JP2010514390A - 多相電気機械アクチュエータ用の直列接続された２つのインバータを有する電源 - Google Patents

Abstract

本発明は複数の相形成巻線（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を含む少なくとも１つの電気モータを有する電気機械アクチュエータに電力供給する２つの直列接続のインバータ（Ａ、Ｂ）に関する。各インバータはそれぞれの塊（５０、５１）に接続されそこから伸びる端子を有する電圧源（Ｕ１、Ｕ２）を含む。電力供給される巻線と同数のアーム（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）が有り、各アームは巻線の１つの終端に制御スイッチを含む。本発明によれば各インバータは２つの制御スイッチを有する補助のアーム（Ａ４、Ｂ４）を含み、２つの補助のアームは制御スイッチ間の１点で各補助のアームに接続されたブリッジ（７）により相互接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多相電気機械アクチュエータ用の直列接続された２つのインバータを有する電源に関する。

相を形成する巻線を含む多相モータを有する電気機械アクチュエータに電力供給するため、直列接続された２つのインバータを有する電源を用いることが知られている。各インバータはその機械に電力供給する巻線の数に等しい数のアーム（arm: 腕）に接続された端子を有する。各アームは直列接続された上流制御スイッチと下流制御スイッチとを有する。各巻線は前記アームの複数の制御スイッチ間に位置する１つの点で複数のインバータの１つに対する複数のアームの１つに接続される第１終端と同様に前記アームの複数の制御スイッチ間に位置する１つの点で他のインバータの複数のアームの１つに接続される第２終端とを有する。

複数のインバータのうち１つに対する複数のアームの１つのうちの複数の制御スイッチの１つが永久に開または閉のままとなるように故障した場合、そのインバータに接続された巻線の終端間の共通点であって電源の端子の一方に接続された共通点を作るため問題のインバータの一方のスイッチを閉じ、他のスイッチを開くことが知られている。２つの電圧源が他のものと区別できるグラウンドに接続されているので、共通点は他のインバータから見てニュートラルである。したがって、上記問題のインバータは他のインバータに対し単独に制御可能となり、それゆえ実質的に一定のトルクで回転機械の操作を確かなものに継続することが可能となる。

このようなアーキテクチャ（基本設計）は制御スイッチの一方の故障に耐えることができる。しかしながら、このようなアーキテクチャは巻線の一方の終端が対応するアームから接続が解除されたとき回転機械の正確な連続的操作を可能としない。例えば巻線の１つの接続が解除された３相回転機械に対して制御可能な２つの相がなお残される。巻線の１つが接続解除されていなかったかのごとくインバータのスイッチを連続的に制御できる場合、回転機械は高いリップルを有するので所定の応用、例えば航空機の高リフト装置の作動または着陸装置の作動に非常に有害である。

上述したようにインバータの１つのスイッチを適切に開閉することにより２つの良好な相間に共通点を作るよう追求することができる。それにもかかわらず、上記のように共通点を介して相互接続された２つの相は合計０となる電流を用いてのみ制御でき、電流はそれゆえ角度πで位相オフセットされる必要があり、これらの２つの相は２π／３だけ空間的にオフセットされた位相を組み合わせても上記同様に高レベルのリップルを有するトルクが導かれる。

本発明の目的は２つの直列インバータを有する電源をスイッチの１つが故障した場合および他の故障状況下においてアクチュエータを満足できるよう連続的に動作できるように改良することにある。

上記目的を達成するため本発明は電気機械アクチュエータに電力を供給する２つの直列のインバータを有する電源を提供する。上記電気機械アクチュエータは相を形成する複数の巻線を含む電動機を有する。上記インバータの各々は該インバータ自身のグラウンドに接続され、電源を横断して接続されるアームであって電圧源であって電力供給される巻線と同数のアームを有する電圧源を有し、各アームは直列接続された２つの制御スイッチを有し、巻線の１つの終端に接続されるようこれらの間に設けられた１つの点を有する。本発明によれば、前記インバータの各々は２つの制御スイッチを有する追加のアームを含み、該２つの追加のアームはブリッジにより相互接続され、該ブリッジは前記制御スイッチの間に位置する１つの点で追加のアームの各々に接続される。

このように通常の状況下で追加のアームの制御スイッチは追加のアームとブリッジがアクチュエータの作動に故障が生じないように開を保持する。電源は従来の方法におけるスイッチの故障を扱うように再構成できる。

