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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Versorgungssystem für ein Flugzeug mit einem gewöhnlichen Wechselspannungsnetzwerk und einem bipolaren Gleichspannungsnetzwerk sowie ein Flugzeug mit einem derartigen elektrischen Versorgungssystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei modernen Flugzeugen besteht ein Trend darin, auf Gleichspannung (DC, „Direct Current“) basierende elektrische Netzwerke einzubinden, insbesondere Hochspannungs-Gleichspannungsnetzwerke (HVDC, „High Voltage Direct Current“). Hierbei ist aus Gewichtsgründen gewünscht, ausschließlich ein HVDC-Netzwerk und Gleichspannungsverbraucher in dem Flugzeug vorzusehen und, sollten Wechselspannung (AC, „Alternating Current“) verbrauchende Einrichtungen gefordert werden, die Gleichspannung in eine erforderliche Wechselspannung umzuwandeln. Folglich wird ein Hauptumformer, z.B. eine TRU („Transformer Rectifier Unit“, „Wandler-Gleichrichter-Einheit“) mit elektrischer Leistung von Generatoren versorgt, die von Triebwerken angetrieben werden und stellt eine Gleichspannung in das HVDC-Netzwerk bereit. Zum Verbessern der Sicherheit eines HVDC-Netzwerks zu verbessern ist ein bipolares Gleichspannungsnetzwerk bekannt. Um die bipolare HVDC-Spannung bereitzustellen, sind vereinfachte Generatorschaltkreise erforderlich, die auch als Gleichrichter oder AC/DC-Umwandler bekannt sind. Beispielsweise ist das Anklemmen eines Neutralpunkts eines Generators an Masse nicht erforderlich.
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Zum Beispiel zeigen
DE 10 2013 209 544 A1 und
US 2014/0346897 A1 eine Hochvoltgleichspannungseinheit mit einer ersten Gleichspannungsvorrichtung, die eine erste Hochvoltgleichspannung zwischen einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss der Gleichspannungsvorrichtung bereitstellt oder mit einer ersten Hochvoltgleichspannung versorgt werden kann. Eine zweite Gleichspannungsvorrichtung stellt eine zweite Hochvoltgleichspannung bereit oder kann mit einer zweiten Hochvoltgleichspannung versorgt werden. Ein erster Gleichspannungsanschluss ist mit dem ersten Ausgangsanschluss der ersten Gleichspannungsvorrichtung verbunden. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss der zweiten Gleichspannungsvorrichtung verbunden. Ein Referenzpotentialanschluss ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss der ersten Gleichspannungsvorrichtung gekoppelt, dem ersten Ausgangsanschluss der zweiten Gleichspannungsvorrichtung und mit einem Massepotential verbunden, wobei die erste und zweite Hochvoltgleichspannung eine bipolare Spannungsversorgung realisieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Verwendung von Wechselstrom verbrauchenden Geräten kann manchmal in einem Flugzeug gewünscht sein, welches ein HVDC-Netzwerk besitzt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Versorgungssystem für ein Flugzeug vorzuschlagen, das eine verbesserte oder alternative Fähigkeit zum Versorgen von Wechselstrom verbrauchenden Geräten aufweist.
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Die Aufgabe wird durch ein elektrisches Versorgungssystem für ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen können den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.
