СИСТЕМА ПИТАНИЯ С ДВУМЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫМИ ИНВЕРТОРАМИ ДЛЯ МНОГОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА
POWER SUPPLY SYSTEM WITH TWO SERIALLY CONNECTED INVERTORS FOR MULTI-PHASE ELECTROMECHANICAL DRIVE

Настоящее изобретение касается системы питания с двумя последовательно соединенными инверторами для многофазного электромеханического привода.
Уровень техники
Известны системы питания, содержащие два последовательно соединенных инвертора, предназначенные для питания электромеханического привода, многофазный двигатель которого содержит обмотки, образующие фазы. Каждый инвертор содержит источник электрического напряжения, на контактах которого расположены плечи, число которых равно числу обмоток в машине, на которые подается питание. Каждое плечо содержит входной управляемый выключатель и выходной управляемый выключатель, установленные последовательно. Каждая обмотка содержит первый конец, соединенный с плечом одного из инверторов в точке, находящейся между управляемыми выключателями указанного плеча, и второй конец, соединенный с плечом другого инвертора тоже в точке, находящейся между управляемыми выключателями указанного плеча.
Если на одном из плеч одного из инверторов один из управляемых выключателей выходит из строя, независимо от того, находится ли он в замкнутом или разомкнутом состоянии, то, как известно, определенные соответствующие выключатели инвертора замыкают, а другие выключатели размыкают таким образом, чтобы создать общую точку между концами обмоток, соединенными с этим инвертором, причем эта общая точка соединена с одним из контактов источника напряжения. Поскольку оба источника напряжения соединены с двумя разными массами, общая точка является нейтральной с точки зрения другого инвертора, и поэтому управлять машиной можно только при помощи другого инвертора и обеспечивать, таким образом, продолжение работы вращающейся машины с, по существу, постоянным моментом.
Такая архитектура является надежной в случае отказа одного из управляемых выключателей. Однако эта архитектура не обеспечивает продолжения нормальной работы вращающейся машины, если конец одной из обмоток отсоединился от соответствующего плеча. Например, на трехфазной вращающейся машине, одна из обмоток которой отсоединилась, остаются еще две управляемые фазы. Если продолжать управлять выключателями инверторов так, как если бы одна из обмоток не отсоединилась, это привело бы к созданию на машине сильно пульсирующего момента, очень вредного в некоторых вариантах применения, например, в приводах устройств обеспечения аэродинамической подъемной силы летательного аппарата или в приводах взлетно-посадочных шасси.
Можно, как и раньше, пытаться создать общую точку между двумя рабочими фазами, соответствующим образом размыкая или замыкая выключатели одного из инверторов. Однако управлять этими двумя фазами, соединенными таким образом общей точкой, можно только при помощи токов нулевой суммы, которые должны быть смещены по фазе на угол π, что, в сочетании с пространственным смещением фаз на 2π/3, тоже привело бы к созданию сильно пульсирующего момента.
Объект изобретения
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование системы питания с двумя последовательно соединенными инверторами, которая обеспечивает продолжение приемлемой работы привода в случае неисправности одного из выключателей, а также при других неисправностях.
Краткое описание изобретения
Для выполнения этой задачи согласно изобретению предлагается система питания с двумя последовательно соединенными инверторами, предназначенная для питания электромеханического привода, оборудованного электрическим двигателем, содержащим несколько обмоток, образующих фазы, при этом каждый инвертор соединен со своей массой и содержит источник электрического напряжения, на контактах которого находятся плечи, число которых равно числу питаемых обмоток, при этом каждое плечо содержит два последовательно соединенных управляемых выключателя, между которыми предусмотрена точка соединения с концом одной из обмоток. Согласно изобретению каждый инвертор содержит дополнительное плечо, содержащее два управляемых выключателя, при этом оба дополнительных плеча соединены между собой мостом, соединенным с каждым дополнительным плечом в точке, находящейся между выключателями.
Таким образом, в нормальных условиях управляемые выключатели дополнительных плеч удерживаются в разомкнутом состоянии таким образом, чтобы дополнительные плечи и мост не оказывали никакого влияния на работу привода. При возникшей неисправности выключателя питание можно переконфигурировать известным образом.
