ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОМПОНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, СОДЕРЖАЩИЙ ЭТУ КОМПОНОВКУ, И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭТОЙ КОМПОНОВКИ Российский патент 2022 года по МПК B64C13/06 B64D27/24 B64C25/32 H02P27/06 

Изобретение относится к электрической компоновке летательного аппарата, летательному аппарату, содержащему такую компоновку, и к способу функционирования этой компоновки.

В авиационной области имеется тенденция к увеличению количества устройств электрического оборудования и, таким образом, к увеличению потребляемой электрической мощности. Самолет содержит обычно большое количество электрических нагрузок, питаемых электроэнергией через бортовую электрическую сеть, например, системы кондиционирования воздуха и электрические машины, позволяющие запускать основные двигатели самолета. Эти нагрузки используют, главным образом, многофазные электрические машины переменного тока. Электроэнергия, поставляемая в эти машины, производится в преобразователях мощности, связанных с бортовой сетью, поставляющей электроэнергию постоянного или переменного тока. Бортовая сеть может содержать, например, электрические генераторы, аккумуляторные батареи, а также средства связи с внешней сетью питания самолета электроэнергией, позволяющей питание самолета электроэнергией, когда он находится в аэропорту. На борту самолета это могут быть сети постоянного тока напряжением 540 В и/или сети переменного тока напряжением 115 В или 230 В 400 Гц.

Бортовое оборудование весьма разнообразно и его энергетическое потребление сильно варьируется во времени. В качестве примера, системы кондиционирования воздуха функционируют почти непрерывно, тогда как электрические машины, позволяющие запускать основные двигатели, функционируют только перед взлетом и в течение очень короткого промежутка времени.

Преобразователи мощности принимают энергию бортовой сети для ее преобразования в энергию многофазного переменного тока, адаптированную к требованиям нагрузки по мощности и по частоте. Эта адаптация между преобразователями и нагрузками часто предполагает реализацию специализированных для нагрузок преобразователей.

Делались попытки совместно использовать преобразователи, когда соответственные нагрузки не функционируют одновременно. Вместе с тем, системы кондиционирования воздуха должны функционировать постоянно и в первом приближении не кажется возможным прерывать их функционирование, используя преобразователи, связанные с другими нагрузками. Кроме того, для совместного использования преобразователя, желательно, чтобы различные нагрузки, которые можно питать этим преобразователем, потребляли бы подобные мощности. Действительно, когда несколько нагрузок связаны с одним и тем же преобразователем, необходимо рассчитывать преобразователь в соответствии с нагрузкой, потребляющей наибольшую мощность.

Цель изобретения заключается в совместном использовании преобразователей при их использовании для непохожих нагрузок, а именно для системы кондиционирования воздуха и для электрических машин, обеспечивающих запуск основных двигателей. Изобретение может быть осуществлено в любом типе летательного аппарата, имеющего несколько преобразователей.

Для этого, изобретение имеет объектом электрическую компоновку летательного аппарата, включающую в себя две системы кондиционирования воздуха, два преобразователя, каждый из которых предназначен для питания одной из систем кондиционирования воздуха, и по меньшей мере первую электрическую машину, обеспечивающую запуск первого основного двигателя летательного аппарата. В соответствии с изобретением, электрическая компоновка выполнена так, чтобы два преобразователя могли питать совместно первую электрическую машину.

Преимущественно, каждый из двух преобразователей включает в себя по меньшей мере два инвертора; компоновка включает в себя также переключатель, позволяющий связывать по меньшей мере два первых инвертора; электрическая машина включает в себя основную обмотку, которая может питаться через переключатель, и возбуждающую обмотку, которая может питаться вторым из инверторов.

Преимущественно, ниже заданной высоты, оба преобразователя выполнены с возможностью питания только единственной из двух систем кондиционирования воздуха.

Преимущественно, инвертор каждого преобразователя может питать вентилятор рециркуляции воздуха.

Преимущественно, инвертор по меньшей мере одного из преобразователей может питать электродвигатель приведения в движение колеса летательного аппарата.

Электрическая компоновка может включать в себя вторую электрическую машину, обеспечивающую запуск второго основного двигателя летательного аппарата. Преимущественно, электрическая компоновка выполнена так, чтобы два преобразователя могли питать совместно первую электрическую машину или вторую электрическую машину.

Преимущественно, компоновка включает в себя первый модуль управления, связанный с первым из двух преобразователей, второй модуль управления, связанный со вторым из двух преобразователей, и шину, соединяющую первый и второй модули управления; компоновка выполнена при этом так, чтобы делать первый преобразователь и первый модуль управления главными во время совместного питания первой электрической машины, второй преобразователь и второй модуль управления при этом подчиненные; компоновка выполнена так, чтобы делать второй преобразователь и второй модуль управления главными во время совместного питания второй электрической машины, первый преобразователь и первый модуль управления при этом подчиненные.

Преимущественно, компоновка содержит вспомогательную силовую установку и электрическую машину запуска вспомогательной силовой установки; электрическая компоновка выполнена тогда так, чтобы два преобразователя могли питать электрическую машину запуска вспомогательной силовой установки.

Преимущественно, компоновка включает в себя по меньшей мере одну аккумуляторную батарею хранения электроэнергии; электрическая машина запуска вспомогательной силовой установки питается тогда от батареи через преобразователи.

Изобретение также имеет объектом летательный аппарат, включающий в себя электрическую компоновку в соответствии с изобретением.

