ITCO20090058A1 - Sistema elettronico di potenza tollerante ai guasti e metodo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

ARTE NOTA CAMPO DELL’INVENZIONE

Le realizzazioni dell’oggetto del presente qui divulgate si riferiscono in generale a metodi e sistemi e, più particolarmente, a meccanismi e tecniche per utilizzare convertitori al fine di generare tensione in grado di resistere a vari guasti dei componenti.

RIASSUNTO DELL’ARTE NOTA

Nell’industria petrolifera e del gas naturale si fa uso di grandi compressori e altre macchine per comprimere e trasportare fluidi che possono comprendere gas, petrolio, eccetera. Per controllare la rotazione dei compressori e delle altre macchine viene inserito un azionamento tra l’alimentazione elettrica e la macchina per regolarne tensione, frequenza o altri parametri dell’alimentazione elettrica fornita alla macchina. I convertitori fanno parte dell’azionamento e sono particolarmente sensibili ai guasti inattesi dei loro componenti.

La gamma di potenza richiesta per queste applicazioni è tipicamente più alta rispetto a quella delle configurazioni semplici e consolidate, nelle quali è possibile emulare l’affidabilità desiderata. Gli interruttori elettronici correntemente utilizzati nei convertitori a sorgente commutata sono troppo piccoli per fornire prontamente la potenza richiesta nei convertitori semplici. Gli azionamenti tradizionali utilizzano una molteplicità di convertitori per raggiungere questa classe di potenza. La scelta di impiegare più convertitori fa aumentare la frequenza dei guasti. Per ripristinare una limitata capacità di funzionamento quando alcuni dei componenti dell’azionamento si guastano, sono richiesti isolatori circuitali, costosi e fonte di problemi, da utilizzare parallelamente ai singoli convertitori. La Figura 1 illustra un siffatto azionamento tradizionale 10 che comprende un collegamento 12 alla rete elettrica (non illustrata), un trasformatore CA (corrente alternata) 14, una molteplicità di piedini 16 collegati al trasformatore 14 e configurati per trasformare la corrente CA proveniente dal trasformatore 14 in CC (corrente continua) e nuovamente in CA ma avente la frequenza desiderata, e una macchina 18, che può essere collegata a un compressore. Uno o più piedini 16 può essere utilizzato per modificare la frequenza standard f della corrente d’ingresso nella frequenza desiderata che è richiesta dal motore 18. La frequenza desiderata può essere nel campo compreso tra 100 e 600 Hz.

Secondo la configurazione illustrata nella figura 1, un piedino 16 può comprendere gli induttori 20, gli isolatori del circuito 22 e una cella 24. La cella 24 riceve come ingresso una corrente CA (trifase) proveniente dal trasformatore 14 e fornisce in uscita una diversa corrente CA (trifase). La figura 2 mostra una possibile configurazione della cella 24. La cella 24 può comprendere un raddrizzatore 30 che, per esempio, può trasformare la corrente CA in CC attraverso i diodi 28. La corrente CC viene inviata al convertitore 32, dove viene trasformata nuovamente in corrente CA ma della frequenza desiderata. I tradizionali convertitori 32 possono utilizzare una combinazione di interruttori 34 e diodi 36 per ottenere la funzione summenzionata.

Per ottenere una tensione desiderata da applicare alla macchina 18, le celle 24 possono essere collegate secondo una topologia a cascata, come illustrato per esempio nella Figura 3. La Figura 3 mostra i raddrizzatori 30 collegati al trasformatore 14 e gli inverter 30 forniscono corrente CC ai convertitori 32, che sono collegati in serie su ciascuna delle fasi dell’alimentazione del motore. Siffatta topologia con celle in cascata offre una elevata modularità ed è pertanto suscettibile di essere utilizzata con un ampio numero di celle, potendo realizzare azionamenti di elevata potenza. Tuttavia il numero dei componenti del sistema aumenta, il che aumenta la possibilità di guasti e quindi riduce l’affidabilità e la disponibilità di tali sistemi. Di conseguenza non è possibile soddisfare i requisiti di affidabilità nei processi critici, comuni per esempio nell’industria petrolifera e del gas naturale.

L’impiego di implementazioni in parallelo di celle è possibile e utilizza il contributo armonico individuale per ridurre la distorsione netta alterando leggermente la forma d’onda della tensione di ciascuno dei convertitori. Poiché le tensioni dai convertitori sono differenti e l’impedenza dei convertitori in tensione è intrinsecamente bassa, si richiedono ulteriori elementi circuitali. Tali componenti addizionali possono comprendere induttori. Tuttavia anche questa disposizione è soggetta a guasti.

Per minimizzare i tempi di fermata dell’azionamento dovuti ai guasti dei componenti dei convertitori, è possibile scavalcare la cella guasta per mezzo di un apposito interruttore esterno (interruttore di by-pass). Uno di tali approcci (illustrato nella figura 4) utilizza gli interruttori esterni di by-pass da B1 a B3 per escludere una cella guasta dalla molteplicità di celle da A1 ad A3. In tal modo, un flusso di corrente da un neutro N a una fase A della macchina 18 può attraversare ciascuna delle celle da A1 ad A3, oppure ogni numero di celle, in funzione della posizione degli interruttori da B1 a B3. Le posizioni degli interruttori da B1 a B3 illustrate nella Figura 4 sono utilizzate quando non occorre scavalcare alcuna cella.

