多電平功率轉換器中使用的模塊化多脈衝變壓器整流器的製作方法
2023-05-20 17:05:21 2
專利名稱：多電平功率轉換器中使用的模塊化多脈衝變壓器整流器的製作方法
多電平功率轉換器中使用的模塊化多脈衝變壓器整流器
背景技術：
通常，被稱為功率轉換器(power converter)、倒相器(inverter)或驅動器(drive)的設備被用來提供功率給另一件設備，諸如電動機。具體地，這樣的轉換器(本文轉換器通常用來指轉換器、倒相器和驅動器)被耦合到公用設施連接(utility connection)以接收進入的輸入功率，諸如三相AC功率。轉換器對功率進行調整以把調整的功率信號提供給要被供電的設備。這樣，至設備的進入功率可以具有改進的效率，這導致運行設備的成本得以減少。多電平功率轉換器主要由於改進的功率質量、較低的轉換損耗、更好的電磁兼容性和較高的電壓能力的原因而得到廣泛流行。在功率轉換方面的這些改進是通過使用多個電壓階梯策略達到的。一個常用的多電平倒相器拓撲是系列H-電橋倒相器，在其中多個 H-電橋倒相器串聯連接。由於此拓撲包含系列功率轉換單元，所以可以容易地對電壓和功率電平進行標量。然而，此拓撲需要大量隔離的DC電壓源來供應每個單元。常用的實踐是使用隔離變壓器來供應功率單元的整流器。然而，至整流器的供應電流包含許多諧波電流分量，其對於設備和功率系統而言是非常煩擾的，並引起電磁幹擾(EMI)。一些系統使用帶有多個相移的次級繞組的單級變壓器。然而，單級變壓器中的諧波抵消不能被最佳化。要做到這一點的主要障礙是製造過程和較小的自由度，這是因為匝數較少，這使得它非常難於實現高效且最佳化的諧波抵消所需要的小的相移角度。
發明內容
在一個方面中，本發明是針對包括模塊變壓器的中等電壓驅動系統。該系統可以包括多個變壓器，均提供輸出到一個或多個功率單元，其中所述功率單元提供AC功率到負荷。每個變壓器可以具有至少一個初級繞組和多個次級繞組，其中每個變壓器的初級繞組相對於其相鄰的變壓器是相移的，且次級繞組也是相移的。在一個實現方式中，初級繞組的相移基於次級繞組的相移和多個變壓器的數目。作為一個示例，可以具有三個模塊變壓器， 則該系統用作54-脈衝變壓器。在一些實現方式中，除了相移的變壓器以外，還可以有一個或多個非相移的變壓器以提供輸出到至少一個功率單元。本發明的另一方面是針對具有多個模塊變壓器的系統，每個變壓器包括用來接收來自公用設施連接的功率的至少一個相移的繞組初級組和多個繞組次級組。另外，該系統包括功率單元，均耦合到所述模塊變壓器中的一個模塊變壓器的繞組次級組中的一個。所述功率單元被配置成使得功率單元的第一子組耦合到第一相輸出線，功率單元的第二子組耦合到第二相輸出線，且功率單元的第三子組耦合到第三相輸出線。每個模塊變壓器提供輸出到這三個相輸出線中的一對相輸出線的第一數目的功率單元和相輸出線中的最後相輸出線的第二數目的功率單元。而且，功率單元中的任何功率單元可以耦合到模塊變壓器中的任何模塊變壓器的繞組次級組中的任何。在一個實現方式中，每個變壓器提供輸出到這三個相輸出線中的不同對相輸出線的第一數目的功率單元。例如，第一模塊變壓器可以提供輸出到第一和第二相輸出線的第一功率單元和第三相輸出線的兩個功率單元。本發明的又一方面是針對具有多個變壓器的系統，每個變壓器提供輸出到耦合到至少一個相輸出線且被配置成提供AC功率到負荷的至少一個功率單元。每個變壓器可以包括至少一個初級繞組和多個次級繞組，其中每個變壓器的初級繞組相對於其相鄰的變壓器是相移的而次級繞組相對於對應的變壓器的其它次級繞組是相移的。另外，該系統還包括非相移變壓器以提供輸出到至少一個第二功率單元。(一個或多個)這樣的第二功率單元可以被配置成執行來自負荷的部分再生。為此，(一個或多個)第二功率單元包括有源前端， 其耦合到其對應的(一個或多個)次級繞組的輸出。控制器可以耦合到至少(一個或多個)第二功率單元以控制有源前端的切換。在一個方面中，本發明是針對包括模塊變壓器的中等電壓驅動系統。