ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
ELECTRIC DEVICE

Данное изобретение относится к электрическому устройству для летательного аппарата, в частности к электронному контроллеру для управления подачей электроэнергии в стартерный электродвигатель для двигателя и к блоку трансформатор/выпрямитель.
Исторически двигатели летательного аппарата запускают, используя пневматическое средство. Позже стали применять электрическое пусковое средство для исключения необходимости в пневматическом силовом генераторе и укладки соответствующих труб, требуемых для пневматического пускового средства. Электрическое пусковое средство обычно содержит электрический стартерный двигатель, питающийся от электричества. Предпочтительно, используется бесщеточный стартерный электродвигатель, который может быть непосредственно механически соединен с двигателем летательного аппарата. Бесщеточные электродвигатели требуют использовать электронный блок управления электродвигателем для возбуждения обмоток электродвигателя в соответствии с положением электродвигателя и другими рабочими условиями.
Учитывая относительно высокие требования к мощности для запуска двигателя летательного аппарата, блоки управления стартерным электродвигателем для двигателя (ESMCU), используемые для подачи питания и управления работой стартерных электродвигателей, должны быть выполнены с возможностью обработки больших токов и высоких напряжений, и, следовательно, они являются относительно большими и тяжелыми. Блоки управления стартерным электродвигателем для двигателя обычно не имеют 100% эффективность, и определенная часть мощности, которую они потребляют, преобразуется в тепло, которое требуется отводить. Теплоотводы и средство охлаждения дополнительно увеличивают размеры и вес ESMCU.
В соответствии с этим в то время, как система запуска электродвигателя с электрическим питанием предоставляет определенные преимущества по сравнению с компоновками с пневматическим питанием, такая система имеет недостаток, связанный с тем, что на летательном аппарате необходимо содержать относительно тяжелый ESMCU, который используется только кратковременно во время каждого полета для запуска двигателей.
Известно, что ESMCU используется для подачи питания и управления электродвигателями, используемыми для других двигателей и функций летательного аппарата во время полета. Однако, поскольку ESMCU используется для управления и подачи питания в стартерный электродвигатель во время запуска двигателя, ESMCU может использоваться для подачи питания к другим электродвигателям только, когда не требуется, чтобы эти электродвигатели работали во время запуска двигателя летательного аппарата. Очевидно, что это накладывает ограничения на функции, в которых можно использовать ESMCU.
Цель изобретения состоит в том, чтобы улучшить степень использования ESMCU. Дополнительная цель изобретения состоит в том, чтобы уменьшить недостатки, связанные с весом и общими размерами системы запуска с электродвигателем, и улучшить надежность электрических систем летательного аппарата.
В соответствии с настоящим изобретением предусмотрено электрическое устройство летательного аппарата, содержащее блок управления стартерным электродвигателем для двигателя, выполненный с возможностью обеспечения входного переменного напряжения для блока трансформатор/выпрямитель. Предпочтительно, устройство содержит блок трансформатор/выпрямитель для подачи питания в шину питания постоянного тока летательного аппарата, в котором блок управления стартерным электродвигателем для двигателя обеспечивает входное переменное напряжение для блока трансформатор/выпрямитель.
Такое устройство является предпочтительным в том, что оно может обеспечить возможность использования блока трансформатор/выпрямитель меньших размеров и более легкий.
Устройство может дополнительно содержать аккумуляторную батарею для подачи питания в шину питания постоянного тока при запуске двигателя.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит средство контроля постоянного напряжения для измерения выходного напряжения из блока трансформатор/выпрямитель. Оно может быть установлено таким образом, что блок управления стартерным электродвигателем для двигателя выполнен с возможностью регулировать входное переменное напряжение, обеспечиваемое для блока трансформатор/выпрямитель, в ответ на выходное напряжение из блока трансформатор/выпрямитель, измеряемое средством контроля постоянного напряжения.
