ДВЕНАДЦАТИИМПУЛЬСНЫЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ
TWELVE-PULSE AUTOTRANSFORMER RECTIFIER UNITS

Это изобретение относится к двенадцатиимпульсным автотрансформаторным выпрямительным блокам (ATRU) и, в частности, но не исключительно, к способам и устройствам для обнаружения конкретных состояний в подаче им 3-фазного питания и/или их работы.
Двенадцатиимпульсный ATRU является выпрямителем, используемым, чтобы вырабатывать выходное питание постоянного тока (DC) из 3-фазной входной мощности переменного тока. Этот тип выпрямителя используется, в частности, в летательных аппаратах, так как по сравнению с наиболее простым возможным 3-фазным выпрямителем, шестиимпульсным выпрямителем, он дает меньшую пульсацию в выходном сигнале постоянного тока и меньший уровень гармонических токов в трехфазном входном питании. Чтобы минимизировать расходы и вес фазосдвигающего трансформатора, который необходим, чтобы осуществлять двенадцатиимпульсную схему, он делается автотрансформатором.
Является важным в таких устройствах иметь возможность быстро определять аномалии, такие как потеря фазы переменного тока или падение входного питания. Если имеется потеря фазы, только две из трех фаз будут присутствовать на выпрямителе и это может быть причиной повреждения или нарушения функционирования оборудования, питаемого выходом блока ATRU. Падение входного питания также может быть проблематичным в конкретных типах оборудования, питаемого выходом блока ATRU. Например, там, где используется бессенсорное возбуждение прямоугольными импульсами, это является жизненно важным, чтобы имелось быстрое обнаружение падения входного питания. Это необходимо, так как для обеспечения возможности обеспечивать «горячий» перезапуск, когда входное электропитание подключается повторно, мостовое возбуждение должно быть выключено в пределах очень короткого времени (обычно 1 мс) падения входного питания, так как контроллер двигателя должен отслеживать положения ротора в течение периода прерывания электропитания.
Имеется некоторое количество существующих предложений для обнаружения потери фазы. Например, US 5548207 раскрывает способ, в котором 3-фазный источник питания, который наблюдается, соединен с первичными обмотками разделительного трансформатора, который понижает напряжения и подает их в выпрямитель. Волна пульсации выпрямленного выходного сигнала анализируется, чтобы определять, присутствует ли потеря фазы. Этот способ требует соединение с 3-фазным источником питания и это может быть проблематичным, особенно там, где доступ к или от источника питания, который наблюдается, является трудновыполнимым. Например, в конфигурациях, здесь предложенных, ATRU может быть размещен внутри топливного бака, чтобы топливо обеспечивало активное охлаждение блока (что тем самым позволяет уменьшить вес блока ATRU). Схема мониторинга обычно является внешней к топливному баку, и, таким образом, в компоновке типа, раскрытого в US 5548207, необходимо обеспечивать дополнительные уплотненные проходные соединения, чтобы связывать ATRU со схемой мониторинга.
Мы обнаружили, что как результат использования автотрансформаторной конфигурации 3-фазный двенадцатиимпульсный автотрансформатор имеет отличительную характеристику в том, что выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока имеет синфазное напряжение, наложенное на него, по отношению к напряжению нейтрали генератора, которое изменяется согласно различным рабочим состояниям. Мы поэтому сконструировали систему, которая выполнена с возможностью осуществлять мониторинг состояния подачи 3-фазного питания в ATRU, которая не требует соединения с каждой из фаз 3-фазного источника питания, но вместо этого осуществляет мониторинг синфазного напряжения, которое появляется на выпрямленном номинальном выходном сигнале постоянного тока блока ATRU, по отношению к земле генератора. Соответственно, в одном аспекте это изобретение обеспечивает способ обнаружения потери фазы в 3-фазном двенадцатиимпульсном автотрансформаторном выпрямительном блоке (ATRU), который при использовании принимает 3-фазный входной сигнал и вырабатывает выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока, на который наложено синфазное напряжение, при этом способ содержит мониторинг, по меньшей мере, одной из частоты и амплитуды упомянутого синфазного напряжения, тем самым, чтобы определять, имеется ли потеря фазы во входном сигнале.
