ES2833080T3 - Procedimiento y sistema de medición de la integridad de un convertidor de potencia - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14), el procedimiento comprende las etapas de: monitorizar los datos de entrada asociados con una entrada al convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14); monitorizar los datos de salida asociados con una salida del convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14); y correlacionar los datos de entrada y los datos de salida para identificar una degradación en el rendimiento del convertidor de potencia de una manera tal que: a) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout) y un componente de alternancia de la corriente de salida (Iout); o b) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout), un componente de alternancia de la tensión de salida (Vout) y el promedio del factor de potencia; son procesados para calcular una resistencia en serie equivalente del convertidor de potencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y sistema de medición de la integridad de un convertidor de potencia

Campo técnico

La presente divulgación se refiere en general a convertidores electrónicos de potencia y, en una realización descrita en la presente memoria, más particularmente proporciona un sistema y un procedimiento de detección no intrusiva de la degradación en la calidad de salida de potencia del equipo de conversión de potencia, para de ese modo predecir fallos inminentes en el equipo de conversión de potencia.

Antecedentes

Los fallos en los sistemas de conversión de potencia, tales como los convertidores de potencia que fallan mientras producen energía para una red eléctrica, pueden provocar situaciones de emergencia al quitar una fuente de potencia a la red eléctrica con advertencias mínimas. Las emergencias (por ejemplo, un mantenimiento imprevisto, una pérdida de potencia, etc.) pueden ser muy costosas tanto para los clientes como para las empresas eléctricas. La minimización de los fallos en la red podría reducir los gastos de mantenimiento de emergencia, permitir un pedido y almacenamiento de repuestos más eficientes, reducir los cortes de la red eléctrica, etc. Por lo tanto, se puede ver con facilidad que se necesitan mejoras en la técnica de los sistemas de conversión de potencia.

Por lo tanto, se puede ver con facilidad que se necesitan mejoras en la técnica de los sistemas de conversión de potencia.

El documento EP1630937 desvela un dispositivo de conversión de tensión y evalúa la ocurrencia de un fallo en el dispositivo.

Sumario

Al llevar a cabo los principios de la presente divulgación, se proporciona un procedimiento y un sistema que aporta mejoras a la técnica de la conversión de potencia.

La invención proporciona un procedimiento de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso según la reivindicación 1 y un sistema de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso según la reivindicación 13. Las realizaciones preferentes están definidas en las reivindicaciones dependientes.

A continuación será descrito un ejemplo en el que un procedimiento de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso puede incluir las etapas de monitorizar los datos asociados con una entrada y una salida del convertidor de potencia. Posteriormente, correlacionar los datos para identificar la degradación en el rendimiento del convertidor de potencia e indicar fallos inminentes del convertidor de potencia. A continuación será descrito otro ejemplo en el que es proporcionado un sistema de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso. El sistema puede incluir un convertidor de potencia y sensores de corriente que detectan las corrientes de entrada y salida del convertidor de potencia. Un controlador programable puede ser cargado con un algoritmo de medición de la integridad que puede analizar datos de los sensores de corriente. Se puede indicar un fallo inminente del convertidor de potencia como resultado del análisis de datos.

Estas y otras características, ventajas y beneficios resultarán evidentes para un experto en la técnica tras una consideración cuidadosa de la descripción detallada de las realizaciones representativas de la siguiente divulgación y los dibujos adjuntos, en los que elementos similares se indican en las diversas figuras mediante el uso de iguales números de referencia.

Breve descripción de los dibujos

La FIG. 1 es un diagrama de bloques representativo de un sistema de conversión de potencia de la técnica anterior que puede beneficiarse de los principios de la presente divulgación.

La FIG. 2 es un diagrama de bloques representativo de un sistema de conversión de potencia que incorpora los principios de la presente divulgación.

La FIG. 3 es un diagrama de bloques representativo de un algoritmo que calcula una resistencia en serie equivalente.

La FIG. 4 es un diagrama de bloques representativo de otro algoritmo que calcula una resistencia en serie equivalente.

La FIG. 5 es una representación esquemática de componentes eléctricos de un convertidor de potencia.

La FIG. 6 es una representación esquemática de la circuitería de salida del convertidor de potencia.

Las FIGS. 6a a c son formas de onda de parámetros del convertidor de potencia y un algoritmo de medición de la integridad.

La FIG. 7 es una representación esquemática de la circuitería de entrada del convertidor de potencia.

Las FIGS. 7a-f son formas de onda de parámetros adicionales del convertidor de potencia y el algoritmo de medición de la integridad.