Частоту входного переменного напряжения, предпочтительно, выбирают так, чтобы она была существенно выше, чем частота в шине питания переменного тока, из которой питание поступает в блок управления стартерным электродвигателем двигателя, в результате чего обеспечивается экономия веса, но она, предпочтительно, ниже, чем точка, в которой блок управления стартерным электродвигателем для двигателя выполняет большую часть переходов своего цикла переключения между своими рабочими состояниями, когда потери на переключение становятся существенными и могут привести к увеличению рассеивания тепла. В качестве примера частота входного переменного напряжения, предпочтительно, является по меньшей мере 10-кратной частотой шины питания переменного тока.
Форма колебаний входного переменного напряжения, по существу, может иметь форму прямоугольной волны.
Изобретение дополнительно относится к электрическому устройству летательного аппарата, содержащему блок трансформатор/выпрямитель для подачи питания в шину питания постоянного тока летательного аппарата, в котором блок трансформатор/выпрямитель выполнен с возможностью принимать входное переменное напряжение из блока управления стартерным электродвигателем для двигателя.
Изобретение будет дополнительно описано посредством примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показана блок-схема типичного электрического устройства летательного аппарата;
на фиг. 2 схематично показана блок-схема, аналогичная фиг. 1, но иллюстрирующая электрическое устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3 показана принципиальная схема системы питания летательного аппарата, в которую встроено электрическое устройство, в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и
на фиг. 4 показана другая принципиальная схема, иллюстрирующая часть устройства по фиг. 3.
Рассмотрим вначале фиг. 1, здесь представлено типичное электрическое устройство летательного аппарата, содержащее блок 1 управления стартерным электродвигателем для двигателя (ESMCU), которое работает для подачи питания в и для управления работой стартерного электродвигателя 5 для двигателя. ESMCU 1 соединен с и получает питание от шины 6 питания переменного тока, которая также подает питание в трансформатор/выпрямитель 2, выход которого подают в шину 4 питания постоянного тока. Аккумуляторная батарея 3 выполнена с возможностью ее заряда с выхода трансформатора/выпрямителя 2 и подачи энергии в шину 4 питания постоянного тока в случае, когда выход трансформатора/выпрямителя 2 при использовании недостаточен для питания различных частей электрического оборудования, подключенного к шине 4 питания постоянного тока.
Система электрического питания летательного аппарата обычно включает в себя множество шин 4, 6 электрического питания, по которым питание поступает к различным электрическим нагрузкам на борту летательного аппарата. Для того чтобы обеспечить необходимые уровни избыточности, множество шин 6 подачи питания переменного тока могут быть взаимно соединены друг с другом, используя соответствующие коммутируемые соединения таким образом, что в случае прерывания нормального питания по одной из шин 6 питания переменного тока, соответствующее переключение коммутируемых соединений может обеспечить подачу питания в эту шину 6 питания переменного тока. Обычно шина 6 питания переменного тока принимает 3-фазное переменное напряжение из источника питания, который работает с напряжением приблизительно 115 В и частотой от 300 Гц до 800 Гц, генерируемого вращающимися электрическими машинами, привод которых осуществляется от двигателей летательного аппарата.
Трансформатор/выпрямитель 2 регулирует и преобразует переменный ток питания в 28 В постоянного тока питания.
Как и в шине 6 питания переменного тока, коммутируемые соединения могут быть предусмотрены между шинами 4 питания постоянного тока.
ESMCU 1 получает питание от шины 6 питания переменного тока и включает в себя схему управления и силовое электронное устройство. ESMCU 1 обеспечивает напряжение на обмотках электродвигателя стартерного электродвигателя 5 в соответствии с положением электродвигателя и требованиями мощности электродвигателя.
