DE3880071T2

DE3880071T2 - Geschwindigkeitsveraenderliches, frequenzkonstantes leistungssystem mit erhoehungswandlerhilfsausgang.

Info

Publication number: DE3880071T2
Application number: DE8888309891T
Authority: DE
Inventors: Stuart Carl Brown
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1988-10-20
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2008-10-21
Also published as: DE3880071D1; EP0313366A3; US4761726A; KR890007469A; EP0313366A2; JPH01157295A; EP0313366B1

Description

Die Erfindung betrifft Stromversorgungssysteme mit konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl und speziell solche Systeme, die einen Hilfs-Stromversorgungsausgang enthalten.
Gleichstromgekoppelte Stromversorgungssysteme mit konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl (VSCF), wie sie typischerweise bei Luftfahrzeug-Anwendungen verwendet werden, enthalten einen Generator, der mit veränderlicher Drehzahl betrieben wird, um einen Invertierer über ein Paar Gleichstrom-Verbindungsleitungen mit Gleichspannung zu versorgen. Die Ausgangsspannung des Generators wird durch einen Regler gesteuert, der den Ausgang des Invertierers überwacht und den Feldstrom des Generators einstellt, um die Gleichspannung zu steuern. Bei einigen gleichstromgekoppelten VSCF-Luftfahrzeug-Anwendungen ist es erforderlich, Hilfs-Stromversorgungen beispielsweise 270 Volt Gleichspannung zum Betreiben von Steuerungs-Servoantrieben oder 28 Volt Gleichspannung zum Betrieb von Avionik-Geräten bereitzustellen. Diese Hilfs-Stromversorgungen können von dem 115 Volt Wechselspannungs-Ausgang des Invertierers gespeist werden. Jedoch ist die System-Redundanz und -Flexibilität wesentlich verringert infolge der Verletzbarkeit solcher Hilfs- Versorgungen durch einen Ausfall des Invertierers. Ferner kann bei einem Ausfall der Wechselspannungs-Leitungen die Wechselspannung auf Null verringert sein.
Ein anderes Vorgehen, das den Invertierer und das Verletzbarkeitsproblem umgeht, ist, die Hilfs-Versorgung direkt von den Gleichstrom-Verbindungsleitungen zu speisen, die die Leistung von dem Generator über einen Gleichrichter erhalten. Auch wenn das Problem der verringerten Spannung dabei weiterbesteht, ist es nicht so gravierend. Beispielsweise wird bei einem Ausfall der Wechselspannungs-Leitungen die Gleichspannung absichtlich auf nur 35 % ihres normalen Wertes verringert, um Strom-, Spannungs- und thermische Beanspruchung im Invertierer zu begrenzen. Die Abmessungen und das Gewicht eines Hilfs-Stromversorgungssystems müßte erheblich erhöht werden, um eine normale Ausgangsspannung einzustellen und zu halten bei einer so verringerten Eingangsspannung.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine Einrichtung zur Kompensation der verringerten Eingangsspannung für die Hilfs-Stromversorgungen zu liefern, ohne ihren Einstellbereich zu vergrößern, was eine Vergrößerung von Abmessungen und Gewicht erfordern würde.
Die vorliegende Erfindung gleicht eine verringerte Gleichspannung während eines Ausfalls der Wechselspannung aus durch Einfügen eines Spannungserhöhungswandlers zwischen die Gleichstrom-Verbindungsleitungen und die Eingänge der Hilfs-Stromversorgung. Ein Stromversorgungssystem, das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, enthält einen elektrischen Generator zur Erzeugung einer Gleichspannung an einem Paar Gleichstrom-Verbindungsleitungen und einen Invertierer zur Umformung der Gleichspannung in eine Wechselspannung konstanter Frequenz, die an den Stromversorgungs-Leitungssatz geliefert wird. Eine Spannungserhöhungsschaltung ist zwischen die Gleichstrom-Verbindungsleitungen und einen Hilfsversorgungsleitungssatz geschaltet. Eine Regelschaltung ist vorgesehen zur Einstellung der Gleichspannung durch Regelung des Ausgangs des Generators in Abhängigkeit von der Ausgangs-Wechselspannung des Umformers und zur Einstellung der Ausgangsspannung der Erhöhungsschaltung, sobald der Stromversorgungs- Leitungssatz gestört ist.
Diese Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zum Betrieb eines gleichstromgekoppelten Stromversorgungssystems mit konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl mit einem Generator, der Gleichspannung an einen Invertierer über ein Paar Gleichstrom-Verbindungsleitungen liefert, das die Schritte umfaßt: Einstellung der Generatorausgangsspannung zur Erzeugung einer ersten Gleichspannung zwischen den Gleichstrom-Verbindungsleitungen unter normalen Betriebsbedingungen und Erzeugen einer zweiten Gleichspannung zwischen den Gleichstrom-Verbindungsleitungen bei Störungen. Unter normalen Bedingungen wird die erste Gleichspannung auf einen Hilfsversorgungsleitungssatz übertragen. Unter Störungsbedingungen wird die zweite Gleichspannung auf eine vorbestimmte Größe erhöht und diese erhöhte Spannung auf den Hilfsversorgungsleitungssatz übertragen.
