專利名稱：用于可變速高功率機(jī)器的功率變換器方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及功率變換器，尤其是涉及能夠使電機(jī)在非常高功率和相對高頻率執(zhí)行變速操作的功率變換器。
背景技術(shù)：
典型地，由于熱量限制，能夠控制高電流和電壓(高電流和電壓典型地是超過200安和500伏)的半導(dǎo)體開關(guān)不能在高頻率切換。因此，由高功率變換器處理的諧波含量很高，并且在該功率信號被應(yīng)用到電機(jī)或電網(wǎng)(power grid)之前一般必須進(jìn)行顯著濾波。這種濾波增加了成本并且會對這種變換器的效率產(chǎn)生不利影響。
作為一個例子，電動機(jī)驅(qū)動裝置典型地需要高功率。然而，對于電動機(jī)驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，它會導(dǎo)致應(yīng)用到電動機(jī)的功率中存在諧波含量。此外，引入到該電網(wǎng)的噪聲還會導(dǎo)致應(yīng)用到電動機(jī)的功率衰減。這些諧波含量和噪聲會導(dǎo)致對于低循環(huán)疲勞敏感的各種成分的衰減。
一種已知的變換器配置包括串聯(lián)的多個單相變換器模塊，以試圖增加電壓電平和通過在電壓波形中增加更多電平來提高功率質(zhì)量。這種配置通常被稱為串聯(lián)層疊變換器。然而，利用串聯(lián)層疊變換器，諧波含量也會通過串聯(lián)從模塊到模塊，并且典型地在所得到的功率信號被應(yīng)用到電機(jī)或電網(wǎng)之前要執(zhí)行顯著濾波。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供一種用于變換來自電源的功率的方法。該方法包括控制耦合到電源的多個變壓器和切換設(shè)備單元，和控制并聯(lián)連接的多個變換器單元。每個變換器單元耦合到對應(yīng)的一個變壓器和切換設(shè)備單元以形成單個線。該變壓器和切換設(shè)備單元以及率變換器被控制，以使得用于每個單個線的載波波形在一個載波周期中互相交錯(interleaved)。
在另一方面，提供一種功率變換器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個網(wǎng)側(cè)(grid side)變壓器和切換設(shè)備單元，以及多個變換器單元。每個變換器單元耦合到對應(yīng)的一個變壓器和切換設(shè)備單元。每個變換器單元包括反相器。該系統(tǒng)還包括耦合到該變壓器和切換設(shè)備單元以及變換器單元的主控制器。變壓器和切換設(shè)備單元以及變換器單元的每個耦合對構(gòu)成一條線。該主控制器配置成控制來自該線的載波波形信號的交錯。
在另一方面，提供一種用于功率變換器系統(tǒng)的主控制器。該功率變換器系統(tǒng)包括多個網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元以及多個變換器單元。每個變換器單元配置成耦合到對應(yīng)的一個變壓器和切換設(shè)備單元。變壓器和切換設(shè)備單元以及變換器單元的每個耦合對構(gòu)成一條線。該主控制器包括處理器，該處理器配置成控制來自該線的載波波形信號的交錯以使得該線的載波波形信號在一個載波周期中均勻地互相交錯。


圖1是功率變換器系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖。
圖2是功率變換器系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的示意圖。
圖3是功率變換器系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
這里描述了功率變換器的特定實(shí)施例。這些實(shí)施例僅僅是以示例的方式進(jìn)行描述，其他的功率變換器配置也是可能的。一般地，這里所述的功率變換器配置包括在該電機(jī)側(cè)通過差分模式電抗器(differential mode reactor)或差分模式電抗器和共模電抗器(common mode reactor)的組合而并聯(lián)連接的背靠背功率變換器的多條線。該電機(jī)可以具有一個三相繞組或多個三相繞組。在該電網(wǎng)側(cè)，該變換器通過隔離變壓器連接。各個變換器在一個選擇的頻率上被切換。通過交錯該各條線之間的切換模式，可以同時在電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)獲得高功率質(zhì)量輸出。
圖1是功率變換器系統(tǒng)10的一個實(shí)施例的示意圖。在圖1所示的實(shí)施例中，變換器系統(tǒng)包括網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元12，其構(gòu)成四條平行線14、16、18和20。變壓器和切換設(shè)備單元12是本領(lǐng)域公知的，并且是可以從例如ABB、Alstom、Siemens和/或General ElectricCompany商業(yè)獲得的。