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Es wird ein elektrisches Versorgungssystem für ein Flugzeug vorgeschlagen, das System aufweisend mindestens einen Generator mit einer Vielzahl von Phasen und einem Neutralpunkt; ein Wechselspannungsnetzwerk; ein bipolares Gleichspannungsnetzwerk; und einen neutralpunktverbundenen Umwandler. Der mindestens eine Generator ist dazu ausgebildet, eine Wechselspannung bereitzustellen. Der Neutralpunkt des mindestens einen Generators ist in zumindest einer Betriebsphase mit Masse verbunden. Der Umwandler weist eine Wechselspannungsseite mit einer Vielzahl von Wechselspannungsanschlüssen auf, von denen jeder mit mindestens einer Phase des mindestens einen Generators koppelbar ist; und eine Gleichspannungsseite mit einem ersten Gleichspannungsanschluss, einem zweiten Gleichspannungsanschluss und einem neutralen Gleichspannungsanschluss. Die Wechselspannungsseite des Umwandlers ist mit dem mindestens einen Generator gekoppelt; die Gleichspannungsseite ist mit dem bipolaren Gleichspannungsnetzwerk gekoppelt; und der neutrale Gleichspannungsanschluss ist mit Masse verbunden. Der Umwandler ist dazu ausgebildet, sowohl eine Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite beim Empfangen einer Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite bereitzustellen, als auch eine Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite beim Empfangen einer Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße elektrische Versorgungssystem ist daher dazu in der Lage, elektrische Leistung an zwei verschiedene einzelne Netzwerke zu liefern, die in einem Flugzeug installiert sein könnten, d.h. ein herkömmliches Wechselspannungsnetzwerk und ein bipolares Gleichspannungsnetzwerk. Einer Tendenz folgend könnten moderne Flugzeuge mit mehr elektrischen Systemen auszustatten, die auch höhere Leistung erfordern. Hierbei könnten elektrische Systeme über ein Hochvolt-Gleichspannungs-Netzwerk (HVDC) und bevorzugt über ein bipolares HVDC-Netzwerk, das eine Erdrückleitung über die Flugzeugstruktur besitzt, mit einer Gleichspannung versorgt werden. Bei der Verwendung eines solchen Aufbaus sind lediglich zwei Leitungen statt drei Leitungen mit üblicherweise drei Phasen eines AC Netzwerks notwendig. Dies führt zu einer Reduktion des Gewichts, der Anzahl von Leitungen und des gesamten Leistungsverlusts im Allgemeinen.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass einige Flugzeugbetreiber eine verbleibende Verfügbarkeit eines gewöhnlichen Wechselspannungsnetzwerks wünschen, zum Beispiel mit 115 V AC, etwa um existierende kommerzielle Ausrüstungsgegenstände weiterzuverwenden. Dies könnte insbesondere elektrische Geräte in Küchen, zum Beispiel Öfen, Getränkebereiter usw. beinhalten. Daher erlaubt das erfindungsgemäße elektrische Versorgungssystem die Verwendung beider Arten von elektrischen Verbrauchern, sei es einzeln oder beide gleichzeitig.
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Durch Verwendung des Umwandlers ist eine bidirektionale Schnittstelle zwischen dem Wechselspannungsnetzwerk und dem Gleichspannungsnetzwerk gegeben. Das Gleichspannungsnetzwerk wird primär von dem Wechselspannungsnetzwerk mit Leistung versorgt, welches von dem mindestens einen Generator mit Leistung versorgt wird. Aufgrund der bidirektionalen Eigenschaft des Umwandlers ist es weiterhin möglich, das Wechselspannungs-Netzwerk mit elektrischer Leistung aus dem Gleichspannungs-Netzwerk statt von dem mindestens einen Generator zu versorgen. Daher ist nicht nur die allgemeine Flexibilität zum Installieren elektrischer Verbraucher verbessert, sondern auch die Zuverlässigkeit wird gesteigert, da das elektrische Versorgungssystem eine verbesserte Redundanz aufweist.
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In diesem Zusammenhang könnte der mindestens eine Generator ein Dreiphasen-Generator sein, der eine Wechselspannung erzeugt, die eine Frequenz in einem Bereich von beispielsweise 380 bis 800 Hz aufweist, abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Triebwerks, mit dem der mindestens eine Generator gekoppelt ist. Selbstverständlich können auch Generatoren mit mehr oder weniger Phasen eingesetzt werden, abhängig von den Anforderungen des Flugzeugbetreibers oder anderen Bedingungen. Das Wechselspannungsnetzwerk könnte direkt mit dem mindestens einen Generator verbunden sein, was zu einer einfachen und zuverlässigen Erzeugung von elektrischer Leistung führt. Die mit dem Wechselspannungsnetzwerk verbundenen Verbraucher werden jedoch höchstwahrscheinlich von individuellen Umwandlern abhängen.
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Das bipolare Gleichspannungsnetzwerk weist zwei separate Leiter in Form eines Kabels oder einer Schiene sowie eine Masseverbindung auf, die durch die Flugzeugstruktur selbst, eine Schirmung oder eine dedizierte dritte Leitung ausgeführt sein könnte, was im Falle eines Flugzeugs mit einer CFK-Struktur wahrscheinlich der Fall sein könnte. Beide vorangehend genannten Leiter weisen eine gegensätzliche Polarität auf, jedoch das gleiche Potential gegenüber der Masse. Da das individuelle Potential zur Masse auf 270 V begrenzt sein könnte, kann das Risiko eines Lichtbogenvorfalls minimiert werden. Es wird vorgeschlagen, beide Leiter mit einem ausreichenden Abstand zueinander zu installieren, um einen Lichtbogenvorfall zu verhindern, wenn die Isolierung des Leiters beschädigt ist. Elektrische Verbraucher könnten durch lediglich einen der beiden Leiter mit Leistung versorgt werden, z.B. abhängig von den jeweiligen Leistungsanforderungen.
