專利名稱：采用轉(zhuǎn)換器的無間斷電力轉(zhuǎn)移的方法以及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域大體上涉及變頻(VF)發(fā)電系統(tǒng)，并且更具體地，涉及在以不同的頻率的兩個源之間轉(zhuǎn)移負載而不中斷給該負載的電力。
背景技術：
至少一些已知的飛行器使用VF發(fā)電系統(tǒng)作為電力源以便于提高可靠性并且最小化重量。VF系統(tǒng)的一個劣勢是它們不能夠容易地與其他VF系統(tǒng)或與恒頻系統(tǒng)并聯(lián)放置來執(zhí)行無間斷電力轉(zhuǎn)移(no-break power transfer) 0間斷型電力轉(zhuǎn)移產(chǎn)生不期望的影響， 例如電子設備重置以及向機艙音頻和/或照明系統(tǒng)的電力的中斷，其可以使乘客分心或惱怒。當前，在以不同的頻率操作的兩個電源之間的無間斷轉(zhuǎn)移通過調(diào)節(jié)一個源的輸出以匹配另一個源的頻率和相位而實現(xiàn)。然而，該配置要求相對復雜的能夠操縱一個或兩個電源用于電力轉(zhuǎn)移目的的控制系統(tǒng)并且可能與對電源的其他需求沖突。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供用于使用臨時電源來從以第一電頻率操作的第一電源轉(zhuǎn)移電力總線到以第二電頻率(其不同于該第一電頻率)操作的第二電源的方法。該方法包括調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配該第一電頻率以及從該臨時電源向電力總線供應電力。該方法還包括從該電力總線切斷該第一電源。該方法進一步包括調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配該第二電頻率。該方法進一步包括使該第二電源耦合于該電力總線。在另一個方面，提供電力轉(zhuǎn)移裝置。該電力轉(zhuǎn)移裝置操作上可耦合于主負載總線、 第一電源總線、第二電源總線和臨時電源中的每個。該電力轉(zhuǎn)移裝置配置成調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配該第一電源總線的第一電頻率。該電力轉(zhuǎn)移裝置進一步配置成從該臨時電源向該主負載總線供應電力以及從該主負載總線切斷該第一電源總線。該電力轉(zhuǎn)移裝置還配置成調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配該第二電源總線的第二電頻率，該第二電頻率不同于該第一電頻率。該電力轉(zhuǎn)移裝置進一步配置成使該第二電源總線耦合于該主負載總線。在再另一個方面，提供用于從第一電源總線轉(zhuǎn)移電力總線到第二電源總線的系統(tǒng)。該第一電源總線和該第二電源總線分別通過第一開關和第二開關可電耦合于該電力總線。該系統(tǒng)包括電耦合于該電力總線的臨時電源。該系統(tǒng)還包括操作上耦合于該第一開關、 該第二開關和該臨時電源的控制器。該控制器配置成感測該第一電源總線和該第二電源總線的電參數(shù)。該控制器還配置成調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配在該第一電源總線上檢測的第一電頻率以及以從該臨時電源向電力總線供應電力。該控制器進一步配置成斷開第一開關以從該電力總線切斷該第一電源總線。該控制器還配置成調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配在該第二電源總線上檢測的第二電頻率，該第二電頻率不同于該第一電頻率。該控制器進一步配置成閉合第二開關以使該第二電源總線耦合于該電力總線。


圖1是包括電力轉(zhuǎn)移裝置的電力系統(tǒng)的示意圖。圖2是電力轉(zhuǎn)移裝置控制器的示意圖。圖3是用于使用例如在圖1中示出的臨時電源從第一電源轉(zhuǎn)移電力到第二電源的方法的示范性流程圖。
具體實施例方式下列詳細說明通過示例并且不通過限制方式圖示示范性電力轉(zhuǎn)移裝置和使用相同的示范性電力轉(zhuǎn)移裝置的方法。該說明使本領域內(nèi)技術人員能夠清楚地做出和使用本發(fā)明，并且該說明描繪本發(fā)明的若干實施例、修改、變化、備選和使用，其中包括目前被認為是執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。本發(fā)明在本文描述為適用于優(yōu)選實施例，即，用于變頻產(chǎn)生系統(tǒng)的無間斷電力轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換器。然而，預想本公開具有在廣范的系統(tǒng)和/或多種其他商業(yè)、工業(yè)和 /或消費者應用中的一般應用。如本文描述的無間斷電力轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換器提供以不同的頻率操作的電源之間的不中斷電力轉(zhuǎn)移而不必匹配這些電源自身的輸出頻率。