Изобретение также имеет объектом способ функционирования электрической компоновки в соответствии с изобретением, в котором первая и вторая электрические машины выполнены с возможностью функционирования как двигатель или как генератор, позволяя питать два преобразователя, способ, отличающийся тем, что он заключается в питании первой электрической машины, функционирующей как двигатель для запуска первого основного двигателя, до тех пор, пока первая электрическая машина не будет функционировать как генератор, принимая механическую энергию первого основного двигателя, первая электрическая машина, питающая тогда два преобразователя, тем, что способ заключается также в питании второй электрической машины, функционирующей как двигатель для запуска второго основного двигателя.

Преимущественно, электрическая машина запуска вспомогательной силовой установки выполнена с возможностью функционирования как двигатель или как генератор, позволяя питать два преобразователя, и способ заключается в питании электрической машины запуска вспомогательной силовой установки, функционирующей как двигатель для запуска вспомогательной силовой установки на основе батареи, до тех пор, пока электрическая машина запуска вспомогательной силовой установки, принимающая механическую энергию вспомогательной силовой установки, не будет функционировать как генератор для питания двух преобразователей; способ заключается также в питании первой электрической машины, функционирующей как двигатель для запуска первого основного двигателя.

Преимущественно, способ заключается в питании электродвигателя приведения в движение колеса летательного аппарата после запуска вспомогательной силовой установки и до запуска первого основного двигателя первой электрической машиной.

Изобретение будет лучше понято и его преимущества будут ясны из чтения подробного описания варианта реализации, приведенного в качестве примера, описания, иллюстрированного сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 и 2 изображают первый вариант реализации электрической компоновки летательного аппарата;

Фиг.3 и 4 - второй вариант реализации электрической компоновки летательного аппарата;

Фиг.5 - схема электрической компоновки двухмоторного летательного аппарата;

Фиг.6 - пример способа осуществления компоновки на Фиг.5;

Фиг.7a и 7b - два варианта, позволяющие питать систему кондиционирования воздуха летательного аппарата;

Фиг.8 - пример магнитного переключателя;

Фиг.9 - управление преобразователей электрической компоновки.

Для ясности, те же самые элементы на различных чертежах имеют одинаковые обозначения.

На Фиг.1 представлен пример электрической компоновки 10 самолета, включающей в себя две системы 12 и 14 кондиционирования воздуха. Эти системы также названы комплект кондиционирования воздуха и ECS в англо-саксонской литературе для "Environment Control System". Эти две системы позволяют регулировать температуру воздуха в кабине самолета. Компоновка включает в себя также два преобразователя 16 и 18, каждый из которых предназначен для питания одной из систем кондиционирования воздуха, соответственно 12 и 14. Два преобразователя 16 и 18 питаются шиной 20 переменного тока. Обычно, на борту грузовых самолетов имеются типовые шины 115 В 400Гц, и совсем недавно - шины 230 В 400 Гц. Эти шины часто обозначаются как шины HVAC для англо-саксонского акронима: "High Voltage Alternating Current" ("Переменный ток высокого напряжения"). Когда самолет находится на грунте в аэропорту, шина HVAC может питаться аэродромной установкой, внешней по отношению к самолету. Компоновка 10 может включать в себя трансформатор или автотрансформатор 22, позволяющий адаптировать напряжение, подаваемое аэродромной установкой, к напряжению шины HVAC. В полете, шина HVAC может питаться основными генераторами самолета. Генератор 24 изображен на Фиг.1. Эти генераторы обычно представляют собой электрические машины, связанные с основными двигателями самолета. Шина HVAC может питаться также вспомогательной силовой установкой, известной под обозначением ВСУ (APU для своего англо-саксонского акронима "Auxiliary Power Unit"). ВСУ использует топливо самолета и используется обычно на грунте, в частности, когда аэропорт не располагает аэродромной установкой, или в полете до посадки, чтобы избежать какого-либо прерывания питания электроэнергией, когда основные генераторы отключены.

Каждый из преобразователей 16 и 18 позволяет адаптировать напряжение и частоту шины HVAC к системам 12 и 14 кондиционирования воздуха. В общем случае, преобразователи 16 и 18 позволяют отбирать мощность бортовой сети для питания системы 12 и 14 кондиционирования воздуха. Бортовая сеть может быть сетью переменного тока, как в представленном примере, или сетью постоянного тока.

Каждый из преобразователей 16 и 18 включает в себя по меньшей мере инвертор, позволяющий питать соответственную систему кондиционирования воздуха. В представленном примере, преобразователь 16 включает в себя инвертор 26, и преобразователь 18 - инвертор 28. Обычно, инвертор 26 и 28 являются трехфазными инверторами. Изобретение может быть осуществленным с любым количеством фаз. Каждый из инверторов 26 и 28 принимает энергию шины постоянного тока, обозначаемой как шина HVDC для ее англо-саксонского акронима: "High Voltage Direct Current" (Постоянный ток высокого напряжения"), соответственно 30 и 32. На борту летательных аппаратов часто имеются шины 270 В DC или 540 В DC. Разумеется, в рамках изобретения может быть использовано любое другое напряжение постоянного тока. Каждый преобразователь 16 и 18 может включать в себя выпрямитель, соответственно 34 и 36, принимающие энергию шины HVAC 20 и питающие соответствующую шину HVDC 30 или 32. Каждый преобразователь может включать в себя элементы фильтрации, а именно, при выходе из инверторов 26 и 28 и/или на входе выпрямителей 34 и 36.