Если одна из обмоток отсоединилась от одного из плеч и управление соответствующей фазой становится невозможным, остающиеся исправные фазы можно питать токами, сумма которых не является постоянно нулевой, чтобы вращать двигатель с постоянным моментом. Остаточный ток, получаемый от ненулевой суммы токов исправных фаз, отводится мостом и опять направляется на инвертор, генерирующий эти токи. Таким образом, наличие моста и дополнительных плеч обеспечивает работу привода с постоянным моментом.
В частности, в случае трехфазного двигателя, одна из фаз которого отключилась, можно путем управления выключателями создать общую точку между двумя исправными фазами и мостом, что обеспечивает работу привода на двух фазах с постоянным моментом: предусматривая токи питания, смещенные по фазе на π/3, тогда как фазы смещены в пространстве на угол, равный 2π/3, получают постоянный момент. Таким образом, можно продолжать работу с постоянным моментом даже при отключении одной из фаз.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематичный вид системы питания с двумя последовательно соединенными инверторами для привода, оборудованного трехфазным электрическим двигателем, согласно частному варианту выполнения изобретения.
Фиг.2 - вид, аналогичный фиг.1, иллюстрирующий аварийную ситуацию, в которой один из выключателей заблокирован в замкнутом положении.
Фиг.3 - схема, эквивалентная схеме на фиг.2, показывающая только работающие плечи.
Фиг.4 - вид, аналогичный фиг.1, показывающий аварийную ситуацию, в которой одна из обмоток двигателя отсоединилась от одного из плеч.
Фиг.5 - вид, аналогичный фиг.4, показывающий второй способ устранения неисправности при отключении фазы.
Фиг.6 - схема, эквивалентная схеме на фиг.5, показывающая только работающие плечи.
Подробное описание изобретения
Показанная на фиг.1 архитектура питания предназначена для применения на электромеханическом приводе, оборудованном электрическим двигателем или трехфазной вращающейся машиной 1, с тремя обмотками R1, R2, R3, классически представленными, каждая, последовательно соединенными резистором, катушкой индуктивности и генератором контр-ЭДС. Каждая из обмоток образует одну из фаз вращающейся машины и в данном случае смещена в пространстве на 2π/3 по отношению к другим обмоткам. Показанная система питания в соответствии с настоящим изобретением содержит первый преобразователь или инвертор A и второй преобразователь или инвертор B.
Инвертор A содержит первый источник напряжения U1, один из контактов которого соединен с первой массой 50. На контактах первого источника напряжения U1 находятся три плеча A1, A2, A3, каждое из которых содержит входной управляемый выключатель 5 и выходной управляемый выключатель 6, установленные на плече последовательно. Управляемые выключатели 5, 6, которыми оборудованы инверторы A, B, являются, например, биполярными плоскостными транзисторами, полевыми транзисторами на основе структуры металл-окисел-полупроводник, запираемыми тиристорами или транзисторами с изолированным затвором.
Обмотка R1 (соответственно R2, R3) содержит первый конец, соединенный с плечом A1 (соответственно A2, A3) в точке, находящейся между соответствующими управляемыми выключателями 5, 6.
Точно так же инвертор B содержит второй источник напряжения U2, контакт которого соединен со второй массой 51, независимой от первой массы 50. На контактах второго источника напряжения U2 находятся три плеча B1, B2, B3, каждое из которых содержит входной управляемый выключатель 5 и выходной управляемый выключатель 6, установленные на плече последовательно.
Обмотка R1 (соответственно R2, R3) содержит второй конец, соединенный с плечом B1 (соответственно B2, B3) в точке, находящейся между соответствующими управляемыми выключателями 5, 6.
Таким образом, каждая из обмоток R1, R2, R3 последовательно соединена с одним из плеч первого инвертора A и с одним из плеч второго инвертора B. Как известно, выключателями 5, 6 управляют таким образом, чтобы в обмотках R1, R2, R3 проходили токи, смещенные по фазе на 2π/3 (сумма которых является постоянно нулевой). Таким образом, на вращающейся машине создают постоянный момент. Машиной можно управлять либо при помощи первого инвертора A, либо при помощи второго инвертора B, либо при помощи обоих инверторов, работающих одновременно и синхронно.