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Der Neutralpunkt des mindestens einen Generators, der ein gemeinsamer Neutralpunkt aller Phasen ist, ist in mindestens einem Betriebsmodus mit Masse verbunden. Die jeweiligen Betriebsmodi könnten insbesondere einen normalen Betrieb umfassen, wie etwa während eines Reiseflugs, bei dem sämtliche Systeme intakt sind. Während es im Allgemeinen für Gleichspannungsnetzwerke nicht notwendig ist, den Neutralpunkt des mindestens einen Generators mit Masse zu verbinden, wie nachfolgend erläutert, ist es gängige Praxis, dies für Wechselspannungsnetzwerke durchzuführen. Aufgrund der Verwendung beider Netzwerktypen, also Wechselstrom und Gleichstrom, ist der Neutralpunkt im Zusammenhang mit der Erfindung mit Masse verbunden.
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Der umwandle ist als eine invertierende Vorrichtung zu verstehen, die eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Spannungsniveau zu einer Gleichspannung mit einem gewünschten Spannungsniveau umzuwandeln und umgekehrt. Der Umwandler ist eine Kernkomponente des erfindungsgemäßen elektrischen Versorgungssystems, da sie erlaubt, einen bidirektionalen Fluss elektrischer Leistung zwischen den einzelnen Netzwerken durchzuführen. Um eine Gleichspannung bereitzustellen kann der Umwandler einfach als Gleichrichter fungieren, zum Beispiel als ein aktiver Gleichrichter, der mit der sinusförmigen Wechselspannung synchronisiert ist. In der anderen Richtung des Leistungsflusses muss der Umwandler die gelieferte Spannung in eine Wechselspannung umwandeln, die im Wesentlichen eine Sinusform aufweist.
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Die Verwendung des Umwandlers führt zu mehreren Vorteilen. Zunächst ist der Generator in der Lage, Leistung an ein gewöhnliches Wechselspannungsnetzwerk zu liefern, während gleichzeitig die Vorteile eines bipolaren Hochvolt-Gleichspannungsnetzwerks zum Betreiben von elektrischen Systemen auf Gleichspannungsbasis erreicht werden können, insbesondere die Reduktion elektrischer Verluste. Es ist möglich, ein Hilfstriebwerk (APU) oder das mindestens eine Triebwerk aus einer Leistungsquelle, in dem bipolaren Gleichspannungsnetzwerk, wie etwa eine Batterie, unter Verwendung desselben Umwandlers zu starten. Ferner kann allgemein zur Unterstützung das Wechselspannungsnetzwerk aus dem Gleichspannungsnetzwerk versorgt werden. Des Weiteren kann das bipolare Gleichspannungsnetzwerk in einem „degradierten“ unipolaren Modus betrieben werden, was ein deutlich gesteigertes Redundanzniveau des Hochvolt-Gleichspannungsnetzwerks in einem Flugzeug bereitstellt. Dies könnte dann vorteilhaft sein, wenn einer der beiden Leiter ein ungewünschtes Ereignis erfährt, wie etwa durch einen Kurzschluss in einem defekten Gerät, welches mit dem betreffenden Leiter verbunden ist.
