СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ РЕГЕНЕРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2016 года по МПК B60L7/20 H02J11/00 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к способу и устройству, предназначенными для обработки регенерированной электрической энергии электрическими приводами летательного аппарата, которые действуют, в частности, во время операций руления.

Процесс руления состоит в перемещении самолета по земле при помощи электрических приводов, расположенных, например, на главном шасси, чтобы контролировать скорость самолета, вызывая замедление. Эти приводы позволяют также тормозить самолет на взлетно-посадочных полосах с негативным наклоном или в случае ветра строго в хвост. При этом приводы отдают электрическую энергию замедления или торможения в сеть, где эта энергия должна быть рассеяна.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Когда знаки крутящего момента и скорости приводов идентичны (произведение между двумя параметрами имеет положительный знак), электрическое устройство подает энергию на приводы от электрического генератора: устройство работает в двигательном номинальном режиме. Электрический генератор приводится в действие от тепловой машины, как правило, вспомогательной силовой установки ВСУ (в английском сокращении APU, «auxiliary power unit»).

Когда знаки крутящего момента и скорости приводов противоположные (произведение между двумя параметрами имеет отрицательный знак), приводы называют «вспомогательными», и команда тормозит нагрузку, убирая энергию от приводов. Устройство и приводы работают в этом случае в режиме генератора «регенерированной» таким образом энергии.

В случае вспомогательных усилий, регенерированную энергию необходимо рассеять на уровне приводов, иначе быстрое повышение напряжения в электрической сети может привести к возникновению пробивного напряжения.

Обычные способы рассеяния энергии базируются на резисторах, что позволяет «сжечь» энергию. Традиционно эту энергию рассеивают, таким образом, за счет эффекта Джоуля в керамических резисторах посредством прерывателя или «chopper».

Эти способы решения трудны для оптимизации, так как необходимо хорошо знать энергию, которая должна быть рассеяна, чтобы преобразовать всю регенерированную энергию. Кроме того, в системе большой мощности этого типа для рассеяния энергии требуется значительный объем керамики и дополнительный мощный преобразователь исключительно для осуществления этой функции торможения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение имеет целью устранить недостатки, связанные с резисторами для рассеяния энергии. Для этого изобретение предлагает передавать энергию на электрический генератор устройства для преобразования этой энергии в механическую энергию.

Более конкретно, предметом предлагаемого изобретения является способ обработки регенерированной энергии реверсивными электрическими приводами летательного аппарата. В номинальном режиме приводимый тепловой машиной генератор подает мощность на приводы, работающие в двигательном режиме через многоканальный контур-преобразователь напряжения. На фазе торможения, по меньшей мере, одного привода регенерация электрической энергии осуществляется приводом/приводами, работающими в этом случае в режиме генератора электрической энергии через соответствующий канал/каналы контура. Регенерированная энергия передается на генератор в двигательном режиме за счет обратной передачи энергии, по меньшей мере, от одного канала привода/приводов. Преобразованная таким образом энергия передается в форме механической энергии на тепловую машину через генератор, управляемый в двигательном режиме.

Обратная передача энергии осуществляется по предназначенному для этого соединению, по меньшей мере, между одним каналом оставшегося(ихся) привода/приводов в двигательном режиме и электрическим генератором. В альтернативном варианте, она может передаваться непосредственно по контуру-преобразователю напряжения, представляющего полное реверсирование подачи энергии, по меньшей мере, по одному из многочисленных каналов.

Предпочтительным образом, контур-преобразователь может быть предназначен для функции руления самолета по земле или для функции запуска тепловой машины. Кроме того, произведенная генератором в двигательном режиме механическая энергия может подаваться на тепловую машину и/или на оборудование летательного аппарата (насос, генератор переменного тока и т.д.), выполненное с возможностью работы через средства механической адаптации передачи мощности (редукторы, контрприводы и т.д.).

