ES2542705T3 - Alimentación de energía eléctrica a una aeronave - Google Patents

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ES2542705T3 ES12712336.2T ES12712336T ES2542705T3 ES 2542705 T3 ES2542705 T3 ES 2542705T3 ES 12712336 T ES12712336 T ES 12712336T ES 2542705 T3 ES2542705 T3 ES 2542705T3
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Julien Rambaud
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Abstract

Procedimiento de generación de una tensión implementado mediante un módulo de generación (20) de una red eléctrica (1) de una aeronave, comprendiendo dicha red eléctrica (1) una línea de alimentación (3) alimentada por dicho módulo de generación (20), un bus de continua (4) alimentado a partir de dicha línea de alimentación (3) por mediación de un rectificador (5), y al menos un actuador (9) eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua (4) por mediación de un ondulador (8), comprendiendo el procedimiento de generación una etapa de suministro de una tensión alterna (VAC) en dicha línea de alimentación (3) en función de una consigna de tensión y de una tensión medida en dicha red eléctrica (1), estando caracterizado dicho procedimiento de generación por comprender una etapa de determinación de dicha consigna de tensión en función de un parámetro de funcionamiento (v9) de dicho actuador (9).

Description

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DESCRIPCIÓN
Alimentación de energía eléctrica a una aeronave
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a la alimentación de energía eléctrica a una red dedicada a un equipo de una aeronave.
Se conoce alimentar las redes eléctricas a bordo de una aeronave a partir de un generador embarcado. El generador es típicamente un generador unido al motor de propulsión de la aeronave o a un grupo auxiliar de potencia (APU por "Auxiliary Power Unit") de turbina de gas.
Tal generador suele comprender una máquina eléctrica principal que se configura en generador eléctrico principal que funciona en modo síncrono tras el arranque y encendido de la turbomáquina asociada. La máquina eléctrica principal cuenta con un inductor rotórico y unos devanados estatóricos que suministran una energía eléctrica alterna a un bus trifásico de una red eléctrica de la aeronave.
La red dedicada comprende asimismo un equipo de alimentación en el que un bus de continua es alimentado a partir de la tensión alterna del bus trifásico, por mediación de un rectificador. El equipo de alimentación alimenta unos actuadores eléctricos trifásicos a partir de la tensión continua del bus de continua, por mediación de convertidores de potencia de tipo ondulador.
La tensión alterna del bus trifásico o la tensión continua del bus de continua se regula por medio de una unidad de regulación del generador o GCU ("Generator Control Unit") que alimenta con corriente continua un inductor estatórico de un excitador cuyos devanados rotóricos están unidos al inductor rotórico de la máquina eléctrica principal por intermedio de un rectificador giratorio. Típicamente, la unidad de regulación del generador hace variar la corriente continua de excitación en orden a mantener la tensión alterna del bus trifásico o la tensión continua del bus de continua igual a un valor de consigna constante.
La energía eléctrica necesaria para la alimentación del inductor del excitador puede ser suministrada por un generador eléctrico auxiliar tal como un generador síncrono de imanes permanentes, o puede estar derivada de la red eléctrica de a bordo de la aeronave.
En una red eléctrica de este tipo, los convertidores de potencia de tipo ondulador que alimentan los actuadores deben estar dimensionados para tener en cuenta los esfuerzos eléctricos y térmicos ligados a la potencia mecánica necesaria para el funcionamiento del actuador. Estos convertidores de potencia generalmente son equipos pesados y voluminosos.
El documento US 5.232.286 muestra un procedimiento de generación de tensión que se corresponde con el preámbulo de la reivindicación 1.
Objeto y sumario de la invención
La invención pretende proporcionar un procedimiento y un módulo de generación, que permiten evitar al menos algunos de los inconvenientes de la citada técnica anterior.