Таким образом, в одном варианте воплощения частота синфазного напряжения обнаруживается и событие потери фазы определяется, если частота синфазного напряжения ниже предварительно установленной пороговой частоты. Это может обеспечивать вывод индикативного сигнала или отображение предупреждения. Обнаружение частоты может осуществляться с использованием аналоговой схемы или цифровой схемы.
Альтернативно или в дополнение, амплитуда синфазного напряжения может обнаруживаться и событие потери фазы определяется, если амплитуда синфазного напряжения превосходит предварительно установленный порог амплитуды.
В дополнение или вместо поиска потери фазы способ может осуществлять поиск падения входного питания, снова посредством мониторинга синфазного напряжения по отношению к земле генератора.
Таким образом, в другом аспекте изобретение обеспечивает способ обнаружения падения входного питания в 3-фазном двенадцатиимпульсном автотрансформаторном выпрямительном блоке (ATRU), который при использовании принимает 3-фазный входной сигнал и вырабатывает выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока, на который наложено синфазное напряжение, при этом способ содержит наблюдение, по меньшей мере, одной из частоты и амплитуды упомянутого синфазного напряжения, тем самым, чтобы определять, имеется ли падение входного питания.
Таким образом, амплитуда синфазного напряжения может наблюдаться и сравниваться с предварительно определенной пороговой амплитудой.
Обнаружение амплитуды может осуществляться с использованием аналоговой схемы или цифровой схемы.
В каждом из этих аспектов синфазное напряжение может удобно обнаруживаться посредством обращения к напряжению нейтрали 3-фазного генератора или другому эталону заземления. Изобретение также охватывает устройство для обнаружения потери фазы в 3-фазном двенадцатиимпульсном автотрансформаторном выпрямительном блоке (ATRU), который при использовании принимает 3-фазный входной сигнал и вырабатывает выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока, на который наложено синфазное напряжение, при этом устройство содержит схему для мониторинга, по меньшей мере, одной из частоты и амплитуды упомянутого синфазного напряжения, тем самым, чтобы определять, имеется ли потеря фазы во входном сигнале.
Изобретение дополнительно охватывает устройство для обнаружения падения входного питания в 3-фазном двенадцатиимпульсном автотрансформаторном выпрямительном блоке (ATRU), который при использовании принимает 3-фазный входной сигнал и вырабатывает выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока, на котором приложено синфазное напряжение, при этом устройство включает в себя схему для мониторинга амплитуды синфазного напряжения и определения, меньше ли упомянутая амплитуда, чем предварительно определенная пороговая амплитуда.
Устройство и способы, здесь раскрытые, имеют преимущество в том, что схема управления не должна осуществлять доступ к 3-фазному источнику питания, что имеет преимущества, так как допуск высоких напряжений в схему управления низкого напряжения добавляет расходы и сложность. Дополнительно способ обнаружения является более дешевым и более простым, чем использование трансформатора, который является альтернативным известным способом.
В то время как изобретение было описано выше, оно охватывает любую новую комбинацию признаков, описанных выше или в последующем описании или чертежах.
Только в качестве примера некоторые конкретные варианты осуществления этого изобретения теперь будут описываться подробно, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 является диаграммой 3-фазного двенадцатиимпульсного ATRU, включающего в себя обнаружение потери фазы и защиту от падения на входе в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 2(a) является графиком, показывающим синфазное напряжение, наложенное на выходной сигнал постоянного тока блока ATRU, когда присутствуют все три фазы, и
Фиг. 2(b) является графиком, аналогичным фиг. 2(a), но показывающим синфазные напряжения, когда одна из фаз потеряна.