Требования мощности различных электрических устройств, получающих питание от шины 4 питания постоянного тока, могут быть высокими, и, таким образом, трансформатор/выпрямитель 2 может потребоваться для обеспечения большого выхода по питанию. Известно, что трансформаторы проявляют тенденцию предоставлять более низкое выходное напряжение, когда увеличивается уровень отбираемого тока, например, поскольку сердечник трансформатора начинает приближаться к магнитному насыщению. Этот эффект в большей степени выражен у более легких, меньшего размера трансформаторов. Поскольку трансформатор/выпрямитель 2 должен обеспечивать определенный диапазон напряжений, он должен быть достаточного размера и веса для поддержания подаваемого питания постоянного тока в приемлемых пределах. Кроме того, частота входного напряжения, подаваемого в трансформатор/выпрямитель 2, находится в частотном диапазоне от 300 Гц до 800 Гц, и известно, что трансформаторы, работающие на таких относительно низких частотах, проявляют тенденцию быть более крупными, чем трансформаторы, которые работают на более высоких частотах. Следовательно, трансформатор/выпрямитель 2 обычно является относительно тяжелым предметом оборудования летательного аппарата.
Поскольку выходное (или вторичное) напряжение трансформатора/выпрямителя прямо связано со входным (или первичным) напряжением, также необходимо обеспечить хорошее управление напряжением питания переменного тока.
Далее, как показано на фиг. 2, электрическое устройство летательного аппарата в соответствии с вариантом осуществления изобретения представлено, как содержащее в основном те же элементы, которые показаны на фиг. 1. Однако, в отличие от компоновок предшествующего уровня техники, в данном варианте осуществления, трансформатор/выпрямитель 2 не имеет возможности получать прямое питание от шины 6 источника питания переменного тока, но вместо этого электроэнергию в него подают от ESMCU 1. При использовании, как и в компоновке по фиг. 1, ESMCU 1 генерирует напряжения, требуемые для стартерного электродвигателя 5, с помощью переключающих электронных устройств (например, биполярных транзисторов с изолированным затвором или полевых транзисторов) с частотой несколько десятков кГц. Однако, в этом варианте осуществления, ESMCU 1 также выполнен таким образом, что, когда он не подает напряжение в стартерный электродвигатель 5, он генерирует соответствующую электрическую форму колебаний для подачи питания в трансформатор/выпрямитель 2, который, соответственно, выполнен с возможностью получать электроэнергию от ESMCU 1. Такая компоновка позволяет существенно уменьшить размеры и вес трансформатора/выпрямителя 2, поскольку форма колебаний из ESMCU 1 может быть предоставлена на другой, более высокой частоте, чем доступно в шине 6 питания переменного тока. Для специалиста в данной области техники будет понятно, что размер сердечника трансформатора уменьшается при увеличении частоты. Заявитель определил, что уменьшение веса трансформатора/выпрямителя 2, которое может быть достигнуто, используя такой подход, представляет собой существенную часть веса ESMCU 1. Это уменьшает общий вес электронного оборудования, требуемого для обеспечения системы запуска с электродвигателем, и позволяет перевозить на летательном аппарате больше полезной нагрузки, чем на летательном аппарате с электрической компоновкой запуска двигателя предшествующего уровня техники.
В то время, когда ESMCU 1 требуется для запуска двигателя, обычно приблизительно в течение одной минуты, ESMCU 1 не имеет возможности подавать питание в трансформатор/выпрямитель 2. В течение этого периода электрические нагрузки шины питания постоянного тока могут получать питание от аккумуляторной батареи 3. Такая компоновка является предпочтительной, поскольку благодаря ей во время запуска двигателя, когда летательный аппарат стоит на земле, аккумуляторная батарея 3 подвергается полной электрической нагрузке, которую потребовалось бы подавать в случае отказа подачи питания от шины 6 подачи питания переменного тока во время полета. Поскольку характеристики аккумуляторной батареи обычно ухудшаются со временем, важно их периодически проверять для определения, что батареи могут подавать требуемую нагрузку. Тестирование непосредственно перед полетом является идеальным, поскольку оно обеспечивает, что характеристики батареи не будут ухудшаться. Таким образом, во время процедуры запуска двигателя, где выход ESMCU 1 используется для привода стартерного электродвигателя 5, путем проверки того, что различные устройства, получающие питание через шину 4 питания постоянного тока, работают правильно, можно определить, что аккумуляторная батарея 3 позволяет удовлетворить требуемую нагрузку. Использование ESMCU 1, как для подачи питания в стартерный электродвигатель 5, так и в другое время, помимо запуска двигателя, для привода трансформатора/выпрямителя 2, таким образом, имеет дополнительное преимущество, позволяющее выполнять тестирование возможности для аккумуляторной батареи соответствовать требуемой нагрузке.
