BR102022019567A2

BR102022019567A2 - Inversor de potência, circuito de acionamento de motor, e, método de monitoramento de falhas

Info

Publication number: BR102022019567A2
Application number: BR102022019567-6A
Authority: BR
Inventors: Mohamed Elsayed Rashed Mohamed Alabassy; Maamar Benarous
Original assignee: Goodrich Actuation Systems Limited
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-04-11
Also published as: US20230095327A1; EP4160902A1; CA3171609A1

Abstract

A presente invenção refere-se a uma topologia de inversor de potência (400) para converter uma entrada de CC em uma ou mais fases de saída de CA (412), e métodos para operar a mesma. O inversor de potência compreende um circuito de comutação, um circuito de entrada e um arranjo de ponte de diodo de rodagem livre. O circuito de comutação compreende braços de comutação que se estendem entre as ramificações superior e inferior do circuito de comutação. O circuito de entrada compreende comutadores de isolamento superior e inferior (402) que podem ser operados seletivamente para isolar respectivamente as ramificações superior e/ou inferior do circuito de comutação.

Description

INVERSOR DE POTÊNCIA, CIRCUITO DE ACIONAMENTO DE MOTOR, E, MÉTODO DE MONITORAMENTO DE FALHAS

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A tecnologia descrita no presente documento refere-se ao gerenciamento de falhas de curto-circuito dentro de circuitos inversores e, em particular, ao fornecimento de uma topologia de circuito inversor tolerante a falhas de curto-circuito de um comutador (OSSC) que é, portanto, adequada para uso em aplicações críticas de segurança, tal como em sistemas de acionamento de motor para aplicações aeroespaciais.

ANTECEDENTES

[002] Em aeronaves, há atualmente uma tendência para as assim denominadas Aeronaves Mais Elétricas (MEA), em que cargas como superfícies de controle de voo, trem de pouso, atuadores, ventoinhas, bombas etc., que eram tradicionalmente controladas por sistemas hidráulicos e mecânicos, estão agora sendo projetadas para serem controladas eletricamente por meio de um motor elétrico. Por exemplo, os Sistemas de Alta Elevação (HLS) de Próxima Geração são projetados para serem altamente flexíveis, distribuídos e controlados ativamente usando Atuadores Eletromecânicos (EMAs) que são acionados por um sistema de acionamento de motor elétrico.

[003] Os sistemas de acionamento de motor típicos consistem em um motor simples acionado por um inversor. As aplicações aeroespaciais críticas de segurança exigem um certo número de redundâncias projetadas na arquitetura do sistema e isso não pode ser alcançado usando uma arquitetura de acionamento de motor simplex. Essas redundâncias foram fornecidas por projetos de acionamento de motor de múltiplos canais, conforme mostrado, por exemplo, na Figura 1. A Figura 1 mostra um sistema de acionamento de motor trifásico de canal duplo (duplex). Assim, na configuração do motor de ímã permanente duplex mostrada na Figura 1, existem dois enrolamentos segregados (de modo que cada enrolamento seja acionado por um inversor separado). Quando um dos dois inversores desses sistemas desenvolve uma falha, o outro inversor pode assumir e controlar o torque do motor. Certamente outros números de canais múltiplos também podem ser usados para aumentar a redundância.

[004] Para reduzir o peso e o tamanho, os motores de ímã permanente são frequentemente usados, pois normalmente têm uma relação de torque/densidade de potência mais alta em comparação com outras alternativas de acionamento de motor, tais como motores de indução ou de relutância comutados. Um problema com um motor de ímã permanente, no entanto, é que os ímãs não podem ser desligados sob defeito do motor ou do acionamento. Um dos defeitos mais graves é o enrolamento do motor, ou o curto de comutador de inversor, tal como uma falha de Curto-Circuito de um Comutador (OSSC), em que o inversor perde o controle sobre a corrente do motor. Referindo-se à topologia de inversor conhecida mostrada na Figura 2, a falha de OSSC fornece caminhos de curto-circuito naturais para as correntes do motor através do diodo de rodagem livre associado ao comutador de curto-circuito. Esta situação de falha é ilustrada na Figura 3. As formas de onda descontroladas da corrente do motor sob a falha de OSSC podem produzir ondulações de torque inaceitavelmente altas, torque de arrasto e perdas de potência.

[005] Uma maneira de gerenciar uma falha de OSSC é aplicar um curto-circuito trifásico aos terminais do motor, por exemplo, conforme descrito na Publicação de Pedido de Patente dos Estados Unidos n°. 2017/0047728. O curto-circuito pode ser aplicado comutando-se os três comutadores superiores ou inferiores do conversor, de modo que o curto-circuito trifásico produza uma corrente de motor de curto-circuito equilibrada e torque de arrasto livre de ondulações. A magnitude do torque de arrasto, portanto, diminui com o aumento da velocidade do motor.

[006] No entanto, as Requerentes reconheceram que as estratégias de gerenciamento de falhas de OSSC existentes, como as propostas pela Publicação de Pedido de Patente dos Estados Unidos n°. 2017/0047728, podem, em algumas circunstâncias, não ser totalmente eficazes.