Вариант осуществления и модификации, здесь раскрытые, описаны по отношению к 3-фазному источнику электропитания, который спроектирован, чтобы обеспечивать электроэнергию в двигатель постоянного тока, который управляет топливным насосом. Конечно, следует принять во внимание, что схемы могут легко адаптироваться, чтобы определять состояние 3-фазных источников электропитания в других применениях.
1
2
3
1
2
1
2
1
2
Со ссылкой сначала на фиг. 1, 3-фазное электропитание от 3-фазного генератора 10 подается в ATRU 12 известной схемной конструкции. Напряжение нейтрали 3-фазного генератора соединено с землей и ATRU установлен в корпусе 14, который также соединен с землей. В этой схеме, воплощенной в летательном аппарате, "земля" означает общий корпус или общую цепь заземления в корпусе комбинированного летательного аппарата. В ATRU 12 3-фазный источник питания соединен известным способом с тремя первичными обмотками 16, 16 и 16 в конфигурации «треугольник». В каждой вершине две вторичные обмотки 18, 18 соединены и подают ток в два набора 20, 20 пар диодов, при этом выпрямленный постоянный ток выводится посредством двух межфазных трансформаторов 22, 22 (также известных как межфазные реакторы). Питание постоянного тока проходит в блок 24 управления двигателем и поэтому в двигатель 26. Блок управления двигателем управляет угловой скоростью и угловым смещением двигателя.
Наш анализ схемы ATRU вышеописанного типа выявил, что для двенадцатиимпульсной схемы, когда присутствуют все три фазы, выходной сигнал постоянного тока имеет синфазное напряжение, наложенное на него, по отношению к напряжению нейтрали генератора, состоящее из приблизительно полусинусоидальных импульсов, с амплитудой около 18 процентов от выходного напряжения постоянного тока и умноженной на три входной частоты (см. фиг. 2(a)). Когда происходит событие потери фазы, синфазное напряжение увеличивается до около 54 процентов от выходного напряжения постоянного тока и становится равным входной частоте (см. фиг. 2(b)). Это напряжение имеет сложную форму из-за эффекта связи в автотрансформаторе от обмотки под током (обмотки соединены фаза к фазе) с двумя обмотками, которые совместно используют теперь отсоединенное фазовое соединение. Следует, конечно, принять во внимание, что синфазное напряжение оказывает влияние на обе, положительную и отрицательную, линии постоянного тока одинаково и, таким образом, внутри схемы постоянного тока, виден только выпрямленный номинальный выходной сигнал постоянного тока. Синфазное напряжение присутствует между напряжением нейтрали генератора (которое заземлено на структуре летательного аппарата или другом типе шасси), которое может наблюдаться посредством рассмотрения разности потенциалов между землей или шасси и отрицательной линией постоянного тока.
Вариант осуществления поэтому использует тот факт, что в течение нормальной работы синфазное выходное напряжение имеет умноженную на три входную частоту, но в течение состояния потери фазы оно равно входной частоте. В этом конкретном варианте осуществления входная частота может изменяться между 360 и 800 Гц, что является обычным для летательного аппарата нового поколения, использующего "нестабилизированные по частоте" генераторы; состояние потери фазы будет вырабатывать синфазные частоты в одном и том же диапазоне, в то время как состояние нормальной работы будет вырабатывать синфазные частоты в диапазоне от 1080 до 2400 Гц. Следовательно, детектор частоты, который работает с пороговой частотой в диапазоне от 800 до 1080 Гц, может различать между нормальной работой и потерей фазы, во всем диапазоне входной частоты. Ясно, что эта схема также может применяться в случае питания фиксированной частоты или близко регулируемой частоты.
