УПРАВЛЕНИЕ И ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ ДОСТАВКИ ЭНЕРГИИ
POWER DELIVERY SYSTEM CONTROL AND DIAGNOCTICS

Ссылки на связанные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет находящейся на рассмотрении предварительной заявки США № 60/713198, озаглавленной “A system and method for enhanced control and diagnostics of power cells provided within a multi-level drive” (Система и способ для улучшенного управления и диагностики элементов питания в многоуровневом приводе), поданной 2 сентября 2005, и включает ее посредством ссылки во всей ее полноте.
Заявление о поддерживаемых правительством исследованиях
Не применимо.
Заявление о сторонах соглашения о совместном исследовании
Не применимо.
Включение посредством ссылки материалов на диске
Не применимо.
Предпосылки
Источник питания для управления потоком энергии между первой системой переменного тока (АС) и второй системой АС требуется во множестве коммерческих и промышленных применений, таких как управление работой двигателя переменного тока. Некоторые такие источники питания преобразуют энергию с первой частоты и напряжения на вторую частоту и напряжение. Один путь для реализации такой системы заключается в использовании одного или более элементов питания, которые включают в себя два твердотельных преобразователя с промежуточной линией постоянного тока (DC). Элемент питания является электрическим устройством, которое имеет вход трехфазного переменного тока и выход однофазного переменного тока. Одна такая система описана в патенте США № 5625545 на имя Hammond, раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте. Ссылаясь на фиг.1, в этом патенте раскрывается элемент 110 питания, который включает в себя преобразователь переменного тока в постоянный ток (AC-DC) 112, здесь трехфазный выпрямитель на диодной мостовой схеме, один или более конденсаторов DC и преобразователь DC-AC 116, здесь Н-мостовой инвертор. Выпрямитель 112 преобразует входное 118 АС напряжение в, по существу, постоянное DC напряжение, которое поддерживается конденсаторами 114, подсоединенными параллельно выходу выпрямителя 112. Выходной каскад инвертора 110 включает в себя Н-мостовой инвертор 116, который включает два полюса, левый полюс и правый полюс, каждый с двумя устройствами. Инвертор 110 преобразует DC напряжение на DC конденсаторах 114 в АС выход 120 с использованием широтно-импульсной модуляции (PWM) полупроводниковых приборов в Н-мостовом инверторе 116. В некоторых вариантах осуществления выпрямитель 112 может включать в себя три пары приборов с токовым управлением, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), диоды, коммутаторы или другие приборы. В некоторых вариантах осуществления инвертор 116 может содержать две пары таких приборов.
Схема, включающая в себя элементы питания, такие как 110 на фиг.1, при подсоединении к нагрузке, такой как двигатель, может подавать мощность от входного источника к двигателю при работе в режиме двигателя. Такой элемент питания может иногда называться однонаправленной двухквадрантной (2Q) ячейкой. Однако если скорость двигателя необходимо снизить, то мощность двигателя должна поглощаться инвертором. Этот режим работы, когда мощность должна поглощаться инвертором, называется режимом регенерации. В таких ситуациях некоторые или все из элементов питания являются в типовом случае регенеративными или четырехквадрантными (4Q) ячейками.
В предшествующем уровне техники возможность диагностировать и предсказывать отказ одного или более элементов питания была ограничена. Настоящее раскрытие описывает попытки решения этой проблемы.
Сущность изобретения
В варианте осуществления способ контроля системы доставки мощности питания включает прием пакета стробирующего сигнала от компонента системы доставки мощности питания. Принятый пакет содержит биты, которые соответствуют статусу одного или более приборов в компоненте. Пакет также включает в себя один или более битов, которые содержат поднабор сохраненных данных, который был извлечен из памяти компонента. Факультативно способ также может включать в себя повторение приема до тех пор, пока не будет принято множество пакетов стробирующего сигнала. Множество пакетов стробирующего сигнала совместно содержат сохраненные данные, так что поднаборы точки данных могут быть скомпонованы в сохраненные данные. Факультативно один или более битов, которые содержат поднабор сохраненных данных, могут быть битами режима пакета стробирующего сигнала.
