用于具有涡轮喷气发动机的飞行器的内部混合的转换和输送电能的系统的制作方法

本发明涉及“更多电力”推进架构的一般领域，更具体地涉及飞行器推进器的内部混合。

背景技术：

大多数高动力推进解决方案使将机械动力提供到旋转轴的一个或多个燃气轮机作为它们的供应部。具体地，超过一定的飞行时间或一定的推进动力，电力存储单元(例如电池、燃料电池或超级电容器)没有足够的性能单独使用，因此有必要将机械动力从一个轴传递到一个或多个其它轴，以通过调整推进器的尺寸或通过基于辅助源提供推进协助来获得更好的操作点。

在飞行器中转换和输送电能的系统通常呈现两种类型的架构中的一种：

-最常见的dc架构，其由配备有整流器的发电机(电源)组成，这些整流器将所有ac电力全部转换为dc，然后进行分配，之后通过逆变器将其转换回ac电力，以便为电动马达和不同的电力负载提供动力。这种架构允许负载和供应部的操作点完全断开联接，并允许轴旋转速度从–ωmax到+qmax可变。

-ac架构，除了功率大于mw以外，不太普遍，其由直接联接到电动马达或电力负载的发电机组成。这种架构允许发动机轴的速度与不同负载的轴的速度之间的固定联接，并且由于消除了功率转换器，因此允许高效率和更好的可靠性。

对于涡轮喷气发动机的内部混合，仅存在dc架构的解决方案，因为旋转速度是可变的，因此无法设想ac架构。

图3示出了在由两个涡轮喷气发动机10、12推进的smr(短中程)型飞行器的背景下的这种已知架构，每个喷气发动机在每个机翼下方，可以经由其高压hp和/或低压lp涡轮轴在其上获取动力或注入动力。通常设置在飞行器的机身末端的两个燃气轮机14、16也可用于提供功率瞬变。在该dc架构中，两个涡轮喷气发动机的hp100、120和bp102、122轴中的每个通常通过永磁体(msap)连结到同步电机18、20、22、24，从而为ac/dc静态转换器26、28、30、32递送三相交流电压，在dc分配网34上提供dc电压(通常为±270vdc)。连接到该网络的两个逆变器36、38将该dc电压转换为三相ac电压，为两个同步电机40、42供应电力，每个同步电机与燃气轮机14、16的旋转轴140、160接合。所有大功率电气保护器(接触开关和其它断路器未示出)都设置在dc分配网上。储存单元44也可以直接并联安装在dc分配网上。

然而，这样的架构确实有许多缺点：永磁电机内部的短路故障必须予以解决，因为它被认为是至关重要的，并且必然涉及冗余(因此增加了重量)，静态转换器的损耗导致相关的发电机的损耗，这使任何重新配置变得困难，或者在此还涉及为每种类型的转换器增加冗余(因此仍然增加了重量)，保护器的质量增加，因为架构是dc电压，并且由于沿着线路进行的多次转化，因此降低了线路的总体效率(约80％的效率)。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的是通过提出一种特别适合于飞行器内部混合的新架构来减轻这些缺点。

这些目的通过一种用于在由至少一个涡轮喷气发动机推进的飞行器中转换和输送电能的系统来实现，可以经由高压和/或低压涡轮轴从其获取或注入动力，并且包括至少一个燃气轮机以提供功率瞬变，其特征在于，每个所述高压和/或低压涡轮轴均连接到第一双馈送异步电机，该第一双馈送异步电机一方面在ac分配网上递送第一三相ac电压，并且另一方面递送用于第一ac/dc双向转换器的第二多相ac电压，其在dc分配网上供应dc电压，至少一个第二dc/ac双向转换器连接到所述dc分配网，将该dc电压转换成第三多相ac电压，其供应与至少一个燃气轮机的旋转轴接合的至少一个第二双馈送异步电机，所述第二双馈送异步电机还在所述ac分配网上递送第四多相ac电压。

通过使用双馈送异步电机，该异步电机允许主功率以ac输送，并允许其以dc控制，即，包含两个电气隔离的供应通道的电机，组合了ac架构和dc架构的优点。另外，通过使用供应双馈送异步电机的部分的双向转换器，可能具有微弱可变速度的操作模式。

较佳地，该系统还包括直接并联安装在所述dc分配网上的存储单元。

有利地，所有高功率电气保护器(接触开关和/或断路器)都设置在所述ac分配网上。

较佳地，所述双馈送异步电机是绕线式转子感应发电机，其定子绕组直接连接至所述ac分配网，并且其转子绕组连接到所述ac/dc双向转换器。

附图说明

参考附图，本发明的其它特征和优点将从以下给出的描述中变得显而易见，附图示出了本发明的示例性实施例而没有任何限制。在附图中：

-图1示出了提供根据本发明的飞行器的内部混合的架构的操作图，

-图2是示出图1的架构中的故障管理的流程图，以及

-图3示出了提供现有技术的飞行器的内部混合的架构的操作图。

具体实施方式

图1示出了用于在根据本发明的飞行器中转换和输送电能的系统，其中，像ac架构一样，主功率的输送通过ac分配网46提供。

下面参照类似于图3中所示的smr型飞行器进行描述，即，由两个涡轮喷气发动机推动，根据所实施的操作模式，能够经由高压100、120轴和/或低压轴102、122来在其上获取或注入动力，飞行器还包括两个燃气轮机，以提供功率瞬变。当然，这种飞行器构造决不是是限制性的，并且还可应用于例如具有仅包括单个燃气轮机的单个涡轮喷气发动机的飞行器或具有n个涡轮喷气发动机(n>2)的飞行器。同样，如果在下面的描述中ac电压是三相的，那么它们当然也可以是多相的(相数>3)。