Изобретение относится также к устройству, выполненному с возможностью осуществления такого способа. Это устройство включает в себя реверсивный электрический генератор, приводимый в действие тепловой машиной и выполненный с возможностью выдачи переменного напряжения, электрические приводы, выполненные с возможностью подачи механической мощности на летательный аппарат, и контур-преобразователь напряжения с множеством соединений, включающий в себя выпрямительные устройства переменного напряжения, выполненные с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение. Преобразователи мощности установлены на упомянутых соединениях, они питаются постоянным напряжением, выдаваемым выпрямительными устройствами, и выполнены с возможностью управления столькими же электрическими приводами. Средства подключения, монтируемые как отводы, по меньшей мере, на одном соединении, по меньшей мере, одного преобразователя мощности, выполнены с возможностью управления генератором через шину для создания средств обратной передачи энергии от этого преобразователя/этих преобразователей передачи мощности, шину постоянного напряжения и другие преобразователи - не ответвления, - которые являются поставщиками энергии. Контур-преобразователь также содержит средства обратной передачи электрической энергии, применяемой для генератора, работающего в двигательном режиме.

Выпрямительные устройства могут состоять, по меньшей мере, из одного выпрямителя и одного преобразователя.

В альтернативном варианте, средства обратной передачи энергии могут состоять непосредственно из контура-преобразователя напряжения, по меньшей мере, от одного из нескольких каналов, при этом выпрямительные устройства и преобразователи являются реверсивными. Выпрямительные устройства могут состоять в таком случае из реверсивного преобразователя.

Электрическая энергия может подаваться при этом приводами в режиме генератора или от источника постоянного напряжения для питания тепловой машины в режиме запуска через электрический генератор.

Согласно отдельным способам осуществления:

- источник является источником низкого напряжения, подключенным к средствам отвода посредством дросселя дополнительного питания, при этом он может состоять из батареи или источника трехфазного напряжения, передаваемого посредством сетевой розетки и преобразованного выпрямителем в напряжение постоянного тока;

- выпрямительные устройства выбирают из числа, по меньшей мере, одного выпрямителя и одного реверсивного преобразователя, и они подключены к шине постоянного напряжения для питания приводов через преобразователи;

- преобразователи выбирают из числа инверторов и Н-образных мостов;

- средства подключения выбирают из числа контакторов, коммутаторов и электронных триггеров;

- тепловая машина является вспомогательной силовой установкой или эквивалентом, предназначенным для запуска основных двигателей летательного аппарата и замены этих двигателей в случае отказа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие аспекты, признаки и преимущества изобретения будут выявлены из нижеследующего неограничительного описания, касающегося отдельных вариантов осуществления изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых соответственно показаны:

фиг.1 - устройство, предназначенное для обработки регенерированной энергии согласно изобретению, включающее в себя шину, предназначенную для обратной передачи энергии;

фиг.2 - устройство по фиг.1 в случае использования в режиме запуска ВСУ от источника напряжения, состоящего из батареи; и

фиг.3 - альтернативное устройство, включающее в себя реверсивный преобразователь для обратной передачи энергии.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Показанное на фиг.1 устройство А1 для обработки регенерированной энергии, подаваемой четырьмя электрическими двигателями 10а-10d, используемыми как приводы в функции руления, содержит:

- электрический генератор 1, приводимый в действие от ВСУ 2 как дополнительного источника тепла, который выдает трехфазное переменное напряжение (обозначено ///);

- пассивный диодный выпрямитель 3, установленный на выходе генератора 1 на соединении L1 для преобразования этого трехфазного напряжения в постоянное напряжение DC, которое передается на вход шины 4;

- шину 4 напряжения DC (начальные буквы «direct current», т.е. постоянный ток в английской терминологии) для питания каждого из четырех двигателей 10а-10d в номинальном режиме через соответствующий инвертор 5а-5d, причем эти инверторы представляют собой реверсивные преобразователи мощности для управления по трехфазному напряжению соответствующего двигателя на электрическом соединении La-Ld;

- комплект двойных контакторов 6а-6d, расположенных в каждом из этих соединений La-Ld между инвертором и соответствующим двигателем, что позволяет обеспечить конфигурацию каждого соединения в зависимости от двух режимов функционирования двигателей 10а-10d: двигательный режим (стрелка F_M), соответствующий номинальному режиму для функции руления, и режим генератора (стрелка F_R), соответствующий режиму регенерированной энергии;

- шину 7, предназначенную для осуществления, в режиме генератора, электрических переключений на генератор 1 через контакторы 6а-6d.

В регенерированном режиме, по меньшей мере, один инвертор, два инвертора 5с и 5d в приведенном примере, используют для обеспечения торможения и возврата энергии (стрелка F_R) на шину напряжения DC 4 посредством соответствующих инверторов 5с и 5d.