每條線14、16、18和20還包括線控制器22、24、26和28(這里有時也稱為變換器單元)，耦合到串聯(lián)連接的差分模式電抗器30、32、34和36以及共模電抗器38、40、42和44。在一個可選實(shí)施例中，線控制器22、24、26和28不耦合到共模電抗器38、40、42和44。
線控制器22、24、26和28是本領(lǐng)域公知的，并且是可以從例如ABB、Alstom、Siemens和/或General Electric Company商業(yè)獲得的。
每個線控制器22、24、26和28包括反相器。每條線14、16、18和20耦合到電機(jī)的各組三相電機(jī)繞組，該電機(jī)是具有多個三相繞組的同步電機(jī)。電機(jī)46可選地可以是具有多個三相繞組的異步電機(jī)。在圖1中，該電機(jī)繞組中性點(diǎn)(neutral)顯示為隔離的。然而，該中性繞組也可以連接在一起但是與地面隔離或者連接在一起并且接地。
主控制器48耦合到單元12以及每個線控制器22、24、26和28。在該示例實(shí)施例中，主控制器48是被編程以執(zhí)行控制應(yīng)用程序的基于處理器的計算機(jī)。當(dāng)然，主控制器48可以具有許多不同配置，并且不限于是計算機(jī)。例如，主控制器可以是微處理器、微控制器、微計算機(jī)、可編程邏輯控制器、專用集成電路或其他任何可編程電路。因此，如這里所使用的術(shù)語處理器，不僅限于本領(lǐng)域中所指的那些集成電路例如計算機(jī)，而是寬泛地指代微處理器、微控制器、微計算機(jī)、可編程邏輯控制器、專用集成電路或其他任何可編程電路，并且這些術(shù)語在這里可以互換使用。
主控制器48直接調(diào)節(jié)可控電機(jī)參數(shù)并且將適當(dāng)?shù)膮⒖紓鬏數(shù)骄€控制器22、24、26和28。主控制器48還同步線控制器22、24、26和28的操作。每個單個線控制器22、24、26和28調(diào)節(jié)在單條線14、16、18和20中的差分模式和共模電流，并且生成用于控制反相器的切換狀態(tài)的最終參考。
在操作中，主控制器48和每個線控制器22、24、26和28控制線14、16、18和20的交錯。更特別地，各條線14、16、18和20的載波波形在一個載波周期內(nèi)均勻地互相交錯。例如，對于四條線，每個載波被設(shè)置成與相鄰線中的載波隔開90度或45度(相對于該載波周期)。這就使得有效切換頻率等于2×(線數(shù))×(n-1)其中n等于系統(tǒng)中的電平數(shù)。
一般地，隨著電機(jī)電流諧波頻譜中的變化暗示，該相移可以在0到180度之間。最優(yōu)相移也將取決于系統(tǒng)中使用的線數(shù)量。具有平行的線會導(dǎo)致線之間存在差分模式電壓或者線之間存在差分模式和共用電壓，這取決于DC鏈路和/或網(wǎng)側(cè)變壓器中的連接。所得到的差分模式和共模電流(如果存在的話)會受到電抗器和控制算法的選擇的限制。
該系統(tǒng)可以被設(shè)計成使得每條線控制其個體的電流。為了有助于最小化線之間的差分和共模電壓的影響，可以增加額外的調(diào)節(jié)器，用于測量實(shí)際的交叉電流(在線之間流動但是不流入負(fù)載中的電流)，并且通過向各個線電流控制器的輸出增加小的電壓校正來將它們調(diào)節(jié)到零。在另一實(shí)施例中，可以使用主控制器，其直接調(diào)節(jié)負(fù)載電流。然后該控制器的輸出將被傳送到每條線，其中將增加跨電流調(diào)節(jié)器的線的電壓校正并且使用該結(jié)果作為電壓控制中的電壓命令。這些控制方法中的任何一種都可以應(yīng)用到這里所述的硬件配置中。
圖2是功率變換器系統(tǒng)60的另一實(shí)施例的示意圖。在圖2所示的實(shí)施例中，變換器系統(tǒng)包括網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元62，其具有四條平行線64、66、68和70。每條線64、66、68和70還包括線控制器72、74、76和78(這里有時也稱為變換器單元)，其耦合到串聯(lián)連接的差分模式電抗器80、82、84和86以及共模電抗器88、90、92和94。每個線控制器72、74、76和78包括反相器。每條線64、66、68和70耦合到電機(jī)96的各組三相電機(jī)繞組，該電機(jī)是具有多個三相繞組的同步電機(jī)。可選地，電機(jī)96也可以是具有多個三相繞組的異步電機(jī)。在圖2中，該電機(jī)繞組中性點(diǎn)顯示為隔離的。然而，該中性繞組也可以連接在一起但是與地面隔離或者連接在一起并且接地。更特別地，在每個實(shí)施例中，每條線包括耦合在該共模電抗器和各個切換設(shè)備單元之間的每個部件。