根据本发明，两个涡轮喷气发动机的高压轴和/或低压轴中的每一个均连接到第一双馈送异步电机48、50、52、54，其一方面在ac分配网46上递送第一三相ac电压，并且另一方面，递送用于第一ac/dc双向转换器56、58、60、62的第二三相ac电压，其在dc分配网64上提供dc电压，第二dc/ac双向转换器66、68连接到dc分配网，其将该dc电压转换成供应第二双馈送异步电机70、72的第三三相ac电压，其与两个燃气轮机的旋转轴140、160接合的电源，这些第二双馈送异步电机还在ac分配网46上递送第四三相ac电压。存储单元44直接并联安装在dc分配网64上。

与传统的异步电机相比，双馈送电机具有两个电气隔离的供应通道的特殊性。两个mada供应部的隔离允许在两个通道之间不传播故障，并以降级模式操作。具体地，如果丢失了mada的转子通道，则能够通过使该转子通道短路来使机器继续以降级模式操作。

电气隔离提供的另一优点是具有两个不同电压水平的可能性。例如，看到大部分功率通过的mada的主通道可能处于高压，而看到最少功率通过的转子路径可能处于较低电压。这些电压可以根据需要进行调适，使得有可能优化系统的尺寸(特别是在质量上)。

双馈送异步电机(mada)是绕线式转子感应发电机，其定子绕组直接连接到ac分配网，并且其转子绕组连接到ac/dc双向转换器。该转换器是可逆的，因为在超同步操作中转子功率在一个方向上行进，而在次同步操作中转子功率在相反的方向上行进。应当注意，这种异步电机具有使得即使磁场的旋转速度与转子的旋转速度不同，也能够在输出轴上产生机械扭矩。与传统的同步电机不同，在传统的同步电机中，转子的旋转速度与定子的水平处的电频率成比例，这还允许根据定子和转子水平处的电频率来调节该转子旋转速度。

更具体地，在超同步操作中，发电机以高于同步速度的旋转速度旋转，然后转换器作为整流器操作，为dc分配网递送dc电压。类似地，在次同步操作中，发电机以低于同步速度的旋转速度旋转，然后转换器作为逆变器操作，将ac电压从dc分配网递送到mada。逆变器调节要发送到转子的信号的幅度和频率，使速度改变，从而改变从mada提取的功率。

通过根据本发明的转换系统的构造，具有与现有技术的dc架构中相同数量的转换器，但是这些转换器仅处理传送的标称功率的部分(大约25％至30％)，这使得选择更轻、体积更小并且更便宜的转换器成为可能，而在dc架构中，电气转换器的尺寸定位使得标称功率通过。即使mada比现有技术的dc架构的msap还要重，组件也更轻(大约5％到10％)，因为转换器的功率要少得多。同样，所有高功率电气保护器(接触器和/或断路器)都设置在ac分配网上，而不是设置在dc分配网络上，这又减小了体积和成本。

此外，在内部混合的情况下，能够将用作改变机械轴速度的dc分配网与主要功率在其上行进的ac分配网分离，这使得可能获得更好的效率(大约高出2％到5％)，并且通过确保提供推进力的主动力及其控制之间的电流隔离，简化了隔离问题。

最后，通过本发明，转换器之一的故障降低了供应部和负载之间的线路操作，但是并没有使其停止，如图2中的流程图所示，该流程图描述了用于本发明的转换和输送电能的系统中的故障管理。第一步骤e100对应于本发明系统的正常操作，在随后的测试步骤e102中检测故障。在没有故障的情况下，过程返回到步骤e100，但是如果检测到故障(对步骤e102的测试的响应为“是”)，则在步骤e104、e106和e108中执行三次测试，以查找该故障的性质，对第一测试步骤e104的响应为“是”，表示在mada上检测到故障，对第二测试步骤e106的响应为“是”，表示在控制mada的转换器上检测到故障，对第三测试步骤e108的响应为“是”，表示故障是另一种性质(例如，缺相或电网质量差)。如果在mada上检测到故障，则在步骤e110中使控制该mada的转换器停用(这足以确保故障不传播)，从而使系统进入降级操作模式(步骤e112)，只要故障仍未解决或执行纠正性维护(步骤e114)。如果在控制mada的转换器上检测到故障，在随后的步骤e116中，将停用相关的转换器，并通过使mada的转子短路(步骤e118)，将mada降低到异步操作，从而使系统再次进入步骤e112的降级操作模式，只要故障仍未移除或执行纠正性维护(步骤e114)，故障将持续。如果故障是其它种类的，则只要未解决故障或执行纠正性维护(步骤e114)，则在步骤e120中，处理使系统进入降级操作模式的该故障(步骤e112)。无论检测到的故障的性质如何，一旦解决了该故障或执行了适当的纠正性维护(步骤e114)，然后就能够返回到步骤e100的正常操作模式。

因此，通过本发明，提出了一种用于内部混合的优化的架构，该架构使得能够在涡轮喷气发动机(推进器)的轴之间传递动力并提供来自燃气轮机(辅助源)的推进辅助。推进剂是飞行器的主要动力源，因此必须提供飞行器非推进系统所需的能量。然而，根据所考虑的瞬变(推进器的操作点瞬变确定涡轮喷气发动机的尺寸)，将动力从lp轴传递到hp轴或者相反。因此，推进器的lp轴能够执行提取和提供推进辅助，并且针对低功率进行了优化的燃气轮机使得能够在某些飞行些阶段期间具有额外的功率，同时提供比电池更好的能量密度。