Каждый преобразователь 16 и 18 может включать в себя второй инвертор, соответственно 38 и 40, питаемые шиной HVDC своего преобразователя, и позволяющие питать другие нагрузки летательного аппарата. Два инвертора одного и того же преобразователя могут быть рассчитаны по-разному. В представленном на Фиг.1 примере, для преобразователя 16, инвертор 26 может выдавать мощность, выше выдаваемой инвертором 38. Также, для преобразователя 18, инвертор 28 может выдавать мощность, выше выдаваемой инвертором 40. Различные инверторы могут быть однонаправленными, позволяя питать нагрузки самолета. Инверторы могут быть двунаправленными, например, если нагрузки способны восстанавливать потребляемую мощность. Двунаправленный инвертор может быть использован, в частности, для подключения аккумуляторной батареи или нагрузки, пригодной для выработки электроэнергии.

Изобретение не ограничивается двумя инверторами для одного преобразователя. При необходимости, может иметься более двух инверторов в каждом из преобразователей 16 и 18.

Преобразователи 16 и 18 могут быть использованы в других целях, а именно для запуска основных двигателей самолета. Например, когда самолет обладает двумя основными двигателями, и каждому из них сопоставлена электрическая машина, функционирующая как двигатель и позволяющая его запускать. Электрическая машина может быть обратимой. Иначе говоря, она может функционировать также как генератор, когда соответственный двигатель функционирует, и такой генератор 24 изображен на Фиг.1.

На Фиг.2 электрическая машина 24 представлена функционирующей как двигатель для запуска одного из основных двигателей 42 самолета. В соответствии с изобретением, два преобразователя 16 и 18 питают совместно электрическую машину 24. Действительно, преобразователи 16 и 18 рассчитаны для питания каждой одной из систем кондиционирования воздуха. Для питания электрической машины, позволяющей запускать основной двигатель самолета, используются два связанных преобразователя 16 и 18, чтобы избежать превышения размеров, как это было бы, если только один преобразователь должен был питать электрическую машину 24.

Самолет включает в себя обычно несколько основных двигателей, обычно два или четыре для грузовых самолетов. Запуск двигателей может выполняться последовательно. Точнее, преобразователи 16 и 18 питают первую электрическую машину 24, связанную с первым основным двигателем, исходя из энергии, поступающей из ВСУ или от батареи самолета. Как только первый двигатель запущен, его соответственная электрическая машина может генерировать ток для питания шины HVAC. Только потом преобразователи 16 и 18 отключаются от электрической машины 24 первого основного двигателя для присоединения к другой электрической машине, связанной со вторым основным двигателем самолета, и так далее, до запуска всех двигателей самолета. Во время этой фазы запуска двигателей, системы 12 и 14 кондиционирования воздуха не питаются. Тепловая инерция кабины позволяет допустить это кратковременное отключение питания, которое сохраняется порядка одной минуты.

Электрическая машина 24 может включать в себя две раздельные обмотки: основную обмотку 24-1 и возбуждающую обмотку 24-2. Основная обмотка 24-1 требует намного большей мощности, чем возбуждающая обмотка 24-2. В представленном примере, два инвертора 26 и 28 связаны для питания основной обмотки 24-1. Возбуждающая обмотка 24-2 требует только мощность, подаваемую инвертором 38. Связь двух инверторов 26 и 28 может быть обеспечена магнитным переключателем 43.

Электрическая компоновка 10 включает в себя, не показанные, управляющие соединители, позволяющие перейти от режима работы на Фиг.1 к режиму на Фиг.2.

В режиме работы на Фиг.1, только инверторы 26 и 28 используются для питания систем 12 и 14 кондиционирования воздуха. Инверторы 38 и 40 могут быть использованы для питания других нагрузок летательного аппарата, например, вентиляторов 44 и 45 рециркуляции воздуха. Во время запуска основных двигателей, вентиляторы 44 и 45 временно не будут питаться.

На Фиг.3 и 4 представлен второй вариант реализации изобретения, в котором электрическая компоновка 47 включает в себя также два преобразователя, обозначенных здесь как 46 и 48. Снова обнаруживаем в преобразователе 46 шину HVDC 30 и выпрямитель 34, питаемый шиной HVAC 20. Также снова обнаруживаем в преобразователе 48 шину HVDC 32 и выпрямитель 36, питаемый шиной HVAC 20. В каждом из преобразователей 46 и 48, шина HVDC питает два инвертора, соответственно 50 и 52 для преобразователя 46, и 54 и 56 для преобразователя 48. В отличие от варианта реализации на Фиг.1 и 2, на Фиг.3 и 4 два инвертора одного и того же преобразователя идентичны. Точнее, они предназначены для подачи той же самой номинальной мощности.

На Фиг.3, как и на Фиг.1, преобразователи 46 и 48 питают каждую одну из систем 12 и 14 кондиционирования воздуха. Для преобразователя 46, два инвертора 50 и 52 связаны для питания системы 12 кондиционирования воздуха. Также, для преобразователя 48, два инвертора 54 и 56 связаны для питания системы 14 кондиционирования воздуха. Связь инверторов может быть осуществлена посредством магнитного переключателя, расположенного между инверторами и соответственной системой кондиционирования воздуха. Альтернативно, возможно осуществить систему кондиционирования воздуха, оснащенную электрической машиной, с количеством фаз, равным удвоенному числу фаз каждого инвертора.