該系統可以包括多個模塊變壓器，均包括耦合到輸入功率源的相移的初級繞組和相移的次級繞組，所述相移的次級繞組均耦合到功率單元。該系統還包括耦合到負荷的不同的相輸出線。這些線可以包括第一、第二和第三相輸出線。第一相輸出線可以具有至少第一和第二電平功率單元，其中所述模塊變壓器中的第一模塊變壓器具有耦合到第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組。類似地，第二相輸出線可以具有至少第一和第二電平功率單元，其中模塊變壓器中的第二模塊變壓器具有耦合到第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組。進而，第三相輸出線可以具有至少第一和第二電平功率單元，其中模塊變壓器中的第三模塊變壓器具有耦合到第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組。在一些實現方式中，第一相輸出線可以具有第三電平功率單元，其中第一模塊變壓器的相移的次級繞組中的至少一個相移的次級繞組耦合到第三電平功率單元。不同電平的功率單元可以具有不同的電壓，其中第一電平功率單元比第二電平功率單元具有更高的電壓，且第二電平功率單元比第三電平功率單元具有更高的電壓。每個模塊變壓器可以具有相同的輸出電平。按照另一方面，本發明包括具有多個模塊變壓器的設備，每個模塊變壓器均包括接收來自公用設施連接的功率的至少一個相移的繞組初級組和多個繞組次級組。另外，可以存在多電平功率單元，其中第一電平功率單元均耦合到所述模塊變壓器中的至少兩個模塊變壓器的第一多個繞組次級組而第二電平功率單元均耦合到所述模塊變壓器中的至少兩個模塊變壓器的第二多個繞組次級組。在一些實現方式中，第一電平功率單元和第二電平功率單元的任何功率單元可以耦合到所述模塊變壓器中的任何模塊變壓器的繞組次級組中的任何。在又一方面，系統包括多個模塊變壓器。第一模塊變壓器包括耦合到電源的至少一個相移的初級繞組和均耦合到第三電平功率單元的相移的次級繞組。多個第二模塊變壓器均包括耦合到電源的至少一個相移的初級繞組和均耦合到第二電平功率單元的相移的次級繞組。第二模塊變壓器的所述相移的次級繞組中的多個相移的次級繞組是要耦合到相同的第二電平功率單元的。多個第三模塊變壓器均包括耦合到電源的至少一個相移的初級繞組和均耦合到第一電平功率單元的相移的次級繞組。該系統可以被實施成使得第三模塊變壓器的多個相移的次級繞組是要耦合到相同的第一電平功率單元的。再者，與耦合到相同的第二電平功率單元的第二變壓器相移的次級繞組相比，第三變壓器相移的次級繞組中更多是要耦合到相同的第一電平功率單元的。
圖1是按照本發明的一個實施例的功率轉換器的框圖。圖2是按照本發明的另一實施例的功率轉換器的框圖。圖3是按照本發明的又一實施例的功率轉換器的框圖。圖4是功率轉換器的再一實施例的框圖。圖5是按照本發明的一個實施例的非對稱功率轉換器的框圖。圖5A是按照本發明的一個實施例的非對稱功率轉換器的替換實現方式的框圖。圖6是按照本發明的另一實施例的非對稱功率轉換器的框圖。圖6A是按照本發明的另一實施例的非對稱功率轉換器的替換實現方式的框圖。圖7是對於圖1的模塊變壓器的模擬的初級和次級輸出電流的曲線圖。圖8是從公用設施連接到模塊變壓器的模擬的輸入電流的曲線圖。圖9是按照本發明的又一實施例的倒相器的框圖。
具體實施例方式實施例可以提供具有多個相移的繞組的模塊變壓器以在公用設施連接達到最高的功率質量，而同時為諸如系列H-電橋倒相器之類的各種倒相器拓撲提供可縮放性和模塊化。更具體地，在各種實現方式中，每個模塊變壓器的初級繞組和次級繞組二者可以被相移。下面將討論這樣的相移的具體實現方式。因而，每個模塊變壓器具有至少相對於其相鄰的變壓器被相移的初級繞組。通過在次級繞組和初級繞組二者中提供適當相移的模塊變壓器技術，可以消除多電平倒相器的公用設施側中的最麻煩的諧波。而且，通過提供模塊變壓器配置，可以消除對於可能難以製造、安裝和封裝的單個大變壓器的需要。在各種實現方式中，每個變壓器具有至少一組初級繞組和至少一組次級繞組，其中每組對應於多相繞組(例如，三相繞組)。如本文所使用的，繞組通常可以指一組繞組(例如，耦合到三相功率單元的一組次級繞組)。初級繞組和次級繞組二者可以被相移以供最佳諧波抵消。次級和初級繞組的相移量可以按照下列公式進行計算
