飞行器电能供应网络

技术领域

本发明涉及用于飞行器的电源领域。本发明涉及一种用于飞行器的电能供应网络，该电能供应网络具有多个待供电的电负载。

本发明特别用于集成电源的电气架构的背景下，电气架构包括与形成涡轮发电机的发电机相关联的燃气轮机、以及电能的负载或消耗体，例如电推进器。

本发明不针对任何特定飞行器并且可以应用于固定翼飞行器以及直升机或多旋翼类型的旋翼飞行器。

背景技术

现有技术包括但不限于文件WO-A1-2017/140706、US-A1-2015/102663、WO-A1-2009/052843和EP-A1-2 192 681。

众所周知，飞行器的推进是通过与推进元件机械耦合的燃气轮机完成的，推进元件特别是用于现代双流涡轮机的风扇、涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨或涡轮轴发动机(特别是用于直升机涡轮轴发动机)的转子。

已知的是将具有电流发生器的涡轮机与电动机耦接以用于驱动推进器，从而形成推进系统。

因此，已经提出了一种直流推进系统，其在交流发电机的输出端具有整流器，随后在电动机的输入端具有逆变器，以便在逆变器的输出端输出交流电流，用于电动机的供电。

对于这样的电气架构，能量源和待供电的电负载的数量是已知的，因此这种电能供应网络的主要功能是保证电能供应网络上的足够电压水平，例如高压直流电流(HVDC)，以及提供必要的电力，而不管待供电的电负载的需求如何。

在现有技术的架构中已知的是，电源连接在配电总线上，以隔离一个能量源的故障，从而使得电能供应网络的一个能量源损失不会导致网络整体损失，整体损失将是非常有害的。

另一方面，所有电源都连接到单个配电总线的这些网络的一个主要缺点是，导致配电总线自身损坏的故障的发生会导致其所供能的电负载(特别是推进电动机)不可用，这会对飞行器的飞行安全有害。

因此，建议分割电能供应网络，并且使得电源和待供电的电负载分布在多个配电总线上。

例如，对于VTOL类型(垂直起飞和着陆)的飞行器的电气架构，已经建议电机的每个定子和每个整流器连接到单独的配电总线，换言之，电能供应网络包括与整流器一样多的独立配电总线。

这种架构允许分隔负载，换言之，给定的执行器由两条独立的配电总线供电，给定配电总线上的电力由整流器和电池供应。

然而，尽管这种电气架构允许分隔电源以弥补配电总线的损失，但它强制使用大量的电池(特别是，它需要与网络上的配电总线一样多的电池)，这增加了其质量和成本，并且降低了混合化的利益。

本发明是一种简单有效的解决方案，能够弥补这些缺点。

发明内容

为此，本发明涉及一种飞行器的电能供应网络，该电源网络具有多个待供应的电负载，所述电源网络包括飞行器的涡轮发电机的至少两个发电机，该发电机适于提供电能源，每个发电机包括与整流器相关联的至少一个定子，其特征在于，发电机的定子连接到至少两条配电总线，这些配电总线被布置为向多个电负载供电，并且在于所述电源网络包括接触器，所述接触器适于将所述分配总线彼此电连接或断开。

根据本发明的电网具有以下优点：能够分割和分配待供电的电负载和电能来源，以便在配电总线出现故障时保护电网免受故障风险。

根据第一实施例，默认情况下，接触器被配置为将配电总线电连接。

因此，可以成倍增加能够为待供电的电负载供电的电能源的数量，因而电网更能承受一个或多个电能源的损失。

根据第二实施例，默认情况下，接触器被配置为将配电总线电断开。

因此，在配电总线出现故障的情况下，配电总线与电能供应网络的其余部分隔离，其余部分被部分保留并能够向未受配电总线故障影响的部分电负载供电。事实上，对于VTOL类型的应用，推进组件由机械地驱动螺旋桨的双星电机组成。与其逆变器相关的每个星被连接到单独的HVDC总线。因此，HVDC总线的故障不会导致推进组件的损失。