主控制器98耦合到單元62以及每個線控制器72、74、76和78。主控制器98直接調(diào)節(jié)可控電機(jī)參數(shù)并且將適當(dāng)?shù)膮⒖紓鬏數(shù)骄€控制器72、74、76和78。主控制器98還同步線控制器72、74、76和78的操作。每個單個線控制器72、74、76和78調(diào)節(jié)在單條線64、66、68和70中的差分模式和共模電流，并且生成用于控制反相器的切換狀態(tài)的最終參考。
系統(tǒng)60的操作與圖1所示系統(tǒng)的操作類似，但是對于系統(tǒng)60，在載波中的相移之外，基礎(chǔ)參考電壓也會相移適當(dāng)?shù)南辔唤恰Ｔ撓嘁迫Q于三相組的數(shù)量和在該電機(jī)內(nèi)使用的特定繞組分布。在系統(tǒng)60的典型實(shí)施例中，該特定的繞組被選擇以便最小化該電機(jī)氣隙中的磁場不均勻分布的影響，該影響將導(dǎo)致非正弦BEMF(反向電磁力)，其即使在良好的正弦激勵下也會導(dǎo)致額外的損耗和不均勻轉(zhuǎn)矩。在一個實(shí)施例中，對于平衡系統(tǒng)，三個相位每60電度重復(fù)一次。在另一實(shí)施例中，有兩個三相組，使用六個相位，每個三相組之間的30度位移使得重復(fù)速率加倍，每30度就重復(fù)一次。
圖3是功率變換器系統(tǒng)110的另一實(shí)施例的示意圖。在圖3所示的實(shí)施例中，變換器系統(tǒng)110包括網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元112，其具有四條平行線114、116、118和120。每條線114、116、118和120還包括反相器單元122、124、126和128，其耦合到串聯(lián)連接的差分模式電抗器130、132、134和136以及共模電抗器138、140、142和144。每條線114、116、118和120耦合到電機(jī)146的三相電機(jī)繞組，該電機(jī)是三相同步電機(jī)?？蛇x地，電機(jī)146也可以是三相異步電機(jī)。在圖3中，該電機(jī)繞組中性點(diǎn)顯示為隔離的。然而，該中性點(diǎn)也可以接地。
主控制器148耦合到每個線控制器122、124、126和128。主控制器148直接調(diào)節(jié)可控電機(jī)參數(shù)并且將適當(dāng)?shù)膮⒖紓鬏數(shù)骄€控制器122、124、126和128。主控制器148還同步線控制器122、124、126和128的操作。每個單個線控制器122、124、126和128調(diào)節(jié)在單條線114、116、118和120中的差分模式和共模電流，并且生成用于控制反相器的切換狀態(tài)的最終參考。
系統(tǒng)110的操作與圖1所示系統(tǒng)的操作類似，但是對于系統(tǒng)110，在載波中的相移之外，基礎(chǔ)參考電壓也會相移適當(dāng)?shù)南辔唤?。這就導(dǎo)致了由于每個三相組的相移載波而導(dǎo)致的三相電機(jī)電流中的諧波消除，以及由于相移基礎(chǔ)而導(dǎo)致的氣隙中的諧波消除。因此，增加相移基礎(chǔ)有助于增加重復(fù)速率以便有效地消除低頻。
上述變換器系統(tǒng)有助于提高非常高功率變換器(即在超過幾百KW范圍內(nèi)工作的功率變換器)的輸出功率質(zhì)量。這種功率質(zhì)量是通過在多個變換器單元之間交錯切換事件來獲得的，從而通過等于該單元數(shù)量的因子來提高由負(fù)載看到的有效切換頻率。該增加的“有效”切換頻率導(dǎo)致低輸出電流脈動，并且在電機(jī)的情形中導(dǎo)致低轉(zhuǎn)矩波動。該系統(tǒng)還有助于提高通過多個并行單元的功率電平，并且通過允許在一條或多條線故障和停止工作的緊急條件下工作而為需要高可靠性工作的電機(jī)提供了冗余性。然后，該系統(tǒng)將在減少功率和轉(zhuǎn)矩量的情況下工作，但是總體工作不需要中斷。
此外，這種系統(tǒng)配置有助于減少電機(jī)中的電流和電壓應(yīng)力(dv/dt)。在電機(jī)終端處的高功率質(zhì)量減少了電機(jī)絕緣中由于過電壓和高dv/dt而導(dǎo)致的應(yīng)力。這種配置還提供了電機(jī)中減少的承載電流和變換器單元中減少的切換損耗，這是因?yàn)楦鱾€變換器單元可以在相對較低的切換頻率工作同時維持高效的系統(tǒng)切換頻率。此外，對于長電纜，這種配置有助于減少諧振，因?yàn)樵撚行У慕诲e電壓具有更低的dv/dts和更低幅度的電壓階躍。
雖然本發(fā)明是以各種特定實(shí)施例的形式描述的，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，可以在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行修改來實(shí)施。
部件列表10功率變換器系統(tǒng)12變壓器和切換設(shè)備單元14線16線18線20線22線控制器或變換器單元24線控制器或變換器單元26線控制器或變換器單元28線控制器或變換器單元30差分模式電抗器