Как и для варианта реализации на Фиг.1, по меньшей мере один из преобразователей 46 и 48 может питать другие нагрузки самолета, например, один или несколько электродвигателей приведения в движение колес самолета.

На Фиг.4, как и на Фиг.2, преобразователи 46 и 48 питают электрическую машину 24. В представленном примере, инверторы 52, 54 и 56 связаны для питания основной обмотки 24-1. Возбуждающая обмотка 24-2 требует только мощность, подаваемую инвертором 50.

На Фиг.5 схематично представлен пример электрической компоновки 60 двухмоторного самолета. Два основных двигателя самолета обозначены как 42R для правого двигателя и 42L для левого двигателя. В целом, приведенным ранее обозначениям приписывается индекс R или L в зависимости от их принадлежности к правым или левым двигателям. Естественно, что возможно распространить эту компоновку на трех- или четырехмоторный самолет.

И опять, имеются два преобразователя, обозначенные здесь как 62L и 62R. Также, в преобразователе 62L имеется шина HVDC 30L и выпрямитель 34L, питаемый шиной HVAC 20L. И также в преобразователе 62R имеется шина HVDC 30R и выпрямитель 34R, питаемый шиной HVAC 20R. Шины HVAC 20L и 20R могут быть соединенными для образования совместно шины HVAC 20, описанной ранее. Соединение между двумя шинами HVAC 20L и 20R может быть постоянным или управляемым, например, в процессе использования для возможности разъединения шин HVAC 20L и 20R в случае повреждения компонента, связанного с одной из шин, которое может распространиться на все правые или левые устройства самолета.

Как описано ранее, компоновка 60 может быть присоединена к аэродромной установке, когда самолет находится на грунте. Соединение выполняется одной из шин HVAC 20L и 20R, в случае необходимости с помощью трансформатора или автотрансформатора 22. На Фиг.5, трансформатор 22 присоединен к шине HVAC 20R. Присоединение также может быть выполнено к шине HVAC 20L.

В каждом из преобразователей 62L и 62R, шина HVDC питает два инвертора, соответственно 64L и 66L для преобразователя 62L, и 64R и 66R для преобразователя 62R. Два инвертора одного и того же преобразователя могут отличаться, как в варианте реализации на Фиг.1 и 2, или могут быть идентичными, как в варианте реализации на Фиг.3 и 4. Кроме того, каждый из преобразователей 62L и 62R может включать в себя элементарный преобразователь по току постоянный/постоянный, соответственно 68L и 68R, получая возможность заряжать батарею или отбирать энергию от батареи, соответственно 70L и 70R, при необходимости, с помощью шины постоянного тока низкого напряжения LVDC, соответственно 72L и 72R.

Имеется электрическая машина, связанная с каждым основным двигателем 42L и 42R, соответственно 24L и 24R, имеющая возможность функционировать как двигатель для запуска связанного основного двигателя, и имеющая возможность функционировать как генератор для питания шины HVAC 20L или 20R.

Самолет может быть оснащенным также вспомогательной силовой установкой ВСУ и электрической машиной 74 запуска ВСУ. Как и электрические машины 24L и 24R, электрическая машина 74 может функционировать как двигатель для запуска ВСУ или как генератор, и как только ВСУ запущен - для питания электрической компоновка 60, например, на уровне одной из шин HVAC 20L или 20R. Соединение электрической машины 74 альтернативно может быть выполнено в другой точке компоновки 60, например, на уровне одной из шин HVDC 30L или 30R, или на уровне одной из шин LVDC 72L или 72R.

На Фиг.5 показан также магнитный переключатель 43, позволяющий питать одну или другую из электрических машин 24L или 24R. Обычно, мощность, необходимая для запуска ВСУ меньше, чем та, которая необходима для запуска основных двигателей 42L и 42R. Возможно использование только единственного инвертора для питания электрической машины 74 для запуска ВСУ. Альтернативно, переключатель 43 может быть использован для соединения нескольких инверторов для питания электрической машины 74, если этого требует мощность, необходимая для запуска ВСУ.

В компоновке 60 имеются также системы 12 и 14 кондиционирования воздуха, питаемые, соответственно, преобразователями 62L и 62R.

В многочисленных самолетах, оснащенных двумя системами кондиционирования воздуха, эти системы могут не быть обе задействованными во время полета. Точнее, может быть полезным задействовать только одну из двух систем кондиционирования воздуха ниже заданной высоты. Возможно использование только одного из двух преобразователей 62L и 62R для питания привлеченной системы кондиционирования воздуха. Второй из двух преобразователей при этом не используется для кондиционирования воздуха. Альтернативно, преимущественно сбалансировать использование обоих преобразователей 62L и 62R. Тогда желательно питать привлеченную систему кондиционирования воздуха на основе двух связанных преобразователей. Связь может быть осуществлена, используя выделенный переключатель, или используя снова переключатель 43, не используемый более после запуска основных двигателей 42L и 42R.