Эта рекуперированная на уровне шины напряжения DC 4 энергия отдается затем на электрический генератор 1, используя оставшийся инвертор или инверторы, в приведенном примере два инвертора 5а и 5b, и предназначенную для этого шину 7. Затем эти оставшиеся инверторы отключают от соответствующих им двигателей 10а и 10b при помощи контакторов 6а и 6b в конфигурации регенерированного режима. Генератор 1 также отключают от выпрямителя 3 и подсоединяют к предназначенной для этого шине 7 через контактор 6е. Генератор 1 и оба оставшихся инвертора 5а и 5b соединяют, таким образом, вместе через предназначенную для этого шину 7.

Оставшиеся инверторы управляют затем электрическим генератором 1 в двигательном режиме и преобразуют электрическую энергию в механическую энергию на уровне ВСУ 2. Предпочтительно, энергию возвращают, таким образом, без добавления дополнительного преобразователя. Как правило, на ВСУ может подаваться мощность примерно 40 кВт.

Конфигурация устройства А1 с фиг.1 в регенерированном режиме может быть использована также в режиме запуска ВСУ 2, как показано на фиг.2.

Запуск ВСУ осуществляют с использованием генератора 1 в качестве стартера («starter» в английской терминологии), то есть в «двигательном» режиме, путем подачи ему энергии. В действительности, запуск генератора, такого как генератор 1, возможен подачей низкого постоянного напряжения.

С этой целью, выходы, по меньшей мере, одного инвертора, двух инверторов 5с и 5d в приведенном примере, подключают предпочтительно к соединениям Le и Ld - между инвертором и соответствующим контактором - посредством дросселей дополнительного питания 8с и 8d (известных также в английской терминологии как «selfs of boost») к источнику низкого постоянного напряжения, здесь к батарее 9.

Эти инверторы 5с и 5d обеспечивают при этом в режиме дополнительного питания повышение низкого постоянного напряжения батареи 9 до уровня постоянного рабочего напряжения шины DC 4 напряжения (стрелки F_B). Оставшиеся инверторы 5а и 5b обеспечивают при этом (стрелки F_S) работу генератора в режиме стартера на основе полученного таким образом напряжения через предназначенную для этого шину 7, аналогично работе в регенерированном режиме с фиг.1.

Оба инвертора 5с и 5d отключают, разумеется, от соответствующих двигателей 10с и 10d при помощи контакторов 6с и 6d и подключают при помощи этих же контакторов к батарее 9 низкого постоянного напряжения через дроссели дополнительного питания 8с и 8d. Батарея является батареей на 28 В, которой укомплектован самолет. В альтернативном варианте, напряжение может поступать из сетевой розетки площадки, связанной с электросетью 3×1 15 В с преобразованием в 28 В.

Альтернативное устройство А2 представлено здесь ссылкой на фиг.3. Это устройство А2 содержит реверсивный преобразователь 11 - здесь инвертор - вместо пассивного выпрямителя 3, что позволяет в этом случае отказаться от контакторов и шины 7.

Таким образом, реверсивный преобразователь 11 обеспечивает прохождение энергии от генератора 1 на электрические двигатели 10а-10d в номинальном режиме. Этот преобразователь 11 обеспечивает также возврат энергии и функционирование в двигательном режиме генератора 1 на фазе регенерации энергии (двойная стрелка F_D). Обеспечивается также запуск ВСУ 2 с использованием контакторов, дросселей дополнительного питания и источника постоянного напряжения с фиг.2.

Изобретение не ограничивается описанными и представленными примерами. Могут быть использованы, например, любой тип переключающего контактора (переключатель, селектор, триггер и т.д.) или активных компонентов мощности (IGBT, MOS, диод, тиристоры и пр.), преобразователя (инвертор, Н-образный мост и т.д.) и выпрямителя (диоды, тиристоры и т.д.), подключенного к фильтру. Кроме того, вместо описанных выше шин DC и шин может быть использована любая подходящая электрическая распределительная система.