A tal efecto, la invención propone un procedimiento de generación implementado mediante un módulo de generación de una red eléctrica de una aeronave, comprendiendo dicha red eléctrica una línea de alimentación alimentada por dicho módulo de generación, un bus de continua alimentado a partir de dicha línea de alimentación por mediación de un rectificador, y al menos un actuador eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua por mediación de un ondulador,
comprendiendo el procedimiento de generación una etapa de suministro de una tensión alterna en dicha línea de alimentación en función de una consigna de tensión y de una tensión medida en dicha red eléctrica,
estando caracterizado dicho procedimiento de generación por comprender una etapa de determinación de dicha consigna de tensión en función de un parámetro de funcionamiento de dicho actuador.
De este modo, merced a estas características, la tensión continua del bus de continua depende del parámetro de funcionamiento del actuador. Esto permite limitar el dimensionamiento del ondulador y/o reducir la disipación del ondulador.
De acuerdo con una forma de realización, la tensión medida es la tensión del bus de continua.
El parámetro de funcionamiento puede ser una velocidad de giro del actuador.
Correlativamente, la invención propone un módulo de generación para una red eléctrica de una aeronave, siendo dicho módulo de generación apto para suministrar una tensión alterna en función de una consigna de tensión y de una tensión medida en dicha red eléctrica, comprendiendo dicha red eléctrica una línea de alimentación alimentada
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con dicha tensión alterna mediante dicho módulo de generación, un bus de continua alimentado a partir de dicha línea de alimentación por mediación de un rectificador, y al menos un actuador eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua por mediación de un ondulador,
estando caracterizado dicho módulo de generación por comprender un módulo de determinación de dicha consigna de tensión en función de un parámetro de funcionamiento de dicho actuador.
En una forma de realización, el módulo de generación comprende un generador y una unidad de regulación del generador, siendo el generador apto para suministrar dicha tensión alterna en función de una corriente de regulación determinada por la unidad de regulación del generador, siendo la unidad de regulación del generador apta para determinar la corriente de regulación en función de la consigna de tensión y de la tensión medida en dicha red de a bordo.
Las ventajas y características referidas anteriormente en relación con el procedimiento de generación conciernen asimismo al módulo de generación.
La invención también proporciona una aeronave que comprende una red eléctrica que incluye un módulo de generación conforme a la invención, una línea de alimentación alimentada por dicho módulo de generación, un bus de continua alimentado a partir de dicha línea de alimentación por mediación de un rectificador, y al menos un actuador eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua por mediación de un ondulador.
Breve descripción de los dibujos
Se comprenderá mejor la invención con la lectura de la descripción que a continuación se lleva a cabo, a título indicativo pero no limitativo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
La figura 1 es un esquema de una red eléctrica dedicada a la alimentación de un equipo de alimentación a bordo de una aeronave,
la figura 2 es un grafo de una curva de funcionamiento de un actuador eléctrico,
la figura 3 es un grafo que muestra las pérdidas eléctricas en un convertidor que alimenta un actuador cuya curva de funcionamiento está representada en la figura 2, y
las figuras 4 y 5 son figuras similares a las figuras 2 y 3, respectivamente, y conciernen a otro tipo de actuador eléctrico.
Descripción detallada de formas de realización
La figura 1 representa la red eléctrica 1 de una aeronave, en su entorno. La red eléctrica 1 es una red dedicada a la alimentación de un equipo de alimentación 30 y comprende un módulo de generación 20, el equipo de alimentación 30 y una línea de alimentación 3 trifásica que une el módulo de generación 20 al equipo de alimentación 30.
El módulo de generación 20 suministra una tensión trifásica VAC. En el ejemplo representado, el módulo de generación 20 comprende un generador 2 y una unidad de regulación del generador 6.
El generador 2 está unido mecánicamente a un motor 7, que puede ser, por ejemplo, un motor de propulsión o un grupo auxiliar de potencia de la aeronave. El generador 2 puede ser un arrancador / generador apto para funcionar como motor eléctrico en el momento de arrancar el motor 7.