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Während Multi-Level NPC Umwandler eine mögliche Lösung zum Realisieren des Umwandlers sein kann, könnten andere Topologien ebenfalls geeignet sein. Zum Beispiel könnte der Umwandler auf einem modularen Multilevel Umwandler basieren, wie etwa ein M2C oder ein MMC, oder ein kaskadierter H-Brücken-Umwandler.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung eine Schnittstelle zwischen einem gewöhnlichen Wechselspannungsnetzwerk in einem Flugzeug und einem bipolaren HVDC-Netzwerk in einem Flugzeug mit einem sehr geringen Gewicht und der Fähigkeit einer bidirektionalen Leistungsübertragung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Umwandler ein neutralpunktverbundener Multilevel-Umwandler (Multilevel NPC Umwandler). Solch ein neutralpunktverbundener Multilevel-Umwandler weist üblicherweise eine Matrix aus Leistungshalbleitern und Kondensatoren auf, die es erlauben, relativ hohe Spannungen an einem Ausgang bereitzustellen, während die einzelnen Leistungshalbleiter nur mit geringeren Spannungen, abhängig von der Anzahl der Level, konfrontiert werden. Zum Beispiel können für jedes Level zwei Klemmdioden und vier Schaltzellen verwendet werden, um nur für einen Moment eine einzelne Generatorphase mit einem der beiden Leiter des Gleichspannungsnetzwerks zu verbinden, wenn die Wechselspannung der betreffenden Phase eine passende Polarität aufweist. Basierend auf der Anordnung der Schaltzellen und Dioden ist es möglich, nur einen Teil der Wechselspannung oder die gesamte Wechselspannung an den betreffenden Gleichspannungsleiter zu leiten, um das Spannungsniveau zu beeinflussen und eine möglichst gleichförmige Gleichspannung bereitzustellen. Aufgrund des unterschiedlichen Niveaus der momentanen Spannung jeder Phase auf der Wechselspannungsseite und möglicherweise auch einer variablen Frequenz, müssen die Schaltzellen mit dem Wechselstrom synchronisiert werden, um die gewünschte Schaltung der Spannungen auf das bipolare Gleichspannungsnetzwerk bereitzustellen. Folglich vollführen die Schaltzellen ein bestimmtes Schaltmuster, das zu dem Spannungsverlauf auf der Wechselspannungsseite passt. Auf der anderen Seite erlaubt ein solcher Umwandler das einfache Erzeugen einer Wechselspannung bei Versorgung mit einer Gleichspannung durch Adaptieren des Schaltmusters der Schaltzellen zu diesem Zweck. Der Vorteil der Verwendung eines solchen Multilevel-NPC-Umwandlers liegt in dem extrem niedrigen Gewicht und der Fähigkeit, flexibel auf praktisch jedes beliebige Spannungsniveau und jede Frequenz angepasst zu werden. Durch Verwendung einer Vielzahl von Leveln kann die Qualität sowohl der Gleichspannung als auch der Wechselspannung verbessert werden. Hier wird insbesondere für den Betrieb in einem Flugzeug ein Abwägen zwischen der gewünschten Qualität und dem Gewicht vorgeschlagen. Eine gute Leistungsqualität und ein niedriges Filtergewicht könnten erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das System ferner einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter auf. Der erste Schalter ist zwischen dem mindestens einen Generator und dem Umwandler angeordnet, um selektiv eine Verbindung zwischen dem mindestens einen Generator und dem Umwandler zu unterbrechen. Der zweite Schalter ist zwischen dem Generator und dem Wechselspannungsnetzwerk angeordnet, um selektiv eine Verbindung zwischen dem mindestens einen Generator und dem Wechselspannungsnetzwerk zu unterbrechen. Durch den ersten Schalter kann der Betrieb des bipolaren Gleichspannungsnetzwerks selektiv unterbrochen werden oder vollständig von dem Wechselspannungsnetzwerk getrennt werden. Dies könnte vorteilhaft sein, wenn ein unerwünschtes Ereignis in dem Wechselspannungsnetzwerk oder dem mindestens einen Generator detektiert wird, während eine andere Leistungsquelle in dem Gleichspannungsnetzwerk vorhanden ist. Das Gleichspannungsnetzwerk könnte dann durch Öffnen der Verbindung zwischen der Wechselspannungsseite des Umwandlers und dem mindestens einen Generator isoliert werden. Im Allgemeinen hilft dieser Vorgang dabei, ein Stören beider Leistungsquellen zu vermeiden. Dies könnte jedoch ebenso durchgeführt werden, wenn der Generator oder ein Verbraucher in dem Wechselspannungsnetzwerk einen Betriebsausfall erfährt oder falls das Wechselspannungsnetzwerk überhaupt nicht betrieben werden muss. Der zweite Schalter trennt indes den Generator von dem Wechselspannungsnetzwerk, falls das Wechselspannungsnetzwerk durch das Gleichspannungsnetzwerk mit elektrischer Leistung versorgt wird oder falls das Wechselspannungsnetzwerk nicht im Betrieb ist.