[007] Por exemplo, embora a técnica proposta na Publicação de Pedido de Patente dos Estados Unidos n°. 2017/0047728 tenha certas vantagens, o curto-circuito aplicado aos enrolamentos trifásicos pode criar torque de arrasto adicional para o canal saudável superar, além do torque de carga, o que significa que o conversor e o motor são tipicamente superdimensionados para acionar o torque de carga e o torque de arrasto, especialmente no modo de partida do motor. Por outro lado, se o enrolamento do motor tiver sido projetado para limitar a corrente de curto-circuito, isso pode resultar em aumento das perdas de cobre de motor.

[008] As Requerentes reconheceram, portanto, que há uma necessidade de melhorias no tratamento de tais falhas de OSSC nos sistemas de inversores.

SUMÁRIO

[009] A tecnologia divulgada no presente documento fornece uma topologia de inversor inovadora que é tolerante a falhas de curto-circuito, tais como falhas de OSSC. A topologia de inversor pode, portanto, ser usada para fornecer sistemas de acionamento de motor de ímã permanente tolerantes a falhas de OSSC, por exemplo.

[0010] Um inversor de potência de acordo com a presente divulgação compreende assim um circuito de comutação, um circuito de entrada e uma disposição de ponte de diodo de rodagem livre. O circuito de comutação compreende uma ramificação superior, uma ramificação inferior e um respectivo braço de comutação para cada fase da saída. Cada braço de comutação estende-se entre as ramificações superior e inferior e compreende um comutador de ramificação superior e um comutador de ramificação inferior. Os comutadores de ramificações superior e inferior estão posicionados em qualquer lado (por exemplo, oposto) da saída do braço de comutador. O circuito de entrada compreende comutadores de isolamento superior e inferior que podem ser operados seletivamente para isolar respectivamente as ramificações superior e/ou inferior do circuito de comutação. O arranjo de ponte de diodo compreende pelo menos um braço de ponte de diodo para cada braço de comutação do circuito de comutação, os respectivos braços de ponte de diodo fornecendo caminhos de rodagem livre para os comutadores de ramificação superior e inferior do respectivo braço de comutação para a ramificação superior do circuito de comutação. O braço de ponte de diodo pode, por exemplo, compreender um ou mais diodos que permitem que a corrente flua para a ramificação superior (e impeça que a corrente flua de volta para a ramificação inferior).

[0011] Os comutadores de isolamento superior e inferior auxiliam no controle, por exemplo, isolamento, dos comutadores de ramificação superior e inferior dos braços de comutadores. Ao operar os comutadores de isolamento superior e/ou inferior, os respectivos comutadores de ramificação superior e/ou inferior podem ser isolados de forma controlável. Assim, a topologia do inversor da presente divulgação fornece um meio aprimorado para gerenciamento de condições de falha de curto-circuito, tais como falhas de OSSC.

[0012] Um método de acordo com a presente divulgação compreende assim, em resposta a um ou mais dos comutadores dentro do circuito de comutação sofrer uma falha de curto-circuito, operar pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para gerenciar a falha. É um benefício da topologia de inversor descrita no presente documento que vários modos de operação diferentes possam ser implementados para gerenciar a falha.

[0013] Por exemplo, em modalidades, um método pode compreender a abertura de um ou ambos os comutadores de isolamento superior e/ou inferior para isolar a falha. Ao isolar a falha dessa forma, o torque de arrasto do motor que poderia resultar do canal com falha (por exemplo, em arranjos de inversor mais convencionais) pode ser reduzido, por exemplo, e em modalidades, eliminado.

[0014] Adicionalmente ou altemativamente, o método pode compreender a operação dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para fornecer saída de CA útil contínua. Por exemplo, quando um dos comutadores do inversor falha, o inversor pode ainda ser usado para produzir alguma saída útil ligando e desligando repetidamente pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior por períodos sucessivos para fornecer assim a função de comutação necessária.

[0015] O inversor de potência da presente divulgação também pode, em modalidades, ser operado em sentido inverso, por exemplo, como um gerador, por exemplo, para fornecer uma saída de CC do motor. O método pode, assim, compreender a operação dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para, assim, operar o inversor de potência em um modo de geração de potência reversa no qual o inversor de potência produz potência de CC em sua entrada que pode ser extraída de acordo. Por exemplo, a operação do inversor de potência em um modo de geração de potência reversa pode compreender a abertura do comutador de isolamento correspondente ao comutador de ramificação superior/inferior defeituoso, enquanto mantém o outro comutador de isolamento em uma posição fechada. Ao fornecer geração de potência em um canal defeituoso, potência essa que pode ser fornecida (por exemplo) para auxiliar um canal saudável, as perdas gerais de potência do sistema podem ser reduzidas.

[0016] O inversor de potência da presente divulgação pode, assim, ser incorporado em sistemas para melhorar a tolerância do sistema a falhas de curto-circuito. Assim, um circuito de acionamento de motor de acordo com a presente divulgação compreende um motor e um ou mais inversores de potência de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores. O motor pode ser um motor de ímã permanente, por exemplo.