Способ также может содержать сначала доставку пакета стробирующего сигнала на компонент, перед приемом. Доставленный пакет включает в себя множество битов, которые управляют работой одного или более приборов в компоненте. Пакет включает в себя один или более битов, которые содержат поднабор команд для запроса точки данных.
Способ может включать в себя повторение доставки до тех пор, пока не будет доставлено множество пакетов стробирующего сигнала, где множество пакетов стробирующего сигнала совместно содержат команду, так что поднаборы команды могут компоноваться в команду. Способ может включать в себя использование скомпонованных сохраненных данных для определения диагностики неисправности компонента. Пакеты также могут включать в себя биты, соответствующие данным, которые являются прогнозирующими неисправность компонента, и способ также может включать в себя доставку команды управления на элемент питания на основе прогнозных данных.
Сохраненные данные могут включать в себя данные неисправности, такие как код неисправности, код времени или идентификатор прибора. Сохраненные данные могут включать в себя информацию формы сигнала, такую как данные тока, данные напряжения, данные температуры или данные фазы.
В альтернативном варианте осуществления способ управления элементом питания включает в себя прием пакета стробирующего сигнала от элемента питания. Принятый пакет включает в себя биты, которые соответствуют статусу одного или более приборов в элементе питания, и пакет также включает в себя один или более битов, которые содержат поднабор сохраненных данных, которые были извлечены из памяти элемента питания. Прием дополнительных пакетов происходит до тех пор, пока не будет принято множество пакетов стробирующего сигнала, которые совместно содержат сохраненные данные. Способ также включает в себя компоновку поднаборов точки данных в сохраненные данные. Перед приемом способ может включать в себя доставку пакета стробирующего сигнала в элемент питания. Доставленный пакет может включать в себя биты, которые управляют работой одного или более приборов в элементе питания, причем пакет может включать в себя один или более битов, которые содержат поднабор команды для запроса точки данных. Доставка может повторяться до тех пор, пока не будет доставлено множество пакетов стробирующего сигнала, которые совместно содержат команду. Способ может также содержать компоновку поднаборов команды в команду.
В альтернативном варианте осуществления способ управления элементом питания включает в себя доставку пакета стробирующего сигнала в элемент питания. Доставленный пакет включает в себя множество битов, которые управляют работой одного или более приборов в элементе питания. Пакет также включает в себя один или более битов, которые содержат поднабор команд для запроса точки данных. Доставка повторяется до тех пор, пока не будет доставлено множество пакетов стробирующего сигнала, где множество пакетов стробирующего сигнала совместно содержат команду. Способ может затем включать в себя компоновку поднаборов команды в команду. Способ может затем включать в себя прием пакета стробирующего сигнала из элемента питания в ответ на команду, причем принятый пакет содержит множество битов, которые соответствуют статусу одного или более приборов в компоненте. Пакет также может включать в себя один или более битов, которые содержат поднабор сохраненных данных, которые были извлечены из памяти элемента питания. Прием может повторяться до тех пор, пока не будет принято множество пакетов стробирующего сигнала, причем множество принятых пакетов стробирующего сигнала совместно содержат сохраненные данные. Способ может затем включать в себя компоновку поднаборов сохраненных точек данных в сохраненные данные.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - принципиальная схема, показывающая примерные характеристики элемента питания, соответствующего предшествующему уровню техники.
Фиг.2 - схема, содержащая множество элементов питания, соединенных с нагрузкой.
Фиг.3А и 3В - иллюстрация битов данных, которые могут быть включены в примерные пакеты стробирующего сигнала, доставляемые к элементу питания и от элемента питания соответственно.
Фиг.4 - пример точек данных неисправности и формы сигнала, которые могут быть сохранены в памяти элемента питания.
Фиг.5 - примерный процесс запроса и приема данных неисправности и/или формы сигнала от элемента питания.
