JP5597876B2 - 電気的ネットワーク - Google Patents

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Description

本発明は電気的ネットワークに関する。本発明は従来以上の機上電気機器を備える、広幅機体の民間航空機のための航空学において特別な有用性を見出す。そのような機器は性質において大幅に変化し、そのエネルギー消費は時間と共に著しく変動する。例として、機内の空調及び照明システムは殆ど連続的に機能し、一方で操縦翼の制御のような冗長安全システムは、例外的にのみ使用される。
一般に、航空機はこれ以降負荷と呼ばれる全ての機上電気への電力供給を可能にする、三相発電機を備える。これらの発電機は、例えば400Hzの周波数で115Vの電圧を航空機のACバスに供給する。航空機の機上には1台以上の主発電機がある。これらは航空機のエンジンにより駆動される回転電気機械である。例えば「補助電源ユニット」の名前により文献で良く知られ、この発電機専用のタービンにより駆動される補助発電機、あるいは多くの空港において、地上にあるときの航空機のために準備・配置される駐機場の発電機のような、他の発電機がACバスに給電可能である。この駐機場の発電機は、航空機が地上にあるとき、補助発電機の助けを求めることの回避を可能にする。
近年、三相電圧インバータにより給電される必要がある、高出力負荷(電動機又はACのサブネットワーク)の出現に伴い、整流器を通じてACバスから給電される高電圧DCバスが航空機上に設置されている。これらの高電圧DCバスは、「高電圧直流」(“High Voltage Direct Current”)を表わすHVDCの名称により文献で良く知られている。これ以降、高電圧DCバスをHVDCバスと呼ぶ。
航空機はまた、AC電源(駐機場の発電機又はそのグループ)が利用出来ない場合に、一定の負荷に給電出来るようにするバッテリーを備える。
特に、バッテリーは低電圧DCバスを通じて、例えば操縦装置、ブレーキ、エンジンの逆推力、あるいはタービンの始動のような、一定のコンピュータ又は一定の決定的に重要な電気システムを支援しなければならない。
バッテリーは、その現状の標準がDC28Vである、決定的に重要なコンピュータの電源に出来る限り直接的に給電するため、及び直列のバッテリー数を制限するために、例えばDC24V(又は将来的にオプションとしてDC48V)の低電圧を伝統的に有する。
例えばブレーキシステム、逆推力、又はエンジン始動のような、より高出力の電気的負荷については、その電圧がHVDC高電圧DCバスよりも遥かに低い、低電圧バッテリーが使用出来るように、DC−DC昇圧コンバータが用いられる。バッテリーとHVDCバスとの間で必要とされる電圧上昇を制限するか又は取り消すように、これらの負荷に対して、より高い電圧の特殊なバッテリーの使用を想定することもまた可能であろう。
例えばDC28Vの低電圧DCバスは、多くの航空機器メーカーによって製作される変圧及び整流ユニットを用いて、一般にACバスから作られる。このユニットは「変圧器−整流器ユニット」(“Transformer Rectifier Unit”)の名称で文献において良く知られており、以後は「TRU」と呼ばれる。TRUは航空機のACバスにより給電され、28Vの直流電圧を供給する。TRUは一般に、航空機のACネットワークの周波数、例えば300Hz〜1200Hzの間で動作する変圧器を備える。
低電圧バッテリーは次に、低電圧DCバスから直接に、あるいはDC−DCコンバータを利用するバッテリー充電器を通じて充電される。
低電圧DCバスとHVDCバスとの間のエネルギー伝達リンクを実現する別の解決策は、高周波変成器を用いるパルス幅変調双方向DC/DC専用コンバータか、又は各々が高周波変成器を用いる2台の独立した頭−尾DC−DCコンバータを利用することにある。高周波とは10kHzを超える周波数を意味すると理解される。
高出力レベルを有する高周波パルス幅変調コンバータを用いるこの解決策は、一般にACネットワークにより給電されるTRUを利用する変換の解決策よりも、大幅に信頼性が低く、より高価で重量が大である。
TRUは双方向ではなく、したがってACバスは発電機又は専用の三相インバータによる低電圧DCバスから給電される。
本発明の目的は、以下の機能に専用の方策に頼るのを制限することにより、変換機能の実行を単純化することである。