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Um einen Teil des elektrischen Versorgungssystems, in dem ein Fehler auftaucht, von dem verbleibenden Teil des elektrischen Versorgungssystems zu separieren, kann das elektrische Versorgungssystem ferner einen dritten Schalter aufweisen, der zwischen einem ersten Abzweigungspunkt zwischen dem ersten Schalter und der Wechselspannungsseite und einem zweiten Abzweigungspunkt zwischen dem zweiten Schalter und dem Wechselspannungsnetzwerk des Umwandlers angeordnet ist, um selektiv eine Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetzwerk und der Wechselspannungsseite des Umwandlers bereitzustellen. Dies erlaubt, den Umwandler direkt mit dem Wechselspannungsnetzwerk zu verbinden, wenn der Generator nicht verwendet wird. Ferner könnte es vorteilhaft sein, gleichzeitig den ersten und den zweiten Schalter zu öffnen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel weist das elektrische Versorgungssystem ferner einen ersten Filter auf, der mit der Wechsel spannungsseite des Umwandlers verbunden ist, wobei der erste Filter dazu ausgebildet ist, die Wechselspannung, welche von der oder an die Wechselspannungsseite des Umwandlers geliefert wird, zu beeinflussen, um eine vorbestimmte Spannungs-/Leistungsqualität zu erreichen. Der Filter könnte als separates Bauteil zu der Wechselspannungsseite des Umwandlers hinzugefügt werden oder könnte in den Umwandler integriert werden. Der erste Filter könnte entweder eine statische Vorrichtung, d.h. mit Bauteilen mit festgelegten elektrischen Eigenschaften, oder ein aktiver Filter sein, der dazu fähig ist, an verschiedene Betriebsbedingungen angepasst zu werden. Während andere Ausgestaltungen und Konfigurationen nicht ausgeschlossen werden, könnten LC-Filter eine geeignete Option darstellen.
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In einer noch weiteren Ausführungsform weist das elektrische Versorgungssystem ferner einen zweiten Filter auf, der zwischen dem Wechselspannungsnetzwerk und dem mindestens einen Generator angeordnet ist, wobei der zweite Filter dazu ausgebildet ist, die Wechselspannung zu beeinflussen, die in das Wechselspannungsnetzwerk geliefert wird, um eine vorbestimmte Spannungs-/Leistungsqualität zu erreichen. Dieser zweite Filter könnte lediglich eine Option sein, die die Wechselspannungsleistung harmonisiert, welche in das Wechselspannungsnetzwerk eingeleitet wird.
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Wie vorangehend dargestellt, könnte das erfindungsgemäße elektrische Versorgungssystem ferner eine zusätzliche Leistungsversorgungsvorrichtung aufweisen, das dazu ausgebildet ist, eine Gleichspannung an das bipolare Gleichspannungsnetzwerk zu liefern. Neben Batterien, Gleichspannungsgeneratoren und anderen Vorrichtungen könnten ebenso Brennstoffzellenstapel eine denkbare Option darstellen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Umwandler ein neutralpunktverbundener 3-Level-Umwandler. Der zusätzliche dritte Schaltzustand kann dazu verwendet werden, um ein Pulsweitenmodulationsschema zu erzeugen, so dass der Ripple-Strom durch den Neutralpunkt minimiert wird und folglich die Gleichtaktspannungs-Welligkeit (Ripple) ebenso minimiert wird. Ein 3-Level-Neutralpunkt könnte exemplarisch in „Lopez et al.: Space Vector PWM With Common-Mode Voltage Elimination for Multiphase Drives, IEEE Transactions on Power Electronics, December 2016" beschrieben sein.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Umwandler ein 2-Level-Umwandler. Es ist möglich, ein bipolares HVDC-Netzwerk in einem Flugzeug aus einem gewöhnlichen Wechselspannungsnetzwerk mit einem masseverbundenen Neutralpunkt eines Generators durch Verwendung einer derartigen fundamentalen Schaltungskonfiguration zu generieren. Hierbei könnte ein Gleichtaktspannungs-Ripple an dem Gleichspannungsanschluss erfahren werden, der ebenso von der Gleichspannungslast abhängt. Jedoch ist dieser Umwandlertyp sehr einfach im Aufbau und kosteneffizient.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einer elektrischen Versorgungseinheit gemäß der vorangehenden Beschreibung.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt ein elektrisches Versorgungssystem in einer vereinfachten, schematischen Ansicht.
