具有用於變換的電子功率單元的電機的製作方法

2023-10-04 19:34:24 2

專利名稱：具有用於變換的電子功率單元的電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括定子和可旋轉地且同軸地安裝在定子中的轉 子的電機，優選為發電機，並且包括將定子和轉子實質上容置於其中的殼體以及用於變換多相交流電流的電子功率單元(electronic power unit) o背景技術在發電領域，對於額定輸出，增大渦輪的旋轉速度伴隨著尺寸和 成本的降低。效率也會提高。迄今為止，最高達70MW的發電渦輪通 過齒輪傳動裝置連接著發電機，以便允許以更高的渦輪旋轉速度運轉。 隨著輸出增加，使用齒輪傳動裝置由於可靠性原因而變得越來越困難。 在這種情況下，渦輪以發電機的同步速度運轉。使用靜態變頻器(功率電子器件)代表了另一種選擇，其可提供 許多優點，例如在恆定體積產量和轉速的前提下減少發電機成本，速 度可調 一 允許恢復渦輪的部分負載效率，顯著降低噪音，清潔地(無 油)冷卻，等等。在發電和驅動這兩種情況下，降低靜態變頻器的損耗都會帶來顯 著的成本節約。降低損耗首先會影響到投資成本，因為冷卻佔了變頻 器的總成本的很大一部分。靜態變頻器既存在間接AC/DC/AC變換的情況，也存在直接 AC/AC變換的情況。間接變換(AC/DC/AC)的引起是通過從三相電源(在電動機的 情況下為電網(grid);在發電的情況下為發電機)產生直流電流或直 流電壓。接下來，直流電流或直流電壓通過逆變器而被變換回交流電 流。電感(電流源變換器)或電容器組(電壓源變換器)被切換到直 流鏈中，以便能夠實現工作原理。目前的大型間接變換器是電流源類型的，並且使用了晶閘管。如 果晶閘管的自然換流是可行的，則變換器中的損耗會減小。電壓源變換器使用GTO，因為它們固有的高傳導損耗，以及IGBT或IGCT。 各部件的功率能力小於晶閘管，因此，對於額定電壓和額定電流，需 要大量的部件。電壓源變換器可以受益於使用脈衝寬度調製技術，其 可以改進電流曲線的形狀並且減小諧波。切換頻率越高越好，除了關 於損耗和介質疲勞這兩方面以外。電流可以大部分地產生為正弦形狀， 從而電機功率的定額減小可以避免。舉例來說，直流變換(AC/AC)可以通過所謂的循環變換器 (cyclo-converter)實現。從電機的角度看，直流變換提供了顯著的優 點，因為電流是或多或少地正弦形狀的，而非斬波直流電流。其能減 小額外出現在電機中的損耗，並且還防止脈動轉矩。然而，使用三相循環變換器會將可獲得的頻率範圍限制在0-1/3 的輸入頻率。三相循環變換器由三個單相循環變換器形成，每個分別 以平衡操作來處理1/3的功率。超過所述頻比1/3極限將導致強烈的不 平衡操作，因而每個單相循環變換器應當被設計為適合於超過1/3的 滿功率。過尺寸可能導致功率定額因數高達3。直流變換的另 一 種可能性由所謂的矩陣式變換器(matrix converter)提供，其中多相源(發電機或電網)中的每一相通過雙向開 關連接或可連接多相負荷(電網，無源負荷，電動機，等等)中的每 一相。開關包括足夠數量的晶閘管以承受相間壓差和相電流，並且允 許電流反向。它們可以被看作是真正的雙向部件，並且提供了一種選 擇，即結合使用附加線路，例如用於逆平行(antipamllel)部件驅動脈 衝的緩衝器或門單元供電器。開關以m相源和n相負荷的方式被布置成(mxn)矩陣。這提供 了一種選擇，即在輸入相和輸出相之間建立任何期望的連接；然而與 此同時，其缺點是，矩陣的某些開關狀態必須排除，因為否則的話， 例如，可能發生短路。另外，期望實現從一相至另一相的換向，從而 使得產生最低可能的開關損耗。舉例來說，可以使矩陣式變換器以下述方式操作，即只有自然換流被使用。這一點可以如此實現，即只有在特定條件被滿足時，才允 許從發電機的選擇連接的相切換至發電機的選擇未連接的相。 一種這樣的矩陣式變換器及其操作模式被公開於DE-A-100 51 222以及相應 的歐洲專利申請EP-A-1 199 794中。雖然效率和通用性高，但這種普 通概念的矩陣式變換器及其操作模式大體上的缺點是，在某些應用中， 存在有關諧波失真以及有關可能頻比方面的缺陷。另一種不同的提議見於文獻EP-A-0 707 372,其提出了將一種頻 率匹配裝置用於發電機的多相輸出，其中頻率匹配裝置或者甚至其部 件直接安置在發電機定子的端部繞組上。頻率匹配裝置安置在發電機 殼體中，並且由用於冷卻發電機中那些需要冷卻的零部件的同一冷卻 系統冷卻。有關冷卻這種構成電機零部件的功率電子器件的另一種改進措施 在DE-A-103 10 307中提出。為了提高有關冷卻方面的靈活性，該文 獻提出將功率電子器件安置在發電機殼體中，但提供分設且獨立的功 率電子器件冷卻系統，所述功率電子器件可以是例如變換器。發明內容為此，本發明的目的是提供一種改進的矩陣式變換器，用於將多 相交流電流變換為期望的交流輸出電流。