Этот тип питания встречается на летательном аппарате, содержащем две полностью независимые цепи питания с разными массами. Как известно, альтернативно можно создать вторую цепь питания на основе первой цепи питания при помощи изолирующего трансформатора или при помощи отдельного импульсного источника питания.
Согласно изобретению первый инвертор A содержит также дополнительное плечо A4, абсолютно аналогичное плечам A1, A2, A3. Точно так же второй инвертор В содержит дополнительное плечо В4, абсолютно аналогичное плечам B1, B2, B3. Дополнительные плечи A4, B4 связаны мостом 7, соединенным с каждым из дополнительных плеч A4, B4 в точке, находящейся между управляемыми выключателями 5, 6. При нормальной работе управляемые выключатели 5, 6 дополнительных плеч A4, B4 удерживаются в разомкнутом состоянии, поэтому ни дополнительные плечи, ни мост 7 не мешают работе вращающейся машины.
На следующих чертежах показаны разные варианты неисправностей и способы их устранения. На этих чертежах выключатели, которые заблокированы в замкнутом положении или которые намеренно удерживаются в замкнутом состоянии, показаны в виде электрического соединения. Выключатели, которые заблокированы в разомкнутом положении или которые намеренно удерживаются в разомкнутом состоянии, показаны разомкнутым участком цепи.
В первом варианте неисправности один из выключателей 5, 6 одного из плеч A1, A2, A3 первого инвертора А вышел из строя. Например, как показано на фиг.2, предположительно выходной выключатель 6 плеча A1 остается заблокированным в замкнутом положении в результате неисправности.
Конечно, можно попытаться нейтрализовать соответствующую фазу, отключив ее питание. Однако можно продолжать использовать все три фазы при помощи следующего способа: достаточно удерживать замкнутыми выходные выключатели 6 плеч A2 и A3 и разомкнуть входные выключатели 5 плеч A1, A2, A3. Таким образом, создают общую точку N между концами обмоток R1, R2, R3 со стороны инвертора A. Соединения, образующие эту общую точку N, выделены жирной линией. Все происходит так, как если бы архитектура питания имела конфигурацию, показанную на фиг.3.
Все три фазы остаются при этом управляемыми за счет пропускания через выключатели 5, 6 второго инвертора В токов, смещенных по фазе на 2π/3 в обмотках R1, R2, R3. Первый инвертор A полностью нейтрализован и не может влиять на управление вращающейся машиной при помощи второго инвертора B. В частности, потенциал общей точки N зависит, разумеется, от потенциала, обеспечиваемого источником напряжения U1, но не может быть обеспечен источником напряжения U2. С точки зрения второго инвертора B общая точка N имеет, таким образом, плавающий потенциал. При этом можно питать каждую из фаз токами, смещенными по фазе на 2π/3, таким образом, чтобы их сумма постоянно была нулевой. В сочетании с пространственным смещением на 2π/3 момент питаемой таким образом вращающейся машины остается постоянным и равным номинальному моменту до выхода из строя выключателя. Разумеется, при постоянном напряжении U2 создаваемая таким образом скорость делится на два. Для восстановления первоначальной скорости следует соответственно повысить напряжение U2.
Если один из выходных выключателей 6 одного из плеч A1, A2, A3 первого инвертора A должен быть заблокирован в разомкнутом положении, то достаточно удерживать разомкнутыми другие выходные выключатели 6 указанных плеч и удерживать замкнутыми входные выключатели 5 указанных плеч. Точно так же воссоздают общую точку между фазами, чтобы вращающаяся машина оставалась абсолютно управляемой.
Такие же рекомендации можно применять, когда один из входных выключателей 6 плеч A1, A2, A3 первого инвертора A остается заблокированным в разомкнутом положении или в замкнутом положении. Точно так же эти же способы можно применять, если один из выключателей 5, 6 плеч B1, B2, B3 второго инвертора B остается заблокированным.
В случае этих неисправностей выключатели дополнительных плеч A4 и B4 удерживают разомкнутыми, и дополнительные плечи не используют для устранения указанных неисправностей.