權利要求
1.一種設備，包括多個變壓器，均用以提供輸出至多個功率單元中的至少一個，所述功率單元被配置成提供AC功率到負荷，所述多個變壓器中的每一個包括至少一個初級繞組和多個次級繞組，其中所述變壓器中的每一個的至少一個初級繞組相對於其相鄰的變壓器是相移的，且所述多個次級繞組相對於對應的變壓器的其它次級繞組是相移的，其中所述至少一個初級繞組的相移基於所述次級繞組的相移和所述多個變壓器的數目。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個初級繞組的相移是按照ase。/Nt的， 其中Nt是所述多個變壓器的數目，而α se。對應於在對應的變壓器的所述次級繞組中的兩個次級繞組之間的相移且是按照360/2NphNs的，其中Nph是至所述多個變壓器的電源的相數而 Ns是在所述變壓器的每一個中的次級繞組的整數。
3.如權利要求2所述的設備，其中每個變壓器的次級繞組的數目是按照Nd。/Nt的，其中 Ndc是耦合到所述多個變壓器的所述多個功率單元的數目。
4.如權利要求1所述的設備，還包括非相移的變壓器，其用以提供輸出到至少一個第二功率單元。
5.如權利要求1所述的設備，其中，第一變壓器的多個次級繞組耦合到第一功率單元且所述第一變壓器的至少一個次級繞組耦合到第二功率單元，以及所述第一功率單元和所述第二功率單元是非對稱的，且其中所述第一變壓器的至少一個其它次級繞組耦合到第三功率單元。
6.一種系統，包括多個模塊變壓器，均包括用以從公用設施連接接收功率的至少一個相移的繞組初級組和多個繞組次級組；以及多個功率單元，均耦合到所述模塊變壓器中的一個模塊變壓器的繞組次級組中的一個，其中所述功率單元的第一子組耦合到第一相輸出線，所述功率單元的第二子組耦合到第二相輸出線，而所述功率單元的第三子組耦合到第三相輸出線，以及其中每個模塊變壓器提供輸出到這三個相輸出線中的一對相輸出線的第一數目的功率單元和所述相輸出線中的最後一個相輸出線的第二數目的功率單元，其中所述第一數目的功率單元和所述第二數目的功率單元是不同的，且其中所述多個功率單元中的任何功率單元可以耦合到所述多個模塊變壓器中的任何模塊變壓器的繞組次級組中的任何繞組次級組。
7.如權利要求6所述的系統，其中每個模塊變壓器提供輸出到這三個相輸出線中的不同對相輸出線的第一數目的功率單元。
8.如權利要求6所述的系統，其中所述相移的繞組初級組的相移是按照cise。/Nt的，其中Nt是所述多個模塊變壓器的數目，而asec與對應的模塊變壓器的繞組次級組的相移相對應且基於耦合到所述模塊變壓器的公用設施連接的相數和每模塊變壓器的繞組次級組的數目，所述繞組次級組的數目進而基於所述功率單元的總數目和Nt。
9.如權利要求8所述的系統，其中α■是按照360/2 Nph Ns的，其中Nph是至所述多個模塊變壓器的公用設施連接的相數，且Ns是在所述模塊變壓器中的每一個的繞組次級組的整數。
10.一種系統，包括多個模塊變壓器，均包括耦合到輸入功率源的相移的初級繞組和均耦合到功率單元的多個相移的次級繞組；第一相輸出線，其具有至少第一電平功率單元和第二電平功率單元，其中所述模塊變壓器中的第一模塊變壓器具有耦合到所述第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到所述第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組；第二相輸出線，其具有至少第一電平功率單元和第二電平功率單元，其中所述模塊變壓器中的第二模塊變壓器具有耦合到所述第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到所述第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組；以及第三相輸出線，其具有至少第一電平功率單元和第二電平功率單元，其中所述模塊變壓器中的第三模塊變壓器具有耦合到所述第一電平功率單元的第一多個相移的次級繞組和耦合到所述第二電平功率單元的第二多個相移的次級繞組。
