УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ МНОГОУРОВНЕВОГО ПРИВОДА СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНИЧЕСКОГО ШУНТИРОВАНИЯ
IMPROVED DIAGNOSTICS FOR MULTI-LEVEL MEDIUM-VOLTAGE DRIVE USING MECHANICAL BYPASS

Предпосылки изобретения
[0001] Настоящее раскрытие относится к механическому шунтированию среди множественных силовых ячеек в приводе среднего напряжения. В частности, настоящее раскрытие относится к системе и способу обеспечения связи между силовой ячейкой, механическим шунтом и контроллером для определения состояния шунтирования тока силовой ячейки.
[0002] Источники питания, выполненные с возможностью управления потоком энергии между первой системой переменного тока (AC) и второй системой переменного тока, используются в различных коммерческих и промышленных применениях. Например, источник питания обычно используется в системах управления и эксплуатации электродвигателя переменного тока. Различные источники питания преобразуют энергию от первой частоты и напряжения ко второй частоте и напряжению. Одним подходом к реализации такого источника питания является привод, включающий в себя одну или более силовых ячеек, причем каждая силовая ячейка включает в себя множественные твердотельные преобразователи с промежуточной линией связи постоянного тока (DC). Иллюстративная силовая ячейка может представлять собой электрическое устройство, имеющее вход трехфазного переменного тока и выход однофазного переменного тока. Одна иллюстративная система, включающая в себя такие силовые ячейки, рассмотрена в патенте США № 5,625,545, выданном Хаммонду, раскрытие которого, таким образом, включено посредством ссылки в полном объеме.
[0003] Например, здесь, согласно фиг. 1, силовая ячейка 100 включает в себя активный входной каскад 102, который служит трехфазным мостом, поскольку он принимает питание от специализированных трехфазных вторичных обмоток трансформатора через вход 130. Ячейка 100 также включает в себя множество входных переключателей 110-115, которые могут представлять собой двунаправленные устройства управления током, например БТИЗ или другие транзисторы, тиристоры или другие переключающие устройства. Хотя на фиг. 1 представлено шесть транзисторов в мостовом формате, в этом примере, три пары из двух транзисторов, каждый из которых подключен параллельно к клеммам постоянного тока, можно использовать другие количества и типы входных переключателей. Входные переключатели управляют напряжением шины постоянного тока в ячейке. Секция 106 фильтра постоянного тока включает в себя один или более конденсаторов 108. Оставшаяся часть ячейки может включать в себя выходную секцию 104, например мостовой инвертор, выполненный из четырех выходных переключателей 121-124, каждый из которых подключен к выходу или клеммам постоянного тока активного входного каскада 102 и фильтра 106 постоянного тока, для подачи питания переменного тока на выход 132.
[0004] Фиг. 2 демонстрирует иллюстративный вариант осуществления цепи, имеющей такие силовые ячейки. Согласно фиг. 2 многообмоточная машина, например, источник или входной трансформатор 210 подает трехфазное питание среднего напряжения на нагрузку 230, например, трехфазный асинхронный двигатель через матрицу однофазных инверторов (также именуемых здесь силовыми ячейками). Используемый здесь термин “трансформатор” призван включать в себя любую многообмоточную машину, которая обычно находится на питающей стороне системы. Трансформатор 210 может включать в себя первичные обмотки 212, которые возбуждают несколько вторичных обмоток 214-225. Хотя первичная обмотка 212 проиллюстрирована как имеющая конфигурацию звезды, возможна также конфигурация треугольника. Кроме того, хотя вторичные обмотки 214-225 проиллюстрированы как имеющие конфигурацию треугольника, возможны вторичные обмотки в конфигурации звезды или можно использовать комбинацию обмоток, соединенных по схеме звезды и треугольника. Кроме того, количество вторичных обмоток, представленных на фиг. 2, является лишь иллюстративным и возможны другие количества вторичных обмоток.