Мощность, требуемая от EMSCU 1 для привода трансформатора/выпрямителя 2, существенно меньше, чем мощность, требуемая для привода стартерного электродвигателя 5. Поскольку EMSCU 1 должен быть разработан для более высокого уровня мощности, требуемого во время запуска двигателя, большую часть своего срока службы он будет работать на относительно малом уровне мощности, подавая питание в трансформатор/выпрямитель 2. Это, в свою очередь, приводит к улучшению надежности и длительному сроку службы EMSCU 1.
В альтернативном варианте осуществления устройство может быть выполнено таким образом, что выход ESMCU постоянно соединен с трансформатором/выпрямителем 2, хотя уменьшенная мощность может быть доступна в шине 4 питания постоянного тока в течение периодов, когда ESMCU 1 фактически выполняет запуск двигателя. В течение этих периодов выход ESMCU будет оптимизирован для привода стартерного электродвигателя 5 и может быть неоптимальным для привода трансформатора/выпрямителя 2.
Другое преимущество варианта осуществления по фиг. 2 состоит в том, что ESMCU 1 может включать дополнительные функции (не показаны), для управления формой электрических колебаний, подаваемых в трансформатор/выпрямитель 2. Например, постоянное напряжение, выводимое из трансформатора/выпрямителя 2, можно контролировать, и форму электрических колебаний из ESMCU 1 регулируют, соответственно, для компенсации любых вариаций выходного напряжения из трансформатора/выпрямителя 2. Например, ESMCU 1 может компенсировать тенденцию трансформатора/выпрямителя 2 подавать более низкое напряжение при большом выходном токе, приводя, таким образом, к дополнительному уменьшению размера трансформатора/выпрямителя 2. Кроме того, ESMCU 1 может включать в себя свойства, которые компенсируют вариации амплитуды напряжения шины 6 источника переменного тока.
Дополнительное преимущество подачи питания в трансформатор/выпрямитель 2 от ESMCU 1 и предоставления возможности повышения частоты этого источника питания состоит в том, что работа на высокой частоте приводит к более высокочастотным пульсациям на выходе трансформатора/выпрямителя 2, которые проще отфильтровать, используя компоненты малых размеров и малого веса. В результате пульсации напряжения в шине 4 источника постоянного тока поэтому могут быть уменьшены.
На фиг. 3 показана принципиальная схема устройства, которое работает так, как описано выше, со ссылкой на блок-схему, представленную на фиг. 2. На фиг. 2 и 3 одинаковые номера ссылочных позиций используются для обозначения одинаковых деталей.
Устройство на фиг. 3 имеет, по существу, симметричную форму с верхним блоком 10a и нижним блоком 10b, которые, по существу, эквивалентны друг другу и которые используются, например, с соответствующими двигателями летательного аппарата с двумя двигателями. В то время как на фиг. 3 иллюстрируется схема с двумя, по существу, эквивалентными частями, следует понимать, что изобретение не ограничено в этом отношении. Верхний блок 10a содержит ESMCU 1, трансформатор/выпрямитель 2, аккумуляторную батарею. 3, шину 4 источника питания 28 В постоянного тока, стартерный электродвигатель 5 для двигателя и генератор 13 115В переменного тока, приводимый в движение двигателем летательного аппарата. Хотя генератор 13 и электродвигатель 5 показаны по отдельности, на практике хорошо известно комбинирование этих функций в одной вращательной машине. Генератор 13 подает выходное напряжение в шину 6 источника переменного тока. ESMCU 1 обеспечивает питание как для стартерного электродвигателя 5, так и для трансформатора/выпрямителя 2. Нижний блок 10b содержит тот же набор компонентов и функций, что и верхний блок 10a. Электронные переключатели 11 предусмотрены между различными элементами в схеме для управления работой системы запуска электродвигателя и интеграции с системой питания летательного аппарата.