11.如權利要求10所述的系統，其中所述第一相輸出線具有第三電平功率單元，且其中所述第一模塊變壓器的相移的次級繞組中的至少一個耦合到所述第三電平功率單元，所述第一電平功率單元比所述第二電平功率單元具有更高的電壓，且所述第二電平功率單元比所述第三電平功率單元具有更高的電壓，以及其中所述多個模塊變壓器中的每一個具有相同的輸出電平。
12.如權利要求10所述的系統，其中所述第一電平功率單元包括整流器堆，其與所述第二電平功率單元的整流器堆相比具有更大數目的二極體，以及其中所述第一功率單元中的每個二極體耦合到所述第一多個相移的次級繞組中的一個相移的次級繞組。
13.如權利要求10所述的系統，其中所述相移的初級繞組的相移是按照cise。/Nt的，其中Nt是所述多個模塊變壓器的數目，而α ■與對應的模塊變壓器的所述相移的次級繞組中的兩個相移的次級繞組之間的相移相對應且是按照360/2Nph Ns的，其中Nph是所述輸入功率源的相數而Ns是在所述模塊變壓器的每一個中的所述相移的次級繞組的整數。
14.一種設備，包括多個模塊變壓器，均包括從公用設施連接接收功率的至少一個相移的繞組初級組和多個繞組次級組；多個第一電平功率單元，均耦合到所述模塊變壓器中的至少兩個模塊變壓器的第一多個繞組次級組，其中所述第一電平功率單元中的第一個耦合到第一相輸出線，所述第一電平功率單元中的第二個耦合到第二相輸出線，而所述第一電平功率單元中的第三個耦合到第三相輸出線；以及多個第二電平功率單元，均耦合到所述模塊變壓器中的至少兩個模塊變壓器的第二多個繞組次級組，其中所述第二電平功率單元中的第一個耦合到所述第一相輸出線，所述第二電平功率單元中第二個耦合到所述第二相輸出線，而所述第二電平功率單元中的第三個耦合到所述第三相輸出線，其中所述第一電平功率單元和所述第二電平功率單元中的任何功率單元可以耦合到所述多個模塊變壓器中的任何模塊變壓器的繞組次級組中的任何繞組次級組。
15.如權利要求14所述的設備，還包括多個第三電平功率單元，均耦合到所述模塊變壓器中的至少一個模塊變壓器的繞組次級組中的至少一個繞組次級組，其中所述第三電平功率單元中的第一個耦合到所述第一相輸出線，所述第三電平功率單元中的第二個耦合到所述第二相輸出線，且所述第三電平功率單元中的第三個耦合到所述第三相輸出線，其中所述第三電平功率單元中的任何功率單元可以耦合到所述多個模塊變壓器中的任何模塊變壓器的繞組次級組中的任何繞組次級組。
16.如權利要求14所述的設備，其中所述第一電平功率單元包括第一多個整流器，均耦合到所述繞組次級組中的一個，以及所述第二電平功率單元包括第二多個整流器，均耦合到次級繞組組中的一個，所述第二多個整流器少於所述第一多個整流器。
17.如權利要求14所述的設備，其中所述模塊變壓器中的第一組具有耦合到所述第一電平功率單元中的每一個的其繞組次級組中的至少一個，且所述模塊變壓器中的第二組具有耦合到所述第二電平功率單元中的每一個的其繞組次級組中的至少一個。
全文摘要
在一個實施例中，系統可以包括多個變壓器，均提供輸出到一個或多個功率單元，其中功率單元提供AC功率到負荷。每個變壓器可以具有至少一個初級繞組和多個次級繞組，其中每個變壓器的初級繞組相對於其相鄰的變壓器是相移的且次級繞組也是相移的。初級繞組的相移可以基於次級繞組的相移和多個變壓器的數目。
文檔編號H02M5/10GK102165678SQ200980137351
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月23日 優先權日2008年9月24日
發明者A·斯科爾茨, C·H·廖, E·萊德斯馬, L·T·凱斯特, M·阿博爾哈薩尼, R·愛德華茲 申請人:特科－西屋發動機公司