Преимущество этой схемы состоит в том, что детектор требует только соединение от корпуса контроллера двигателя, который соединен с системой заземления летательного аппарата (которая находится там, где также подсоединена нейтраль генератора), с контроллером двигателя, который ссылается на отрицательную сторону выхода постоянного тока блока ATRU. Это соединение может иметь высокий импеданс и может включать в себя конденсатор, так что эта чувствительная схема не вводит значительные циркулирующие токи заземления и не препятствует тестированию изоляции постоянного тока между электронной схемой и выходом постоянного тока блока ATRU и корпусом насоса. Результат состоит в том, что никакое соединение не требуется между электроникой и трехфазным входным питанием. Это имеет конкретное преимущество в случае топливного насоса, в котором это изобретение осуществлено, так как ATRU погружен в топливо, чтобы обеспечивать активное охлаждение (и тем самым обеспечивать возможность дополнительного уменьшения веса), и уплотненные проходные соединения требуются, чтобы связывать TRU с электроникой, которая не погружена в топливо. Имеется два из этих проходных соединений, несущих положительный и отрицательный выход постоянного тока блока ATRU с электроникой, и изобретение устранило необходимость доставлять дополнительные три напряжения через проходные соединители. Это обеспечивает экономию в расходах и сохранение ценного пространства и обеспечивает также, по существу, меньшие расходы, чем основывающаяся на трансформаторе альтернатива. Детектор частоты работает хорошо для обнаружения потери фазы. Он также может использоваться, чтобы обнаруживать потерю входного напряжения, если самая быстрая возможная реакция не требуется. Детектор амплитуды сигнала работает хорошо для обнаружения потери фазы и может использоваться также для быстрого обнаружения потери входного напряжения.
Быстрое обнаружение падения входного питания имеет преимущество, если используется бессенсорное возбуждение прямоугольными импульсами, которое требует, чтобы мостовое возбуждение было выключено в пределах 1 миллисекунды, когда входное электропитание выключено, чтобы иметь возможность обеспечивать горячий перезапуск, когда входное электропитание прикладывается повторно (то есть чтобы контроллер был способен успешно отслеживать положение ротора двигателя, пока электропитание отсоединено). Входной каскад детектора потери фазы служит, чтобы обеспечивать эту функцию, и является способным обнаруживать потерю входного электропитания в пределах меньше чем 1 миллисекунды.
В этом варианте осуществления имеется поэтому некоторое количество схемных модулей, которые перерабатывают синфазное напряжение, указанное здесь, в напряжение нейтрали генератора, чтобы извлекать информацию, чтобы определять состояние подачи 3-фазного питания, а именно потеряна ли фаза или упало ли входное питание полностью.
Синфазное напряжение подается в датчик напряжения нейтрали, показанный, в общем, как 28. Здесь напряжение нейтрали снимается на конденсаторе 30, который соединяет компоненту переменного тока синфазного сигнала с резисторами 32 и 34, и поэтому с операционным усилителем 36, чей выход, помеченный как Neut Atten, является инвертированной версией входа в датчик 28 напряжения нейтрали, ослабленного посредством известного отношения, и со смещением 5 В. Сигнал Neut Atten с измененным масштабом затем используется, чтобы возбуждать детектор 38 потери фазы и детектор низкого входа, показанный, в общем, как 36.
В детекторе 36 низкого входа, масштабированное синфазное напряжение (Neut Atten) подается в сравнивающее устройство IC201a, которое вырабатывает прямоугольный импульс на штыре 2, чьи фронты совпадают с моментами времени, когда сигнал Neut Atten пересекает опорную линию 5 В, которая также является средним значением сигнала Neut Atten. Прямоугольный импульс на штыре 2 IC210a питает генератор подкачки заряда, сформированный посредством C245 & C246, и D205 & D206, при этом R211 действует в качестве нагрузки. Когда входное электропитание присутствует, генератор подкачки заряда помещает несколько вольт на TP818, так что сравнивающее устройство обнаружения низкого напряжения (LVD) видит, что оно является более высоким чем эталон 1 В. В обратном случае, когда входное электропитание не присутствует (но вспомогательный источник электропитания (APS) все еще работает), выход генератора подкачки заряда падает до нуля и сравнивающее устройство LVD видит, что оно является более низким чем эталон 1 В.