In tal modo, quando viene rilevato un guasto in una cella, tale cella viene scavalcata da un apposito interruttore. Le celle restanti manterranno in funzione il convertitore regolando opportunamente il controllo. Tuttavia, questa configurazione non richiede solo interruttori di by-pass aggiuntivi (da B1 a B3 per tre celle) ma anche una logica di rilevamento dei guasti che li attivi. Se uno o l’altro di tali elementi non funziona, si perde la ridondanza. L’interruttore di by-pass inoltre non interrompe la corrente di corto circuito entro la cella. Ciò può provocare la rottura meccanica degli interruttori a semiconduttori guasti e provocare danni secondari all’azionamento. Per evitare questo effetto è necessario aggiungere fusibili addizionali al sistema, complicandone ulteriormente la configurazione.

In un esempio, un motore viene definito ad alta velocità se ruota ad almeno 6000 giri al minuto (RPM), di solito a circa 25000 RPM per macchine a bassa potenza e 7000 RPM per macchine di maggiore potenza. In un altro esempio, l’alta frequenza viene definita come maggiore o uguale a 100 Hz, più precisamente nell’ordine di 400-600 Hz o 1 kHz o più, in base alle dimensioni della macchina e al numero di poli del motore. Le macchine ad alta potenza sono definite tipicamente nell’ordine del megawatt. Gli azionamenti discussi sopra sono intesi a controllare motori di alta potenza e alta frequenza, come sopra definite. Per tale ragione, gli azionamenti a bassa velocità e bassa potenza noti nell’arte non sono adatti per tali motori, poiché l’alta potenza richiede dispositivi a semiconduttori in grado di sostenere tali potenze.

Di conseguenza, sarebbe auspicabile realizzare sistemi e metodi che prevengano i suddetti problemi e svantaggi.

DESCRIZIONE SOMMARIA

Secondo una realizzazione esemplificativa, si ha un dispositivo di azionamento che controlla una macchina rotante. L’azionamento comprende una molteplicità di inverter configurati per trasformare prime correnti alternate (CA) aventi prime frequenze in correnti continue (CC); connessioni in CC collegate alla molteplicità di inverter e configurate per trasmettere le correnti CC; una molteplicità di convertitori collegati alle connessioni CC e configurati per trasformare le correnti CC ricevute dalle connessioni CC in seconde correnti CA aventi una seconda frequenza, dove la molteplicità di convertitori sono collegati in serie; interruttori a semiconduttore configurati per commutare le seconde correnti CA e per sostenere un corto circuito durante una situazione di guasto, gli interruttori a semiconduttore essendo inclusi entro la molteplicità di convertitori per produrre le seconde correnti CA; e un controllore collegato ai gate degli interruttori a semiconduttore e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttore in un convertitore si trova in una situazione di guasto, i restanti interruttori a semiconduttore nel convertitore in modo tale che una corrente CA passi attraverso il convertitore.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un dispositivo di azionamento ad alta velocità che controlla un motore. L’azionamento comprende due celle collegate in serie al motore, ogni cella comprendente un inverter configurato al fine di trasformare una prima corrente alternata (CA), avente una prima frequenza, in corrente continua (CC), collegamenti CC connessi all’inverter e configurati per trasmettere la corrente CC, e un convertitore connesso ai collegamenti CC e configurato per trasformare la corrente CC ricevuta dai collegamenti CC in una seconda corrente AC, avente una seconda frequenza, tale convertitore comprendente interruttori a semiconduttore configurati per commutare la seconda corrente e per sostenere un corto circuito in modalità di guasto, tali interruttori a semiconduttore essendo compresi all’interno del convertitore al fine di generare la seconda corrente CA. L’azionamento comprende anche un meccanismo per il rilevamento di guasti configurato per rilevare una situazione di guasto in un interruttore a semiconduttore; e un controller collegato al meccanismo di rilevamento dei guasti e alle due celle e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttore di un convertitore entra in modalità di guasto, i restanti interruttori a semiconduttore, sulla base di un segnale dal meccanismo di rilevamento dei guasti, in modo tale che una corrente CA passi attraverso il convertitore.

Secondo ancora un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un dispositivo di azionamento ad alta velocità che controlla un motore.

L’azionamento comprende una molteplicità di inverter configurati per trasformare prime correnti alternate (CA) aventi una prima frequenza in correnti continue (CC); connessioni in CC collegate alla molteplicità di inverter e configurate per trasmettere le correnti CC; una molteplicità di gruppi di celle, ogni gruppo comprendente celle collegate in serie con una fase del motore, ciascuna cella comprendente un convertitore collegato ai corrispondenti collegamenti CC e configurato per trasformare le correnti CC ricevute dalle connessioni CC in una seconda corrente CA avente una seconda frequenza, dove la molteplicità di convertitori comprende interruttori a semiconduttore configurati per commutare la seconda corrente CA e per sostenere un corto circuito durante una situazione di guasto, gli interruttori a semiconduttore essendo inclusi entro il convertitore per produrre la seconda corrente CA; e un dispositivo di rilevamento dei guasti configurato per rilevare una situazione di guasto in un interruttore a semiconduttore; e un controller collegato al dispositivo di rilevamento del guasto e alla molteplicità di gruppi di celle e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttore in un corrispondente convertitore si trova in modalità di guasto, i restanti interruttori a semiconduttore nel corrispondente convertitore, sulla base di un segnale dal dispositivo di rilevamento del guasto, in modo tale che una corrente CA passi attraverso il corrispondente convertitore. Secondo ancora un'ulteriore realizzazione esemplificativa, un supporto leggibile da computer che includa istruzioni eseguibili da computer, dove le istruzioni, al momento dell’esecuzione, implementino un metodo per agire sui gate di una molteplicità di interruttori a semiconduttore in un dispositivo di azionamento per il controllo di un motore. Il metodo comprende una fase di rilevamento della modalità di ciascuno degli interruttori a semiconduttore; e una fase per agire sui gate, quando viene rilavata una condizione di guasto in un interruttore a semiconduttore di un convertitore in modo che una corrente alternata passi attraverso il convertitore senza fare uso di meccanismi esterni di by-pass.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni di accompagnamento, che sono integrati nella descrizione dettagliata di cui costituiscono parte, rappresentano una o più realizzazioni e, unitamente alla descrizione, illustrano tali realizzazioni. Nei disegni:

