專利名稱：包括電力轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)變壓器的電力系統(tǒng)及其組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的主旨大體上涉及電力裝置，并且更具體地涉及包括電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備和可旋轉(zhuǎn)電力變壓器的系統(tǒng)以及組裝這樣的系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
至少一些已知的電力系統(tǒng)包括多個滑環(huán)及關(guān)聯(lián)的電刷以將電力從靜止電氣裝置轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)電裝置。例如，電力經(jīng)由滑環(huán)和電刷傳送到許多已知的風(fēng)力渦輪機槳距機構(gòu)的電動馬達驅(qū)動器。相似地，電力經(jīng)由滑環(huán)和電刷傳送到許多已知的同步發(fā)電機的勵磁裝置。然而，大多數(shù)已知的滑環(huán)耦合于旋轉(zhuǎn)元件并且電刷典型地耦合于靜止電刷架或環(huán)。這些靜止電刷需要與旋轉(zhuǎn)滑環(huán)物理接觸以在滑環(huán)和電刷之間建立足夠的導(dǎo)電性。因為大多數(shù)已知的電刷包括碳作為主要傳導(dǎo)成分并且碳是相對柔軟和易碎物質(zhì)，由于在操作期間的接觸導(dǎo)致電刷的機械磨損是固有的。因此，大多數(shù)已知的電刷需要對與滑環(huán)的正確接觸和磨損的例行操作檢查。同樣，這些已知的電刷隨著逐漸操作磨損而需要例行更換。此外，電刷中的一些與其他電刷相比，其的不均勻磨損可需要更頻繁的檢查和計劃內(nèi)的設(shè)備停機以及/或提前或計劃外的設(shè)備停機。此外，電刷的固有磨損形成碳塵，其是傳導(dǎo)的、有磨蝕作用并且可能有危害，由此需要對附近設(shè)備進行另外的并且更頻繁的檢查以及對這樣的附近設(shè)備進行維護清洗的頻率增加。檢查、清洗和電刷更換的這樣的頻率增加導(dǎo)致與這樣的電力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的操作成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供組裝電力系統(tǒng)的方法。該方法包括將電力轉(zhuǎn)換器耦合于電流源。 該方法還包括將旋轉(zhuǎn)變壓器的靜止部分耦合于該電力轉(zhuǎn)換器。該方法進一步包括將該旋轉(zhuǎn)變壓器的可旋轉(zhuǎn)部分耦合于負載裝置。在另一個方面，提供換向裝置(commutation device) 0該換向裝置包括變壓器裝置。該變壓器裝置包括可旋轉(zhuǎn)部分。該換向裝置還包括操作地耦合于該變壓器裝置的電力轉(zhuǎn)換器。在再另一個方面，提供電力系統(tǒng)。該電力系統(tǒng)包括耦合于電流源的大致上靜止的初級部分。該大致上靜止的初級部分包括電力轉(zhuǎn)換器。該電力系統(tǒng)還包括可旋轉(zhuǎn)次級部分， 其電磁耦合于該大致上靜止的初級部分。


當(dāng)下列詳細說明參照附圖(其中整個圖中相似的符號代表相似的部件)閱讀時， 本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中圖1是示范性電力系統(tǒng)的示意圖；圖2是可與在圖1中示出的電力系統(tǒng)一起使用的示范性旋轉(zhuǎn)變壓器的示意圖；以及
圖3是組裝在圖1中示出的電力系統(tǒng)的示范性方法的流程圖。除非另外指出，本文提供的附圖意在說明本發(fā)明的關(guān)鍵發(fā)明性特征。這些關(guān)鍵發(fā)明性特征認為能適應(yīng)于很多種系統(tǒng)，其包括本發(fā)明的一個或多個實施例。如此，附圖不意在包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員知道的用于實踐本發(fā)明所需要的所有常規(guī)特征。