複数の巻線の１つは、対応する相がもはや制御できないように複数のアームの１つから切続解除されたとき、モータを一定トルクで回転できるように絶えず０でない合計を提示する電流を有する良好な相に電力供給できる。良好な相における電流の０でない合計から来る残りの電流はこのような電流を発生するインバータに戻されるようにブリッジを介して流し出される。ブリッジおよび追加のアームの存在はアクチュエータを一定トルクで動作可能にする。

特に、相の１つが接続解除された３相モータで２つの良好な相とブリッジ間に共通点を作ることはスイッチを適切に制御することにより可能であり、これによりπ／３だけ位相シフトされた電源電流を提供することによりアクチュエータを２相モードにおいて一定トルクで制御でき、一方相はそれら自身２π／３に等しい角度だけ空間的に位相オフセットされ、一定トルクが得られる。このことが、相の１つが接続解除された場合でさえも動作を一定トルクで続けることを可能とする。

本発明は添付図面を参照しつつ以下の説明を照らせばより良く理解可能である。

３相電動機に適合するアクチュエータに対し直列接続された２つのインバータを有する本発明の特別な実施例の電源を示す図である。 スイッチの１つが閉位置にブロックされた故障状態を示す図１に類似した図である。 図２に等しい図であるが機能としてのアームのみを示す図である。 モータの巻線の１つがアームの１つから接続解除された故障状態を示す図１に類似した図である。 接続解除された相を管理する第２の方法を示す図４に類似した図である。 図５に等しい図であるが機能としてのアームのみを示す図である。

図１を参照すると、電源の構成が示されている。ここでは３つの巻線がＲ１、Ｒ２およびＲ３で表記され、各々が直列接続された抵抗器、インダクタおよび逆起電力（逆ｅ．ｍ．ｆ）で表わされる３相電動機または回転機１を備えた電気機械式アクチュエータへの応用が示されている。各巻線は回転機の相の１つを形成し、各々は他の巻線に対し２π／３だけ空間的にオフセットされている。ここに示す本発明の電源は第１コンバータすなわちインバータＡおよび第２コンバータすなわちインバータＢを備える。

インバータＡは第１グラウンド５０に接続された端子の１つを有する第１電圧源Ｕ１を備える。第１電圧源Ｕ１の端子間に３つのアームＡ１、Ａ２およびＡ３が伸び、アームの各々はアームに沿って直列に接続された上流制御スイッチ５および下流制御スイッチ６を備える。例としてインバータＡおよびＢの部品を形成する制御スイッチ５および６はバイポーラ接合トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴs）、ゲートターンオフサイリスタまたは絶縁グリッドトランジスタで構成される。

各巻線Ｒ１、Ｒ２またはＲ３は、対応する制御スイッチ５および６の間に位置する点で対応するアームＡ１、Ａ２またはＡ３に接続された第１終端を有する。

同様にインバータＢは第１グラウンド５０とは独立の第２グラウンド５１に接続された端子の１つを有する第２電圧源Ｕ２を備える。第２電圧源Ｕ２の端子間は端子に接続された３つのアームＢ１、Ｂ２およびＢ３を有し、各アームはアームに直列に接続された上流制御スイッチ５および下流制御スイッチ６を備える。

各巻線Ｒ１、Ｒ２またはＲ３は対応する制御スイッチ５および６の間に位置する点で各アームＡ１、Ａ２またはＡ３に接続されたそれぞれの第２終端を有する。

したがって各巻線Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は第１インバータＡのアームの１つおよび第２インバータＢのアームの１つに直列接続される。公知のように制御スイッチ５および６は位相が２π／３だけオフセットした電流が巻線Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を介して流れる（電流の合計が絶えず０である）ように制御される。回転機械はこのように一定トルクで動作するように抑制される。機械は第１インバータＡを用いて、第２インバータＢを用いてまたは同時に同期して動作する両方のインバータを用いて制御することができる。

この型式の電源は別個のグラウンドを有する２つの完全に独立した電源回路を有し、航空機に搭載することができる。代わりに、かつ公知の方法で、絶縁トランス（変圧器）または絶縁スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）により第１電源回路から第２電源回路を作ることができる。

本発明によれば第１インバータＡはまたアームＡ１、Ａ２およびＡ３に完全に類似した追加のアームＡ４を有する。同様に第２インバータＢはアームＢ１、Ｂ２およびＢ３に完全に類似した追加のアームＢ４を有する。追加のアームＡ４およびＢ４は制御スイッチ５および６の間に位置する各点でアームＡ４およびＢ４の各々に接続されるブリッジ７により相互接続される。通常の動作において、追加のアームＡ４およびＢ４の制御スイッチ５および６は追加のアームまたはブリッジ７の何れもが回転機械の動作を妨害しないように開に保持される。

