专利名称：电压逆变器和控制这种逆变器的方法
技术领域：
本发明涉及一种适应故障的电压逆变器。这种逆变器设计成可将直流电压转换成一种或多种交流电压，带有可逆功率。本发明还涉及到控制这种逆变器的方法。
背景技术：
许多逆变器都用来将直流电压变换成一种或多种交流电压，特别是在航空领域。
这种逆变器通常连接到直流电源的端子上，其将直流电压变换成交流电压以便向三相交流负载供电。这种交流负载可以是三相交流机器，诸如永磁同步电机。这种电压逆变器通常包括三个支路，每个支路带有两个连接到直流电源上的电气转换装置。对于三个支路中的每个支路来讲，转换装置的中点连接到三相交流负载的一个相位上。转换装置通常包括反并联的静态开关和二极管。
特别是在航空领域，安全和可靠性是至为重要的。这就是为什么即使出现一个或多个内部故障时这种逆变器仍必须能够持续工作的原因。
因此，现有技术中，人们已经知道，即使出现一个或多个故障情况下，可以使逆变器继续工作的几种布置形式。例如，申请文件FR2892243介绍了一种逆变器，即使出现故障情况下，仍可以继续工作的逆变器，而且，还包括连接到电源上的第四支路。这第四支路的特性是带有串行连接的两个转换装置和一个中点。该第四臂的中点连接到负载的中性上。 当逆变器正常工作时，第四支路不动作。但是，如果另外三个支路的其中一个出现故障时， 第四支路则会被激活，并能使负载的中性的电位以这样一种方式得到控制，即负载会经由中性负载点而转到两个正常工作的支路上。于是，如果是来自电动旋转机器的负载时，旋转场的持续性和与其相关的扭矩的产生就可以得到保障。
那么，如果其中一个支路出现故障时，该第四支路的使用可以使得逆变器正常工作。然而，根据该文件介绍的解决方案，如果其中一个支路出现故障时，那么，负载就会只能在两个支路上工作，导致送给永磁同步电机的功率丢失，引起扭矩损失，或者，要求提前向电动机提供过大功率。发明内容
本发明的目的是提出一种逆变器来解决与现有技术相关的缺陷，所述逆变器即使出现内部故障时仍能继续工作。
本发明的再一个目的是提供一种逆变器，即使出现内部故障时，该逆变器不会引起电机扭矩的损失。
本发明的再一个目的是，提供一种逆变器，该逆变器具有高可用性和较低的安装空间要求。
本发明的再一个目的是建议使用一种电压逆变器，该逆变器能够在低速时工作， 无需担心过电流问题。
为此，根据本发明的第一个方面，提供的电压逆变器包括
带有η个相位的负载，每个相位带有第一端子和第二端子；
第一和第二单元，每个单元包括η个支路，每个支路包括
ο两个串连的转换装置，每个转换装置能够被置放在开通状态或阻断状态，
ο中点，位于两个转换装置之间，
每个负载相位的每个第一端子连接到第一单元的其中一个中点上，每个负载相位的每个第二端子连接到第二单元的其中一个中点上，
电源，
第一和第二单元均经由两个电隔离装置连接到电源上，所述隔离装置能够被置放在开通状态或阻断状态。
根据本发明的逆变器的特点是，因为其并没有永久中性。实际上，不同于现有技术的逆变器，各种负载相位并没有连接到永久中性点上，而是连接到两个单元上，第一和第二单元，二者是相同的。
所述η个支路属于同一单元，优选并联布置。
根据本发明的逆变器带有两个可能的正常工作方式
根据第一工作方式，每个负载相位和与其相连的两个支路一起建立一个H电桥。 在这种情况下，根据本发明的逆变器可以无中性点工作；
根据第二工作方式，逆变器的两个单元中，其中一个与电源相隔离，其转换装置是这样的，即该单元构成了 η个负载相位与之相连的中性点。
如果逆变器的其中一个单元出现故障，该故障单元会通过所述单元的转换装置转为中性点，而该中性点则通过与该单元相连的电隔离装置而与电源相隔开。这样，当一个单元故障时，该单元就会转换成η个负载相位与之相连的中性点。所述η个负载相位而后可以通过未出现故障的单元而正常工作。为此，如果其中一个支路故障时，根据本发明的装置可以使得所有相位都能使用，这进而可以避免与逆变器其中一个支路出现故障相关的功率损失。这样，在电动旋转机器型负载的情况下，旋转场的持续性和与此相关的扭矩的产生也可得到保证。