Детальное описание
Перед тем как будут описаны предложенные способы, системы и материалы, следует понять, что настоящее раскрытие не ограничено конкретными описанными методологиями, системами и материалами, поскольку они могут изменяться. Также следует понимать, что терминология, использованная в описании, предназначена только для целей описания конкретных версий или вариантов, но не предназначена для ограничения объема. Например, как используется здесь и в приложенной формуле изобретения, формы единственного числа включают в себя ссылки на множественное число, если контекст явно не диктует иное. Кроме того, слово «содержит» означает «включает в себя, но не ограничено указанным». Если не определено иначе, все технические и научные термины, использованные здесь, имеют те же самые значения, как это обычно понимается специалистом в данной области техники.
В различных вариантах осуществления многоуровневая схема содержит множество элементов питания для возбуждения нагрузки. Фиг.2 иллюстрирует примерный вариант осуществления схемы, имеющей множество элементов питания. На фиг.2 трансформатор 210 подает трехфазную мощность среднего напряжения на нагрузку 230, такую как трехфазный асинхронный двигатель, через набор однофазных инверторов (также называемых элементами питания). Трансформатор 210 включает в себя первичную обмотку 212, которая возбуждает ряд вторичных обмоток 214-225. Хотя первичная обмотка 212 показана как имеющая конфигурацию соединения звездой, ячеистая конфигурация также возможна. Кроме того, хотя вторичные обмотки 214-225 показаны как имеющие ячеистую конфигурацию, также возможны вторичные обмотки, конфигурированные соединением звездой, или может использоваться конфигурация обмоток, соединенных звездой или ячейками. Кроме того, число вторичных обмоток, показанное на фиг.2, является просто иллюстративным, и возможны другие количества вторичных обмоток. Эта схема может использоваться для применений среднего напряжения или, в некоторых вариантах осуществления, для других применений. Как использовано здесь, среднее напряжение означает номинальное напряжение больше, чем 690 В, и меньше, чем 69 кВ. В некоторых вариантах осуществления среднее напряжение может включать в себя напряжения между примерно 1000 В и примерно 69 кВ.
Любое количество трехфазных наборов элементов питания может быть соединено между трансформатором 210 и нагрузкой 230. Ссылаясь на фиг.2, система может включать в себя первый набор элементов питания 251-253, второй набор элементов питания 261-263, третий набор элементов питания 271-273 и четвертый набор элементов питания 281-283. Возможно более четырех наборов и менее четырех наборов. Центральная система 295 управления посылает командные сигналы на локальный контроллер 292 и/или средства контроля уровня элемента питания по волоконно-оптической или иной проводной или беспроводной коммуникационной среде 290.
Модуляция каждого элемента питания в системе может управляться с использованием стробирующих сигналов, которые передаются к каждому элементу от контроллера 295. Стробирующий сигнал может быть двуполярным сигналом, который служит в качестве сигнала «включения/выключения» или команды «активизации/отключения» для одного или более приборов в элементе питания. Сигналы исходят из контроллера 295 для того, чтобы снизить содержание гармоник в нагрузке посредством этих сигналов. Кроме того, элементы питания могут возвратить стробирующий сигнал, который квитирует статус неисправности части элемента питания.
Размер или число битов в стробирующем сигнале, а также скорость передачи стробирующего сигнала могут быть ограничены шириной полосы волоконного, проводного или беспроводного носителя, который доставляет сигналы к элементу питания и от него. Согласно фиг.3А, 8-битовый пакет стробирующего командного сигнала, доставляемого в элемент питания, может включать в себя бит 311 запуска (активизации/отключения) правого полюса и бит 312 запуска (активизации/отключения) левого полюса. Сигнал может быть использован на каждую пару IGBT или других коммутаторов в элементе питания, и эти биты могут управлять статусом включения/выключения каждого IGBT. Сигнал также может выключать в себя бит 313 температурной синхронизации, бит 314 разрешения шунтирования элемента, два бита 315 и 316 режима, бит 317 разрешения вывода и бит 318 проверки четности. В предшествующем уровне техники биты режима были установлены в нуль, причем биты режима случайным образом использовались для запроса информации от элемента, когда с элемента было снято питание.
