УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ В МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ
DEVICE AND METHODS FOR RESTORING FUNCTIONALITY OF POWER ELEMENTS IN MULTI-ELEMENT POWER SUPPLY

ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка притязает на приоритет предварительной заявки на патент (США) порядковый номер 61/695023, поданной 30 августа 2012 года, которая фактически полностью содержится в данном документе по ссылке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к многоэлементным источникам питания. Более конкретно, данное изобретение относится к устройствам и способам для восстановления функциональности элементов питания в многоэлементных источниках питания.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом аспекте изобретения, предоставляется способ для управления многоэлементным источником питания, который включает в себя несколько последовательно подключенных элементов питания в каждом из нескольких плеч. Каждый элемент питания включает в себя обходное устройство, которое может использоваться для того, чтобы избирательно обходить и отменять обход элемента питания. После того как первый элемент питания отказывает и обходится в результате отказа, способ включает в себя отмену обхода первого элемента питания без прекращения работы многоэлементного источника питания, если отказ первого элемента питания вызван посредством предварительно определенного рабочего состояния.
Во втором аспекте изобретения, предоставляется многоэлементный источник питания, который включает в себя несколько последовательно подключенных элементов питания в каждом из нескольких плеч и контроллер. Каждый элемент питания включает в себя обходное устройство, которое может использоваться для того, чтобы избирательно обходить и отменять обход элемента питания. Первый элемент питания отказывает и обходится в результате отказа. Контроллер сконфигурирован с возможностью отменять обход первого элемента питания без прекращения работы многоэлементного источника питания, если отказ первого элемента питания вызван посредством предварительно определенного рабочего состояния.
Другие признаки и аспекты настоящего изобретения должны становиться более очевидными из нижеприведенного подробного описания, прилагаемой формулы изобретения и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки настоящего изобретения могут более четко пониматься из нижеприведенного подробного описания, рассматриваемого в сочетании с нижеприведенными чертежами, на всех из которых идентичные ссылки с номерами обозначают идентичные элементы и на которых:
Фиг. 1 является блок-схемой примерного многоэлементного источника питания в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 2A является блок-схемой примерного элемента питания в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 2B является другой блок-схемой примерного элемента питания по фиг. 2A;
Фиг. 3A-3B являются примерными схемами напряжений массива последовательно подключенных элементов питания в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 4A является блок-схемой последовательности операций примерного способа в соответствии с этим изобретением для определения того, может или нет быть отменен обход ранее обойденного элемента питания;
Фиг. 4B является блок-схемой последовательности операций альтернативного примерного способа в соответствии с этим изобретением для определения того, может или нет быть отменен обход ранее обойденного элемента питания;
Фиг. 5 является другой примерной схемой напряжений массива последовательно подключенных элементов питания в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 6 является примерным способом отмены обхода в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 7A является примерной схемой напряжений массива последовательно подключенных элементов питания, в которой обход первого элемента питания отменяется в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 7B является примерной схемой напряжений массива последовательно подключенных элементов питания, в которой обход второго элемента питания отменяется в соответствии с этим изобретением;
Фиг. 7C является примерной схемой напряжений массива последовательно подключенных элементов питания, в которой обход третьего элемента питания отменяется в соответствии с этим изобретением; и
Фиг. 8A-8G3 являются примерными значениями соотношений фаз между плечами для многоэлементных источников питания в соответствии с этим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройства и способы в соответствии с этим изобретением определяют то, может или нет быть отменен обход ранее обойденного элемента питания многоэлементного источника питания. Если обход ранее обойденного элемента питания может быть отменен, устройства и способы в соответствии с этим изобретением отменяют обход ранее обойденного элемента питания без прекращения работы многоэлементного источника питания.
Многоэлементные источники питания, к примеру, описанные в Патенте (США) автора Хаммонда номер 5625545 (патенте 545), патенте (США) авторов Aiello и др. номер 6014323, патенте (США) автора Хаммонда номер 6166513, патенте (США) авторов Rastogi и др. номер 7508147 и патенте (США) авторов Хаммонд и др. номер 8169107, каждый из которых фактически полностью содержится в данном документе по ссылке, используют модульные элементы питания для того, чтобы доставлять мощность среднего напряжения в нагрузку, к примеру, в электромотор трехфазного переменного тока.
При использовании в данном документе, "среднее напряжение" является напряжением, большим приблизительно 690 В и меньшим приблизительно 69 кВ, а "низкое напряжение" является напряжением, меньшим приблизительно 690 В. Специалисты в данной области техники должны понимать, что другие уровни напряжения могут указываться в качестве "среднего напряжения" и "низкого напряжения". Например, в некоторых вариантах осуществления, "среднее напряжение" может быть напряжением приблизительно от 1 кВ до 69 кВ, а "низкое напряжение" может быть напряжением меньше приблизительно в 1 кВ.