這適合於下述情況，其中， 通過多個可控雙向開關，多相交流電流中的m相被變換為具有n(rKm) 相負荷的交流輸出電流，以及其中，變換器包括至少一級，其中多相 交流電流中的每一相通過可控雙向開關進行控制。具體而言，矩陣式變換器為用於變換多相交流電流的矩陣式變換 器，其中多相交流電流的相典型地為m在12-60之間，優選在24-36 的範圍內，而這些相被變換為n (n<m)相交流輸出電流，其中n典型 地為3或6。這樣的矩陣式變換器中的元件的一種特別簡便的構造可以以下述 方式實現，即變換器的所述至少一級由開關元件的二維陣列形式的級 堆疊體(stage stacks)形成，所述級堆疊體被布置成沿著垂直於矩陣式 變換器所在平面的層疊方向基本上相互平行，並且級堆疊體的輸入由安置在級堆疊體的一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器所在平面 的平面內母線排提供，而級堆疊體的輸出由安置在級堆疊體另一側並 且基本上位於平行於矩陣式變換器所在平面的平面內的附加(電網) 母線排匯集而成。通過這種方式，矩陣式變換器的各元件關於下述方 面幾乎理想地布置關於可能的冷卻，關於在元件之間並且作為整體 實現儘可能短的連接，以及關於模塊式維護可能性，等等。典型地，在這樣的矩陣式變換器中，每個雙向開關包括至少兩個 具有逆平行單向開關元件的分支(開關元件可以組合為單一元件，例 如BCT元件，如後文中進一步討論)，其中優選在每個分支中，至少 兩個開關元件串聯設置。多相交流電流可以由從機械能產生電能的發 電機提供，並且多相交流電流為超過三相。引起多相交流電流的相的 定子繞組可以三角形(delta)連接。多相交流電流的相數(m)可以 最高達到2極發電機定子槽的數量。相數可以為槽數的任何整數分之根據本發明的第一實施方式，矩陣式變換器進一步的特徵在於， 母線排被布置成基本上正交於電網母線排。兩組母線排的正交配置能 夠實現矩陣式變換器中各元件的令人驚訝的簡單且高效的連通性和理 想的空間排布。典型地，設有m/n個母線排和2n個電網母線排。變換器可以包括兩級，並且在變換器的至少一級中，多相交流電 流中的每一相由可控雙向開關控制。可以具有這樣的配置，其中變換 器的第一級集成到定子發電機中，並且只有另一級位於隔間中(如後 文中進一步討論，例如就是電網堆疊體陣列)。優選地，矩陣式變換器 的容置於定子中的部分位於用於冷卻發電機的冷卻流體流中。典型地，雙向開關由控制單元控制，以選擇性地將m個輸入與n 個輸出連接，其中設有第一裝置用於確定輸入中的電流的極性符號， 以及第二裝置用於確定輸入之間電壓的極性符號，其中第一和第二裝 置以有源的方式連接著控制系統。然後，雙向開關通過信號線連接至 控制系統，有關各開關的開關狀態的信息通過信號線傳送至控制系統。根據本發明的另一實施方式，變換器因此而包括至少兩級。在這 種情況下，在變換器的至少一級中，多相交流電流中的每一相由可控雙向開關控制，其中多相交流電流中的每一相由可控雙向開關控制的 變換器級為所謂的第一級(也被稱作發電機級)並且直接連接至發電機，其中在變換器的至少一個所謂的電網級(grid stage)中設有m/n 組的可控雙向開關，每組包括n個平行的雙向開關，每個雙向開關連 接至交流輸出電流的相應一相。具體而言，變換器的電網級為變換器 的末級並且直接連接至變壓器或負荷。在這種拓撲結構方面，特別請 參看專利申請PCT/EP2006/060617，該文獻中關於具有若干級的矩陣 式變換器的拓撲結構明確地引入於此。在這種情況下，變換器的電網級由開關元件的二維陣列形式的電 網級堆疊體形成，該電網級堆疊體被布置成沿著垂直於矩陣式變換器 所在平面的層疊方向基本上相互平行。電網級堆疊體的輸入由安置在 電網級堆疊體的一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器所在平面的 平面內的母線排提供。電網級堆疊體的輸出由安置在電網級堆疊體的 另一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器所在平面的平面內的電網 母線排匯集而成。進一步優選地，在這種兩級矩陣式變換器的情況下，母線排還被 布置成基本上正交於電網母線排。優選地，矩陣式變換器的可開關元件(典型地開關晶閘管，或相 應地布置的IGBT、 IGCT或GTO)因此而分布為大量的、優選規則布 置的堆疊體，其中這些堆疊體沿著基本上垂直於矩陣式變換器所在平 面的方向布置。還需要指出，所謂的BCT (雙向控制晶閘管)可購自 瑞士 ABB Semiconductors AG(參見例如ABB的文件No. 5SYA 2006-02 Feb. 99， "Bi-Directional Control Thyristor"， Product Information, Bj6m Backlund， Jan國Olav Boeriis, Ken Thomas, Robert Waishar, Jiirg Waldmeyer, Orhan Toker， ABB Semiconductors AG, 1999年2月)，可被 用於這些堆疊體中，這些BCT元件集成了兩個逆平行高壓晶閘管。