1.電圧YのDCバスから調整される電圧XのDCバスの電力供給と、
2.電圧YのDCバスからの、電圧Xのバッテリー充電と、
3.電圧XのDCバス又はバッテリー電圧Xから調整される電圧YのDCバスの電力供給と、
4.電圧Xのバスからの、電圧Yのバッテリー充電。
上述の変換機能において、XはYよりも小さい。他の変換機能は勿論、本発明の手段から推定され得る。
このために、本発明の主題は:
・電気エネルギーを供給あるいは消費することができる2つの機器と、
・2つの機器の間に接続され、2つの機器のエネルギー交換を可能にする伝達手段と
を含み、
伝達手段が可逆的DC/ACコンバータを備え、コンバータが降圧又は昇圧のDC/DCモードで駆動され得ることを特徴とする、電気的ネットワークである。
2つの機器の内の第1は、例えば第1のDCバスのような、例えば電力供給バスを形成する。第2の機器の内の1つは、第2のバスによって充電され得るか、必要な場合はそれにエネルギーを供給できる蓄電池がそれに接続され得る、例えば第2のDCバスを形成する。
2つの機器が、その電圧が異なるX及びYである2つのDCバスで形成される、特定の実施形態において、伝達手段はバス同士間での一方向及び反対方向の電気エネルギー交換を可能にする。1つのバッテリーは各々のバスに接続され得る。本発明はバッテリーから、又はバッテリーへのエネルギーの交換を制御することを可能にする。伝達手段は、電圧がもう一方のバスから供給される場合にバスの内の1つの電圧調整を可能にするか、又はDCバス同士間に流れる電流の調整を可能にする。
このために、伝達手段は2つのバスの間に:
1.そのDC入力が電圧Yのバスに接続され、それが:
・降圧三相電圧インバータ・モードと、
・並列の単相降圧DC/DCコンバータ・モードと、
・あるいは並列の単相昇圧DC/DCコンバータ・モードと
において動作し得る、1つ以上の可逆的DC/AC多相インバータと、
2.オプションとして、インバータのAC出力に接続される、その変圧比が電圧Yから電圧Xを生み出すことを可能にする降圧TRUと、
3.オプションとして、そのDC入力が降圧三相電圧インバータ・モードで動作可能な、電圧Xのバスに接続され、その変圧比がインバータの入力に存在する電圧Xから電圧Yを生み出すことを可能にする昇圧TRUにそのAC出力が接続される、可逆的DC/AC三相インバータと
を備える。
第1の装置が例えばHVCDバスのような電力供給バスを形成する特定の実施形態において、ネットワークは幾つかの第2機器と、バスと各種の第2機器との間でエネルギー交換を可能にする複数の可逆的コンバータと、コンバータと第2機器との間の組合せの変更を可能にする切り換え手段とを備える。有利なことに、コンバータは全て各々の第2機器とエネルギーを交換できる。任意の第2機器は専用のコンバータを何ら持たない。
言い換えれば、可逆的DC/ACコンバータは、航空機の電力供給バスから航空機の様々な負荷に給電するために使用され得る。コンバータと負荷との間の組合せの変更を可能にする切り換え手段を通じて、幾つかのコンバータを共用にすることが可能であり、バッテリー又は第2のDCバスは特定の負荷又は電源として考えられる。それゆえ、コンバータが使用出来ない場合に備えて、切り換え手段を用いてバッテリーとバスの間につなぐために別のコンバータを割り当てることが可能である。これらの切り換え手段はリアルタイムで動作でき、従ってバッテリーの稼働率と、より一般的に航空機の電気的ネットワークの信頼性を改善する。
本発明は航空機に搭載される電気的ネットワークに関して記述されている。勿論それは、電動化及びその結果としてバッテリーの利用が拡がっている、例えば自動車の分野のような他の任意の分野において利用され得る。バッテリーは例えばキャパシタ又はスーパーキャパシタのような、他の任意のエネルギー蓄積要素で置き換えられ得る。便宜上、以下に続く記述において、バッテリーという用語はあらゆるエネルギー蓄積要素に対して用いられる。
本発明は例のために与えられ、添付図により例示されている実施形態の詳細記述を読むことによって更に良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。
航空機上に設置されるネットワークの電気回路図を表わす。 図1のネットワークにおいて使用されるTRUを概略的なやり方で表わす。 図1のネットワークにおいて使用されるコンバータの1つの例示的実施形態を図式的に表わす。