Ссылаясь теперь на фиг. 1, описывается примерный многоэлементный источник 10 питания в соответствии с этим изобретением. Многоэлементный источник 10 питания включает в себя трансформатор 14, схему 16 питания и контроллер 18. Многоэлементный источник 10 питания принимает трехфазную мощность из источника переменного тока и доставляет трехфазную мощность в нагрузку 12 (например, электромотор трехфазного переменного тока или другую аналогичную нагрузку). Специалисты в данной области техники должны понимать, что многоэлементные источники питания в соответствии с этим изобретением могут использоваться с источниками переменного тока, которые предоставляют больше или меньше трех силовых фаз и могут доставлять больше или меньше трех силовых фаз в нагрузку 12. Помимо этого, специалисты в данной области техники должны понимать, что многоэлементные источники питания в соответствии с этим изобретением могут включать в себя большее число, меньшее число или другие компоненты относительно компонентов, показанных на фиг. 1.
Трансформатор 14 может представлять собой многообмоточный трехфазный разделительный трансформатор, к примеру, описанный в патенте 545. Такой трансформатор может иметь первичную обмотку, которая соединена звездой или треугольником и которая питается из источника трехфазного переменного тока. Трансформатор затем может питать определенное число одно- или многофазных вторичных обмоток. В примерных вариантах осуществления этого изобретения, трансформатор 14 включает в себя определенное число вторичных обмоток, каждая из которых соответствует надлежащему элементу питания в схему 16 питания. Специалисты в данной области техники должны понимать, что могут использоваться другие конфигурации трансформатора и что в некоторых вариантах применения не должен обязательно использоваться разделительный трансформатор.
Как показано на фиг. 1, трансформатор 14 соединяется со схемой 16 питания, которая включает в себя пятнадцать элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания, которые сконфигурированы с возможностью предоставлять выходную мощность среднего напряжения на трех выходных фазах (также упоминаемых в данном документе как "плечи") A, B и C в нагрузку 12. Каждое плечо A, B, C питается посредством группы последовательно соединенных элементов 16a1, 16b1, …, 16c5 питания.
В частности, плечо A включает в себя пять последовательно соединенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, 16a4 и 16a5 питания, плечо B включает в себя пять последовательно соединенных элементов 16b1, 16b2, 16b3, 16b4 и 16b5 питания, и плечо C включает в себя пять последовательно соединенных элементов 16c1, 16c2, 16c3, 16c4 и 16c5 питания. Специалисты в данной области техники должны понимать, что схема 16 питания может включать в себя больше или меньше трех плеч и что каждое плечо может включать в себя больше или меньше пяти элементов питания.
Выходное напряжение каждого плеча A, B и C является суммой выходных напряжений элементов питания в плече. Например, если элементы 16a1, 16b1, …, 16c5 питания имеют максимальную абсолютную величину выходного напряжения приблизительно в 480 В, каждое плечо схемы 16 питания может формировать максимальную абсолютную величину выходного напряжения приблизительно на 2400 В выше нейтральной точки.
Как показано на фиг. 1, каждый из элементов 16a1, 16b1, …, 16c5 питания соединяется с контроллером 18, который использует обратную связь по току и обратную связь по напряжению (не показаны) для того, чтобы управлять работой элементов 16a1, 16b1, …, 16c5 питания. Контроллер 18 может представлять собой микропроцессор, к примеру процессор TMS320F2801 компании Texas Instruments, Даллас, TX, программируемую вентильную матрицу (к примеру, FPGA компании Altera или Xilinx), которая может быть сконфигурирована с возможностью осуществлять функции процессора, либо другой аналогичный процессор или схему.
Ссылаясь теперь на фиг. 2A, описывается примерный элемент питания (например, элемент 16a1 питания) в соответствии с этим изобретением. Элемент 16a1 питания преобразует входной сигнал трехфазного переменного тока на входных контактных выводах ϕ1i, ϕ2i, ϕ3i в выходной сигнал однофазного переменного тока на выходных контактных выводах VP и VN. В частности, элемент 16a1 питания включает в себя выпрямитель 20, конденсатор 22 шины постоянного тока (который может включать в себя конденсаторы 22a и 22b), инвертор 24, процессор 26, волоконно-оптический интерфейс 28 и обходное устройство 30. Специалисты в данной области техники должны понимать, что элементы питания в соответствии с этим изобретением могут включать в себя большее число, меньшее число или другие компоненты относительно компонентов, проиллюстрированных на фиг. 2A. Помимо этого, специалисты в данной области техники должны понимать, что элементы питания в соответствии с этим изобретением могут включать в себя четырехквадрантные ("4-Q") элементы питания, как известно в данной области техники.
Выпрямитель 20 включает в себя диоды 32a, 32b, 32c и 34a, 34b, 34c, соединенные с входными контактными выводами ϕ1i, ϕ2i, ϕ3i, и преобразует входной сигнал трехфазного переменного тока в практически неизменяющееся постоянное напряжение, соединенное с конденсаторами 22a и 22b шины постоянного тока. Специалисты в данной области техники должны понимать, что конденсаторы 22a и 22b шины постоянного тока могут включать в себя батарею конденсаторов и что конкретная величина необходимой емкости зависит от каждого конкретного варианта применения.
Инвертор 24 преобразует постоянное напряжение через конденсаторы 22a и 22b шины постоянного тока в переменный ток на выходе на выходных контактных выводах VIP и VIN инвертора. Инвертор 24 может представлять собой мостовой преобразователь, который включает в себя полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d и диоды 38a, 38b, 38a и 38d. Полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d могут представлять собой любой подходящий элемент переключателя, такой как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или другой аналогичный переключающий элемент. В зависимости от уровня мощности могут быть выбраны различные твердотельные компоненты. Как показано на фиг. 2A, диоды 38a, 38b, 38a и 38d сконфигурированы через соответствующие полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d соответственно.
Полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d соединяются с процессором 26, который использует широтно-импульсную модуляцию (PWM) для того, чтобы избирательно прикладывать мощность постоянного тока к выходам VIP и VIN инвертора. При такой работе в PWM-режиме переключатели 36a, 36b, 36c и 36d могут считаться либо полностью включенными, либо полностью выключенными при работе. Специалисты в данной области техники должны понимать, что инвертор 24 может иметь топологии, отличные от мостового преобразователя, показанного на фиг. 2A, и может использовать режимы управления, отличные от PWM.
Процессор 26 может соединяться с контроллером 18 через волоконно-оптический интерфейс 28. Процессор 26 может представлять собой процессор TMS320F2801 либо может представлять собой любой другой аналогичный процессор. Волоконно-оптический интерфейс 28 может представлять собой пару из волоконно-оптического приемного устройства/передающего устройства AFBR 2624Z/AFBR 1624Z либо может представлять собой любой другой аналогичный волоконно-оптический интерфейс. Процессор 26 может передавать информацию состояния относительно элемента 16a1 питания в контроллер 18, и контроллер 18 может передавать управляющие сигналы в процессор 26 для того, чтобы управлять работой элемента 16a1 питания.
Обходное устройство 30 соединяется между выходными контактными выводами VIP и VIN инвертора и выходными контактными выводами VP и VN элемента питания. Обходное устройство 30 может представлять собой механическое, электрическое или комбинированное механическое и электрическое устройство, которое может избирательно переключаться между первой конфигурацией и второй конфигурацией. Обходное устройство 30 может включать в себя магнитный контактор, подпружиненный контакт, пару антипараллельных кремниевых управляемых выпрямителей или пару последовательных транзисторов, к примеру, описанных на фиг. 1D и в прилагаемом тексте Патента (США) авторов Хаммонд и др. номер 5986909 (патентов 909), который фактически полностью содержится в данном документе по ссылке. Специалисты в данной области техники должны понимать, что другие схемы и/или устройства могут использоваться для обходного устройства 30.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 2A, обходное устройство 30 включает в себя первый переключатель S1 и второй переключатель S2. Первый переключатель S1 и второй переключатель S2 могут избирательно размыкаться и замыкаться на основе управляющих сигналов (не показаны), предоставленных посредством процессора 26. Специалисты в данной области техники должны понимать, что альтернативные варианты осуществления этого изобретения могут включать в себя обходное устройство, которое использует один переключатель. Как показано на фиг. 2A, обходное устройство 30 имеет первую конфигурацию, в которой первый переключатель S1 замкнут, а второй переключатель S2 разомкнут, и выходные контактные выводы VIP и VIN инвертора соединены с выходными контактными выводами VP и VN элемента питания соответственно. В первой конфигурации, ток проводится посредством элемента 16a1 питания, и элемент 16a1 питания "не обходится".
Напротив, фиг. 2B иллюстрирует обходное устройство 30 во второй конфигурации, в которой первый переключатель S1 разомкнут, а второй переключатель S2 замкнут, формирующей шунтирующий тракт между выходными контактными выводами VP и VN элемента 16a1 питания. Во второй конфигурации, ток проводится через обходное устройство 30 вместо элемента 16a1 питания, и элемент 16a1 питания "обходится". Таким образом, обходное устройство 30 может использоваться для того, чтобы избирательно обходить и не обходить (или "отменять обход") элемент 16a питания.
Снова ссылаясь на фиг. 1, в нормальном режиме работы, каждый из элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания находится в рабочем состоянии и не обходится, и выходное напряжение каждого плеча A, B, C является суммой выходных напряжений всех пяти элементов питания в плече. Например, фиг. 3A иллюстрирует массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания, которые иллюстрируют напряжения из каждого плеча и сдвиг фаз между плечами. В этом проиллюстрированном примере, каждый элемент 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания допускает генерирование выходного переменного напряжения в 480 В. Специалисты в данной области техники должны понимать, что элемент 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания может предоставлять другие выходные переменные напряжения.
На проиллюстрированном чертеже, каждый элемент 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания представлен посредством круга, при этом пять элементов соединены в каждом плече между нейтральной точкой N и соответствующими точками A, B и C. Как показано, такой многоэлементный источник питания типично может генерировать приблизительно до 2400 В от точки N до каждой из точек A, B и C. Если контроллер 18 задает эти три напряжения равными по абсолютной величине и со взаимным сдвигом фаз в 120°, то массив формирует сбалансированное выходное напряжение трехфазного переменного тока. В этом случае, максимальное доступное выходное линейное фазное напряжение (например, VAC, VBA, VCB) из массива, показанного на фиг. 3, составляет 4160 В.