[0017] O circuito de acionamento do motor da presente divulgação compreende preferencialmente pelo menos dois inversores de potência, cada inversor de potência associado a um canal de potência separado do motor, os canais de potência separados fornecendo assim redundância. Conforme mencionado acima, em alguns modos de operação, o inversor permite que um canal de acionamento do motor defeituoso continue a auxiliar qualquer canal(is) saudável remanescente(s) na produção contínua de motorização e/ou geração de potência.

[0018] As Requerentes reconheceram que em arranjos de inversores mais convencionais, onde cada comutador de inversor tem um diodo de rodagem livre paralelo (por exemplo, conforme mostrado na Figura 2), um defeito (por exemplo, um curto-circuito) de um comutador, ou diodo de rodagem livre paralelo de um comutador, pode resultar na geração de arrasto do motor, fornecendo caminhos de corrente indesejados. Os comutadores de isolamento superior e inferior do inversor de potência estão em modalidades conectadas entre as conexões dos braços de ponte de diodo às ramificações superior e inferior e os braços de comutador para fornecer os caminhos de rodagem livre desejados para a ramificação superior em todas as situações, por exemplo, mesmo quando totalmente isolado, eliminando assim o arrasto do motor.

[0019] Os comutadores de ramificação do inversor de potência podem ser quaisquer comutadores adequados. Por exemplo, os comutadores podem compreender comutadores do tipo IGBT, MOSFET e/ou GTO. Alguns desses tipos de comutador, tais como os tipos de comutador de GTO, são capazes de suportar uma tensão reversa e inibir o fluxo de corrente em uma direção indesejada. Outros tipos de comutadores, no entanto, podem não ser adequados para suportar a tensão reversa.

[0020] Assim, cada braço de comutação do inversor de potência pode compreender ainda os respectivos diodos conectados em série com os comutadores de ramificação superior e inferior, os diodos operáveis auxiliam os comutadores de ramificação na inibição de um fluxo de corrente em uma direção indesejada.

[0021] A topologia do inversor de potência significa que, nas modalidades, apenas um único circuito de proteção contra dessaturação é necessário para fornecer proteção para os comutadores de ramificação contra eventos de corrente de curto-circuito, por exemplo, em vez de exigir um circuito de proteção contra dessaturação separado para cada braço do comutador, como pode ser o caso em alguns arranjos mais convencionais. Assim, pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e inferior do inversor de potência pode compreender um circuito de proteção contra dessaturação, enquanto os braços de comutador são em modalidades não dotados de circuitos de proteção contra dessaturação separados.

[0022] O inversor de potência pode ser operável para fornecer qualquer número de fases de saída de CA. Em modalidades, o inversor de potência pode fornecer pelo menos duas fases de saída de CA e a topologia pode, portanto, compreender de forma correspondente pelo menos dois braços de comutação, um para cada fase da saída de CA. Em modalidades particulares, o inversor de potência é configurado para fornecer três fases de saída de CA e, portanto, tem três braços de comutação respectivos, com pelo menos três braços de ponte de diodo correspondentes.

[0023] Certamente vários outros arranjos seriam possíveis.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0024] Várias modalidades serão agora descritas, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos.

[0025] A Figura 1 é um diagrama esquemático de um exemplo de um sistema de acionamento de motor de ímã permanente duplex.

[0026] A Figura 2 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo de uma topologia de inversor trifásico de dois níveis existente.

[0027] A Figura 3 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo de falha de OSSC na topologia do inversor da Figura 2.

[0028] A Figura 4 é um diagrama esquemático de uma topologia de conversor de tolerância a falhas de OSSC de acordo com uma modalidade.

[0029] As Figuras 5a-f mostram resultados simulados para um método de isolamento de falha de OSSC de acordo com uma modalidade.

[0030] As Figuras 6a-f mostram resultados simulados para um método de gerenciamento de falhas de OSSC em um modo de motorização de acordo com uma modalidade.

[0031] As Figuras 7a-f mostram resultados simulados para um método de gerenciamento de falhas de OSSC em um modo de geração de acordo com uma modalidade.

[0032] A Figura 8 é um diagrama esquemático que mostra um exemplo de uma topologia de inversor de fase n generalizada de acordo com uma modalidade.

[0033] Números de referência semelhantes são usados para componentes semelhantes quando apropriado nas Figuras.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0034] Conforme descrito brevemente acima, a Figura 1 mostra um exemplo de acionamento de motor para um motor magnético permanente 108. No sistema 100 da Figura 1, o motor de ímã permanente duplex compreende dois enrolamentos segregados, com cada enrolamento sendo acionado por um respectivo canal separado. O controlador de sistema 102 é, portanto, operacionalmente conectado ao motor magnético permanente 108 através de dois canais 104, 106, em que cada canal compreende um respectivo circuito inversor 104a, 106a que fornece uma ou mais fases de saída de CA para seu respectivo enrolamento do motor. O uso de dois inversores separados 104a, 106a cada um correspondendo a um dos canais 104, 106 fornece redundância no sistema, pois o segundo inversor (por exemplo, 106a) é capaz de assumir e controlar o torque do motor no caso de o primeiro inversor (por exemplo, 104a) desenvolver uma falha. Esse arranjo duplex é, portanto, particularmente adequado para aplicações críticas de segurança, tal como acionamento de motores elétricos em aeronaves, tal como para Sistemas de Alta Elevação. No entanto, diferentes números de canais e inversores podem ser usados, conforme desejado.