Cuando recibe el arrastre giratorio del motor 7, el generador 2 suministra una tensión trifásica VAC que depende de una corriente de regulación Ie suministrada por la unidad de regulación del generador 6. El generador 2 es, por ejemplo, un generador de tres etapas del tipo descrito en la parte introductoria.
La línea de alimentación 3 se alimenta mediante la tensión trifásica VAC suministrada por el generador 2.
El equipo de alimentación 30 comprende un bus de continua 4, un rectificador 5 y onduladores 8. El bus de continua 4 se alimenta de tensión continua VDC a partir de la tensión trifásica VAC de la línea de alimentación 3, por mediación del rectificador 5.
Unos actuadores eléctricos 9 son alimentados con energía eléctrica por el equipo de alimentación 30. Más exactamente, cada actuador eléctrico 9 es alimentado con tensión trifásica a partir del bus de continua 4, por mediación de un ondulador 8. Cada actuador eléctrico 9 es típicamente un motor eléctrico cuyo funcionamiento puede caracterizarse por una velocidad de giro, denotada por v9, y por un par, denotado por C9.
La unidad de regulación del generador 6 recibe señales de medida representativas de la tensión continua VDC del bus de continua 4 y de la velocidad de giro v9, y suministra la corriente de regulación Ie al generador 2.
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A tal efecto, la unidad de regulación del generador 6 pone en práctica un lazo de regulación en el que la corriente de regulación Ie viene determinada en función de la tensión continua VDC del bus de continua 4 y de una consigna VDC_cons de tensión continua.
La consigna VDC_cons es determinada por la unidad de regulación del generador 6 en función de la velocidad de giro v9. De este modo, en la red eléctrica 1, la tensión continua VDC del bus de continua 4 depende de la velocidad de giro v9, lo cual permite limitar la disipación y el dimensionamiento de los onduladores 8 según se explica ahora con referencia a las figuras 2 a 5.
Es sabido que la potencia mecánica Pm de un actuador eléctrico 9 se puede expresar como sigue: Pm = v9 x C9. Asimismo, es sabido que el par C9 crece con la corriente de fase I del actuador eléctrico 9.
Esta potencia mecánica Pm corresponde a una potencia eléctrica absorbida Pe proporcional al producto U9 x I, donde U9 es la tensión suministrada al actuador 9 por el ondulador 8.
A pequeña velocidad de giro v9, cualquiera que sea el par C9, la potencia mecánica Pm y, con ello, la potencia eléctrica absorbida Pe son pequeñas. Por lo tanto, la tensión U9 suministrada al actuador 9 por el ondulador 8 puede ser pequeña.
La figura 2 es un grafo que representa una curva de funcionamiento de un primer tipo de actuador eléctrico 9, que da la relación entre el par C9 y la velocidad de giro v9. En el caso de la figura 2, el par C9 es prácticamente máximo en todo el margen de velocidad, hasta una velocidad Ω1.
La figura 3 es un grafo que representa la variación de la potencia P8 disipada en un ondulador 8 unido a un actuador eléctrico 9, en función de la velocidad v9, para un actuador eléctrico 9 del tipo de la figura 2. La curva 11 corresponde a una tensión continua VDC que varía con la velocidad v9, de manera acorde con la presente invención. La curva 10 corresponde a una tensión continua VDC que se mantuviera constante, de manera acorde con la técnica anterior citada en la parte introductoria, y viene dada, por tanto, a título de comparación.
La potencia P8 disipada en un ondulador 8 se puede descomponer entre las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación. Las pérdidas por conmutación dependen del producto VDC x I. Habida cuenta de la curva de la figura 2, la corriente I debe ser elevada para suministrar un par C9 elevado, cualquiera que sea la velocidad de giro v9. De este modo, si se mantiene constante VDC, la potencia P8 es elevada incluso a pequeña velocidad de giro v9, tal como muestra la curva 10.
