ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ВОЗДУШНОГО СУДНА Российский патент 2025 года по МПК B64D31/00 H02J4/00 H02M9/00 B64D41/00 

[0001] Изобретение относится к усовершенствованию электрической архитектуры воздушного судна. На борту коммерческого воздушного судна электроэнергия обычно вырабатывается посредством первичных генераторов, механически связанных с тяговыми двигателями воздушного судна. Каждый генератор вырабатывает переменное напряжение, которое подается в электрическую сеть воздушного судна, распределяющую электроэнергию переменного или постоянного тока, необходимую для работы электрических нагрузок, располагающихся в области фюзеляжа и в области двигателя.

[0002] Обычно на коммерческих воздушных судах с переменным током фиксированной частоты, обычно 400 Гц, электричество может вырабатываться с использованием газовых турбин, вращающихся с переменной скоростью. Номинальное напряжение бортовых сетей переменного тока обычно составляет 115 В. На некоторых современных воздушных судах, это напряжение повышается до 230 В. Для этого между валом газовой турбины и генератором переменного тока устанавливается система регулирования скорости, благодаря чему генератор может вращаться с фиксированной скоростью для получения желаемой фиксированной частоты. Система управления скоростью, в которой применяется гидравлический преобразователь, известна в литературе под названием CSD, что означает: "Привод с постоянной скоростью". Генератор и гидравлический преобразователь могут быть объединены таким образом, чтобы при этом формировалось устройство, известное в литературе под названием IDG, что означает: "Генератор с интегрированным приводом". В последнее время были предприняты попытки обойтись без этих гидравлических преобразователей посредством перехода к генераторам переменного тока с регулируемой частотой вращения и, следовательно, к созданию бортовых сетей с регулируемой частотой, например, с частотой от 400 до 800 Гц.

[0003] На борту магистрального воздушного судна обычно имеются другие электрические генераторы, в частности, вспомогательная силовая установка и турбина с приводом от набегающего потока.

[0004] Вспомогательная силовая установка известна в литературе и обозначается ниже под аббревиатурой APU. Установка APU представляет собой вспомогательный блок, обычно содержащий газовую турбину, соединяемую с электрическим генератором. Установка APU обычно размещается в хвостовой части воздушного судна и обеспечивается керосином из топливных баков воздушного судна. Установка APU запускается посредством аккумуляторной батареи воздушного судна. Установка APU предназначается для подачи воздуха в систему кондиционирования воздуха воздушного судна и для запуска тяговых двигателей, если они оснащены системами воздушного запуска. Установка APU может также вырабатывать гидравлическую и/или электрическую энергию для подачи питания к различным бортовым системам на земле, когда тяговые двигатели остановлены, и запуска этих двигателей, если они оснащены электростартерами. Установка APU также может быть использована в полете в случае отказа первичных генераторов.

[0005] Турбина с приводом от набегающего потока известна в литературе и обозначается ниже под аббревиатурой RAT. Турбина RAT состоит из воздушной турбины, располагающейся в нише воздушного судна. Турбина RAT выпускается в полете в случае выхода из строя первичных источников электроэнергии воздушного судна, которые представляют собой первичные генераторы, связанные с тяговыми двигателями и APU. Турбина RAT приводится в движение воздушным потоком, возникающим при движении воздушного судна. Турбина RAT соединяется с гидравлическим насосом или с генератором переменного тока. Турбина RAT на воздушном судне используется в качестве резервного источника энергии.

[0006] APU и RAT представляют собой значительную массу, перевозимую на борту воздушного судна. При этом APU и RAT не используются на основных этапах полета. Кроме того, APU все меньше и меньше используется, когда воздушное судно находится на стоянке, на земле, для предотвращения рисков загрязнения. В некоторых аэропортах даже устанавливаются общедоступные сервитуты использования воздуха и электричества.

[0007] На земле на воздушное судно также может подаваться питание от внешнего генератора, часто называемого наземным источником питания, что позволяет не использовать APU.

[0008] Различные электрические генераторы подключаются к системе распределения электроэнергии, известной в литературе и обозначаемой ниже под аббревиатурой EPDS. Система EPDS состоит из первичного и вторичного электрических контуров. Первичные электрические контуры содержат электрические распределительные шины, которые отделены друг от друга при нормальной работе. Имеется возможность соединения между собой электрических шин в случае выхода из строя одного или нескольких генераторов. Не все электрические шины находятся под одним и тем же напряжением. Они соединяются друг с другом посредством силовых преобразователей, которые позволяют создавать различные уровни напряжения и частоты, необходимые для работы различных нагрузок. Вторичные электрические контуры служат для управления и защиты электрических нагрузок воздушного судна.

[0009] Система EPDS позволяет создавать различные напряжения, необходимые для функционирования воздушного судна, такие как, например, напряжение 115 В переменного тока или 230 В переменного тока фиксированной частоты или переменной частоты, или контролируемое напряжение 28 В постоянного тока, предназначающееся для нагрузок малой мощности, таких, как системы авионики или компьютеры управления полетом.

[0010] Система EPDS также позволяет размещать раздельно так называемые "основные" нагрузки и "неосновные" на отдельных электрических распределительных шинах. Под основной нагрузкой подразумевается любая нагрузка, необходимая для обеспечения правильного функционирования воздушного судна в случае какого-либо отказа. Подача питания на основные нагрузки позволяет обеспечивать полностью безопасную для воздушного судна и для его пассажиров бесперебойную работу.

[0011] На борту современного воздушного судна имеется высоковольтная сеть постоянного тока, известная в литературе и обозначаемая ниже под аббревиатурой HVDC. EPDS может вырабатывать напряжение HVDC, которое получается посредством выпрямления регулируемого трехфазного переменного напряжения, создаваемого первичными генераторами. Одно из обычно используемых значений напряжения постоянного тока HVDC составляет 540 В. Также предусматриваются напряжения 350 В и 270 В. Основная причина развития сетей HVDC заключается в целесообразности их использования для подачи питания на определенные нагрузки и, в частности, на синхронные двигатели или приводы, которые не могут работать без преобразователя постоянного тока в переменный. На этот преобразователь, таким образом, подается мощность из сети HVDC.

[0012] В области коммерческой авиации, современная тенденция заключается в увеличении количества электрических устройств. Некоторые гидравлические устройства, такие, как органы управления полетом, заменяются электрическими системами. Кроме того, система кондиционирования воздуха в кабине также имеет тенденцию становиться электрической системой.

[0013] Поскольку доля нагрузок, для питания которых необходима сеть постоянного тока, имеет тенденцию к значительному увеличению в рамках тенденции электрификации воздушных судов, некоторые производители самолетов уже рассматривают отказ от первичных сетей переменного тока в пользу применения систем распределения электроэнергии, представляющих собой в основном системы HVDC. В настоящее время разрабатывается стандарт для перспективной сети, представляющей собой полностью сеть HVDC. Так же, как и сети переменного тока, сети HVDC должны регулироваться очень точно.

[0014] При применении сети HVDC каждый из вышеописанных обычных генераторов связывается с преобразователем переменного тока в постоянный ток, который делает возможным переход от переменного напряжения, поступающего от генератора, к постоянному напряжению сети HVDC. Батарея высокого напряжения подключается к сети HVDC посредством преобразователя постоянного тока в постоянный ток, что делает возможным соответствие напряжения аккумуляторной батареи (которое изначально является изменяющимся напряжением и зависит от уровня заряда батареи) и фиксированного и регулируемого напряжения в сети HVDC.

[0015] Сети переменного тока имеют множество недостатков. Прежде всего, современные первичные генераторы переменного тока приводятся в действие тяговыми двигателями воздушного судна и поэтому не могут быть подключены параллельно, поскольку невозможно их синхронизировать, кроме как посредством применения систем управления скоростью с помощью гидравлического преобразователя типа CSD.

[0016] При определении параметров первичных генераторов и связанных с ними сетей переменного тока учитываются возможные случаи отказов тяговых двигателей. Расчет параметров генераторов с запасом приводит к тому, что они используются недостаточно. Например, для воздушного судна, содержащего два двигателя и по два генератора на двигатель, на крейсерском этапе полета, первичные генераторы используются примерно на 30% от их номинальной энергоемкости. Масса генераторов и кабельных соединений, связанных с каждым из генераторов, пропорциональна установленной мощности, что позволяет генераторам обеспечивать их номинальную энергоемкость. Иначе говоря, выработка электроэнергии оказывается весьма затратной с точки зрения бортовой массы.

