СХЕМА И ТОПОЛОГИЯ ВЫСОКОНАДЕЖНОЙ СИСТЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
CIRCUIT AND TOPOLOGY FOR HIGH RELIABILITY POWER ELECTRONICS SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к силовой электронике и более конкретно к схеме и топологии системы, обеспечивающим высоконадежную силовую систему.
В патентном документе FR 2524674 раскрыто устройство для обнаружения отказов. При этом детекторы, каждый из которых расположен в местоположении контроля, посылает сигнал на логический элемент.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Системы силовой электроники в мегаваттном диапазоне, как правило, состоят из большого количества силовых и управляющих элементов. Для улучшения надежности этих систем силовой электроники используют, как правило, резервирование, а не повышение устойчивости элементов. Одним из наиболее распространенных примеров топологий с резервированием является последовательное соединение n+1 или более элементов, например тиристоров. Этот способ последовательного соединения обычно ограничивается резервированием силовых полупроводниковых элементов, так как собственно система управления, и особенно интерфейс между элементами управления и силовым полупроводниковым элементом (элементами), не резервируются.
Вероятность отказа (отказов) нерезервированного интерфейса между системой управления и силовыми полупроводниковыми элементами несмотря на его приемлемость для стандартных промышленных прикладных задач является неприемлемой для подводных силовых преобразовательных систем. Это обусловлено тем, что требования к надежности подводных силовых преобразовательных систем, таких как подводные установки для газовой/или нефтяной промышленности, являются более высокими. Необходимые вмешательства в случае отказа подводных силовых преобразовательных систем являются более трудоемкими и дорогостоящими.
Например, резервирование в подводных силовых преобразователях является обязательным требованием, поскольку использование запасных частей, обычно осуществляемое в других прикладных задачах, в данном случае является неэкономичным. В таких подводных системах запасные детали, подлежащие установке после нескольких лет хранения, требуют проведения испытаний в условиях, приближенных к условиям подводной работы.
Одним вариантом улучшения надежности системы может быть установка дополнительного силового электронного блока. Затраты, связанные с подводной силовой электроникой, обычно составляют приблизительно не более 20% от общей стоимости подводного силового преобразовательного блока. Большую часть пространства подводного силового преобразовательного блока занимают пассивные компоненты. При правильном расчете отказ этих пассивных компонентов весьма маловероятен. Поэтому целесообразной может быть установка в каждом подводном преобразовательном блоке резервного силового электронного блока и блока управления. Такой резервный блок не увеличит эксплуатационные потери и время от времени может испытываться, а также он может принимать на себя регулируемое питание нагрузки без существенного прерывания работы системы.
В случае невозможности осуществления указанного выше решения другим вариантом может быть создание системы без определенной критической точки отказа. Как преимущественным, так и целесообразным с точки зрения вышеизложенного может быть выполнение схемы/системы для устранения любой единственной критической точки отказа, которая связана с силовой преобразовательной/силовой электронной системой и которая может использоваться практически с любыми известными топологиями силовой электроники. Кроме того, предпочтительно, если данную схему/систему можно легко ввести в существующие топологии преобразователей переменного тока в постоянный, преобразователей постоянного тока в переменный или преобразователей постоянного тока.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном изобретении предложена система силовой электроники согласно п.1 формулы изобретения.
В кратком изложении в соответствии с одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит:
набор по существу одинаковых полупроводниковых коммутационных устройств, соединенных последовательно для обеспечения высоконадежного переключения, причем каждое полупроводниковое коммутационное устройство приводится в действие соответствующим блоком драйвера ключа с встроенным в него логическим блоком голосования, и
набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью обеспечения полной группы выходных сигналов, причем каждый выходной сигнал связан с соответствующим встроенным логическим блоком и блоком драйвера ключа одного полупроводникового коммутационного устройства, так что управление соответствующим полупроводниковым коммутационным устройством является результатом логической обработки сигналов указанным набором блоков контроллеров.