此外，因為電力在小于一秒內(nèi)從一個源轉(zhuǎn)移到另一個，裝置僅需要相對小和輕量的能量存儲裝置(例如，電容器或電池)。包括能量存儲裝置的設備因此產(chǎn)生相對少的熱并且不需要外部冷卻系統(tǒng)。這樣的轉(zhuǎn)換器從而可安裝作為新的飛行器中的電力系統(tǒng)的一部分并且可容易地加裝到現(xiàn)有的飛行器。圖1是包括電力轉(zhuǎn)移裝置105的示范性電力系統(tǒng)100的示意圖。電力系統(tǒng)100還包括主負載總線110。一個或多個電氣裝置(在圖1中未示出)電耦合于主負載總線110。 在平常的操作中，電力從第一電源115或第二電源120供應給主負載總線110。第一電源 115和/或第二電源120包括原動機(prime mover)和發(fā)電機(electrical generator)。 由于該原動機的速度和功率輸出需求，該發(fā)電機可以變頻式操作。在示范性實施例中，第一電源包括驅(qū)動飛行器上的發(fā)電機的噴氣發(fā)動機。在例如起飛等一些操作階段期間，噴氣發(fā)電機以高速操作并且發(fā)電機因此以高頻操作。在例如高空巡航等其他操作情景中，噴氣發(fā)動機以低速操作并且發(fā)電機以低頻操作。第一電源115和/或第二電源120可基于例如噴氣發(fā)動機等原動機的功率輸出需求而以可變電頻率操作。第一電源115電耦合于第一電源總線125。第一開關135的觸點被安置在第一電源總線125和主負載總線110之間。第一電源總線125可以通過閉合或斷開第一開關135耦合于主負載總線110或從主負載總線110去耦合。第二開關140的觸點被安置在第二電源總線130和主負載總線110之間。第二電源120電耦合于第二電源總線 130。第二電源總線130可以通過閉合或斷開第二開關140耦合于主負載總線110或從主負載總線110去耦合。電力轉(zhuǎn)移裝置105包括電耦合于主負載總線110的臨時電源145。電力轉(zhuǎn)移裝置 105還包括控制器150?？刂破?50操作上耦合于第一開關135、第二開關140和臨時電源 145。控制器150通信地耦合于轉(zhuǎn)移始發(fā)器152。轉(zhuǎn)移始發(fā)器152配置成通過傳送命令到控制器150來命令從第一電源115到第二電源120的轉(zhuǎn)移?？刂破?50配置成確定電參數(shù)，例如但不限于第一電源總線125和第二電源總線 130的電頻率?？刂破?50還配置成使用晶體管165調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出頻率以大致上匹配第一電源總線125的確定的電頻率?？刂破?50操作臨時電源145使得臨時電源 145的輸出與第一電源總線125同相并且在幅度上大致上匹配第一電源總線的電壓?？刂破?50從主負載總線110轉(zhuǎn)移電力到臨時電源145。控制器150斷開第一開關135以從主負載總線110切斷第一電源總線125?？刂破?50調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出頻率以大致上匹配在第二電源總線130上確定的頻率。在示范性實施例中，控制器150延遲一段時間調(diào)節(jié)臨時電源145以足夠第一開關135完全斷開?？刂破?50閉合第二開關140以使第二電源總線130耦合于主負載總線110。在示范性實施例中，控制器150通過將臨時電源145的輸出頻率從第一電頻率調(diào)節(jié)到第二電頻率而調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出頻率以大致上匹配第二電頻率?？刂破?50通過控制晶體管165的開通或?qū)〞r間而調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出頻率。在示范性實施例中，控制器150在小于大約100毫秒內(nèi)將輸出頻率從第一電頻率大致上線性地調(diào)節(jié)到第二電頻率。在備選實施例中，控制器150漸進地朝第二電頻率調(diào)節(jié)輸出頻率。在一個示例中， 給定600Hz的第一頻率和400Hz的第二頻率，控制器150以平均每毫秒大約5Hz調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出，使得在大約40毫秒內(nèi)執(zhí)行整個200Hz調(diào)節(jié)。如在圖1中圖示的，電力轉(zhuǎn)移裝置105包括臨時電源145作為內(nèi)部部件。在示范性實施例中，臨時電源145被安置在具有電力轉(zhuǎn)移裝置105的單個外殼中。電力轉(zhuǎn)移裝置 105還可以或替代地操作上可耦合于外部臨時電源(在圖1中未示出)。電力轉(zhuǎn)移裝置105 可以是操作上可耦合于或耦合于多個臨時電源，這些臨時電源對于電力轉(zhuǎn)移裝置105在內(nèi)部和/或外部。在示范性實施例中，臨時電源145包括能量存儲裝置155。能量存儲裝置155包括，例如，例如電容器等靜電存儲裝置、例如電池或燃料電池等電化學存儲裝置或能夠存儲并且釋放電能的任何其他裝置。在示范性實施例中，臨時電源145包括轉(zhuǎn)換器160，其將來自能量存儲裝置1 的直流電轉(zhuǎn)換成用于主負載總線110的交流電(AC)。