明確化のため、各種の図中において同じ要素は同じ記号を付けられる。
図1は航空機、とりわけ広幅機体の民間航空機に搭載される各種電気機器を図式的に表わす。MGと称される主発電機10は、航空機のエンジンの1つによって駆動される。発電機10は、航空機のエンジンが動作し、例えば400Hzの周波数で115Vの電圧を航空機のACネットワーク11に給電するときに作動する。開放手段12は、発電機10をネットワーク11につなぐリンクを開放することを可能にする。APUと称される補助発電機13は、115Vの電圧をACネットワーク11に供給するように、この発電機13専用のタービンにより駆動される。同様に、開放手段14は、補助発電機13をネットワーク11につなぐリンクを開放することを可能にする。タービンは航空機の燃料を使用することにより機能し、そして航空機が地上にあるときに利用される。
航空機上には、ACネットワーク11に接続され「高電圧直流(“High Voltage Direct Current”)」を表わす略語である、HVDCと称される高電圧DC電力供給バス21へ直流電圧の給電を可能にする、整流器20もまた設置される。高電圧DCバス21用に通常用いられる電圧は540Vである。
DCバス21は、切り換え手段30を経由して負荷、例えば26、27に給電するよう各々が意図された幾つかのエネルギー・コンバータ22〜25に給電する。図1の表現は概略的である。実際に、1つの負荷は幾つかのコンバータによって給電されることができ、あるいは1台のコンバータは幾つかの負荷に給電し得る。一定の負荷は直流電圧を供給されることができ、関連するコンバータはそのときDCバス21の電圧を、考慮される負荷によって使用可能な電圧へと変換する。広幅機体の航空機において、400Hzの周波数で115Vの交流電圧を使用する多数の負荷が存在する。これらの負荷に給電するため、コンバータ24及び25はインバータである。既知のインバータは可逆的であるという特定の機能を有する。
各コンバータ22〜25は、各負荷の瞬時的な要求に応じて、及びコンバータ22〜25の各々の稼働率に応じて、各種の負荷26及び27にリアルタイムで割り当てられ得る。切り換え手段30は、コンバータ22〜25と負荷26及び27との間の組合せをリアルタイムで変えることを可能にする。コンバータ22〜25と負荷26及び27の組合せは、瞬時的な電流の要求及び、それが関連する負荷の瞬時的な制御モードに応じて行われる。負荷の制御モードは、実質的に負荷のタイプに依存する。航空機において通常利用される例として、速度、トルク又は位置の調整、防氷又は霜取り、一定出力での運転、及びエンジン制御用の様々な方策(磁束除去、センサー有り又は無しでの制御)が挙げられ得る。
切り換え手段30は、例えば各コンバータをそれと適合し得る全ての負荷と組合せることを可能にする、電気的に制御されるスイッチを備える。「適合し得る」とは幾つかの負荷が、とりわけ例えば400Hzの周波数で115Vの電圧の同じ電源を必要とするとき、同じコンバータの助けにより動作できる事実を意味する。コンバータは、その構成要素が互換性のあるグループを形成する、同一の電源を生み出すことを可能にする。グループの様々な構成要素は、同一であることが有利である。これはコンバータの製作を標準化することにより、それらの製作コストを低減し、1つだけのタイプのコンバータの在庫を持つことにより、航空機の保守の単純化を可能にする。以下に見られるように、或るタイプのコンバータはコンバータの動作モードに応じて、幾つかの異なる電源を生み出し得る。従って、同一のグループのコンバータを用いて、例えば115V、400Hzの交流電圧で動作する負荷と、例えばバッテリーのような直流電圧で動作する負荷を組み合わせることが可能である。
グループは、そのグループにより給電され得る負荷の瞬時的な要求に応じて再構成が可能である。各負荷に専用のコンバータは必要ではない。事実、負荷は全て同時には動作しない。同一のグループのコンバータの数は、1つのグループに関係する負荷の集まりが消費できる瞬時的な最大電力に応じて定義される。この電力は各負荷の最大出力の合計よりも小さい。切り換え手段30は、従って機上のコンバータの数と、それ故これらコンバータの質量の低減を可能にする。