Время от времени один или более из элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания могут отказывать, и отказавшие элементы питания могут обходиться, например, с использованием соответствующего обходного устройства 30, показанного на фиг. 2A-2B. При таких обстоятельствах, напряжения от точки N до каждой из точек A, B и C типично более не равны по абсолютной величине. Например, если элементы 16a4 и 16a5 питания на фиг. 3A отказывают и обходятся, а все остальные элементы питания являются полностью функциональными, плечо A может формировать максимальную абсолютную величину выходного напряжения приблизительно только на 1400 В выше нейтральной точки, тогда как плечи B и C по-прежнему могут формировать максимальную абсолютную величину выходного напряжения приблизительно на 2400 В выше нейтральной точки.
Как известно в данной области техники, различные технологии могут использоваться для того, чтобы переконфигурировать работу многоэлементного источника 10 питания, когда один или более из элементов питания обходятся. Например, патент 909 описывает способы для переконфигурирования работы многоэлементного источника питания таким образом, что все необойденные элементы питания могут использоваться для того, чтобы способствовать сбалансированному выходному напряжению. В частности, посредством временного запрещения нормального режима работы многоэлементного источника питания, модификации фазовых углов между фазами A, B и C и возобновления работы многоэлементного источника питания с использованием модифицированных фазовых углов, все необойденные элементы питания могут использоваться для того, чтобы предоставлять линейные фазные напряжения VAC, VBA, VCB, имеющие равные абсолютные величины и имеющие взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB.
Например, как показано на фиг. 3B, если элементы 16a4 и 16a5 питания отказывают и обходятся, а все остальные элементы питания остаются полностью функциональными, фазовый угол между фазами B и C может уменьшаться до 95°, и фазовые углы между фазами A и C и между A и B доувеличиваться до 132,5°, что формирует линейные фазные напряжения VAC, VBA и VCB, имеющие равные абсолютные величины в 3542 В и взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB.
Хотя многоэлементные источники питания могут оставаться в рабочем состоянии с обойденными некоторыми элементами питания, предпочтительно, чтобы все элементы питания были приведены в рабочее состояние. В некоторых случаях, элемент питания может обходиться в результате временного рабочего состояния (например, мгновенного увеличения температуры окружающей среды), которое вызывает отказ элемента питания. Если элемент питания в остальном является исправным и если рабочее состояние, которое инициирует отказ, более не существует, предпочтительно отменять обход ранее обойденного элемента питания.
Традиционно, обход обойденных элементов питания может быть отменен только посредством прекращения работы многоэлементного источника питания (и в силу этого полного отключения питания и прерывания работы нагрузки), отключения обходной схемы в затронутых элементах питания и последующего перезапуска многоэлементного источника питания. Тем не менее, такие процедуры прекращения работы и перезапуска являются длительными и оказывают отрицательное влияние на эффективность оборудования и процессов, активируемых посредством нагрузки.
В соответствии с этим изобретением, в определенных предварительно заданных обстоятельствах, обход ранее обойденных элементов питания многоэлементного источника питания может быть отменен без прекращения работы многоэлементного источника питания. В частности, ранее обойденный элемент питания может тестироваться для того, чтобы определять то, что: (a) рабочее состояние, которое вызывает отказ элемента питания, представляет собой одно из предварительно определенного числа рабочих состояний, (b) рабочее состояние более не существует, и/или (c) обойденный элемент питания является в остальном функциональным. На основе результатов тестирования, обход ранее обойденного элемента питания может быть отменен. Как подробнее описано ниже, в соответствии с этим изобретением, обход ранее обойденного элемента питания может быть отменен без прекращения работы многоэлементного источника питания.
Ссылаясь теперь на фиг. 4A, примерный способ 50 этого изобретения описывается для определения того, может или нет быть отменен обход одного или более ранее обойденных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4 и 16c5 питания. Способ 50 может реализовываться в аппаратных средствах, в программном обеспечении или в комбинации аппаратных средств и программного обеспечения, к примеру в контроллере 18 или в другом процессоре.
Фиг. 5 используется для того, чтобы иллюстрировать работу способа 50. В частности, фиг. 5 иллюстрирует массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания, в которых элементы 16b4 питания, 16c3 и 16c5 ранее отказывают и обходятся (например, обходные устройства 30b4, 30c3 и 30c5 элементов 16b4, 16c3 и 16c5 питания соответственно включены), все оставшиеся элементы питания находятся в рабочем состоянии, и фазовые углы между фазами A, B и C регулируются таким образом, чтобы предоставлять линейные фазные напряжения VAC, VBA, VCB, имеющие равные абсолютные величины в 3249 В и имеющие взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB.
Снова ссылаясь на фиг. 4A, с началом на этапе 52, отказавший и обойденный элемент питания (например, элемент 16b4 питания) опрашивается, чтобы определять то, может или нет элемент питания сообщать рабочие состояния, которые вызывают отказ. Например, процессор 26 элемента 16b4 питания может отслеживать множество рабочих состояний (например, постоянное напряжение на шине, рабочую температуру(ы), входное напряжение, входной ток, IGBT-состояние, обнаружение дугового разряда или другие аналогичные рабочие состояния) элемента 16b4 питания и может сообщать рабочие состояния через волоконно-оптический интерфейс 28 в ответ на опрос из контроллера 18.
