CN101589542B - 用于对具有电动机的多相机电致动器供电的具有两个串联逆变器的电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对具有电动机的机电致动器供电的具有两个串联逆变器(A、B)的电源，该电动机包括形成相位的多个绕组(R1、R2、R3)，每一个逆变器连接至其自己的接地(50；51)并具有电源(U1；U2)，该电源(U1；U2)具有跨其连接的与要供电的绕组一样多的支路(A1、A2、A3；B1、B2、B3)，每一条支路包括串联的两个受控开关(5、6)，受控开关之间设置有用于连接至绕组之一的一个端部的点。根据本发明，每一个逆变器包括具有两个受控开关的附加支路(A4；B4)，这两条附加支路通过桥路(7)互连，该桥路连接至附加支路中的每一条上位于开关之间的点。

Description

用于对具有电动机的多相机电致动器供电的具有两个串联逆变器的电源
本发明涉及用于多相机电致动器的具有两个串联逆变器的电源。 
发明背景 
为了对具有包括形成相位的绕组的多相电动机的机电致动器供电，已知的是使用包括串联的两个逆变器的电源。每一个逆变器具有电压源，其端子连接至与用于对该机械供电的绕组一样多的支路。每一条支路包括串联的上游受控开关和下游受控开关。每一个绕组具有连接至逆变器之一的支路之一上位于所述支路的受控开关之间的点的第一端、以及连接至另一个逆变器的支路之一上同样位于所述支路的受控开关之间的点的第二端。 
如果逆变器之一的支路之一中的受控开关之一发生故障，从而保持永久地断开或闭合，则已知的是闭合有问题的逆变器的某些开关并断开其其他开关，以便在连接至所述逆变器的绕组的各端部之间创建公共点，该公共点连接至电压源的端子之一。由于两个电压源连接至截然不同的接地，因此从另一个逆变器的观点来看公共点是中性的，且因此变得能够从该另一个逆变器单独地控制该机械，从而继续确保旋转机械以基本上恒定的扭矩工作。 
这样的架构由此能够抵挡受控开关之一的故障。然而，这样的架构并未使得能够在绕组之一的端部与相应支路断开连接的情况下继续正确地操作旋转机械。例如，在其绕组之一断开连接的三相旋转机械上，仍有两相是可控的。如果逆变器的开关继续像绕组之一并未断开连接那样被控制，则机械将会经受有高度波动的扭矩，这在例如致动飞行器的高升力设备或致动起落架的某些应用中是十分有害的。 
如上所述，可寻求通过恰适地断开和闭合逆变器之一的开关来在两个有效相位之间创建公共点。然而，以此方式经由公共点互连的两个相位仅能通过使用总和为0的电流来控制，因此这些电流需要被相位偏移角度π，其联合空间偏移了2π/3的相位同样导致有高度波动的扭矩。 
发明目的 
本发明的目的在于以使得在开关之一产生故障的情况下以及此外在其他故障环境下能够继续可接受地操作致动器的方式改善从两个串联逆变器供电。 
发明简要概述 
为达成此目的，本发明提供了一种用于对具有电动机的机电致动器供电的具有两个串联逆变器的电源，该电动机包括形成相位的多个绕组，每一个逆变器连接至其自己的接地并具有电源，该电源具有跨其连接的与要供电的绕组一样多的支路，每一条支路包括串联的两个受控开关，受控开关之间设置有用于连接至绕组之一的一个端部的点。根据本发明，每一个逆变器包括具有两个受控开关的附加支路，这两条附加支路通过桥路互连，该桥路连接至附加支路中的每一条上位于开关之间的点。 
由此，在正常环境下，附加支路的受控开关保持断开，从而附加支路和桥路不影响致动器的操作。电源可被重新配置成以常规方式处理开关故障。 
如果绕组之一从支路之一断开连接使得相应相位不再能够受控，则可用总和并非恒为0的电流对有效相位供电，从而使得电动机以恒定扭矩转动。源自有效相位中电流的非零总和的残余电流经由桥路被汲取，从而返回到生成此类电流的逆变器。桥路和附加支路的存在由此使得致动器能以恒定扭矩工作。 
具体而言，通过使用其相位之一断开连接的三相电动机，就能够通过适当地控制开关来在两个有效相位与桥路之间创建公共点，从而使得致动器能在两相模式下以恒定扭矩工作：通过提供相位偏移π/3的电源电流，同时这些相位自身空间相位偏移等于2π/3的角度，就能获得恒定扭矩。这使得操作能以恒定扭矩继续，甚至在相位之一断开连接的情况下亦然。 
附图简述 
本发明通过以下参照附图中的各示图给出的描述可被更好地理解，附图中： 
图1是用于装配有三相电动机的致动器的具有两个串联逆变器的电源的示意图，并构成本发明的特定实施例； 
图2是类似于图1的示图，图解了其中开关之一被阻挡在闭合位置上的故障情形； 