[0035] A Figura 2 mostra um exemplo de um circuito de inversor trifásico de dois níveis mais convencional 200 que pode ser usado para os respectivos canais do sistema 100 da Figura 1. Assim, como mostrado na Figura 2, a saída do inversor está operativamente conectada aos enrolamentos 202a do primeiro canal que são enrolados em tomo de um motor magnético permanente 108. Embora não mostrado na Figura 2, será entendido que um segundo sistema de inversor equivalente será fornecido para os enrolamentos 202b do segundo canal.

[0036] O circuito de inversor 200 na Figura 2 compreende seis comutadores, incluindo três comutadores superiores 204a,b,c e três comutadores inferiores 206a,b,c. Cada comutador 204/206 está conectado em paralelo com um respectivo diodo de rodagem livre 208. Em condições normais de operação, os comutadores são operáveis para controlar a saída do inversor, por exemplo, da maneira normal para um inversor de comutação.

[0037] A Figura 3 mostra esquematicamente o fluxo de corrente no circuito inversor 200 da Figura 2 no caso de uma falha de OSSC. Neste exemplo, ocorreu um curto-circuito 302 no comutador de topo 204a. Como resultado, as correntes 304 fluem através do caminho de curto-circuito 302. As formas de onda resultantes do fluxo de correntes 304 produzirão ondulações de torque e perdas de potência no motor, bem como torque de arrasto. O conversor não é mais capaz de controlar a corrente do motor.

[0038] Uma topologia de inversor de acordo com uma modalidade será agora descrita que fornece um meio para gerenciar efetivamente OSSC e outras condições de falha de curto-circuito. Como será descrito abaixo, em vários modos de operação, a topologia do inversor tolerante a falhas OSSC (OSSCFT) da presente modalidade pode eliminar substancialmente o torque de arrasto do motor e/ou permitir que o canal que sofre a falha de OSSC ainda produza pelo menos algum torque útil a fim de auxiliar o canal saudável, permitindo assim uma redução no tamanho geral do sistema.

[0039] A Figura 4 mostra um exemplo de um canal para um sistema de acionamento de motor de ímã permanente incluindo um inversor trifásico de dois níveis tendo uma topologia de OSSCFT de acordo com uma modalidade. Será entendido que o sistema de acionamento de motor magnético permanente pode ainda compreender um ou mais canais adicionais, cada um dos quais pode compreender seus próprios circuitos inversores (correspondentes). Esses circuitos inversores adicionais podem, cada um, e na presente modalidade, ter a mesma topologia que o inversor 400.

[0040] O inversor 400 compreende um circuito de comutação incluindo três braços de comutação que se estendem entre os barramentos de CC superior e inferior (geralmente, ‘ramificações’ superior e inferior) do circuito de comutação, em que cada braço de comutação fornece uma respectiva fase de saída de CA. Será entendido que o número de braços de comutação no inversor 400 se correlaciona com o número de fases de saída desejadas (isto é, três, neste exemplo), e que o inversor pode compreender um número diferente de braços de comutação, se desejado, incluindo, mas sem limitação, 1, 2, 3, 4 ou mais braços de comutação correspondentes às respectivas topologias de saída de uma, duas, três, quatro fases, etc. Uma topologia generalizada de inversor de fase n é mostrada na Figura 8.

[0041] Cada braço de comutação do inversor 400 compreende dois comutadores, incluindo um comutador de ramificação superior 404a,b,c e um comutador de ramificação inferior 406a,b,c. Os comutadores de ramificação superior 404 e ramificação inferior 406 são emparelhados ao longo de seus respectivos braços de comutação em lados diferentes da respectiva saída de braço de comutação 412. No inversor 400, cada comutador 404, 406 é emparelhado em série com um diodo de bloqueio de corrente reversa 408 para inibir o fluxo de corrente em uma direção indesejada. Certamente outros arranjos seriam possíveis. Por exemplo, alguns comutadores unidirecionais, tal como um comutador do tipo Tiristor de Desligamento de Porta (GTO, Gate Turn-Off Thyristor), são operáveis para suportar uma tensão reversa suficiente. Sendo assim, os diodos 408 não são estritamente essenciais.

[0042] Os comutadores no circuito de comutação podem ser projetados de qualquer maneira adequada e desejada. Por exemplo, em modalidades, os comutadores 404, 406 podem compreender comutadores do tipo IGBT, MOSFET ou GTO. No entanto, outros arranjos seriam, naturalmente, possíveis. Os comutadores 404, 406 são, em operação normal, controlados para gerar as fases de saída de CA desejadas. Assim, na operação normal (saudável) do inversor, uma tensão de CC é aplicada nas ramificações superior e inferior e o circuito de comutação é operado para converter a tensão de CC de entrada em uma ou mais fases de CA, por exemplo, da maneira normal para um inversor de comutação.

[0043] Assim, em operação normal (saudável), o inversor de acordo com a modalidade da Figura 4 atua de forma similar ao inversor mais convencional que é mostrado na Figura 2. No entanto, e como será explicado mais adiante, o inversor de acordo com a operação atual é capaz de lidar melhor com falhas de curto-circuito, tais como falhas de OSSC.