На основе ответа на опрос, контроллер 18 определяет то, испытывал или нет обойденный элемент питания одно или более предварительно определенных рабочих состояний, которые вызывают отказ элемента питания. Например, на этапах 54a-54d, контроллер 18 определяет то, указывают или нет сообщенные рабочие состояния то, что в элементе 16b4 питания возник отказ вследствие перегрузки по напряжению, отказ вследствие избыточной температуры, отказ вследствие повреждения линии или случайный отказ соответственно.
Отказ вследствие перегрузки по напряжению может указываться, если постоянное напряжение на шине элемента 16b4 питания превышает предварительно определенное пороговое значение. Отказ вследствие избыточной температуры может указываться, если отслеживаемая температура элемента 16b4 питания превышает предварительно определенное пороговое значение. Для 4-Q элементов питания, может указываться отказ вследствие повреждения линии, если чрезмерный входной ток существует вследствие падения напряжения на линии. Случайный отказ может представлять собой любое состояние отказа, отличное от конкретных состояний отказа, идентифицированных выше. Специалисты в данной области техники должны понимать, что контроллер 18 может определять то, указывают или нет сообщенные рабочие состояния то, что в отказавшем элементе питания возникло большее число, меньшее число или альтернативные состояния отказа относительно предварительно определенных отказов, описанных выше.
Таким образом, на этапе 54a, если сообщенные рабочие состояния указывают то, что в элементе 16b4 питания возник отказ вследствие перегрузки по напряжению, процесс переходит к этапу 56a, и контроллер 18 определяет то, представляет собой или нет отказ вследствие перегрузки по напряжению результат регенерации. Если многоэлементный источник 10 питания поглощает рекуперативную мощность из нагрузки 12, увеличивается постоянное напряжение на шине всех необойденных элементов питания. Как результат, отказывает самый чувствительный элемент питания (например, элемент 16b4 питания).
Когда возникает такой отказ вследствие перегрузки по напряжению, многоэлементный источник 10 питания временно запрещает нормальный режим работы, обходит отказавший элемент 16b4 питания, модифицирует фазовые углы между фазами A, B и C и возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания (при условии, что в оставшихся необойденных элементах питания аналогично не возник отказ вследствие перегрузки по напряжению) с использованием модифицированных фазовых углов, как описано выше. Хотя работа многоэлементного источника 10 питания временно запрещается, оставшиеся необойденные элементы питания прекращают прием рекуперативной мощности, что приводит к падению постоянного напряжения на шине. Многоэлементный источник 10 питания возобновляет работу, но отказавший элемент 16b4 питания остается обойденным.
Если такой отказ вследствие перегрузки по напряжению представляет собой не результат дефектного элемента питания (например, элемента питания, который должен оставаться обойденным до тех пор, пока его не заменят), а вместо этого получен как результат, поскольку многоэлементный источник 10 питания поглощает рекуперативную мощность из нагрузки 12, обход обойденного элемента 16b4 питания может быть отменен.
Таким образом, на этапе 56a, контроллер 18 определяет то, поглощает или нет многоэлементный источник 10 питания рекуперативную мощность из нагрузки 12, до отказа вследствие перегрузки по напряжению элемента 16b4 питания. Например, контроллер 18 может опрашивать все остальные необойденные элементы 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c2 и 16c4 питания, чтобы определять то, испытывали или нет также эти элементы питания увеличенное постоянное напряжение на шине, до отказа элемента 16b4 питания. Альтернативно или дополнительно, контроллер 18 может определять то, поглощает или нет многоэлементный источник 16 питания мощность из нагрузки 12, до отказа в элементе 16b4 питания.
Если один или оба теста указывают то, что многоэлементный источник 10 питания поглощает рекуперативную мощность из нагрузки 12, до отказа вследствие перегрузки по напряжению элемента 16b4 питания, процесс переходит к этапу 58, чтобы отменять обход элемента 16b4 питания. Если один или оба тестов не могут указывать регенерацию, процесс переходит к этапу 60, чтобы продолжать обход элемента 16b4 питания.
Снова обращаясь к этапу 54a, если сообщенные рабочие состояния указывают то, что в элементе 16b4 питания не возник отказ вследствие перегрузки по напряжению, процесс переходит к этапу 54b, и контроллер 18 определяет то, указывают или нет сообщенные рабочие состояния то, что в элементе 16b4 питания возник отказ вследствие избыточной температуры.
Если многоэлементный источник 10 питания временно перегревается, то типично отказывает самый чувствительный элемент питания (например, элемент 16b4 питания). Как результат, многоэлементный источник 10 питания временно запрещает нормальный режим работы, обходит отказавший элемент 16b4 питания, модифицирует фазовые углы между фазами A, B и C и возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания (при условии, что в оставшихся необойденных элементах питания не возник отказ вследствие избыточной температуры) с использованием модифицированных фазовых углов, как описано выше.
Если такой отказ вследствие избыточной температуры не представляет собой результат дефектного элемента питания (например, элемента питания, который должен оставаться обойденным до тех пор, пока его не заменят), а вместо этого получен в результате, поскольку многоэлементный источник 10 питания временно перегрет, и если элемент 16b4 питания затем охлажден, обход обойденного элемента 16b4 питания может быть отменен.