La FIG. 8 es un diagrama de flujo representativo de un procedimiento de medición de la integridad de un convertidor de potencia.

Descripción detallada

En general, existen cuatro tipos de conversiones de potencia, como es mostrado en la siguiente tabla.

Un convertidor de potencia que convierte la potencia de CC en CA normalmente es denominado como un inversor. Un convertidor de potencia CC-CC generalmente convierte de una tensión CC a otra tensión CC. Un convertidor de potencia de frecuencia en general convierte la potencia de CA a una frecuencia en potencia de CA a otra frecuencia. Un convertidor de potencia que convierte la potencia de CA en potencia de CC en general es denominado como un rectificador. Los principios de la presente divulgación pueden ser usados con cualquiera de estas cuatro formas de conversión de potencia para indicar fallos inminentes en un convertidor de potencia.

En la FIG. 1 se ilustra de manera representativa un sistema de conversión de potencia 10 de la técnica anterior que puede ser beneficiado de los principios de la presente divulgación. El sistema de conversión de potencia puede incluir una fuente de potencia 12 que suministra potencia de CA y/o CC a las entradas 48 de un convertidor de potencia 14. La fuente de potencia 12 puede incluir múltiples fuentes 12 (FIG. 1) o la fuente de potencia 12 puede estar conectada en paralelo con una entrada 48 de cada convertidor de potencia 14 de forma que cada convertidor de potencia reciba potencia de la única fuente de potencia 12.

Cada convertidor de potencia 14 puede convertir la potencia de entrada que recibe en otra potencia en sus salidas 28 por medio de la conversión de los niveles de tensión, frecuencias, etc. y la salida de la potencia resultante a una red eléctrica 30. Esta red eléctrica 30 puede ser una red eléctrica nacional, tal como la red eléctrica usada en los Estados Unidos para distribuir energía a empresas y clientes individuales. Sin embargo, la red eléctrica 30 puede ser una red eléctrica local, tal como un bus de potencia local para un controlador de velocidad variable para un motor de CA en un Vehículo Eléctrico.

La FIG. 1 muestra varios convertidores de potencia 14 conectados en paralelo con la red eléctrica 30. Sin embargo, no es necesario que los convertidores 14 estén conectados a una única red eléctrica 30. Por ejemplo, cada uno de los convertidores 14 puede estar conectado a una red eléctrica 30 separada. Además, algunos de los convertidores de potencia 14 pueden estar conectados en paralelo y suministrar energía a una red eléctrica 30, mientras que otros convertidores de potencia 14 están conectados individualmente a redes eléctricas 30 separadas. Por lo tanto, puede ser observado con facilidad que cualquier tamaño de red eléctrica 30 puede ser usado y que pueden ser empleadas múltiples configuraciones de entradas 48 y/o salidas 28 de conexión de los convertidores de potencia 14 de acuerdo con los principios de la presente divulgación.

La FIG. 1 muestra un diagrama de bloques representativo del convertidor de potencia 14. Puede ser usado un controlador 36 para regular las salidas 28 del convertidor de potencia 14 por medio de la medición de sus tensiones de entrada/salida y corrientes de entrada/salida con los sensores apropiados 16, 18, 22, 24. Los datos del sensor son proporcionados al controlador 36 a través de convertidores convencionales analógico a digital (A/D). Los sensores de corriente 18 y 24 pueden proporcionar mediciones de corriente de entrada y salida, respectivamente. Los sensores de tensión 16 y 22 pueden proporcionar mediciones de tensión de entrada y salida, respectivamente. El controlador 36 puede controlar una matriz de potencia 26 para convertir la potencia de la fuente de potencia 12 a la red eléctrica 30. El controlador 36 también puede proporcionar comunicación a un sistema de control externo a través del bus de control MOD 32.

Los convertidores A/D pueden ser proporcionados en el convertidor de potencia 14 junto con el controlador 36 cuando son adquiridos de un fabricante. Estos sensores y convertidores A/D normalmente proporcionan una frecuencia de muestreo en un intervalo de aproximadamente 80 kHz a 250 kHz que proporciona datos suficientes al controlador 46 para controlar de manera adecuada la conversión de potencia. Sin embargo, estas frecuencias de muestreo generalmente son demasiado lentas para la implementación de los principios de la presente divulgación.

Con referencia a continuación a la FIG. 2, es mostrado un ejemplo de sistema de conversión de potencia 20 que incorpora los principios de la presente divulgación. Como en la FIG. 1, la fuente de potencia 12 puede ser múltiples fuentes, una sola fuente, una sola fuente que alimenta a múltiples convertidores de potencia, etc. También los convertidores de potencia 14 pueden estar conectados en paralelo a la red eléctrica 30, conectados a redes eléctricas individuales 30, etc.