[0017] Кроме того, наличие RAT, используемой только для резервирования, также оказывается затратной для бортовой массы. Она имеет очень низкую удельную мощность, порядка 0,3 кВт/кг. Кроме того, RAT не предусматривает все случаи работы в резервном режиме. Например, когда воздушное судно имеет низкую скорость, например, на этапе захода на посадку и на этапе посадки, RAT уже не может обеспечивать свою функцию резервирования вследствие слишком низкой скорости воздушного судна. Более того, в случае выхода из строя обоих тяговых двигателей и выпуска RAT выработка электроэнергии прерывается на время, необходимое для выпуска RAT и запуска ее генератора. Использование RAT требует наличия запасов гидравлической и электрической энергии, таких, как батареи, которые обеспечивают работу гидравлических и электрических систем, необходимых для безопасности полета, в частности, для подачи питания на тормоза воздушного судна.

[0018] Наличие APU также оказывается затратным для бортовой массы воздушного судна. Установка APU используется, прежде всего, на земле до запуска тяговых двигателей, приводящих в действие первичные генераторы. В APU используется керосин, что сильно загрязняет окружающую среду. В некоторых аэропортах, оснащенных оборудованием для подачи питания на земле, использование APU строго регламентируется или даже запрещается, что делает ее целесообразность на борту воздушного судна весьма сомнительной. Установка APU на борту оправдана только для критических ситуаций, таких, как выход из строя обоих двигателей в полете, что может произойти, например, в случае попадания птиц в оба двигателя в то время, когда воздушное судно взлетает. Поскольку RAT позволяет подавать питание только на весьма ограниченное количество устройств, быстрый запуск APU в данном экстренном случае позволяет сохранить в действии больше устройств, повышая удобство работы пилотов, так, чтобы вернуться на воздушном судне на землю абсолютно безопасно по сравнению с эксплуатацией с использованием RAT или аккумуляторной батареи. Некоторые производители самолетов также работают над заменой APU системами, не выделяющими CO₂ и токсичные газы, такими, как топливные элементы, обеспечиваемые водородом, получаемым посредством электролиза. Однако такое решение внедряется с трудом, поскольку по-прежнему необходимо преодолевать проблемы, связанные с установкой таких устройств на воздушном судне и с отсутствием цепи производства и распределения "выделяемого" водорода. В частности, в настоящее время большая часть водорода вырабатывается из продуктов на нефтяной основе.

[0019] Что касается системы EPDS, то подаваемое ей напряжение должно удовлетворять очень строгим авиационным стандартам. Эти стандарты задают уровни напряжения и частоты, которые должны соблюдаться независимо от режима работы. В частности, эти стандарты требуют регулирования напряжений очень точным образом. Для воздушного судна, на котором используются сети фиксированной частоты 400 Гц, точность регулирования частоты составляет порядка одного Гц. Для напряжений 115 В переменного тока и 230 В переменного тока, подаваемых электрическими генераторами, регулирование напряжения выполняется посредством модуля управления, связанного с каждым из электрических генераторов и известного в литературе под названием GCU, что означает: "Блок управления генератором". В случае сетей фиксированной частоты, в которых используется IDG, точное регулирование требует чрезвычайно точного и, следовательно, дорогостоящего CDS.

[0020] Нагрузки, на которые подается напряжение, создаваемое системой EPDS, также должны удовлетворять строгим правилам. В частности, коэффициент отклонения гармоник должен оставаться в пределах стандартного шаблона. Поскольку этот шаблон очень строгий, то обязательно наличие фильтров, связанных с каждой нагрузкой и обеспечивающих совместимость сети с нагрузкой, на которую она подает питание. Строгие допуски, как правило, приводят к тому, что эти фильтры оказываются более сложными и тяжелыми. В некоторых случаях фильтр может быть таким же тяжелым, как и связанная с ним нагрузка.

[0021] Наконец, стандарты, которым должны соответствовать сети, не обеспечивают возвращение энергии в электрическую сеть нагрузками, питаемыми от этих сетей. Поэтому невозможно рассматривать возможность восстановления затраченной энергии на все более многочисленных обратимых нагрузках, таких, как моторы и двигатели. В настоящее время каждая нагрузка, работающая обратимым образом, должна иметь встроенные устройства для пассивного рассеивания регенерируемой энергии в связанном с ней преобразователе.

[0022] Сети HVDC также имеют множество недостатков. В сетях HVDC устраняется ряд недостатков сетей переменного тока, в частности, посредством обеспечения параллельного размещения генераторов. Это параллельное размещение позволяет повысить коэффициент использования генераторов на крейсерском этапе полета, и, следовательно, уменьшить отношение установленной электрической мощности к номинальной мощности, потребляемой самолетом.

[0023] Однако, вращающиеся генераторы, которые остаются генераторами переменного тока, и применение сетей HVDC требуют выпрямления трехфазного переменного напряжения генераторов и, следовательно, наличия дополнительных бортовых преобразователей для выпрямления напряжения генераторов.

[0024] Кроме того, поскольку большинство бортовых нагрузок работает при переменном напряжении, необходимо преобразовывать напряжение HVDC обратно в переменное напряжение, которое может использоваться нагрузками, что приводит к наличию очень большого количества преобразователей постоянного тока в переменный. Все эти преобразователи с учетом все более высокой бортовой мощности требуют добавления систем воздушного охлаждения или жидкостных контуров, что еще больше ухудшает баланс масс воздушного судна. Наконец, добавление этих многочисленных преобразователей имеет тенденцию ухудшать надежность и доступность электрических систем воздушного судна по сравнению с электрическими архитектурами переменного тока, которые, хотя и менее сложны, но, вместе с тем, более надежны.

[0025] В заявке на патент WO 2007/113312, поданной на имя заявителя, предлагается оптимизировать общую массу преобразователей посредством их объединения. В частности, на борту воздушного судна некоторые специализированные преобразователи используются только в течение коротких периодов времени, и поэтому целесообразно объединить их использование. Однако в результате этого объединения также возникают проблемы, связанные с сертификацией, так как необходимо продемонстрировать, что объединение не влияет на безопасность систем воздушного судна. Данное ограничение указывается, в частности, в стандарте D0297. Кроме того, для объединения требуются дополнительные системы, такие, как наборы контакторов, что ухудшает бортовую балансировку по массе.

[0026] Так же, как и для сетей переменного тока, стандарты, регламентирующие сети HVDC, также очень строгие. Нагрузки, подключенные к этим сетям, должны включать в себя фильтры, которые устраняют возвращающиеся на них помехи. Так же, как и в сетях переменного тока, от нагрузок к сетям не может возвращаться энергия. Поэтому рекуперативные (регенеративные) нагрузки должны быть оборудованы средствами для рассеивания регенерируемой энергии.

[0027] Изобретение направлено на преодоление всех вышеупомянутых проблем, или некоторых из них, посредством предложения новой электрической архитектуры, содержащей нерегулируемую вторичную электрическую сеть, в которой имеется возможность приема энергии от любого типа устройств, от первичных генераторов, а также от рекуперативных нагрузок. Данная вторичная электрическая сеть также обеспечивает временное сохранение энергии. Вторичная электрическая сеть служит в качестве буфера для сохранения энергии в ней, в частности, обусловленной избытком мощности первичных генераторов, и обеспечивает подачу электроэнергии в первичную сеть во время некоторых пиков потребления.