Таким образом, на этапе 56b, контроллер 18 определяет то, временно перегрет или нет многоэлементный источник 10 питания, до отказа вследствие избыточной температуры элемента 16b4 питания. Например, контроллер 18 может опрашивать все элементы 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c2 и 16c4 питания, чтобы определять то, испытывали или нет элементы питания увеличение температуры, до отказа элемента 16b4 питания, и имеют они или более не имеют увеличенную рабочую температуру.
Если тест указывает то, что многоэлементный источник 10 питания временно перегрет, до отказа вследствие избыточной температуры элемента 16b4 питания, и что все элементы питания более не имеют увеличенную рабочую температуру, процесс переходит к этапу 58, чтобы отменять обход элемента 16b4 питания. Если тест не может указывать временный перегрев, процесс переходит к этапу 60, чтобы продолжать обход элемента 16b4 питания.
Снова обращаясь к этапу 54b, если сообщенные рабочие состояния указывают то, что в элементе 16b4 питания не возник отказ вследствие избыточной температуры, процесс переходит к этапу 54c и контроллер 18 определяет то, указывают или нет сообщенные рабочие состояния то, что в элементе 16b4 питания возник отказ вследствие повреждения линии.
Если повреждение линии возникает в источнике переменного тока, который активирует многоэлементный источник 10 питания, то типично отказывает самый чувствительный элемент питания (например, элемент 16b4 питания). Как результат, многоэлементный источник 10 питания временно запрещает нормальный режим работы, обходит отказавший элемент 16b4 питания, модифицирует фазовые углы между фазами A, B и C и возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания (при условии, что в оставшихся необойденных элементах питания аналогично не возник отказ вследствие повреждения линии) с использованием модифицированных фазовых углов, как описано выше.
Если такой отказ вследствие повреждения линии не представляет собой результат дефектного элемента питания (например, элемента питания, который должен оставаться обойденным до тех пор, пока его не заменят), а вместо этого получен в результате, поскольку многоэлементный источник 10 питания испытал временное повреждение линии, обход обойденного элемента 16b4 питания может быть отменен.
Таким образом, на этапе 56c, контроллер 18 определяет то, испытал или нет многоэлементный источник 10 питания временное повреждение линии, до отказа вследствие повреждения линии элемента 16b4 питания. Например, контроллер 18 может отслеживать поток входного тока, входного напряжения и/или входной мощности в многоэлементный источник 10 питания, чтобы проверять отклонения до отказа элемента 16b4 питания.
Если тест указывает то, что до отказа элемента 16b4 питания входное напряжение варьируется значительно относительно номинала, или входной ток изменяется больше, чем на ток, который может формироваться посредством одного элемента питания, или если входная мощность изменяется больше, чем на мощность, которая может формироваться посредством одного элемента питания, процесс переходит к этапу 58, чтобы отменять обход элемента 16b4 питания. Если тест не может указывать такие отклонения входного тока, входного напряжения или входной мощности, процесс переходит к этапу 60, чтобы продолжать обход элемента 16b4 питания.
Снова обращаясь к этапу 54c, если сообщенные рабочие состояния указывают то, что элемент 16b4 питания не испытал повреждение линии, процесс переходит к этапу 54d, и контроллер 18 определяет то, возник или нет в элементе 16b4 питания временный случайный отказ, но является в остальном функциональным. Если отказ элемента 16b4 питания не представляет собой результат дефектного элемента питания (например, элемента питания, который должен оставаться обойденным до тех пор, пока его не заменят), а вместо этого получен в результате некоторой случайной причины, обход обойденного элемента 16b4 питания может быть отменен.
Таким образом, на этапе 56d, контроллер 18 определяет то, является или нет элемент 16b4 питания функциональным. Например, в то время как элемент 16b4 питания остается обойденным, контроллер 18 может тестировать способность к блокировке напряжения полупроводниковых переключателей 36a, 36b, 36c и 36d инвертора 24 элемента 16b4 питания, чтобы определять то, функционируют или нет переключатели надлежащим образом.
Например, ссылаясь на фиг. 2A, резистор и оптрон (не показаны) могут быть размещены параллельно с каждым из полупроводниковых переключателей 36a, 36b, 36c и 36d, чтобы отслеживать напряжение через каждый переключатель. Контроллер 18 (через процессор 26) затем может выключать каждый из полупроводниковых переключателей 36a, 36b, 36c и 36d, чтобы определять то, блокируют или нет все четыре переключателя эффективно напряжение, а затем по отдельности включать полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d, чтобы определять то, является или нет каждый переключатель проводящим, при запросе.
Снова ссылаясь на фиг. 4A, если все полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d блокируют напряжение, когда выключены, и проводят ток, когда включены, процесс переходит к этапу 58, чтобы отменять обход элемента 16b4 питания. Если тест указывает то, что какой-либо из полупроводниковых переключателей 36a, 36b, 36c и 36d не может надлежащим образом выключаться и включаться, процесс переходит к этапу 60, чтобы продолжать обход элемента 16b4 питания.