有利地，配电总线还连接到储能装置。

这些储能装置通过提供将待供电的电负载(特别是电动机)的电力供应混合化而获得的剩余能量，有助于发电和电能供应网络的稳定。

优选地和有利地，储能装置是与直流/直流(DC/DC)转换器相关联的电池。

因此，布置在电池和直流电网之间的这种DC/DC转换器使得能够稳定电网。添加这样的转换器还具有完美控制(并因此保护)电池所提供或吸收的电流的作用。

有利地，每个发电机的整流器包括在各自的输入和输出处的接触器。

因此，可以将故障整流器与其所在的配电总线电断开，并将其与网络的其余部分隔离。

有利地，电能供应网络还包括在待供电的每个电负载和每个储能装置处的接触器。

因此，可以将有故障的电负载或储能装置从其所在的配电总线电断开，并将其与网络的其余部分隔离。

根据实施例的有利示例，发电机的整流器交替地连接到配电总线。

因此，在电网中的发电机之一发生故障的情况下，该故障的影响被最小化。

有利地，所述电网包括用于与其储能装置相关联的每个发电机的集中控制单元。

因此，在接触器自然开路的情况下，电力网络集中控制的动态性使得能够对电力需求和配电总线的电压稳定进行良好的管理，同时提高所有源的能量效率。当关闭接触器时，集中控制也具有优点，因为可以在两个HVDC总线上施加相似的电压，以限制由于平衡两个总线的静电能量而导致的电流峰值。

相比之下，分散控制使得无法实现高控制动态和高效率优化。但是，它的主要优点在于在接触器自然闭合的情况。两条HVDC总线的分离不会阻止总线电压继续受到调节，因为所有整流器都单独工作。

本发明还涉及一种飞机涡轮发电机，其特征在于，它配备有具有上述特征中的任一个的电能供应网络。

因此，配备有这种电能供应网络的涡轮发电机使得能够在隔离可能遭受故障影响的网络的一部分的同时，保证对电能供应网络的电负载的电能供应。

附图说明

结合为了理解本发明所参照的附图，根据下列详细描述，本发明的进一步特征和优点将变得清楚，其中：

[图1]图1示出了根据本发明的电能供应网络的实施例的示例，该电能供应网络包括两个发电机，每个发电机包括并联安装在两条配电总线上的三个定子；

[图2]图2示出了根据本发明的电能供应网络的实施例的另一示例，该电能供应网络包括两个发电机，每个发电机包括并联安装在两条配电总线上的两个定子；

[图3]图3示出了类似于图2的电能供应网络，其中发电机的整流器在配电总线上交叉；以及

[图4]图4示出了根据本发明的电能供应网络的实施例的示例，该电能供应网络包括在两条配电总线之间的电感器和电阻器。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明涉及一种用于飞行器的电能供应网络1，该电能供应网络包括多个待供电的电负载C1、C2、C3、C4。例如，这些电负载是与逆变器相关联并且每个驱动推进器的电动机。

该电网1包括机械连接到两个发电机2、3从而形成涡轮发电机组件的飞行器燃气轮机(未示出)。然而，电网1可以包括两个以上的发电机。

参照图1，以非限制性方式，发电机2是所谓的“三星”或九相发电机，换言之，它包括连接到待供电的电负载C1、C2的三个电链2a、2b、2c，每个电链2a、2b、2c包括将一组线圈包括在内从而形成多相输出元件的定子(未示出)和整流器20a、20b、20c。

类似地，发电机3是发电机并且包括连接到待供电的电负载C1、C2的三个电链3a、3b、3c，每个电链3a、3b、3c包括定子(未示出)和整流器30a、30b、30c。

然而，每个发电机2、3可以仅包括一个定子，因此仅包括一个电链，该发电机被称为“单星”，或者每个发电机可以包括如图2和图3所示的两个定子，被称为“双星”发电机。

电负载C1、C2、C3、C4通过两条直流配电总线4、5连接到发电机2、3，但不限于此。电负载C1、C2、C3、C4可以是无源或有源负载，例如具有调节功能的转换器，例如逆变器和三相电机。出于安全原因，配电总线的数量至少为二。实际上，本发明的一个目的是能够隔离配电总线上可能发生的故障，以防止该故障传播到整个电能供应网络1。