[0028] Таким образом, предмет изобретения заключается в электрической архитектуре воздушного судна, содержащей:

- множество первичных генераторов, каждый из которых связан с тяговым двигателем воздушного судна, причем каждый из первичных генераторов сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать номинальную мощность,

- множество первичных электрических сетей, каждая из которых связана с первичным генератором в нормальном режиме работы и работает при первом номинальном напряжении,

- однокомпонентную вторичную электрическую сеть, работающую в диапазоне напряжений, минимальное значение которого составляет по меньшей мере удвоенное значение первого номинального напряжения,

- устройство накопления электроэнергии, подключенное непосредственно к вторичной сети,

- первый преобразователь электроэнергии, располагающийся между вторичной электрической сетью и первой из первичных электрических сетей, обеспечивающий передачу энергии от первой из первичных электрических сетей во вторичную электрическую сеть, причем первый преобразователь электроэнергии предназначается для подачи электроэнергии в устройство накопления электроэнергии в нормальном режиме работы,

- второй преобразователь электроэнергии, располагающийся между вторичной электрической сетью и второй из первичных электрических сетей, обеспечивающий передачу энергии, в нормальном режиме работы, от вторичной электрической сети во вторую из первичных электрических сетей,

Причем устройство накопления электроэнергии и второй преобразователь электроэнергии сконфигурированы так, чтобы обеспечивать подачу во вторую из первичных электрических сетей мощности, равной по меньшей мере половине номинальной мощности одного из первичных генераторов.

[0029] Электрическая архитектура может дополнительно содержать:

- по меньшей мере одну регулируемую низковольтную сеть постоянного тока, номинальное напряжение которой по существу составляет от 24 до 30 В, при этом низковольтная сеть постоянного тока отделена от однокомпонентной вторичной электрической сети,

- по меньшей мере одну батарею, подключаемую к низковольтной сети постоянного тока,

- третий преобразователь электроэнергии для подачи питания в низковольтную сеть постоянного тока от одной из первичных электрических сетей,

- четвертый преобразователь электроэнергии для подачи питания в одну из первичных электрических сетей, к которой подключаются основные нагрузки воздушного судна.

[0030] Первичные электрические сети могут быть регулируемыми, а вторичная электрическая сеть предпочтительно представляет собой сеть постоянного напряжения, напряжение которой задается устройством накопления электроэнергии.

[0031] Однокомпонентная вторичная электрическая сеть может быть сконфигурирована таким образом, чтобы работать, в нормальном режиме работы, при ее номинальном напряжении, величина которого может изменяться в пределах с отношением от 1 до 3.

[0032] Первый преобразователь электроэнергии предпочтительно имеет номинальную мощность ниже номинальной мощности второго преобразователя электроэнергии.

[0033] Рекуперативная нагрузка может быть подключена к вторичной электрической сети посредством двунаправленного преобразователя без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

[0034] По меньшей мере один блок электрического генератора, независимый от любого тягового двигателя воздушного судна, может быть подключен к вторичной электрической сети без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

[0035] Внутренняя электрическая сеть кабины может быть подключена к вторичной электрической сети посредством третьего преобразователя электроэнергии без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

[0036] Электрическая архитектура может содержать основную электрическую сеть для подачи питания к основным нагрузкам воздушного судна, при этом второй преобразователь электроэнергии имеет возможность подавать энергию в основную электрическую сеть.

[0037] Электрическая архитектура может содержать систему распределения электроэнергии и модуль управления для управления вторичной электрической сетью, обменивающиеся информацией для приведения в действие преобразователей электроэнергии.

[0038] И первый, и второй преобразователи электроэнергии преимущественно содержат трансформатор, имеющий усиленную изоляцию.

[0039] Второй преобразователь электроэнергии предпочтительно соединяется со второй первичной электрической сетью через электронный переключатель на полупроводниковой основе, обеспечивая подачу однокомпонентной вторичной электрической сетью тока короткого замыкания к нагрузке, соединяемой со второй первичной электрической сетью.

[0040] Настоящее изобретение будет лучше понято, и дополнительные преимущества станут очевидными из чтения подробного описания одного из вариантов реализации, предоставляемого для примера, описание которого далее иллюстрируется с помощью сопровождающих чертежей, на которых:

[0041] Фиг.1 схематически показывает один из примеров электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, адаптированной для коммерческих воздушных судов;

[0042] Фиг.2 - более точный пример электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, адаптированной для первичной сети переменного тока;

[0043] Фиг.3 и Фиг.4 - примеры электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, в которой некоторые устройства являются дублирующими.

[0044] В целях ясности, одни и те же элементы имеют одинаковые обозначения на разных чертежах.

[0045] На Фиг.1 показан один из примеров электрической архитектуры, в соответствии с изобретением. На Фиг.1 показана электрическая архитектура двухдвигательного коммерческого воздушного судна. Каждый из тяговых двигателей M1 и M2 приводит в действие два электрогенератора: G1.1 и G1.2 для двигателя M1, и G2.1 и G2.2 для двигателя M2. Изобретение может быть осуществлено независимо от количества тяговых двигателей и независимо от количества электрических генераторов на один двигатель. Изобретение может быть осуществлено для других типов воздушных судов, а также, например, для винтокрылых летательных аппаратов.

[0046] В приведенном примере на воздушном судне имеются другие электрогенераторы, такие, как генератор G3, приводимый в действие посредством APU, и RAT. Эти вспомогательный (APU) и резервный (RAT) генераторы не являются обязательными в изобретении, как будет показано ниже. Электрическая архитектура содержит систему распределения электроэнергии EPDS, принимающую электроэнергию от всех этих генераторов. Сеть, также называемая первичной сетью, связана с каждым из генераторов, в частности, с генераторами, связанными с тяговыми двигателями и называемыми первичными генераторами. Первичные сети, не показанные на Фиг.1, относятся к EPDS. EPDS, в свою очередь, распределяет принимаемую энергию между различными нагрузками воздушного судна. На Фиг.1 нагрузки сгруппированы по типам сетей, подающих питание на них: нагрузки 115 В переменного тока, нагрузки 230 В переменного тока, нагрузки 28 В постоянного тока и нагрузки, на которые подается постоянный ток высокого напряжения HVDC. Эти четыре типа нагрузки приводятся только в качестве примера. Изобретение может быть осуществлено независимо от количества различных типов сетей. Некоторые воздушные суда могут быть оснащены только одним из типов сетей. Кроме того, сети переменного тока могут иметь фиксированную частоту, например, 400 Гц, или переменную частоту, например, от 400 Гц до 800 Гц. Из всех нагрузок, некоторые нагрузки считаются основными, или критическими, а другие считаются неосновными. К основным нагрузкам относятся любые нагрузки, необходимые для обеспечения правильной работы воздушного судна в случае какого-либо отказа. Основные нагрузки, в частности, включают в себя некоторые компьютеры и средства управления полетом. Неосновные нагрузки, в частности, включают в себя так называемые коммерческие нагрузки, которые позволяют оказывать услуги пассажирам внутри пассажирского салона. Неосновные нагрузки могут быть исключены, если это необходимо.

[0047] Многие аэропорты обеспечивают подключение воздушных судов к наземному источнику питания, который обычно выдает напряжение 115 В, 400 Гц. Данная архитектура содержит входной разъем EXT PWR 1 для подключения EPDS к наземному источнику питания. Современные воздушные суда, оборудованные первичными сетями 230 В, 400 Гц, должны иметь бортовой преобразователь для преобразования напряжения с 115 В на 230 В. Этот преобразователь в полете представляет собой ненужную массу.

[0048] Генераторы, система EPDS и нагрузки, как правило, имеются на борту воздушного судна, на котором не реализовано изобретение. Данная структура сохраняется и в настоящем изобретении.

[0049] В соответствии с изобретением, электрическая архитектура содержит вторичную электрическую сеть RES, которая дополняет первичные электрические сети воздушного судна. В первичные электрические сети питание подается непосредственно от первичных генераторов воздушного судна. Вторичная электрическая сеть RES считается однокомпонентной. Точнее, вторичная электрическая сеть RES не содержит никаких контакторов для разъединения ее частей. Вторичная электрическая сеть RES образована однокомпонентной распределительной шиной или сборной шиной. Вторичная электрическая сеть RES рассматривается как неизменяемый и неразрывный электрический элемент. Устройства, подключаемые к этой сети, могут быть отключены в случае отказа.

[0050] В примере, показанном на Фиг.1, вторичная электрическая сеть RES представляет собой высоковольтную сеть HVDC постоянного тока. Кроме того, изобретение может быть реализовано с помощью вторичной электрической сети переменного напряжения.

