СПОСОБ И СИСТЕМА ПОДАЧИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЮ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD AND SYSTEM OF POWER SUPPLY TO AN ELECTRICAL CONSUMER OF AIRCRAFT

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к гибридизации, т.е. к одновременному использованию разных источников электроэнергии летательного аппарата. В частности, изобретение относится к способу и системе подачи электроэнергии электропотребителям летательного аппарата от основного источника и вспомогательного источника. Изобретение относится к подаче электроэнергии. Следовательно, оно не влияет на потребителей электроэнергии в электросети в том смысле, что оно не требует отключения какого-либо электропотребителя от сети. Назначение источника заключается в подаче электроэнергии, запрашиваемой сетью, в пределах своих возможностей.
В качестве примера в следующем далее описании рассматриваемый летательный аппарат представляет собой самолет.
Аварийный источник электроэнергии, широко используемый в самолетах, представляет собой аварийную ветровую турбину, часто называемую турбиной с приводом от набегающего потока воздуха (RAT).
Аварийная RAT используется в аварийных ситуациях на борту самолета для выработки электроэнергии, необходимой для полета самолета в течение достаточного времени и для посадки. Аварийная RAT содержит воздушный винт, состоящий из лопастей, скорость вращения которых зависит от скорости воздуха вблизи самолета и электрической нагрузки, создаваемой различными шинами подачи питания самолета. Вращение воздушного винта приводит в движение генератор, подающий аварийное питание на шину, которая электрически питает определенные критические электропотребители, например, органы управления полетом и ключевые схемы авиационной радиоэлектроники.
Как правило, аварийная RAT выполнена с возможностью подачи питания на максимальном значении, подходящем для удовлетворение потенциальных пиков потребления электроэнергии в сети самолета. На практике такие пики случаются редко. Большую часть времени потребление электроэнергии намного меньше, а аварийная RAT способна выдавать больше электроэнергии, чем требуется.
Это приводит к тому, что аварийные RAT имеют очень большие размеры, являются громоздкими, тяжелыми и дорогостоящими.
Для предотвращения такой громоздкости, известна гибридизация основного источника электроэнергии, аварийной RAT в этом примере, параллельно со вспомогательным источником электроэнергии, например, источником, состоящим из суперконденсаторов, аккумуляторов и т.д., для одновременной подачи недостающего питания.
Другие типы электрической гибридизации могут быть реализованы по тому же принципу, например:
обеспечение топливного элемента в качестве основного источника электроэнергии параллельно со вспомогательным источником электроэнергии для исключения вероятности разрядки топливного элемента и/или его преждевременного износа; и
обеспечение топливной вспомогательной силовой установки (APU) в качестве основного источника электроэнергии параллельно со вспомогательным источником электроэнергии для исключения чрезмерного потребления топлива APU или ее перегрева.
Основной источник электроэнергии обычно гибридизирован со вспомогательным источником электроэнергии на основе модели частотного разделения, как раскрыто в заявке на патент US 2009/121546. Эта модель заключается в разделении профиля питания по частоте на среднее значение и отклоняющееся значение: в качестве примера основной источник подает основное питание на низкой частоте, тогда как вспомогательный источник подает питание на частоте, превышающей заданную частоту.
Такой подход позволяется обеспечить источники электроэнергии надлежащих размеров и требует выполнения частотной фильтрации подаваемого питания и, следовательно, мгновенных измерений (например, измерений тока) на питаемых электропотребителях.
Кроме того, выбор использования одного источника электроэнергии вместо другого на основе частотного критерия не позволяет оптимизировать использование этих источников. В частности, невозможно получить максимальный уровень электроэнергии от основного источника электроэнергии. Например, когда основной источник представляет собой аварийную RAT, доступная электроэнергия зависит не от частоты, при которой отбирается электроэнергия, а от скорости и плотности окружающего воздуха, приводящего в движение лопасти. Основной источник может обеспечивать требуемую электроэнергию, которая может быть разложена на среднюю электроэнергию и отклоняющуюся электроэнергию только в зависимости от окружающего воздуха, имеющего определенную скорость. Таким образом, аварийная RAT не может обеспечивать больше электроэнергии, чем некоторая максимальная электроэнергия, зависящая от скорости воздуха, приводящего ее во вращение. В результате при отсутствии контрольно-измерительного оборудования, служащего для измерения скорости и плотности окружающего воздуха, и при отсутствии логики управления для использования таких измерений с целью определения количества электроэнергии, получаемой от аварийной RAT, т.е. при выборе источника, ограниченном частотным критерием, существует вероятность недоиспользования аварийной RAT при высокой скорости воздуха (турбина вырабатывает больше электроэнергии, чем необходимо) или остановки турбины при недостаточной скорости воздуха (RAT не может обеспечить необходимую электроэнергию, так как скорость самолета слишком мала).