さらに、再構成は負荷の稼働率改善を可能にする。事実、1つのコンバータが故障した場合、同じグループの別のコンバータが所与の負荷に給電するため、直ちに交代することができる。例えば操縦翼の制御のような、一定の決定的に重要な負荷は、従ってその点に関しては、これらの制御のみに専用のコンバータの冗長性を必要とせずに、安定した電源で動作可能である。同一グループのコンバータの集まりは、そのとき負荷の1つのグループに給電できる共通の手段を形成する。同一の共通手段の内部では、それを構成する各種のコンバータは区別されない。
ネットワークの特定の負荷は、切り換え手段30を経由してコンバータの1つに接続されたバッテリー35で構成される。航空機の従来のやり方においては、公称電圧がDC28Vのバッテリーを用いることが知られている。本発明の実施のためには、他のバッテリー電圧が勿論可能である。540VのDCバス21に基づき、コンバータ22が、バッテリー35に給電できる第2のDCバス33に直接28Vの直流電圧を供給するような方法で、コンバータ22を動作させることが可能である。第2のバス33とバッテリー35との間に、バッテリーを充電する電流の調整を可能にする、バッテリー充電器を挿入することができる。バッテリー35を充電するため、コンバータ22とバッテリー35との間に、変圧及び整流ユニット36(以降TRUと呼ばれる)を挿入することもまた有利である。TRU36は115V、400Hzの交流電圧を給電され、28Vの直流電圧を供給する。TRUの使用は、540Vの直流電圧を受電するインバータとして使用される、コンバータ22の動作を容易にする。切り換え手段30により、コンバータの内の1つと組み合わされ得る負荷として、TRU36及びバッテリー35により形成される集まりを考えることが可能である。
図2はインバータとして動作するコンバータ22により供給される、三相115V、400Hzの交流電圧を受ける変圧器又は単巻変圧器37を備える、例示的TRU36を図式的に表わす。TRU36がコンバータ22又は23とDCバス33との間に位置する実施形態において、変圧器37は受ける電圧を下げることを可能にする。変圧器37は20Vのオーダーの三相電圧を供給し、それは整流器38により一旦整流され、バッテリー35に供給するためのDC28Vを得ることを可能にする。整流器38は、例えばキャパシタにより平滑化された電圧を供給する全波ダイオードブリッジを用いて作られる。
図3はコンバータ22〜25の内の1つの例示的実施形態を、単純化されたやり方で図式的に表わす。コンバータは2つの端子40及び41を含み、端子40はDCバス21の陽極に接続され、端子41はDCバス21の陰極に接続されている。端子40と41との間に、コンバータは各々が2つの電子スイッチ、すなわち分岐42に対してT421及びT422、分岐43に対してT431及びT432、分岐44に対してT441及びT442を含む、3つの分岐42、43、及び44を備える。各分岐42、43、及び44において、2つのスイッチが直列につながれ、1つのダイオードが各スイッチと並列に接続されている。ダイオードの記号はDであり、その後に関連するスイッチの記号の数字部分が続き、例えばダイオードD421はスイッチT421の端子に接続される。各ダイオードは、各スイッチ内をDCバス21のプラス端子40からマイナス端子41へ流れる電流の方向に対して、逆並列に接続される。スイッチT421〜T442は、例えば全て同一で、“Insulated
Gate Bipolar Transistor”を表わすIGBTの略語の下で、文献において良く知られる絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ形である。各分岐42、43、及び44において、2つのスイッチの共通ポイントには、それぞれL42、L43、及びL44の自己誘導コイルがその第1端子によって接続される。それぞれL42、L43、及びL44の各自己誘導コイルの第2端子46、47、及び48は、コンバータが三相の負荷に給電することを可能にする。キャパシタC421〜C442は、端子46、47、及び48の内の1つと端子40、41の内の1つとの間につながれる。電気エネルギーがDCネットワーク21によってコンバータに供給されるとき、コンバータは電圧インバータとして動作できる。それに反して、電気エネルギーが端子46、47、及び48の間にACの形で、例えば回生負荷又はバッテリーを介して供給されるとき、コンバータは電流の整流器として動作できる。