[0005] Между трансформатором 210 и нагрузкой 230 может быть подключено любое количество трехфазных наборов силовых ячеек. Силовые ячейки могут включать в себя ячейки, например, имеющие конфигурацию, показанную на фиг. 1, или силовые ячейки могут включать в себя ячейки, имеющие одну или более других конфигураций. Согласно фиг. 2, система может включать в себя первый набор или “ранг” силовых ячеек 251-253 на трех фазах нагрузки, второй ранг силовых ячеек 261-263, третий ранг силовых ячеек 271-273 и четвертый ранг силовых ячеек 281-283. Возможно существование меньше четырех наборов или рангов или больше четырех наборов или рангов. Главная или центральная система 295 управления отправляет командные сигналы на локальный контроллер 292 и/или органы управления уровня ячейки в каждой ячейке по оптическому волокну или другой среде 290 проводной или беспроводной связи. Локальный контроллер 292 и центральная система 295 управления могут представлять собой устройство обработки, с которой связана память, выполненная с возможностью хранения инструкций, алгоритмов и уравнений, используемых для осуществления различных вычислений. Аналогично, локальный контроллер 292 и центральная система 295 управления может включать в себя устройства ввода/вывода, выполненные с возможностью приема и передачи данных между различными компонентами.
[0006] Согласно фиг. 1 и 2 постоянный ток может поступать на фильтр 106 постоянного тока, и переменный ток может поступать на выход 132 ячейки, на основании сигналов управления, которые транзисторы 121-124 и 110-115 принимают от локального контроллера 292. Локальный контроллер 292 может выбирать, какие транзисторы будут закрываться и открываться, таким образом, модулируя питание, поступающее на выход 132. В необязательном порядке, цепи связи, например, линии 290 связи для управления оптоволоконным модулятором, можно использовать для электрической изоляции всех цепей в любой одной ячейке от всех цепей в любой другой ячейке и для ослабления эффектов электромагнитной помехи, которые могут действовать между локальным контроллером 292 и центральной системой 295 управления. Локальный контроллер 292 может принимать питание от источника питания локального управления, который может быть электрически подключен к входу цепи вторичной обмотки.
[0007] В многоячеечном источнике питания каждая силовая ячейка может дополнительно включать в себя механизм шунтирования. Когда данная силовая ячейка многоячеечного источника питания дает сбой в режиме холостого хода, ток через все силовые ячейки в этой фазовой группе будет обнуляться, и дальнейшая работа невозможна. Отказ силовой ячейки можно обнаруживать путем сравнения выходного напряжения ячейки с предписанным выходным сигналом, путем проверки или контроля компонентов ячейки, путем использования диагностических процедур и т.д. В случае отказа данной силовой ячейки можно шунтировать сбойную силовую ячейку и продолжать эксплуатировать многоячеечный источник питания со сниженной емкостью. В этом документе описаны система и способ, которые улучшают обнаружение операций шунтирования, отказов или неправильных соединений в силовой ячейке.
Сущность изобретения
[0008] Это раскрытие не ограничивается описанными конкретными системами, устройствами и способами, поскольку они могут изменяться. Терминология, используемая в описании, предназначена для описания лишь конкретных версий или вариантов осуществления и не призвана ограничивать объем.
[0009] Используемые в этом документе формы единственного числа включают в себя множественные ссылки, если из контекста явно не следует обратное. Если не указано обратное, все используемые здесь технические и научные термины следует понимать в том же смысле, в каком их понимает специалист в данной области техники. Ничто в этом документе не следует рассматривать как допущение того, что варианты осуществления, описанные в этом документе, дают право предвосхищать это раскрытие на основании предыдущего изобретения. Используемый в этом документе термин “содержащий” означает “включающий в себя, но без ограничения”.