La Figura 1 è lo schema di un azionamento convenzionale;

La Figura 2 è lo schema di una cella di potenza che fa parte dell’azionamento di Figura 1;

La Figura 3 è lo schema di un altro azionamento convenzionale;

La Figura 4 è lo schema di una molteplicità di celle collegate una all’altra attraverso interruttori esterni;

La Figura 5 è lo schema di un azionamento secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 6 è lo schema di una cella secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 7 è lo schema di una molteplicità di celle disposte ad anello; La Figura 8 è lo schema di una cella a ponte H secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 9 è la cella a ponte H della Figura 8 con un flusso di corrente passante attraverso il ponte quando un elemento si è guastato, secondo una realizzazione esemplificativa;

La Figura 10 è un diagramma di flusso che illustra le fasi eseguite per il controllo del convertitore secondo una realizzazione esemplificativa; e

La Figura 11 è lo schema di un controller secondo una realizzazione esemplificativa;

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate. Le seguenti realizzazioni sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e struttura di convertitori collegati in serie. Tuttavia, le realizzazioni da trattare non sono limitate a tali disposizioni, ma possono essere applicate ad altre configurazioni, ad esempio disposizioni ad anello e ad element i impilati.

In tutta la descrizione dettagliata il riferimento a “una realizzazione” sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione, è inclusa in almeno una realizzazione dell’oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo delle espressioni "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Tuttavia, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in qualsiasi modalità idonea in una o più realizzazioni.

Secondo una realizzazione esemplificativa è possibile realizzare convertitori ad alta potenza e ad alta densità di potenza con interruttori a semiconduttore configurati per cedere in condizioni di corto circuito. Tali interruttori a semiconduttori possono per esempio essere forniti in alloggiamenti press-pack. Esempi di tali dispositivi press-pack sono i Tristori IGCT, i Transistor IGCT o i Transistor IEGT. I dispositivi press-pack hanno una modalità di guasto definita e garantita, che è quella di corto circuito. Quindi, è possibile mantenere il flusso di corrente in uscita da una cella guasta effettuando il gating dei restanti interruttori guasti nella cella, come sarà discusso oltre.

Le implementazioni note delle celle convertitrici in cascata utilizzano interruttori a semiconduttore in alloggiamenti modulari di plastica. Tali dispositivi hanno un comportamento indefinito in caso di guasto, per esempio possono trovarsi interrotti o in corto circuito e possono persino rompersi meccanicamente (esplodere). Questa incertezza riguardo allo stato di guasto dell’interruttore rende difficile il funzionamento affidabile della cella che comprende l’interruttore guasto.

Secondo una realizzazione esemplificativa, è possibile combinare le basse frequenze di commutazione associate con l’elevata densità di potenza e i dispositivi a semiconduttore press-pack con una molteplicità di convertitori per ottenere una minor distorsione per singoli convertitori aventi tensioni di uscita differenti, senza la complessità delle combinazioni di reattori se i convertitori sono disposti in serie invece che in parallelo, evitando quindi le conseguenze delle correnti circolanti aumentando le dimensioni dei reattori combinati.

Si possono utilizzare varie possibilità per implementare convertitori collegati in serie. L’utilizzo del mantenimento della condizione di corto circuito dell’interruttore in combinazione con stati selettivamente permessi degli interruttori non in corto circuito, può recare beneficio alle configurazioni in push/pull e ad anello, al fine di fornire un funzionamento limitato senza costose attrezzature di isolamento o combinatori circuitali, per effetto della caratteristica proprietà dei dispositivi in corto circuito di continuare a condurre corrente nel percorso in serie lasciando la regolazione di tensione necessaria a compensare l’errore in tensione del dispositivo in corto circuito ai restanti interruttori in funzione.

Pertanto, secondo una realizzazione esemplificativa, un sistema convertitore elettronico di potenza resistente ai guasti può comprendere celle di ponti ad H collegate in serie per fornire tensioni di uscita singole o multifase. Utilizzando dispositivi di potenza press-pack come interruttori, è possibile mantenere la continuità del percorso della corrente anche in caso di guasto di uno di detti dispositivi, poiché è garantito in fase progettuale che tali dispositivi si trovino in corto circuito in caso di guasto. A causa di ciò, il sistema convertitore può essere mantenuto in funzionamento in presenza di dispositivi guasti senza bisogno di interruttori aggiuntivi di by-pass a intervento rapido. Quindi è possibile migliorare la disponibilità complessiva del sistema. Tuttavia il guasto di un dispositivo deve essere riconosciuto e i gate dei restanti dispositivi devono essere controllati di conseguenza, come verrà discusso più avanti.

Una realizzazione esemplificativa di convertitori collegati in serie con dispositivi press-pack è illustrata in figura 5. Si noti che si tratta di una particolare disposizione intesa a non limitare qualsivoglia realizzazione discussa nella presente applicazione né a limitare modifiche ovvie della realizzazione discussa.

La Figura 5 mostra un motore 50 collegato in serie a due celle 52a e 52b attraverso i collegamenti trifase 54. In tutte le specifiche seguenti, i collegamenti tra il motore e le celle può essere trifase o monofase, come ravviserebbero del resto gli esperti in materia. Simili collegamenti trifase 54 vengono impiegati per collegare ciascuna delle celle ad un corrispondente trasformatore 56a o 56b. In una applicazione, al posto dei trasformatori 56a e 56b può essere utilizzato un solo trasformatore. I trasformatori 56a e 56b mostrati in figura 5 sono configurati per esempio per cambiare la fase della corrente da un ingresso CA ad una uscita CA. I trasformatori 56a e 56b possono essere collegati ai contatti 58. I contatti 58 sono collegati a una sorgente di potenza CA 59. Tale sorgente di potenza CA può essere la rete elettrica e può avere la frequenza di 50 o 60 Hz. Le celle 52a e 52b possono essere configurate, come verrà discusso nel seguito, per trasformare la prima frequenza (50 o 60 Hz) della corrente CA in una seconda frequenza, per esempio, 400 Hz o un altro valore desiderato.