如果其中一个负载相位出现断路故障，与所述故障相位相连的两个支路的转换装置就会打开，这样，断路相位就会与电源断开。然后，根据本发明的逆变器就只采用未有故障的η I负载相位工作。
特别有利的是，不论负载相位有多少，根据本发明的逆变器因为只有四个电隔离装置在使用。
此外，根据本发明的逆变器只使用一个电源，这样，可节省所使用的部件数。
本发明特别涉及到η等于3的情况。
负载优选为三相交流负载，而且特别优选永磁同步电机。
优选地，电源为直流电源。该电源传统上可通过飞机机上电网整流而获得；低压也可以是直接源自直流电压网。
有利的是，每个转换装置包括反并联的静态开关和二极管。
有利的是，每个转换装置的静态开关为晶体管或闸流晶体管。
有利的是，每个电隔离装置为双向开关。
根据特别最佳实施方案，根据本发明的逆变器还包括控制和监测故障的装置，适5合
控制电气隔离和转换装置，
监测其中一个转换装置内出现的故障，以及
检测其中一个相位的端子和其中一个中点的端子之间连接是否出现故障。
根据各种实施方案
控制与监测装置可以采用几个基本控制和监测单元构成，每个基本控制和监测单元从属于转换装置或电隔离装置；
控制与监测装置可以采用单一基本控制和监测单元构成，该基本控制和监测单元从属于所有转换装置或电隔离装置。
有利的是，所述控制和监测装置适合控制转换装置和电隔离装置的状态。
根据最佳实施方案，每个中点还通过转换部件连接到中性点上，该转换部件可以置于阻断状态或开通状态。
在其中一个转换装置出现局部短路的情况下，这些中点与中性点的连接是特别有利的。实际上，如果其中一个转换装置出现短路时，该短路会用来将该转换装置所属单元变换成中性点上的短路。但是，如果该短路不是完全的，其会产生负载失衡。为了解决这个问题，中点都通过转换部件而连接到中性点上。在正常工作期间，所有转换装置都是阻断状态，以便中点都不会电气连接到中性点上。另一方面，如果其中一个转换装置出现短路时， 通过将与其相连的转换部件置于开通状态，其所属支路的中点会自动连接到中性点上。这样，就会迫使短路，而含有短路转换装置的单元则依然构成了完全中性点。
另外，有利的是，控制和监测装置能够检测其中一个转换装置是否存在故障。
另外，有利的是，控制和监测装置能够以这样的一种方式来控制转换装置，即可以将其置于阻断状态或开通状态。
本发明还涉及到控制根据本发明的逆变器的方法，根据这个方法，当未检测到故障时，控制方法包括如下步骤
将连接到第一单元的电隔离装置置于阻断状态，
控制第一单元的转换装置，这样，第一单元构成了 η个负载相位与之相连的中性点，
将连接到第二单元的电隔离装置置于开通状态，
控制第二单元的转换装置，这样，第二单元的同一支路上的两个转换装置就处于彼此相反状态，一个是开通状态，另一个是阻断状态。
为此，根据所述方法，当未检测到故障时，而且，因此，逆变器处于正常工作时，两个单元中的其中一个，在此称之为第一单元，但也很可能是第二单元，因为根据本发明的逆变器是完全对称的，就会转换为所有负载相位与之相连的中性点。该中性点通过电隔离装置而与电源相隔离。第二单元，即未转换为中性点的单元，继续像现有技术的单元那样发挥作用，即每个支路的转换装置都交替地置于相反状态。于是，根据该实施方案，如果未检测到故障，根据本发明的逆变器就会工作，其方式与现有技术逆变器相同，包括带有三个支路的单一单元，每个支路的中点连接到负载相位上。
根据再一个实施方案，本发明还涉及到控制本发明电压逆变器的方法，其中，当未检测到故障时，控制方法包括如下步骤
将所有电隔离装置置于开通状态，
控制转换装置，这样，每个相位就会同与之相连的两个支路一起建立H电桥。
根据再一个实施方案，负载工作，无中性。实际上，每个相位连接到两个中点上， 每个中点属于其中一个单元的其中一个支路上。
术语“H电桥”系指一种组件，所属领域的技术人员都熟知这种组件，其中，相位在大写字母H中构成中间的横梁，且每个单元的每个支路构成了字母H的两个竖腿。
在这种工作方式时，转换装置优选成对激活