- 2 zeigt ein modifiziertes elektrisches Versorgungssystem mit zusätzlichen Filtern in einer schematischen Ansicht.
- 3 zeigt ein weiter modifiziertes elektrisches Versorgungssystem mit zusätzlichen Schaltern in einer schematischen Darstellung.
- 4 zeigt ein Beispiel eines Filters in einem stark vereinfachten elektrischen Versorgungssystem in einer schematischen Ansicht. Nur der erste obere Filter aus 3 wird hier gezeigt.
- 5 zeigt ein weiter modifiziertes elektrisches Versorgungssystem mit einem 2-Level-Umwandler.
- 6 zeigt ein Flugzeug mit einem solchen elektrischen Versorgungssystem.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein elektrisches Versorgungssystem 2 in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung. Hier wird ein Triebwerks-betriebener Generator 4 nur durch drei Phasen 4a, 4b und 4c angedeutet, die eine Sternschaltung mit einem Neutralpunkt 6 bilden, der mit Masse 8 verbunden ist. Solch eine Schaltung ist üblicherweise in Flugzeugen mit Wechselspannungsnetzwerken zu finden.
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In diesem Ausführungsbeispiel liefert jedoch der Generator 4 eine Wechselspannung zu einem elektrischen Umwandler 10, der in Form eines 3-Level (A) NPC-Umwandlers gewählt ist, bei dem der Neutralpunkt mit Masse verbunden ist. Ein Multilevel-Umwandler mit einer höheren Anzahl von Leveln ist ebenso möglich. Der Generator 4 ist mit einer Wechselspannungsseite 12 des Umwandlers 10 verbunden, der ebenso eine Gleichspannungsseite 14 besitzt, der einen ersten Pol oder einen ersten Gleichspannungsanschluss 16, einen zweiten Pol oder einen zweiten Gleichspannungsanschluss 18 und einen Neutralpunkt oder einen Neutral-Gleichspannungsanschluss 20, der zudem mit der Masse 8 verbunden ist. Der erste Pol 16 könnte eine positive Spannung Up, etwa 270 V, relativ zur Masse 20 aufweisen. Der zweite Pol 18 weist eine negative Spannung Un auf, die etwa -270V relativ zur Masse 20 betragen kann.
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Für jeder der beispielhaft drei Level weist der Umwandler 10 zwei Klemmdioden 22a, 22b, 22c, 22e, 22f und 22g und vier Schaltzellen 28 auf, die zum Verbinden einer einzelnen Generatorphase 4a, 4b und 4c nur für einen kurzen Moment mit einem der beiden Pole 16 und 18 dienen, wenn eine Wechselspannung, welche durch die entsprechende Phase 4a, 4b und 4c geliefert wird, eine passende Polarität aufweist. Die Schaltzellen 28 agieren durch die Bauteile 24 und 26, welche beide als Halbleiter ausgeführt sein könnten, jeweils als bidirektionaler Schalter.
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Die Klemmdioden 22a bis 22f erlauben eine Spannung von Null an den Wechselspannungsanschlüssen 19a, 19b, 19c des Umwandlers 10. Dies kann durchgeführt werden, wenn die inneren Schaltzellen in dem in 1 gezeigten Umwandler geschlossen sind, was zum Verbinden der betreffenden Phase mit Masse führt. Falls der Umwandler 10 durch PWM synchronisiert wird, ist das Verhältnis zwischen Schaltintervallen zu Periodendauer derart ausgewählt, dass die gewünschte Spannung im Durchschnitt bereitgestellt wird.
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Kondensatoren 21 eines Gleichspannungszwischenkreises zwischen dem positiven Pol 16 und Masse 8 sowie zwischen dem negativen Pol 18 und Masse 8 erlauben das Harmonisieren des Stroms, der durch den Umwandler 10 geliefert wird.
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Basierend auf der Anordnung der Schaltzellen 28 und Klemmdioden 22a bis 22f ist es möglich, nur einen Teil der Wechselspannung oder die gesamte Wechselspannung an den betreffenden Gleichspannungsanschluss 16 oder 18 zu leiten. Es ist verständlich, dass die Schalttätigkeit der Schaltzellen 28 mit dem Wechselstrom synchronisiert werden muss, so dass die an die Pole 16 und 18 gelieferte Spannung das gewünschte Spannungsniveau bereitstellen. Hieraus resultierend stellen die Schaltzellen 28 ein Schaltmuster bereit, welches zu dem Spannungsverlauf auf der Wechselspannungsseite passt. Gleichzeitig kann der Umwandler 10 eine Wechselspannung basierend auf einer an die Pole 16 und 18 angelegten Gleichspannung durch adaptieren des Schaltmusters der Schaltzellen 28 an diesen Zweck bereitstellen.