[0044] Para facilitar isso, além dos vários comutadores 404, 406 dentro do circuito de comutação, o inversor 400 de acordo com a presente modalidade compreende ainda comutadores de isolamento superior e inferior, 402a,b que são seletivamente operáveis para isolar respectivamente as ramificações superior e inferior do circuito de comutação. Sendo assim, o comutador de isolamento de ramificação superior 402a é operável para isolar todos os comutadores de ramificação superiores 404a,b,c para os braços de comutação e o comutador de isolamento de ramificação inferior 402b é operável de forma correspondente para isolar todos os comutadores de ramificação inferiores 406a,b,c. Os comutadores de isolamento 402a,b nas modalidades são assim configurados para atuar como disjuntores de estado sólido. Nas modalidades, os comutadores de isolamento 402a,b são superestimados em corrente com ampla área de operação segura em comparação com os comutadores 404,406 do circuito de comutação.

[0045] Um controlador para o sistema do qual o inversor faz parte é, portanto, operável para detectar um curto-circuito do comutador ou do comutador e do diodo de bloqueio reverso associado, tais como falhas de OSSC e, em resposta a isso, controlar os comutadores de isolamento 402a,b apropriadamente. Vários exemplos do gerenciamento de falhas de OSSC serão descritos mais abaixo.

[0046] A fim de fornecer caminhos de rodagem livre para a ramificação superior (barramento de CC), o inversor compreende ainda, para cada braço de comutação (fase), um respectivo braço de ponte de diodo, de modo que os braços de ponte de diodo de rodagem livre formam coletivamente uma ponte de diodo de rodagem livre. Assim, conforme mostrado na Figura 4, cada fase de enrolamento do motor está operativamente conectada ao inversor 400 através de um respectivo braço de comutação e um respectivo braço de ponte de diodo de rodagem livre 410a,b,c. Em particular, na Figura 4, os comutadores de ramificação superior e inferior de cada braço de comutação (por exemplo, pares de comutadores 404a e 406a, 404b e 406b, etc.) compartilham um braço de ponte de diodo de rodagem livre correspondente (por exemplo, 410a, 410b, etc.). Assim, a Figura 4 mostra um arranjo de ponte de diodo trifásico, com cada fase de saída (braço de comutação) tendo seu próprio braço de ponte de diodo fornecendo um respectivo caminho de rodagem livre para a ramificação superior. Observe que os braços da ponte de diodos são conectados à ramificação superior a montante dos comutadores de isolamento, de modo que, quando os comutadores estiverem abertos, a corrente de rodagem livre não possa fluir de volta para os enrolamentos do motor. Embora na Figura 4 cada braço de comutação tenha um único braço de ponte de diodo correspondente, isso não é estritamente necessário e, por exemplo, cada um dos comutadores 404a, 404b, 406a, etc. poderia ter seu próprio braço de ponte de diodo, desde que estes forneçam caminhos de rodagem livre para a ramificação superior para cada um dos comutadores.

[0047] Ou seja, independentemente de como os caminhos de rodagem livre estejam dispostos na presente modalidade, todos os comutadores devem ter um caminho de rodagem livre (diretamente) para a ramificação superior e a montante do comutador de isolamento. Isso ajuda a garantir que, em caso de defeito do comutador, a corrente de rodagem livre possa ser tratada apropriadamente, sem gerar arrasto do motor. Isso contrasta com o arranjo mais convencional mostrado na Figura 2, onde cada comutador tem seu próprio diodo paralelo de rodagem livre, o que pode levar aos problemas ilustrados na Figura 3.

[0048] Conforme mostrado na Figura 4, o comutador de isolamento de ramificação superior 402a pode ser associado a um circuito de proteção contra dessaturação (Dsat). Altemativamente/adicionalmente, isso pode ser fornecido no comutador de isolamento de ramificação inferior 402b. No entanto, é um benefício da presente modalidade que apenas um único circuito de proteção contra dessaturação é necessário para poder detectar a corrente de disparo, em comparação com pelo menos três desses circuitos (por exemplo, em pelo menos um comutador de cada braço de comutador) que pode ser necessário em uma topologia sem comutadores de isolamento 402a,b, tal como ο mostrado na Figura 2. Assim, na presente modalidade, os comutadores 404,406 dentro do circuito de comutação podem ser protegidos apenas pelo circuito de proteção contra dessaturação associado ao comutador de isolamento e não requerem sua própria respectiva proteção contra dessaturação (e, portanto, nas modalidades, não são fornecidas).

[0049] A topologia de inversor trifásico de dois níveis de acordo com a presente modalidade pode, assim, geralmente ser composta pelos seguintes componentes:
o Seis comutadores distintos, (s1, S2, S3, S4, S5, S6). Estes podem ser comutadores unidirecionais. Conforme mencionado acima, os comutadores podem ser baseados em tecnologias IGBT, MOSFET ou GTO. No entanto, outros exemplos seriam possíveis.

[0050] o Opcionalmente seis diodos distintos de bloqueio reverso, (D1, D2, D3, D4, D5, D6) conectados em série com os comutadores mencionados acima.