具體實施例方式在下列說明書和跟隨的權(quán)利要求中，將對許多術(shù)語做出引用，其將限定為具有下列含義。單數(shù)形式“一”和“該”包括復(fù)數(shù)個指代物，除非上下文中另外明確地指明?！翱蛇x的”或“可選地”意味隨后描述的事件或情形可能或可能不發(fā)生，并且該描述包括其中所述事件或情形發(fā)生的實例和其中它不發(fā)生的實例。如本文在整個說明書和權(quán)利要求中使用的近似性語言，可適應(yīng)于修飾任何數(shù)量表示，其可以容許地改變而不導(dǎo)致其涉及的基本功能的變化。因此，由術(shù)語或多個術(shù)語、例如 “大約”和“大致上”修飾的值，不限于規(guī)定的精確值。在至少一些實例中，該接近性語言可對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精確度。在這里和整個說明書和權(quán)利要求中，范圍限制可組合和/或互換，這樣的范圍被識別并且包括包含在其中的所有子范圍，除非上下文或語言另有指示。本文描述的示范性系統(tǒng)和方法通過提供具有旋轉(zhuǎn)元件的電力系統(tǒng)以便于在沒有滑環(huán)和電刷情況下傳送電力而克服已知的電力系統(tǒng)的劣勢。具體地，該電力系統(tǒng)包括與旋轉(zhuǎn)變壓器串聯(lián)耦合的電力轉(zhuǎn)換器。更具體地，該電力系統(tǒng)包括電力轉(zhuǎn)換器，其包括串聯(lián)耦合的高頻方波交流電(AC)變頻器(frequency inverter)、諧振去耦電容器和次級側(cè)整流器。 該電力系統(tǒng)還包括次級側(cè)去耦電容器，其耦合于旋轉(zhuǎn)變壓器的靜止初級繞組。此外，更具體地，該電力系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)次級側(cè)整流器，其耦合于旋轉(zhuǎn)變壓器的可旋轉(zhuǎn)次級繞組。該電力系統(tǒng)包括耦合在可旋轉(zhuǎn)次級繞組和電負載之間的次級側(cè)大容量電容器(bull capacitor) 0 滑環(huán)及關(guān)聯(lián)的電刷的消除便于降低與檢查、更換和清洗活動(這些活動典型地與電刷磨蝕關(guān)聯(lián))關(guān)聯(lián)的操作成本。同樣，降低由于不均勻或另外加速的電刷磨蝕引起設(shè)備提前或計劃外停機，由此便于增加設(shè)備的可靠性。此外，旋轉(zhuǎn)變壓器的初級和次級繞組耦合于底座結(jié)構(gòu)，其便于當(dāng)繞組和鄰近部件作為散熱裝置操作時熱從這些繞組和鄰近部件中去除。此外，大體積靜止變壓器的消除便于減小這樣的電力系統(tǒng)的物理尺寸和重量，由此便于降低成本。圖1是示范性電力系統(tǒng)100的示意圖。在示范性實施例中，電力系統(tǒng)100是電換向裝置并且包括初級部分102和次級部分104。初級部分102包括耦合裝置106，其將初級部分102耦合到交流電(AC)源108。AC源108是使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的在任何額定電壓、任何額定功率和任何額定頻率的三相AC源或單相AC源。同樣，在示范性實施例中，初級部分102包括經(jīng)由耦合裝置106耦合于AC源108 的電力轉(zhuǎn)換器110。電力轉(zhuǎn)換器110包括整流器112，其包括使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何整流裝置(未示出)，該整流裝置無限制地包括采用半橋和全橋配置的整流器二極管。電力轉(zhuǎn)換器Iio還包括耦合于整流器112的直流電(DC)鏈路114，其中 DC鏈路114包括正極軌113和負極軌115。DC鏈路114包括至少一個輸入平滑電容裝置
4116，其便于減少傳入的整流DC電力的DC紋波。電力轉(zhuǎn)換器110進一步包括耦合于DC鏈路116的逆變器120。在示范性實施例中， 逆變器120是高頻方波半橋逆變器。備選地，逆變器120是使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何逆變器裝置，其無限制地包括全橋轉(zhuǎn)換器。同樣，在示范性實施例中，逆變器120包括任何數(shù)量的使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何電子裝置122， 其無限制地包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。 經(jīng)由使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何手段實現(xiàn)對逆變器120的控制，該手段無限制地包括通過射頻(RF)裝置和固定在其中的固件耦合于逆變器120的控制器。