[0051] Электрическая архитектура содержит устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии. В контексте изобретения может быть реализован любой тип устройства накопления электроэнергии. Разумеется, возможны аккумуляторные батареи, в которых имеется возможность накапливать энергию в химической форме и выводить ее в электрической форме. Также возможно, вместо, или в дополнение к батарее, применение любого устройства, способного сохранять энергию в любой физической форме, в частности, электрической, механической, тепловой, и для вывода ее в электрической форме, такого, как, например, суперконденсатор или инерционный накопитель. Можно реализовать устройство накопления электроэнергии, которое накапливает и передает энергию в виде переменного напряжения. Данный тип устройства накопления электроэнергии подходит для вторичной электрической сети переменного напряжения.

[0052] Устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии подключается непосредственно к вторичной сети без преобразователя электроэнергии и без прохождения через одну из первичных электрических сетей. Иначе говоря, именно напряжение устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии накладывается на напряжение вторичной электрической сети RES. В регулируемой обычной HVDC сети невозможно подключить батарею непосредственно к этой сети. В частности, напряжение батареи сильно колеблется, в первую очередь, в зависимости от уровня ее заряда. Преобразователь энергии должен быть расположен между батареей и обычной сетью, в частности, для согласования уровней напряжения. Например, напряжение на литий-ионной батарее HVDC обычно может варьироваться во время работы в пределах нескольких сотен вольт, например, между 230 и 500 В, в зависимости от уровня ее заряда. Обычно для воздушных судов, оборудованных трехфазными сетями 115 В переменного тока, минимальное рабочее напряжение вторичной электрической сети RES составляет 230 В, а для воздушных судов, оборудованных трехфазными сетями 230 В переменного тока, минимальное рабочее напряжение вторичной электрической сети RES составляет 460 В. В более общем случае, минимальное рабочее напряжение в нормальном режиме работы на вторичной электрической сети RES предпочтительно равно по меньшей мере удвоенному значению номинального напряжения сети AC1 и AC2. Обычные сети, применяемые на коммерческих воздушных судах, представляют собой регулируемые сети. Вариации напряжения, допустимые в этих сетях, составляют порядка одного вольта. Напротив, для вторичной электрической сети RES не выполняется никакое специальное регулирование в пределах диапазона, в котором напряжение устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии может увеличиваться во время нормальной работы. Диапазон напряжения вторичной электрической сети RES ограничивается только для того, чтобы избежать чрезмерно глубокого разряда или недопустимого перезаряда устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Например, можно сконфигурировать вторичную электрическую сеть RES так, чтобы допускать изменения ее рабочего напряжения в нормальном режиме работы, то есть без каких-либо отказов, в пределах с отношением от 1 до 3.

[0053] Вторичная электрическая сеть RES может обмениваться энергией с EPDS. Для этой цели архитектура содержит два преобразователя CP1 и CP2 электроэнергии, располагающихся между вторичной электрической сетью RES и EPDS. Преобразователь СР1 сконфигурирован таким образом, чтобы передавать энергию из одной из первичных электрических сетей во вторичную электрическую сеть RES в нормальном режиме работы, а преобразователь CP2 сконфигурирован таким образом, чтобы передавать энергию от вторичной электрической сети RES в другую из первичных электрических сетей. Два преобразователя представляют собой отдельные преобразователи и могут работать одновременно. Одна из первичных сетей может подавать энергию во вторичную электрическую сеть RES, особенно когда первичный генератор, связанный с этой первичной сетью, используется недостаточно. Во время полета воздушного судна, на крейсерском этапе и во время нормальной эксплуатации первичные генераторы используются недостаточно, а это означает, что почти всегда имеется доступная генерирующая мощность для подачи энергии во вторичную электрическую сеть RES и, следовательно, для практически непрерывной подзарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Под нормальным режимом работы понимается функционирование воздушного судна на крейсерских этапах полета без каких-либо отказов. Имеется возможность подачи энергии во вторичную электрическую сеть RES каждым из генераторов G1.1, G1.2, G2.1, G2.2 и G3. Набор контакторов, один из примеров которого приводится ниже, делает возможным соединение одного из генераторов со вторичной электрической сетью RES. Еще одна из первичных сетей может принимать энергию от вторичной электрической сети RES, например, в случае пикового потребления нагрузками, связанными с этой другой первичной сетью, причем такого пикового потребления, которое может возникать в нормальном режиме работы.

[0054] В электрической архитектуре возможно предоставление множества вторичных электрических сетей RES, каждая из которых подключается к устройству BAT-HVDC накопления электроэнергии и к двум преобразователям CP1 и CP2.

[0055] Архитектура содержит модуль C управления для управления вторичной электрической сетью RES. Модуль C управления приводит в действие преобразователи CP1 и CP2, а также устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии. Электрическая архитектура также может содержать общий контроллер для управления всей электрической архитектурой воздушного судна. Общий контроллер управляет как системой EPDS, так и модулем C управления. Модуль C управления и общий контроллер могут быть физически сгруппированы вместе в одном и том же компьютере. В качестве альтернативы, по соображениям безопасности, может быть предпочтительным разделение функций модуля С управления и общего контроллера, например, так, чтобы обеспечить полное разъединение EPDS и вторичной электрической сети RES.

[0056] Если устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии представляет собой аккумуляторную батарею, работа преобразователя CP1 может быть очень близка к работе зарядного устройства батареи, адаптированного к техническим особенностям батареи. Преобразователь CP1 может содержать один или несколько контакторов на входе на стороне EPDS для выбора генератора, к которому подключается преобразователь CP1. Преобразователь CP1, кроме того, содержит трансформатор с выпрямителем, образованный, например, трансформатором с изоляцией между первичной и вторичной обмотками, электронным диодным выпрямителем и регулятором тока для регулирования тока на выходной стороне вторичной электрической сети RES. Для того, чтобы обеспечить достаточное разделение вторичной электрической сети RES и EPDS, трансформатор может иметь усиленную изоляцию, для того, чтобы избежать нежелательного просачивания между регулируемым напряжением первичной сети и нерегулируемым напряжением вторичной электрической сети RES. Трансформатор может иметь средство обнаружения нарушения изоляции между первичной и вторичной сетью, как описывается, например, в патентной заявке ЕР 3 499 254 А1, поданной на имя заявителя. Средство обнаружения нарушения изоляции может затем действовать на контакторы, расположенные на входе преобразователя CP1. Для обеспечения надежности преобразователь CP1 может иметь архитектуру с дублированием. Другие варианты реализации преобразователя CP1, конечно, также возможны в контексте настоящего изобретения.

[0057] Преобразователь СР2 адаптирован к напряжению вторичной электрической сети RES и к одному или нескольким напряжениям одной или нескольких первичных сетей, в которые эта вторичная электрическая сеть RES должна подавать энергию. Напряжение вторичной электрической сети RES может быть переменным или постоянным, и может быть одним или несколькими напряжениями одной или нескольких первичных сетей.

[0058] Преобразователь CP2 может содержать один или несколько контакторов на выходе со стороны EPDS для выбора первичной сети, к которой подключается преобразователь CP2. Преобразователь CP2 может содержать ступень электронного инвертора, который позволяет из напряжения вторичной электрической сети RES создавать напряжение, совместимое с напряжением сети, к которой подключается преобразователь CP2. Под совместимым напряжением в первую очередь подразумевается напряжение той же амплитуды, той же частоты, синхронизированное по фазе и соответствующее стандартам, устанавливаемым для первичных генераторов. Преобразователь СР2 может содержать, на выходе, изолирующий трансформатор, обеспечивающий полное разделение между вторичной электрической сетью RES и системой EPDS. Так же, как и в преобразователе CP1, трансформатор преобразователя CP2 может иметь усиленную изоляцию и средства обнаружения для обнаружения нарушения изоляции между первичной и вторичной обмотками. Для обеспечения надежности преобразователь CP2 имеет архитектуру, которая предпочтительно является резервированной. Так же, как и для преобразователя CP1, для преобразователя CP2 могут быть предусмотрены другие типы вариантов реализации.

[0059] Например, когда EPDS содержит одну или несколько сетей переменного тока, предпочтителен выбор устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии с номинальным напряжением, равным напряжению, получаемому выпрямлением напрямую из сети переменного тока для того, чтобы избежать использования бустера напряжения для преобразователя CP1. Например, для трехфазной сети 115 В переменного тока можно выбрать устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии с номинальным напряжением, равным 270 В постоянного тока и 540 В постоянного тока для трехфазной сети 230 В переменного тока.