[0010] В одном общем отношении, варианты осуществления раскрывают систему, причем система включает в себя силовую ячейку и механизм шунтирования. Силовая ячейка включает в себя первую выходную клемму, вторую выходную клемму и первый интерфейс связи. Механизм шунтирования оперативно подключается к первой выходной клемме и второй выходной клемме и выполнен с возможностью создания шунтирующего канала между первой выходной клеммой и второй выходной клеммой, причем механизм шунтирования включает в себя второй интерфейс связи, выполненный с возможностью передачи сигнала шунтирования на первый интерфейс связи в ответ на изменение состояния механизма шунтирования.
[0011] В другом общем отношении, варианты осуществления раскрывают источник питания, включающий в себя многообмоточное устройство, имеющее первичную обмотку и множество трехфазных вторичных обмоток, контроллер, множество силовых ячеек, оперативно подключаемых к контроллеру, причем каждая силовая ячейка подключается к отдельной трехфазной вторичной обмотке многообмоточного устройства, и множество механизмов шунтирования. Каждая из множества силовых ячеек включает в себя первую выходную клемму и вторую выходную клемму и первый интерфейс связи. По меньшей мере, один из множества механизмов шунтирования оперативно подключается к соответствующей одной из множества силовых ячеек и выполнен с возможностью создания шунтирующего канала между первой выходной клеммой и второй выходной клеммой, причем каждый из множества механизмов шунтирования включает в себя второй интерфейс связи, выполненный с возможностью передачи сигнала шунтирования на первый интерфейс связи соответствующей силовой ячейки в ответ на изменение состояния механизма шунтирования.
[0012] В другом общем отношении, варианты осуществления раскрывают способ осуществления диагностики на источнике питания. Способ включает в себя этапы, на которых передают, с помощью контроллера, входное напряжение на механизм шунтирования источника питания, причем входное напряжение приводит к изменению состояния механизма шунтирования; принимают, с помощью контроллера, сигнал от силовой ячейки, причем сигнал указывает, что силовая ячейка обнаружила изменение состояния механизма шунтирования; и определяют, с помощью контроллера, связана ли силовая ячейка с механизмом шунтирования.
Краткое описание чертежей
[0013] Фиг. 1 - принципиальная схема, демонстрирующая иллюстративные характеристики силовой ячейки, имеющей двунаправленные переключающие устройства.
[0014] Фиг. 2 - цепь, содержащая множество силовых ячеек, подключенных к нагрузке.
[0015] Фиг. 3 - иллюстративная силовая ячейка и конфигурация механизма шунтирования.
[0016] Фиг. 4 - иллюстративная силовая ячейка и конфигурация механизма шунтирования согласно варианту осуществления.
[0017] Фиг. 5 - альтернативная иллюстративная силовая ячейка и конфигурация механизма шунтирования согласно варианту осуществления.
[0018] Фиг. 6 - иллюстративный процесс для осуществления диагностики на силовой ячейке и конфигурации механизма шунтирования согласно варианту осуществления.
Подробное описание
[0019] В различных вариантах осуществления силовая ячейка и механизм шунтирования включают в себя сигнализацию или другой механизм обратной связи, используемый для проверки с помощью контроллера, какая силовая ячейка шунтирована. В одном варианте осуществления система с обратной связью приводит между силовой ячейкой, механизмом шунтирования и контроллером, что позволяет контроллеру проверять, правильная ли силовая ячейка была шунтирована, на основании обратной связи от силовой ячейки и механизма шунтирования. Например, между силовой ячейкой и механизмом шунтирования может устанавливаться линия связи, что позволяет главному контроллеру, оперативно подключаемому к силовой ячейке и механизму шунтирования, быстро устанавливать, правильно ли была шунтирована силовая ячейка. Линия связи может представлять собой пару фотодиода и детектора, запитываемую напряжением, подаваемым на шунтирующую катушку. Альтернативно, линия связи может представлять собой двунаправленную линию передачи данных между силовой ячейкой и механизмом шунтирования. Линия связи может быть беспроводной или проводной в зависимости от конфигурации и реализации различных компонентов.