在 這種情況下，相反極性的堆疊體匯合為單一堆疊體。根據本發明的另一實施方式，在電網級中設有規則分布的k行、 每行2n個堆疊體，優選具有交替極性(這樣的對可以被替換為組合元 件，例如在使用BCT元件時這是可行的)，以及與其正交的2n列，優選具有相同極性。在這樣的配置中，可以布置成母線排平行於所述行、電網母線排 平行於所述列。根據本發明的另一實施方式，在第一級中，發電機的多相交流電流的m相中的m/k個相在可開關元件的k個發電機堆疊體中控制。發 電機堆疊體可以定向為平行於電網級堆疊體且以附加列的形式平行於 所述列的方向安置於電網級堆疊體矩陣的一側。在這種情況下，可以 通過匯集發電機級導體匯集每個發電機堆疊體的輸出，所述匯集發電 機級導體被向上引導並連接至母線排。根據本發明的又一實施方式，相鄰的電網母線排以形成n相的方 式連接。根據本發明的矩陣式變換器的進一步實施方式的特徵在於，m為 n的整數倍，變換器包括兩級，在其中多相交流電流中的每一相由至 少一個可控雙向開關控制的變換器級為第一級並且直接連接至發電 機，而變換器的第二電網級包括m/n個組的可控雙向開關，每個組包 括n個平行的雙向開關，每個雙向開關連接至交流輸出電流的相應一 相，所述電網級直接連接至變壓器或負荷，並且第一級的輸入優選由 發電機的m相形成，其中m/n個相形成第一級的輸出，其中第一級的 n個優選相鄰的輸出相的組被連接，並且如此形成的m/n個導體中的 每個連接著變換器的電網級的相應組中的每個雙向開關。本發明還涉及一種改進的電機，其包括定子和可旋轉地且同軸地 安裝在定子中的轉子，並且包括將定子和轉子實質上容置於其中的殼 體。優選地，電機為發電機。除此之外，電機包括用於變換多相交流 電流的電子功率單元，例如，所述多相交流電流因轉子的機械感應旋 轉而由定子提供。根據本發明的這個方面，電子功率單元安置於分設(單獨)隔間中，該分設隔間位於殼體外側並且與定子基本上徑向相鄰。優選地， 電子功率單元為前面描述的矩陣式變換器。迄今為止，根據本領域的技術狀態，典型地，發電機的定子產生 的交流電流被引導至佔用空間的隔間中，隔間中包含矩陣式變換器並且安置於發電機的工作機房內的分設區域中。這種容納矩陣式變換器的隔間，例如在前述DE-A-100 51 222提出的，在用於大功率發電機 (例如150MW發電機)的情況下，可能通常包括圍繞的1000晶閘管， 這就要求隔間為例如2m高和40m長。因此，可以看出，對於大功率 發電機，這樣的矩陣式變換器可能佔用很大空間。如專利申請 PCT/EP2006/060617中所提出，從原理上講，可以減小晶閘管的數量， 例如通過提供多級矩陣式變換器。這樣的拓撲結構不但能夠減少所需 大功率開關元件的數量，還能減小所需的空間。現己發現，帶有矩陣式變換器的隔間或大體上用於電子功率變換 單元的隔間的一個非常適宜的設置位置為恰好橫向相鄰於定子，從而 使得將電子功率單元連接至定子的端部繞組的連接體儘可能短，以便 將耗散和雜散場問題最小化。在本發明的第一實施方式中，定子的軸線是基本上水平的，並且 隔間安置在殼體上方。同樣，隔間可以安置於側面而連接至殼體。電 場機房的典型空間狀態表明，通常發電機室上方可被用於電子功率單 元，優選為矩陣式變換器。根據本發明的另一實施方式，電機為發電機，且電子功率單元為 前面描述的矩陣式變換器。例如，隔間被這樣布置，從而使得來自矩 陣式變換器的定子側的輸入連接體基本上與定子一側的端部繞組位於 一個平面內，該平面垂直於轉子的軸線。這樣，實際上隔間基本上被 安置在發電機上方，而矩陣式變換器的輸入被安置成對準發電機的一 個軸向端。在這種配置中，從定子的端部繞組至矩陣式變換器的輸入 連接體的導體如果被例如基本上安置於該平面內的話，則它們可以被 設計成非常短。矩陣式變換器的這個平面優選設置成基本上為定子的 切向，並且優選在殼體上方。再次指出，矩陣式變換器的可開關元件(典型地開關晶閘管，或 相應地布置的IGBT、 IGCT或GTO)被安置在大量優選規則布置的堆 疊體中，其中這些堆疊體沿著基本上垂直於矩陣式變換器所在平面的 方向布置。還需要指出，前述BCT可以用於這些堆疊體，這些BCT 元件被集成為兩個逆平行高壓晶閘管。在這種情況下，相反極性的堆疊體匯合為單一堆疊體。因為矩陣式變換器，或更一般地講電子功率單元，被布置成直接 相鄰於發電機，因此可能發生振動問題。因此，根據另一實施方式， 裝於隔間中的矩陣式變換器是以下述方式安裝在其中的，即能夠使得 其與定子和轉子振動解耦(即不傳遞振動)，和/或隔間作為一個整體 以下述方式安裝在殼體上，既能夠使得其與從定子和轉子或更一般地 講與發電機振動解耦。為了實現振動解耦，矩陣式變換器和/或隔間可 以懸掛和/或安裝在緩衝支撐體上。為了允許這種解耦，從定子的端部 繞組至矩陣式變換器的導體應當包括柔性部件，例如柔性多芯導體。