Die Erfindung wird leichter verständlich aus der folgenden Beschreibung, bei der die einzige Figur eine schematische Darstellung eines gleichstromgekoppelten VSCF-Stromversorgungssystems zeigt, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Bezugnehmend auf die Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines VSCF-Stromversorgungssystems, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das System enthält einen Generator 10 mit veränderlicher Drehzahl, dessen Ausgänge über einen Brückengleichrichter 12 mit einem Paar Gleichstrom-Verbindungsleitungen 14 und 16 verbunden sind. Ein Glättungskondensator 18 ist zwischen die Gleichstrom-Verbindungsleitungen geschaltet. Ein Invertierer 20 erhält die Gleichspannung von den Verbindungsleitungen 14 und 16 und erzeugt eine dreiphasige Ausgangs-Wechselspannung konstanter Frequenz an dem Stromversorgungs-Leitungssatz enthaltend die Leitungen 22, 24, 26 und 28. Eine Regelschaltung 30 überwacht die Ausgangs-Wechselspannung des Invertierers über die Leitungen 32, 34, 36 und 38 und überwacht ferner die Gleichspannung über die Leitungen 40 und 42. Bei normalem Betrieb des Systems enthält die Regelschaltung einen Spannungsregler zur Regelung der Gleichspannung durch Einstellung des Erregerfeldstroms in dem Generator 10 über die Leitung 44 und regelt dadurch den Ausgang des Invertierers, solange der Generator innerhalb seines normalen Betriebs- Drehzahlbereiches betrieben wird. Das US-Patent Nr. 4,554,501, das am 19. November 1985 an Baker erteilt wurde, offenbart ein VSCF- Stromversorgungssystem, das die zuvor beschriebenen Elemente enthält.
Das VSCF-Stromversorgungssystem der vorliegenden Erfindung enthält ferner eine Spannungserhöhungsschaltung 46, die mit den Gleichstrom-Verbindungsleitungen über die Eingangs-Leitungen 48 und 50 verbunden ist. Die Spannungserhöhungsschaltung enthält eine Induktivität 52, dessen eines Ende mit der Gleichstrom-Verbindungsleitung 14 verbunden ist. Ein steuerbarer Halbleiterschalter in Form des Transistors 54 ist zwischen ein zweites Ende der Induktivität 52 und die Gleichstrom-Verbindungsleitung 16 geschaltet. Ein Schaltungszweig, der eine Serienschaltung aus einer Diode 56 und einer Kapazität 58 enthält, ist über den Transistor 54 geschaltet.
Wenn die Wechselstrom-Ausgangsleitungen des Invertierers einer Störung ausgesetzt sind, die die Ausgangs-Wechselspannung verringert oder beseitigt, wird die Regelschaltung 30 vorgesehenermaßen die Gleichspannung verringern durch Einstellen des Ausgangs des Generators 10 auf ein Spannungsniveau, das z.B. 35 % der normalen Gleichspannung beträgt, um Strom-, Spannungs- und thermische Beanspruchung in dem Invertierer zu begrenzen. Bei solchen Störungs bedingungen erzeugt die Regelschaltung 30 ferner ein Signal auf der Leitung 60, das den Transistor 54 periodisch ein- und ausschaltet und dadurch die Spannung auf einem Hilfsversorgungsleitungssatz enthaltend die Leitungen 62 und 64 erhöht.
Die spezielle Wandlerschaltung 46, die in der Zeichnung dargestellt ist, ist Fachleuten als Aufwärts-Wandler (boost chopper) bekannt. Diese Schaltung oder andere bekannte Spannungserhöhungsschaltungen können zur Erhöhung der Gleichspannung bei Störungen verwendet werden, wie sie durch diese Erfindung benötigt wird.
Die Erhöhungsschaltung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, bietet bei dieser Anwendung den Vorteil einer ihr eigenen Filterwirkung durch ihre Induktivität und Kapazität. Diese Filterwirkung hilft die Schaltstörungen, die durch Hilfs-Stromversorgungen verursacht werden, die mit den Verbindungsleitungen 62 und 64 verbunden sein können, zu isolieren, und schirmt die Gleichstrom-Verbindungsleitungen unter normalen Betriebsbedingungen von diesen Schaltstörungen ab.