В соответствии с другим вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор по существу одинаковых групп силовой электроники, причем управление каждой группой выполняется соответствующим блоком управления, причем каждый блок управления может также быть выполнен с возможностью управления одной или более различными группами силовой электроники в случае отказа одного или более блоков управления различными группами силовой электроники, так что каждая группа силовой электроники остается в рабочем состоянии после отказа ее соответствующего блока управления.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит одну или набор по существу одинаковых групп силовых коммутационных устройств, причем управление каждой группой силовых переключающих устройств выполняется соответствующей группой блоков драйвера ключа и логических блоков, и один или набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью обеспечения набора групп выходных сигналов, каждая из которых соответствует одной группе блоков драйвера ключа и соответствующих логических блоков, так что управление каждой группой силовых коммутационных устройств выполняется группой выходных сигналов, связанной с каждым из блоков контроллеров.
В соответствии с другим вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор подсистем силовой электроники, причем каждая подсистема управляется соответствующим блоком драйвера ключа и логическим блоком, и набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью создания набора выходных сигналов, каждый из которых соответствует одному блоку драйвера ключа и соответствующему логическому блоку, так что управление каждой подсистемой выполняется с помощью соответствующего выходного сигнала, связанного с каждым из блоков контроллеров.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор блоков управления силовыми преобразователями, выполненных с возможностью избирательного управления набором резервных силовых преобразователей, причем каждый блок управления содержит набор выходов, выполненных с возможностью обеспечения требуемой степени резервирования управления силовыми преобразователями, так что каждый силовой преобразователь остается в рабочем состоянии после отказа по меньшей мере одного соответствующего блока управления силовым преобразователем.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор блоков управления подводной силовой электроникой, выполненных с возможностью избирательного управления набором резервных подводных модулей силовой электроники, причем каждый блок управления содержит набор выходов, выполненных с возможностью обеспечения требуемой степени резервирования модулей подводной силовой электроники, так что каждый модуль подводной силовой электроники остается в рабочем состоянии после отказа по меньшей мере одного соответствующего блока управления модуля подводной силовой электроники.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор резервных подсистем подводной силовой электроники, выполненных с возможностью избирательного передачи энергии к нагрузке, так что подводная нагрузка продолжает принимать энергию от по меньшей мере одной подсистемы подводной силовой электроники после отказа или остановки, связанной с по меньшей мере одной из подсистем подводной силовой электроники.
В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор резервных подсистем подводной силовой электроники, причем каждая подсистема содержит набор пассивных устройств и набор по существу одинаковых активных устройств, при этом система силовой электроники выполнена с возможностью избирательной передачи энергии к подводной нагрузке, так что подводная нагрузка продолжает принимать энергию от по меньшей мере одной подсистемы подводной силовой электроники после отказа одного или более по существу одинаковых активных устройств при условии, что по меньшей мере одна подсистема остается в рабочем состоянии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны из последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными номерами позиций обозначены одинаковые детали, на которых
фиг.1 представляет собой схему и топологию системы для системы силовой электроники в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.2 представляет собой пример реализации стандартного 2-уровневого плеча фазы без критических точек отказа;
фиг.3 представляет собой схему и топологию системы для системы силовой электроники в соответствии с еще одним вариантом выполнения данного изобретения;
фиг.4 представляет собой один пример варианта выполнения преобразователя постоянного тока, показывающий последовательно соединенные устройства; и
фиг.5 представляет собой упрощенное изображение инверторной системы преобразования постоянного тока в переменный, питающей отдельные подводные нагрузки в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения.
Несмотря на то что вышеуказанные чертежи представляют конкретные варианты выполнения, также предполагается возможность других вариантов данного изобретения, упомянутых в данном описании. Во всех случаях это описание представляет варианты выполнения данного изобретения в качестве примера, а не ограничения. Специалистами в данной области техники возможна разработка других многочисленных модификаций и вариантов выполнения, которые соответствуют объему и сущности настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана схема и топология системы для системы силовой электроники без критических точек отказа, которая используется в качестве основного конструктивного блока для различных вариантов выполнения. Система 10 силовой электроники выполняет одну функцию переключения и может использоваться почти в каждой известной топологии силовой электроники. Она включает несколько (n+1) по существу одинаковых силовых коммутационных устройств 12, в том числе, например, силовые полупроводниковые элементы, соединенные последовательно для обеспечения требуемой степени резервирования, так чтобы обеспечить работу данного ключа после возникновении режима короткого замыкания одного или более коммутационных устройств 12. Силовые полупроводниковые элементы могут представлять собой в том числе, например, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или тиристоры с интегрированным управлением (IGCT).