Кроме того, довольно сложно определить частотное разделение между двумя источниками электроэнергии, в частности, в электросети переменного тока (AC). Такое частотное разделение может подразумевать необходимость постоянной связи между разными источниками электроэнергии. Например, когда основной источник электроэнергии представляет собой топливный элемент, частотное разделение может быть реализовано путем измерения тока на различных электропотребителях и последующей передачи этих измерений основному источнику и вспомогательному источнику для адаптации электроэнергии, получаемой от каждого из источников.
Известно другое решение для оптимизации потребления электроэнергии от гибридных источников, основанное на использовании алгоритмов, включающих в себя слежение за точкой максимальной мощности (MPPT). Такое решение позволяет использовать максимальный потенциал гибридного основного источника, однако оно предполагает использование довольно сложных алгоритмов.
В настоящее время вышеописанные решения для одновременного использования источников электроэнергии летательного аппарата ограничены, в частности, с точки зрения эффективности и сложности реализации.
ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков. В частности, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении решения, позволяющего в режиме реального времени оптимизировать потребление электроэнергии, получаемой от гибридных источников, ограничивая сложность реализации такого решения.
Для этого изобретение обеспечивает способ подачи электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю летательного аппарата, причем способ содержит этапы, на которых:
подают электроэнергию указанному по меньшей мере одному электропотребителю от основного источника, вырабатывающего электроэнергию;
измеряют по меньшей мере один мгновенный параметр, характеризующий основной источник;
определяют уровень использования основного источника на основе указанного по меньшей мере одного измеренного мгновенного параметра;
регулируют напряжение основного источника в зависимости от определенного уровня использования;
измеряют напряжение на выходе основного источника;
сравнивают измеренное напряжения с заданным пороговым значением напряжения; и
подают электроэнергию указанному по меньшей мере одному электропотребителю от вспомогательного источника, накапливающего электроэнергию, когда измеренное напряжение меньше заданного порогового значения напряжения, для подачи дополнительной электроэнергии электропотребителю.
Этот способ особенно предпочтителен, поскольку он выполняется в режиме реального времени и позволяет в любой момент времени оптимизировать потребление электроэнергии от основного источника, вырабатывающего электроэнергию. Все вышеописанные операции выполняются параллельно, одновременно и непрерывно во времени. В дополнение, способ не требует установления связи между основным источником и вспомогательным источником. В частности, эти источники координируются для обеспечения питания электропотребителя летательного аппарата исключительно на основе определения уровня использования основного источника, например, определенного относительно напряжения электросети, питающей электропотребители летательного аппарата. Таким образом, в отличие от известного уровня техники этот способ не требует изменения токов различных потребителей электроэнергии и не требует передачи этих значений источникам. Такой способ также прост в реализации и не требует сложного алгоритма управления. Поэтому программирование вычислительных средств также упрощается.
В другом аспекте способ может дополнительно содержать этап, на котором обеспечивают понижение напряжения, подаваемого основным источником, до заданного значения, когда уровень использования основного источника превышает заданный уровень использования.
В другом аспекте способ может включать в себя этап, на котором отключают электроэнергию, подаваемую вспомогательным источником, когда напряжение, измеренное на выходе основного источника, превышает заданное пороговое значение напряжения.
В другом аспекте в этом способе основной источник представляет собой аварийную турбину с приводом от набегающего потока воздуха (RAT), и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой крутящий момент RAT, частоту электрического тока, при которой электроэнергия подается электропотребителю, скорость вращения лопастей RAT и/или шаг лопастей RAT.
В другом аспекте в этом способе основной источник представляет собой топливный элемент, и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой расход реагента, температуру топливного элемента и/или степень гидратации топливного элемента.
В другом аспекте в этом способе основной источник представляет собой вспомогательную силовую установку (APU), и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой расход топлива, подаваемого в указанную APU, и/или температуру указанной APU.
Изобретение также обеспечивает способ подачи электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю летательного аппарата, причем способ содержит этапы, на которых:
подают электроэнергию указанному по меньшей мере одному электропотребителю от вращающегося основного источника, вырабатывающего электроэнергию, причем частоту вращения вращающегося основного источника регулируют в заданном диапазоне частот;
измеряют частоту электрического тока на выходе вращающегося основного источника;
сравнивают измеренную частоту электрического тока с заданным пороговым значением частоты; и
обеспечивают подачу электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю от вспомогательного источника, накапливающего электроэнергию, при частоте электрического тока, синхронизированной с частотой электрического тока основного источника, когда частота электрического тока на выходе основного источника достигает порогового значения частоты, для подачи дополнительной электроэнергии электропотребителю.
На практике такой способ также может содержать этапы, на которых:
измеряют частоту вращения основного источника; и
регулируют напряжение основного источника в зависимости от измеренной частоты вращения.