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2 zeigt ein modifiziertes Versorgungssystem 30 mit einem Umwandler 10, einem Generator 4, einem Wechselspannungsnetzwerk 32 und einem bipolaren Gleichspannungsnetzwerk 34. Zusätzlich zu den Bauteilen in 1 ist ein erster Filter 36 vorhanden, der zwischen dem Generator 4 und der Wechselspannungsseite 12 des Umwandlers 10 angeordnet ist. Der erste Filter 36 weist einen Satz Bauteile auf, die das Beeinflussen der Wechselspannung erlauben, die von der Wechselspannungsseite 12 geliefert wird oder die an die Wechselspannungsseite 10 des Umwandlers 10 geliefert wird, um eine vorbestimmte Spannungs-/Leistungsqualität zu erreichen. Beispielsweise könnten Ripples (Welligkeiten) entfernt und die Wellenform der Wechselspannung harmonisiert werden. Dies könnte gemeinsam durch Verwendung von Kondensatoren und Induktivitäten durchgeführt werden.
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Ein zweiter Filter 38 könnte zwischen dem Generator 4 und dem Wechsel spannungsnetzwerk 32 angeordnet werden und dieselbe Funktion bereitstellen, d.h. das Beeinflussen der Wechselspannung, die in das Wechselspannungsnetzwerk 32 geliefert wird, um eine vorbestimmte Spannungs-/Leistungsqualität zu erreichen. Dies könnte ebenso durch gewöhnliche Bauteile, wie etwa Kondensatoren und Induktivitäten, zum Entfernen von Ripples und zum Harmonisieren der Wellenform der Wechselspannung durchgeführt werden.
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3 stellt eine weitere Option in Form eines ersten Schalters 40 bereit, der zwischen dem Generator 4 und einem ersten Abzweigungspunkt 42 zwischen dem Generator 4 und der Wechselspannungsseite 12 des Umwandlers 10 angeordnet ist. Ein zweiter Schalter 44 ist zwischen dem Generator 4 und einem zweiten Abzweigungspunkt 46 zwischen dem Generator 4 und dem Wechsel spannungsnetzwerk 32 angeordnet. Ein dritter Schalter 48 könnte zwischen dem ersten Abzweigungspunkt 42 und dem zweiten Abzweigungspunkt 46 angeordnet sein.
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Die Schalter 40, 44 und 46 erlauben das Betreiben des elektrischen Systems in verschiedenen Betriebsmodi. Der erste Schalter 40 erlaubt, das Gleichspannungsnetzwerk 34 von dem Generator 4 zu isolieren. Abhängig von dem Zustand des dritten Schalters 48 könnte das Gleichspannungsnetzwerk 34 durch eine Leistungsquelle betrieben werden, die in dem Gleichspannungsnetzwerk 34 selbst angeordnet ist oder durch eine Leistungsquelle in dem Wechselspannungsnetzwerk 32, z.B. einen Generator, der von einem Hilfstriebwerk angetrieben wird, wenn der dritte Schalter 48 geschlossen ist.