Для обеспечения своего перемещения на грунте, в частности, с места стоянки до взлетной полосы, между двумя местами стоянки, или от посадочной полосы до места стоянки, самолет использует обычно свои основные двигатели: турбореактивный двигатель, турбовинтовые двигатели, питаемые посредством топлива. Эти двигатели загрязняют окружающую среду и являются источниками звуковых помех. Для обеспечения перемещения на грунте, оказывается возможным оснастить одно или несколько шасси самолета электродвигателями, имеющими возможность приводить в движение его колеса для перемещения самолета. На Фиг.5 представлена электрическая машина 76, механизирующая шасси 78. Электрическая машина 76 питается здесь инвертором 64L. Естественно, возможно питание электрической машины 76 посредством нескольких инверторов. Кроме того, электрическая машина 76 может быть использована как генератор, например, для торможения колес шасси 78. Один или несколько инверторов, с которыми соединена электрическая машина 76, являются тогда обратимыми для ее питания или для восполнения энергии в зависимости от режима функционирования электрической машины 76, двигателя или генератора.

На Фиг.5 различные устройства могут быть соединены с преобразователями 62L и 62R. Другие устройства, помещенные на борт самолета, также могут быть соединены с преобразователями 62L и 62R. Эти устройства не все постоянно соединены с преобразователями 62L и 62R. Соединители, не изображенные на чертежах, позволяют присоединить одно или несколько устройств. Присоединение различных устройств варьируется во времени в зависимости от рабочих операций самолета. Например, во время руления самолета на грунте, возможно прерывание питания по меньшей мере одной из систем кондиционирования воздуха, в данном случае системы 12 кондиционирования воздуха, для питания одного или нескольких электродвигателей приведения в движение колес самолета.

На Фиг.6 представлен пример способа осуществления компоновки на Фиг.5, способ, в котором могут быть увязаны различные фазы операций самолета.

Когда самолет останавливается в точке своей стоянки, он обычно питается аэродромной установкой, и сети HVAC 20L и 20R принимают энергию трансформатором 22. На первом этапе 80 питается по меньшей мере одна из систем 12 или 14 кондиционирования воздуха. Кондиционирование воздуха полезно, в частности, во время посадки пассажиров на борт самолета.

Как только посадка заканчивается, самолет должен иметь возможность покинуть место своей стоянки. Аэродромная установка тогда отключается и, во время этапа 82, запускается вспомогательная силовая установка ВСУ. Запуск ВСУ может осуществляться с отбором энергии от аэродромной установки до ее отключения, или от батарей 70L и/или 70R. Запуск ВСУ может потребовать только одного из двух преобразователей 62R или 62L. В этом случае, он может сохранять под питанием одну из систем 12 или 14 кондиционирования воздуха. Питание системы 14 кондиционирования воздуха иллюстрируется этапом 84. Альтернативно, во время этапа 82, возможно отключение питания системы или систем 12 и 14 кондиционирования воздуха. Запуск ВСУ может длиться типично порядка одной минуты. Во время этого промежутка времени, инерция кабины достаточна для того, чтобы было еще приемлемым снижение комфорта пассажиров.

После запуска ВСУ, самолет должен иметь возможность перемещаться по земле до взлетной полосы. В современных самолетах это перемещение может выполняться посредством одной или нескольких электрических машин 76, механизирующих одно или несколько шасси 78. Питание одной или нескольких электрических машин 76 осуществляется на этапе 86. Одна или несколько электрических машин 76 могут использовать только один из двух преобразователей 62L или 62R. Другой преобразователь может быть использован для питания одной из систем 12 или 14 кондиционирования воздуха. Питание одной из систем кондиционирования воздуха во время питания одной или нескольких электрических машин 76 изображено на Фиг.5 как этап 88. Альтернативно, если одна или несколько электрических машин 76 требуют двух преобразователей 62L или 62R для своего функционирования, то возможно приостановить функционирование обеих систем 12 и 14 кондиционирования воздуха. Этап 88 тогда пропускается.

До взлета основные двигатели 42L и 42R запускаются последовательно. Точнее, электрическая машина 24L, функционируя как двигатель, запускает основной двигатель 42L. Этот запуск изображен как этап 90 на Фиг.6. После запуска, основной двигатель 42L может вращать электрическую машину 24L, которая функционирует тогда как генератор и питает тогда два преобразователя 62L и 62R.

Затем, электрическая машина 24R, функционируя как двигатель, запускает основной двигатель 42R, что иллюстрировано на Фиг.5 как этап 92. Как и ранее, после запуска, основной двигатель 42R может вращать электрическую машину 24R, которая функционирует тогда как генератор и питает два преобразователя 62L и 62R.

Обычно, в двухмоторных самолетах, левый основной двигатель запускается до правого основного двигателя. Указание правый или левый для самолета чисто условно. Не выходя из объема притязаний изобретения, предполагается и возможность запуска правого основного двигателя до левого основного двигателя.

Во время этапов 90 и 92, два преобразователя 62L и 62R используются для последовательного запуска двух основных двигателей 42L и 42R. Во время этапов 90 и 92, системы 12 и 14 кондиционирования воздуха более не питаются. После запуска обоих основных двигателей 42L и 42R, системы 12 и 14 кондиционирования воздуха питаются снова.

Оказывается возможным разделить питание обеих систем 12 и 14 кондиционирования воздуха. Только одна из двух систем, например, система 12 кондиционирования воздуха, питается во время этапа 94. Как упомянуто выше, переключатель 43 может быть использован так, чтобы два преобразователя 62L и 62R питали совместно систему 12 кондиционирования воздуха. Затем, когда самолет достигает высоты, заданной во время этапа 96, обе системы 12 и 14 кондиционирования воздуха питаются, каждая, одним из преобразователей 62L и 62R.