轉(zhuǎn)換器160包括晶體管165和電感器170?？刂破?50通過例如控制晶體管165的輸出來控制臨時電源145 的輸出(例如，頻率、電壓和相位)。具體地，控制器150控制晶體管165的開通或?qū)〞r間以在可選擇的頻率產(chǎn)生交流電正弦波。電感器170過濾晶體管165的輸出來平滑轉(zhuǎn)換器 160的正弦波輸出。還預想其他轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。能量存儲裝置155通過相對于電源總線(轉(zhuǎn)換器160連接到其)的相位調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器160的相位而由控制器150充電。例如，如果主負載總線110耦合于第一電源總線125、電荷能量存儲裝置155，控制器150則調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器160 的相位來使第一電源115的相位落后或滯后。在操作期間，控制器150調(diào)節(jié)臨時電源145的輸出使得臨時電源145和第二電源總線130之間的相位差大約是零度?？刂破?50從而可在閉合第二開關140之前獲得臨時電源145和第二電源總線130之間的鎖相。在示范性實施例中，控制器150在操作期間通過轉(zhuǎn)換器160從第一電源總線125 或第二電源總線130對臨時電源145充電。例如，在電力轉(zhuǎn)移裝置105從第一電源總線125 轉(zhuǎn)移主負載總線155到第二電源總線130后，能量存儲裝置155部分或完全被放電。能量存儲裝置155從第二電源總線130充電來確保可隨后執(zhí)行從第二電源總線130到第一電源總線125的相似的轉(zhuǎn)移而不中斷給主負載總線110的電力。在備選實施例中，控制器150從主負載總線110對臨時電源145充電。主負載總線110運送交流電，并且能量存儲裝置155需要直流電。整流器(在圖1中未示出)因此被安置在主負載總線110和能量存儲裝置155之間以便于充電。該整流器包括在臨時電源 145中(例如，在轉(zhuǎn)換器160中)。在一些實施例中，電力轉(zhuǎn)移裝置105包括處理器175。在示范性實施例中，處理器 175包括在控制器150中。圖2是例如控制器150等電力轉(zhuǎn)移裝置控制器的示意圖。參照圖1和2兩者，控制器150包括切換狀態(tài)機205，其為控制器150提供順序和邏輯控制。切換狀態(tài)機205通信地可耦合于轉(zhuǎn)移始發(fā)器152使得切換狀態(tài)機205從轉(zhuǎn)移始發(fā)器152接收總線轉(zhuǎn)移命令。 切換狀態(tài)機205操作上耦合于第一開關135、第二開關140、第三開關210和第四開關215。 在示范性實施例中，第三開關210是使控制器輸入總線220耦合于第一電源總線125或第二電源總線130的雙擲開關。第四開關215的觸點被安置在DC鏈路調(diào)整器225和求和塊 227之間。鎖相環(huán)路230和電壓幅度計算器235耦合于控制器輸入總線220。鎖相環(huán)路230 監(jiān)測控制器輸入總線220的相位角。鎖相環(huán)路230包括調(diào)節(jié)鎖相環(huán)路230的輸出相位角的環(huán)路濾波器(未示出)。該環(huán)路濾波器根據(jù)時間常數(shù)操作，該時間常數(shù)足夠長以確保鎖相環(huán)路230在短的時段從與第一電源總線125同步調(diào)節(jié)到與第二電源總線130同步。該逐步調(diào)節(jié)防止主負載總線110從第一電源總線125突然移到第二電源總線130(這可負面地影響附連到主負載總線110的裝置的操作)。電壓幅度計算器235計算控制器輸入總線220上的AC電壓幅度，該AC電壓幅度被饋送到鎖相環(huán)路230。該電壓幅度用于調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出，如下文論述的。在示范性實施例中，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大致上等于通過電源總線(即，第一電源總線125或第二電源總線 130)供應給主負載總線110的電壓。采用該方式匹配電壓防止無功功率循環(huán)，無功功率循環(huán)可導致系統(tǒng)中不必要的損耗和/或發(fā)熱。從鎖相環(huán)路230的輸出被添加到DC鏈路調(diào)整器225的輸出并且供應給相位角轉(zhuǎn)換器M0。相位角轉(zhuǎn)換器240將來自鎖相環(huán)路230的旋轉(zhuǎn)角(θ )轉(zhuǎn)換成α、β坐標系。在示范性實施例中，使用下列方程α = cos (θ), β = sin(0)oDC鏈路調(diào)整器225形成固有相位角偏移以施加給鎖相環(huán)路的輸出，使得電力通過轉(zhuǎn)換器160從主負載總線110流動并且將能量存儲裝置155充電至由DC總線電壓設定點 245限定的靶電壓。在示范性實施例中，DC鏈路調(diào)整器225是比例積分(PI)型反饋回路控制器，并且DC總線電壓設定點245被設置成450伏(V)。