La FIG. 2 difiere de la FIG. 1 porque en las entradas y salidas del convertidor de potencia 14 son colocados sensores de tensión 40, 44 y sensores de corriente 42, 46 adicionales. La FIG. 2 muestra que solo uno de los convertidores de potencia está equipado con sensores adicionales 40, 42, 44, 46, sin embargo, puede ser observado con facilidad que cualquiera de los convertidores de potencia 14 puede estar configurado para incorporar los sensores adicionales. Estos sensores 40, 42, 44, 46 proporcionan frecuencias de muestreo más altas que las de la FIG. 1, y un controlador programable 38 incluye convertidores A/D de alta velocidad para convertir datos de los sensores 40, 42, 44, 46 en información digital para su uso por el controlador programable 38. También puede ser observado con facilidad que varios de estos sensores pueden ser usados para proporcionar redundancia, aumentar el ancho de banda de la recopilación de datos, etc.

Para un sistema de conversión de potencia 20 con una frecuencia de salida de potencia de 60 Hz, las frecuencias de muestreo deseadas para los sensores 40, 42, 44, 46 y convertidores A/D son mayores de 250 kHz, y preferentemente son de 1 MHz. No es un requisito que las frecuencias de muestreo sean superiores a 250 kHz. Las frecuencias de muestreo pueden ser aumentadas o disminuidas según sea necesario para ser adaptadas a los sistemas de conversión de potencia 20 con frecuencias de salida de potencia más altas o más bajas (por ejemplo, sistemas de 400 Hz para aeronaves, 50 Hz para redes eléctricas fuera de los EE.UU., etc.) de acuerdo con los principios de la presente divulgación.

Estas frecuencias de muestreo deben ser una frecuencia que proporcione visibilidad al controlador programable 38 de las señales dentro del sistema de conversión de potencia 20. El controlador programable 38 puede analizar y detectar anomalías en estas señales, donde las anomalías indican fallos inminentes del convertidor de potencia 14.

El controlador programable 38 es cargado con un algoritmo de medición de la integridad 50 (FIGS. 3, 4) que lee los datos del sensor de los sensores 40, 42, 44, 46, correlaciona los datos y produce un valor de resistencia en serie equivalente (ESR, por sus siglas en inglés) 72 a partir de los datos correlacionados. El valor de ESR 72 calculado puede ser usado para identificar anomalías que indican fallos inminentes del convertidor de potencia 14. Por ejemplo, si el valor de ESR 72 calculado es significativamente mayor que el valor de ESR de un condensador de entrada de un convertidor de potencia 14 similar, entonces esto puede indicar que el condensador de entrada fallará pronto.

Además, si el valor 72 es registrado en función del tiempo (por ejemplo, registro de gráfico de banda, registro digital, etc.) y son detectadas oscilaciones en el registro, estas oscilaciones pueden indicar un problema con un programa de control de software, un condensador de entrada, un transistor bipolar de puerta aislada, un inductor, un dispositivo MOSFET, un conmutador puente, etc. del convertidor de potencia 14.

El sensor de tensión 40 lee un valor de una tensión de entrada Vin en una entrada 48 del convertidor de potencia 14. El sensor de corriente 42 lee un valor de una corriente de entrada Iin que es transferido a través de la entrada 48 al convertidor de potencia 14. El sensor de tensión 44 lee un valor de una tensión de salida Vout en una salida 28 del convertidor de potencia 14. El sensor de corriente 46 lee un valor de una corriente de salida Iout que es transferida a través de la salida 28 del convertidor de potencia 14.

Con referencia a continuación a la FIG. 3, es mostrado un diagrama de bloques del algoritmo de medición de integridad 50. En esta versión del algoritmo 50, el valor de ESR 72 es calculado a partir de tres entradas 52, 56, 58 que son enviadas al controlador programable 38. Los sensores 40, 42, 44, 46 son muestreados a una frecuencia de muestreo (por ejemplo, 1 MHz) y el valor instantáneo de cada muestra se proporcionado al controlador programable 38 a través de los convertidores A/D de alta velocidad.

Cada una de las señales resultantes Iin, Vin, Iout, Vout incluyen un componente de alternancia y un componente de ondulación. El componente de alternancia es la frecuencia de base del sistema de potencia 20. Por ejemplo, el componente de alternancia sería 60 Hz para un sistema de potencia 20 de 60 Hz y sería 50 Hz para un sistema de potencia 20 de 50 Hz. El componente de ondulación es esa parte de la señal que representa una carga y descarga de un condensador. El componente de ondulación puede ser similar a una forma de onda de diente de sierra cuando se separa del componente de alternancia.