[0051] o Dois comutadores de isolamento de barramento de CC, St e Sb, atuando como disjuntor de estado sólido (SSCB).

[0052] o Respectivos braços de ponte de diodos, para cada braço de comutador (para cada fase), que fornecem os caminhos de rodagem livre para a ramificação superior do inversor.

[0053] o Um circuito de proteção contra dessaturação (Dsat) associado a um dos comutadores de isolamento e disposto para detectar a corrente de disparo.

[0054] Sob condições normais de operação (ativas), os comutadores de isolamento 402a,b podem ser geralmente mantidos em um estado sempre ligado e, como resultado, o inversor 400 pode operar substancialmente em linha com inversores de fonte de tensão de dois níveis convencionais.

[0055] No entanto, no caso de um defeito de um ou mais dos comutadores de ramificação superior 404a,b,c e/ou do diodo de bloqueio reverso associado, resultando em uma falha de curto-circuito unidirecional ou bidirecional através do respectivo comutador (por exemplo, uma falha de OSSC), a falha pode ser isolada e/ou gerenciada usando o comutador de isolamento de ramificação superior 402a. Assim, no caso de um dos comutadores de ramificação superior falhar, pode ser suficiente desligar o comutador de isolamento de ramificação superior para isolar e gerenciar a falha. De modo similar, uma falha, resultante de um defeito de um ou mais dos comutadores de ramificação inferior 406a,b,c e/ou do diodo de bloqueio reverso associado, pode ser isolada e/ou gerenciada usando o comutador de isolamento de ramificação inferior 402b.

[0056] Além disso, no caso de uma falha de curto-circuito de qualquer um dos comutadores 404, 406 e/ou diodos de bloqueio reverso associados (tal como uma falha de OSSC), a presença dos comutadores de isolamento significa que o inversor OSSCFT 400 de acordo com a presente modalidade também é ainda capaz de produzir saída útil para (assistência de) motorização controlando os comutadores (operacionais) restantes e comutadores de isolamento 402a,b. Isso quer dizer que, em contrapartida às topologias de inversores de motor existentes, um inversor OSSCFT 400 defeituoso pode ser operado de modo que continue produzindo torque de motor útil e, como resultado, o tamanho total do sistema de acionamento de motor pode ser reduzido. Por exemplo, os comutadores de isolamento podem ser ligados e desligados para fornecer alguma saída de CA útil.

[0057] De fato, um benefício da presente modalidade é que o inversor pode ser operado em vários modos diferentes de gerenciamento de falhas usando os comutadores de isolamento. Ou seja, a nova topologia mostrada na Figura 4 permite vários novos modos de operação que podem fornecer desempenho melhorado no caso de uma falha de OSSC.

[0058] Os resultados simulados de vários modos de operação para o inversor 400 sob uma condição de falha de OSSC são discutidos abaixo. Será entendido que estes modos de operação são fornecidos como exemplos ilustrativos. Os exemplos a seguir são fornecidos para demonstrar algumas das vantagens da topologia de inversor de OSSCFT da presente modalidade. Em cada uma dessas simulações, um dos comutadores de ramificação superior (por exemplo, 404a) associados ao comutador de isolamento superior ST (por exemplo, 402a) desenvolve ou desenvolveu uma falha de OSSC.

[0059] As Figuras 5a-f mostram resultados simulados da operação da topologia de inversor de OSSCFT em modo de isolamento. Antes de 0,03 segundos, o motor está operando em modo motorizado em velocidade constante. Sendo assim, as formas de onda da corrente de fase são senoidais e a potência do motor Pe é constante.

[0060] No tempo de 0,03 segundos, a falha de OSSC é detectada em um comutador (por exemplo, 404a). Em resposta, o comutador de isolamento superior e inferior (por exemplo, 402a,b) é aberto, conforme mostrado nas Figuras 5c e d. Alternativamente, em outros modos de operação, apenas um dos comutadores de isolamento superior e inferior pode ser aberto. Quaisquer comutadores de braço de comutador operacionais restantes (por exemplo, comutadores 404b,ce 406a,b,c) também podem ser desligados ao mesmo tempo. Depois que os comutadores de isolamento são abertos, o circuito de comutação é isolado e as correntes transitórias de fase do motor rodam livremente através dos braços de ponte de diodo para a ramificação superior (barramento de CC) sem causar qualquer sobretensão nos comutadores de braço de comutador. As correntes de fase do motor, assim como as correntes na ramificação superior (barramento de CC) e no comutador de isolamento de ramificação superior, decaem rapidamente para zero, conforme mostrado nas Figuras 5a, b, e e f. O canal defeituoso, portanto, não resulta em torque de arrasto do motor. O canal é, portanto, isolado, e o controle pode ser comutado para o outro canal (saudável) apropriadamente sem que o canal saudável tenha que compensar o arrasto do motor devido ao canal defeituoso.