После этапов 58 и 60, процесс переходит к этапу 62, чтобы определять то, обойдены или нет какие-либо дополнительные элементы 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c2 и 16c4 питания (например, элементы 16c3 питания и 16c5 на фиг. 5). Если дополнительные элементы питания обойдены, процесс возвращается к этапу 52 и определяет то, возникло или нет в дополнительном отказавшем элементе питания одно или более предварительно определенных состояний отказа.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что последовательность этапов 54a-54d может быть перекомпонована в любой последовательности. Помимо этого, специалисты в данной области техники должны понимать, что примерные процессы в соответствии с этим изобретением могут тестировать более одного отказавшего элемента питания за раз и могут отменять обход более одного отказавшего элемента питания за раз.
Помимо этого, как показано на фиг. 4B, в альтернативном примерном процессе 50', этап 56d (определение того, блокируют напряжение все полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d, когда выключены, и проводят ток, когда включены, или нет), может реализовываться во всех случаях до отмены обхода элемента питания без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания. Это может служить в качестве дополнительной гарантии, чтобы подтверждать то, что обход элементов питания, которые отказывают в результате регенерации, временного перегрева и/или повреждений линии, может быть безопасно отменен.
Как описано выше на фиг. 4A и 4B, на этапе 58, обход ранее обойденного элемента питания может быть отменен. Ссылаясь теперь на фиг. 6, описывается примерный процесс 70 в соответствии с этим изобретением для отмены обхода ранее обойденного элемента питания без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания.
С началом на этапе 72, временно запрещается работа многоэлементного источника 10 питания. Например, ссылаясь на фиг. 1 и 2, контроллер 18 может запрещать работу многоэлементного источника 10 питания посредством запрещения стробирующих сигналов в полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d каждого инвертора 24 каждого из элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. За счет этого полупроводниковые переключатели 36a, 36b, 36c и 36d многоэлементного источника 10 питания прекращают переключение и напряжение не подается в нагрузку 12 посредством многоэлементного источника 10 питания.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 74, обходное устройство 30 отказавшего элемента питания (например, элемента 16b4 питания) переконфигурируется с возможностью отменять обход элемента 16b4 питания, за счет этого переконфигурируя массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Например, фиг. 7A иллюстрирует массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания, в которых обходное устройство 30b4 переконфигурируется с возможностью отменять обход элемента 16b4 питания.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 76, модифицированные фазовые углы между фазами A, B и C определяются для переконфигурированного массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Как описано в патенте 909, требуемые фазовые углы между фазами A, B и C зависят от числа функциональных элементов питания в каждой фазе. Например, контроллер 18 может вычислять конкретные фазовые углы для каждой конфигурации массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Альтернативно, контроллер 18 может сохранять (например, в одной или более таблиц поиска) предварительно определенные соотношения фазовых углов для различных конфигураций массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания.
Ссылаясь теперь на фиг. 8A-8G3, примерные табличные значения соотношения фаз между плечами для многоэлементных источников питания с использованием от двух до восьми элементов питания на плечо. В этих таблицах, плечи предположительно имеют трехфазную Y-компоновку, имеющую плечи A, B и C. Сокращение в каждой таблице приводятся таким образом, чтобы предоставлять идентичные значения безотносительно того, какой элемент питания в данном плече обходится. Например, на фиг. 8A, плечо, имеющее элементы A=1, соответствует любой конфигурации, в которой обойден один из двух элементов питания в двух плечах элемента питания.
Помимо этого, поскольку состояние обхода в многоэлементном источнике питания приводит к идентичным соотношениям фаз безотносительно того, какие плечи имеют определенное число обойденных элементов питания, многоэлементный источник питания с A=5, B=3 и C=5 является идентичным многоэлементному источнику питания, имеющему необойденные элементы A=5, B=5 и C=3. Следовательно, таблицы предоставляют упрощенную форму, которая охватывает все эти комбинации. В таблицах элемент A всегда перечисляется как имеющий наибольшее число необойденных элементов питания, B – второе наибольшее число необойденных элементов питания, и C – наименьшее число необойденных элементов питания. Таблицы могут использоваться в микропроцессорной схеме в качестве таблиц поиска, чтобы определять надлежащее соотношение фаз в источнике питания, имеющем обойденные элементы питания.
В таблицах, термин "Vmax%" используется для того, чтобы указывать максимальное напряжение, которое должно быть доступно в обойденном состоянии, в качестве процента от нормального линейного фазного напряжения. Все фазовые углы имеют взаимосвязь с вектором нормали A в многоэлементном источнике питания, имеющем обойденные элементы. В качестве примера, Ap является углом между плечом A в обойденном режиме по сравнению с плечом A в необойденном режиме. Все приведенные углы имеют взаимосвязь с вектором для плеча A в необойденном режиме.