以下の図において、種々の故障モードおよびそれらの対処方法を見ることができる。これらの図において、閉位置にブロックされるかまたは閉位置に自発的に保持されるスイッチが電気的接続により表される。開位置にブロックされるかまたは開の状態に自発的に保持されるスイッチが開の回路の位置により表される。

第１の故障モードにおいて、第１インバータＡのアームＡ１、Ａ２またはＡ３の１つのスイッチ５または６の１つが故障する。例えば、図２に示すようにアームＡ１における下流スイッチ６は故障の結果として閉位置にブロックされたままとなる。

当然、対応する相は電力供給しないことにより中性に（neutralize）することができると思われるかもしれない。しかしながら、以下のようにすると３相のすべてを用いることを継続することができる。アームＡ２およびＡ３の下流スイッチ６を閉に保持しアームＡ１、Ａ２およびＡ３の上流スイッチ５を開に保持するだけでよい。これによりインバータＡの他に巻線Ｒ１、Ｒ２およびＲ３の終端間に共通点Ｎを作る。この共通点Ｎを介して通過する接続を太線で示す。電源アーキテクチャはあたかも図３に示されるように動作する。

全ての３相は第２インバータＢの制御スイッチ５および６を用いることにより位相が相互に２π／３だけオフセットした電流を巻線Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を介して流れるように制御を継続できる。第１インバータＡは完全に中性に（neutralize）され、もはや第２インバータＢにより回転機械の制御に影響を及ぼさない。特に、共通点Ｎの電位は実際電源Ｕ１により課せられた電位に依存し電源Ｕ２により課せられることはない。第２インバータＢから見ると、共通点Ｎはそれゆえ浮遊の電位を有する。このことは位相が２π／３だけオフセットした電流を有する相の各々に対し電流の合計が絶えず０となるように電力供給することを可能とする。空間位相オフセット２π／３を組み合わせることにより、このように電力供給された回転機械からのトルクが一定かつスイッチの故障前の公称のトルクに等しく保持される。必然的に一定電圧Ｕ２でこのように発生された速度（speed）は半分に減少する。初期の早さに戻すためには電圧Ｕ２を上記半分の減少に応じて上昇することが必要である。

第１インバータＡのアームＡ１、Ａ２およびＡ３の１つにおける下流スイッチ６の１つが開の位置にブロックしようとすると、アームにおける他の下流スイッチ６を開に保持しかつアームにおける上流スイッチ５を閉に保持することで十分である。このことは同様に回転機械が完全に制御下に保持されるように相間に共通点を再生するように動作する。

第１インバータＡのアームＡ１、Ａ２およびＡ３の上流スイッチ６の１つが開位置または閉位置に保持されたとき同様な対策が適用される。同様に第２インバータＢのアームＢ１、Ｂ２およびＢ３のスイッチ５、６の１つがブロックを保持したとき同様な対策が適用される。

上記故障時、追加のアームＡ４およびＢ４のスイッチは追加のアームがこのような故障を処理するために使用されないように開を保持する。

他の故障の構成において巻線の１つはアームの１つから接続解除されてもよい。図４から判るようかつ図式的に示されるようにその故障は、巻線Ｒ１が第１インバータＡのアームＡ１から接続解除されたものと見なされる。対応する相を電力供給することはもはや不能である。上記方策はそれゆえ適用できない。

安全のため、故障の巻線を経由するインバータ間におおける短絡回路の危険を避けるため巻線Ｒ１に関連するアームＡ１およびＢ１のスイッチ５および６を開にすることにより接続解除された巻線Ｒ１を最初に絶縁することが適切である。

第１の方策において、アームＡ２、Ａ３、Ｂ２およびＢ３ならびに追加のアームＡ４およびＢ４のスイッチは良好なπ／３だけ位相オフセットした巻線Ｒ２およびＲ３を介して電流ｉ２およびｉ３が流れるように制御される。このような状況下において電流ｉ２およびｉ３の合計は絶えず０ではない。それにもかかわらず、電流の残余Ｉ＝ｉ２＋ｉ３はブリッジ７により集められ電流ｉ２およびｉ３を発生するインバータに戻るようそこを通過する。このような動作は一定のトルクを引き起こす。図４は電流ｉ２およびｉ３が良好な相（巻線Ｒ２およびＲ３）を電力供給し電流Ｉがブリッジ７により流出することを示す。このように電力供給されるとき回転機械は一定トルクを生み出すがこのトルクは巻線の１つが接続解除されないときに発生することができるトルクの５７％に等しい。

