专利名称：采用转换器的无间断电力转移的方法以及系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域大体上涉及变频(VF)发电系统，并且更具体地，涉及在以不同的频率的两个源之间转移负载而不中断给该负载的电力。
背景技术：
至少一些已知的飞行器使用VF发电系统作为电力源以便于提高可靠性并且最小化重量。VF系统的一个劣势是它们不能够容易地与其他VF系统或与恒频系统并联放置来执行无间断电力转移(no-break power transfer) 0间断型电力转移产生不期望的影响， 例如电子设备重置以及向机舱音频和/或照明系统的电力的中断，其可以使乘客分心或恼怒。当前，在以不同的频率操作的两个电源之间的无间断转移通过调节一个源的输出以匹配另一个源的频率和相位而实现。然而，该配置要求相对复杂的能够操纵一个或两个电源用于电力转移目的的控制系统并且可能与对电源的其他需求冲突。
发明内容
在一个方面，提供用于使用临时电源来从以第一电频率操作的第一电源转移电力总线到以第二电频率(其不同于该第一电频率)操作的第二电源的方法。该方法包括调节该临时电源的输出频率以匹配该第一电频率以及从该临时电源向电力总线供应电力。该方法还包括从该电力总线切断该第一电源。该方法进一步包括调节该临时电源的输出频率以匹配该第二电频率。该方法进一步包括使该第二电源耦合于该电力总线。在另一个方面，提供电力转移装置。该电力转移装置操作上可耦合于主负载总线、 第一电源总线、第二电源总线和临时电源中的每个。该电力转移装置配置成调节该临时电源的输出频率以匹配该第一电源总线的第一电频率。该电力转移装置进一步配置成从该临时电源向该主负载总线供应电力以及从该主负载总线切断该第一电源总线。该电力转移装置还配置成调节该临时电源的输出频率以匹配该第二电源总线的第二电频率，该第二电频率不同于该第一电频率。该电力转移装置进一步配置成使该第二电源总线耦合于该主负载总线。在再另一个方面，提供用于从第一电源总线转移电力总线到第二电源总线的系统。该第一电源总线和该第二电源总线分别通过第一开关和第二开关可电耦合于该电力总线。该系统包括电耦合于该电力总线的临时电源。该系统还包括操作上耦合于该第一开关、 该第二开关和该临时电源的控制器。该控制器配置成感测该第一电源总线和该第二电源总线的电参数。该控制器还配置成调节该临时电源的输出频率以匹配在该第一电源总线上检测的第一电频率以及以从该临时电源向电力总线供应电力。该控制器进一步配置成断开第一开关以从该电力总线切断该第一电源总线。该控制器还配置成调节该临时电源的输出频率以匹配在该第二电源总线上检测的第二电频率，该第二电频率不同于该第一电频率。该控制器进一步配置成闭合第二开关以使该第二电源总线耦合于该电力总线。
图1是包括电力转移装置的电力系统的示意图。图2是电力转移装置控制器的示意图。图3是用于使用例如在图1中示出的临时电源从第一电源转移电力到第二电源的方法的示范性流程图。
具体实施例方式下列详细说明通过示例并且不通过限制方式图示示范性电力转移装置和使用相同的示范性电力转移装置的方法。该说明使本领域内技术人员能够清楚地做出和使用本发明，并且该说明描绘本发明的若干实施例、修改、变化、备选和使用，其中包括目前被认为是执行本发明的最佳模式。本发明在本文描述为适用于优选实施例，即，用于变频产生系统的无间断电力转移转换器。然而，预想本公开具有在广范的系统和/或多种其他商业、工业和 /或消费者应用中的一般应用。如本文描述的无间断电力转移转换器提供以不同的频率操作的电源之间的不中断电力转移而不必匹配这些电源自身的输出频率。此外，因为电力在小于一秒内从一个源转移到另一个，装置仅需要相对小和轻量的能量存储装置(例如，电容器或电池)。包括能量存储装置的设备因此产生相对少的热并且不需要外部冷却系统。这样的转换器从而可安装作为新的飞行器中的电力系统的一部分并且可容易地加装到现有的飞行器。图1是包括电力转移装置105的示范性电力系统100的示意图。电力系统100还包括主负载总线110。一个或多个电气装置(在图1中未示出)电耦合于主负载总线110。 在平常的操作中，电力从第一电源115或第二电源120供应给主负载总线110。第一电源 115和/或第二电源120包括原动机(prime mover)和发电机(electrical generator)。 由于该原动机的速度和功率输出需求，该发电机可以变频式操作。在示范性实施例中，第一电源包括驱动飞行器上的发电机的喷气发动机。在例如起飞等一些操作阶段期间，喷气发电机以高速操作并且发电机因此以高频操作。在例如高空巡航等其他操作情景中，喷气发动机以低速操作并且发电机以低频操作。第一电源115和/或第二电源120可基于例如喷气发动机等原动机的功率输出需求而以可变电频率操作。第一电源115电耦合于第一电源总线125。第一开关135的触点被安置在第一电源总线125和主负载总线110之间。第一电源总线125可以通过闭合或断开第一开关135耦合于主负载总线110或从主负载总线110去耦合。