[0060] Поскольку передача энергии через преобразователь CP1 из одной из сетей EPDS во вторичную электрическую сеть RES может осуществляться в течение большей части времени полета и, в частности, на протяжении всего крейсерского этапа полета, преобразователь CP1 может иметь меньшую номинальную мощность, чем преобразователь CP2, который может потребоваться для подачи энергии в большем диапазоне в течение этих коротких периодов времени. Например, в традиционной архитектуре первичные генераторы имеют такие размеры, которые позволяют вырабатывать энергию в случае отказа, такого, как, например, короткое замыкание нагрузки. Между моментом, когда происходит короткое замыкание, и временем, когда срабатывает защита для изоляции закороченного устройства, соответствующий генератор должен быть в состоянии обеспечивать этот ток короткого замыкания. Посредством реализации настоящего изобретения, имеется возможность кратковременно подавать ток короткого замыкания посредством вторичной электрической сети RES в дополнение к первичному генератору, связанному с неисправным устройством. Когда энергия дополнительно подается от вторичной электрической сети RES, преобразователь CP2 синхронизируется с обеспечиваемым им генератором. Иначе говоря, реализация изобретения позволяет ограничить завышение размеров первичных генераторов за счет использования вторичной электрической сети RES для некоторых пиков потребления электроэнергии. При этих пиках используется преобразователь CP2, параметры которого рассчитываются для этой цели, причем, например, имеющий большую номинальную мощность, чем преобразователь CP1.

[0061] Кроме подачи энергии на нагрузки воздушного судна во время пиков потребления, энергия вторичной электрической сети RES может использоваться для других целей.

[0062] В случае отказа одного или нескольких первичных генераторов, например, в случае выхода из строя одного или обоих тяговых двигателей воздушного судна, при рассмотрении системы EPDS, преобразователь CP2 заменяет один или несколько неисправных генераторов. В качестве промежуточного звена между нормальной работой и полным выходом из строя одного или нескольких генераторов вторичная электрическая сеть RES может уменьшать мгновенный нагрев первичного генератора или риск помпажа двигателя, приводящего в действие первичный генератор. Риск помпажа особенно велик, когда двигатель работает на холостом ходу, и при этом большая часть механической мощности, которую он передает, используется для выработки электроэнергии. Временные колебания в потреблении электроэнергии происходят часто. Резкое изменение потребления электроэнергии может привести к скачку оборотов двигателя или даже к его заклиниванию. В более общем случае, вторичная электрическая сеть RES позволяет частично или полностью и единовременно отключать один из генераторов первичной распределительной сети посредством подачи необходимой дополнительной мощности.

[0063] Некоторые нагрузки воздушного судна, имеющие обозначения от "нагрузка 1" до "нагрузка N" на Фиг.1, можно подключить к вторичной электрической сети RES без прохождения через первичные сети. Особенно выгодно подключать нагрузки, способные регенерировать энергию, такие, как, например, электромоторы, такие, как, например, электрические инверторы тяги или электрические колесные двигатели. Подключение данного типа нагрузок к вторичной электрической сети RES позволяет нагрузкам подавать регенерированную энергию во вторичную электрическую сеть RES. Эта энергия может перезаряжать устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии, или проходить через преобразователь CP2 для подачи энергии на другие нагрузки воздушного судна. В отличие от первичных сетей, которые не позволяют использование регенерированной энергии, применение нерегулируемой вторичной электрической сети RES легко обеспечивает регенерацию энергии.

[0064] Нагрузки, показанные на Фиг.1, могут включать в себя, в частности, кабинную сеть. Это сеть, доступная, в частности, пассажирам, например, для подзарядки их портативных электронных устройств, телефонов или компьютеров. В данной сети применяется так называемое сетевое напряжение, обычно используемое в домашних условиях, например, 220 В 50 или 60 Гц. Такая сеть также позволяет подключать печи для подогрева блюд, подаваемых на борту. Такие устройства, на которые подается сетевое напряжение, гораздо менее тяжелы, чем устройства, специально адаптированные к напряжениям, присутствующим в первичных сетях воздушного судна. Кабинная сеть предпочтительно снабжается энергией от вторичной электрической сети RES, без прохождения через первичные сети. Подача питания в кабинную сеть через вторичную электрическую сеть RES позволяет, в частности, избежать кратковременных отключений, когда в первичных сетях меняется генератор, что происходит, в частности, в случае передачи выработки энергии от APU к первичному генератору.

[0065] Колесные электродвигатели могут также получать питание от вторичной электрической сети RES без прохождения через первичные сети. Колесные двигатели воздушного судна позволяют ему двигаться в режиме "e-taxi".

[0066] В общем случае, на воздушном судне, имеющем первичные сети переменного тока и не имеющем вторичную электрическую сеть RES, для большинства нагрузок переменного тока требуется выпрямитель, за которым следует инвертор для их питания. Выпрямитель, часто обозначаемый аббревиатурой ATRU, что означает выпрямительный блок автотрансформатора, должен иметь возможность передавать всю мгновенную мощность, необходимую для работы подключаемых к нему нагрузок, что приводит к увеличению массы воздушного судна. Подача энергии на эти нагрузки через вторичную электрическую сеть RES, работающую в режиме постоянного тока, позволяет отказаться от ATRU, который также представляет собой громоздкий блок. Функции выпрямителя в таком случае осуществляются преобразователем CP1, который рассчитан на среднюю потребляемую мощность, а не максимальную мощность, потребляемую нагрузками, и при этом устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии подает мощность для этих нагрузок во время пиков их потребления.

[0067] Для электрической архитектуры, включающей в себя вторичную электрическую сеть RES на стадии проектирования, изобретение позволяет определять параметры первичных генераторов на основе средней мощности, потребляемой всеми нагрузками воздушного судна, и мощности, необходимой для зарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. При определении параметров первичных генераторов нет необходимости основываться на максимальной мощности, потребляемой нагрузкой, особенно во время пиков потребления. Параметры устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии и преобразователя CP2, в свою очередь, рассчитываются таким образом, чтобы обеспечивать питание первичных сетей во время пиков потребления в дополнение к мощности, вырабатываемой первичными генераторами. Также возможна реализация изобретения в существующей электрической архитектуре, в которой первичные генераторы имеют такие параметры, чтобы покрывать пики потребления. Без изменения существующих генераторов, изменение существующей электрической архитектуры посредством интеграции в нее вторичной электрической сети RES и устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии позволяет легко добавлять дополнительные функции, такие как, в частности, функция "e-taxi", кабинная сеть, рекуперация энергии от нагрузок, способных к регенерации энергии, и перенос подачи мощности на нагрузку от одного генератора к другому без какого-либо сбоя, как уже было показано выше.

[0068] Имеется возможность подключения электрических генераторов, обозначаемых на Фиг.1 как SDC и SAC, к вторичной электрической сети RES. Генераторы SDC и SAC подключаются к вторичной электрической сети RES посредством конкретных преобразователей, без прохождения через первичные сети. Генератор SDC подает напряжение постоянного тока и подключается к вторичной электрической сети RES посредством преобразователя постоянного тока в постоянный. Этот преобразователь необходим, поскольку напряжение вторичной электрической сети RES прикладывается устройством BAT-HVDC накопления электроэнергии. Преобразователь постоянного тока в постоянный позволяет согласовывать выходное напряжение генератора SDC с напряжением вторичной электрической сети RES. Генератор SAC подает однофазное или многофазное переменное напряжение и подключается к вторичной электрической сети RES посредством преобразователя переменного тока в постоянный. Генераторы SDC и SAC приводятся в действие посредством модуля C управления. Электрогенератор любого типа может быть подключен к вторичной электрической сети RES. Генераторы могут быть электрическими машинами с приводом от двигателей внутреннего сгорания. Другие типы генераторов, основанные, в частности, на возобновляемых источниках энергии, такие, как топливные элементы или фотоэлектрические панели, могут быть подключены к вторичной электрической сети RES. К вторичной электрической сети RES предпочтительно подключать генераторы, не зависимые от тяговых двигателей воздушного судна.