第一单元的支路的上转换装置与第二单元的支路的下转换装置处于相同状态；
第一单元的支路的下转换装置与第二单元的支路的上转换装置处于相同状态；
每个支路的两个转换装置都处于相反状态。
该H电桥实施方案可以更好地利用可用电压范围，而且，以相等功率，电流的使用小于此前实施方案的控制方法。
另外，本发明还涉及到控制电压逆变器的方法，采用这种方法，在检测到其中一个转换装置存在故障时，控制方法包括如下步骤
将连接到故障的转换装置所属单元上的电隔离装置置于阻断状态，
控制故障的转换装置所属单元的另一个转换装置，这样，故障的转换装置所属单元就构成了 η个负载相位与之相连的中性点。
因此，根据该方法，如果其中一个转换装置存在故障时，故障的转换装置所属单元的其它转换装置就会受到控制，这样，故障的转换装置所属单元构成了所有负载相位与之相连的中性点。这样，即使其中一个转换装置出现故障，依然可以使用负载的所有相位。
本发明还涉及到控制逆变器的方法，这样，当其中一个相位的其中一个端子和其中一个中点之间的连接发现故障时，所述控制方法包括如下步骤
将连接到故障连接部分所属相位的转换装置置于阻断状态。
采用这种方式时，当其中一个负载相位处于断路状态时，与之相连的两个支路就会打开，然后，就可以继续使用所有其它负载相位。
本发明进一步涉及到控制本发明逆变器的方法，即，当其中一个转换装置被检测到短路故障时，该短路的转换装置与之相连的转换部件就会置于开通状态。
本发明进一步涉及到控制本发明的逆变器的方法，即，当未检测到转换装置存在任何短路故障时，则所有转换部件都置于阻断状态。
有利的是，根据本发明的逆变器的控制和监测装置能够实施前面所述控制方法的各个步骤。
参照附图，阅读如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，
图I为根据本发明实施方案的电压逆变器示意图2为图I所示电压逆变器的示意图，所示其中一个转换装置出现短路；
图3为图I所示电压逆变器示意图，所示其中一个转换装置出现断路；
图4为图I所示电压逆变器示意图，所示其中一个负载相位和逆变器其中一个单元的其中一个支路之间的连接部分出现断路故障；
图5为根据本发明实施方案的电压逆变器示意图6为根据第一正常工作方式的图I所示逆变器示意图，
图7为根据第二正常工作方式的图I所示逆变器示意图。
为了简洁起见，在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同或相似的部件。
具体实施方式
图I示出了根据本发明实施方案的电压逆变器。该电压逆变器是一种三相逆变器，用来对两种电能来源之间交换的电能进行调制，其中一个电能是直流电源11，另一个是三相交流负载I。这种逆变器在功率上为双向的。
负载I包括三个相位，分别为相位2，3和4。负载I优选为永磁同步电动机。
每个相位分别带有第一端子，分别为5，6和7，和第二端子，分别为8，9和10。
电压逆变器还包括第一单元12和第二单元13。每个单元带有三个支路，分别为 14，15，16和17，18，19。每个单元的三个支路彼此并行连接。
每个支路包括两个转换装置Q1/Q4，Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12。 在同一个支路上的两个转换装置串行连接。中点位于同一支路的两个转换装置之间。
每个转换装置可以被置于开通状态或阻断状态。
优选地，每个转换装置包括反并联的静态开关T和二极管D。静态开关优选为晶体管，例如，IGBT型(绝缘栅双极晶体管)或半导体闸流管。
每个相位的每个第一端子5，6，7都只连接到第一单元其中一个中点上，分别为20，21,22ο
每个相位的每个第二端子8，9，10都只连接到第二单元其中一个中点上，分别为 23，24，25。
这样，每个相位2，3，4就与第一单元的其中一个支路和第二单元的其中一个支路构成了 H电桥。
第一单元12经由第一电隔离装置Q13连接到电源11的正极端子上。第一单元12 经由第二电隔离装置Q14连接到电源11的负极端子上。