Puede ser usada una función de eliminación de tendencia para separar el componente de alternancia del componente de ondulación. Como es observado en la FIG. 3, es calculado un componente de ondulación de la corriente de salida Iout en la etapa 52 del algoritmo 50. La ondulación de Iout es emitida posteriormente a la etapa 54 donde es calculada una primera derivada (por ejemplo, primera diferencia (x(n+1)-x(n))/(t(n+1)-t(n))) de la señal de ondulación lout. En la etapa 56, es calculado un componente de ondulación de la corriente de entrada Iin y es enviado a la etapa 62. En la etapa 58, es calculado el componente de alternancia de la corriente de salida Iout (es decir, el componente de ondulación es eliminado) y posteriormente el componente de alternancia es enviado a la etapa 62.

La etapa 62 multiplica los resultados de las etapas 56 y 58 y posteriormente envía el producto resultante a una etapa multiplicadora 60. La etapa 64 calcula un valor de RMS del componente de alternancia de la corriente de salida Iout resultante de la etapa 58 y posteriormente la etapa 68 calcula un cuadrado del valor de RMS de la etapa 64. La etapa 68 eleva al cuadrado el valor de RMS de la etapa 64 y presenta el resultado a la etapa 70.

La etapa 60 multiplica los resultados de las etapas 54 y 62 y posteriormente envía el producto resultante a la etapa 66 donde es calculado un valor medio. La etapa 66 envía el valor medio a la etapa 70 donde el valor medio es dividido por el valor de RMS al cuadrado de la etapa 68. La salida de la etapa 70 es el valor de resistencia en serie equivalente 72. El valor de ESR 72 calculado es usado para indicar fallos inminentes del convertidor de potencia 14.

Un aspecto beneficioso del algoritmo 50 de la FIG. 3 es que sólo las corrientes de entrada y salida Iin, Iout necesitan ser detectadas para proporcionar indicaciones de fallos inminentes del convertidor de potencia 14. El valor de ESR calculado 72 a partir del algoritmo de la FIG. 3 puede tener una mayor tolerancia de error de otras implementaciones del algoritmo 50, pero proporciona indicaciones de fallos inminentes del convertidor de potencia 14.

Otra implementación del algoritmo 50 es mostrado en la FIG. 4. Esta implementación produce un valor de ESR 72 con tolerancias de error más estrictas y es capaz de obtener resultados más precisos que la implementación de la FIG. 3. La FIG. 4 es muy similar a la FIG. 3 excepto por algunas diferencias importantes. Generalmente, las diferencias son que la etapa 58 ha sido reemplazada por la etapa 74 y han sido añadidas las etapas 76 y 78.

En la etapa 74, el componente de alternancia de la tensión de salida Vout es calculado por medio de la eliminación del componente de ondulación de la señal de tensión de salida (en la etapa 58 de la FIG. 3 fue calculado el componente de alternancia de la corriente de salida Iout). La etapa 76 calcula un promedio de un factor de potencia entre la tensión de salida Vout y la corriente Iout. El resultado de la etapa 76 es introducido en la etapa 78. La etapa 78 multiplica la salida de la etapa 76 con la salida de la etapa 70. El producto resultante es el valor de ESR 72 calculado.

Pueden ser añadidas otras manipulaciones de escalado y de signo al algoritmo 50 mientras se continúa proporcionando un valor de ESR 72 que proporciona indicaciones de fallos inminentes del convertidor de potencia 14. Por lo tanto, puede ser observado con facilidad que varias variaciones del algoritmo 50 son posibles manteniendo los principios de la presente divulgación.

Con referencia a continuación a la FIG. 5, es desvelado un ejemplo del convertidor de potencia 14 para ayudar a una comprensión más detallada de una implementación del algoritmo 50. Sin embargo, debe ser entendido que esto es simplemente un ejemplo del convertidor de potencia 14 y el algoritmo 50 y de ninguna manera limita los principios de la presente divulgación.

La FIG. 5 muestra un circuito equivalente para el convertidor de potencia 14 (que en este ejemplo es un inversor) más una fuente de potencia 12 y una carga de salida Rload. La fuente de potencia 12 está representada por una fuente de tensión de CC Vdc y una resistencia de CC Rdc. La fuente de potencia 12 puede ser conectada a los terminales de entrada 80 del convertidor de potencia 14, con una tensión de entrada Vin y una corriente de entrada Iin. Un condensador de enlace de CC 82 es representado como C1 y R1.