Unter Störungsbedingungen bestimmt die Einschaltdauer des Schalttransistors 54 in der Wandlerschaltung 46 das Maß der Spannungserhöhung. Wenn der Transistor leitend ist, ist die Induktivität über die Gleichstrom-Verbindungsleitungen geschaltet. Sobald der Transistor sperrt, ist die Induktivität in Serie zu den Gleichstrom-Verbindungsleitungen geschaltet. Das zugrundeliegende Prinzip ist, daß die mittlere Spannung über der Induktivität Null ist. Das Volt-Sekunden-Produkt während der Einschaltzeit des Transistors muß gleich dem Volt-Sekunden-Produkt während der Ausschaltzeit des Transistors sein. Wird die Einschaltzeit des Transistors erhöht, ist die Induktivität der Gleichspannung einer längeren Zeit ausgesetzt und eine höhere induzierte Spannung tritt auf, sobald der Transistor ausgeschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Erhöhungswandlers wird, sobald der Transistor abgeschaltet ist, die Summe der Gleichspannung und der induzierten Spannung sein. Der Ausgangskondensator 58 mittelt die Einschalt- und Ausschaltspannung. Die Diode 56 verhindert die Entladung des Kondensators, wenn der Transistor leitend ist. Die Betriebsfrequenz des Transistors 54 wird durch die speziellen Auslegungsanforderungen des Systems bestimmt.
Ein Vorzug der bevorzugten Ausführungsform ist, daß der Schalttransistor der Erhöhungsschaltung nur betrieben werden muß, wenn die Gleichspannung als unter dem für die Hilfs-Stromversorgungen erforderlichen Minimum liegend erkannt ist. Da dies für kurze Zeitabschnitte, z.B. 5 Sekunden, auftreten kann, während der die Wechselstrom-Leitungen gestört sind, sind die einzigen Verluste, die zu der mittleren Verlustleistung während des normalen Betriebes beitragen, der Durchlaßabfall der Diode und die Widerstandsverluste der Induktivität. Die Eisenverluste der Induktivität und die Scheinwiderstands-Verluste des Kondensators sind vernachlässigbar, da die Brummspannungen und -ströme relativ gering sind, wenn der Wandler nicht aktiv ist. Daher minimiert diese Art von Erhöhungsschaltung den Einfluß auf den Wirkungsgrad, die Größe und das Gewicht des VSCF-Stromversorgungssystems, ohne die beabsichtigte Funktion zu beeinflussen.
Es sollte nun einem Fachmann deutlich sein, daß in dem System nach der Zeichnung die Regelschaltung 30 die Generator-Ausgangsspannung einstellt, um eine erste Gleichspannung zwischen den Gleichstrom- Verbindungsleitungen unter normalen Betriebsbedingungen und eine zweite Gleichspannung zwischen den Gleichstrom-Verbindungsleitungen unter Störungsbedingungen zu erzeugen. Unter normalen Bedingungen ist der Transistor 54 in dem Aufwärtswandler 46 gesperrt und die erste Gieichspannung wird auf die Hilfsversorgungs-Verbindungsleitungen 62 und 64 übertragen. Unter Störungsbedingungen wird der Schalttransistor 54 periodisch ein- und ausgeschaltet, und erhöht dadurch den zweiten Gleichspannungpegel zur Erzeugung einer erhöhten Gleichspannung an den Hilfsversorgungs-Verbindungsleitungen 62 und 64. In einer Ausführungsform kann die Größe dieser erhöhten zweiten Gleichspannung im wesentlichen gleich der ersten Gleichspannung sein, die während normalen Betriebs des Systems auftritt.
Auch wenn die vorliegende Erfindung mit den Begriffen dessen beschrieben ist, was zur Zeit für seine bevorzugte Ausführungsform gehalten wird, ist es einem Fachmann klar, daß verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Kern der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Stromversorgungssystem mit konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl enthaltend: einen elektrischen Generator (10) zur Erzeugung einer Gleichspannung an einem Paar Gleichstrom-Verbindungsleitungen (14, 16); einen Invertierer (20) zur Umformung der Gleichspannung in eine Ausgangs- Wechselspannung konstanter Frequenz an einem Wechselstrom- Ausgangsleitungssatz (22, 24, 26, 28); und eine Regelschaltung (30) zur Einstellung der Gleichspannung durch Steuerung des Ausgangs des Generators in Abhängigkeit von der Ausgangs-Wechselspannung; gekennzeichnet durch eine Spannungserhöhungsschaltung (46), die zwischen die Gleichstrom-Verbindungsleitungen und einen Hilfsversorgungsleitungssatz (62, 64) geschaltet ist; bei dem die Regelschaltung ferner die Ausgangsspannung der Spannungserhöhungsschaltung an dem Hilfsversorgungsleitungssatz einstellt, sobald der Wechselstrom-Ausgangsleitungssatz eine Störung aufweist.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (30) die Gleichspannung während eines normalen Betriebs auf einen ersten Pegel einstellt; und daß die Regelschaltung (30) die Gleichspannung bei Störungen auf einen zweiten Pegel einstellt.