第二单元13经由第三电隔离装置Q15连接到电源11的正极端子上。第二单元13 经由第四电隔离装置Q16连接到电源11的负极端子上。
每个电隔离装置可以被置于开通状态或阻断状态。
优选地，每个电隔离装置包括双向开关，因为电流是交流电。
根据本发明的逆变器还可以包括位于电源11和第一及第二单元12，13之间的滤波级26。
该滤波级26优选包括两个与电源11串连的感应器27，28和与电源11并连的电容器29。
如果未出现故障时，前面所述电压逆变器可以采用两种正常工作方式工作。
根据第一正常工作方式，如图6所示，其中一个单元，即第一单元或第二单元，会建立中性点，而逆变器则通过另一单元工作，其方式与现有技术逆变器方式相同。
在下面的介绍中，我们可以假设中性点由第二单元13构成，但是，如果中性点是由第一单元构成时，所述相同介绍也同样适合，因为两个单元完全相同。
在这种情况下，连接第二单元14至电源11的两个电隔离装置Q15和Q16被置于阻断状态，这样，第二单元13就与电源11断开连接。此外，第二单元13的转换装置Q7至 Q12就处于这样一种状态，即第二单元13构成了三个负载相位2，3，4与之相连的中性点。
为此，上转换装置Q7，Q8，Q9就置于阻断状态，而下转换装置Q10，Qll, Q12则置于开通状态，反之亦然。
第一单元12的工作方式与现行技术的逆变器相同。于是，根据最佳实施方案，同一支路的转换装置为相对状态，一个处于阻断状态，另一个处于开通状态。
根据第二正常工作方式，如图7所示，逆变器在无中性点的情况下工作。在这种情况下，四个电隔离装置Q13，Q14, Q15, Q16都处于开通状态。
此外，每个相位都与与之相连的两个支路相配合，构成了 H电桥，在该电桥中，同一支路的两个转换装置为相对状态，一个处于开通状态，另一个处于阻断状态。
为此，相位2就与两个支路14和19构成了第一 H电桥。相位3就与两个支路15 和18构成了第二 H电桥。相位4就与两个支路16和17构成了第三H电桥。
此外，当第一单元内的支路的上转换装置处于开通状态时，属于同一 H电桥的第二单元内，该支路的下转换装置也处于开通状态。
为此，当转换装置Ql和Q12处于开通状态时，转换装置Q4和Q9处于阻断状态，反之亦然。
同样，当转换装置Q2和Qll处于开通状态时，转换装置Q5和Q8处于阻断状态，反之亦然。
同样，当转换装置Q3和QlO处于开通状态时，转换装置Q6和Q7处于阻断状态，反之亦然。
这种无中性点的正常工作方式特别有利，因为其可以使电压的极性在每个相的端子处逆变，而电压逆变器然后就可以较大电压范围工作。为此，根据该工作方式，电压范围很大，是根据前面工作方式中介绍的第一正常工作方式的两倍，也就是说，电压范围等于电源11电压范围的两倍。
图2示出了出现故障时图I的布局情况，特别是如果转换装置QlO出现短路时。
在这种情况下，与转换装置QlO (该装置出现短路)属于同一单元13的另外两个转换装置，也就是说，Qll和Q12与短路的转换装置QlO相连，此时都闭合(或都处于接通状态)。
与发生短路的转换装置QlO同一单元13的转换装置，其与短路的转换装置相反， 也就是说，Q7，Q8，Q9，此时都是打开的(或都处于阻断状态)。
连接短路的转换装置QlO所属单元13的每个电隔离装置Q15和Q16都处于阻断状态，以便转换装置QlO所属的单元13与电源11实现电气隔离。
这样，故障的转换装置所属的单元13构成了负载I三个相位2，3，4与之连接的中性点。然后，根据本发明的逆变器就使用该负载的三个相位继续工作，尽管其中一个单元存在短路，而且，因此，尽管其中一个转换装置存在短路，但仍不会损失功率。
在这种情况下，另一个单元，在本示例中为第一单元12，继续正常工作，也就是说， 同一支路的两个转换装置彼此处于相反状态，一个处于阻断状态，另一个处于开通状态。
图3示出了图I的逆变器，所示为其中一个转换装置(本示例中为转换装置Q10)出现断路时的情况。
在这种情况下，与发生断路的转换装置QlO属于同一单元13的转换装置，即Qll 和Q12，与断路的转换装置QlO相连，都置于开通状态。