バッテリー35に給電する直流電圧を調整するための内部手段を備えるTRU36を用いることは可能である。しかし、バッテリー35に供給される電圧の調整は、バッテリー35と組み合わされたコンバータ22を動作させる手段の助けで、例えばコンバータ22の負荷サイクルを変えることにより行われることが有利である。この調整を確実にする手段は、TRU36を考慮対象のコンバータにつなぐリンク39を備える。切り換え手段30はこのため、TRU36の入力に接続されたコンバータの選定を可能にする、スイッチ50及び51を含み得る。コンバータ22がバッテリー35に給電するためのインバータとして動作する場合、バス33におけるTRU36の出力において測定される電圧は、TRUにより所定の間隔で供給される直流電圧を維持するように、スイッチT421〜T442の開閉の負荷サイクルを適応させることを可能にする。コンバータ22に属する電子装置は、スイッチT421〜T442の開閉の制御を可能にする。既知のやり方で、そのような装置は、それが含むスイッチが首尾一貫したやり方で動作するように、各コンバータに必須か又はそれと組み合わされる。従って、その電子制御装置を使用することにより、組み合わされたコンバータに向けてTRU36のバッテリー35へ供給される電圧を調整する機能を取り除くことが有利である。この配置はまた電気的ネットワークの全体的な信頼性の向上を可能にする。事実、もはや内部の調整手段を何ら含まないTRUとして単純化することにより、その信頼性は向上する。さらに、コンバータの電子制御装置がもし故障した場合、それはバッテリー35がそれに組み合わされているグループ内の、コンバータの可能な再構成により即時に軽減される。
バッテリー35がDCバス21に給電するために使用されるとき、切り換え手段30の再構成はTRU36を迂回するためになされる。言い換えれば、バッテリー35は一方向であるTRU36を通らずに、端子46、47及び48に直接的に接続される。この接続は、切り換え手段30によりリンク52を介して行われる。図3に表わされるようなコンバータは、そのとき単相の昇圧器として動作する。より正確には、各分岐及びその関連する自己誘導コイルは、バッテリー35により供給される電圧を高めることを可能にする。例えば、分岐42に関して、スイッチT422は代わりに、自己誘導コイルL42内に、それを通る電流の形でエネルギーを蓄えるために用いられ、そして代わりにダイオードD421は、蓄えられたエネルギーをDCバス21につながれた端子40に向けて解放するために用いられる。3つの分岐及び関連する自己誘導コイルはπ/3の位相差で動作する。コンバータは、TRU36を介してバッテリー35に給電するための多相インバータとして機能するように、あるいはバッテリーからDCバス21に給電するため、N台の単相昇圧器として機能するように制御され得る。ここで、Nはインバータの相数を表わし、N台の昇圧器はπ/Nだけ移相されている。
N台の単相昇圧器としての動作は、DCバス33の電圧がDCバス21の電圧よりも大幅に低い場合に欠点を示す。コンバータの効率はそのとき、かなり良くない。この欠点を軽減するため、第1のDCバス21と選定されたコンバータとの間に、第2のバス33から第1のバス21への給電を可能にするTRUを挿入することができる。このTRUは、受ける電圧の上昇を可能にする変圧器を備える。この実施形態は、コンバータの端子40及び41をHVDCのDCバス21によりも、むしろ低電圧のDCバス33に接続するために、コンバータが完全に接続を断たれることを必要とする。TRUはそのとき一方の端子46、47、及び48と、HVDCのDCバス21との間に接続される。
より一般的なやり方で、図3に表わされるようなインバータは、それが多相インバータとして、あるいはN台の降圧DC/DCコンバータとして、バス21からエネルギーを受けるとき、第1の方向に動作し得る。インバータはまた、それが回生負荷から交流電圧を受けるときに電流の整流器として、あるいはN台の昇圧DC/DCコンバータとして、第1とは逆の第2の方向にも動作できる。コンバータの操作は切り換え手段30のスイッチと同時にリアルタイムで変更され得る。
昇圧又は降圧のDC/DCモードで駆動され得る、このタイプの可逆的DC/ACコンバータは、高周波変成器を含む双方向DC/DCコンバータよりも製作が非常に簡単であり、非常に信頼性が高い。

Claims (11)

  1. 気エネルギーを供給あるいは消費することができる機器群(21、26、27、35、36)と、