[0020] Фиг. 3 демонстрирует иллюстративный механизм 310 шунтирования, подключенный к выходным клеммам T1 и T2 силовой ячейки 305. Как показано на фиг. 3, механизм 310 шунтирования представляет собой двухполюсный (DPST) контактор и включает в себя контакт 315 и катушку 320. Используемый здесь термин "контакт" в общем случае означает набор контактов, имеющий неподвижные участки и подвижный участок. Соответственно контакт 315 включает в себя неподвижные участки и подвижный участок, который управляется катушкой 320 и выполнен с возможностью альтернативно перемещаться между неподвижными участками между нормальным режимом работы и режимом шунтирования, т.е. режим, в котором выход силовой ячейки шунтирован. Механизм 310 шунтирования может быть установлен отдельно от силовой ячейки 305, но в непосредственной близости к силовой ячейке. Когда подвижный участок контакта 315 находится в позиции шунтирования, между клеммами фазы создается шунтирующий канал, что, по существу, удаляет силовую ячейку из выходной цепи. Другими словами, когда подвижный участок контакта 315 находится в позиции шунтирования, выход привода на сбойной силовой ячейке закорачивается. Таким образом, в случае отказа силовой ячейки 305, ток из других силовых ячеек в группе фазы может течь через механизм 310 шунтирования, подключенный к сбойной силовой ячейке 305, а не через саму сбойную силовую ячейку 305. Одна иллюстративная система, включающая в себя такие механизмы шунтирования, рассмотрена в патентной заявке США № 11/857,880, поданной 19 сентября 2007 г. и озаглавленной “Method for Bypassing a Power Cell of a Power Supply”, раскрытие которой, таким образом, включено посредством ссылки в полном объеме.
[0021] Фиг. 4 демонстрирует систему, включающую в себя систему с обратной связью для мониторинга и проверки, правильно ли была шунтирована силовая ячейка. Система с обратной связью включает в себя механизм 410 шунтирования, подключенный к выходным клеммам T1 и T2 силовой ячейки 405, в котором однонаправленная линия связи устанавливается между силовой ячейкой и механизмом шунтирования при активации механизма шунтирования. Обычно механизм 410 шунтирования представляет собой двухполюсный (DPST) контактор и включает в себя подвижный контакт 415 и катушку 420. В этом примере, силовая ячейка 405 и механизм 410 шунтирования также включают в себя линию связи, включающую в себя первый интерфейс связи и второй интерфейс связи. Первым интерфейсом связи может быть фотодиод 425, оперативно подключаемый к входному напряжению, подаваемому на катушку 420. Когда контроллер определяет, что силовую ячейку 405 следует шунтировать, катушка 420 может снабжаться энергией с помощью контроллера (например, главного контроллера 295, как показано на фиг. 2), перемещая подвижный контакт 415, в результате чего механизм 410 шунтирования изменяет состояния и шунтирует выход силовой ячейки 405.
[0022] Когда катушка 420 снабжается энергией, чтобы вызвать перемещение подвижного контакта 415, напряжение, подаваемое на фотодиод 425, может приводить к излучению света фотодиодом. Этот излучаемый свет можно обнаруживать фотодетектором 430 на силовой ячейке, таким образом, указывая силовой ячейке, что механизм шунтирования изменил состояния. Например, механизм шунтирования может переходить из позиции нормальной работы в позицию шунтирования, таким образом, создавая короткое замыкание на выходной цепи вокруг силовой ячейки, функционально удаляя силовую ячейку из работы источника питания. Альтернативно, механизм шунтирования может изменять состояния из позиции шунтирования в позицию нормальной работы, таким образом, удаляя короткое замыкание на выходной цепи вокруг силовой ячейки и возвращая силовую ячейку к работе в источнике питания.
[0023] В зависимости от конфигурации силовой ячейки 405 и шунтирующего устройства 410, фотодетектор 430 может располагаться таким образом, чтобы непосредственно регистрировать свет, излучаемый фотодиодом 425. Однако в отсутствие линии прямого наблюдения между силовой ячейкой 405 и механизмом 410 шунтирования, или при наличии светового загрязнения от других источников света, для связывания фотодиода 425 и фотодетектора 430 можно использовать среду переноса, например, оптическое волокно, таким образом, снижая или исключая вероятность того, что фотодетектор обнаружит свет из другого источника.