Согласно фиг.3В, 8-битовый пакет 350 обратного сигнала, принимаемый центральным контроллером от элемента питания, может включать в себя бит 351 статуса источника питания или бит правильности, бит 352 разрешенного шунтирования элемента питания, бит 353 температурной обратной связи элемента питания, бит 354 потери фазы элемента питания, бит 355 неисправности, который указывает на то, существует или нет неисправность, два бита 356 и 357 режима, которые обычно являются нулевыми, и бит 358 проверки четности. В предшествующем уровне техники данные неисправности, предоставляемые обратным сигналом, состояли только из указателя «да/нет» того, существует ли или нет неисправность.
Согласно фиг.4, в описанных вариантах осуществления некоторые или все из элементов 400 питания могут включать в себя секцию памяти, такую как энергонезависимая память, которая сохраняет информацию о неисправности, для создания журнала регистрации 410 для системы. Информация неисправности может включать в себя код 411 неисправности и факультативно временную метку 412 и указатель 413 того, какой прибор в элементе питания неисправен. Код неисправности может быть многосимвольным кодом, таким как двоичный, числовой или буквенно-числовой код, который соответствует типу неисправности. Примеры кодов неисправности могут включать в себя следующие варианты: 0000100 - неисправность перенапряжения по постоянному току (DC); 0010110 - в элементе обнаружена дуга; 0001101 - потеря термического датчика на правом полюсе. Факультативная метка времени может относиться к действительному времени или может относиться к счетчику, так что время отнесено к нулевому отсчету счетчика. Память, хранящая журнал регистрации неисправностей, может принимать данные из элементов памяти в устройстве сразу же, как только возникает неисправность. Журнал регистрации неисправностей может включать в себя данные, которые помогают диагностировать причину и/или последствия неисправности. Данные журнала регистрации неисправностей могут включать в себя, например, измерения тока в различных точках в элементе питания; измерения напряжения в различных точках в элементе питания; частоту; разбаланс тока и напряжения; флюктуации DC и другие данные. Хотя не требуется, предпочтительным является то, что данные неисправностей сохраняются в энергонезависимой памяти, чтобы создавать постоянную или полупостоянную запись данных неисправностей.
Элементы питания также могут включать в себя секцию памяти, такую как секция энергозависимой памяти, которая сохраняет данные 420 формы сигнала элемента, такие как амплитуда тока 421, напряжение 422 и фаза 423. Эти данные могут быть собраны на основе реального времени и сохранены в энергозависимой памяти, так что более старые данные удаляются, после того как принят некоторый объем более новых данных формы сигнала. Объем данных формы сигнала, сохраняемый в памяти, может быть ограничен размером памяти, размером буфера или кэша, предварительно определенной настройкой или любым другим фактором.
В средах, предусматриваемых здесь, стробирующие сигналы могут быть использованы для сбора данных неисправностей из журнала регистрации неисправностей, таких как запрос на одну или более точек данных из журнала регистрации неисправностей. В некоторых вариантах осуществления, ссылаясь на фиг.5, это может быть сделано центральным контроллером путем выбора команды 501 для обеспечения некоторой информации о неисправностях. Команда может быть мультибитовой командой, так что способ может включать в себя разделение команды 503 на поднаборы битов и помещение 505 каждого поднабора в соответствующий пакет стробирующего командного сигнала, например, как два бита режима. Если это помещение не привело к помещению всех битов команды в командные сигналы, то процесс выбирает следующий стробирующий пакет 507 и повторяет процесс до тех пор, пока вся команда не будет полностью помещена в группе пакетов стробирующего сигнала. Когда команда разделена, и пакеты доставлены, команда компонуется 509 в элементе питания или в локальном средстве управления. Таким образом, хотя два бита режима одного пакета могут быть недостаточны для предоставления всей команды, команда может быть разделена между множеством последовательных или мультиплексированных пакетов стробирующего сигнала, так что когда набор пакетов принимается элементом питания, элемент питания может извлечь и скомпоновать команду из множества пакетов стробирующего сигнала. Например, 16-битовая команда может быть разделена между 8 пакетами стробирующего сигнала, и команда компонуется, когда все из 8 пакетов стробирующего сигнала приняты в элементе питания или в локальном средстве управления. В качестве другого примера, 16-битовая команда может быть разделена между 16 пакетами стробирующего сигнала, с одним битом режима каждого стробирующего сигнала, включающего в себя бит команды. В таких ситуациях может быть желательно также обеспечить каждую команду 17-м пакетом для синхронизации. В дополнение множество команд могут быть скомпонованы в пакет информации.