Collegando le celle 52a e 52b in serie in una configurazione push/pull, la configurazione illustrata nelle figura 5 fornisce vantaggiosamente le somme delle tensioni delle celle per inviare una corrente al motore, a differenza della configurazione illustrata in figura 1, nella quale la differenza di tensione tra i piedini 16 fornisce la corrente al motore. Secondo una realizzazione esemplificativa, la figura 6 mostra una configurazione delle celle 52a e 52b. Per esempio, la cella 52a può comprendere un inverter 60, i collegamenti a CC 62 e un convertitore 64. L’inverter 60 può comprendere sei diodi 66 configurati per trasformare le correnti CA proveniente dal trasformatore 56a in corrente CC. Sebbene il collegamento 54 sia rappresentato da una linea singola, un esperto in materia sarebbe in grado di comprendere che in questa realizzazione esemplificativa il trasformatore 56a fornisce una corrente trifase e il collegamento 54 rappresenta tre linee distinte, una per ogni fase. L’inverter 60 ha tre ingressi e due uscite, 62a e 62b, che sono i collegamenti CC. Le correnti CC provenienti dai collegamenti CC 62a e 62b vengono inviate al convertitore 64. Il convertitore 64 comprende i tre piedini da 64a a 64c, ognuno dei quali fornisce una corrente CA alle uscite da 66a a 66c. Quindi un’uscita della cella 52a è una corrente trifase CA avente la seconda frequenza diversa dalla prima frequenza fornita dal trasformatore 56a. Il convertitore 64 è un convertitore a due livelli in quanto ad esso sono connessi solo due collegamenti in CC. Tuttavia è possibile impiegare un convertitore a tre livelli o multilivello.

Ciascun piedino 64a, 64b e 64c può comprendere una coppia di dispositivi semiconduttori 68 e i corrispondenti diodi 70. Secondo una realizzazione esemplificativa, i dispositivi semiconduttori 68 sono configurati per commutare tra gli stati di acceso e spento le correnti CC ricevute dai collegamenti CC 62 in modo da fornire le seconde correnti CA. I dispositivi semiconduttori sono configurati per sopportare un corto circuito durante una situazione di guasto, cioè se il dispositivo semiconduttore si guasta, esso rimane chiuso in modo che la corrente elettrica passi attraverso i dispositivi semiconduttori anche se questi si sono guastati. Tali dispositivi semiconduttori che guastandosi restano in corto circuito si chiamano dispositivi con alloggiamento press-pack; esempi di tali dispositivi sono i dispositivi IGCT, IGBT o IEGT già discussi.

La Figura 6 illustra che i dispositivi semiconduttori 68 sono dotati di un gate 72 configurato per ricevere un segnale da un controller 80. Il segnale applicato dal controller aziona il gate del dispositivo semiconduttore 68, determinandone l’apertura o la chiusura, cioè il comportamento come interruttore. Il controller 80 può essere configurato per determinare un guasto di ciascuno dei dispositivi semiconduttori 68 e di conseguenza (i) o commutare i restanti dispositivi semiconduttori 68 contenuti nella cella in modo che l’intera cella si comporti come un conduttore, cioè la corrente passi dal trasformatore 56a attraverso la cella in questione senza modifiche, (ii) oppure commutare i restanti dispositivi semiconduttori 68 entro la cella in modo che la cella resti attiva, cioè aumenti una tensione attraverso la cella guasta. Una struttura del controller 80 viene discussa nel seguito.

In una applicazione, la configurazione illustrata nella figura 6 comprende non più di due celle 52a e 52b, due trasformatori 56a e 56b, e il motore 50. Sebbene non sia illustrato, un esperto in materia sarebbe in grado di riconoscere che il motore 50 può comprendere tre avvolgimenti, ciascuno con un ingresso e un’uscita. Quindi le celle 52a e 52b possono essere collegate al motore 50 in modo che una prima uscita dalla cella 52a è collegata ad un ingresso del primo avvolgimento del motore e una prima uscita della cella 52b è collegata ad un uscita del primo avvolgimento del motore, e così via per gli altri avvolgimenti del motore.

Tuttavia, secondo un'altra realizzazione esemplificativa, è possibile utilizzare più di due celle per azionare il motore. La Figura 7 illustra una realizzazione esemplificativa nella quale i convertitori sono collegati in serie per ogni fase. Essa prende il nome di configurazione ad anello ed è definita dal fatto che il trasformatore 92 fornisce correnti CA trifasi a una molteplicità di celle da 94a a 96c e che le celle sono disposte in modo tale che gruppi di celle forniscono correnti ad ogni fase di un motore 100. Più specificamente, tre celle 94a, 94b e 94c sono alimentate da un secondario separato del trasformatore 92 e ciascuna cella è responsabile di produrre la corrente CA per una singola fase del motore 100. A questa configurazione possono essere aggiunte più celle, per esempio le celle 96a, 96b e 96c, disposte in modo simile con le celle 94a – 94c. In una realizzazione esemplificativa, è possibile aggiungere più celle a ciascuna fase, per esempio tra le celle 94a e 96a. Le celle possono anche essere collegate in una configurazione impilata comprendente convertitori trifase collegati in una configurazione in serie di singoli avvolgimenti del trasformatore.