В другом случае неисправности один из выключателей может отсоединиться от одного из плеч. Как показано на фиг.4, в данном случае предполагается неисправность, при которой обмотка R1 отсоединилась от плеча A1 первого инвертора, что и показано символически на чертеже. При этом питание соответствующей фазы становится невозможным. В данном случае указанная выше стратегия не находит своего применения.
Из соображений безопасности прежде всего следует изолировать отсоединенную обмотку R1, разомкнув выключатели 5, 6 плеч A1 и B1, связанных с этой обмоткой, чтобы избежать любой возможности короткого замыкания между инверторами через неисправную обмотку.
Согласно первой стратегии управляют выключателями плеч A2, A3, B2, B3 и дополнительными плечами A4, B4, чтобы пропустить через исправные обмотки R2 и R3 токи i2, i3, смещенные по фазе на π/3. При этом сумма токов i2, i3 не является постоянно нулевой. Однако остаточный ток I=i2+i3 отбирается мостом 7 и может выйти через него и вернуться на инвертор, который генерирует токи i2 и i3. Такая работа приводит к обеспечению постоянного момента. На фиг.4 показаны токи i2 и i3, питающие исправные фазы (обмотки R2 и R3), а также ток I, отводящийся мостом 7. Можно показать, что питаемая таким образом вращающаяся машина развивает постоянный момент, но этот момент соответствует 57% момента, который можно было бы развивать, если бы одна из обмоток не отсоединилась.
Если требуется восстановить номинальный момент, то следует соответственно увеличить ток питания. В этом режиме работы скорость вращения привода равна номинальной скорости вращения.
Согласно второй стратегии, показанной на фиг.5 и 6, создают общую точку N между исправными фазами и мостом 7. Для этого удерживают замкнутыми выходные выключатели 6 остающихся плеч A2, A3, а также выходной выключатель 6 дополнительного плеча A4. Одновременно удерживают разомкнутыми входные выключатели 5 плеч A1, A2, A3, а также входной выключатель 5 дополнительного плеча А4. Таким образом, создают общую точку N между концами обмоток R2, R3 и мостом 7. Первый инвертор A оказывается, таким образом, нейтрализованным.
Как показано на фиг.5, мост 7 и две исправные обмотки R2 и R3 имеют теперь общий конец. Выключателями плеч B2, B3 и дополнительного плеча B4 второго инвертора В управляют, чтобы пропустить в исправные обмотки R2 и R3 токи i2, i3, смещенные по фазе на π/3. При этом сумма токов i2, i3 не является постоянно нулевой. Однако остаток тока I=i2+i3 собирается в общей точке N и может выходить через мост 7, чтобы вернуться на второй инвертор B. Таким образом, вращающейся машиной привода можно управлять при помощи только одного инвертора. В данном случае развиваемый момент тоже является постоянным и равным 57% номинального момента. Но при этом скорость вращения при неизменном напряжении U2 делится на два. Для восстановления номинальной скорости вращения следует соответственно повысить напряжение U2.
Без дополнительных плеч A4, B4 и без моста 7 было бы невозможно питать исправные обмотки R2 и R3 токами, смещенными по фазе на π/3. Понадобилось бы обеспечить нулевую сумму токов i2 и i3, так как не было бы никакой возможности отвести остаточный ток. Следовательно, необходимо было бы питать обмотки токами i2 и i3, смещенными по фазе на π, что привело бы к сильному колебанию момента, недопустимому для некоторых вариантов применения.
Наличие дополнительных плеч A4, B4, соединенных мостом, позволяет обеспечить ослабленную работу с постоянным моментом даже в случае отсоединения одной из обмоток.
Таким образом, представленная архитектура питания позволяет противостоять выходу из строя одного из выключателей плеч инверторов, а также отсоединению одной из обмоток вращающейся машины.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами, а, наоборот, охватывает любой вариант, не выходящий за рамки, определенные формулой изобретения.
В частности, изобретение не ограничивается системой питания электромеханического привода, оборудованного трехфазной вращающейся машиной, и может применяться для любой многофазной машины, которая может содержать более трех фаз.
Кроме того, несмотря на то что изобретение описано в связи с электрическим приводом, оборудованным вращающимся электрическим двигателем, называемым также вращающейся машиной, оно может применяться также к питанию приводов, оборудованных линейными двигателями.