На Фиг.7a и 7b представлены два варианта, позволяющие питать одну из систем кондиционирования воздуха, например, систему 12, при этом система 14 кондиционирования воздуха не питается. Питание одной из систем кондиционирования воздуха может производиться на этапах 84, 88 и 94. На Фиг.7a система 12 кондиционирования воздуха питается инверторами 64L и 66R посредством магнитного переключателя 43. Использование магнитного переключателя преимущественно, когда количество фаз инверторов 64L и 66R такое же, что и количество фаз электрической машины системы 12 кондиционирования воздуха, а именно электрической машины, приводящей в действие компрессор. Обычно, реализуется трехфазная электрическая машина, функционирующая тогда с инверторами, также трехфазными. На Фиг.7a, инвертор каждого из преобразователей 62L и 62R используется для питания системы 12 кондиционирования воздуха. Это позволяет сбалансировать сети HVAC 20L и 20R. Альтернативно, когда балансировка сетей HVAC 20L и 20R не необходима, или когда инверторы, не используемые для системы 12 кондиционирования воздуха, используются для других нагрузок, обеспечивая балансировку, возможно питание системы 12 кондиционирования воздуха двумя инверторами одного и того же преобразователя.

На Фиг.7b два инвертора 64L и 66R питают непосредственно систему 12 кондиционирования воздуха без магнитного переключателя. Этот вариант преимущественен, когда количество фаз электрической машины системы 12 кондиционирования воздуха равно удвоенному числу фаз инверторов 64L и 66R. Например, инверторы могут быть трехфазными, и электрическая машина системы 12 кондиционирования воздуха может тогда быть шестифазной, что позволяет обойтись без переключателя.

Оба варианта на Фиг.7a и 7b осуществляют преобразователи 62L и 62R, изображенные на Фиг.3 и 4. Возможно также осуществить эти два варианта, используя преобразователи 16 и 18, представленные на Фиг.1 и 2.

К тому же, в обоих вариантах на Фиг.7a и 7b, возможно использовать инверторы, не используемые для питания системы 12 кондиционирования воздуха, для питания других нагрузок летательного аппарата.

На Фиг.8 представлен пример магнитного переключателя 43, приспособленный для связывания нескольких инверторов и, точнее, фазу каждого инвертора. Переключатель на Фиг.8 дублируется для каждой из фаз, когда инверторы многофазные.

Последовательно с фазой каждого инвертора, обозначенного здесь как O1, O2 и O3, соединяется индуктивность. На Фиг.8 изображены три индуктивности L1, L2 и L3. Число индуктивностей подбирается в зависимости от числа инверторов, которые необходимо связать. Выводы индуктивностей L1, L2 и L3, не присоединенные к инверторам O1, O2 и O3, соединяются между собой для образования фазы P выхода переключателя, предназначенного для питания электрической машины, например, машины системы 12 кондиционирования воздуха, или основной обмотки 24-1. Один или несколько соединителей K, позволяющие соединить временно индуктивности L1, L2 и L3 между собой в зависимости от необходимой нагрузки, питаемой переключателем 43. На Фиг.8 представлен прерыватель K. Любое сочетание прерывателей может быть осуществлено для обеспечения желаемой связи.

На Фиг.9 показано управление преобразователями. Это управление может быть осуществлено в различных вариантах реализации электрической компоновки. Как и ранее, управление показано в связи с преобразователями 62L и 62R, представленными на Фиг.3 и 4. Возможно также осуществить это управление для преобразователей 16 и 18, представленных на Фиг.1 и 2.

Связанный с каждым преобразователем 62L и 62R и, точнее, с каждым инвертором, модулятор ширины импульсов MLI выдает двоичные команды открытия и закрытия электронных прерывателей каждого из инверторов. Модулятор MLI 100L связан с преобразователем 62L и управляет инверторами 64L и 66L. Модулятор MLI 100R связан с преобразователем 62R и управляет инверторами 64R и 66R. Каждый преобразователь может включать в себя (не показано) устройство приближенного управления, непосредственно присоединенное к сеткам электронных прерывателей, принадлежащих различным инверторам. Устройства приближенного управления генерируют сигналы, адаптированные к прерывателям исходя из двоичных команд, выдаваемых модуляторами 100L и 100R.

Перед каждым из модуляторов 100L и 100R ширины импульсов, электрическая компоновка включает в себя модуль системы автоматического регулирования инвертора по току, соответственно 102L и 102R. Датчик тока измеряет выходной ток каждого инвертора и передает это измерение на соответствующий модуль 102L или 102R. Датчик тока может быть расположенным на уровне элемента фильтрации, расположенного в преобразователе перед соответствующим инвертором. Датчик тока может реализовать свое измерение на одной из фаз или одновременно на различных фазах соответствующего инвертора. Модуль 102L или 102R и один или несколько соответственных датчиков тока образовывают петлю системы автоматического регулирования, называемую петлей тока, принимающую команду по току, соответственно 104L или 104R. Каждый модуль 102L или 102R выдает коэффициент заполнения каждому из модуляторов MLI, так, чтобы ток, подаваемый соответствующим инвертором, следовал команде по току 104L и 104R.