Secondo una realizzazione esemplificativa, una cella come illustrato nelle Figure 5 e 7 può avere la struttura illustrata nella Figura 8. La Figura 8 mostra i tre collegamenti CC DCP, DCN e DCM, che forniscono una tensione CC con polarità differenti collegati a una cella a ponte H 110. Siccome alla cella a ponte H vengono fornite tre tensioni CC, questa configurazione viene chiamata cella a ponte H a tre livelli. Come un esperto in materia sarebbe in grado di riconoscere, è possibile impiegare anche una configurazione a due livelli o multilivello per implementare le nuove caratteristiche. I collegamenti CC sono connessi alla cella a ponte H 110 attraverso i condensatori 112. La cella a ponte H 110 comprende due porte HA e HB. Una porta può essere collegata ad un’altra cella a ponte H o a un neutro, mentre l’altra porta può essere collegata ad ancora un’altra cella a ponte H o al motore. Una molteplicità di diodi da D1A a D6A è disposta su uno dei lati della cella a ponte H come mostrato nella figura, con gli interruttori da S1A a S4A che rispecchiano la configurazione dei diodi da D1A a D4A. Una configurazione simile viene impiegata sull’altro lato della cella a ponte H. Gli interruttori da S1A a S4A e da S1B a S4B possono consistere in uno qualsiasi dei dispositivi press-pack discussi in precedenza, cioè Tristori IGCT, Transistor IGCT o Transistor IEGT. Uno dei gate di ciascun interruttore è collegato a un controller 120 per controllare una modalità dell’interruttore, per esempio aperto o chiuso. Per semplicità la Figura 8 illustra un gate di un solo interruttore collegato al controller 120. Tuttavia tutti i gate possono essere collegati al controller 120. Un meccanismo di rilevazione di guasti 130 può essere collegato al controller 120, direttamente agli interruttori, oppure può essere parte del controllore 120 ed è configurato per rilevare quando uno degli interruttori della cella a ponte H si guasta. Una memoria del controller 120 e/o del meccanismo di rilevazione dei guasti 130 può contenere delle istruzioni di software per computer atte a controllare quando chiudere o aprire ciascun interruttore, in quale momento e/o in quale sequenza. La memoria può anche contenere una configurazione degli interruttori e dei diodi e le istruzioni di software per computer possono controllare la cella a ponte H 110 per generare una corrente CA.

Anche in caso di guasto di un interruttore, il controller e/o il meccanismo di rilevamento del guasto può essere configurato per controllare i restanti interruttori, in modo che mettano in corto circuito le porte HA e HB, oppure per produrre attivamente una tensione di uscita tra le porte HA e HB. La capacità della cella a ponte H 110 e il controller 120 e/o del meccanismo di rilevazione dei guasti 130 viene ora discusso facendo riferimento alla Figura 9.

In una realizzazione rappresentativa illustrata nella Figura 9, si assume che l’interruttore S1A si sia guastato, cioè non sia funzionante, e che non possa essere controllato dal controller 120. Poiché l’interruttore è un dispositivo press-pack, l’interruttore guastandosi si porta in una modalità di corto circuito. Dopo il rilevamento del guasto dell’interruttore S1A, il controller 120 può controllare i restanti interruttori per assicurare che la corrente fluisca attraverso la cella a ponte H 110, tra le porte HA e HB come discusso nel seguito.

Una corrente entrante nella porta HB procede lungo i diodi D2B e D1B quando il gate degli interruttori da S1B a S4B è azionato, come illustrato dalle corrispondenti frecce nella figura, cioè il gate degli interruttori è azionato dal controller 120 per condurre la corrente solo nella direzione illustrata dalle frecce. Dopo avere superato il diodo D1B la corrente passa attraverso l’interruttore in corto circuito S1A e l’interruttore S2A (il cui gate è azionato) e arriva alla porta HA. Anche i gate degli interruttori S3A e S4A sono azionati, come mostrato nella figura, per impedire che la corrente proveniente dal collegamento CC DCP raggiunga il collegamento CC DCM. Il flusso inverso della corrente è pure possibile, per esempio da HA verso HB seguendo il percorso definito da D2A, S1A, S1B e S2B.

Pertanto il corretto controllo degli interruttori da parte del controller 120 assicura che la cella a ponte H 110 lasci passare una corrente anche se un interruttore si è guastato. Il controller può azionare gli interruttori in modo da far passare una corrente quando più di un interruttore si guasta. Tale modalità della cella che consiste nel lasciare una corrente senza modificarla si chiama modalità di corto circuito della cella. Secondo una realizzazione esemplificativa, è presente una modalità attiva quando la cella può essere configurata in modo da fornire una tensione di uscita attiva, cioè per aumentare una tensione attraverso la cella anche se uno o più interruttori si sono guastati. La disposizione illustrata nelle Figure 8 e 9 comprende piedini di fase a livelli NPC (fase neutra limitata) in quanto il neutro è limitato dal DCN. I collegamenti CC possono essere forniti da due inverter ciascuno dei quali collegato all’altro.

Poiché il controller 120 e/o il meccanismo di rilevamento guasti 130 possono configurare la cella per funzionare in corto circuito o in modalità attiva, non è necessario alcun by-pass meccanico esterno, al contrario del dispositivo illustrato nella figura 4, che richiede i by-pass meccanici da B1 a B3 e la corrispondente logica per il controllo dei bypass. Quindi, uno o più delle realizzazioni esemplificative discusse prima dispongono vantaggiosamente di un minor numero di parti, il che rende i dispositivi meno soggetti a guasti.