Такой способ особенно предпочтителен тем, что он выполняется в режиме реального времени и в каждый момент времени адаптирует потребление от основного источника. Кроме того, такой способ не требует каких-либо конструктивных модификаций вращающегося основного источника, поэтому он может быть применен на любом вращающемся основном источнике. В дополнение, способ не требует установления связи между основным источником и вспомогательным источником. В частности, эти источники координируются для обеспечения питания электропотребителей летательного аппарата исключительно на основе определения частоты вращения основного источника. Частота вращения основного источника может быть определена на основе частоты электрического тока на выходе этого источника, причем такое определение частоты, как правило, реализуется в существующих вращающихся основных источниках. Таким образом, в отличие от известного уровня техники этот способ не требует изменения токов различных потребителей электроэнергии и не требует передачи этих значений источникам. Такой способ также прост в реализации и не требует сложного алгоритма управления. Это упрощает программирование вычислительных средств.
Изобретение также обеспечивает систему подачи электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю летательного аппарата, причем система содержит:
основной источник электроэнергии;
вспомогательный источник, накапливающий электроэнергию, подключенный параллельно с основным источником через преобразователь постоянного тока в переменный ток; и
основной источник и преобразователь также электрически подключены к по меньшей мере одному электропотребителю;
причем система содержит первое устройство управления, выполненное с возможностью:
обеспечения подачи электроэнергии указанному по меньшей мере одному электропотребителю от основного источника, вырабатывающего электроэнергию;
определения уровня использования основного источника на основе измерения по меньшей мере одного мгновенного параметра, характеризующего указанный источник; и
регулировки напряжения основного источника в зависимости от определенного уровня использования;
причем система дополнительно содержит второе устройство управления, выполненное с возможностью:
получения измерения напряжения на клеммах преобразователя;
сравнения измеренного напряжения с заданным пороговым значением напряжения; и
обеспечения через преобразователь подачи электроэнергии указанному по меньшей мере одному электропотребителю от вспомогательного источника, накапливающего электроэнергию, когда измеренное напряжение меньше заданного порогового значения напряжения, для подачи дополнительной электроэнергии электропотребителю.
В одном аспекте этой системы первое устройство управления также выполнено с возможностью обеспечения понижения напряжения, подаваемого основным источником, до заданного значения, когда уровень использования основного источника превышает заданный уровень использования.
В одном аспекте этой системы второе устройство управления также выполнено с возможностью обеспечения отключения электроэнергии, подаваемой вспомогательным источником, когда напряжение, измеренное на выходе основного источника, превышает заданное пороговое значение напряжения.
В одном аспекте этой системы основной источник представляет собой аварийную турбину с приводом от набегающего потока воздуха (RAT), и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой крутящий момент RAT, частоту, при которой электроэнергия подается электропотребителю, скорость вращения лопастей RAT и/или шаг лопастей RAT.
В одном аспекте этой системы основной источник представляет собой топливный элемент, и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой расход реагентов, температуру топливного элемента и/или степень гидратации топливного элемента.
В одном аспекте этой системы основной источник представляет собой вспомогательную силовую установку (APU), и указанный по меньшей мере один мгновенный параметр представляет собой расход топлива, подаваемого в APU, и/или температуру APU.
Изобретение также обеспечивает систему подачи электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю летательного аппарата, причем система содержит:
вращающийся основной источник, вырабатывающий электроэнергию;
вспомогательный источник, накапливающий электроэнергию, подключенный параллельно с основным источником через преобразователь постоянного тока в переменный ток; и
вращающийся основной источник и преобразователь также электрически подключены к по меньшей мере одному электропотребителю;
причем система содержит первое устройство управления, выполненное с возможностью:
управления подачей электроэнергии указанному по меньшей мере одному электропотребителю от вращающегося основного источника, вырабатывающего электроэнергию, причем частота вращения вращающегося основного источника регулируется в заданном диапазоне частот;
причем система дополнительно содержит второе устройство управления, выполненное с возможностью:
получения измерения частоты электрического тока на выходе вращающегося основного источника;
сравнения измеренной частоты электрического тока с заданным пороговым значением частоты; и
обеспечения через преобразователь подачи электроэнергии по меньшей мере одному электропотребителю от вспомогательного источника, накапливающего электроэнергию, при частоте электрического тока, синхронизированной с частотой электрического тока основного источника, когда частота электрического тока на выходе основного источника достигает порогового значения частоты, для подачи дополнительного питания электропотребителю.
В варианте выполнения первое устройство управления также может быть выполнено с возможностью:
получения измерения частоты вращения вращающегося основного источника; и
регулировки напряжения вращающегося основного источника в зависимости от измеренной частоты вращения.
В аспектах различных систем, описанных выше, основной источник представляет собой топливный элемент, APU, газовую турбину или аварийную RAT, представляющую собой источник напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего далее описания конкретных вариантов выполнения изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фигура 1 иллюстрирует вариант выполнения устройства подачи электроэнергии для летательного аппарата; и
Фигура 2 иллюстрирует статические характеристики напряжения основного источника электроэнергии и вспомогательного источника электроэнергии в соответствии с вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Фигура 1 иллюстрирует вариант выполнения устройства 100 подачи электроэнергии для летательного аппарата, причем устройство содержит:
основной источник 1, вырабатывающий электроэнергию, обычно называемый «основным генератором», который подключен к по меньшей мере одному электропотребителю 2; и
вспомогательный источник 3, накапливающий электроэнергию, который подключен параллельно с основным источником электроэнергии через преобразователь 4, например, преобразователь DC/AC (постоянного тока в переменный ток) для электросети, работающей с переменным током.