第二开关140的触点被安置在第二电源总线130和主负载总线110之间。第二电源120电耦合于第二电源总线 130。第二电源总线130可以通过闭合或断开第二开关140耦合于主负载总线110或从主负载总线110去耦合。电力转移装置105包括电耦合于主负载总线110的临时电源145。电力转移装置 105还包括控制器150。控制器150操作上耦合于第一开关135、第二开关140和临时电源 145。控制器150通信地耦合于转移始发器152。转移始发器152配置成通过传送命令到控制器150来命令从第一电源115到第二电源120的转移。控制器150配置成确定电参数，例如但不限于第一电源总线125和第二电源总线 130的电频率。控制器150还配置成使用晶体管165调节临时电源145的输出频率以大致上匹配第一电源总线125的确定的电频率。控制器150操作临时电源145使得临时电源 145的输出与第一电源总线125同相并且在幅度上大致上匹配第一电源总线的电压。控制器150从主负载总线110转移电力到临时电源145。控制器150断开第一开关135以从主负载总线110切断第一电源总线125。控制器150调节临时电源145的输出频率以大致上匹配在第二电源总线130上确定的频率。在示范性实施例中，控制器150延迟一段时间调节临时电源145以足够第一开关135完全断开。控制器150闭合第二开关140以使第二电源总线130耦合于主负载总线110。在示范性实施例中，控制器150通过将临时电源145的输出频率从第一电频率调节到第二电频率而调节临时电源145的输出频率以大致上匹配第二电频率。控制器150通过控制晶体管165的开通或导通时间而调节临时电源145的输出频率。在示范性实施例中，控制器150在小于大约100毫秒内将输出频率从第一电频率大致上线性地调节到第二电频率。在备选实施例中，控制器150渐进地朝第二电频率调节输出频率。在一个示例中， 给定600Hz的第一频率和400Hz的第二频率，控制器150以平均每毫秒大约5Hz调节临时电源145的输出，使得在大约40毫秒内执行整个200Hz调节。如在图1中图示的，电力转移装置105包括临时电源145作为内部部件。在示范性实施例中，临时电源145被安置在具有电力转移装置105的单个外壳中。电力转移装置 105还可以或替代地操作上可耦合于外部临时电源(在图1中未示出)。电力转移装置105 可以是操作上可耦合于或耦合于多个临时电源，这些临时电源对于电力转移装置105在内部和/或外部。在示范性实施例中，临时电源145包括能量存储装置155。能量存储装置155包括，例如，例如电容器等静电存储装置、例如电池或燃料电池等电化学存储装置或能够存储并且释放电能的任何其他装置。在示范性实施例中，临时电源145包括转换器160，其将来自能量存储装置1 的直流电转换成用于主负载总线110的交流电(AC)。转换器160包括晶体管165和电感器170。控制器150通过例如控制晶体管165的输出来控制临时电源145 的输出(例如，频率、电压和相位)。具体地，控制器150控制晶体管165的开通或导通时间以在可选择的频率产生交流电正弦波。电感器170过滤晶体管165的输出来平滑转换器 160的正弦波输出。还预想其他转换器实现。能量存储装置155通过相对于电源总线(转换器160连接到其)的相位调节转换器160的相位而由控制器150充电。例如，如果主负载总线110耦合于第一电源总线125、电荷能量存储装置155，控制器150则调节转换器160 的相位来使第一电源115的相位落后或滞后。在操作期间，控制器150调节临时电源145的输出使得临时电源145和第二电源总线130之间的相位差大约是零度。控制器150从而可在闭合第二开关140之前获得临时电源145和第二电源总线130之间的锁相。在示范性实施例中，控制器150在操作期间通过转换器160从第一电源总线125 或第二电源总线130对临时电源145充电。例如，在电力转移装置105从第一电源总线125 转移主负载总线155到第二电源总线130后，能量存储装置155部分或完全被放电。能量存储装置155从第二电源总线130充电来确保可随后执行从第二电源总线130到第一电源总线125的相似的转移而不中断给主负载总线110的电力。在备选实施例中，控制器150从主负载总线110对临时电源145充电。主负载总线110运送交流电，并且能量存储装置155需要直流电。整流器(在图1中未示出)因此被安置在主负载总线110和能量存储装置155之间以便于充电。该整流器包括在临时电源 145中(例如，在转换器160中)。在一些实施例中，电力转移装置105包括处理器175。在示范性实施例中，处理器 175包括在控制器150中。图2是例如控制器150等电力转移装置控制器的示意图。参照图1和2两者，控制器150包括切换状态机205，其为控制器150提供顺序和逻辑控制。切换状态机205通信地可耦合于转移始发器152使得切换状态机205从转移始发器152接收总线转移命令。 切换状态机205操作上耦合于第一开关135、第二开关140、第三开关210和第四开关215。 