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Beispielsweise sind die folgenden Betriebsmodi erreichbar:
| | Erster Schalter | Zweiter Schalter | Dritter Schalter | Betriebsmodi |
| 1 | Geöffnet | Geöffnet | Geöffnet | DC- und AC-Netzwerk werden durch individuelle Leistungsquellen betrieben, Generator ist inaktiv |
| 2 | Geöffnet | Geöffnet | Geschlossen | Leistungsübertragung zwischen DC- und AC-Netzwerk, Generator inaktiv |
| 3 | Geöffnet | Geschlossen | Geöffnet | DC-Netzwerk kann nur durch individuelle Leistungsquelle betrieben werden, AC-Netzwerk wird durch Generator betrieben. Oder elektrischer Triebwerksstart: Generator in Motor-Modus |
| 4 | Geöffnet | Geschlossen | Geschlossen | DC- und AC-Netzwerk werden durch Generator betrieben; Triebwerksstart |
| 5 | Geschlossen | Geöffnet | Geöffnet | DC-Netzwerk wird durch Generator betrieben, AC-Netzwerk kann nur durch individuelle Leistungsquelle betrieben werden oder ist deaktiviert; Triebwerksstart |
| 6 | Geschlossen | Geöffnet | Geschlossen | DC- und AC-Netzwerk durch Generator betrieben |
| 7 | Geschlossen | Geschlossen | Geöffnet | DC- und AC-Netzwerk durch Generator betrieben |
| 8 | Geschlossen | Geschlossen | Geschlossen | DC- und AC-Netzwerk durch Generator betrieben |
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Die Szenarios 4, 6, 7 und 8 führen zu demselben Betriebsmodus, da aufgrund der gewählten Position der Schalter 40, 44, 48 sowohl der Umwandler 10 als auch das Wechselspannungsnetzwerk 32 mit der Wechselspannung aus dem Generator 4 versorgt werden. In mindestens einem Betriebsmodus könnte der Generator deaktiviert sein, beispielsweise aufgrund noch nicht gestarteter Triebwerke. Ist der Generator 4 ein Starter-Generator, könnte bevorzugt das Gleichspannungsnetzwerk Leistung an den Generator liefern, um das zugehörige Triebwerk zu starten. Dies könnte bevorzugt zu dem Szenario 5 gehören. Jedoch könnte ebenso das Wechselspannungsnetzwerk mit dem Umwandler 10 verbunden bleiben, so dass die Szenarios 4 und 6-8 ebenso zum Starten des Triebwerks verwendet werden könnten.
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Falls der Generator ausfällt, könnte er sowohl von dem Umwandler, als auch von dem Wechselspannungsnetzwerk getrennt werden, was zu den Szenarios 1 und 2 gehören könnte.
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In Szenario 2 muss der Umwandler das Gleichspannungsnetzwerk versorgen, während dieselben Merkmale für das Wechselspannungsnetzwerk bereitgestellt werden wie von dem Generator 4, beispielsweise zum Betreiben einzelphasiger Lasten, die mit dem Neutralpunkt oder der Masse verbunden sind.
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Zusätzlich zu der Darstellung in 1 zeigt 4 einen exemplarischen Aufbau eines ersten Filters 36 in Form eines LC-Filters. Hier ist jede von dem Generator 4 kommende Phase 4a, 4b und 4c mit einem Kondensator 50a, 50b oder 50c verbunden, die in einer Parallelschaltung mit der Masse 52 verbunden sind. Für jede Phase 4a, 4b und 4c ist eine individuelle Induktivität 54a, 54b und 54c in Reihenschaltung mit der Wechselspannungsseite 12 des Umwandlers 10 bereitgestellt. Durch Gestaltung der Kondensatoren 50a, 50b und 50c sowie der Induktivitäten 54a, 54b und 54c gemäß den erwarteten Betriebsbedingungen wird die Wechselspannung, welche an die Wechselspannungsseite 12 geliefert wird oder von der Wechselspannungsseite 12 kommt, harmonisiert.
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5 zeigt einen anderen Umwandler 56, der in Form eines 2-Level-Umwandlers realisiert ist. Hier wird ein einfacherer Aufbau mit zwei Schaltzellen 28 für jede Phase 4a, 4b und 4c verwendet, die direkt mit der betreffenden Phase verbunden sind. Gleichspannungszwischenkreis-Kondensatoren 21 sind sowohl zwischen dem positiven Pol 16 und der Masse 8 angeordnet, zwischen dem negativen Pol 18 und der Masse 8 als auch zwischen beiden Polen 16 und 18, um den von beiden Polen 16 und 18 gelieferten Strom zu harmonisieren. Wie vorangehend erwähnt kann die durch einen solchen Umwandler gelieferte Gleichspannung eine mehr oder weniger ausgeprägte Welligkeit (Ripple) beinhalten, ist jedoch kostengünstiger.
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6 zeigt ein Flugzeug 58 mit zwei Triebwerken 60, die jeweils mindestens einen Generator 4 antreiben können. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Flugzeug 58 ein elektrisches Versorgungssystem gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209544 A1 [0003]
- US 2014/0346897 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lopez et al.: Space Vector PWM With Common-Mode Voltage Elimination for Multiphase Drives, IEEE Transactions on Power Electronics, December 2016“ beschrieben sein [0023]