備選地，不對AC電力整流，電力系統(tǒng)100包括備選電力轉(zhuǎn)換器(未示出)，其包括逆變器120，該逆變器120耦合于使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的在任何額定電壓和任何額定功率的DC電源。此外，在示范性實施例中，初級部分102包括至少一個諧振去耦電容器124，其耦合于逆變器120并且在電子裝置122的下游。備選地，諧振去耦電容器IM可包括多個諧振去耦電容器126和128(都虛線示出)且在電子裝置122的上游，或可用該多個諧振去耦電容器1 和128(都虛擬示出)替代。諧振去耦電容器1 耦合于正極軌113并且諧振去耦電容器1 耦合于負極軌115。不管配置如何，諧振去耦電容器124、1 和1 具有總電容值C。在示范性實施例中，電力系統(tǒng)100包括旋轉(zhuǎn)變壓器130，其包括安置在電力系統(tǒng) 100的初級部分102內(nèi)的初級段132和安置在電力系統(tǒng)100的次級部分104內(nèi)的次級段 134。旋轉(zhuǎn)變壓器130的初級段132包括耦合于逆變器120的多個初級繞組136。而且，初級段132具有雜散電感138，其中如本文使用的雜散電感包括初級部分102內(nèi)分布的電感的總和，并且雜散電感138具有總電感值L。由諧振去耦電容器124、126和/或1 抵消雜散電感138，由此便于輸出電壓剛度獨立于初級繞組136下游的任何負載。同樣，在示范性實施例中，電力系統(tǒng)100的次級部分104包括旋轉(zhuǎn)變壓器130的次級段134。次級段134包括電磁耦合于初級繞組136的次級繞組140。次級部分104還包括能旋轉(zhuǎn)地耦合于次級繞組140的整流器142。整流器142包括使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何整流裝置(未示出)，其無限制地包括整流器二極管。次級段134 還包括能旋轉(zhuǎn)地耦合于整流器142的DC鏈路144。DC鏈路144包括至少一個輸出平滑電容裝置146，其便于減少傳出的整流DC電力的DC紋波。電力系統(tǒng)100的次級部分104能旋轉(zhuǎn)地耦合于負載裝置150。在示范性實施例中，負載裝置150是DC裝置。備選地，負載裝置150是AC裝置并且與逆變器120相似的逆變器安置在負載裝置150和整流器142之間。在一些實施例中，負載裝置150與在次級繞組140內(nèi)感生的AC電壓兼容并且消除了整流器142、DC鏈路144和電容裝置146，并且負載裝置150直接耦合于次級繞組140。旋轉(zhuǎn)變壓器130在下文進一步論述。在操作中，電力系統(tǒng)100起到電換向裝置的作用。AC源108傳送在任何電壓、任何電流、以任何頻率的三相AC或單相AC (其使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作)以為負載裝置150提供必需的電力。電力轉(zhuǎn)換器110經(jīng)由耦合裝置106接收從AC源108傳送的電力。電力轉(zhuǎn)換器110的整流器112對AC電壓整流并且產(chǎn)生大致上DC電壓，其至少部分由DC鏈路114的輸入平滑電容裝置116平滑，由此便于減少傳入的整流DC電壓的DC紋波。整流的DC電壓傳送到逆變器120，其產(chǎn)生AC電壓并且傳送AC電壓到初級繞組136。 備選地，DC源傳送DC電力到逆變器120。在示范性實施例中，電子裝置122的開關(guān)頻率是在由如下關(guān)系定義的范圍中0. 8/ [2* π *sqrt (L*C) ] < f < 1· 5/ [2* π *sqrt (L*C)]方程(1)其中，L代表雜散電感138的總電感值，C代表諧振去耦電容器124、126和128的總電容值，并且f代表開關(guān)頻率。此外，在示范性實施例中，選擇C和L的值以確定近似1 千赫(kHz)至200kHz之間的開關(guān)頻率。同樣，在操作中，初級繞組136電磁耦合于次級繞組140并且在該次級繞組140中感生AC電壓。感生的AC電壓傳送到整流器142，其對感生的AC電壓整流并且產(chǎn)生大致上 DC電壓，該大致上DC電壓至少部分由DC鏈路114的輸入平滑電容裝置116平滑，由此便于減少傳出的整流DC電壓的DC紋波。負載裝置150接收整流DC電壓并且由其驅(qū)動。圖2是與電力系統(tǒng)100(在圖1中示出)一起使用的示范性旋轉(zhuǎn)變壓器130的示意圖。旋轉(zhuǎn)變壓器130包括靜止部分162和可旋轉(zhuǎn)部分164，其與靜止部分162軸向并且對稱相對。在示范性實施例中，靜止部分162包括初級繞組136并且可旋轉(zhuǎn)部分164包括次級繞組140。