Таким образом, например, ссылаясь на фиг. 7A и 8D, если обходное устройство 30b4 переконфигурировано с возможностью отменять обход элемента 16b4 питания, многоэлементный источник 10 питания соответствует конфигурации A=5, B=5 и C=3, в которой Vmax%=85,1, Ap=12,5°, Bp=107,5° и Cp=240°. Таким образом, как показано на фиг. 7A, фазовый угол между фазой A и фазой B составляет (107,5°-12,5°)=95°, фазовый угол между фазой B и фазой C составляет (240°-107,5°)=132,5°, и фазовый угол между фазой C и фазой A составляет (372,5°-240°)=132,5°.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 78, контроллер 18 возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания. Как показано на фиг. 7A, при отмене обхода элемента 16b4 питания многоэлементный источник 10 питания предоставляет линейные фазные напряжения VAC, VBA, VCB, имеющие равные абсолютные величины в 3542 В (85,1% 4160 В) и имеющие взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB. В этом отношении, обход ранее обойденного элемента 16b4 питания отменен без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что время, требуемое для того, чтобы временно запрещать работу многоэлементного источника 10 питания, отменять обход ранее обойденного элемента 16b4 питания, определять модифицированные фазовые углы между фазами A, B и C и возобновлять работу многоэлементного источника 10 питания, является очень небольшим, например приблизительно 100-350 мс или другая аналогичная длительность. В течение этого временного интервала нагрузка 12 поддерживает работоспособность при этом прерывании подачи питания вследствие инерции нагрузки. Если имеется низкая инерция, нагрузка 12 может значительно замедляться. Тем не менее, в отличие от предыдущих технологий, способы в соответствии с этим изобретением не прекращают работу многоэлементного источника 10 питания, что приводит к полному отключению питания и прерыванию работы нагрузки 12.
Примерный процесс 70 по фиг. 6 может повторяться с ранее обойденным элементом 16c3 питания. Таким образом, на этапе 72, работа многоэлементного источника 10 питания запрещается, и на этапе 74, обходное устройство 30 отказавшего элемента питания (например, элемента 16c3 питания) переконфигурируется с возможностью отменять обход элемента 16c3 питания, за счет этого переконфигурируя массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Например, фиг. 7B иллюстрирует массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания, в которых обход ранее обойденного элемента 16c3 питания отменен.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 76, модифицированные фазовые углы между фазами A, B и C определяются для переконфигурированного массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Ссылаясь на фиг. 7B и 8D, если обходное устройство 30c3 элемента 16c3 питания переконфигурировано с возможностью отменять обход элемента 16c3 питания, многоэлементный источник 10 питания соответствует конфигурации A=5, B=5 и C=4, в которой Vmax%=92,9, Ap=6,4°, Bp=113,6° и Cp=240°. Таким образом, как показано на фиг. 7B, фазовый угол между фазой A и фазой B составляет (113,6°-6,4°)=107,2°, фазовый угол между фазой B и фазой C составляет (240°-113,6°)=126,4°, и фазовый угол между фазой C и фазой A составляет (366,4°-240°)=126,4°.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 78, контроллер 18 возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания. Как показано на фиг. 7B, при отмене обхода элемента 16c3 питания многоэлементный источник 10 питания предоставляет линейные фазные напряжения VAC, VBA, VCB, имеющие равные абсолютные величины в 3865 В (92,9% 4160 В) и имеющие взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB. В этом отношении, обход ранее обойденного элемента 16c3 питания отменен без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания.
Аналогично, примерный процесс 70 по фиг. 6 может повторяться с ранее обойденным элементом 16c5 питания. Таким образом, на этапе 72, работа многоэлементного источника 10 питания запрещается, и на этапе 74, обходное устройство 30 отказавшего элемента питания (например, элемента 16c5 питания) переконфигурируется с возможностью отменять обход элемента 16c5 питания, за счет этого переконфигурируя массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Например, фиг. 7C иллюстрирует массив последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания, в которых ранее обойденное устройство 30c5 элемента 16c5 питания переконфигурируется с возможностью отменять обход элемента 16c5 питания.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 76, модифицированные фазовые углы между фазами A, B и C определяются для переконфигурированного массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания. Ссылаясь на фиг. 7C и 8D, если обходное устройство 30c5 элемента 16c5 питания переконфигурировано с возможностью отменять обход элемента 16c5 питания, многоэлементный источник 10 питания соответствует конфигурации A=5, B=5 и C=5, в которой Vmax%=100, Ap=0°, Bp=120° и Cp=240°. Таким образом, как показано на фиг. 7C, фазовый угол между фазой A и фазой B составляет (120°-0°)=120°, фазовый угол между фазой B и фазой C составляет (240°-120°)=120°, и фазовый угол между фазой C и фазой A составляет (360°-240°)=120°.
Снова ссылаясь на фиг. 6, на этапе 78, контроллер 18 возобновляет работу многоэлементного источника 10 питания. Как показано на фиг. 7C, при отмене обхода элемента 16c5 питания многоэлементный источник 10 питания предоставляет линейные фазные напряжения VAC, VBA, VCB, имеющие равные абсолютные величины 4160 В (100% 4160 В) и имеющие взаимный сдвиг фаз в 120° между VAC, VBA и VCB. В этом отношении, обход ранее обойденного элемента 16c5 питания отменен без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что другие технологии (например, альтернативные технологии, описанные в патенте 909) могут использоваться для того, чтобы определять фазовые углы между фазами A, B и C переконфигурированного массива последовательно подключенных элементов 16a1, 16a2, 16a3, …, 16c4, 16c5 питания так, что обход ранее обойденного элемента питания может быть отменен без прекращения работы многоэлементного источника 10 питания.
Выше просто проиллюстрированы принципы этого изобретения, и различные модификации могут вноситься специалистами в данной области техники без отступления от объема и сущности этого изобретения.