[0061] Conforme discutido acima, além de permitir que um canal seja isolado, a topologia de inversor de OSSFT da presente modalidade também permite a produção contínua de potência de motor útil, mesmo sob condições de falha de OSSC. Por exemplo, mesmo que um dos comutadores (e/ou o diodo de bloqueio reverso associado) esteja em curto-circuito e, portanto, não possa ser controlado para produzir potência de motor, alguma saída de CA útil poderá, no entanto, ser gerada pela comutação apropriada dos comutadores de isolamento e dos comutadores restantes do inversor. Ou seja, no caso de uma falha no circuito de comutação, significando que os comutadores de circuito de comutação não podem ser controlados para produzir uma saída de CA, os comutadores de isolamento podem ser operados com os comutadores restantes de maneira análoga para fornecer uma saída de CA.

[0062] As Figuras 6a-f mostram os resultados simulados da operação da topologia de inversor de OSSCFT em um desses modos de operação de gerenciamento de falhas de assistência ao motor. Neste exemplo, os comutadores de isolamento superior e inferior são ligados e desligados simultaneamente por períodos sucessivos de 0,01 segundo, conforme mostrado nas Figuras 6c e d.

[0063] Neste modo de operação, a topologia de inversor de OSSCFT possibilita um grau de controle da corrente de motor e, assim, auxilia na produção de potência motora através da extração de torque positivo durante os períodos em que os comutadores estão ligados, conforme mostrado na Figura 6b. Durante os períodos em que os comutadores de isolamento são desligados, a corrente de motor roda livremente para o barramento de CC e decai para zero de forma relativamente rápida, conforme mostrado nas Figuras 6a e e.

[0064] Em algumas modalidades, os períodos de comutação podem ser iguais a 180° do período do motor fundamental, de modo que os comutadores de isolamento sejam ligados por 180° do período do motor fundamental e desligados pelos outros 180° do período do motor fundamental. Esta sequência de operação alternada de 180° produz, portanto, pulsos de potência motorizada com ciclo de trabalho de 50% e com uma frequência de repetição igual à frequência fundamental do motor.

[0065] Em qualquer caso, a topologia de inversor de OSSCFT permite que um canal defeituoso continue produzindo pelo menos algum torque de motor útil para auxiliar quaisquer canais saudáveis restantes e/ou habilitar pelo menos a operação parcial do motor.

[0066] A tensão de comutação esperada deste método pode ser reduzida operando os comutadores de isolamento em uma frequência abaixo da frequência fundamental do motor. Por exemplo, para um motor projetado para uma frequência fundamental de 900 Hz, a frequência de comutação dos comutadores de isolamento pode ser inferior a 900 Hz.

[0067] Um outro exemplo de um modo de operação de gerenciamento de falhas é mostrado nas Figuras 7a-f. Neste exemplo, a topologia de inversor de OSSCFT está operando em sentido inverso como um conversor sob um modo de operação de gerenciamento de falhas de assistência de geração, para fornecer potência de geração de alta qualidade (isto é, constante) para auxiliar o canal saudável. Por exemplo, será entendido que o inversor 400 também pode ser operado em sentido inverso como um conversor para gerar potência e/ou torque, ou seja, em um modo de operação de geração.

[0068] Conforme mostrado nas Figuras 7c,d, neste modo de operação, o comutador de isolamento superior St correspondente ao comutador defeituoso (por exemplo, comutador de braço de comutador 404a) é desligado enquanto o comutador de isolamento inferior SB permanece ligado. Os comutadores de braço de comutador operacionais restantes podem então ser ligados e desligados de acordo com os sinais de comando do controlador de corrente para assim produzir uma potência de geração constante como mostrado nas Figuras 7a,b.

[0069] Nestas condições, a topologia de inversor de OSSCFT pode ser operada para controlar a corrente de motor para produzir potência geradora constante por todo o período fundamental de 360° do motor (conforme mostrado nas Figuras 7b e e).

[0070] Portanto, mesmo depois de desenvolver uma falha de OSSC, a topologia de inversor de OSSCFT pode ainda ser operada como um conversor para fornecer potência de geração de alta qualidade e, portanto, auxiliar quaisquer canais saudáveis restantes com a geração de potência. Este modo operacional ajuda a reduzir as perdas gerais de potência do sistema e as tensões térmicas e, assim, também pode aumentar a vida útil operacional do sistema.

[0071] Assim, a topologia de inversor de acordo com a presente modalidade fornece capacidade total de gerenciamento e isolamento para a condição de falha de OSSC mais crítica. A mesma também fornece funcionalidade de rodagem livre total para a corrente do motor e, portanto, evita sobretensão durante a comutação dos comutadores de conversor em condições operacionais normais e defeituosas. Além disso, isso é alcançado pela adição de apenas dois comutadores adicionais e uma ponte de diodos em comparação com uma topologia de conversor de dois níveis mais convencional. A presente modalidade fornece assim vários benefícios em comparação com abordagens mais convencionais.

[0072] A Figura 8 mostra um esquema de uma topologia de inversor de fase n generalizada 800 de acordo com uma modalidade. O circuito de inversor 800 compreende n braços de comutação 802 e n braços de ponte de diodo correspondentes 804 formando coletivamente um arranjo de ponte de diodo de rodagem livre de fase n.