公称トルクに回復することが望まれるときこれに応じた電力供給電流を増加することが適切である。この動作モードにおいてアクチュエータの回転の速度は回転の公称速度に等しい。

図５および図６に示す第２の方策において、共通点Ｎは良好な相およびブリッジ７の間に作られる。この目的のため、残りのアームＡ２およびＡ３の下流スイッチ６は追加のアームＡ４の下流スイッチ６のように閉に保持される。アームＡ１、Ａ２およびＡ３の上流スイッチ５および追加のアームＡ４の上流スイッチ５は開に保持される。このことは巻線Ｒ２およびＲ３の終端およびブリッジ７の間に共通点Ｎを作る。第１インバータＡは中性にすることができる。

図５に示すように、ブリッジ７および２つの良好な巻線Ｒ２およびＲ３は１つの共通の終端を有する。第２インバータＢのアームＢ２およびＢ３ならびに追加のアームＢ４のスイッチは位相オフセットπ／３である電流ｉ２およびｉ３が良好な巻線Ｂ２およびＢ３を介して流れるように制御される。このような条件下で電流ｉ２およびｉ３の合計は絶えず０ではない。それにもかかわらず、電流の残余Ｉ＝ｉ２＋ｉ３は共通点Ｎで集められブリッジ７を介して第２インバータＢに戻るよう流れて通過する。このことは、単一のインバータの補助によりアクチュエータの回転機械を制御可能にする。ここで、同様に発生されたトルクは一定であり公称トルクの５７％に等しい。しかしながら、一定電圧Ｕ２において回転速度は半分である。公称の回転速度に戻すためこれに応じて電圧Ｕ２を増加することが適切である。

追加のアームＡ４およびＢ４およびブリッジ７なしで良好な巻線Ｒ２およびＲ３に位相オフセットπ／３の電流で電力供給することはできない。電流の残りを通過させる通路がないので電流ｉ２およびｉ３の合計が０であることを確実にする必要がある。それゆえ巻線に位相オフセットπの電流ｉ２およびｉ３で電力供給することが必要となり、これにより所定の応用において有害となり得る高いリップルを有するトルクを導くことができる。

ブリッジにより共に接続された追加のアームＡ４およびＢ４が存在することにより巻線の１つが接続解除された場合でも一定トルクでの故障モード動作を可能にする。

示された電源アーキテクチャはこのようにインバータのアームにおけるスイッチの１つの故障に耐えることができ回転機械の巻線の１つが接続解除することに耐えることができる。

本発明は上記記載に限定されず特許請求により規定された範囲内の変形に及ぶものである。

特に、本発明は３相回転機械を含む電気機械アクチュエータに電力供給することに限定されるものではなく、３相を超える多相機械に適用される。

さらに以上回転電気モータに適合する電気機械アクチュエータを参照してかつ回転機械を引用して本発明を説明したが本発明はまたリニアモータを有するアクチュエータへの電力供給に適合する。

Claims (3)

1. 電気機械アクチュエータに電力を供給する２つの直列のインバータ（Ａ、Ｂ）を有する電源であって、前記電気機械アクチュエータは相を形成する複数の巻線（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を含む電動機を有し、前記インバータの各々は該インバータ自身のグラウンド（５０、５１）に接続され、電圧源を横断して接続されるアームであって電力供給される巻線と同数のアーム（Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）を有する電圧源（Ｕ１、Ｕ２）を有し、各アームは直列接続された２つの制御スイッチ（５、６）を有し、前記巻線の１つの終端に接続されるようこれらの間に設けられた１つの点を有し、前記インバータの各々は２つの制御スイッチを有する追加のアーム（Ａ４、Ｂ４）を含み、該２つの追加のアームはブリッジ（７）により相互接続され、該ブリッジは該制御スイッチの間に位置する１つの点で該２つの追加のアームの各々に接続される、
   ことを特徴とする電源。
2. 請求項１に記載の電源と該電源が接続される回転機械とを備えたアセンブリ。
3. 請求項１に記載の電源を用いる方法であって、
   複数のインバータのうちの１つにおける少なくとも２つの巻線（Ｒ１、Ｒ２）と前記ブリッジ（７）との間に共通点（Ｎ）を作るように前記複数のインバータのうちの１つのスイッチを制御するステップを備えた、
   ことを特徴とする方法。

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