В примере, показанном на Фигуре 1, основной источник 1, вырабатывающий электроэнергию, представляет собой аварийную RAT, имеющую лопасти 5 и электрогенератор 6, подключенный к электропотребителю 2 для подачи питания. Однако может быть предусмотрено использование других основных источников 1, вырабатывающих электроэнергию, например: топливного элемента, газовой турбины или даже топливной APU.
Вспомогательный источник 3, накапливающий электроэнергию, может быть реализован с использованием одного или более накопительных элементов, например, накопительных аккумуляторов, суперконденсаторов, маховиков или сочетания различных элементов.
Вспомогательный источник 3, накапливающий электроэнергию, служит для подачи электроэнергии в преобразователь 4. Затем преобразователь 4 при необходимости подает дополнительную электроэнергию электропотребителю 2, тем самым дополняя основной источник 1. В качестве примера такая дополнительная электроэнергия может подаваться для исключения вероятности остановки аварийной RAT или вероятности разрядки топливного элемента, когда турбина или топливный элемент используется в качестве основного источника 1, и когда электроэнергия, потребляемая от основного источника 1, достигает заданного уровня.
В вариантах выполнения, описанных ниже, основной источник 1 и вспомогательный источник 3 представляют собой источники напряжения. Однако один из этих источников может быть источником тока.
Кроме того, хотя на фигурах показан только один электропотребитель 2, следует понимать, что основной источник 1, вырабатывающий электроэнергию, и преобразователь 4 могут быть подключены по шине подачи питания к множеству электропотребителей 2. В качестве примера электропотребители 2 представляют собой органы управления полетом, вычислительные блоки или по существу электропотребители, необходимые для надлежащего полета летательного аппарата.
В различных вариантах выполнения питание электропотребителя 2 может быть реализовано следующим образом.
В первом варианте выполнения основной источник 1, вырабатывающий электроэнергию, и вспомогательный источник 3, накапливающий электроэнергию, предварительно обеспечены такими конфигурациями, которые позволяют контролировать/отслеживать статические характеристики напряжения во время использования.
В качестве примера, когда основной источник 1 представляет собой аварийную RAT, он может иметь конфигурацию, позволяющую предварительно настраивать генератор 6 на подачу постоянного напряжения V0 при заданных номинальных условиях использования. В качестве примера такие номинальные условия использования могут представлять собой частоту электрического тока, которая зависит от условий использования аварийной RAT (скорости воздуха, потребляемой электроэнергии).
В качестве примера Фигура 2 иллюстрирует напряжение V по оси ординат, показывающее предварительно определенную статическую характеристику 200 напряжения аварийной RAT в зависимости от уменьшения частоты f электрического тока, которую она обеспечивает, отложенной по оси абсцисс. В показанном варианте выполнения напряжение V определенным образом коррелирует с частотой f. Как видно на кривой, статическая характеристика 200 напряжения V, подаваемого аварийной RAT, определена таким образом, чтобы обеспечивать постоянное значение V0 при условии, что частота f лежит в полосе частот выше, чем первое заданное пороговое значение f1. В качестве примера частота f1 предварительно определена в качестве значения частоты, характеризующего увеличение уровня использования основного источника 1, т.е. увеличение электроэнергии, потребляемой от источника электропотребителем 2. За пределами этой частоты f1 уровень использования основного источника 1 может продолжать увеличиваться до тех пор, пока он не приблизится к ситуации перегрузки основного источника 1, близкой к условию остановки, которая должна быть исключена. Таким образом, полоса частот определяется в соответствии с выбранными номинальными условиями, при которых аварийная RAT обеспечивает постоянное напряжение V0.
Статическая характеристика 201 напряжения, подаваемого вспомогательным источником 3, предварительно настроена на постоянное значение Vh напряжения ниже значения V0. Когда частота аварийной RAT ниже заданного порогового значения f1, т.е. когда уровень использования основного источника 1 увеличивается, характеристику напряжения можно регулировать в сторону уменьшения. Однако электроэнергия, подаваемая аварийной RAT, остается постоянной. Заданное пороговое значение f1 соответствует частоте, с которой аварийная RAT больше не подает значение V0 напряжения электропотребителю 2 при номинальных условиях. Следует напомнить, что это пороговое значение f1 является результатом предварительного определения, выбранного для статической характеристики 200 напряжения основного источника 1. Такое предварительное определение также может быть опущено. В случае его отсутствия основной источник 1 может продолжать подавать напряжение V0, тогда как скорость вращения падает до тех пор, пока не будет достигнут предел остановки аварийной RAT.
