多相電力驅(qū)動器及其功率單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多相電力驅(qū)動器領(lǐng)域，更特別地，涉及具有電容器組電壓監(jiān)控的多相 電力驅(qū)動器。
【背景技術(shù)】
[0002] 級聯(lián)型多相電力驅(qū)動器在工業(yè)上用來向交流電動機提供可變電力。這些相同的驅(qū) 動器可以用在不具體涉及電動機但需要可變輸出電壓或頻率的其他應用中。典型的驅(qū)動器 具有交流輸入電源和一些類型的轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換裝置常使用固態(tài)器件，用于將固定的交流 輸入電壓轉(zhuǎn)換成可變電壓和/或可變頻率的輸出。美國專利5, 625, 545中描述了這樣一種 類型的驅(qū)動器，通過引用的方式將該專利合并于此。該專利描述了被用作驅(qū)動器的電源，該 電源使用若干被布置成產(chǎn)生三相交流輸出的功率單元。這樣的多個串聯(lián)的功率單元可用于 提供比單個功率單元更高的電壓輸出。在這些功率單元中，整流器的直流電流通常與輸出 變流器的直流電流匹配，然而瞬時紋波電流通常不匹配。優(yōu)選地，提供平滑電容器來輸送差 分紋波電流，平滑電容器可以起到電流平滑濾波器的作用。電容器是電容器組的代表，其精 確的值取決于感性負載的功率要求。
[0003] 使用中間電壓(例如，在400V之上)的功率單元的直流電容器組經(jīng)常使用串聯(lián)的兩 個或三個電解電容器。如果使用兩電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，則不測量這些電容器之間的中間 電位的電壓。
[0004] 當電解電容器過載時，它們不是熱穩(wěn)定的，這會導致由蒸發(fā)的液體電解質(zhì)引發(fā)的 強烈爆炸。由于安全和連帶的損害，必須避免這種爆炸。因為由老化或缺陷引起的各個電 容器的不相等的參數(shù)會導致串聯(lián)連接的電容器之間極度不相等的電壓共享，所以對串聯(lián)連 接的電容器的總電壓進行監(jiān)控是不夠的。
[0005] 因此，對串聯(lián)中的單個電容器的電壓進行監(jiān)控非常有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的目的是提供與多相交流負載一起使用的多相電力驅(qū)動器，包括多 相電力變壓器和多個功率單元，多相電力變壓器包括至少一個一次繞組和多個二次繞組， 所述一次繞組電連接到多相交流電源交流電源，所述第一數(shù)量的功率單元中的每個都具有 與所述多個二次繞組中相應的一個二次繞組連接的輸入端，所述多個功率單元中的每個都 具有到多相交流負載的單相可控制的輸出端，并且所述多個功率單元與能夠連接到所述多 相交流負載的每條相輸出線路中的所述功率單元中相應的其它功率單元串聯(lián)連接；所述功 率單元中的每個都包括：整流器、電容器組、電壓測量器件、和控制系統(tǒng)；所述整流器適于 將來自相應的二次繞組的輸入電力轉(zhuǎn)換成直流電壓；所述電容器組通過DC+和DC-連接到 所述整流器的輸出端，其中：所述電容器組包括串聯(lián)連接的多個電容器集合，所述電容器集 合中的每個都包括一個電容器或并聯(lián)連接的多個電容器元件；所述電壓測量器件適于測量 相對于電容器組的DC+和DC-的其中一個的電位，位于DC+和DC-中的另一個以及串聯(lián)連 接的電容器集合中連接點的各個電壓；所述控制系統(tǒng)適于基于電容器組的DC+和DC-之間 已測量的電壓對所述多個功率單元進行控制，并基于已測量的各個電壓對所述多個電容器 集合上的故障進行監(jiān)控。