与断路的转换装置QlO属于同一单元13的转换装置，即Q7，Q8，Q9，与断路的转换装置QlO相反，都置于阻断状态。
将断路的转换装置所属的单元13连接至电源11的电隔离装置Q15和Q16都置于阻断状态，以便单元13与电源断开连接。
这样，如图2所示，故障的转换装置QlO所属的单元就通过使用故障的转换装置而转换为中性点。
另一个单元12继续正常工作。
图4示出了其中一个相位出现断路情况下的图I逆变器，在该示例中，所述相位为相位2。更确切地说，负载I的相位2的端子和第一单元支路14的中点20之间的连接为断路状态。
在这种情况下，所有电气转换装置Q13，Q14, Q15, Q16仍保持开通状态。
连接到断路的相位2的转换装置Ql，Q4, Q9, Q12都处于阻断状态，从而将故障的相位2与电路的其它相位相隔离。
而后，故障的逆变器继续通过另外两个未有故障的相位3和4而工作。这样，这两个相位则由转换装置Q2，Q3, Q5, Q6, Q7, Q8, Q10, Qll控制。
图5示出了根据本发明另一个实施方案的逆变器。图5的逆变器与图I的逆变器相同，除了其还包括6个转换部件17至Q22。
前三个转换部件Q17至Q19将第一单元12的三个中点20，21，22连接到第一中性点30上。三个转换装置Q20至Q22将第二单元的三个中点23，24，25连接到第二中性点31上。
优选地，每个转换部件包括开关机构。
当逆变器正常工作时，转换部件Q19至Q22处于阻断状态。
如果其中一个转换装置(例如Q10)出现短路故障时，QlO所属支路的中点25与之连接的转换装置Q22就会置于开通状态，以便Ql所属的支路置于完全短路状态。这样，即使QlO处的短路不完全，QlO所属单元13也会被转换成完全中性点。
一旦单元13的转换装置处于短路时，连接短路的转换装置QlO所属单元13中性点的其它转换装置Q20和Q21也都可以被置于开通状态。
如果故障属于断路类型的故障，转换部件仍处于阻断状态。
在负载的其中一个相位出现短路故障情况下，例如，相位2，连接到该相位的转换部件Q17和Q20就可以被置于开通状态。
当然，本发明并不限于参照附图所给出的实施方案，可以设想存在各种不同的方式，但这些都没有超过本发明的特性范围。
权利要求
1.一种电压逆变器，包括带有η个相位(2，3，4)的负载(I)，每个相位(2，3，4)带有第一端子(5，6，7)和第二端子(8，9，10)；第一单元(12)和第二单元(13)，每个都包括η个支路(14，15，16，17，18，19)，每个支路包括ο 串行连接的两个转换装置(Q1/Q4，Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12)，每个转换装置都能够被置于开通状态或阻断状态，ο中点(20，21，22，23，24，25)，位于两个转换装置之间，每个负载相位(2，3，4)的每个第一端子(5，6，7)都连接到第一单元(12)的其中一个中点(20，21，22)上，每个负载相位(2，3，4)的每个第二端子(8，9，10)都连接到第二单元(13)的其中一个中点(23，24，25)上，电源(11)其特征在于，第一单元通过第一电隔离装置连接到电源的正极端子上并通过第二电隔离装置连接到电源的负极端子上，第二单元通过第三电隔离装置连接到电源的正极端子上并通过第四电隔离装置连接到负极端子上，每个电隔离装置都能够置于开通状态或阻断状态。
2.根据前面权利要求所述的电压逆变器，其特征在于，每个转换装置(Q1/Q4，Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12)都包括反并联的静态开关机构(T)和二极管(D)。
3.根据前面任一项权利要求所述的电压逆变器，其特征在于，其进一步包括故障控制和监测装置，适合控制转换装置和电隔离装置，监测其中一个转换装置内出现的故障，以及检测其中一个相位的其中一个端子和其中一个中点之间的连接是否出现故障。