Для исключения вероятности остановки аварийной RAT после того, как частота достигает уровня fh, а напряжение V вспомогательного источника 3 достигает уровня Vh, вспомогательный источник 3 подает напряжение Vh через преобразователь 4. В качестве примера частота fh выбирается в качестве значения частоты, характеризующего перегрузку основного источника 1, близкую к условию остановки и, следовательно, требующую запуска вспомогательного источника 3 для подачи электроэнергии.
Опционально, аварийная RAT может понижать свое напряжение (линейно или иным образом) до заданного значения Vmin, которое достигается при заданной частоте f2 ниже частоты fh, в то время как вспомогательный источник 3 подает напряжение Vh. Понижение напряжения основного источника 1 также является результатом предварительного определения, выбранного для статической характеристики 200, причем понижение напряжения V подразумевает начало подачи электроэнергии от вспомогательного источника 3 после достижения напряжения Vh. В частности, при отсутствии такого предварительного определения основной источник 1 может продолжать подавать постоянное напряжения V0 до тех пор, пока он не достигнет своего предела остановки.
Такие же типы статической характеристики напряжения могут быть предварительно определены для основного источника 14, который необязательно представляет собой аварийную RAT, например, для топливного элемента. Таким образом, напряжение V0 может представлять собой постоянное напряжение, подаваемое топливным элементом при номинальных условиях использования, а Vh может представлять собой напряжение вспомогательного источника 3, которое подается для исключения любой вероятности разрядки топливного элемента.
В более общем смысле, статические характеристики напряжения основного источника 1 и вспомогательного источника 3 определяются в зависимости от уровня использования основного источника 1. Этот уровень использования определяется, например, измеряется, на основе по меньшей мере одного мгновенного параметра, характеризующего источник. В приведенном выше примере решение о подаче электрической энергии от вспомогательного источника 3 принимается в зависимости от изменения напряжения V от аварийной RAT. Это напряжение V коррелирует с частотой f, которая, таким образом, представляет собой мгновенный параметр, характеризующий, например, уровень использования аварийной RAT.
Однако в зависимости от выбранного основного источника 1 для определения уровня использования основного источника 1 могут рассматриваться другие параметры. Например, когда основной источник 1 представляет собой:
аварийную RAT, уровень использования может быть определен на основе по меньшей мере одного из следующих мгновенных параметров: частота электрического тока, при которой подается электроэнергия электропотребителю 2; скорость вращения лопастей 5 воздушного винта; шаг лопастей 5; плотность воздуха; скорость самолета; крутящий момент аварийной RAT;
для топливного элемента, уровень использования может быть определен на основе по меньшей мере одного из следующих мгновенных параметров: температура топливного элемента; расход и производные расхода реагентов (окислителей или топлива); степень гидратации топливного элемента; давление и производные давления реагентов; разность давлений реагентов;
для газовой турбины уровень использования может быть определен на основе по меньшей мере одного из следующих мгновенных параметров: частота электросети, питающей электропотребитель 2; скорость вращения вала газовой турбины; температура турбины; расход или производные расхода керосина; и
для вспомогательной силовой установки (APU), уровень использования может быть определен на основе по меньшей мере одного из следующих мгновенных параметров: частота электрического тока, при которой подается электроэнергия электропотребителю 2; температура APU; расход или производные расхода керосина.
Таким образом, ось абсцисс в конкретном примере, показанном на Фигуре 2, является обобщением для любого заданного параметра, характеризующего уровень использования основного источника 1, при определении статических кривых напряжения для основного источника 1 и для вспомогательного источника 3.
После предварительного определения/вычисления статических кривых напряжения для основного источника 1 и для вспомогательного источника 3, питание электропотребителя 2 может быть реализовано следующим образом.
Подают электроэнергию электропотребителю 2 от основного источника 1, например, при напряжении V0 в конкретном примере, описанном выше.
Во время подачи электроэнергии электропотребителю 2 от основного источника 1 определяют уровень использования основного источника 1 на основе по меньшей мере одного мгновенного параметра, характеризующего этот источник. Мгновенный параметр (параметры) выбирают из параметров, приведенных выше в качестве примера, и для определения уровня использования основных источников 1 электропотребителем 2 может быть рассмотрена скорость лопастей 5 аварийной RAT или степень гидратации топливного элемента.
Затем уровень использования основного источника 1 сравнивают с заданным уровнем использования. В качестве примера этот заданный уровень использования коррелирует с частотой f1 на Фигуре 2, которая представляет собой частоту, с которой аварийная RAT больше не подает электроэнергию электропотребителю 2 при номинальных условиях и напряжении V0. Следует напомнить, что такая частота f1 является результатом значения, предварительно определенного для статических характеристик напряжения основного источника 1. С этой частоты f1 уровень использования основного источника 1 начинает увеличиваться. В другом примере, когда основной источник 1 представляет собой топливный элемент, уровень использования может коррелировать с заданной степенью гидратации, с которой топливный элемент больше не подает постоянное питание электропотребителю 2 при номинальных условиях. В более общем смысле, увеличение уровня использования означает, что основной источник 1 приближается к точке остановки. Определяют заданный уровень использования основного источника 1, который предшествует уровню использования, соответствующему достижению условия остановки, которую следует избегать.
