии для работы, модуль управления MG подает команду на источник S2 для удовлетворения потребностей нагрузки С1. Переменный ток источника S2 синхронизируют с переменным током источника S1 перед их суммированием.
В третьем примере нагрузка С1 получает питание от источника постоянного тока S1 в нормальном режиме. В случае необходимости, модуль управления MG подает команду на источник переменного тока S2 для подачи дополнительного постоянного тока в нагрузку С1 после преобразования при помощи трансформатора AC/DC модуля управления MG.
Согласно варианту изобретения, как показано на фиг. 1, летательный аппарат содержит средства накопления энергии, предпочтительно энергетический элемент Р. Модуль управления MG выполнен с возможностью питания по меньшей мере одной из упомянутых нагрузок С1-С4 при помощи средств накопления энергии Р в случае экстренной необходимости в энергии упомянутой питаемой нагрузки. Такие средства накопления Р позволяют в кратчайшие сроки точечно удовлетворить потребность в энергии одной из нагрузок С1-С4, например, когда несколько устройств запускаются или работают одновременно.
Как показано на фиг. 2, система питания содержит два вспомогательных модуля питания М1, М2, электрически соединенных с модулем управления MG и с нагрузками С1-С4, чтобы иметь возможность адаптировать энергию, подаваемую модулем управления MG, к нагрузкам средней и низкой мощности. В этом примере, как показано на фиг. 2, модуль управления энергией MG напрямую питает нагрузку большой мощности С4 и опосредованно питает нагрузку С2 низкой мощности через вспомогательный модуль питания М1 и нагрузку средней мощности С3 через вспомогательный модуль питания М2. Нагрузка большой мощности С4 потребляет ток более 15 А в отличие от нагрузок С2 и С3.
Предпочтительно система питания содержит по меньшей мере один аварийный модуль MS, электрически соединенный с модулем управления MG и с по меньшей мере с одной аварийной нагрузкой С1, при этом модуль управления энергией MG опосредованно питает аварийную нагрузку через аварийный модуль MS. Предпочтительно аварийный модуль MS получает также питание напрямую от источника SE типа RAT, что является сокращением от английского “Ram Air Turbine”.