Secondo ancora un'ulteriore realizzazione esemplificativa, il controller 120 e/o il meccanismo di rilevamento dei guasti 140 possono comprendere istruzioni eseguibili da computer, dove le istruzioni, al momento dell’esecuzione, implementino un metodo per agire sui gate di una molteplicità di interruttori a semiconduttore in un dispositivo di azionamento per il controllo di un motore. Il metodo comprende una fase 1000 di rilevamento della modalità di ciascuno degli interruttori a semiconduttore e una fase 1002 per agire sui gate, quando viene rilevata una condizione di guasto in un interruttore a semiconduttore di un convertitore in modo che una corrente alternata passi attraverso il convertitore senza fare uso di meccanismi esterni di by-pass.

Il meccanismo di azionamento può comprendere interruttori a semiconduttore forniti in ponti H impilati con un front-end a diodi rettificatori, che consiste in una combinazione di rettificatori che convertono la corrente CA in CC. In un’altra realizzazione, il meccanismo di azionamento può comprendere interruttori a semiconduttore forniti in ponti H impilati con un front-end a diodi rettificatori, che consiste in una combinazione di diodi SCR che convertono la corrente CA in CC.

A scopo illustrativo e non limitativo, viene illustrato in figura 11 un esempio rappresentativo di controller in grado di eseguire operazioni secondo la rappresentazione esemplificativa.

Il controller esemplificativo 1100 può comprendere un’unità di controllo/processo 1102, come un microprocessore, un computer con un insieme di istruzioni ridotto (RISC) o un altro modulo centrale di elaborazione. L’unità di elaborazione 1102 non necessita di essere un dispositivo singolo e può includere uno o più processori. Ad esempio, l’unità di elaborazione 1102 può includere un processore master e processori slave associate accoppiati per comunicare con il processore master. In una rappresentazione esemplificativa, il controller 1100 può essere implementato come un dispositivo a logica programmabile, per esempio un FPGA (field programmable gate array, circuiti integrati programmabili sul campo), CPLD (complex programmable logic device, dispositivi logici programmabili complessi), ASIC (application specific integrated circuit, circuiti intergrati per applicazioni specifiche), eccetera.

L’unità di elaborazione 1102 può controllare le funzioni base del sistema come imposto dai programmi disponibili nella memoria 1104. Così, l’unità di elaborazione 1102 può eseguire le funzioni descritte nella Figura 10. Più in particolare, la memoria 1104 può comprendere un sistema operativo e moduli di programma per l’esecuzione di funzioni e applicazioni sul controller. Ad esempio, la memoria di programma può comprendere una o più memorie di sola lettura (ROM), ROM flash, ROM programmabili e/o cancellabili, una memoria ad accesso casuale (RAM), un modulo interfaccia abbonato (SIM), un modulo interfaccia wireless (WIM), una smart card o altro un dispositivo di memoria amovibile, etc. Anche i moduli di programma e le opzioni associate possono essere trasmessi al controller 1100 mediante segnali di dati, come dati scaricati elettronicamente dalla rete, ad esempio da Internet.

Uno dei programmi che può essere contenuto nella memoria 1104 è uno specifico programma 1106. Come descritto in precedenza, lo specifico programma 1106 può interagire con gli interruttori per determinare una modalità degli interruttori e può controllare il gate degli altri interruttori se uno degli interruttori si guasta. Il programma 1106 e le caratteristiche ad esso associate possono essere implementate in un software e/o firmware utilizzabile nel modo del processore 1102. La memoria del programma 1104 può anche essere utilizzata per conservare i dati 1108, per esempio, la topologia della cella, o altri dati associati con la presente realizzazione esemplificativa. In una realizzazione esemplificativa, i programmi 1106 e i dati 1108 sono memorizzati in una ROM programmabile, non volatile, elettricamente caricabile (EEPROM), in una ROM flash, etc. in modo tale che le informazioni non vadano perdute allo spegnimento del controller 1100. Il processore 1102 può anche essere accoppiato agli elementi dell’interfaccia utente 1100. L’interfaccia utente 1110 può includere ad esempio un display 1112, come un display a cristalli liquidi, una tastiera 1114, un altoparlante 1116 e un microfono 1118. Questi e altri componenti d’interfaccia utente sono accoppiati al processore 1102 come noto nell’arte. La tastiera 1114 può includere tasti alfanumerici per eseguire varie funzioni, inclusa la composizione di numeri e l’esecuzione di operazioni assegnate ad uno o più tasti. In alternativa, possono essere utilizzati altri meccanismi di interfaccia utente, come comandi vocali, interruttori, touch pad/screen, interfaccia grafica utente con dispositivo puntatore, trackball, joystick o qualsiasi altro meccanismo di interfaccia utente.

Il controller 1100 può anche includere un processore a segnali digitali (DSP) 1120. Il DSP 1120 può eseguire varie funzioni, inclusi conversione analogico-digitale (A/D), conversione digitale-analogica (D/A), codifica/decodifica del parlato, trasformazione crittografica/decrittazione, rilevamento e correzione errori, traduzione di flussi di bit, filtraggio, etc. Il ricetrasmettitore 1122, generalmente accoppiato ad un’antenna 1124, può trasmettere e ricevere i radiosegnali associati ad un dispositivo wireless.