根據另一實施方式，電機為水平定向的發電機，其產生可從所述 發電機的定子的端部繞組獲取的多相輸出，其中該多相輸出通過發電 機相導體傳導至矩陣式變換器的輸入，所述矩陣式變換器安置在位於 發電機的殼體上方的隔間中，其中發電機相導體包括豎直部分以及可 能會有的周向部分。特別低，來自定子底部的相可以由周向部分匯集。優選地，殼體包括頂部開口，隔間包括位於其底壁中的至少一個 貫穿開口，而發電機相導體被安裝成可通過它們的豎直部分而經過隔 間的貫穿開口被引導至矩陣式變換器的輸入連接體。發電機相導體或 發電機相導體組優選安置成可確保它們不彼此幹涉(和/或與隔間的壁 幹涉)，以便保持絕緣要求儘可能地低。優選地，矩陣式變換器包括第一發電機級，其中發電機的多相交流電流的m相中的m/k個相在可 開關元件(例如晶閘管)的k (k<m)個堆疊體(發電機堆疊體)中 被控制，並且各組的m/k個發電機相導體被組合向上引導(但仍然彼 此隔離)至發電機堆疊體，以便被傳送至矩陣式變換器。 本發明的其它實施方式在從屬權利要求中限定。


在附圖中示出了本發明的各種實施方式，附圖包括-圖1為根據現有技術狀態的發電機的透視圖，其中在一側外周部 分被去除，以便展示定子的端部繞組部分和轉子的細節；圖2示出了根據圖1的發電機在殼體中的示意性透視圖，其中端蓋、軸承、空氣導向件以及圓環和支架被去除，以便展現定子的端部繞組段；圖3示出了發電機的透視圖，其中矩陣式變換器安置在位於發電 機殼體上方的隔間中；圖4示意性地示出了一方面根據現有技術狀態(a)、另一方面根 據本發明(b)的發電機殼體之間的不同；圖5示出了不帶發電機時隔間的透視圖，顯示了矩陣式變換器的 細節；圖6示出了在去除隔間後開關元件在矩陣式變換器中的配置；圖7示出了根據圖6的矩陣式變換器的僅一個分支的透視圖，以 更好地展現連接裝置；圖8示出了圖6和7所示兩級矩陣式變換器的拓撲結構，其中(a) 拓撲結構的標準展示示出了 15個發電機相，並且(b)圖6和7給出 的完全拓撲結構用來解釋根據圖6和7的配置的連通性；圖9以透視圖示出了用於矩陣式變換器的發電機級中的大功率開 關元件的堆疊體；圖10示出了用於矩陣式變換器的電網級中的電子大功率開關元 件的堆疊體的兩個不同視圖，其中(a)示出了包括底板和頂板的完全 堆疊體，(b)示出了頂板被去除後的堆疊體；圖11示出了定子的端部繞組區域的透視圖，改型的凸耳和新提出 的將發電機相向矩陣式變換器輸入的導體安置在發電機的上方，其中 (a)示出了這樣的情況，即絕緣套筒安裝在端部繞組上，(b)兩個絕 緣套筒被去除，以顯示端部繞組的連接導體的細節。
具體實施方式
參看附圖，這些圖的目的是解釋本發明的當前實施方式，而不是 要限制本發明，圖1示出了根據現有技術狀態的發電機1，其中定子 15安裝於殼體2中。在定子的內孔中安裝著發電機的轉子16，其中轉 子由安置在定子兩側的軸承18承載。轉子16延伸至軸14，軸14在 一側結合至例如提供用於旋轉轉子的機械能的渦輪。在每個終端側，定子包括自由定子繞組，即端部繞組17，並且由 於轉子旋轉而產生的定子輸出電流通過下述方式被引導至電網 (grid):首先被所謂的相環或圓環匯集，然後通過頂部開口 19將電 流由殼體引導出來。殼體大致上為細長形狀，並且包括平行於定子軸線的側壁21和頂 蓋22，其中前述頂部開口 19設於頂蓋中。交錯冷卻及冷卻介質循環 系統通常設於殼體中，並且設於定子以及轉子中。圖2以透視圖示出了這種發電機配置，然而轉子已從定子的內孔 中去除，並且軸承、冷卻系統等已被移除。在殼體2的頂壁22中，開 口 19很小並且安置在位於定子一側的端部繞組17的正上方。為了更 清楚地展示，端部繞組的導體26上的圓環和絕緣套筒29已被移除。 在這裡，可以識別出沿圓周安置的隔離支架25和定子15的端部繞組 的導體26。如果發電機將被改造成使用如後文詳細描述的矩陣式變換 器，則為了用於使用定子的多相輸出的矩陣式變換器，那些在圖2所 示的狀態下被移除的部件只有被去掉才能允許不同的連通性建立在定 子15的端部繞組上。這一點將在後面詳細描述。圖3示出了這樣改造的發電機，其除了前面列舉的部件之外，還 包括在隔間27中安置在殼體2上方的矩陣式變換器。可以清楚地看到 改型的端部繞組區域，在此沒有設置圓環，而是定子的端部繞組17 上的每個輸出相首先被徑向向外引導通過連接導體30。這些連接導體 30，如果安置在端部繞組17的底部的話，首先被周向引導通過各發電 機相導體31。這種導體的組(顯示為三個一組)位於在發電機相導體 32的豎直部分中被豎直向上引導的某個位置上。這樣，展現於圖3中 並且以附圖標記32表示的豎直部分實際上表示由三個相繼的發電機 相6形成的組，所述發電機相彼此隔離。因此，m-30個單獨的發電機 相存在於根據圖3所示的設計中，並且在定子一側的五組32中被向上 引導，在定子另一側的另外五組中被向上引導，其中圖3中為了更清 楚地展示，只有導體的這些組32中的位於左側的一半被示出。