Un conmutador puente 88 es un conmutador que alterna entre una conexión directa 84 y una conexión cruzada 86 entre las entradas y salidas del conmutador 88. El estado del conmutador puente 88 está representado por el valor de una variable S que representa el estado instantáneo del conmutador: S = 1 para la conexión directa 84 y S = -1 para la conexión cruzada 86. Una corriente Isi es la corriente que pasa a través de un inductor de almacenamiento de energía L que está en un lado de salida del conmutador puente 88. Una corriente correspondiente en un lado de entrada del conmutador puente 88 es mostrada como el producto de la variable S y la corriente del inductor. Isi (=S*Isi). Por lo tanto, el valor de la corriente de entrada del conmutador puente 88 alterna entre Isi y -Isi dependiendo del estado del conmutador (es decir, el valor de S).

Un condensador C2 y una resistencia R2 representan un condensador de salida 90, donde una tensión de salida Vout y una corriente de salida Iout salen del convertidor de potencia 14. Una carga de convertidor de potencia 94 está representada por un componente de carga resistiva Rload, una fuente de corriente Ifo para forzar un componente de corriente de carga inductiva opcional y convertidores de potencia 14 adicionales. Los convertidores de potencia 14 adicionales son mostrados numerados 1, 2, ... Npar, y están en paralelo en un bus de salida 96 conectado a los terminales de salida 92 del convertidor de potencia 14. Cada convertidor de potencia 14 adicional está representado por un condensador C3 conectado en serie con una resistencia R3.

La corriente Isi a través del inductor L puede ser determinada como una integral en el tiempo de una tensión a través del inductor L. Como es observado en la FIG. 6, esta tensión es la diferencia entre una tensión de fuente Vs (donde Vs = S * Vin) y la tensión de salida Vout. Con referencia a continuación a la FIG. 6a, es mostrado un breve intervalo de tiempo que consiste en algunos ciclos de conmutación, durante el cual un componente de alternancia (60 Hz en este ejemplo) de la tensión de salida Vout cambia de forma relativamente lenta y puede ser tomada como esencialmente constante.

La FIG. 6a muestra la tensión de fuente Vs y la tensión de salida Vout representadas en función del tiempo. Dado que la corriente del inductor Isi es proporcional a una integral de la diferencia entre Vs y Vout, entonces un componente de ondulación de conmutación 100 de la corriente del inductor Isi es como es mostrado en la FIG. 6b. Suponiendo que fluya muy poco de una corriente de 60 Hz a través del condensador de salida, un componente de 60 Hz de la corriente del inductor Isi (no mostrado) se convierte en la corriente de carga de 60 Hz.

El componente de ondulación 100 está dividido esencialmente entre el condensador de salida 90 (C2 y R2) y los condensadores de salida 98 (C3 y R3) de los convertidores de potencia adicionales 14. Por lo tanto, la corriente de salida Iout incluye un componente de ondulación 102 que es aproximadamente Npar/(Npar+1) veces el de la corriente del inductor Isi, como es observado en la FIG. 6c.

Con referencia a continuación a la FIG. 7, un esquema representativo de la circuitería en las entradas 80 del convertidor de potencia 14 y una corriente del inductor conmutada (S * Isi) que fluye fuera del condensador de enlace 82. La FIG. 7a muestra la variable S en función del tiempo. La FIG. 7b muestra la corriente del inductor conmutada 104, que es la corriente del inductor Isi multiplicada por el estado S de la configuración de conmutación (S * Isi). (nota: las líneas de puntos 106 representan la corriente del inductor Isi sin la conmutación). Un valor de RMS de la corriente del inductor conmutada es contabilizado por medio de la corriente de entrada Iin.

Si la resistencia Rdc de la fuente de potencia 12 es alta en relación con una impedancia del condensador de enlace 82 a una frecuencia de conmutación (por ejemplo, 60 Hz), entonces la mayor parte del componente de ondulación de la corriente del inductor conmutada (S * Isi) fluye a través del condensador de enlace 82. Esto da lugar a un componente capacitivo Vinc (debido al condensador C1) y un componente resistivo Vinr (debido a la resistencia R1) en una ondulación de la tensión de entrada Vin. La FIG. 7c muestra el componente capacitivo Vinc como el trazo 108. La FIG. 7d muestra el componente resistivo Vinr como el trazo 110. Los componentes capacitivos y resistivos también estarán presentes en la corriente de entrada Iin.