Следовательно, состояние выхода сравнивающего устройства 52 LVD является высоким или низким в зависимости от того, присутствует ли входное электропитание или нет.
Детектор 38 потери фазы состоит из прецизионной схемы 39 f-V и схемы 40 усреднения для приема вывода прецизионной схемы 39 f-V. В прецизионной схеме 39 f-V, сигнал Neut Atten от датчика 28 напряжения нейтрали применяется к сравнивающему устройству IC201d, которое вырабатывает прямоугольный импульс, чьи фронты находятся в соответствии с моментами времени, когда сигнал Neut Atten пересекает его среднее значение, которое равняется 5 В. IC202 буферизует напряжение и, являясь CMOS, получающей электропитание от точного питания 5 В, вырабатывает выход, который переключается между нулем и точным эталоном 5 В, с некоторым последовательным сопротивлением. Соединение этого вывода со схемой CR C251/R249 вырабатывает фронт, за которым следует экспоненциальная задержка в направлении к линии 0 В. Среднее значение этого затухания точно пропорционально произведению эталона 5 В и временной константы CR (и не зависит от последовательного выходного сопротивления логического элемента CMOS IC202). IC200d и D213 формируют прецизионный выпрямитель. Операционный усилитель уменьшает эффективное напряжение диода до приблизительно входного напряжения смещения IC200d, которое равно нескольким мВ. Это ограничивает вывод C251, чтобы он был только положительным, таким образом, вывод через R249 является последовательностью положительно идущих скачков, за которыми следуют экспоненциальные затухания. До тех пор пока время затухания является достаточно коротким (скажем, менее чем 25% от периода), среднее значение этого напряжения является точно пропорциональным входной частоте. IC810a буферизует выходное напряжение через R249, чтобы посылать в схему 41 усреднения.
В схеме 41 усреднения буферизованный вывод из IC801a прецизионной схемы 39 f-V подается в дифференциальный низкочастотный фильтр, составленный посредством R250-253 и C252 & 253, чтобы усреднять импульсы и обеспечивать усиление напряжения. R266 может быть компонентом SOT (выбор по тесту), чтобы делать точные регулировки для усиления для начальной настройки. R254 and C254 формируют низкочастотный фильтр второго каскада.
Фильтрованный вывод, помеченный CPDet, теперь является напряжением постоянного тока с малой пульсацией, при этом напряжение постоянного тока пропорционально частоте и масштабировано таким образом, чтобы давать 5 В для 900 Гц входа. Этот сигнал сравнивается с эталоном 5 В на входе сравнивающего устройства 54, и, таким образом, вывод сравнивающего устройства является низким или высоким в зависимости от того, меньше ли частота или больше чем 900 Гц. Как отмечено выше, частота, равная 800 Гц или менее, представляет условие потери фазы, и частота, равная 1080 Гц или более, означает, что не имеется никакой потери фазы, следовательно, состояние вывода сравнивающего устройства действует как сигнал потери фазы.
Соответственно описанный вариант осуществления обеспечивает детектор потери фазы и быстро действующий детектор низкого входного напряжения для использования с 3-фазным источником электропитания и 12-импульсным трансформаторным выпрямительным блоком (TRU), как обычно используется в летательном аппарате, и который реагирует на амплитуду и/или частоту синфазного сигнала. Вариант осуществления имеет преимущество в том, что когда схема, которая использует выход постоянного тока блока TRU, ссылается на одну из направляющих постоянного тока (что является нормальной практикой), детектор не нуждается в соединении с трехфазным источником входного питания, но вместо этого использует соединение нейтрали генератора/общего заземления и может быть связан с ним емкостным образом, таким образом, он не вводит ток утечки на землю. Это имеет преимущества в воплощении, в котором он используется, так как он используется в топливном насосе, где TRU находится в топливе, чтобы держать его охлажденным, и электронная схема находится в сухой уплотненной области, так что взаимосвязи между электроникой и TRU требуют проходных соединений, которые являются объемистыми и дорогостоящими для производства.