Система может затем возвратить запрошенные данные в центральный контроллер посредством сходного процесса, который включает в себя разделение данных 511 на поднаборы, распределение 513 данных на два бита режима или другую соответствующую часть множества стробирующих сигналов, повторение 515 процесса до тех пор, пока данные не будут полностью доставлены, и компоновку данных 517 в центральном контроллере или другом подходящем устройстве. Например, 16-битовая точка данных может быть разделена на 17 пакетов стробирующего сигнала (16 пакетов имеют один бит режима плюс один пакет для синхронизации) или 8 (по два бита режима каждый) пакетов стробирующего сигнала, и точка данных может быть скомпонована со всеми из 17 или 8 пакетов стробирующего сигнала, принятыми центральным блоком управления. В некоторых вариантах осуществления некоторые или все из точек данных неисправностей или формы сигнала могут быть автоматически доставлены на центральный контроллер в предварительно определенное время, отсчет или в другие интервалы. Альтернативно некоторые или все из точек данных неисправностей или формы сигнала могут быть доставлены соответствующим образом, например, как мультиплексированные или просто циклическим образом, так что когда один набор пакетов, который совместно содержит точку данных, доставлен, то следующая точка данных может быть доставлена в последующем наборе пакетов. Запросы могут передаваться, и точки данных могут возвращаться, пока элемент питания работает, так что выключение элемента питания не требуется для целей сбора данных.
Таким образом, в процессе, таком как описан выше, центральный контроллер может принимать больше информации о неисправности, чем просто указатель, что неисправность произошла. Например, информация может включать в себя время неисправности (метка времени), указатель устройства, которое неисправно, и код неисправности. В дополнение, другая информация, включенная в стробирующий сигнал, такая как температура элемента питания и входное напряжение, как показано на фиг.3В, может обеспечивать данные, которые предсказывают неисправность. Прогнозные данные могут быть использованы для автоматического отключения элемента питания, шунтирования элемента питания или выполнения других соответствующих действий для предотвращения возникновения неисправности.
Процесс, представленный на фиг.5 и изложенный выше, может также применяться для получения данных формы сигнала из секции памяти элемента памяти, который сохраняет данные формы сигнала. Эти данные, такие как данные тока, напряжения или фазы, могут также использоваться для прогнозирования возникновения потенциальной неисправности. Система или оператор может выполнить действие, такое как отключение элемента питания, шунтирование элемента питания или изменение рабочих условий, или направление технического персонала, чтобы предотвратить или снизить вероятность возникновения неисправности в элементе питания.
Путем включения данных неисправностей или формы сигнала во множество пакетов стробирующего сигнала система может запрашивать и собирать данные от элементов питания без прерывания нормального потока командных сигналов от элементов питания и к ним. Таким образом, разнообразные массивы данных могут быть собраны в различных вариантах осуществления, при поддержании нормального уровня управления элементами питания.
Другие варианты осуществления также могут быть очевидны для специалистов в данной области техники из изучения вышеизложенного описания и чертежей некоторых приведенных для примера вариантов осуществления. Следует иметь в виду, что возможны многочисленные вариации, модификации и дополнительные варианты осуществления и соответственно все такие вариации, модификации и дополнительные варианты осуществления должны рассматриваться как входящие в сущность и объем настоящей заявки.