El componente de ondulación 102 de la corriente de salida Iout que es observado en la FIG. 6c está reproducido en la FIG. 7e por conveniencia. Debe ser tenido en cuenta que una primera derivada del componente de ondulación 102 (o una primera diferencia (x(n+1)-x(n))/(t(n+1)-t(n))delta t en un dominio digital muestreado), mostrado en la FIG. 7f como el trazo 112, tiene la sincronización correcta para ser correlacionado con el componente resistivo Vinr (es decir, el trazo 110 en la FIG. 7d) de la tensión de entrada Vin a través del condensador de enlace 82. Un producto muestra por muestra de los dos trazos 110 y 112, sumados y promediados a lo largo del tiempo, produce un resultado distinto de cero proporcional a R1.

Dado que el componente de alternancia de la corriente del inductor Isi se convierte en el componente de alternancia de la corriente de salida Iout, un signo de la corriente del inductor Isi cambia a lo largo del ciclo alterno. Por lo tanto, es deseable compensar esto por medio de la inclusión del componente de alternancia de la corriente de salida Iout en el producto muestra por muestra de los dos trazos 110 y 112, y la división por el cuadrado medio de este componente para escalar el resultado y para ser independiente de la magnitud de la corriente de salida Iout.

Fueron llevados a cabo los resultados experimentales de una simulación del algoritmo 50 como es mostrado en la FIG. 3. Por el uso de una combinación de carga resistiva Rload y una corriente de carga inductiva forzada Ifo (por ejemplo, que retrasa la tensión de salida Vout en 90 grados), la simulación produjo valores de ESR 72 que eran sustancialmente constantes cuando fue duplicada la magnitud de la corriente de carga, si bien los valores de ESR 72 lo hicieron aumentar a medida que la carga se volvía más inductiva. Esta simulación generó valores de ESR 72 que eran lo suficientemente precisos como para predecir correctamente los fallos inminentes del convertidor de potencia 14.

Por medio de la multiplicación de los valores de ESR con el factor de potencia de salida, que es calculado por medio de la correlación de los componentes alternos de la tensión de salida Vout y la corriente Iout, puede ser lograda una mayor precisión por medio de la compensación del aumento en los valores de ESR 72 debido a cambios en la carga inductiva en el bus de salida 96. Las variaciones debidas al cambio de carga inductiva pueden ser reducidas a un pequeño porcentaje cuando el factor de potencia es cambiado de 0,7 a 1. La carga capacitiva del bus de potencia también puede ser compensada en consecuencia.

El circuito de la FIG. 5 fue simulado por el uso de las siguientes ecuaciones nodales:

Vin * (1/Rdc 1/R1 = Vdc/Rdc V1/R1 - S * Isi

Vout * (1/Rload (Npar+1)/R2) = (Npar+1) * V2/R2 Isi - Ifo

Fue determinado un estado del circuito en cada tiempo de muestreo de acuerdo con el siguiente procedimiento:

1) Determinar el valor de corriente de S de acuerdo con la frecuencia de conmutación con el ciclo de trabajo siguiendo una función sinusoidal de 60 Hz entre extremos de, por ejemplo, 10% y 90%.

2) Resolver las ecuaciones nodales, por el uso de los valores actuales de V1, V2 e Isi donde V1 y V2 son las tensiones capacitivas en C1 y C2 respectivamente.

3) Actualizar V1, V2 e Isi para el siguiente tiempo de muestreo de acuerdo con las corrientes y tensiones obtenidas en la etapa 2, por el uso de:

V1' = V1 ts * (Vin - V1)/(R1 * C1)

V2' = V2 ts * (Vout - V2)/(R2 * C2)

Isi' = Isi ts * (s * Vin - Vout)/Lsi

Donde ts es el tiempo entre muestras y los números primos (es decir, V1', V2', Isi') indican los valores actualizados). Este tipo de actualización lineal simple puede introducir errores si la tasa de muestreo es demasiado baja; sin embargo, con una tasa de muestreo de 240 k/seg. y una tasa de conmutación de 20 kHz, fue encontrado que duplicar la tasa de muestreo tenía un efecto insignificante en los resultados.

Los valores de los componentes usados fueron:

Tasa de muestreo: 240 k/seg.