Sin embargo, según se ha explicado anteriormente, la tensión U9 puede ser pequeña a pequeña velocidad de giro v9. Ahora bien, la tensión U9 depende de la tensión continua VDC. Si bien la tensión U9 puede ser pequeña, la tensión continua VDC igualmente puede ser pequeña. De este modo, reduciendo la tensión continua VDC a pequeña velocidad de giro v9, la potencia P8 disipada en un ondulador 8 puede ser reducida con relación a la curva 10, tal como muestra la curva 11.
En la figura 3, las curvas 10 y 11 confluyen en un punto P a la velocidad Ω1.
En otras palabras, en el caso de un actuador eléctrico 9 que presenta una curva de funcionamiento del tipo de la figura 2, la determinación de una consigna VDC_cons que depende de la velocidad de giro v9 de los actuadores eléctricos 9 permite reducir la potencia P8 disipada en el ondulador 8. De este modo, se puede limitar el dimensionamiento térmico del ondulador 8. Sin embargo, el dimensionamiento eléctrico del ondulador 8 debe permitir el funcionamiento en el citado punto P.
Las figuras 4 y 5 son grafos similares a los grafos de las figuras 2 y 3, respectivamente, y conciernen a un segundo tipo de actuador eléctrico 9 que presenta una curva de funcionamiento de una forma diferente, representada en la figura 4. Se utilizan, sin riesgo de confusión, las mismas referencias que en las figuras 4 y 5.
En el presente caso, el par C9 es máximo a pequeña velocidad hasta una velocidad Ω1, y luego decrece progresivamente en el resto del margen de velocidad.
Al igual que en el caso de las figuras 2 y 3, la tensión continua VDC puede ser reducida a pequeña velocidad de giro. La figura 5 muestra que, en este caso, la potencia P8 disipada en el ondulador es reducida, al igual que en el caso de la figura 3 (cf. curva 11 situada debajo de la curva 10).
Además, en el presente caso, el punto de funcionamiento P2 donde la potencia P8 dada por la curva 11 es máxima corresponde a una potencia reducida con relación al punto de funcionamiento P1 donde la potencia P8 dada por la curva 10 es máxima.
En otras palabras, en el caso de un actuador eléctrico 9 que presenta una curva de funcionamiento del tipo de la figura 4, la determinación de una consigna VDC_cons que depende de la velocidad de giro v9 de los actuadores eléctricos 9 permite reducir la potencia P8 disipada en el ondulador 8, incluyendo reducir la potencia P8 disipada máxima. De este modo, se pueden limitar los dimensionamientos térmico y eléctrico del ondulador 8.
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La unidad de regulación del generador 6 comprende un módulo de determinación que convierte la velocidad de giro v9 en una consigna VDC_cons. El módulo de determinación utiliza por ejemplo una tabla de consulta o una ley de conversión. Un experto en la materia es capaz de idear un módulo de determinación que conviene para una curva de funcionamiento dada, por ejemplo del tipo de la figura 2 o de la figura 4.
5 En una variante, la unidad de regulación del generador 6 utiliza, en lugar de la velocidad de giro v9, otro parámetro de funcionamiento del actuador eléctrico 9 para determinar la consigna VDC_cons.
Igualmente en una variante, la regulación implementada por la unidad de regulación del generador 6 está orientada a la tensión trifásica VAC de la línea de alimentación 3. En este caso, la unidad de regulación del generador 6 determina una consigna VAC_cons de tensión trifásica en función de la velocidad v9 o de otro parámetro de
10 funcionamiento del actuador eléctrico 9.
Se ha descrito un módulo de generación 20 en el que la tensión trifásica suministrada por el generador 2 depende de la corriente de regulación determinada por la unidad de regulación 6. No obstante, la invención no queda limitada a este tipo de módulo de generación. Así, el módulo de generación puede comprender un generador asíncrono autoexcitado asociado a capacitancias conmutadas para brindar diferentes escalones de tensión. Como variante, el
15 módulo de generación puede comprender un generador asíncrono autoexcitado asociado a un ondulador que suministra una corriente de magnetización para una regulación continua. Igualmente como variante, el módulo de generación puede comprender un generador asíncrono de imanes permanentes con devanados múltiples para una regulación por escalones.