[0024] Один или оба из силовой ячейки 405 и механизма 410 шунтирования может сообщать контроллеру о шунтировании, таким образом, обеспечивая систему с обратной связью, включающую в себя контроллер, механизм шунтирования и силовую ячейку. Например, механизм 410 шунтирования может отправлять на контроллер выходной сигнал, указывающий, что он переместился в позицию шунтирования. Аналогично, силовая ячейка 405 может отправлять на контроллер выходной сигнал, указывающий, что она приняла указание, что связанный с ней механизм 410 шунтирования активирован. Контроллер может принимать эти выходные сигналы и определять, правильная ли силовая ячейка 405 была шунтирована. В случае, когда неправильная силовая ячейка сообщает о шунтировании, контроллер может указывать ошибку шунтирования оператору источника питания и либо переходить в режим безопасной работы, либо полностью отключать источник питания.
[0025] На основании выходных сигналов из силовой ячейки 405 и механизма 410 шунтирования контроллер может определять различную информацию. Например, контроллер, принимающий от силовой ячейки информацию, указывающую неправильное шунтирование, может определять проверку оставшихся силовых ячеек для определения, какая из силовых ячеек была неумышленно шунтирована. Таким образом, любые ошибки проводки можно определять на основании сравнения силовой ячейки, шунтирование которой ожидается, и фактически шунтированной силовой ячейки.
[0026] Фиг. 5 демонстрирует дополнительную систему, включающую в себя систему с обратной связью для мониторинга и проверки, правильно ли была шунтирована силовая ячейка. Система с обратной связью включает в себя механизм 510 шунтирования, подключенный к выходным клеммам T1 и T2 силовой ячейки 505, в которой двунаправленная линия связи устанавливается между силовой ячейкой и механизмом шунтирования. В этом примере, силовая ячейка 505 и механизм 510 шунтирования может включать в себя линию связи, включающую в себя первый интерфейс 525 связи и второй интерфейс 530 связи. Каждый из первого интерфейса 525 связи и второго интерфейса 530 связи может представлять собой устройства обработки, выполненные с возможностью сбора и передачи/приема информации. Таким образом, между силовой ячейкой 505 и механизмом 510 шунтирования может устанавливаться двунаправленная линия 535 связи. Информация, относящаяся к силовой ячейке 505, может передаваться вторым интерфейсом 530 связи на механизм 510 шунтирования через линию 535 связи. Альтернативно, информация, относящаяся к механизму 510 шунтирования, может передаваться первым интерфейсом 525 связи на силовую ячейку 505 через линию 535 связи. Это допускает единое соединение с контроллером от силовой ячейки 505 либо от механизма 510 шунтирования. В источнике питания с множественными силовыми ячейками и механизмами шунтирования это может существенно сократить количество линий связи, ведущих к контроллеру, таким образом, снижая возможность отказа на одной из линий связи контроллера. Однако, для избыточности, можно обеспечить дополнительные соединения с контроллером.
[0027] По аналогии с вышесказанным, когда контроллер определяет, какую силовую ячейку 505 нужно шунтировать, катушка 520 может снабжаться энергией с помощью контроллера, перемещая подвижный контакт 515, в результате чего механизм 510 шунтирования изменяет состояния и шунтирует выход силовой ячейки 505.
[0028] Дополнительно, в конфигурации, показанной на фиг. 5, силовая ячейка 510 может управлять своим собственным шунтированием. Если силовая ячейка 505 локально обнаруживает свой отказ, силовая ячейка может отправлять указание на шунтирующее устройство 510 для изменения состояний, таким образом, шунтируя сбойную силовую ячейку. Силовая ячейка может использовать внутреннее питание для активации катушки 520, таким образом, перемещая контакт 515 в позицию шунтирования.