但是，配电总线的数量可以更多，最多等于整流器的数量。出于重量和成本原因，优选的是使HVDC总线的数量最小化，理想的是与发电机的数量一样多。

电链2a、2b、2c和3a、3b、3c以及它们各自的定子和整流器20a、20b、20c、30a、30b、30c并联连接在配电总线4、5上。

如图3所示，发电机2、3各自的整流器20a、20b和30a、30b交替安装在配电总线4、5上。换言之，发电机2、3的整流器20a、20b和30a、30b在总线4、5上交叉。在HVDC总线被隔离的情况下，这种配置的优点是不会在一条总线上损失涡轮机的所有发电量，这允许最小化需要来自电池的电力。

更具体和有利的是，本发明的电能供应网络的配电总线的数量等于电负载分隔的期望数量。因此，在所示的非限制性示例中，负载C1、C2、C3、C4被分隔成分布在两个分配总线4、5上的两组。

参照图2和图3，电能供应网络进一步还包括安装在配电总线4、5上的储能装置。这些储能装置例如是电池6、7。储能装置可以以电池以外的形式实现，并且可以是例如热电池或超级电容器。这种储能装置尤其允许临时补充电力需求，尤其是在启动涡轮发电机组件时或在极短响应时间内需要电力的突然飞行机动期间。

为了通过保证电能供应网络1的稳定性和通过确保电能供应网络1的混合可能性的永久可用性来改进电能供应网络1，以有利的方式做如下设置，即，布置在每个电池6、7与直流电网之间的DC/DC转换器60、70与每个电池6、7相关联。

电能供应网络1还包括多个接触器10，这些接触器10与安装在电能供应网络1上的各种元件相关联，并且使得这些元件能够与它们所连接的配电总线4、5连接或断开以及在它们发生故障时将它们隔离，以防诸如短路之类的缺陷传播到整个电能供应网络1。

因此，每个整流器20a、20b、20c、30a、30b、30c可以通过在它们的AC输入或DC输出处的接触器10与配电总线4、5断开。

类似地，如果合适，待供电的每个电负载C1、C2、C3、C4和每个电池6、7，通过它们各自的逆变器60、70，可以通过接触器10与配电总线4、5断开。

根据本发明的电能供应网络1尤其值得注意的是，它包括接触器100，该接触器100适于将配电总线4、5彼此电连接或断开，换言之，配电总线4、5要么相互连接，要么相互隔离。

根据第一实施例，默认情况下，接触器100被配置为将配电总线4、5彼此电连接。

该第一实施例具有有益的优点：能够成倍增加可以为电能供应网络1的电负载供电的能量源。实际上，由于电能供应网络1的各个发电机2、3和各个电池6、7被共享，整个电能供应网络1可以补偿一个或多个能量源的损失并继续部分地向负载C1、C2、C3、C4供电。

当配电总线4、5以这种方式连接时，通过接触器100可以在发生故障(例如总线4、5之一上的短路)时将配电总线断开，以防止这种故障传播到整个网络。

从配电总线4、5连接的初始状态开始，即接触器100处于闭合状态时的状态，如果在连接的总线4、5之一上发生了故障而需要断开连接，例如如果在总线之一上检测到短路，接触器100被配置为能够在短路电流下切换到断开状态。接触器100然后被认为是断开元件。

所有这些接触器10、100的使用，尽管有益于保护整个电能供应网络1，但可能会使网络1变得更重，这是不希望的。

因此，在一个有益但绝不是限制的实施例中，接触器100包括“热熔丝(pyrofuses)”元件，换言之，导电部分配置为在电缆中达到过高温度时(这对应于流过电缆的过高电流)熔化。

根据第二实施例，接触器100被默认地配置为将配电总线4、5彼此电断开。

该第二实施例具有有益的优点，即默认情况下有利于保护整个电能供应网络1。配电总线4、5因此被分开，换言之，彼此隔开，从而在总线4、5之一出现缺陷(例如短路)的情况下，整个电能供应网络1不会损失。因此，在总线4、5之一发生短路的情况下，将继续向部分电负载C1、C2、C3、C4供电。