Un ejemplo de aplicación de la red eléctrica 1 es el rodaje en tierra ecológico («Green Taxiing» en inglés) de una
20 aeronave. En este ejemplo, los actuadores 9 son motores eléctricos aptos para hacer circular la aeronave en tierra, y el motor 7 es un grupo auxiliar de potencia. Entonces, los motores de propulsión de la aeronave pueden estar apagados, lo cual permite un considerable ahorro de combustible.

Claims (7)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de generación de una tensión implementado mediante un módulo de generación (20) de una red eléctrica (1) de una aeronave, comprendiendo dicha red eléctrica (1) una línea de alimentación (3) alimentada por dicho módulo de generación (20), un bus de continua (4) alimentado a partir de dicha línea de alimentación (3) por mediación de un rectificador (5), y al menos un actuador (9) eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua (4) por mediación de un ondulador (8),
    comprendiendo el procedimiento de generación una etapa de suministro de una tensión alterna (VAC) en dicha línea de alimentación (3) en función de una consigna de tensión y de una tensión medida en dicha red eléctrica (1),
    estando caracterizado dicho procedimiento de generación por comprender una etapa de determinación de dicha consigna de tensión en función de un parámetro de funcionamiento (v9) de dicho actuador (9).
  2. 2.
    Procedimiento de generación según la reivindicación 1, en el que dicha tensión medida es la tensión (VDC) del bus de continua (4).
  3. 3.
    Procedimiento de generación según la reivindicación 1 ó 2, en el que el parámetro de funcionamiento (v9) es una velocidad de giro de dicho actuador (9).
  4. 4.
    Procedimiento de generación según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho módulo de generación (20) comprende un generador (2) y una unidad de regulación del generador (6), siendo el generador (2) apto para suministrar dicha tensión alterna (VAC) en función de una corriente de regulación (Ie) determinada por la unidad de regulación del generador (6), siendo la unidad de regulación del generador (6) apta para determinar la corriente de regulación (Ie) en función de la consigna de tensión y de la tensión medida en dicha red eléctrica (1).
  5. 5.
    Módulo de generación (20) de una tensión para una red eléctrica (1) de una aeronave, siendo dicho módulo de generación (20) apto para suministrar una tensión alterna (VAC) en función de una consigna de tensión y de una tensión medida en dicha red eléctrica (1), comprendiendo dicha red eléctrica (1) una línea de alimentación (3) alimentada con dicha tensión alterna (VAC) por dicho módulo de generación (20), un bus de continua (4) alimentado a partir de dicha línea de alimentación (3) por mediación de un rectificador (5), y al menos un actuador (9) eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua (4) por mediación de un ondulador (8),
    estando caracterizado dicho módulo de generación por comprender un módulo de determinación de dicha consigna de tensión en función de un parámetro de funcionamiento (v9) de dicho actuador.
  6. 6.
    Módulo de generación (20) según la reivindicación 5, que comprende un generador (2) y una unidad de regulación del generador (6), siendo el generador (2) apto para suministrar dicha tensión alterna (VAC) en función de una corriente de regulación (Ie) determinada por la unidad de regulación del generador (6), siendo la unidad de regulación del generador (6) apta para determinar la corriente de regulación (Ie) en función de la consigna de tensión y de la tensión medida en dicha red eléctrica (1).
  7. 7.
    Aeronave que comprende una red eléctrica (1) que incluye un módulo de generación (20) según la reivindicación 5 ó 6, una línea de alimentación (3) alimentada por dicho módulo de generación (20), un bus de continua (4) alimentado a partir de dicha línea de alimentación (3) por mediación de un rectificador (5), y al menos un actuador (9) eléctrico alimentado con tensión alterna a partir del bus de continua (4) por mediación de un ondulador (8).
    6
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