Перед каждым из модулей 102L и 102R, компоновка включает в себя модуль системы автоматического регулирования функционирования нагрузок, питаемых инверторами. На Фиг.9 эти модули обозначены соответственно, как 106L и 106R. Связанный с каждым модулем 106L и 106R один или несколько датчиков функционирования измеряют характерный параметр функционирования нагрузки, питаемой каждым из инверторов. Это может быть, например, скорость вращения двигателя или вращающий момент, которые он выдает. На Фиг.9 датчики функционирования обозначены соответственно, как 108L и 108R. Каждая нагрузка имеет возможность питаться инвертором, располагающим своим собственным датчиком функционирования, и соединение модулей 106L и 106R с соответственными датчиками варьируется в зависимости от нагрузки, питаемой инвертором.

Модуль 106L или 106R и их соответственный датчик 108L и 108R образовывают петлю системы автоматического регулирования, обозначаемую петлей нагрузки, принимающую команду функционирования нагрузки 110L или 110R. Петля нагрузки изменяет команду по току 104R или 104L так, чтобы характерный параметр функционирования нагрузки 12 следовал команде 110L или 110R функционирования нагрузки.

Перед каждым модулем 106L и 106R, компоновка может включать в себя модуль выбора режима, соответственно 112L и 112R. Этот модуль принимает команду высокого уровня, задающую функционирование нагрузки. Например, для электрической машины 24, связанной с основным двигателем, команда может определить, функционирует ли электрическая машина 24 как генератор для питания сети HVAC или как двигатель, позволяя запускать соответствующий основной двигатель. В режиме генератора, команда высокого уровня может задать, например, напряжение, которое должен предоставить генератор.

Эта команда может происходить из системы управления основного двигателя, стоящей между кабиной летательного аппарата и основным двигателем. В англо-саксонской литературе, система управления часто обозначается FADEC для ее английского акронима: "Full Authority Digital Engine Control". Система управления двигателем управляет именно инжекцией топлива в турбину двигателя в зависимости от запроса мощности, произведенного пилотом в соответствии с управлением полетом. Команда может происходить также из системы управления электрическими генераторами летательного аппарата, которая в англо-саксонской литературе обозначается как GCU для своего английского акронима: "Generator Control Unit".

На Фиг.9 модули 106L и 112L представлены сплошными линиями и модули 106R и 112R представлены пунктирными линиями. Кроме того, на Фиг.9 показана шина 120, к которой присоединяются различные модули 100L, 100R, 102L, 102R, 106L, 106R, 112L и 112R. Представление модулей 106R и 112R пунктирными линиями отображает тот факт, что два преобразователя 62L и 62R питают вместе одну и ту же нагрузку, например, электрическую машину 24L или систему 12 кондиционирования воздуха.

В этом режиме работы, только один или несколько датчиков 108L, связанные с питаемой нагрузкой, предоставляют измерение, которое передается только в модуль 106L системы автоматического регулирования функционирования. Команда по току 104L выдается модулем 106L. Что касается модуля 106R, то он не активен. Команда по току 104R также создается модулем 106L и передается на модуль 102 через шину 120.

Модулятор MLI 100L может передать также информацию в модулятор MLI 100R, в частности, синхронизацию, чтобы соответственные инверторы легче могли быть связаны.

Пуск обоих двигателей 42L и 42R выполняется последовательно на этапах 94 и 96. Может оказаться возможным совместно использовать модули 106R и 106L для помещения только единственного модуля в электрической компоновке летательного аппарата. Вместе с тем, преимущественно избежать пересечений между правыми и левыми устройствами летательного аппарата. Таким образом, каждый преобразователь располагает своими модулями 106R или L и 112R или L. Во время питания электрической машины 24R, модули 106R и 110R активны и передают свою команду и свою синхронизацию посредством шины 120 в модуль 102L системы автоматического регулирования по току и в модулятор MLI 100L.

Для обеспечения управления преобразователей, предлагаемое разбиение по различным модулям дано только в качестве примера. Другие разбиения или петли системы автоматического регулирования также могут иметь место. Функциональное различие между различными модулями, связанными с каждым из преобразователей, может варьироваться в пределах объема притязаний изобретения.

В целом, во время питания левой нагрузки летательного аппарата, в частности, левого основного двигателя 42L или левой системы 12 кондиционирования воздуха, левый преобразователь 62L и его средства управления функционируют в качестве главных. Правый преобразователь 62R и его средства управления функционируют как подчиненные относительно питания левой нагрузки. И наоборот, во время питания правой нагрузки летательного аппарата, правый преобразователя 62R и его средства управления функционируют в качестве главных, тогда как левый преобразователь 62L и его средства управления функционируют как подчиненные относительно питания правой нагрузки.