图3是与图2等效的图示，但仅示出起作用的那些支路； 
图4是类似于图1的示图，示出了其中电动机绕组之一与支路之一断开连接的故障情形； 
图5是类似于图4的示图，示出了管理断开连接的相位的第二方式；以及
图6是与图5等效的图示，但仅示出起作用的那些支路。 
发明详细描述 
参照图1，在此示出应用于设置有三相电动机或旋转机械1的机电致动器的电源架构，三相表示为3个绕组R1、R2和R3，每一个常规地象征性地表示为串联的电阻器、电感器、和反电动势(反e.m.f.)。绕组中的每一个形成旋转机械的相位之一，并且每一个相对于其他绕组空间偏移2π/3。此处示出的本发明的电源包括第一变换器或逆变器A以及第二变换器或逆变器B。 
逆变器A包括第一电压源U1，其端子之一连接至第一接地50。有三条支路A1、A2和A3跨第一电压源U1的端子延伸，每一条支路包括沿该支路串联的上游受控开关5和下游受控开关6。作为示例，形成逆变器A和B的部分的受控开关5和6由双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、门极可关断晶闸管、或实际上由隔离栅格晶体管构成。 
每一个绕组R1、R2或R3具有连接至相应支路A1、A2或A3上位于相应受控开关5与6之间的点的第一端。 
类似地，逆变器B具有第二电源U2，其一个端子连接至与第一接地50无关的第二接地51。有三条支路B1、B2和B3连接至第二电压源U2的端子，每一条支路具有沿该支路串联的上游受控开关5和下游受控开关6。 
绕组R1、R2和R3各自具有连接至相应支路B1、B2或B3上位于相应受控开关5与6之间的点的相应第二端。 
由此，绕组R1、R2和R3中的每一个与第一逆变器A的支路之一和第二逆变器B的支路之一串联。以已知方式控制开关5和6以便使得相位偏移2π/3的电流能流经绕组R1、R2和R3(电流之和恒为0)。旋转机械由此被约束成以恒定扭矩工作。该机械可在第一逆变器A的帮助下、在第二逆变器B的帮助下、或在同时或同步工作的两个逆变器的帮助下被控制。 
这种类型的电源可用于具有两个完全独立的有截然不同的接地的电源电路的飞行器。可替换地并且以已知方式借助于隔离变压器或实际上隔离开关模式电源(SMPS)来从第一电源电路创建第二电源电路。 
根据本发明，第一逆变器A还具有附加支路A4，其完全类似于支路A1、A2和A3。类似地，第二逆变器B具有附加支路B4，其完全类似于支路B1、B2和B3。附加支路A4和B4通过桥路7互连，桥路7连接至附加支路A4和B4中每一条上位于其受控开关5和6之间的相应点。在正常操作中，附加支路A4和B4的受控开关5和6保持断开，使得这些附加支路或桥路7皆不干扰旋转机械的操作。 
在以下示图中，可看见各种故障模式和处理故障的方式。在这些示图中，被阻挡在闭合位置或自发地保持在闭合位置的开关由电连接表示。被阻挡在断开位置或自发地保持在断开状态的开关由开路部分表示。 
在第一故障模式中，可能发生第一逆变器A的支路A1、A2或A3之一的开关5或6之一故障。例如，如图2中所示，假设支路A1中的下游开关6因故障而被阻挡在闭合位置。 
自然，可能想到相应的相位可能通过不对其供电而被无效掉。然而，可考虑通过应用以下方法来使用全部三相：其足以保持支路A2和A3的下游开关6闭合，并断开支路A1、A2或A3的上游开关5。这在逆变器A侧的绕组R1、R2和R3的端部之间创建了公共点N。经由此公共点N的连接被描绘成粗体。操作随后像该电源架构如图3中所示地那样发生。 
全部三相随后可继续通过使用第二逆变器B的受控开关5和6来控制，以使得相互相位偏移2π/3的电流能流经绕组R1、R2和R3。第一逆变器A完全被无效掉，并且不再会影响第二逆变器B对旋转机械的控制。具体而言，公共点N的电势实际上取决于电压源U1所施加的电势，并且不会被电压源U2施加。从第二逆变器B的观点来看，公共点N因此具有浮置的电势。这使得可用相位偏移2π/3的电流来对每一种相位供电，从而电流之和恒为0。与空间相位偏移2π/3相组合，以此方式被供电的旋转机械的扭矩维持恒定并等于开关故障前的标称扭矩。自然，在恒定电压U2下，以此方式产生的速度被减半。为返回到初始速度，需要相应地增大电压U2。 
如果第一逆变器A的支路A1、A2和A3之一中的下游开关6之一被阻挡在断开位置，则将足以保持所述支路中的其他下游开关6断开并保持所述支路的上游开关5闭合。这将以相同的方式操作以重建相位之间的公共点，从而旋转机械仍完全受控制。 