在發電機的殼體2的上方設有隔間27，隔間在其底壁40設有細 長的貫穿開口 33，導體組32穿過貫穿開口被引導至實際矩陣式變換器3。開口 33以及各導體組32之間的距離被設計成可避免導體和/或 殼體之間短路。可以看到，矩陣式變換器3安置於隔間27中，位於與 定子軸線相切的平面內，並且矩陣式變換器相鄰地安置在定子的上方。在根據圖3的視圖中，可以看到第一組共用輸入開關，其代表變 換器的第一級，並且在後文中表示為發電機級8。在所述發電機級後 面並且不可見於圖3，設有第二組共用輸出開關，即變換器的第二級， 其接下來被稱作電網級(gridstage) 9。形成發電機級的該組開關的堆 疊體(stacks)基本上安置於定子的端部繞組所在平面內，從而使得定 子的端部繞組與發電機級8的各堆疊體35的輸入導體之間距離儘可能 小。矩陣式變換器的輸出，即以附圖標記28表示的輸送到變壓器或輸 送到電網的三相，通過隔間27的側壁中的三個單獨的貫穿開口 34在 橫向側由隔間27輸出。需要指出，矩陣式變換器優選包括冷卻系統，其與發電機的冷卻 系統分開。水冷卻是優選的，而發電機使用氣體冷卻。如可見於圖4，發電機的殼體2需要略微改造，以便容置包括矩 陣式變換器的隔間27。如可見於圖4 (a)，根據本設計的殼體2隻包 括小頂部開口 19。然而為了能夠容置隔間27，在將要安置矩陣式變換 器的終端提供支撐壁可能是有效的，並且在大多數情況下，適宜的是 增大位於定子15的端部繞組正上方的開口，以便具有大頂部開口 37， 如可見於圖4 (b)。這樣，隔間27隻需簡單地設置在該支撐結構36 上方，如表示於圖4 (b),圖中示出了系統的固有模塊化性能以及相 關的優點。圖5示出了這樣的隔間的細節。這樣的隔間，通常由與發電機制 造商完全不同的製造商提供，為單獨的單元，其可以以模塊的方式適 配於發電機設計。通常，輸送到變壓器/電網的三相28通過側壁39在 橫向側被引導出該殼體27,然而，還可以通過頂壁38將它們引出， 然而，在這種情況下，如後文詳細描述，堆疊體的配置需要上下定向， 從而電網母線排(grid bus bars，如後文中進一步討論)被安置在矩陣 式變換器3的頂側。圖6示出了矩陣式變換器，可以安置於圖5所示的殼體中，圖6顯示了拆除殼體後的情況。矩陣式變換器為兩級矩陣式變換器，包括發電機級8，其提供了與發電機端部繞組之間的連接，以及電網級9。 計算表明，與預期相反，電網級上的負荷顯著大於發電機級上的負荷 (9: l!)，這就要求明顯更多的單獨電子開關元件用於電網級，以承 受開關過程中的電能。需要指出，圖6-8所示的矩陣式變換器的特殊 拓撲結構模擬的是公開於PCT/EP2006/060617中的結構，並且因此關 於拓撲結構的細節請具體參看該文獻，其公開內容引入於此。如可見於圖6，矩陣式變換器3基本上安置於平面47中，如果矩 陣式變換器將被安置在示於圖4的發電機的上方，則該平面為發電機 的主軸線的切向平面。矩陣式變換器的發電機級8包括大功率開關元件的各堆疊體35 的列67。開關元件35的這些堆疊體的細節將在後文中詳細描述。每 個所述堆疊體35包括三個輸入導體48，它們如前面所披露通過發電 機相導體32的豎直部分連接著發電機相。這些堆疊體35被定向為基本上垂直於平面47，從而平行於所謂 的層疊方向61。相鄰於發電機級8的發電機級堆疊體35的所述列設 有電網級9，其由十行66的單獨電網級堆疊體41形成。換言之，因 為這些電網級堆疊體以方形配置規則地分布，因此在該電網級中有六 個相鄰列67。各發電機級堆疊體35的輸出通過匯集發電機級導體44 匯集，所述匯集發電機級導體匯集每個堆疊體35的輸出並且引導其豎 直向上進入位於堆疊體41上面的平面中。在堆疊體41的陣列上方設 有平行陣列的分布級間導體，稱作母線排43，它們從發電機級8沿著 垂直於發電機級8的所述列的方向67的方向引出。這些母線排43具 有延伸越過電網級9的全部行66的長度。在電網級9的堆疊體41的 底側，還設有導體，即匯集電網導體，其被稱作電網母線排42。相鄰 的電網母線排42、 42，以成組的方式會合以形成三相28，然後所述三 相結合至變壓器或電網。需要指出，如果BCT被使用，則兩個導體42和42'為單一導體。為了解釋拓撲結構的細節，在圖7中只有一個分支的矩陣式變換 器被展示，從而圖中只有一個發電機級堆疊體35並且只有一行66的電網級9。可以看到，所述行66中相繼的堆疊體41中的開關元件的 極性是交替的，在圖中通過圓圈中的正負號示意性地表示。每對這樣 的正負堆疊體41的輸出通過一對導體42、 42'被匯集，後者被分組以 形成三相38之一，如見於圖6。需要指出，在使用前述BCT元件的 情況下，正負堆疊體會合為單一堆疊體。從原理上講，安置在根據圖6的空間中的拓撲結構對應於圖8中 表示的拓撲結構，並且其為包括發電機級8和電網級9的兩級矩陣式 變換器的普通拓撲結構，具有最小數量的開關元件或雙向開關4。該 兩級矩陣式變換器的基本原理是，如果高相級發電機需要被連接至負 荷，則使用矩陣式變換器會導致過多數量的開關元件。