Tasa de conmutación: 20 kHz

Vdc = 240 voltios

Rdc = 10 ohms

C1 = 1000 |jF

R1 = 0,1 ohm

Lsi = 1 mH

C2 = 1 j F

R2 = 1,0 ohm

Npar = 2

El valor de Vdc fue ajustado según fuera necesario para producir la salida de RMS de 120 V deseada. El valor de R1 es modificado durante la simulación como un parámetro de prueba para ver cómo los valores de ESR de salida 72 siguen los valores de R1. Fue elegido un Npar de 2, lo que equivale a 3 inversores en paralelo en el bus de salida 96. La simulación fue ejecutada para 24.000 muestras (0,1 seg. = 6 ciclos de 60 Hz). Las señales Vin, lin, Vout, lout fueron mantenidas y los componentes de ondulación de conmutación y 60 Hz fueron separados por medio de la ejecución de un programa de función de “eliminación de tendencia” para restar el mejor ajuste polinomial de tercer grado a bloques de 200 muestras (0,833 ms) con una superposición de 60 muestras, para dar los componentes de ondulación; la resta de la ondulación dio los componentes alternas (60 Hz en esta simulación).

El cálculo numérico llevado a cabo fue:

1) en cada tiempo de muestra, tomar el producto de

(a) componente de ondulación de lin

(b) Componente de 60 Hz de Vout

(c) primera diferencia del componente de ondulación de lout

2) sumar y promediar los productos anteriores

3) multiplicar el resultado por el factor de potencia de salida

4) dividir el resultado por el cuadrado medio del componente de 60 Hz de Iout

Puede ser llevada a cabo una etapa adicional para compensar un efecto lineal en los valores resultantes debido a una desviación de la tensión de salida de RMS del valor nominal (el valor nominal es 120 V en esta simulación). La división adicional del resultado anterior por un factor igual a “(RMS real de Vout / RMS nominal de Vout)” corregirá este efecto lineal.

Fue llevado a cabo un cálculo para las últimas 8000 muestras (2 ciclos a 60 Hz) de los datos para reducir el efecto de cualquier transitorio de inicio. Los resultados numéricos obtenidos fueron los siguientes, donde:

Ires = Componente de corriente de salida de RMS de carga resistiva de 60 Hz (amperios)

Iind = Componente de corriente de salida de RMS de carga inductiva de 60 Hz (amperios)

El valor eficaz real de Vout se mantuvo en 120 /-1 v por medio del ajuste de Vdc.

R1 = 0,002 ohm

Ires = 6 Iind = 0 resultado = -0,000010 (0,000435)

Ires = 6 Iind = 6 resultado = 0,000002 (0,000087)

Ires = 12 Iind = 0 resultado = 0,000002 (0,000087)

Ires = 12 Iind = 12 resultado = 0,000011 (0,000483)

R1 = 0,1 ohm

Ires = 6 Iind = 0 resultado = 0,002348 (0,100964)

Ires = 6 Iind = 6 resultado = 0,002278 (0,099093)

Ires = 12 Iind = 0 resultado = 0,002318 (0,100833)

Ires = 12 Iind = 12 resultado = 0,002291 (0,099659)

R1 = 0,2 ohm

Ires = 6 Iind = 0 resultado = 0,004717 (0,205190)

Ires = 6 Iind = 6 resultado = 0,004551 (0,197969)

Ires = 12 Iind = 0 resultado = 0,004744 (0,206364)

Ires = 12 Iind = 12 resultado = 0,004585 (0,199448)

Los valores brutos son presentados en la tercera columna. Estos valores pueden ser multiplicados por un factor constante (fue usado 43,5 en esta simulación) para dar los valores entre paréntesis, que son estimaciones de la resistencia R1 del condensador de enlace 82 en ohm.

La simulación descrita anteriormente es simplemente un ejemplo y de ninguna manera limita los principios de la presente divulgación.

La FIG. 8, ilustra de manera representativa un procedimiento 120 de medición de la integridad de un convertidor de potencia. El procedimiento puede ser usado con los sistemas de conversión de potencia 10, 20, o el procedimiento puede ser usado con otros sistemas de conversión de potencia de acuerdo con los principios de la presente divulgación.

En la etapa 122, los datos de Vin, Vout, Iin, Iout pueden ser monitorizados para las entradas y salidas del convertidor de potencia 14. Estos datos son proporcionados a la etapa 124 donde los datos pueden ser correlacionados para identificar la degradación en el rendimiento del convertidor de potencia 14. La correlación puede determinar/detectar una anomalía en los datos. En la etapa 126 se toma una decisión sobre si se detecta o no una anomalía. Si es así, se continúa con la etapa 128. Si no es así, se vuelve a la etapa 122 y el proceso comienza nuevamente.