在第一逆变器A的支路A1、A2和A3之一中的上游开关6之一保持被阻挡在断开位置或闭合位置时应用相同的补救措施。以相同的方式，如果第二逆变器B 的支路B1、B2和B3的开关5、6之一保持被阻挡，则应用相同的补救措施。 
在以上故障的情况下，附加支路A4和B4的开关保持断开，使得附加支路不用于处理这样的故障。 
在另一种故障配置中，绕组之一可能与支路之一断开连接。如图4中可见，假设故障是如象征性地示出的其中绕组R1与第一逆变器A的支路A1断开连接的故障。随后就不再能够对相应相位供电。因此不能应用以上策略。 
出于安全性的原因，恰适的是首先通过断开与绕组R1相关联的支路A1和B1中的开关5和6来隔离断开连接的绕组R1，从而避免逆变器之间经由故障绕组而短路的任何风险。 
在第一策略中，支路A2、A3、B2和B3以及附加支路A4和B4的开关被控制以使得电流i2和i3能流经有效绕组R2和R3，其中电流i2和i3相位偏移π/3。在这样的环境下，电流i2和i3之和并非恒为0。然而，电流残余I＝i2+i3由桥路7汇总并经其返回到生成电流i2和i3的逆变器。这样的操作产生恒定的扭矩。图4示出对有效相位(绕组R2和R3)供电的电流i2和i3以及桥路7汲取的电流I。可以看出，当以此方式供电时，旋转机械产生恒定扭矩，但该扭矩等于在绕组之一未断开连接的情况下本会产生的扭矩的57％。 
如果期望恢复标称扭矩，则恰适的是相应地增大电源电流。在该工作模式中，致动器的旋转速度等于标称旋转速度。 
在图5和6中所示的第二策略中，在有效相位与桥路7之间创建公共点N。出于此目的，其余支路A2和A3的下游开关6保持闭合，附加支路A4的下游开关6亦然。支路A1、A2和A3的上游开关5以及附加支路A4的上游开关5保持断开。这在绕组R2和R3的端部与桥路7之间创建了公共点N。第一逆变器A由此被无效掉。 
如图5中所示，桥路7和两个有效绕组R2和R3现在具有一个公共端部。第二逆变器B的支路B2和B3以及附加支路B4的开关被控制以使得电流i2和i3流经有效绕组R2和R3，其中电流i2和i3相位偏移π/3。在这样的环境下，电流i2和i3之和并非恒为0。然而，电流残余I＝i2+i3由在公共点N汇总并流经桥路7以返回第二逆变器B。这使得致动器的旋转机械能在单个逆变器的帮助下被控制。在此同样地，所产生的扭矩是恒定的并且等于标称扭矩的57％。然而，在恒定电压U2下，旋转速度被减半。为了返回到标称旋转速度，恰适的是相应地增大电压U2。 
在没有附加支路A4和B4的情况下，以及在没有桥路7的情况下，或许就不 能用相位偏移π/3的电流来对有效绕组R2和R3供电。可能必须确保电流i2与i3之和为0，因为可能没有传递电流残余的途径。因此可能必须以相位偏移为π的电流i2和i3来对绕组供电，从而导致有高度波动的扭矩，这在某些应用中可能是有害的。 
通过桥路连接在一起的附加支路A4和B4的存在由此使得能以恒定扭矩进行故障模式操作，甚至在绕组之一断开连接的情况中亦然。 
所示电源架构由此能够抵抗逆变器支路中的开关之一的故障，并且还能够抵抗旋转机械的绕组之一断开连接。 
本发明并不被限定于以上描述，而是相反地涵盖落在权利要求所定义的范围内的任何变形。 
具体而言，本发明并不被限定于对包括三相旋转机械的机电致动器供电，而是适应于可具有超过三相的多相机械。 
此外，尽管本发明是参照装配有也称为旋转机械的旋转电动机的机电致动器来描述的，但本发明也适应于对具有线性电动机的致动器供电。 

Claims (3)

1.一种用于对具有电动机的机电致动器供电的具有两个串联逆变器(A、B)的电源，所述电动机包括形成相位的多个绕组(R1、R2、R3)，每一个逆变器连接至其自己的接地(50；51)并具有电源(U1；U2)，所述电源(U1；U2)具有跨其连接的与要供电的绕组一样多的支路(A1、A2、A3；B1、B2、B3)，每一条支路包括串联的两个受控开关(5、6)，所述受控开关之间设置有用于连接至所述绕组之一的一个端部的点，所述电源的特征在于：每一个逆变器包括具有两个受控开关的附加支路(A4；B4)，所述两条附加支路通过桥路(7)互连，所述桥路连接至所述附加支路中的每一条上位于所述两个受控开关(5、6)之间的点。
2.一种包括如权利要求1所述的电源连同所述电源连接至的旋转机械的组装件。
3.一种使用如权利要求1所述的电源的方法，所述方法包括以用以在所述桥路(7)与所述逆变器之一中的至少两个绕组(R1；R2)之间创建公共点(N)的方式来控制所述逆变器之一的开关的步骤。
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