如果相的數量 增加，則成本以及尺寸會由此而顯著增加。然而，可以將開關元件(晶 閘管)的柱拆分為例如兩部分。因此，第一級8產生，其中每個輸入 相6設有單獨的雙向開關元件4。除此之外，輸出開關還可以共用， 最終導致示於圖8(a)的層次結構。屬於矩陣式變換器的電網級9的 輸出開關被分組為m/n組12 (在示於圖8的特定例子中，這導致十五 個發電機相6形成五組12)，其中這些組12中的每個所包括的雙向開 關的數量等於輸出相7的數量(在示於圖8的特定例子中，這意味著 每組12三個雙向開關4)，其中這些雙向開關4各自連接至相應的輸 出相。第一級8與第二級9這樣相連，即發電機定子的m個周向相鄰的 輸入相在它們的非發電機側結合以形成單一導體13。因此在該配置 中，輸入相6的數量必須為輸出相7的數量的整數倍。在根據圖8 (a) 的情況下，設有十五個輸入相6 (m=15)和三個輸出相(n=3)，這導 致五個導體13，所述導體又被連接至矩陣式變換器的第二級9中的組 12的輸入，如前所述。應當指出，為了在圖8(a)更清楚地展示，只 有十五個發電機相6被設置，而不是像根據圖6和7的矩陣式變換器 那樣設置三十個。為了獲得示於圖6和7的拓撲結構，根據圖8(a) 的配置僅需要被加倍。然而，可能難以在根據圖6和7的前述配置中識別出根據圖8(a) 的開關元件的原理性拓撲結構。但是，可以認識到，通過分析，根據圖8 (a)的拓撲配置可以根據圖8 (b)給出的示意性託普結構而重新 繪製(現在示出了三十個發電機相用以供給堆疊體35的導體48)。該 拓撲結構等價於根據圖8 (a)的拓撲結構(發電機相加倍)，並且能 夠看出根據圖8 (a)的拓撲結構和根據圖6和7的設計之間的等價關 系。根據圖6和7的配置的一項關鍵優點在於下面的事實，即位於電 網級9的堆疊體41的陣列的相反兩側的電網母線排42和母線排43 的正交定嚮導致極為緊湊的設計，具有最優的短導體長度，因此導致 結構具有高緊湊性，具有直觀性，且容易維護，並且所需的空間盡可 能地小，耗散儘可能地少。圖9示出了一個發電機級堆疊體35的細節。可以看到，每個所述 堆疊體35包括六個大功率開關元件10，例如晶閘管，它們彼此上下 層疊。該堆疊體通過包括底板49和頂板50的結構而被保持在一起， 底板和頂板由四個平行的杆51夾持在一起，所述杆通過成對的螺母 52而組裝起來，所述螺母旋擰在位於杆端部的螺紋53上。為了維持 在開關元件上的高擠壓動力，該結構是必需的。在發電機側，堆疊體 35包括彼此上下安置的三個輸入導體48。在輸出側，朝向電網級9， 一個堆疊體的四個引出導體54 (最上面的一個不可見於圖9)連接著 匯集發電機級導體44，這導致容易由圖8(b)識別的拓撲結構。另外， 由於在這樣的系統中會有大的能量耗散，因此設有交錯冷卻系統，其 中冷卻介質通過冷卻管道55供應而流經開關元件之間的冷卻箱55a, 冷卻管道具有用於冷卻介質的入口/出口，冷卻介質為例如去離子水或 其它冷卻介質。圖10示出了電網級堆疊體41的透視圖。與其中電流沿基本上實 質水平方向流動的前述發電機級堆疊體35不同，在這些包含一系列可 開關元件的電網級堆疊體41中，電流沿基本上豎直方向流動。可以看 到，這些堆疊體41中的每個堆疊體包括具有相同極性的八個開關元件 10。該堆疊體也通過底板57和頂板58而被保持在一起，並且每個邊 緣設有四個杆51，通過旋擰在螺紋53上的螺母52將所述兩個板保持 在一起。如前面所披露，電網母線排42和母線排43被垂直定向。因此， 與這樣的堆疊體41的頂側的母線排之間的連接是通過輸入導體59提 供的，輸入導體設有槽60以容置母線排。在底側，每個所述堆疊體 41設有引出導體61，其也設有槽60'，其中該槽60，垂直於上部槽60 定向。這樣，高度模塊化且容易更換的系統設有高密度的開關元件。 再次，各開關元件的冷卻也是可行的，並且可以識別出相應的入口和 出口開口，然而為了更清楚地展示，各連接體沒有被示出。圖11示出了定子17的改型端部繞組區域的細節。如前所述，根 據現有技術狀態的設計中的圓環被去除，並被換為不同的結構。事實 上，各發電機相或相應導體63中的每個首先通過徑向連接導體30而 被徑向向外連接。該連接導體30通過銅導體63的槽64中的相應適配 的連接夾65而最容易地連接至端部繞組的銅導體63。連接導體30呈 L形，並且接下來連接至發電機相導體的周向部分31。周向相鄰的發 電機相分別各自地連接至這種周向部分31、 31，、 31"和31"，，從而產 生這些周嚮導體的堆疊體。這些導體當然關於彼此隔離。如可見於圖 3， 一旦達到這種組導體31的正確徑向位置，它們就被在三個導體的 組中的豎直部分32內豎直向上引導。由於所述各發電機相具有相對低 電壓的實施，這些導體只需要小型絕緣。