Система 10 силовой электроники обеспечивает требуемый уровень надежности/готовности путем увеличения упомянутых выше возможностей резервирования также для всей системы. Стандартный блок драйвера ключа содержит только один вход, который используется для управления выходным состоянием блока, а каждый из блоков 14 драйвера ключа системы 10 силовой электроники содержит соответствующий логический блок 16. Каждый логический блок 16 содержит несколько входов 18. Каждый вход 18 логического блока приводится в действие соответствующим блоком 20 управления. Каждый блок 20 управления выполнен с возможностью подачи входных сигналов в дополнительные логические блоки 16 при маловероятном случае отказа одного или более блоков управления. Каждый логический блок может реализовывать, например, логическую операцию «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», встроенную в блок 14 драйвера коммутационного устройства 12.
Несмотря на то что показано только n=3 блока 20 управления, также возможна простая реализация других вариантов выполнения, в которых используется любое требуемое количество n блоков 20 управления и соответствующих логических блоков 18, выполненных с необходимым количеством входов в зависимости от требуемого количества n блоков 20 управления.
Таким образом, система 10 силовой электроники расширяет резервирование также на другие участки системы 10, расположенные непосредственно за силовыми коммутационными устройствами 12. Блоки 14 драйвера ключа и логические блоки 16 выполнены с резервированием с помощью соответствующих силовых коммутационных элементов 12, при этом резервные блоки 20 управления драйвера ключа выполнены с возможностью обеспечения резервных входных сигналов для каждого логического блока 16.
В соответствии с одним вариантом выполнения конкретное силовое коммутационное устройство 12 включается, если любые два или более входов 18 логического блока дают команду на включение для соответствующего логического блока 16. Таким образом, схема и топология системы, показанной на фиг.1, устраняет любые критические точки отказа, включая коммутационные устройства 12 и все соответствующие блоки 20 управления, а также блоки 14 драйвера и логические блоки 16.
Особенность режима короткого замыкания силового устройства 12 заключается в пассивном резервировании, так как отсутствует необходимость в каком-либо алгоритме определения короткого замыкания и/или изоляции. Любое поврежденное устройство остается в схеме в течение полного срока службы системы 10. В соответствии с одним вариантом выполнения система 10 силовой электроники представляет собой исполнение для подводного применения.
На фиг.2 показана схема и топология системы для системы 30 силовой электроники в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения. В системе 30 силовой электроники используется несколько резервных интерфейсных контроллеров 32. Каждый интерфейсный контроллер 32 выполнен с несколькими группами 34, 36 выходов. Группа 34 выходов выполнена с возможностью управления одной группой коммутационных устройств 38, включая соответствующие логические блоки и блоки драйвера ключа. Группа 36 выходов выполнена с возможностью управления другой группой коммутационных устройств 40, включая соответствующие логические блоки и блоки драйвера ключа, как описано выше. Показанная на фиг.2 схема и топология системы, таким образом, обеспечивает требуемую степень резервирования устройств, так что система 30 силовой электроники продолжает работать независимо от отказа конкретного контроллера 32, или возникновения отказа в конкретной группе коммутационных устройств 38, 40, или отказа соединения 41.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения система 30 силовой электроники содержит группу из последовательно соединенных устройств 38, 40 в преобразователе 42 постоянного тока для подводного использования, как показано на фиг.4, или один или группу инверторных модулей 58 преобразования постоянного тока в переменный, питающих одну или множество нагрузок 60, как показано на фиг.5.