    前記機器群(21、26、27、35、36)のうちの第1の機器と第2の機器との間に選択的に接続され、該2つの機器間でエネルギー交換を可能にする伝達手段と
    を含む電気的ネットワークであって、
    前記伝達手段が可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)を備え、該可逆的DC/ACコンバータが降圧又は昇圧のDC/DCモードで駆動され得る
    ことを特徴とする電気的ネットワーク。
  2. 前記第1の機器が電力供給バス(21)であるとともに、前記第2の機器が該電力供給バス以外の第2の機器(26、27、35、36)であり、
    前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)を複数備え、該複数の可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)は、それぞれ、前記第1の機器(21)と前記第2の機器(26、27、35、36)との間のエネルギー交換を可能にし、
    前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)と前記第2の機器(26、27、35、36)との間の接続の組合せの変更を可能にする切り換え手段(30)をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の電気的ネットワーク。
  3. 前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)の全てが、前記第2の機器(26、27、35、36)の各々とエネルギーを交換できることを特徴とする請求項2に記載の電気的ネットワーク。
  4. 前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)の全てが、同一の構成を有することを特徴とする請求項3に記載の電気的ネットワーク。
  5. 前記第1の機器が電力供給バス(21)であるとともに、前記第2の機器がバッテリー(35)と該バッテリー(35)に接続された第2の電力供給バス(33)とであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気的ネットワーク。
  6. 前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)と前記第2の電力供給バス(33)との間に変圧及び整流ユニット(36)を含むことを特徴とする請求項5に記載の電気的ネットワーク。
  7. 前記変圧及び整流ユニット(36)が、受電した電圧を下げることを可能にする変圧器を備えることを特徴とする請求項6に記載の電気的ネットワーク。
  8. 前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)の動作により、前記第2の電力供給バス(33)の電圧を調整することを特徴とする請求項6あるいは7に記載の電気的ネットワーク。
  9. 前記機器群(21、26、27、35、36)のうちの電力供給バス(21)と前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)との間に、前記機器群(21、26、27、35、36)のうちのバッテリー(35)に接続された第2の電力供給バス(33)から前記電力供給バス(21)への給電を可能にする変圧及び整流ユニットを備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の電気的ネットワーク。
  10. 前記電力供給バス(21)と前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)との間に位置する前記変圧及び整流ユニットが、受電した電圧を上げることを可能にする変圧器を備えることを特徴とする請求項9に記載の電気的ネットワーク。
  11. 前記可逆的DC/ACコンバータ(22、23、24、25)が多相インバータとして、又はN台の単相昇圧器として機能でき、Nがインバータの相数を表わし、N台の昇圧器がπ/Nだけ移相されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電気的ネットワーク。
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