附圖標記列表1:發電機2:發電機殼體3:矩陣式變換器4:雙向開關5:變壓器6:多相交流電流7:交流輸出電流8:共用輸入開關組，變換器的第一級，發電機級 9:共用輸出開關組，變換器的第二級，電網級 10:開關元件，晶閘管12:雙向開關組 13:導體 14:發電機的軸 15:發電機的定子 16:發電機的轉子 17:定子的端部繞組 18:軸的軸承19:發電機殼體的頂部開口，用於使導體從中穿過而導達電網等20: 2的端壁21: 2的側壁22: 2的頂蓋23:定子的內孔25:隔離支架26:端部繞組的導體27:矩陣式變換器的殼體，隔間28:相引線，通向變壓器/電網29: 26上的蓋，絕緣套筒 30:連接導體31:發電機相導體(周向部分)32:發電機相導體(豎直部分)，3的組33: 27中的貫穿開口，用於3234: 27中的貫穿開口，用於2835:發電機級堆疊體37:用於27的頂部開口38: 27的頂壁39: 27的側壁40: 27的底壁41:電網級堆疊體42:匯集電網導體，終止於引線2843:分布級間導體，母線排44:匯集發電機級導體45:矩陣式變換器的頂側46:矩陣式變換器的底側47:矩陣式變換器所在的平面48:35的輸入導體49:35的底板50:35的頂板51:杆52:螺母53:螺紋54:35的引出導體55:冷卻管道56:入口/出口冷卻介質57:41的底板58:41的頂板59:41的輸入導體60:槽61:41的引出導體62:34和41的層疊方向63:17的銅導體64:63中的槽65:63上的連接夾66:41的行67:41的列68:41的電流流動極性
權利要求
1.一種矩陣式變換器(3)，用於將多相交流電流(6)變換成期望的交流輸出電流(7)，其中通過多個可控雙向開關(4)將多相交流電流(6)中的m相變換為具有n(n＜m)相負荷的交流輸出電流，其中變換器包括至少一級(8，9)，在所述級中，多相交流電流(6)中的每一相(6)由可控雙向開關(4)控制，其中，變換器(3)的所述至少一級(8，9)由開關元件(10)的二維陣列形式的級堆疊體(41)形成，所述級堆疊體(41)被布置成沿著層疊方向(62)基本上相互平行，所述層疊方向平行於矩陣式變換器(3)所在平面(47)，並且級堆疊體(41)的輸入由母線排(43)提供，所述母線排安置在級堆疊體(41)的一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器(3)所在平面(47)的平面內，而級堆疊體(41)的輸出由電網母線排(42)匯集而成，所述電網母線排安置在級堆疊體(41)的另一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器(3)所在平面(47)的平面內。
2. 根據權利要求1的矩陣式變換器(3)，其特徵在於，母線排(43) 被布置成基本上正交於電網母線排(42)。
3. 根據權利要求l或2的矩陣式變換器(3)，其特徵在於，設有 m/n個母線排(43)和2n個電網母線排(42)。
4. 根據權利要求1至3之一的矩陣式變換器(3)，其特徵在於， 變換器包括至少兩級(8， 9)，其中在變換器的至少一級(8)中，多 相交流電流(6)中的每一相(6)由可控雙向開關(4)控制，在其中 多相交流電流(6)中的每一相(6)由可控雙向開關(4)控制的變換 器級(8)為第一級且直接連接至發電機(1)，並且在變換器的至少一 個電網級(9)中設有m/n個組(12)的可控雙向開關(4)，每個組(12) 包括n個平行的雙向開關(4),每個雙向開關連接至交流輸出電流(7)的相應一相，其中變換器的電網級(9)為變換器的末級且直接連接至 變壓器(5)或負荷，其中，變換器(3)的電網級(9)由開關元件(10)的二維陣列 形式的電網級堆疊體(41)形成，該電網級堆疊體(41)被布置成沿 著垂直於矩陣式變換器(3)所在平面(47)的層疊方向(62)基本上 相互平行，其中電網級堆疊體(41)的輸入由母線排(43)提供，所 述母線排安置在電網級堆疊體(41)的一側並且基本上位於平行於矩 陣式變換器(3)所在平面(47)的平面內，而電網級堆疊體(41)的 輸出由電網母線排(42)匯集而成，所述電網母線排安置在電網級堆 疊體(41)的另一側並且基本上位於平行於矩陣式變換器(3)所在平 面(47)的平面內。
5. 根據權利要求4的矩陣式變換器(3)，其特徵在於，在電網級 (9)中設有規則分布的k行(66)、每行2n個堆疊體(41)，所述堆疊體優選具有交替極性，以及與其正交的2n列(67)，所述列優選具 有相同極性。
6. 根據權利要求5的矩陣式變換器(3)，其特徵在於，母線排(43) 平行於所述行(66)，電網母線排(42)平行於所述列(67)。
7. 根據權利要求4至6之一的矩陣式變換器(3)，其特徵在於， 在第一級(8)中，發電機(1)的多相交流電流(6)中的m相中的 m/k個相在可開關元件的k個發電機堆疊體(35)中被控制，並且其 中，發電機堆疊體(35)優選定向為平行於電網級堆疊體(41)且以 附加列的形式平行於所述列的方向(67)安置於電網級堆疊體(41) 矩陣的一側。
8. 根據權利要求7的矩陣式變換器(3)，其特徵在於，每個發電 機堆疊體(35)的輸出匯集到匯集發電機級導體(42)中，所述匯集 發電機級導體被向上引導並連接至母線排(43)。