Таким образом, питание, подаваемое основным источником 1, регулируют в зависимости от уровня его использования. В частности, если уровень использования основного источника 1 больше или равен заданному уровню использования, можно регулировать основной источник 1 для обеспечения постоянного понижения напряжения V. Например, на Фигуре 2 напряжение основного источника 1 непрерывно понижают до напряжения Vmin, которое достигается при частоте f2. Электроэнергия от основного источника 1 не регулируется и остается постоянной.
В то же время измеряют напряжение на клеммах преобразователя 4. Предпочтительно это измерение напряжения служит для определения уровня использования основного источника 1.
Измерение напряжения сравнивают непосредственно с заданным пороговым значением, причем это значение коррелирует с мгновенным параметром, характеризующим ситуацию, близкую к перегрузке основного источника 1. В качестве примера пороговое значение напряжения представляет собой напряжение Vh, коррелированное с частотой fh.
Альтернативно измерение напряжения может быть использовано для определения уровня использования основного источника 1, этот уровень использования затем сравнивают с предельным уровнем использования, близким к ситуации остановки основного источника 1, которую следует избегать.
Таким образом, когда измеренное напряжения меньше или равно заданному пороговому значению напряжения, или альтернативно когда уровень использования, определенный на основе измеренного напряжения, достигает предельного уровня использования, преобразователь 4 регулируют так, чтобы вспомогательный источник 3 подавал электропитание электропотребителю 2. Таким образом, вспомогательный источник 3 работает в дополнение к основному источнику 1 для питания электропотребителя 2, что предотвращает перегрузку основного источника 1. В качестве примера в случае аварийной RAT такая регулировка позволяет предотвратить остановку турбины из-за того, что электропотребитель 2 потребляет слишком много электроэнергии, или из-за падения скорости воздуха, приводящего в движение лопасти 5. Такая регулировка также позволяет оптимизировать максимальную электроэнергию, потребляемую от основного источника 1.
Кроме того, когда уровень использования основного источника становится ниже предельного уровня использования, напряжение, измеряемое на клеммах преобразователя 4, превышает заданное значение напряжения, поскольку система больше не находится в ситуации потенциальной перегрузки основного источника 1. Затем преобразователь 4 регулируют для отключения вспомогательного источника 3, подающего дополнительную электроэнергию электропотребителю 2.
Предпочтительно все вышеописанные операции выполняют параллельно в режиме реального времени и непрерывно во времени. Различные операции могут находиться под управлением и контролем первого устройства 71 управления, взаимодействующего с основным источником 1, и второго устройства 72 управления, взаимодействующего со вспомогательным источником 3 через преобразователь 4. Первое и второе устройства 71 и 72 управления являются независимыми в том смысле, что между ними отсутствует прямая связь.
Первое устройство 71 управления выполнено с возможностью:
обеспечения подачи электроэнергии от основного источника 1, например, управления изменениями напряжения аварийной RAT в зависимости от подаваемой частоты электрического тока;
получения (стрелка 10) в режиме реального времени по меньшей мере одного измеренного мгновенного параметра, характеризующего основной источник 1;
определения уровня использования основного источника 1 в зависимости от полученного мгновенного параметра; и
регулировки (стрелка 11) напряжения основного источника в зависимости от уровня использования, определенного для основного источника 1, например, обеспечения понижения напряжения, подаваемого основным источником 1, до заданного значения, когда уровень использования основного источника 1 превышает заданное пороговое значение.
Поскольку преобразователь 4 подключен параллельно с основным источником 1, второе устройство 72 управления выполнено с возможностью определения напряжения на выходе основного источника 1, т.е. напряжения электрической шины, питающей электропотребитель 2. Второе устройство 72 управления выполнено с возможностью:
получения (стрелка 12) измерения напряжения на клеммах преобразователя 4;
сравнения этого измерения напряжения с заданным пороговым значением напряжения, например, характеризующим перегрузку основного источника 1. Или альтернативно определения уровня использования основного источника 1 в зависимости от этого измерения напряжения и сравнения определенного уровня использования с предельным уровнем использования, причем этот предельный уровень использования соответствует уровню использования основного источника 1, близкому к ситуации остановки; и
обеспечения через преобразователь 4 управления (стрелка 13) подачей питания от вспомогательного источника 3 в зависимости от результата сравнения. Например, вспомогательный источник 3 может подавать питание, когда измерение напряжения меньше или равно напряжению Vh (или когда уровень использования достигает предельного уровня использования), и вспомогательный источник 3 может прекращать подачу питания, когда измерение напряжения превышает напряжение Vh (или когда уровень использования основного источника 1 превышает предельный уровень использования).
В этом примере координация основного источника 1 и вспомогательного источника 3 для питания электропотребителя 2 летательного аппарата основана исключительно на определении уровня использования основного источника 1, определенном в этом примере относительно напряжения электросети, питающей электропотребитель 2.