第四開關215的觸點被安置在DC鏈路調(diào)整器225和求和塊227之間，求和塊227 通過從由DC總線感測157提供的逆變器的DC鏈路電壓中去除DC總線電壓設定點245而產(chǎn)生DC總線電壓誤差信號。切換狀態(tài)機205操作上耦合于第四開關215使得切換狀態(tài)機 205控制DC鏈路調(diào)整器225是否電耦合于求和塊227。僅當DC鏈路調(diào)整器通過第四開關 215耦合于求和塊227時，DC鏈路調(diào)整器接收DC總線電壓誤差信號作為輸入。DC總線電壓設定點245是對于轉(zhuǎn)換器160的DC總線電壓的調(diào)整設定點。例如對于115V飛行器總線，需要從能量存儲裝置155得到伏直流電(VDC)的最小電壓。DC總線電壓設定點M5的設置越高，從能量存儲裝置155提取可得到的可用存儲能量的百分比越高。存儲在能量存儲裝置155中的能量與總線電壓的平方成比例。因此，在填補操作期間可以提取的有用功率的百分比如下(Vsetp。int2_Vmin2)/Vsetp。int2。例如，在總線轉(zhuǎn)移期間，450V 的設定點允許能量存儲裝置155中總存儲能量的61%輸送到主負載總線110。從電壓幅度計算器235的輸出Vmag被傳送到調(diào)制深度計算器250。調(diào)制深度計算器250還通過DC總線感測157接收轉(zhuǎn)換器的DC總線電壓(Vde)。調(diào)制深度計算器250計算期望的調(diào)制深度并且提供前饋補償，其允許當能量存儲裝置155的輸出電壓在填補事件期間下降時轉(zhuǎn)換器的輸出電壓保持在期望的幅度。在示范性實施例中，調(diào)制深度計算器250 的輸出是Vmag/Vd。。從調(diào)制深度計算器250的輸出與從相位角轉(zhuǎn)換器MO的輸出在倍增器255處組合。倍增器255通過來自調(diào)制深度計算器250的調(diào)制深度從相位角轉(zhuǎn)換器MO ( α，β )定標單位長度(unity length)。合成的輸出是二維矢量Va e，其代表來自轉(zhuǎn)換器的期望的輸出電壓。該信號被傳送到空間矢量調(diào)制器260。空間矢量調(diào)制器260計算對于晶體管165的開關模式使得臨時電源145的輸出電壓的平均值等于輸入信號Va 0。在示范性實施例中，空間矢量調(diào)制器260使用脈寬調(diào)制實現(xiàn)期望的輸出。在示范性情景中，當切換狀態(tài)機205從轉(zhuǎn)移始發(fā)器152接收總線轉(zhuǎn)移命令時，主負載總線110由第一電源總線125供電。切換狀態(tài)機205通過操縱開關135、140、210和215 協(xié)調(diào)主負載總線110到第二電源總線130的轉(zhuǎn)移，如在下面的表1中說明的。
權(quán)利要求
1.一種將電力總線的供電從以第一電頻率操作的第一電源轉(zhuǎn)移到以不同于所述第一電頻率的第二電頻率操作的第二電源的方法，所述方法包括調(diào)節(jié)臨時電源的輸出頻率以大致上匹配所述第一電頻率； 以所述第一電頻率從所述臨時電源向所述電力總線供應電力； 從所述電力總線切斷所述第一電源；調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以大致上匹配所述第二電頻率；以及將所述第二電源耦合于所述電力總線。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括從所述電力總線對所述臨時電源充電。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出使得所述臨時電源和所述第二電源之間的相位差大約是零度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以匹配所述第二電頻率包括在小于大約100毫秒內(nèi)將所述臨時電源的輸出頻率從所述第一電頻率調(diào)節(jié)到所述第二電頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述臨時電源包括電容器，并且其中從所述臨時電源向所述電力總線供應電力包括當向所述電力總線供應電力時使所述電容器放電。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述臨時電源包括轉(zhuǎn)換器并且其中以所述第一電頻率從所述臨時電源向所述電力總線供應電力包括將由電容器和電池中的至少一個供應的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。
7.一種操作上能耦合于主負載總線、第一電源總線、第二電源總線和臨時電源中的每個的電力轉(zhuǎn)移裝置，所述電力轉(zhuǎn)移裝置配置成調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以匹配所述第一電源總線的第一電頻率； 從所述臨時電源向所述主負載總線供應電力； 從所述主負載總線切斷所述第一電源總線；調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以匹配所述第二電源總線的第二電頻率，所述第二電頻率不同于所述第一電頻率；和使所述第二電源總線耦合于所述主負載總線。