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種在多相電力驅(qū)動器中使用的功率單元，包括： 整流器、電容器組、電壓測量器件、和控制系統(tǒng)；所述整流器適于將來自相應的二次繞組的 輸入電力轉(zhuǎn)換成直流電壓；所述電容器組通過DC+和DC-連接到所述整流器的輸出端， 其中，所述電容器組包括串聯(lián)連接的多個電容器集合，每個所述電容器集合包括一個電容 器或并聯(lián)連接的多個電容器元件；所述電壓測量器件適于測量相對于電容器組的DC+和 DC-的其中之一的電位，位于DC+和DC-中的另一個以及串聯(lián)連接的電容器集合中的連接點 的各個電壓；所述控制系統(tǒng)適于基于電容器組的DC+和DC-之間已測量的電壓對所述多個 功率單元進行控制，并基于已測量的各個電壓對所述多個電容器集合上的故障進行監(jiān)控。
[0008] 通過具有這種電容器組電壓監(jiān)控系統(tǒng)，可以保護電容器避免在每個電容器上發(fā)生 過壓。
【附圖說明】
[0009] 根據(jù)附圖示出的優(yōu)選的示例性實施例，下文將對本發(fā)明的主題進行更詳細的說 明，其中：
[0010] 圖1示出了每相具有三個功率單元的級聯(lián)型多相電力驅(qū)動器的功率電路圖；
[0011] 圖2A示出了如圖1所示的典型的功率單元；
[0012] 圖2B示出了用于測量根據(jù)圖2A的電容器組21的電容器集合的端電壓的電壓測 量器件；以及
[0013] 圖2C示出了用于測量根據(jù)圖2A的電容器組21的電容器集合的端電壓的可選擇 的電壓測量器件，。
[0014] 以簡要的形式在附圖標記列表中列出附圖中使用的附圖標記及其含義。原則上， 附圖中相同的部件具有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0015] 圖1示出了每相具有三個功率單元的級聯(lián)型多相電力驅(qū)動器的功率電路圖。如圖 1所示，三相交流電力被輸入到級聯(lián)型多相驅(qū)動器1的電力變壓器10的一次繞組100?？?以是星形連接或網(wǎng)形連接的一次繞組100使三相二次繞組101至109通電。與二次繞組 101至109中的每個二次繞組相關(guān)的三相電力分別被提供給功率單元110至118。在本實 施例中，優(yōu)選地，提供網(wǎng)形連接的二次繞組101至109,以降低電力變壓器的K因數(shù)并改進諧 波控制。網(wǎng)形連接的繞組可以包括(例如）△結(jié)構(gòu)或擴展的△結(jié)構(gòu)。在某些情況下，可以 對這種網(wǎng)形繞組進行操作，以使一些二次繞組提前預選角度的電相，使其他二次繞組延遲 預選角度的電相，并(可能）使其他二次繞組的相位基本不發(fā)生移動。在圖1示出的本實施 例中，描述了三分之一的二次繞組的相位被提前20 (度)，三分之一的二次繞組的相位被延 遲20 (度)。其余三分之一的二次繞組未發(fā)生移動。在圖1的實施例中，相移的繞組使用擴 展的△結(jié)構(gòu)的繞組，沒有相移的繞組使用△結(jié)構(gòu)的繞組。對于其它電壓，所需的各自的相 移可以通過按照每相功率單元的數(shù)量對60 (度）進行劃分獲得。例如，若每相5個功率單 元，相移是+24 (度)、+12 (度)、0 (度)、-12 (度）和-24 (度);若每相6個功率單元，相移是 +25 (度)、+15 (度)、+5 (度)、-5 (度)、-15 (度）和-25 (度）；若每相8個功率單元，相移是 +18.75 (度)、+11.25 (度)、+3.75 (度）、-3.75 (度)、-11.25 (度）、-18.75 (度）。優(yōu)選地， 將多個功率單元連接到每個相位輸出線路120、121、122，相位輸出線路120、121、122可以 分別代表相A、相B和相C。多個功率單元在每個相位輸出線路上可以串聯(lián)連接，從而可以 生成具有多個低壓功率單元的中壓輸入相位線路控制器。串聯(lián)連接還可以使每相有多個電 壓狀態(tài)；每相的這些多個電壓狀態(tài)可以被用來獲得改進的電流波形。每個功率單元可以在 內(nèi)部形成低壓標準，例如，盡管被包含在中壓裝置中，每個功率單元也可以具有1000伏的 額定值。在這種實施例中，使用適合于正在使用的中壓電平的絕緣材料，可以使各個功率單 元與地面以及其它功率單元絕緣。