Il controller 1100 di Figura 11 viene fornito come esempio rappresentativo di un ambiente di calcolo in cui i principi delle presenti realizzazioni esemplificative possono essere applicate. Dalla descrizione qui fornita, l’esperto dell’arte capirà che la presente invenzione è ugualmente applicabile in un'ampia varietà di altri ambienti computerizzati attualmente noti e futuri. Ad esempio, l’applicazione specifica 1106 e le opzioni associate e i dati 1108 possono essere memorizzati in un’ampia varietà di modi, possono essere operabili su vari dispositivi di elaborazione e possono essere operabili in dispositivi mobili con circuiti di supporto e meccanismi di interfaccia utente supplementari, di minor numero o diversi. Si noti che i principi delle presenti realizzazioni esemplificative sono ugualmente applicabili a terminali non mobili, cioè sistemi computerizzati di tipo linea terrestre. La realizzazione esemplificativa qui divulgata presenta azionamenti e programmi per calcolatore per il controllo di una molteplicità di interruttori nel caso in cui uno o più interruttori si sono guastati. Si intende che questa descrizione non è concepita al fine di limitare l’invenzione. Al contrario, le realizzazioni esemplificative sono concepite per coprire possibili alternative, modifiche e modelli equivalenti, insiti nello spirito e nell’ambito dell’invenzione, come definito dalle rivendicazioni accluse. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di consentire una comprensione esauriente dell’invenzione rivendicata. Tuttavia, l’esperto dell’arte comprenderebbe che varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli specifici.

Come pure verrà apprezzato da un esperto in materia, è possibile includere le realizzazioni esemplificative in un dispositivo wireless, in una rete, come metodo o programma per calcolatore. Conseguentemente, le realizzazioni esemplificative possono prendere la forma di una completa realizzazione hardware o di una realizzazione che combini aspetti hardware e software. Inoltre, le realizzazioni esemplificative possono assumere la forma di un programma per calcolatore memorizzato in un supporto di memoria leggibile da un calcolatore, recante istruzioni leggibili da un calcolatore incorporate nel mezzo stesso. Si può utilizzare qualsiasi supporto di memoria adatto, compresi dischi rigidi o dispositivi di supporto magnetici come floppy disc o nastro magnetico. Altri esempi non limitativi di supporti di memoria leggibili da un calcolatore comprendono supporti di memorizzazione Flash o di altri tipi noti.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti realizzazioni esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche e altri elementi divulgati dal presente documento. I metodi o i diagrammi di flusso illustrati nella presente applicazione possono essere implementati in un programma per calcolatore, software, o firmware, tangibilmente incorporati in un supporto di memoria leggibile da calcolatore per essere eseguiti da calcolatori o processori specificamente programmati.