Оба двигателя либо могут запущены, либо используют наземную энергию через разъем 14 или через электроэнергию 115 В переменного тока, подаваемую от любого генератора 13. Такая компоновка также позволяет подавать питание в обе шины 4 питания постоянного тока, получающие питание либо от шины 6 питания переменного тока, или от энергии переменного тока, подаваемой из наземной линии, через один из ESMCU 1, и соответствующий трансформатор/выпрямитель 2.
В то время как устройство, показанное на фиг. 3, может быть сформировано, как один блок, следует понимать, что может быть удобным выполнить каждый из блоков 10a, 10b в форме двух отдельных блоков. Таким образом, верхний блок 10a может содержать первый блок 10a', включающий в себя шину 6 питания переменного тока и множество переключателей 11, и второй блок 10a'', включающий в себя ESMCU 1 и трансформатор/выпрямитель 2. Аналогично, нижний блок 10b может содержать два отдельных блока 10b', 10b''.
На фиг. 4 показана схема ESMCU 1 и трансформатора/выпрямителя 2 блока 10a'' по фиг. 3. ESMCU 1 содержит 3-фазный двухполупериодный мостовой выпрямитель 24 и три схемы 26, 27, 28 привода электродвигателя NMOSFET в виде полного моста. Схемы 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя соответственно ассоциируются с каждой схемой 26, 27, 28 привода электродвигателя. Ключи каждого NMOSFET каждой из схем привода 26, 27, 28 электродвигателя соединены со схемой 21 управления, и вывод каждой из схем привода электродвигателя соединен с обмоткой стартерного электродвигателя 5 и, через электронный переключатель 32, 33, 34, с первичной обмоткой соответствующего трансформатора, ассоциированных схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя. Схема 21 управления, таким образом, может управлять напряжениями, подаваемыми как на обмотки стартерного электродвигателя, так и в схемы 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя.
Как представлено, каждая схема 26, 27, 28 привода электродвигателя выполнена в виде верхнего NMOSFET 26', 27', 28', управляемого ESMCU 1, и может во время работы управлять соединением между линией 24a с высоким выходным сигналом от выпрямителя 24 и соединениями привода стартерного электродвигателя/первичными обмотками трансформаторов в схемах 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя и нижним NMOSFET 26'', 27'', 28'', также управляемым ESMCU 1, который во время работы управляет соединением между линией 24b с низким выходным сигналом от выпрямителя 24 и соединением привода стартерного электродвигателя/первичными обмотками трансформаторов схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя. При использовании, путем управления состояниями верхнего и нижнего NMOSFET, по существу, входная форма колебаний, по существу, прямоугольной формы может быть подана в первичные обмотки схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя. При использовании NMOSFET каждой из схем привода управляют таким образом, что возможны три рабочих состояния: верхний NMOSFET включен (или высокий уровень), и нижний NMOSFET выключен (или низкий уровень); верхний NMOSFET выключен, и нижний NMOSFET включен; и оба NMOSFET выключены. Вследствие этого можно обеспечить отсутствие компонента постоянного тока, подаваемого в соответствующую первичную обмотку. В результате управления пропорцией времени, в течение которого оба NMOSFET выключены, можно управлять суммарным выходным напряжением в соответствующей цепи трансформатора/выпрямителя.