[0069] Вторичная электрическая сеть RES может дополнительно принимать энергию через входной разъем EXT PWR 2 наземного питания, адаптированный к наземному источнику питания, имеющемуся в аэропортах. Входной разъем EXT PWR 2 наземного источника питания подключается к вторичной электрической сети RES без прохождения через одну из первичных сетей воздушного судна. Подключение к наземному блоку питания через входной разъем EXT PWR 2 позволяет, например, быстро зарядить устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии во время промежуточной остановки воздушного судна. Посредством применения вторичной электрической сети RES с переменным напряжением 115 В, 400 Гц, имеется возможность использования широко распространенных в настоящее время наземных источников питания. Для вторичных электрических сетей RES HVDC можно будет предоставлять наземные источники питания, адаптированные к данному напряжению HVDC.

[0070] Существует возможность подключения генераторов, которые уже имеются на воздушном судне, таких, как APU и RAT, непосредственно к вторичной электрической сети RES, без подключения их непосредственно к первичным сетям. В частности, при нормальной работе, APU и RAT используются редко. APU практически используется только на земле, а RAT используется только как резервный источник питания. Посредством подключения их к вторичной электрической сети RES можно было бы их использовать, особенно APU, более рациональным образом, в частности, для подзарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии во время некоторых этапов полета. Если уровень заряда устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии позволяет, электрические функции, выполняемые APU на земле и RAT в качестве резервного источника питания, могут быть обеспечены устройством BAT-HVDC накопления электроэнергии через вторичную электрическую сеть RES. Осуществление изобретения, следовательно, делает возможным обойтись без электрических генераторов RAT и APU или по меньшей мере без одного из них.

[0071] Генераторы, подключаемые к вторичной электрической сети RES, действуют как источники тока, которые подают ток в устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии. Нагрузки, подключаемые к вторичной электрической сети RES, также действуют как источники тока, которые отбирают мощность от устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии.

[0072] Модуль C управления для управления вторичной электрической сетью RES через общий контроллер получает информацию от EPDS по защищенной коммуникационной шине. Эта информация включает в себя, среди прочего, информацию, необходимую для управления вторичной электрической сетью RES, например, информацию о пропускной способности и доступности различных генераторов, подключенных к EPDS, или о состоянии конфигурации различных элементов EPDS, через состояние различных контакторов EPDS.

[0073] Через коммуникационную шину можно обмениваться другой информацией, необходимой для работы вторичной электрической сети RES, такой как характеристики напряжения и частоты на выходе генераторов, подключаемых к EPDS, так, чтобы обеспечить подачу преобразователем CP2 правильных напряжений в отношении амплитуды, частоты и фазы в регулируемую распределительную сеть EPDS, к которой он подключается. Через эту коммуникационную шину общий контроллер может запросить EPDS об изменении ее конфигурации и, в частности, о состоянии контакторов, относящихся к EPDS.

[0074] Модуль C управления связывается с устройством BAT-HVDC накопления электроэнергии через шину связи для определения состояния его заряда (SOC) и исправности (SOH). Модуль C управления также связывается с преобразователями CP1 и CP2 для обмена заданными значениями мощности и напряжения через другую шину связи.

[0075] Когда электрические генераторы, в частности, генераторы SDC и SAC, и нагрузки подключаются к вторичной электрической сети RES без прохождения через первичные сети воздушного судна, модуль С управления имеет возможность связываться с этими различными устройствами через шину связи.

[0076] Модуль C управления и общий контроллер могут быть выполнены в виде модульных компьютеров, обычно используемых в авиационном секторе. Данный тип компьютеров известен в литературе как "Интегрированная модульная авионика", или под аббревиатурой IMA. В контексте настоящего изобретения могут быть реализованы другие архитектуры управления для управления вторичной электрической сетью RES и устройствами, подключаемыми к ней.

[0077] На Фиг.2 показан один из примеров электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, адаптированной к наличию двух первичных сетей AC1 и AC2 переменного тока с регулируемым напряжением. Архитектура содержит два первичных генератора GEN1 и GEN2. Архитектура также может обеспечиваться мощностью посредством наземного источника питания, входной разъем которого обозначается как EXT PWR 1. В нормальном режиме работы генератор GEN1 подает питание в сеть AC1 через контактор С1, а генератор GEN2 подает питание в сеть AC2 через контактор С2. Входной разъем EXT PWR 1 наземного источника питания может быть подключен к сети AC1 через контакторы Cext и C1l, а может быть подключен к сети AC2 через контакторы Cext и C2l. Сеть Essential AC получает питание либо от сети AC1, либо от сети AC2 через набор контакторов Cace. Сеть Essential AC делает возможным, в частности, питание основных нагрузок, требующих питания переменным напряжением. В полете, в случае выхода из строя обоих первичных генераторов, GEN1 и GEN2, в сеть Essential AC подается питание посредством турбины с приводом от набегающего потока RAT.

[0078] Электрическая архитектура на Фиг.2 также содержит множество регулируемых низковольтных сетей постоянного тока, номинальное напряжение которых составляет 28 В. На практике регулирование напряжения позволяет изменять номинальное напряжение этих сетей по существу от 24 до 30 В. Коммерческое воздушное судно с двумя первичными сетями AC1 и AC2 переменного тока и сетью Essential AC имеет две соответственно связанные сети DC1 и DC2 постоянного тока и сеть Essential DC, предназначенные для питания основных нагрузок низким напряжением 28 В. Сети DC1 и DC2, в свою очередь, позволяют подавать питание на второстепенные нагрузки, которые могут отключаться без влияния на безопасность полета. Сети DC1, DC2 и Essential DC постоянного тока получают питание, соответственно, от сетей AC1, AC2 и Essential AC переменного тока через преобразователи переменного тока в постоянный, соответственно, TRU 1, TRU 2 и TRU ESS, такие, как, например, трансформаторы, связанные с выпрямителями, часто обозначаемые аббревиатурой TRU (Transformer Rectifier Unit), и через контакторы, соответственно, Cdc1, Cdc2 и Cdce. Имеется возможность связать с каждым TRU регулятор и фильтры для получения напряжения постоянного тока, которое соответствует установленным авиационным стандартам.

[0079] Три сети DC1, DC2 и Essential DC постоянного тока подключаются к батареям BAT1 и BAT2, которые сами также представляют собой низковольтные батареи, посредством сети BAT DC батарей и контакторов, соответственно, Cdc1l, Cdc2l и Cdcel. В сочетании с каждой из двух батарей BAT1 и BAT2 архитектура может содержать сеть постоянного тока, соответственно, HOT DC1 и HOT DC1, подключаемую без какого-либо контактора к соответствующим батареям BAT1 и BAT2. Одна из батарей, например, батарея BAT1, может подавать питание в сеть Essential AC через преобразователь INV STAT постоянного тока в переменный, в частности, в случае отказа первичных генераторов GEN1 и GEN2. Преобразователь INV STAT рассчитывается для подачи питания только на некоторые из основных нагрузок, питаемых от сети Essential AC. Его номинальная мощность существенно ниже номинальной мощности каждого из первичных генераторов, и составляет обычно несколько киловатт. Другая батарея BAT2 может подавать питание в сети Essential DC, когда в них не подается питание от преобразователя TRU ESS.

[0080] Архитектура на Фиг.2 содержит вторичную электрическую сеть RES, два преобразователя CP1 и CP2 и устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии, подключаемое непосредственно к вторичной электрической сети RES. В отличие от преобразователя INV STAT, преобразователь CP2 рассчитывается для подачи питания как на основные нагрузки, подключаемые к сети Essential AC, так и на второстепенные нагрузки через сети AC1 и AC2. Вторичная электрическая сеть RES отделяется от низковольтных сетей постоянного тока, описанных выше. Она также может содержать рекуперативную нагрузку, подключаемую к вторичной электрической сети RES на пути в преобразователь постоянного тока в переменный ток. Наконец, она содержит модуль C управления, соединения которого не показаны. Преобразователь CP2 может быть подключен к сети AC1 через контакторы K2.1 и C1l, к сети AC2 через контакторы K2.1 и C2l и к сети Essential AC через контакторы K2.2 и Ce. Преобразователь CP1 может быть подключен к сети AC1 через контактор K1.1 и к сети AC2 через контактор K1.2.