Группа изобретений относится к способу и устройству обработки регенерированной энергии реверсивными электрическими приводами летательного аппарата. Регенерацию энергии осуществляют приводами, работающими в режиме генератора электрической энергии, путем обратной передачи энергии через соответствующие каналы многоканального контура-преобразователя энергии и преобразуют ее в механическую энергию тепловой машиной через генератор в двигательном режиме. Остальные каналы многоканального контура-преобразователя подключены к приводам, работающим в двигательном режиме. Устройство обработки регенерированной энергии содержит реверсивный электрический генератор, тепловую машину, электрические приводы, контур-преобразователь напряжения с множеством соединений, средства подключения, монтируемые как отводы, шину постоянного напряжения. Контур-преобразователь напряжения содержит выпрямительные устройства и преобразователи мощности. Обеспечивается рассеивание регенерированной энергии путем преобразования ее в механическую энергию. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обработки регенерированной энергии реверсивными электрическими приводами (10а-10d) летательного аппарата, в котором, в номинальном режиме, генератор (1), приводимый в действие тепловой машиной (2), подает мощность на приводы (10а-10d), работающие в двигательном режиме (F_M) через многоканальный контур (L1-4-La-Ld)-преобразователь напряжения (5а-5d), отличающийся тем, что на фазе торможения, по меньшей мере, одного привода (10с, 10d) регенерация электрической энергии осуществляется приводом/приводами (10с, 10d), работающими в этом случае в режиме генератора электрической энергии, через соответствующий(ие) канал или каналы (La-Ld) контура, что регенерированная энергия передается на генератор (1) в двигательном режиме (F_R) путем обратной передачи энергии, по меньшей мере, от одного канала (Lc, Ld) привода/приводов (10с, 10d) по предназначенному для этого соединению (7) между, по меньшей мере, одним каналом оставшихся привода/приводов в двигательном режиме (La, Lb) и электрическим генератором (1), и тем, что переданную таким образом энергию преобразуют в механическую энергию тепловой машиной (2) через генератор (1) в двигательном режиме.

2. Способ обработки по предыдущему пункту, в котором многоканальный контур-преобразователь (L1-4-La-Ld) предназначен для функции руления самолета по земле и для функции запуска тепловой машины (2).

3. Способ обработки по п.1, в котором произведенную генератором (1) в двигательном режиме механическую энергию подают на тепловую машину (2) и/или оборудование летательного аппарата, выполненное с возможностью работы через средства механической адаптации передачи мощности.

4. Устройство, выполненное с возможностью осуществления способа обработки по п.1, отличающееся тем, что оно включает в себя реверсивный электрический генератор (1), приводимый в действие тепловой машиной (2) и выполненный с возможностью выдачи переменного напряжения, электрические приводы (10а-10d), выполненные с возможностью подачи мощности на летательный аппарат, и контур-преобразователь напряжения (L1-4) с множеством соединений (La-Ld), включающий в себя выпрямительные устройства переменного напряжения (3, 11), выполненные с возможностью преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, и преобразователи мощности (5а-5d), установленные на упомянутых многочисленных соединениях (La-Ld), питаемые постоянным напряжением, выдаваемым выпрямительными устройствами (3, 11), и выполненные с возможностью управления столькими же электрическими приводами (10а-10d), средства подключения (6а-6d), монтируемые как отводы, по меньшей мере, на одном соединении (La-Ld), по меньшей мере, одного преобразователя мощности (5а-5d), выполнены с возможностью управления генератором (1) через шину (7) для создания средств обратной передачи энергии (F_R) от этого преобразователя/этих преобразователей передачи энергии (5a, 5b), шину постоянного напряжения (4) и другие преобразователи (5c, 5d) - не ответвления, - которые являются поставщиками энергии, и тем, что контур-преобразователь содержит также средства (7, 11) обратной передачи электрической энергии, применяемой для генератора, работающего в двигательном режиме.

5. Устройство по предыдущему пункту, в котором выпрямительные устройства состоят, по меньшей мере, из одного выпрямителя (3) и одного преобразователя (11).

6. Устройство по п.4, в котором электрическая энергия подается приводами (10с, 10d) в режиме генератора.

7. Устройство по п.4, в котором электрическая энергия подается от источника постоянного напряжения (9) для питания тепловой машины (2) в режиме запуска через электрический генератор (1).

8. Устройство по предыдущему пункту, в котором источник (9) является источником низкого напряжения, подключенным к средству подключения (6с, 6d) посредством дросселя дополнительного питания (8с, 8d), при этом он может состоять из батареи или источника трехфазного напряжения, передаваемого посредством сетевой розетки и преобразованного выпрямителем в постоянное напряжение.

9. Устройство по п.4, в котором тепловая машина (2) является вспомогательной силовой установкой или эквивалентом, предназначенным для запуска основных двигателей летательного аппарата и замены этих двигателей в случае отказа.