Кроме того, в вышеописанном примере характеристика напряжения основного источника 1 задана/предварительно определена в том смысле, что значение напряжения определенным образом коррелирует со значением частоты электрического тока этого источника.
Однако такое предварительное определение необязательно. Например, частота электрического тока аварийной RAT может изменяться пропорционально скорости вращения ее лопастей 5, и генератор 6 может обеспечивать постоянное значение напряжения независимо от частоты электрического тока, обеспечиваемой RAT.
Таким образом, в другом варианте выполнения уровень использования основного источника 1 определяется непосредственно на основе обеспечиваемой частоты электрического тока. Таким образом, напряжение, подаваемое основным источником 1, не регулируется в зависимости от его частоты, и в качестве примера оно может быть постоянным на уровне значения V0 напряжения. Увеличение уровня использования основного источника 1 определяется непосредственно на основе его частоты. Таким образом, когда частота электрического тока основного источника 1 падает и достигает заданного значения частоты, например, частоты f1, вспомогательный источник 3 подает постоянное значение напряжения Vh в дополнение к напряжению, подаваемому основным источником 1, которое поддерживается на постоянном значении V0.
Когда основной источник 1 представляет собой вращающийся источник, вырабатывающий электроэнергию, может быть предусмотрен другой вариант выполнения подачи питания электропотребителю 2. В качестве примера основной источник 1 может представлять собой аварийную RAT или газовую турбину.
Вращающийся источник, вырабатывающий электроэнергию, обычно связан с механическим регулятором 8 скорости. В качестве примера в случае аварийной RAT, имеющей синхронный генератор 6 электроэнергии, регулятор 8 скорости позволяет адаптировать угол атаки лопастей 5 для обеспечения регулируемой скорости вращения и, следовательно, регулируемой частоты вращения в пределах диапазона частот, а не постоянной частоты. Таким образом, частота электрического тока на выходе генератора 6 электроэнергии RAT пропорциональна частоте вращения. Для асинхронного генератора 6 электроэнергии частота вращения лопастей 5 обычно превышает частоту электрического тока на выходе генератора 6 электроэнергии. Однако частота вращения лопастей 5 регулируется в пределах заданного диапазона частот и может быть опосредованно определена на основе частоты электрического тока на выходе генератора 6 электроэнергии, например, может быть определена на основе частоты электрического тока экспертом или наблюдателем.
При номинальных рабочих условиях вращающийся основной источник 1, который может быть как синхронным, так и асинхронным, подает питание электропотребителю 2 при частоте электрического тока, которая может быть связана с частотой вращения, регулируемой или поддерживаемой в пределах заданного диапазона частот. В частности, частота вращения вращающегося основного источника 1 регулируется относительно номинального значения частоты, и границы заданного диапазона соответствуют колебаниям частоты вокруг номинальной частоты. В качестве примера, если вращающийся основной источник 1 представляет собой аварийную RAT, верхняя граница и нижняя граница заданного диапазона, как правило, находятся в пределах ±10% от выбранной номинальной частоты.
В описанном варианте выполнения частота электрического тока на выходе основного источника 1 измеряется и сравнивается с пороговым значением частоты. В случае синхронного генератора, в котором частота электрического тока непосредственно связана с частотой вращения, пороговое значение частоты может соответствовать нижней границе заданного диапазона частот или частоте, вблизи этой нижней границы, например, на несколько десятков герц (Гц) выше нижней границы. В случае асинхронного генератора пороговое значение может представлять собой частоту электрического тока, коррелированную экспертом или наблюдателем с нижней границей заданного диапазона частот или коррелированную с частотой, вблизи нижней границы, например, на несколько герц выше нижней границы.
При номинальных обстоятельствах вращающийся основной источник 1 выполнен с возможностью подачи питания, необходимого для электропотребителя 2, поэтому частота электрического тока на выходе вращающегося основного источника 1 находится в пределах заданного диапазона и превышает пороговое значение.
В отличие от этого, перегрузка вращающегося основного источника 1 может препятствовать обеспечению частоты электрического тока, находящейся в пределах требуемого диапазона частот, и, следовательно, существует вероятность падения частоты за пределы диапазона.
Например, в случае синхронной аварийной RAT это падение частоты может быть связано с уменьшением скорости вращения лопастей 5 в связи с изменением скорости воздуха, что не позволяет RAT работать в пределах заданного диапазона частот и создает вероятность остановки RAT. Таким образом, частота электрического тока на выходе вращающегося основного источника 1 отражает уровень использования этого источника. В этом примере заданное пороговое значение частоты соответствует предельной частоте, отражающей заданный уровень использования перед возникновением вероятности остановки вращающегося основного источника 1. Это пороговое значение может представлять собой частоту электрического тока, непосредственно связанную с частотой вращения вращающегося основного источника 1 с синхронным генератором или опосредованно связанную с частотой вращения основного источника с асинхронным генератором, например, наблюдателем или экспертом.