Изобретение относится к электрической компоновке летательного аппарата, летательному аппарату, содержащему эту компоновку и способу функционирования компоновки. Компоновка включает в себя две системы кондиционирования воздуха, два преобразователя, каждый из которых предназначен для питания одной из систем кондиционирования воздуха, и по меньшей мере первую электрическую машину, обеспечивающую запуск первого основного двигателя летательного аппарата. Электрическая компоновка выполнена так, чтобы два преобразователя могли питать совместно первую электрическую машину. Каждый из двух преобразователей содержит два инвертора. Компоновка включает в себя переключатель, позволяющий связывать по меньшей мере два первых инвертора. Электрическая машина включает в себя основную обмотку, которая может питаться через переключатель, и возбуждающую обмотку, которая может питаться вторым из инверторов. Изобретение позволяет совместно использовать преобразователи при их использовании для непохожих нагрузок, а именно для системы кондиционирования воздуха и для электрических машин, обеспечивающих запуск основных двигателей. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электрическая компоновка летательного аппарата, содержащая две системы (12, 14) кондиционирования воздуха, два преобразователя (16, 18; 46, 48; 62L, 62R), каждый из которых предназначен для питания одной из систем (12, 14) кондиционирования воздуха, и по меньшей мере первую электрическую машину (24; 24L), обеспечивающую запуск первого основного двигателя (42; 42L) летательного аппарата, отличающаяся тем, что эта электрическая компоновка (10; 47; 60) выполнена так, чтобы два преобразователя (16, 18; 46, 48; 62L, 62R) могли питать совместно первую электрическую машину (24; 24L), тем, что каждый из двух преобразователей (16, 18; 46, 48; 62L, 62R) содержит два инвертора (26, 28, 38, 40; 50, 52, 54 56; 64L, 66L, 64R, 66R), тем, что компоновка (10; 47; 60) дополнительно включает в себя переключатель (43), позволяющий связывать по меньшей мере два первых инвертора, и тем, что электрическая машина (24) включает в себя основную обмотку (24-1), которая может питаться через переключатель (43), и возбуждающую обмотку (24-2), которая может питаться вторым из инверторов.

2. Электрическая компоновка по п.1, отличающаяся тем, что ниже заданной высоты два преобразователя (16, 18; 46, 48; 62L, 62R) выполнены с возможностью питания только одной единственной из двух систем (12, 14) кондиционирования воздуха.

3. Электрическая компоновка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что инвертор каждого преобразователя (16, 18; 46, 48; 62L, 62R) может питать вентилятор рециркуляции воздуха (44, 45).

4. Электрическая компоновка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что инвертор (64L) по меньшей мере одного из преобразователей (62L) может питать электродвигатель (76) приведения в движение колеса (78) летательного аппарата.

5. Электрическая компоновка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит вторую электрическую машину (24R), обеспечивающую запуск второго основного двигателя (42R) летательного аппарата, и тем, что электрическая компоновка (60) выполнена так, чтобы два преобразователя (62L, 62R) могли питать совместно первую электрическую машину (24L) или вторую электрическую машину (24R).

6. Электрическая компоновка по п.5, отличающаяся тем, что эта компоновка содержит первый модуль управления (100L, 102L, 106L, 112L), связанный с первым из двух преобразователей (62L), второй модуль управления (100R, 102R, 106R, 112R), связанный со вторым из двух преобразователей (62R), и шину (120), соединяющую первый и второй модули управления, тем, что компоновка выполнена так, чтобы делать первый преобразователь (62L) и первый модуль управления (100L, 102L, 106L, 112L) главными во время совместного питания первой электрической машины (24L), при этом второй преобразователь (62R) и второй модуль управления (100R, 102R, 106R, 112R) являются подчиненными, и тем, что компоновка выполнена так, чтобы делать второй преобразователь (62R) и второй модуль управления (100R, 102R, 106R, 112R) главными во время совместного питания второй электрической машины (24R), при этом первый преобразователь (62L) и первый модуль управления (100L, 102L, 106L, 112L) являются подчиненными.

7. Электрическая компоновка по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит вспомогательную силовую установку (ВСУ) и электрическую машину (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ), и тем, что электрическая компоновка выполнена так, чтобы два преобразователя (62L, 62R) могли питать электрическую машину (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ).

8. Электрическая компоновка по п.7, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну аккумуляторную батарею (70L, 70R) и тем, что электрическая машина (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ) питается батареей (70L, 70R) через преобразователи (62L, 62R).

9. Летательный аппарат, содержащий электрическую компоновку по одному из предыдущих пунктов.

10. Способ функционирования электрической компоновки по п.5, в котором первая и вторая электрические машины (24L, 24R) выполнены с возможностью функционирования как двигатель или как генератор, позволяя питать два преобразователя (62L, 62R), отличающийся тем, что он заключается в питании первой электрической машины (24L), функционирующей как двигатель для запуска первого основного двигателя (42L), до тех пор, пока первая электрическая машина (24L) не будет функционировать как генератор, принимая механическую энергию от первого основного двигателя (42L), первая электрическая машина (24L) питает тогда два преобразователя (62L, 62R), тем, что способ заключается также в питании второй электрической машины (24R), функционирующей как двигатель для запуска второго основного двигателя (42R).

11. Способ по п.10 функционирования электрической компоновки по пп.5-8, в котором электрическая машина (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ) выполнена с возможностью функционирования как двигатель или как генератор, позволяя питать два преобразователя (62L, 62R), отличающийся тем, что он заключается в питании электрической машины (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ), функционирующей как двигатель для запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ), от батареи (70L, 70R) до тех пор, пока электрическая машина (74) запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ), принимающая механическую энергию вспомогательной силовой установки (ВСУ), не будет функционировать как генератор для питания двух преобразователей (62L, 62R), тем, что способ заключается также в питании первой электрической машины (24L), функционирующей как двигатель для запуска первого основного двигателя (42L).

12. Способ по п.11 функционирования электрической компоновки по пп.4-8, отличающийся тем, что он заключается в питании электродвигателя (76) приведения в движение колеса (78) летательного аппарата после запуска вспомогательной силовой установки (ВСУ) и до запуска первого основного двигателя (42L) первой электрической машиной (24L).