[0081] Регулируемые сети AC1, AC2, Essential AC переменного тока и регулируемые сети DC1, DC2, Essential DC постоянного тока обычно уже применяются в коммерческих воздушных судах. Вторичная электрическая сеть RES, два преобразователя CP1, CP2 и устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии могут быть добавлены к уже применяемым регулируемым сетям. В качестве альтернативы, имеется возможность обойтись без регулируемых сетей постоянного тока, и, в частности, без сетей DC1 и DC2, посредством подключения нагрузок, на которые обычно подается питание из этих регулируемых сетей, к новой вторичной электрической сети RES.

[0082] В нормальном режиме работы, в полете работают два генератора GEN1 и GEN2. Каждый из них подает питание в одну из сетей, соответственно, AC1 и AC2. В традиционной архитектуре параметры первичных генераторов GEN1 и GEN2 рассчитываются с запасом, так, чтобы обеспечивать подачу энергии на все нагрузки воздушного судна. При расчете параметров с запасом должны учитываться пики потребления на всех этапах полета в нормальном режиме работы, то есть без каких-либо отказов. Применение вторичной электрической сети RES позволяет обеспечивать необходимую мощность, используемую во время пиков потребления, с помощью устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Таким образом, можно уменьшить номинальную мощность первичных генераторов GEN1 и GEN2, параметры которых могут быть рассчитаны на основе средней мощности, потребляемой всеми нагрузками воздушного судна, а не на основе максимальной мощности, потребляемой во время пиков потребления. При определении параметров также необходимо принимать во внимание случаи отказов, и, в частности, случай отказа двигателя, и, следовательно, одного из генераторов GEN1 или GEN2. Имеется возможность использования избыточной энергоемкости генераторов GEN1 и GEN2 по выработке энергии для зарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Для этого преобразователь CP1 потребляет энергию либо из сети AC1, посредством замыкания контактора K1.1, либо из сети AC2, посредством замыкания контактора K1.2. Преобразователь CP1 может быть дублированным, и тогда имеется возможность получения энергии из двух сетей AC1 и AC2 одновременно. В случае появления отказа одного из модулей преобразователя CP1 другой модуль может продолжать потреблять энергию из одной из сетей AC1 или AC2.

[0083] В полете, в случае выхода из строя генератора, например, генератора GEN1, вторичная электрическая сеть RES может подавать питание в сеть AC1 через преобразователь CP2 и контакторы K2.1 и C1l. При этом отказе все же возможно получение энергии из сети AC2 для подачи питания во вторичную электрическую сеть RES через преобразователь CP1 и контактор K1.2. Иначе говоря, даже в случае выхода из строя генератора имеется возможность не разряжать устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии при использовании в то же время вторичной электрической сети RES для подачи энергии в одну из первичных сетей.

[0084] В более общем случае, устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии может заряжаться непрерывно на протяжении всего полета. Как пояснялось выше, параметры первичных генераторов GEN1 и GEN2 рассчитываются с запасом для того, чтобы предусмотреть случаи отказов одного из генераторов. Во время нормальной работы, то есть без каких-либо отказов, первичные генераторы GEN1 и GEN2 недогружены. Используется примерно от 30% до 40% их доступной мощности, так, что на каждом из генераторов при этом доступно от 60% до 70% мощности, что в основном достаточно для быстрой подзарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии на нормальных этапах работы, особенно на этапе крейсерского полета.

[0085] В случае выхода из строя двигателя оставшийся генератор должен взять на себя нагрузку вышедшего из строя генератора. Следовательно, его нагрузка может составлять от 60 до 80%. В этом случае емкость для подзарядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии все еще составляет от 20% до 40% мощности оставшегося генератора. Предпочтительно рассчитывать параметры вторичной сети RES и устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии таким образом, чтобы заменять первичный генератор в случае выхода из строя этого генератора.

[0086] В случае выхода из строя второго генератора GEN2 контактор C2I замыкается, так, чтобы подавать питание в сеть AC2 через преобразователь CP2. Также имеется возможность подачи питания в сеть Essential AC через преобразователь CP2 и контакторы K2.2 и Ce. Имеется возможность расчета параметров устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии таким образом, чтобы обойтись без RAT. В частности, как было показано выше, при отказе генератора имеется возможность не потреблять энергию из устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Таким образом, содержащаяся в нем энергия становится доступной при возникновении отказа второго генератора, когда отказ первого уже имел место.

[0087] В случае отказа нагрузки, подключаемой к одной из первичных сетей, причем отказа, приводящего к возникновению короткого замыкания в нагрузке, мгновенное превышение потребления в рассматриваемой первичной сети может быть покрыто вторичной электрической сетью RES через преобразователь CP2. Это превышение потребления происходит между возникновением короткого замыкания и срабатыванием защиты, которая изолирует нагрузку от рассматриваемой первичной сети. В случае такого отказа, обеспечение энергии посредством вторичной электрической сети RES делает возможным ограничение потребляемого тока в первичном генераторе, питающем рассматриваемую первичную сеть, а также позволяет ограничить риск возникновения перенапряжения в первичной сети, когда нагрузка изолирована. В частности, в первичных генераторах трудно управлять быстрыми изменениями выработки энергии. Для того, чтобы облегчить быстрое предоставление энергии посредством вторичной электрической сети RES, преобразователь СР2 подключается к рассматриваемой первичной электрической сети AC1 и/или AC2, и/или Essential AC через электронный переключатель на полупроводниковой основе, изменение состояния которого обычно происходит намного быстрее, чем у электромеханического контактора. Среди электронных переключателей можно особо отметить полевые транзисторы с изолированным затвором, обычно обозначаемые аббревиатурой IGBT, что означает "биполярный транзистор с изолированным затвором", и тиристоры. Для изоляции вторичной электрической сети RES и первичных сетей имеется возможность размещения, вместе с электронным переключателем, электромеханического разъединителя, закрытого в нормальном состоянии.

[0088] Устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии также может подзаряжаться, когда воздушное судно находится на земле, с помощью наземного источника питания, подключаемого к входному разъему EXT PWR 1 наземного питания через одну из сетей AC1 или AC2 посредством замыкания контактора K1.1 или K1.2. При наличии входного разъема EXT PWR 2 и доступности подходящего наземного источника питания также возможна подзарядка устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии через входной разъем EXT PWR 2 наземного источника питания.

[0089] На колесные двигатели воздушного судна для его перемещения в режиме "e-taxi" может подаваться питание от вторичной электрической сети RES. При нормальной работе устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии подает питание на колесные двигатели. В случае отказа или разрядки устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии функция "e-taxi" может по-прежнему обеспечиваться посредством первичных генераторов GEN1 и GEN2, приводимых в движение тяговыми двигателями. Генераторы GEN1 и GEN2 подают питание к сетям AC1 и AC2, которые, в свою очередь, подают питание во вторичную электрическую сеть RES через конвертер CP1, тем самым делая возможной подачу питания на колесные двигатели. Иначе говоря, даже в случае отказа первичного устройства, подключаемого к вторичной электрической сети RES, в частности, устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии, функция "е-такси" остается доступной.

[0090] В отличие от батарей BAT1 и BAT2 на 28 В, которые предназначаются, в резервном режиме, для подачи питания на нагрузки 28 В постоянного тока и несколько основных нагрузок через преобразователь INV STAT, устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии может временно подавать питание на любой тип нагрузки на всех этапах полета и обеспечивать значительную мгновенную мощность. Устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии предпочтительно имеет такие параметры, чтобы обеспечивать мгновенную мощность того же порядка величины, что и у каждого из первичных генераторов GEN1 или GEN2, обычно от половины до полутора значений мгновенной мощности каждого из первичных генераторов GEN1 или GEN2. Продолжительность, в течение которой устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии может обеспечивать эту мощность, в основном зависит от энергии и, следовательно, от его размера, который рассчитывается на основе нагрузок, на которые может подаваться энергия. Для оптимизации массы устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии и преобразователей, связанных с вторичной сетью RES, предпочтительно максимизировать количество нагрузок, которые могут получать энергию из вторичной сети RES и использовать ее на всех этапах полета воздушного судна. В отличие от батарей 28 В постоянного тока, предназначающихся в основном для резервного режима, предпочтительно использовать вторичную сеть RES и устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии на всех этапах работы, как на земле, так и в полете, и обеспечивать подачу энергии в нормальном режиме и в резервном режиме.