На фиг.3 показана схема и топология системы для системы 50 силовой электроники в соответствии с еще одним вариантом выполнения данного изобретения. В системе 50 силовой электроники используется несколько резервных интерфейсных контроллеров 52. Каждый интерфейсный контроллер 52 выполнен с несколькими выходами 54, в которых каждый выход 54 контроллера подает входной сигнал в логический блок, как описано выше. Каждый интерфейсный контроллер выполнен с возможностью подачи всех необходимых сигналов для управления одним или несколькими двух- или трехфазными преобразователями постоянного тока в переменный. Показанная на фиг.3 схема и топология системы, таким образом, обеспечивает требуемую степень резервирования устройств, так что система 50 силовой электроники продолжает работать независимо от отказа конкретного контроллера 52 или отказа конкретной мостовой схемы 56. В соответствии с одним вариантом выполнения показанная фиг.3 схема и топология системы содержит инверторную систему, питающую одну или более подводных нагрузок.
Таким образом, приведено описание высоконадежной системы силовой электроники, которая обеспечивает требуемую степень резервирования системы и/или устройства простым и более компактным способом, чем другие известные системы. Данная высоконадежная система силовой электроники особенно полезна для обеспечения требуемой степени надежности работы в условиях работы под водой, в которых надежность является решающим фактором, а стоимость силовой электроники фактически не имеет значения, так как она обычно составляет менее 5% от полной стоимости системы.
Резервирование на уровне устройств для системы высоконадежной силовой электроники может быть достигнуто простым и более компактным способом, чем в других известных решениях, так как сигналы драйверов всех последовательно соединенных устройств одинаковы. Резервирование на системном уровне в одном варианте выполнения относится только к активным элементам, поскольку возможность выхода из строя пассивных элементов менее вероятна, пассивные элементы слишком тяжелы и занимают много пространства.
При использовании под водой в соответствии с изложенными в данном документе принципами можно, например, обеспечить резервирование только активных элементов. Такое решение после выхода из строя и/или отключения позволяет управлять системой дистанционно с возможностью перезапуска и продолжения работы с использованием других активных устройств, но тех же пассивных устройств.
Хотя вышеописанные конкретные варианты выполнения обеспечивают непрерывную работу в случае выхода из строя устройства или блока управления, резервные топологии также могут быть выполнены с использованием изложенных в данном документе принципов для обеспечения непрерывной работы полной подсистемы, например силового преобразователя, после отказа или отключения подсистемы. Например, при использовании подобной топологии возможно отключение поврежденных подсистем и обеспечение работы резервной подсистемы, которая использует другие группы активных устройств, но продолжает использовать ту же группу пассивных устройств, включая в том числе конденсаторы, индуктивности, трансформаторы и им подобные. Возобновляемое использование имеющихся пассивных устройств гарантирует сохранение ограничивающих условий по минимальному размеру и весу.
Вышеописанные варианты выполнения особенно полезны для исключения необходимости требований, заключающихся в проведении испытаний запасных блоков. Так как запасные блоки должны проверяться в условиях, максимально приближенных к условиям работы под водой, то наличие дополнительных запчастей требует значительных усилий, независимо от того, должны быть подобные запчасти установлены на суше после возникновения аварии или они связаны с постоянной испытательной станцией, поскольку данные испытания требуют наличия характерной двигательной нагрузки на суше, присоединенной к генератору с тормозными резисторами.
Несмотря на то что в данном документе показаны и описаны только конкретные свойства данного изобретения, специалистам в данной области техники очевидны многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения распространяется на все подобные модификации и изменения как соответствующие фактической сущности изобретения.
Спецификация элементов
Система силовой электроники
(10)
Одинаковые силовые коммутационные устройства
(12)
Блок драйвера ключа
(14)
Логические блоки
(16)
Входные сигналы
(18)
Блоки управления
(20)
Система силовой электроники
(30)
Резервные интерфейсные контроллеры
(32)
Группа выходных сигналов
(34)
Группа выходных сигналов
(36)
Группа коммутационных устройств
(38)
Группа коммутационных устройств
(40)
Соединения
(41)
Преобразователь постоянного тока
(42)
Система силовой электроники
(50)
Интерфейсные контроллеры
(52)
Выходные сигналы контроллеров
(54)
Мостовые схемы
(56)
Инверторные модули преобразователя постоянного тока в переменный (58)
Нагрузка (нагрузки)
(60)