Выход вторичных обмоток каждого из трансформаторов схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя имеет центральный отвод, и также выполняется его двухполупериодное выпрямление с помощью диодов на каждом конце соответствующей вторичной обмотки. Напряжения от центрального отвода, таким образом, формируют отрицательное напряжение шины источника постоянного тока, и напряжения от диодов на обоих выводах вторых обмоток формируют положительное напряжение шины источника постоянного тока. Каждая из трех схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя соединена параллельно с положительными и отрицательным проводами шины питания постоянного тока. Пара сглаживающих конденсаторов предусмотрена на входе первичных обмоток каждой схемы трансформатора/выпрямителя. Эти конденсаторы выполняют двойную функцию - обеспечивают определенное сглаживание в шине питания постоянного тока, а также предотвращают протекание постоянного тока в первичную обмотку трансформатора, например в случае отказа оборудования, или если верхний и нижний переключатели в схемах 26, 27, 28 привода электродвигателя станут несинхронизированными по какой-либо причине.
Схема 21 управления принимает команду режима и скорости стартера и управляет работой ESMCU 1 и трансформатора/выпрямителя 2, путем переключения NMOSFET схем 26, 27, 28 привода электродвигателя и электронных переключателей 32, 33, 34. Следует понимать, что, если это требуется, переключатели 32, 33, 34 также могут быть выполнены в форме переключателей механического типа. Датчик 23 положения стартерного электродвигателя передает в схему 21 управления положение электродвигателя, и схема управления 21 контролирует напряжение, подаваемое в шину 4 питания постоянного тока через провода 22 определения напряжения постоянного тока. Схема управления, таким образом, может обеспечивать предпочтительные функции, описанные выше. В частности, при запуске двигателя летательного аппарата схема 21 управления может работать так, что она открывает переключатели 32, 33, 34 таким образом, что выход ESMCU 1 поступает к стартерному электродвигателю 5, и в других случаях переключатели 32, 33, 34 могут быть закрыты так, что выход ESMCU 1 используется для привода схем 29, 30, 31 трансформатора/выпрямителя для обеспечения требуемого выхода в шину 4 питания постоянного тока. Некоторые из переключателей 11 (см. фиг. 3, не показанные на фиг. 4) используются для предотвращения протекания энергии от ESMCU 1 в стартерный электродвигатель 5, когда система выполняет привод только трансформатора/выпрямителя 2.
Хотя обычные диоды были описаны, как выпрямляющие выход трансформаторов, возможны другие компоновки. Можно использовать активное выпрямление, например, используя полевые транзисторы, работающие, как синхронные переключатели. Такой подход позволяет уменьшить потери и повысить эффективность, без существенного изменения принципов работы.
Настоящее изобретение позволяет существенно уменьшить недостатки, связанные с размером и весом электрических систем запуска летательного аппарата, и, кроме того, позволяет ввести ряд улучшений в рабочие характеристики и надежность трансформатора/выпрямителя, от которого осуществляется питание шины постоянного тока.
Дополнительное преимущество описанной компоновки состоит в том, что она позволяет выполнять регулировки в шине питания 28 В постоянного тока. При использовании обычного трансформатора/выпрямителя возможно определенное изменение напряжения на выходе трансформатора/выпрямителя из-за вариации входного переменного тока, поступающего к нему, и величины нагрузки трансформатора. Для того чтобы гарантировать, что напряжение на выводах используемого оборудования находится в допустимых пределах, конструктор электрической системы должен обеспечить то, что падение напряжения в кабелях, с использованием которых проложена шина постоянного тока, достаточно мало, что позволяет выполнять определенные вариации на выводах трансформатора/выпрямителя. При регулируемом выходе трансформатора/выпрямителя большая вариация напряжения из-за падения напряжения в кабелях могла бы быть допустимой, все еще при поддержании правильного напряжения питания для используемого оборудования. Это могло бы обеспечить возможность использования кабеля для шины постоянного тока и соответствующих выводов, с меньшим поперечным сечением, и, следовательно, более легкого, обеспечивающего дополнительную экономию веса летательного аппарата, без каких-либо изменений используемого оборудования.
Следует понимать, что широкий предел модификаций и изменений может быть выполнен для компоновок, описанных выше, без выхода за пределы объема изобретения, которое определено в приложенной формуле изобретения.