9. 根據任一前述權利要求的矩陣式變換器(3),其特徵在於，相 鄰的電網母線排以形成n相(28)的方式連接。
10. 根據任一前述權利要求的矩陣式變換器(3),其特徵在於，m 為n的整數倍，變換器包括兩級(8， 9)，在其中多相交流電流(6) 中的每一相(6)由至少一個可控雙向開關(4)控制的變換器級(8) 為第一級(8)並且直接連接至發電機(1)，而變換器的第二電網級(9) 包括m/n個組(12)的可控雙向開關(4)，每個組(12)包括n個平 行的雙向開關(4)，每個雙向開關連接至交流輸出電流(7)的相應一 相，所述電網級直接連接至變壓器(5)或負荷，並且第一級(8)的 輸入優選由發電機(1)的m相形成，其中m/n個相形成第一級(8) 的輸出，其中第一級(8)的n個優選相鄰的輸出相的組被連接，並且 每個如此形成的m/n個導體(13)連接著變換器的電網級(9)的相應 組(12)中的每個雙向開關(4)。
11. 一種電機(1)，包括定子(15)和可旋轉地且同軸地安裝在 定子中的轉子(16)，並且包括殼體(2)，定子(15)和轉子(16)基 本上安置在殼體中，還包括根據任一前述權利要求的矩陣式變換器(3)，用於變換多相交流電流，其中矩陣式變換器(3)安置於分設隔 間(27)中，該分設隔間(27)位於殼體(2)外側並且與定子(15) 基本上徑向相鄰。
12. 根據權利要求11的電機(1)，其特徵在於，定子(15)的軸 線是基本上水平的，並且隔間(27)安置在殼體(2)上方。
13. 根據權利要求11或12的電機(1)，其特徵在於，電機為發 電機(1)，並且來自矩陣式變換器(3)的定子側的輸入連接體(48) 基本上與定子(15) —側的端部繞組位於一個平面內，該平面垂直於 轉子(16)的軸線，從定子的端部繞組(15)通向矩陣式變換器(3)的輸入連接體(48)的導體(32)基本上位於該平面內。
14. 根據權利要求13電機(1)，其特徵在於，矩陣式變換器(3) 的開關元件(10)分布於多重堆疊體(35， 41)中，其中這些堆疊體(35， 41)沿著基本上垂直於矩陣式變換器(3)所在平面(47)的方 向(62)布置，所述矩陣式變換器(3)所在平面(47)基本上位於定 子(15)的切向，並且優選在殼體(2)上方。
15. 根據權利要求11至14之一的電機(1)，其特徵在於，矩陣 式變換器(3)以使其與定子(15)和轉子(16)振動解耦的方式安裝 於隔間(27)中，禾口/或隔間(27)以使其與定子(15)和轉子(16) 振動解耦的方式安裝在殼體(2)上。
16. 根據權利要求15的電機(1),其特徵在於，為了實現所述振 動解耦，矩陣式變換器(3)和/或隔間(27)被懸掛和/或安裝在緩衝 支撐體上。
17. 根據權利要求11至16之一的電機(1)，其特徵在於，電機 (1)為水平定向的發電機(1)，其產生可從所述發電機(O的定子 (15)的端部繞組獲取的多相輸出，其中該多相輸出(6)通過發電機相導體(31， 32)傳導至矩陣式變換器(3)的輸入，所述矩陣式變換 器安置在位於發電機(1)的殼體(2)上方的隔間(27)中，其中發 電機相導體(31， 32)包括豎直部分(32)以及可能會有的周向部分 (31)。
18. 根據權利要求17的電機(1)，其特徵在於，殼體(2)包括 頂部開口 (37)，隔間(27)包括位於其底壁中的貫穿開口 (33)，發 電機相導體(31， 32)被安裝成可通過隔間(27)的貫穿開口 (33) 被引導至矩陣式變換器(3)的輸入連接體(35， 41)。
19.根據權利要求18的電機(1)，其特徵在於，矩陣式變換器包 括第一級(8)，其中發電機(1)的多相交流電流(6)中的m相中的 m/k個相在可開關元件的k個堆疊體(35)被控制，並且由m/k個發 電機相導體(31， 32)形成的組被組合向上引導而傳送到矩陣式變換 器(3)。
全文摘要
一種用於將多相交流電流變換為交流輸出電流的矩陣式變換器，交流電流中的m相通過多個可控雙向開關被變換為具有n(n＜m)相負荷的交流輸出電流。變換器包括至少一級，在該級中多相交流電流中的每一相由可控雙向開關控制。所述至少一級由開關元件的二維陣列級堆疊體形成，級堆疊體布置成沿垂直於矩陣式變換器所在平面的層疊方向相互平行。級堆疊體的輸入由安置在級堆疊體一側且位於平行於矩陣式變換器平面的平面內的母線排提供。級堆疊體的輸出由安置在級堆疊體另一側且位於平行於矩陣式變換器平面的平面內的電網母線排匯集而成。本發明還涉及一種電機，包括上述矩陣式變換器，其安置在位於殼體外側並且與定子徑向相鄰的分設隔間中。
文檔編號H02P9/00GK101272099SQ20081008609
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月19日 優先權日2007年3月20日
發明者A·拉卡茲 申請人:阿爾斯通技術有限公司