4.根据前面任一项权利要求所述的电压逆变器，其特征在于，每个中点(20，21，22， 23，24，25)都通过转换部件(Q17, Q18, Q19, Q20, Q21, Q22)连接到中性点(30，31) 上，所述转换部件能够被置于阻断状态或开通状态。
5.一种控制权利要求I到4任一项所述电压逆变器的方法，其特征在于，当未检测到故障时，控制方法包括如下步骤将连接到第一单元(12)的电隔离装置(Q13，Q14)置于阻断状态，控制第一单元(12)的转换装置(Ql，Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)，这样，第一单元(12)构成了负载(I)的η个相位(2，3，4)与之相连的中性点，将连接到第二单元(13)的电隔离装置(Q15，Q16)置于开通状态，控制第二单元(13)的转换装置(Q7，Q8, Q9, Q10, Qll, Q12)，这样，第二单元(13) 的同一支路(Q7/Q10，Q8/Q11, Q9/Q12)上的两个转换装置就处于彼此相反状态，一个是开通状态，另一个是阻断状态。
6.控制权利要求I到4任一项所述电压逆变器的方法，其特征在于，当其中一个转换装置(QlO)未检测到故障时，控制方法包括如下步骤将四个电隔离装置(Q13，Q14, Q15, Q16)置于开通状态，控制转换装置(Ql至Q12)，这样，每个相位(2，3，4)就会同与之相连的两个支路一起建立H电桥。
7.控制权利要求I到4任一项所述电压逆变器的方法，其特征在于，当其中一个转换装置被检测到故障时，控制方法包括如下步骤将连接到故障的转换装置(QlO)所属单元(13)上的电隔离装置(Q15，Q16)置于阻断状态，控制故障的转换装置(QlO)所属单元(13)的其它转换装置(Q7，Q8, Q9, Qll, Q12)， 这样，故障的转换装置(QlO)所属单元(13)就构成了负载(I)的η个相位(2，3，4)与之相连的中性点。
8.控制权利要求I到4任一项所述电压逆变器的方法，其特征在于，当其中一个相位(2)的其中一个端子和其中一个中点(20)之间的连接发现故障时，控制方法包括如下步骤将连接到属于故障连接部分的相位(2)的转换装置(Ql，Q4, Q9, Q12)置于阻断状态。
9.控制权利要求4所述的电压逆变器的方法，其特征在于，当其中一个转换装置(QlO) 被检测出存在短路故障时，短路的转换装置(QlO)与之相连的转换部件(Q22)被置于开通状态。
10.控制权利要求4所述电压逆变器的方法，其特征在于，当转换装置中未检测存在短路故障时，所有的转换部件(Q17，Q18, Q19, Q20, Q21, Q22)都置于阻断状态。
全文摘要
本发明涉及到能够在出现短路或断路故障的情况下工作的电压逆变器。为此，根据本发明的电压逆变器包括带有3个相位(2, 3, 4)的负载(1)，每个相位带有第一端子(5, 6, 7)和第二端子(8, 9, 10)；第一单元和第二单元(12，13)，每个单元都包括并行连接在一起的3个支路，每个支路包括串行连接的两个转换装置(Q1/Q4, Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12)，位于两个转换装置之间的中点(20, 21, 22, 23, 24, 25)，每个相位的每个第一端子(5, 6, 7)都连接到第一单元(12)的其中一个中点(20, 21, 22)上，每个相位的每个第二端子(8, 9, 10)都连接到第二单元(13)的其中一个中点(23, 24, 25)上；以及直流电源(11)，第一单元和第二单元均经由两个电隔离装置(Q13，Q14，Q15，Q16)而连接到直流电源上。
文档编号H02P29/02GK102939714SQ201180029297
公开日2013年2月20日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年6月14日
发明者塞德里克·鲍派 申请人:伊斯帕诺-絮扎公司