8.如權(quán)利要求7所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其中所述臨時電源被安置在具有所述電力轉(zhuǎn)移裝置的單個外殼中。
9.如權(quán)利要求8所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其中所述臨時電源包括能量存儲裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其中所述臨時電源進一步包括配置成將來自所述能量存儲裝置的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的轉(zhuǎn)換器。
11.如權(quán)利要求10所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其進一步配置成調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)換器的輸出使得所述臨時電源和所述第二電源總線之間的相位差大約是零度。
12.如權(quán)利要求7所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其進一步配置成從所述主負載總線對所述能量存儲裝置充電。
13.如權(quán)利要求7所述的電力轉(zhuǎn)移裝置，其中所述第一電源總線通過第一開關能電耦合于所述主負載總線； 所述第二電源總線通過第二開關能電耦合于所述主負載總線； 所述電力轉(zhuǎn)移裝置配置成通過斷開所述第一開關從所述主負載總線切斷所述第一電源總線；并且所述電力轉(zhuǎn)移裝置配置成通過閉合所述第二開關使所述第二電源總線耦合于所述主負載總線。
14.一種用于從第一電源總線轉(zhuǎn)移負載總線到第二電源總線的系統(tǒng)，所述第一電源總線通過第一開關能電耦合于所述電力總線，所述第二電源總線通過第二開關能電耦合于所述電力總線，所述系統(tǒng)包括電耦合于所述負載總線的臨時電源；和操作上耦合于所述第一開關、所述第二開關和所述臨時電源的控制器，其中所述控制器配置成確定所述第一電源總線和所述第二電源總線的電參數(shù)；調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以大致上匹配在所述第一電源總線上確定的第一電頻率；從所述臨時電源向所述電力總線供應電力；斷開所述第一開關以從所述電力總線切斷所述第一電源總線；調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以大致匹配在所述第二電源總線上檢測的第二電頻率， 所述第二電頻率不同于所述第一電頻率；以及閉合所述第二開關以使所述第二電源總線耦合于所述電力總線。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述臨時電源包括能量存儲裝置，其包括電容器和電池中的至少一個。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進一步配置成從所述電力總線、所述第一電源總線和所述第二電源總線中的至少一個對所述能量存儲裝置充電。
17.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進一步配置成調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出使得所述臨時電源和所述第二電力總線之間的相位差大約是零度。
18.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成通過將所述臨時電源的輸出頻率從所述第一電頻率調(diào)節(jié)到所述第二電頻率而調(diào)節(jié)所述臨時電源的輸出頻率以大致上匹配所述第二電頻率。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成在小于大約100毫秒內(nèi)將所述臨時電源的輸出頻率從所述第一電頻率調(diào)節(jié)到所述第二電頻率。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第一電源總線和所述第二電源總線中的至少一個耦合于以可變電頻率操作的電源。
全文摘要
提供用于使用臨時電源來從第一電源轉(zhuǎn)移電力總線到第二電源的方法。該第一電源以第一電頻率操作，并且該第二電源以不同于該第一電頻率的第二電頻率操作。該方法包括調(diào)節(jié)臨時電源的輸出頻率以匹配該第一電頻率并且從該臨時電源向該電力總線供應電力。該方法還包括從該電力總線切斷該第一電源。該方法進一步包括調(diào)節(jié)該臨時電源的輸出頻率以匹配該第二電頻率。該方法進一步包括使該第二電源耦合于該電力總線。
文檔編號H02J3/00GK102414950SQ201080019980
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者D·D·卡里皮德斯 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責任公司