在示范性实施例中，第三开关210是使控制器输入总线220耦合于第一电源总线125或第二电源总线130的双掷开关。第四开关215的触点被安置在DC链路调整器225和求和块 227之间。锁相环路230和电压幅度计算器235耦合于控制器输入总线220。锁相环路230 监测控制器输入总线220的相位角。锁相环路230包括调节锁相环路230的输出相位角的环路滤波器(未示出)。该环路滤波器根据时间常数操作，该时间常数足够长以确保锁相环路230在短的时段从与第一电源总线125同步调节到与第二电源总线130同步。该逐步调节防止主负载总线110从第一电源总线125突然移到第二电源总线130(这可负面地影响附连到主负载总线110的装置的操作)。电压幅度计算器235计算控制器输入总线220上的AC电压幅度，该AC电压幅度被馈送到锁相环路230。该电压幅度用于调整转换器的输出，如下文论述的。在示范性实施例中，转换器的输出电压大致上等于通过电源总线(即，第一电源总线125或第二电源总线 130)供应给主负载总线110的电压。采用该方式匹配电压防止无功功率循环，无功功率循环可导致系统中不必要的损耗和/或发热。从锁相环路230的输出被添加到DC链路调整器225的输出并且供应给相位角转换器M0。相位角转换器240将来自锁相环路230的旋转角(θ )转换成α、β坐标系。在示范性实施例中，使用下列方程α = cos (θ), β = sin(0)oDC链路调整器225形成固有相位角偏移以施加给锁相环路的输出，使得电力通过转换器160从主负载总线110流动并且将能量存储装置155充电至由DC总线电压设定点 245限定的靶电压。在示范性实施例中，DC链路调整器225是比例积分(PI)型反馈回路控制器，并且DC总线电压设定点245被设置成450伏(V)。第四开关215的触点被安置在DC链路调整器225和求和块227之间，求和块227 通过从由DC总线感测157提供的逆变器的DC链路电压中去除DC总线电压设定点245而产生DC总线电压误差信号。切换状态机205操作上耦合于第四开关215使得切换状态机 205控制DC链路调整器225是否电耦合于求和块227。仅当DC链路调整器通过第四开关 215耦合于求和块227时，DC链路调整器接收DC总线电压误差信号作为输入。DC总线电压设定点245是对于转换器160的DC总线电压的调整设定点。例如对于115V飞行器总线，需要从能量存储装置155得到伏直流电(VDC)的最小电压。DC总线电压设定点M5的设置越高，从能量存储装置155提取可得到的可用存储能量的百分比越高。存储在能量存储装置155中的能量与总线电压的平方成比例。因此，在填补操作期间可以提取的有用功率的百分比如下(Vsetp。int2_Vmin2)/Vsetp。int2。例如，在总线转移期间，450V 的设定点允许能量存储装置155中总存储能量的61%输送到主负载总线110。从电压幅度计算器235的输出Vmag被传送到调制深度计算器250。调制深度计算器250还通过DC总线感测157接收转换器的DC总线电压(Vde)。调制深度计算器250计算期望的调制深度并且提供前馈补偿，其允许当能量存储装置155的输出电压在填补事件期间下降时转换器的输出电压保持在期望的幅度。在示范性实施例中，调制深度计算器250 的输出是Vmag/Vd。。从调制深度计算器250的输出与从相位角转换器MO的输出在倍增器255处组合。倍增器255通过来自调制深度计算器250的调制深度从相位角转换器MO ( α，β )定标单位长度(unity length)。合成的输出是二维矢量Va e，其代表来自转换器的期望的输出电压。该信号被传送到空间矢量调制器260。空间矢量调制器260计算对于晶体管165的开关模式使得临时电源145的输出电压的平均值等于输入信号Va 0。在示范性实施例中，空间矢量调制器260使用脉宽调制实现期望的输出。在示范性情景中，当切换状态机205从转移始发器152接收总线转移命令时，主负载总线110由第一电源总线125供电。切换状态机205通过操纵开关135、140、210和215 协调主负载总线110到第二电源总线130的转移，如在下面的表1中说明的。
权利要求
1.一种将电力总线的供电从以第一电频率操作的第一电源转移到以不同于所述第一电频率的第二电频率操作的第二电源的方法，所述方法包括调节临时电源的输出频率以大致上匹配所述第一电频率； 以所述第一电频率从所述临时电源向所述电力总线供应电力； 从所述电力总线切断所述第一电源；调节所述临时电源的输出频率以大致上匹配所述第二电频率；以及将所述第二电源耦合于所述电力总线。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括从所述电力总线对所述临时电源充电。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括调节所述临时电源的输出使得所述临时电源和所述第二电源之间的相位差大约是零度。