La presente descrizione scritta utilizza degli esempi per divulgare l'invenzione, compresa la soluzione ottimale, anche per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione di qualsiasi metodo incorporato. Il campo d'applicazione brevettabile dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi che possono venire in mente agli esperti in materia. Si intenderà che tali altri esempi sono compresi nel campo d'applicazione delle rivendicazioni se presentano elementi strutturali che non differiscono dal testo letterale delle rivendicazioni, o se includono elementi strutturali equivalenti che rientrano nel testo letterale delle rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo di azionamento per controllare una macchina rotante; il dispositivo di azionamento comprendente: una molteplicità di inverter configurati per trasformare prime correnti alternate (CA) aventi una prima frequenza in correnti continue (CC); collegamenti CC connessi alla molteplicità di inverter e configurati per trasmettere le correnti CC; una molteplicità di convertitori connessi ai collegamenti CC e configurati per trasformare la corrente CC che ricevono dai collegamenti CC in seconde correnti CA aventi una seconda frequenza, dove i convertitori sono collegati in serie; interruttori a semiconduttore configurati per commutare le seconde correnti CA e per sostenere un corto circuito durante un modo di guasto, gli interruttori a semiconduttori essendo contenuti internamente alla molteplicità di convertitori per generare le seconde correnti CA; e un controller collegato ai gate degli interruttori a semiconduttore e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttori in uno dei convertitori si guasta, i restanti interruttori a semiconduttore nel convertitore in modo tale che una corrente CA passi attraverso il convertitore. 2. L’azionamento della rivendicazione 1, laddove la molteplicità di convertitori comprende solo due convertitori e la molteplicità di inverter comprende solo sue inverter, e i due convertitori e i due inverter sono collegati in serie con la macchina rotante. 3. L’azionamento della rivendicazione 2, laddove un inverter e un convertitore formano una prima cella, l’altro inverter e l’altro convertitore formano una seconda cella, e la prima cella, la macchina rotante e la seconda cella sono collegate in serie in quest’ordine. 4. L’azionamento della rivendicazione 3, laddove ciascun avvolgimento della macchina rotante è collegato tra le prime e le seconde celle. 5. L’azionamento della Rivendicazione 3, comprendente inoltre: un primo trasformatore collegato alla prima cella; e un secondo trasformatore collegato alla seconda cella; e 6. L’azionamento della rivendicazione 1, laddove gli interruttori a semiconduttore sono dispositivi con alloggiamento del tipo press-pack comprendenti uno dei tipi seguenti: Tristori IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), i Transistor press-pack IGCT (Insulated Gate Bipolar Transistors) o i Transistor IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor). 7. L’azionamento della Rivendicazione 1, comprendente inoltre: una molteplicità di celle, ognuna delle quali comprendente uno o più corrispondenti inverter facenti parte della molteplicità di inverter, un corrispondente convertitore facente parte della molteplicità di convertitori, e un insieme di interruttori a semiconduttori facente parte della molteplicità di dispositivi semiconduttori. 8. L’azionamento della rivendicazione 7, laddove il controller è configurato, quando una o più celle si guasta a causa del guasto degli interruttori a semiconduttore, per controllare il gate dei restanti interruttori a semiconduttore in modo da fornire un corto circuito sull’uscita di una o più celle; 9. Un dispositivo di azionamento ad alta velocità per controllare un motore; il dispositivo di azionamento comprendente: due celle collegate in serie al motore, ognuna comprendente: un inverter configurato per trasformare una prima corrente alternata (CA) avente una prima frequenza in correnti continue (CC); collegamenti CC connessi all’inverter e configurati per trasmettere le correnti CC; e un convertitore connesso ai collegamenti CC e configurato per trasformare le correnti CC provenienti dai collegamenti CC in una seconda corrente CA avente una seconda frequenza, il convertitore comprendente interruttori a semiconduttori configurati per commutare la seconda corrente CA e per sostenere un corto circuito durante un evento di guasto, gli interruttori a semiconduttore essendo contenuti nel convertitore per generare la seconda corrente CA; un meccanismo di rilevamento dei guasti configurato per rilevare una modalità di guasto dell’interruttore a semiconduttori; e un controller collegato al meccanismo di rilevamento dei guasti e alle due celle e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttori in uno dei convertitori si guasta, i restanti interruttori a semiconduttore, sulla base di un segnale proveniente dal meccanismo di rilevamento dei guasti, in modo che una corrente CA passi attraverso il convertitore. 10. Un dispositivo di azionamento ad alta velocità per controllare un motore; il dispositivo di azionamento comprendente: una molteplicità di inverter configurati per trasformare prime correnti alternate (CA) aventi una prima frequenza in correnti continue (CC); una molteplicità di collegamenti CC connessi alla molteplicità di inverter e configurati per trasmettere le correnti CC; una molteplicità di gruppi di celle, ogni gruppo comprendente celle collegate in serie con una delle fasi del motore, ognuna di esse comprendente, un convertitore connesso ai corrispondenti collegamenti CC e configurato per trasformare le corrispondenti correnti CC provenienti dai corrispondenti collegamenti CC in una seconda corrente CA avente una seconda frequenza, il convertitore comprendente interruttori a semiconduttori configurati per commutare la seconda corrente CA e per sostenere un corto circuito durante un evento di guasto, gli interruttori a semiconduttore essendo contenuti nel convertitore per generare la seconda corrente CA; un meccanismo di rilevamento dei guasti configurato per rilevare una modalità di guasto dell’interruttore a semiconduttori; e un controller collegato al meccanismo di rilevamento dei guasti e alla molteplicità di gruppi di celle e configurato per commutare, quando un interruttore a semiconduttori in uno dei corrispondenti convertitori si guasta, i restanti interruttori a semiconduttore nel corrispondente convertitore, sulla base di un segnale proveniente dal meccanismo di rilevamento dei guasti, in modo che una corrente CA passi attraverso il corrispondente convertitore. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A drive device for controlling a rotating machine, the drive device comprising: plural inverters configured to transform first alternate currents (AC) having a first frequency to direct currents (DC); DC links connected to the plural inverters and configured to transmit the DC currents; plural converters connected to the DC links and configured to transform the DC currents received from the DC links to second AC currents having a second frequency, wherein the plural converters are connected in series; semiconductor switches configured to switch the second AC currents and to sustain a short circuit during a failed mode, the semiconductor switches being provided inside the plural converters to generate the second AC currents; and a controller connected to gates of the semiconductor switches and configured to switch, when a semiconductor switch in a converter is in a failed mode, remaining semiconductor switches in the converter such that an AC current passes the converter.
2. 2. The drive of Claim 1, wherein the plural converters include only two converters and the plural inverters include only two inverters, and the two converters and the two inverters are connected in series with the rotating machine.
3. 3. The drive of Claim 2, wherein one inverter and one converter form a first cell and the other inverter and the other converter form a second cell and the first cell, the rotating machine and the second cell are connected in series in this order.
4. 4. The drive of Claim 3, wherein each winding of the rotating machine is connected between the first and second cells.
5. 5. The drive of Claim 3, further comprising: a first transformer connected to the first cell; and a second transformer connected to the second cell.
6. 6. The drive of Claim 1, wherein the semiconductor switches are press-pack housing devices including one of Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT), Press-Pack Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) or Injection Enhanced Gate Transistor (IEGT).
7. 7. The drive of Claim 1, further comprising: plural cells, each cell including one or more corresponding inverters of the plural inverters, a corresponding converter of the plural converters, and a set of semiconductor switches of the plural semiconductor devices.
8. 8. The drive of Claim 7, wherein the controller is configured, when one or more cells fails due to failed semiconductor switches, to gate the remaining semiconductor switches to provide a short circuit on an output of the one or more cells.
9. 9. A high speed drive device for controlling a motor, the drive device comprising: two cells connected in series with the motor, each cell including, an inverter configured to transform a first alternate current (AC) having a first frequency to direct currents (DC), DC links connected to the inverter and configured to transmit the DC currents, and a converter connected to the DC links and configured to transform the DC currents received from the DC links to a second AC current having a second frequency, the converter including semiconductor switches configured to switch the second AC current and to sustain a short circuit during a failed mode, the semiconductor switches being provided inside the converter to generate the second AC current; a fault detection mechanism configured to detect a failed mode of a semiconductor switch; and a controller connected to the fault detection mechanism and to the two cells and configured to switch, when a semiconductor switch in the converter is in a failed mode, remaining semiconductor switches, based on a signal from the fault detection mechanism, such that an AC current passes through the converter.
10. 10. A high speed drive device for controlling a motor, the drive device comprising: plural inverters configured to transform first alternate currents (AC) having a first frequency to direct currents (DC); plural DC links connected to the plural inverters and configured to transmit the DC currents; plural groups of cells, each group including cells connected in series with a phase of the motor, each cell including, a converter connected to corresponding DC links and configured to transform corresponding DC currents received from the corresponding DC links to a second AC current having a second frequency, the converter including semiconductor switches configured to switch the second AC current and to sustain a short circuit during a failed mode, the semiconductor switches being provided inside the converter to generate the second AC current; a fault detection mechanism configured to detect a failed mode of a semiconductor switch; and a controller connected to the fault detection mechanism and to the plural groups of cells and configured to switch, when a semiconductor switch in a corresponding converter is in a failed mode, remaining semiconductor switches in the corresponding converter based on a signal from the fault detection mechanism, such that an AC current passes through the corresponding converter.