En la etapa 128, puede ser determinado que el tipo de anomalía es un cambio en los valores de ESR 72, una oscilación del valor de ESR, etc. La anomalía puede ser analizada en la etapa 128 para identificar la anomalía y determinar las características de un fallo inminente. Una vez que es detectado/determinado el fallo inminente, entonces puede ser programada una actividad de mantenimiento 130 (por ejemplo, iniciada por medio del envío de un comando a un operador o a un sistema de mantenimiento automatizado) para reparar o reemplazar el componente que ha sido determinado que es el culpable del fallo inminente. La etapa 132 representa la finalización satisfactoria de la actividad de mantenimiento, para de ese modo evitar el fallo potencial del convertidor de potencia 14 mientras el convertidor está emitiendo potencia a la red eléctrica 30.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14), el procedimiento comprende las etapas de:

monitorizar los datos de entrada asociados con una entrada al convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14);

monitorizar los datos de salida asociados con una salida del convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14); y

correlacionar los datos de entrada y los datos de salida para identificar una degradación en el rendimiento del convertidor de potencia de una manera tal que:

a) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout) y un componente de alternancia de la corriente de salida (Iout); o

b) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout), un componente de alternancia de la tensión de salida (Vout) y el promedio del factor de potencia;

son procesados para calcular una resistencia en serie equivalente del convertidor de potencia.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de correlación incluye determinar una degradación en el rendimiento de los datos de entrada y salida correlacionados, lo que de ese modo indica un fallo inminente del convertidor de potencia (14).

3. El procedimiento según la reivindicación 2, que además comprende la etapa de iniciar una actividad de mantenimiento automatizado como resultado de la indicación de fallo inminente, para de ese modo evitar una fallo del convertidor de potencia mientras el convertidor de potencia (14) está emitiendo potencia a una red eléctrica (30).

4. El procedimiento según la reivindicación 2, en el que una anomalía es un cambio sustancial en una resistencia en serie equivalente del convertidor de potencia, lo que de ese modo indica el fallo inminente de un componente del convertidor de potencia.

5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de correlación es llevada a cabo mientras el convertidor de potencia (14) está operativo, y en el que la etapa de correlación incluye indicar fallos inminentes del convertidor de potencia (14) y calcular una resistencia en serie equivalente para el convertidor de potencia (14).

6. El procedimiento según la reivindicación 5, en el que la etapa de correlación incluye registrar la resistencia en serie equivalente en función del tiempo.

7. El procedimiento según la reivindicación 5, en el que calcular la resistencia en serie equivalente incluye compensar al menos uno de los cambios de temperatura, los cambios del factor de potencia y los cambios de la tensión de salida.

8. El procedimiento según la reivindicación 5, en el que calcular la resistencia en serie equivalente incluye promediar un producto muestra por muestra de, una ondulación de una corriente de entrada, una primera derivada de una ondulación de una corriente de salida y un componente de alternancia de una de la corriente de salida y una tensión de salida.

9. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que las etapas de monitorización incluyen monitorizar una corriente de entrada y una corriente de salida, y en el que la etapa de correlación incluye calcular una resistencia en serie equivalente a partir de los valores de las corrientes de entrada y salida.

10. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que las etapas de monitorización incluyen monitorizar una corriente de entrada, una corriente de salida y una tensión de salida, y en el que la etapa de correlación incluye calcular una resistencia en serie equivalente a partir de los valores de la corriente de entrada, la corriente de salida y la tensión de salida.

11. El procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo además el procedimiento una etapa de conectar sólo la salida del convertidor de potencia modulado por ancho de pulso en paralelo con una salida de uno o más convertidores de potencia modulados por ancho de pulso adicionales.

12. El procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo además el procedimiento una etapa de conectar sólo la entrada del convertidor de potencia modulado por ancho de pulso en paralelo con una entrada de uno o más convertidores de potencia modulados por ancho de pulso adicionales.

13. Un sistema de medición de la integridad de un convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14), comprendiendo el sistema:

el convertidor de potencia modulado por ancho de pulso (14);

un primer sensor de corriente (42) que detecta la corriente en una entrada del convertidor de potencia que incluye un componente de alternancia y un componente de ondulación;

un segundo sensor de corriente (46) que detecta la corriente en una salida del convertidor de potencia que incluye un componente de alternancia y un componente de ondulación; y

un controlador programable que tiene cargado en el mismo un algoritmo de medición de la integridad, en el que el algoritmo de medición de la integridad analiza los datos del primer y el segundo sensor de corriente, de una manera tal que:

a) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout) y un componente de alternancia de la corriente de salida (Iout); o

b) un componente de ondulación de la corriente de entrada (Iin), un componente de ondulación de la corriente de salida (Iout), un componente de alternancia de la tensión de salida (Vout) y el promedio del factor de potencia;

son procesados para calcular una resistencia en serie equivalente del convertidor de potencia y, como resultado del análisis, indica un fallo inminente del convertidor de potencia.