備選地，靜止部分162包括次級繞組140并且可旋轉(zhuǎn)部分164包括初級繞組 136。初級繞組136和次級繞組140嵌套在半E芯166中。備選地，初級繞組136和次級繞組140嵌套在使電力系統(tǒng)100能夠如本文描述的那樣操作的任何芯配置中，其無限制地包括半U芯。半E芯166耦合于初級支承板168和次級支承板169。除對半E芯166和繞組 136以及140提供支承之外，支承板168和169充當(dāng)散熱裝置以便于分別從逆變器120的電子裝置122和初級繞組136(都在圖1中示出)以及整流器142中的二極管整流器和次級繞組140(都在圖1中示出)中將熱轉(zhuǎn)移出去。旋轉(zhuǎn)變壓器130限定軸向旋轉(zhuǎn)軸線170，可旋轉(zhuǎn)部分164繞其旋轉(zhuǎn)，如由旋轉(zhuǎn)箭頭172示出的。在操作中，靜止初級繞組136通過初級AC電壓通電，該初級AC電壓具有預(yù)定電壓幅度和從逆變器120(在圖1中示出)傳送的預(yù)定頻率。在初級繞組136和初始靜止次級繞組140之間建立電磁場(未示出)。以預(yù)定電壓值在次級繞組140內(nèi)感生次級AC電壓， 該預(yù)定電壓值是變壓器130的初級AC電壓和變壓比的函數(shù)。該次級AC電壓具有與初級AC 電壓的頻率大致上相似的頻率。該次級AC電壓傳送到整流器142(在圖1中示出)并且整流成具有預(yù)定電壓幅度的DC電壓。該DC電壓感生DC電流，其傳送到負載裝置150，該負載裝置150從大致上靜止?fàn)顟B(tài)加速到以預(yù)定旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)負載裝置150還在旋轉(zhuǎn)箭頭172的方向上使DC鏈路144、整流器142和次級繞組140旋轉(zhuǎn)。圖3是組裝電力系統(tǒng)100(在圖1中示出)的示范性方法200的流程圖。在示范性實施例中，電力轉(zhuǎn)換器110(在圖1中示出)耦合O02)于電流源，即AC源108(在圖1 中示出)或DC源。同樣，在示范性實施例中，旋轉(zhuǎn)變壓器130(在圖1和2中示出)的靜止部分162(在圖2中示出)耦合204于電力轉(zhuǎn)換器(110)。此外，在示范性實施例中，旋轉(zhuǎn)變壓器130的可旋轉(zhuǎn)部分164(在圖1中示出)耦合于負載裝置150(在圖1中示出)。上文描述的電力系統(tǒng)提供用于在電力系統(tǒng)操作期間提高電力系統(tǒng)可靠性的成本有效的方法。具體地，該電力系統(tǒng)便于在沒有滑環(huán)和電刷情況下傳送電力。該電力系統(tǒng)包括與旋轉(zhuǎn)變壓器串聯(lián)耦合的電力轉(zhuǎn)換器。更具體地，該電力系統(tǒng)包括電力轉(zhuǎn)換器，其包括串聯(lián)耦合的高頻方波交流電(AC)變頻器、諧振去耦電容器和次級側(cè)整流器。該電力系統(tǒng)還包括次級側(cè)去耦電容器，其耦合于旋轉(zhuǎn)變壓器的靜止初級繞組。此外，該電力系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)次級側(cè)整流器，其耦合于旋轉(zhuǎn)變壓器的可旋轉(zhuǎn)次級繞組。另外，該電力系統(tǒng)包括耦合在可旋轉(zhuǎn)次級繞組和電負載之間的次級側(cè)大容量電容器。滑環(huán)及關(guān)聯(lián)的電刷的消除便于降低與檢查、更換和清洗活動(其典型地與電刷磨蝕關(guān)聯(lián))關(guān)聯(lián)的操作成本。同樣，降低由于不均勻或另外加速的電刷磨蝕引起設(shè)備提前或計劃外停機，由此便于增加設(shè)備的可靠性。此外，旋轉(zhuǎn)變壓器的初級和次級繞組耦合于底座結(jié)構(gòu)，其便于當(dāng)繞組和鄰近部件作為散熱裝置操作時熱從這些繞組和鄰近部件中去除。此外，大體積靜止變壓器的消除便于減小這樣的電力系統(tǒng)的物理尺寸和重量，由此便于降低成本。用于操作和組裝電力系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法的示范性實施例在上文詳細描述。系統(tǒng)和方法不限于本文描述的具體實施例，相反地，系統(tǒng)的部件和/或方法的步驟可獨立并且與本文描述的其他部件和/或步驟分開使用。例如，系統(tǒng)和方法還可結(jié)合其他旋轉(zhuǎn)引擎系統(tǒng)和方法使用，并且不限于只用本文描述的電力系統(tǒng)實踐。