[0029] Когда состояние шунтирующего устройства 510 изменяется, шунтирующее устройство может отправлять силовой ячейке 505 указание изменения. Как и раньше, один или оба из силовой ячейки 505 и механизма 510 шунтирования может сообщать контроллеру о шунтировании, таким образом, снова создавая систему с обратной связью, включающую в себя контроллер, механизм шунтирования и силовую ячейку. Если силовая ячейка 505 и механизм шунтирования совместно пользуются единым соединением с контроллером, единый выходной сигнал может отправляться на контроллер, указывающий как изменение состояния механизма шунтирования, так и шунтирование силовой ячейки. Контроллер может подтверждать, что это правильная комбинация силовой ячейки 505 и механизма шунтирования или, как описано выше, осуществлять дополнительные этапы диагностики для идентификации любых ошибок.
[0030] Фиг. 6 демонстрирует иллюстративный процесс, осуществляемый контроллером для разнообразной диагностики на наборе компонентов силовой ячейки и механизма шунтирования. Контроллер может отправлять сигнал на механизм шунтирования, таким образом, активируя 602 механизм шунтирования и предписывая механизму шунтирования изменять состояния. Как описано выше, это изменение состояния может заставлять механизм шунтирования сигнализировать изменение состояния соответствующей силовой ячейки. В ответ на сигнал шунтирования силовая ячейка может передавать выходной сигнал на контроллер. Контроллер может принимать 604 выходной сигнал от силовой ячейки и определять 606, если силовая ячейка является правильной силовой ячейкой, связанной с активированным 602 механизмом шунтирования. Например, в ходе установки источника питания, контроллер можно программировать списком идентификаторов силовых ячеек и соответствующих механизмов шунтирования. На основании этого списка контроллер может определять 606, связана ли сигнализирующая силовая ячейка с надлежащим механизмом шунтирования.
[0031] Если контроллер определяет 606, что силовая ячейка неправильная, контроллер может осуществлять дополнительную диагностику для идентификации 608 любых потенциальных ошибок. Например, контроллер может осуществлять проверку оставшихся силовых ячеек для определения, какая из силовых ячеек была неумышленно шунтирована. Таким образом, любые ошибки проводки можно идентифицировать 608 на основании сравнения силовой ячейки, шунтирование которой ожидается, и фактически шунтированной силовой ячейки.
[0032] Если контроллер определяет 606, что связанная силовая ячейка является правильной, контроллер может определять 610, существуют ли дополнительные силовые ячейки и соответствующие механизмы шунтирования для тестирования. При наличии дополнительных силовых ячеек и соответствующих механизмов шунтирования для тестирования, контроллер может активировать другой механизм шунтирования. Если контроллер определяет 610, что дополнительные силовые ячейки отсутствуют, контроллер может завершить 612 диагностику. Завершение 612 диагностики может включать в себя возвращение всех механизмов шунтирования в их нешунтированное состояние и запуск (или возобновление) нормальной работы источника питания. Дополнительно, контроллер или программное обеспечение, связанное с контроллером, может создавать отчет для просмотра оператором источника питания.
[0033] Заметим, что процесс, показанный на фиг. 6, представлен исключительно в порядке примера. Процесс, показанный на фиг. 6, будет полезен для осуществления при запуске или в периоды обслуживания, поскольку различные силовые ячейки отключаются последовательно. Однако аналогичный диагностический процесс можно использовать в ходе стандартной работы источника питания, когда силовые ячейки шунтируются и тестируются во время непиковой нагрузки, в связи с чем потеря производительности силовой ячейки не вредит работе источника питания.
[0034] Различные раскрытые выше и другие признаки и функции, или их альтернативы, можно объединить во многие другие разные системы или применения. Специалисты в данной области техники могут предложить различные непредусмотренные или непредвиденные в настоящее время альтернативы, модификации, вариации или усовершенствования, которые все также подлежат охвату раскрытыми вариантами осуществления.