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungsschaltung (46) im Normalbetrieb inaktiv ist und die Regelschaltung (30) die Spannungserhöhungsschaltung bei Störungen aktiviert.

4. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Spannungserhöhungsschaltung gekennzeichnet ist durch: eine Induktivität (52) mit einem ersten Ende, das elektrisch mit einer ersten (14) der Gleichstrom-Verbindungsleitungen verbunden ist; einen steuerbaren Halbleiterschalter (54), der auf die Regelschaltung anspricht und elektrisch mit einem zweiten Ende der Induktivität und einer zweiten (16) der Gleichstrom-Verbindungsleitungen verbunden ist; und einen Schaltungszweig mit einer Diode (56) und einer in Serie geschalteten Kapazität (58), wobei der Schaltungszweig elektrisch parallel zu dem Transistorschalter und der Hilfsversorgungsleitungssatz über die Kapazität geschaltet ist.

5. Stromversorgungssystem nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (30) den Halbleiterschalter (54) in einem Sperrzustand hält, sobald die Spannung der Gleichstromleitung größer als ein vorgegebener Wert ist.

6. Verfahren zum Betrieb eines gleichstromgekoppelten Stromversorgungssystems mit konstanter Frequenz bei veränderlicher Drehzahl mit einem Generator (10), der Gleichspannung an einen Invertierer (20) über ein Paar Gleichstrom- Verbindungsleitungen (14, 16) liefert, bei dem das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Einstellung der Generatorausgangsspannung zur Erzeugung einer ersten Gleichspannung zwischen den Gleichstrom-Verbindungsleitungen unter normalen Betriebsbedingungen und Übertragung dieser ersten Gleichspannung auf einen Hilfsversorgungsleitungssatz unter normalen Betriebsbedingungen, gekennzeichnet durch eine Einstellung der Generatorausgangsspannung zur Erzeugung einer zweiten Gleichspannung zwischen den Gleichstrom-Verbindungsleitungen bei Störungen, Erhöhen der zweiten Gleichspannung zur Erzeugung einer erhöhten Spannung bei Störungen und Übertragung der erhöhten Spannung auf die Hilfsversorgungsanschlußleitung bei Störungen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der erhöhten Spannung im wesentlichen gleich dem ersten Gleichspannungspegel ist.