相反，示范性實施例可以連同許多其他旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)和使用。盡管本發(fā)明的各種實施例的具體特征可在一些圖中而不在其他圖中示出，這僅是為了方便。此外，在上文的描述中對“一個實施例”的引用不意在解釋為排除也包含列舉的特征的另外的實施例的存在。根據(jù)本發(fā)明的原理，圖的任何特征可結(jié)合任何其他圖的任何特征來引用和/或要求保護。該書面描述使用示例以公開本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想起的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則規(guī)定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。部件列表
權(quán)利要求
1.一種換向裝置(100)，其包括變壓器裝置(130)，其包括可旋轉(zhuǎn)部分(164)；和操作地耦合于所述變壓器裝置的電力轉(zhuǎn)換器(110)。
2.如權(quán)利要求1所述的換向裝置(100)，其進一步包括耦合于所述變壓器裝置(130) 的至少一個整流器(112/142)。
3.如權(quán)利要求1所述的換向裝置(100)，其中所述變壓器裝置(130)包括靜止部分 (162)，其包括耦合于所述電力轉(zhuǎn)換器(110)的多個初級繞組(136)，所述可旋轉(zhuǎn)部分(164) 包括關(guān)于所述多個初級繞組能旋轉(zhuǎn)的多個次級繞組(140)，所述多個次級繞組耦合于至少一個整流器(142)。
4.如權(quán)利要求3所述的換向裝置(100)，其中所述變壓器裝置(130)包括至少一個初級側(cè)散熱裝置(168)，其耦合于所述電力轉(zhuǎn)換器(110)和所述多個初級繞組(136)中的至少一個；和至少一個次級側(cè)散熱裝置(169)，其耦合于所述整流器(14 和所述多個次級繞組 (140)中的至少一個。
5.如權(quán)利要求1所述的換向裝置(100)，其中所述變壓器裝置(130)至少部分限定雜散電感，所述換向裝置進一步包括至少一個電容裝置(1M/126/U8)，其與所述雜散電感配合以確定所述電力轉(zhuǎn)換器(110)的開關(guān)頻率。
6.如權(quán)利要求1所述的換向裝置(100)，其中所述變壓器裝置(130)的所述可旋轉(zhuǎn)部分(164)能旋轉(zhuǎn)地耦合于可旋轉(zhuǎn)負載裝置(150)，并且其中所述負載裝置由所述變壓器裝置供電，從而引起所述變壓器裝置的所述可旋轉(zhuǎn)部分進行旋轉(zhuǎn)運動。
7.如權(quán)利要求1所述的換向裝置(100)，其中所述電力轉(zhuǎn)換器(110)包括下列中的至少一個半橋整流器(112)，其耦合于單相和三相交流電(AC)源(108)中的至少一個；全橋整流器(112)，其耦合于單相和三相AC源(108)中的至少一個；半橋逆變器(120)，其耦合于所述變壓器裝置(130)內(nèi)的多個初級繞組(136)；和全橋整流器(120)，其耦合于所述變壓器裝置內(nèi)的多個初級繞組。
8.一種電力系統(tǒng)(100)，其包括耦合于電流源的大致上靜止的初級部分，所述大致上靜止的初級部分包括電力轉(zhuǎn)換器；和可旋轉(zhuǎn)次級部分，其電磁耦合于所述大致上靜止的初級部分。
9.如權(quán)利要求8所述的電力系統(tǒng)(100)，其中所述大致上靜止的初級部分和所述可旋轉(zhuǎn)次級部分限定旋轉(zhuǎn)變壓器。
10.如權(quán)利要求9所述的電力系統(tǒng)(100)，其中所述電力轉(zhuǎn)換器耦合于所述旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)的多個初級繞組。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括電力轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)變壓器的電力系統(tǒng)及其組裝方法。換向裝置(100)包括變壓器裝置(130)，其包括可旋轉(zhuǎn)部分(164)和操作地耦合于該變壓器裝置的電力轉(zhuǎn)換器(110)。
文檔編號H02M5/458GK102570849SQ20111042705
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者K·基爾伯格 申請人:通用電氣公司