当配电总线4、5以这种方式彼此隔离时，在电能供应网络1的一部分有对于额外电能的特定需求的情况下，可以并且容易地通过接触器100将配电总线连接起来。

从配电总线4、5断开连接的初始状态开始，即接触器100处于断开状态时的状态，如果例如电池6、7之一不能够向电能供应网络1的一部分电负载C1、C2、C3、C4供应所需的电能，则接触器100被配置为能够切换到闭合状态，以使得电能供应网络中呈现这种特定电能需求的部分能够受益于另一电能供应源。

因此，本发明提供了许多优势。它使得能够分隔电能供应网络1，从而防止配电总线4、5引起整个网络的故障。

此外，在初始状态下或者当出现缺陷或需求时，连接或断开总线4、5的可能性使得能够简化整个电能供应网络1的调节。

有利地，电能供应网络1包括用于发电机2、3和电池6、7的控制单元(未示出)，该控制单元可以是分散的或集中的。

在分散控制单元的情况下，电源，即发电机2、3和电池6、7，独立地参与电能供应网络1的供电。

从接触器100闭合以连接配电总线4、5的初始状态开始，总线4、5的断开连接(换言之，接触器100的断开)对控制单元是透明的，因此不需要对控制进行重新配置。

然而，电负载C1、C2、C3、C4，例如未受到该断开连接影响的、用于驱动飞行器的电动机必须补偿能量功率需求。事实上，检测到短路等故障会导致电负载C1、C2、C3、C4(即，为推进器供电的电动机)的操作设定点发生变化，从而保持飞行器的飞行动力。同时，必须调整燃气轮机提供给发电机2、3的能量功率的设定点。因为涡轮机的动态不能够跟随马达的电动态，在功率瞬变期间需要电池6、7借入。

在配电总线4、5最初断开的情况下，一个或多个电能量源的损失要求接触器100闭合，以便获得配电总线4、5的连接，从而使整个电能供应网络1上的各种能量源(发电机2、3和电池6、7)互通并保证待供电的电负载C1、C2、C3、C4的功率需求。

然而，当配电总线4、5最初断开并且需要连接时，合适的配电总线4、5之间的电压电平基本上相等是合适的。实际上，在连接总线4、5的过程中，如果在总线4、5之间存在电压差，当这些电压重新平衡时，会产生电流峰值。该电流峰值如果很小，例如几十安培的数量级，可以被网络1吸收，另一方面，如果它太高，例如几百安培的数量级，则电流峰值不能被吸收，这可能对整个电网络1有害。

然而，使用这样的分散控制单元，网络1的配电总线4、5的电压电平是未知的，因此当连接总线4、5时出现电流峰值的风险很高。该电流峰值是由于两个电容器的电压重新平衡造成的，该电流仅受导电部分阻抗的限制。

而且，该电流峰值可以被电池6、7部分吸收。类似地，在网络上使用超级电容器8、9使得能够更好地吸收电流峰值，但这并不改变电流峰值的有害性质及其损坏组件的能力。如图4所示，在两个HVDC总线4、5之间增加电感器L

然而，在连接配电总线4、5之前，必须能够均衡配电总线4、5的第一和第二电压，或者至少具有相似的电压。

因此，根据本发明的第二实施例，控制单元是集中的，即，可以干预网络1的电能量源以调节能量功率需求。

这种集中控制单元包括一装置，该装置用于一方面测量配电总线4、5中第一者的第一电压，并且另一方面测量配电总线4、5中第二者的第二电压。集中控制单元还包括用于驱动转换器60、70的装置，该转换器60、70被配置为改变第一电压和第二电压。

集中控制单元具有有益的优点，即，能够直接作用于转换器60、70以改变配电总线4、5的电压，使得第一电压和第二电压基本相等。因此，消除了在连接配电总线4、5时出现电流峰值的风险。