32差分模式電抗器34差分模式電抗器36差分模式電抗器38共模電抗器40共模電抗器42共模電抗器44共模電抗器46電機(jī)48主控制器60功率變換器系統(tǒng)62變壓器和切換設(shè)備單元64線66線68線70線72線控制器或變換器單元74線控制器或變換器單元76線控制器或變換器單元78線控制器或變換器單元80差分模式電抗器82差分模式電抗器84差分模式電抗器86差分模式電抗器88共模電抗器90共模電抗器92共模電抗器94共模電抗器96電機(jī)98主控制器110功率變換器系統(tǒng)112變壓器和切換設(shè)備單元114線
116線118線120線122線控制器或變換器單元124線控制器或變換器單元126線控制器或變換器單元128線控制器或變換器單元130差分模式電抗器132差分模式電抗器134差分模式電抗器136差分模式電抗器138共模電抗器140共模電抗器142共模電抗器144共模電抗器146電機(jī)148主控制器
權(quán)利要求
1.一種功率變換器系統(tǒng)(10)，包括多個網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元(12)；多個變換器單元(22，24，26，28)，每個所述變換器單元耦合到對應(yīng)的一個所述變壓器和切換設(shè)備單元，每個所述變換器單元包括反相器；以及主控制器(48)，耦合到所述變壓器和切換設(shè)備單元以及所述變換器單元，所述變壓器和切換設(shè)備單元以及所述變換器單元的每個耦合對包括一條線(14，16，18，20)，所述主控制器配置成控制來自所述線的載波波形信號的交錯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括耦合到所述變換器單元(22，24，26，28)的至少一個差分模式電抗器(30，32，34，36)和共模電抗器(38，40，42，44)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述變換器單元(22，24，26，28)包括反相器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述變換器單元(22，24，26，28)耦合到電機(jī)的三相電機(jī)繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中所述主控制器(48)包括處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其中用于所述線(14，16，18，20)的每個載波波形信號在一個載波周期上均勻地互相交錯。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，包括四條線(14，16，18，20)，并且其中所述主控制器(48)控制所述線的交錯以使得每個載波波形被設(shè)置成相對于載波周期與相鄰線中的載波隔開90度和45度中的至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(10)，其中所述變換器系統(tǒng)以等于下式的有效切換頻率工作2×(線數(shù))×(n-1)其中n等于系統(tǒng)中的電平數(shù)。
9.一種用于功率變換器系統(tǒng)(10)的主控制器(48)，該功率變換器系統(tǒng)包括多個網(wǎng)側(cè)變壓器和切換設(shè)備單元(12)以及多個變換器單元(22，24，26，28)，每個變換器單元配置成耦合到對應(yīng)的一個變壓器和切換設(shè)備單元，變壓器和切換設(shè)備單元以及變換器單元的每個耦合對包括一條線(14，16，18，20)，所述主控制器包括處理器，其配置成控制來自該線的載波波形信號的交錯以使得用于該線的載波波形信號在一個載波周期上均勻地互相交錯。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的主控制器(48)，其中該系統(tǒng)(10)包括四條線(14，16，18，20)，并且其中所述主控制器控制該線的交錯以使得每個載波波形被設(shè)置成相對于載波周期與相鄰線中的載波隔開90度和45度中的至少一個。
全文摘要
描述了用于變換來自電源的功率的方法和設(shè)備。在一個示例性實(shí)施例中，該方法包括控制耦合到電源的多個變壓器和切換設(shè)備單元(12)，以及控制并聯(lián)連接的多個變換器單元(22，24，26，28)。每個變換器單元耦合到對應(yīng)的一個變壓器和切換設(shè)備單元以形成單個線(14，16，18，20)。該變壓器和切換設(shè)備單元以及功率變換器被控制以使得每條單個線的載波波形在一個載波周期上互相交錯。
文檔編號H02M1/12GK1953318SQ200610131889
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者A·M·里特, R·S·張, L·J·加塞斯, R·達(dá)塔, R·拉朱, M·E·舍帕德 申請人:通用電氣公司