[0073] A topologia de inversor de acordo com a presente modalidade é particularmente adequada para melhorar a confiabilidade dos sistemas de acionamento de PMM. Por exemplo, em modalidades, as seguintes vantagens podem ser fornecidas:
o Sem torque de arrasto sob condição de falha de OSSC e, portanto, não há necessidade de superdimensionar o sistema de acionamento de motor.

[0074] o Capacidade de fornecer assistência/torque motorizado enquanto estiver sob falha de OSSC.

[0075] o Capacidade de fornecer potência/torque de geração de alto desempenho e alta qualidade e compartilhar a potência de carga enquanto sob condição de falha de OSSC.

[0076] o Proteção simples de disparo, que pode ser alcançada implantando apenas um circuito Dsat no acionador de portão de ST ou Sb.

[0077] o Potencial de redução do tamanho do sistema de acionamento de motor para aplicação tolerante a falhas.

[0078] Embora os exemplos acima tenham sido fornecidos principalmente com referência a exemplos de topologias de inversores trifásicos, as modalidades da invenção se estendem a outras configurações de topologias de inversores, incluindo, mas sem limitação, topologias monofásicas (tais como topologias de 1, 2, 3, 4, fases etc.) e múltiplas topologias trifásicas (tais como topologias de 3, 6, 9, etc. fases). Em cada caso, será entendido que o número de componentes, tais como comutadores e diodos de rodagem livre, pode variar de acordo.

[0079] Será ainda entendido que, embora as modalidades acima da presente invenção tenham sido descritas com referência a um inversor de nível único que fornece potência diretamente aos enrolamentos de um motor, o inversor pode ser incorporado a um sistema de vários níveis e, em vez disso, ser configurado para receber e/ou fornecer corrente de saída de CA para outro ou outro(s) inversor(es).

[0080] Além disso, embora os exemplos acima tenham sido fornecidos principalmente com referência a exemplos de sistemas de canal duplo, as modalidades da invenção se estendem ainda a sistemas de acionamento de motor de ímã permanente com diferentes números de inversores e/ou canais, incluindo, mas sem limitação, sistemas de acionamento motorizado de canal único, canal duplo, canal triplo, etc..

[0081] As variações dos exemplos descritos acima estão dentro do escopo das reivindicações.

Claims

Inversor de potência para converter uma entrada de CC em uma ou mais fases de saída de CA, em que o inversor de potência é caracterizado pelo fato de que compreende:
um circuito de comutação que compreende uma ramificação superior, uma ramificação inferior e um respectivo braço de comutação para cada fase da saída de CA, em que cada braço de comutação se estende entre as ramificações superior e inferior e compreende uma ramificação superior e uma ramificação inferior, em que os comutadores de ramificação superior e inferior estão posicionados em ambos os lados da saída do braço do comutador;
um circuito de entrada que compreende comutadores de isolamento superior e inferior que podem ser operados seletivamente para isolar respectivamente as ramificações superior e/ou inferior do circuito de comutação; e
em que o inversor de potência compreende ainda um respectivo um ou mais braços de ponte de diodo para cada braço de comutação do circuito de comutação, o um ou mais braços de ponte de diodo para um braço de comutação fornecendo caminhos de rodagem livre para a ramificação superior para os respectivos comutadores de ramificação superior e inferior do braço do comutador.
Inversor de potência de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os comutadores de isolamento superior e inferior estão conectados entre as conexões dos braços da ponte de diodos às ramificações superior e inferior e aos braços do comutador.
Inversor de potência de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada braço de comutação compreende ainda respectivos diodos conectados em série com os comutadores de ramificação superior e inferior.
Inversor de potência de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e inferior compreende um circuito de proteção contra des saturação.
Inversor de potência de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os braços de comutação não são dotados de circuitos de proteção de dessaturação separados.
Inversor de potência de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o inversor de potência fornece pelo menos duas fases de saída de CA.
Inversor de potência de acordo com a reivindicação 6, em que o inversor de potência é caracterizado pelo fato de que fornece três fases de saída de CA.
Circuito de acionamento de motor, caracterizado pelo fato de que compreende um motor e um ou mais inversores de potência de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
Circuito de acionamento do motor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos dois inversores de potência, cada inversor de potência associado a um canal de potência separado do motor, em que os canais de potência separados fornecem redundância.
Circuito de acionamento de motor de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o motor é um motor de ímã permanente.
Método de monitoramento de falhas dentro de um sistema que compreende um inversor de potência de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, ou dentro de um circuito de acionamento de motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, em que o método é caracterizado pelo fato de que compreende:
em resposta a um ou mais dos comutadores dentro do circuito de comutação sofrer uma falha de curto-circuito:
operar pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para gerenciar a falha.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que operar pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para gerenciar a falha compreende abrir os comutadores de isolamento superior e/ou inferior para isolar a falha.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que operar pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para gerenciar a falha compreende operar os comutadores de isolamento superior e/ou inferior para fornecer saída de CA.
Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que operar os comutadores de isolamento superior e/ou inferior para fornecer saída de CA compreende ligar e desligar repetidamente pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior ao longo de períodos sucessivos.
Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que operar pelo menos um dos comutadores de isolamento superior e/ou inferior para gerenciar a falha compreende operar o inversor de potência em um modo de geração de potência reversa no qual o inversor de potência produz potência de CC em sua entrada.