4.如权利要求1所述的方法，其中调节所述临时电源的输出频率以匹配所述第二电频率包括在小于大约100毫秒内将所述临时电源的输出频率从所述第一电频率调节到所述第二电频率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述临时电源包括电容器，并且其中从所述临时电源向所述电力总线供应电力包括当向所述电力总线供应电力时使所述电容器放电。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述临时电源包括转换器并且其中以所述第一电频率从所述临时电源向所述电力总线供应电力包括将由电容器和电池中的至少一个供应的直流电转换成交流电。
7.一种操作上能耦合于主负载总线、第一电源总线、第二电源总线和临时电源中的每个的电力转移装置，所述电力转移装置配置成调节所述临时电源的输出频率以匹配所述第一电源总线的第一电频率； 从所述临时电源向所述主负载总线供应电力； 从所述主负载总线切断所述第一电源总线；调节所述临时电源的输出频率以匹配所述第二电源总线的第二电频率，所述第二电频率不同于所述第一电频率；和使所述第二电源总线耦合于所述主负载总线。
8.如权利要求7所述的电力转移装置，其中所述临时电源被安置在具有所述电力转移装置的单个外壳中。
9.如权利要求8所述的电力转移装置，其中所述临时电源包括能量存储装置。
10.如权利要求9所述的电力转移装置，其中所述临时电源进一步包括配置成将来自所述能量存储装置的直流电转换成交流电的转换器。
11.如权利要求10所述的电力转移装置，其进一步配置成调节所述转换器的输出使得所述临时电源和所述第二电源总线之间的相位差大约是零度。
12.如权利要求7所述的电力转移装置，其进一步配置成从所述主负载总线对所述能量存储装置充电。
13.如权利要求7所述的电力转移装置，其中所述第一电源总线通过第一开关能电耦合于所述主负载总线； 所述第二电源总线通过第二开关能电耦合于所述主负载总线； 所述电力转移装置配置成通过断开所述第一开关从所述主负载总线切断所述第一电源总线；并且所述电力转移装置配置成通过闭合所述第二开关使所述第二电源总线耦合于所述主负载总线。
14.一种用于从第一电源总线转移负载总线到第二电源总线的系统，所述第一电源总线通过第一开关能电耦合于所述电力总线，所述第二电源总线通过第二开关能电耦合于所述电力总线，所述系统包括电耦合于所述负载总线的临时电源；和操作上耦合于所述第一开关、所述第二开关和所述临时电源的控制器，其中所述控制器配置成确定所述第一电源总线和所述第二电源总线的电参数；调节所述临时电源的输出频率以大致上匹配在所述第一电源总线上确定的第一电频率；从所述临时电源向所述电力总线供应电力；断开所述第一开关以从所述电力总线切断所述第一电源总线；调节所述临时电源的输出频率以大致匹配在所述第二电源总线上检测的第二电频率， 所述第二电频率不同于所述第一电频率；以及闭合所述第二开关以使所述第二电源总线耦合于所述电力总线。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述临时电源包括能量存储装置，其包括电容器和电池中的至少一个。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述控制器进一步配置成从所述电力总线、所述第一电源总线和所述第二电源总线中的至少一个对所述能量存储装置充电。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器进一步配置成调节所述临时电源的输出使得所述临时电源和所述第二电力总线之间的相位差大约是零度。
18.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器配置成通过将所述临时电源的输出频率从所述第一电频率调节到所述第二电频率而调节所述临时电源的输出频率以大致上匹配所述第二电频率。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述控制器配置成在小于大约100毫秒内将所述临时电源的输出频率从所述第一电频率调节到所述第二电频率。
20.如权利要求14所述的系统，其中所述第一电源总线和所述第二电源总线中的至少一个耦合于以可变电频率操作的电源。
全文摘要
提供用于使用临时电源来从第一电源转移电力总线到第二电源的方法。该第一电源以第一电频率操作，并且该第二电源以不同于该第一电频率的第二电频率操作。该方法包括调节临时电源的输出频率以匹配该第一电频率并且从该临时电源向该电力总线供应电力。该方法还包括从该电力总线切断该第一电源。该方法进一步包括调节该临时电源的输出频率以匹配该第二电频率。该方法进一步包括使该第二电源耦合于该电力总线。
文档编号H02J3/00GK102414950SQ201080019980
公开日2012年4月11日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年4月30日
发明者D·D·卡里皮德斯 申请人:通用电气航空系统有限责任公司