Для предотвращения вероятности перегрузки вращающегося основного источника 1, когда частота на выходе основного источника 1 ниже порогового значения, вспомогательный источник 3 приводится в действие через преобразователь 4 для подачи электроэнергии электропотребителю 2 в дополнение к питанию от основного источника 1. Таким образом, подача питания от вспомогательного источника 3 осуществляется так, чтобы обеспечивать частоту электрического тока, синхронизированную с частотой электрического тока основного источника 1. В частности, частота электрического тока основного источника 1 может колебаться на несколько Гц в секунду из-за внешних условий, например, скорости воздуха, турбулентности или электропотребителя, питаемого от источника. В качестве примера такая синхронизация может быть реализована путем сервоконтроля частоты электрического тока вспомогательного источника 3 по частоте электрического тока основного источника 1 с помощью фазовой автоподстройки частоты (PLL). Таким образом, питание электропотребителя 2 осуществляется как от вращающегося основного источника 1, так и от вспомогательного источника 3. Предпочтительно начало подачи питания от вспомогательного источника 3 позволяет предотвратить падение частоты электрического тока вращающегося основного источника 1 ниже порогового значения. Таким образом, частота электрического тока на выходе вращающегося основного источника 1 может по меньшей мере оставаться постоянной на уровне порогового значения во время пиковой нагрузки, а затем возвращаться в заданный диапазон, соответствующий номинальной работе. Когда частота электрического тока, подаваемая вращающимся основным источником 1, превышает пороговое значение частоты, вспомогательный источник 3 прекращает подачу электроэнергии электропотребителю 2. Таким образом, подача электроэнергии вспомогательным источником 3 осуществляется лишь временно для снижения нагрузки на вращающийся основной источник 1, т.е. на время, необходимое для возврата в номинальный рабочий диапазон, для предотвращения остановки.
Таким образом, питание, получаемое от вращающегося основного источника 1, адаптируется, исключая вероятность остановки. Управление вращающимся основным источником 1 и вспомогательным источником 3 особенно просто в реализации, поскольку координация вращающегося основного источника 1 и вспомогательного источника 3 осуществляется через частоту электрического тока, при которой обеспечивается питание электропотребителя 2.
Следует напомнить, что все вышеописанные операции выполняются в режиме реального времени и непрерывно во времени. Различные операции могут находиться под управлением и контролем первого устройства 71 управления, взаимодействующего с основным источником 1, и второго устройства 72 управления, взаимодействующего со вспомогательным источником 3 через преобразователь 4. Первое и второе устройства 71 и 72 управления являются независимыми в том смысле, что между этими устройствами отсутствует прямая связь.
Первое устройство 71 управления выполнено с возможностью управления электроэнергией, подаваемой вращающимся основным источником 1. В качестве примера в случае аварийной RAT, имеющей синхронный генератор 6 электроэнергии, первое устройство 71 управления выполнено с возможностью приема (стрелка 10) уровня напряжения на выходе генератора и управления (стрелка 11) основным источником 1 для регулировки уровня напряжения до фиксированного значения.
Поскольку преобразователь 4 подключен параллельно с основным источником 1, второе устройство 72 управления выполнено с возможностью определения частоты электрического тока на выходе основного источника 1, т.е. частоты электрической шины, питающей электропотребитель 2.
Второе устройство 72 управления выполнено с возможностью:
получения (стрелка 12) измерения частоты электрического тока на клеммах преобразователя 4;
сравнения измерения частоты электрического тока с пороговым значением частоты; и
обеспечения посредством преобразователя 4 управления (стрелка 13) электроэнергией, подаваемой вспомогательным источником 3 электропотребителю 2, при частоте электрического тока, синхронизированной с частотой электрического тока основного источника, когда частота электрического тока на выходе вращающегося основного источника 1 достигает порогового значения частоты.
Альтернативно второе устройство 72 управления может определять уровень использования вращающегося основного источника 1 на основе измерения частоты электрического тока, сравнивать этот уровень использования с предельным уровнем использования, отражающим уровень перегрузки источника и обеспечивать подачу питания от вспомогательного источника 3 в зависимости от результата сравнения.
Предпочтительно такой вариант выполнения вращающегося основного источника 1 особенно прост в реализации, поскольку он не требует никаких модификаций (например, предварительного определения статических характеристик напряжения, перенастройки генератора 6 электроэнергии) существующих вращающихся источников (например, аварийной RAT, турбин). Таким образом, в этом примере координация вращающегося основного источника 1 и вспомогательного источника 3 для обеспечения питания электропотребителя 2 летательного аппарата основана исключительно на определении уровня использования основного источника 1, определенного, в частности, на основе частоты электрического тока на выходе основного источника. Эта частота электрического тока позволяет определить частоту вращения основного источника, либо непосредственно в случае синхронного генератора, либо опосредованно (экспертом или наблюдателем) в случае асинхронного генератора, причем такое определение частоты обычно реализуется для существующих вращающихся основных источников.