[0091] На Фиг.3 показан один из примеров электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, в котором преобразователи CP1 и CP2 являются дублированными. Устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии дополнительно также является дублированным. В контексте изобретения, конечно, имеется возможность дублирования только одного из преобразователей CP1 или CP2, или дублирования только устройства BAT-HVDC накопления электроэнергии. Вторичная электрическая сеть RES, показанная на Фиг.3, представляет собой сеть постоянного тока. В качестве альтернативы вторичная электрическая сеть RES может быть сетью переменного тока. Преобразователь CP1 содержит два модуля CP11 и CP12, которые могут работать параллельно для подачи энергии во вторичную электрическую сеть RES. В данном примере электрическая архитектура содержит две первичные сети AC1 и AC2 переменного тока. Два модуля CP11 и CP12 представляют собой преобразователи переменного тока в постоянный. Они могут быть идентичными. Преобразователь CP2 состоит из двух модулей CP21 и CP22, которые могут работать параллельно для получения энергии от вторичной электрической сети RES, и оба обеспечивают питание двух сетей AC1 и AC2 посредством набора контакторов. Два модуля CP21 и CP22 представляют собой преобразователи постоянного тока в переменный. Устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии содержит множество модулей накопления энергии, обозначаемых BAT1-BATn, которые могут работать параллельно. Если один из модулей накопления энергии неисправен, он может быть отсоединен посредством контактора, который предназначается конкретно для него.

[0092] На Фиг.4 показан другой пример электрической архитектуры, в соответствии с изобретением, в котором преобразователи CP1 и CP2 представляют собой дублирующие преобразователи. Данный пример содержит дублированное устройство BAT-HVDC накопления электроэнергии из Фиг.3. В примере, показанном на Фиг.4, электрическая архитектура содержит две первичные сети переменного и постоянного тока. Сеть AC представляет собой сеть переменного тока, а сеть DC представляет собой сеть постоянного тока. Модуль CP11 представляет собой преобразователь переменного тока в постоянный, а модуль CP12 представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный. Преобразователь CP2 содержит два модуля CP21 и CP22, которые могут работать параллельно для получения энергии от вторичной электрической сети RES и могут подавать энергию, соответственно, в каждую из первичных сетей постоянного и переменного тока. Модуль CP21 представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, а модуль CP22 представляет собой преобразователь постоянного тока в переменный.

Изобретение относится к усовершенствованию электрической архитектуры воздушного судна. Электрическая архитектура воздушного судна содержит множество первичных генераторов (GEN1, GEN2), каждый из которых связан с тяговым двигателем воздушного судна, множество первичных электрических сетей (AC1, AC2, Essential AC), каждая из которых связана с первичным генератором в нормальном режиме работы, однокомпонентную вторичную электрическую сеть (RES), работающую в определенном диапазоне напряжений, устройство (BAT-HVDC) накопления электроэнергии, подключаемое непосредственно к вторичной сети, два преобразователя электроэнергии (CP1, СР2), при этом СР1 предназначен для подачи электроэнергии в устройство ВАТ-HVDC в нормальном режиме работы, а СР2, расположенный между RES и AC2, обеспечивает передачу энергии в нормальном режиме работы от вторичной электрической сети во вторую из первичных электрических сетей, причем устройство ВАТ-HVDC и СР2 сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать подачу в АС2 мощности, равной по меньшей мере половине номинальной мощности одного из первичных генераторов (GEN1, GEN2). Обеспечивается возможность приема энергии от любых устройств, возможность временного сохранения энергии, в том числе обусловленной избыточной мощностью, подача электроэнергии в первичную сеть во время пиков потребления. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая архитектура воздушного судна, содержащая:

множество первичных генераторов (GEN1, GEN2), каждый из которых связан с тяговым двигателем воздушного судна, причем каждый из первичных генераторов сконфигурирован таким образом, чтобы обеспечивать номинальную мощность,

множество первичных электрических сетей (AC1, AC2, Essential AC), каждая из которых связана с первичным генератором в нормальном режиме работы и работает при первом номинальном напряжении,

однокомпонентную вторичную электрическую сеть (RES), работающую в диапазоне напряжений, минимальное значение которого равно по меньшей мере удвоенному значению первого номинального напряжения,

устройство (BAT-HVDC) накопления электроэнергии, подключаемое непосредственно к вторичной сети,

первый преобразователь (CP1) электроэнергии, расположенный между вторичной электрической сетью (RES) и первой из первичных электрических сетей (AC1), обеспечивающий передачу энергии от первой из первичных электрических сетей во вторичную электрическую сеть, причем первый преобразователь (СР1) электроэнергии предназначен для подачи электроэнергии в устройство (ВАТ-HVDC) накопления электроэнергии в нормальном режиме работы,

второй преобразователь (СР2) электроэнергии, расположенный между вторичной электрической сетью (RES) и второй из первичных электрических сетей (AC2), обеспечивающий передачу энергии в нормальном режиме работы от вторичной электрической сети во вторую из первичных электрических сетей,

причем устройство (ВАТ-HVDC) накопления электроэнергии и второй преобразователь (СР2) электроэнергии сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать подачу во вторую из первичных электрических сетей мощности, равной по меньшей мере половине номинальной мощности одного из первичных генераторов (GEN1, GEN2).

2. Электрическая архитектура по п. 1, дополнительно содержащая:

по меньшей мере одну регулируемую сеть (DC1, DC2, Essential DC, ВАТ DC) постоянного тока низкого напряжения, номинальное напряжение которой по существу находится в пределах от 24 до 30 В, причем сеть постоянного тока низкого напряжения отделена от однокомпонентной вторичной электрической сети (RES),

по меньшей мере одну батарею (BAT1, BAT2), подключаемую к сети постоянного тока низкого напряжения,

третий преобразователь (TRU1, TRU2, ТРU ESS) электроэнергии для подачи питания на сеть постоянного тока низкого напряжения от одной из первичных электрических сетей (АС1, АС2, Essential AC),

четвертый преобразователь (INV STAT) электроэнергии для подачи питания в одну из первичных электрических сетей (Essential AC), к которой подключаются основные нагрузки воздушного судна.

3. Электрическая архитектура по любому из предшествующих пунктов, причем первичные электрические сети регулируются, и причем вторичная электрическая сеть (RES) представляет собой сеть постоянного напряжения, напряжение которой задается устройством (BAT-HVDC) накопления электроэнергии.

4. Электрическая архитектура по п. 3, причем однокомпонентная вторичная электрическая сеть (RES) сконфигурирована так, чтобы работать в нормальном режиме работы при рабочем напряжении, значение которого может изменяться в пределах соотношения от 1 до 3.

5. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, причем первый преобразователь (СР1) электроэнергии имеет номинальную мощность ниже номинальной мощности второго преобразователя (СР2) электроэнергии.

6. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая рекуперативную нагрузку, подключаемую к вторичной электрической сети (RES) посредством двунаправленного преобразователя (DC/AC) без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

7. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая по меньшей мере один блок (SDC, SAC) электрического генератора, независимый от какого-либо тягового двигателя воздушного судна и подключаемый к вторичной электрической сети (RES) без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

8. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая внутреннюю кабинную электрическую сеть, подключаемую к вторичной электрической сети (RES) посредством третьего преобразователя (DC/AC) электроэнергии без прохождения через одну из первичных электрических сетей.

9. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая основную электрическую сеть (Essential AC) для подачи питания на основные нагрузки воздушного судна, причем имеется возможность подачи питания в основную электрическую сеть посредством второго преобразователя электроэнергии (СР2).

10. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая систему (EPDS) распределения электроэнергии и модуль (C) управления для управления вторичной электрической сетью, обменивающиеся информацией для управления преобразователями электроэнергии (CP1, CP2, DC/AC).

11. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, причем и первый, и второй преобразователи (CP1, CP2) электроэнергии содержат трансформатор с усиленной изоляцией.

12. Электрическая архитектура по одному из предшествующих пунктов, причем второй преобразователь (CP2) электроэнергии подключается к второй первичной электрической сети (AC1, AC2, Essential AC) через электронный переключатель (K2.1, K2.2) на полупроводниковой основе, обеспечивая подачу однокомпонентной вторичной электрической сетью (RES) тока короткого замыкания на нагрузку, подключаемую к второй первичной электрической сети.