[0016] 圖2A示出了如圖1所示的典型的功率單元。然而，可以理解的是，還可以使用其 它功率單元實施本發(fā)明。圖2A示出的功率單元與美國專利5, 625, 545中示出的功率單元 相似。如圖2A所示，功率單元110至118中的每個都是功率變流器，所述功率變流器通過 使用由二極管20a-20f組成的整流器將三相輸入電力轉(zhuǎn)換成直流分量。該整流器的輸出隨 后通過第一端子DC+和第二端子DC-被輸出到電容器組21，電容器組21可以提供對直流 輸出的存儲和平滑。電容器組(例如）包括在連接點HI、H2之間彼此串聯(lián)連接的多個電容 器集合210、211、212,電容器集合210包括多個并聯(lián)連接的電容器，電容器集合211包括多 個并聯(lián)連接的電容器，電容器212包括多個并聯(lián)連接的電容器。作為替代方式，可以理解的 是，根據(jù)電容器集合的電壓容量和功率單元的直流環(huán)節(jié)（DC link)，電容器集合的數(shù)量可以 選擇為4、5、6等；根據(jù)電容器的電流容量和功率單元的直流鏈電流，每個電容器集合中電 容器的數(shù)量可以選擇為1、2、3等。例如，可以根據(jù)如下算法選擇電容器集合的數(shù)量：
[0017] ^capacitor set ^DC^^rated voltage
[0018] 其中，NcapacitOT set表不電容器集合的數(shù)量，VDC表不第一端子DC+和第二端子DC-的 端電壓， Vrated voltage表不電容器的額定電壓。
[0019] 可以根據(jù)如下算法選擇每個電容器集合的電容器的數(shù)量：
[0020] ^capacitor per set -^ripple current bank,工capacitor ripple current capacity
[0021] 其中，NMpac;itOT srt表示每個電容器集合的電容器的數(shù)量，I Hpple ^表示電容 器組的總紋波電流， Icapacitor ripple current capacity表示電容器紋波電流容量。
[0022] 至少基于電容器組端電壓的幅值，在控制系統(tǒng)控制之下使用脈寬調(diào)制（PWM)方 法，可以將變流器中的直流電力選擇性地應用到功率單元輸出端22a和22b。使用由諸如 23a-23d的半導體開關(guān)組成的橋式變流器可以實現(xiàn)脈寬調(diào)制?？梢允褂萌我忸愋偷目山邮?的開關(guān)元件；并且取決于功率水平，可以選擇多種固態(tài)組件。如圖所示，變流器輸出端使用 四個IGBT。在這種脈寬調(diào)制操作中，當這些開關(guān)操作時，它們可以被認為是完全閉合或完 全斷開的。正如在多數(shù)應用中將會理解的，希望在級聯(lián)式布置中使用的功率單元是相似的 并按照某種形式被構(gòu)造，以便限制裝配件的數(shù)量并允許功率單元在同一驅(qū)動器內(nèi)是可互換 的。圖2A中示出的功率單元110至118可以被用于圖1中的所有功率單元。
[0023] 圖2B示出了電壓測量器件，所述電壓測量器件用于測量根據(jù)圖2A的電容器組21 的電容器集合的端電壓。作為圖2A中示出的功率單元的一部分是電壓測量器件24。例 如，電壓測量器件24可以包括三個分壓器240、241、242 ;控制系統(tǒng)25包括三個比較器243、 244、245。分壓器240電連接在DC+和DC-之間，用于在DC+到DC-進行分壓，并將分好的 電壓輸出到比較器243,比較器243將來自分壓器240的電壓輸出與電位DC-進行比較，并 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC)向控制系統(tǒng)25輸出比較結(jié)果U' DC ;分壓器241電連接在連