專利名稱：電壓轉換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及供應電力給電驅動的領域。特別地，本實用新型涉及用于將AC輸入電壓轉換成AC輸出電壓的電壓轉換器。
背景技術：
通常，具有接收超過IkV的電壓和/或大于IOkA的電流的電動機的電力驅動包括電壓轉換器，其適應于將來自電網(wǎng)的AC輸入電壓變換成要供應給該電動機的AC輸出電壓。因為用于產(chǎn)生AC輸出電壓的這些相的轉換器的相轉換器單元必須耐受供應給電動機的電壓和電流，可存在的問題是必須在轉換器單元中應用昂貴部件。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供組裝簡單并且成本有效的電壓轉換器。該目的通過獨立權利要求的主旨實現(xiàn)。另外的示范性實施例通過從屬權利要求和下列說明是明顯的。本實用新型的方面涉及用于將AC輸入電壓轉換成AC輸出電壓的電壓轉換器。該電壓轉換器可適應于將來自電力網(wǎng)的AC輸入電壓整流成中間DC電壓并且將該中間DC電壓轉換成多相AC輸出電壓。通常，該多相AC輸出電壓可具有三相并且可用于驅動負載，例如電動機。根據(jù)本實用新型的實施例，在三相系統(tǒng)的情況下，電壓轉換器包括至少三個相轉換器單元。理論上，電壓轉換器對AC輸出電壓的每相包括至少一個相轉換器單元。在最簡單的情況下，當AC輸出電壓具有三相時，電壓轉換器單元可包括三個相轉換器單元。每個相轉換器單元可包括用于將AC電壓的一相轉換成DC電壓的整流器段、具有用于存儲能量的電容器的DC鏈路段和/或用于將DC電壓轉換成AC輸出電壓的一相的逆變器段。通常，該整流器段電連接到電壓轉換器的輸入變壓器，其將AC輸入電壓(其可來自電網(wǎng))變換成供應給相轉換器單元的AC電壓。一般，相轉換器單元可包括一組整流器二極管(其形成該整流器段的一部分)、一組保護晶閘管、一組高壓電容器(其可形成該DC鏈路段的一部分)和一組高壓集成門極換流晶間管(所謂的IGCT，其形成該逆變器段的一部分)。根據(jù)本實用新型的實施例，電壓轉換器對AC輸出電壓的每相包括至少兩個同等設計的相轉換器單元。因為不僅一個而至少兩個相轉換器單元用于產(chǎn)生AC輸出電壓的一相，較不昂貴的部件可必須用于制造每個相轉換器單元，因為這些部件僅必須耐受AC輸出電壓的相應相的電壓的一半和/或電流的一半。此外，因為相轉換器單元可以是同等設計的，電壓轉換器的組裝可簡化，因為僅同等設計的相轉換器單元必須并排安裝并且采用期望的方式電連接。例如，在三相AC輸出電壓的情況下，電壓轉換器可由三對同等設計的相轉換器單元形成并且因此可具有機械設計，其可簡化組裝，可以是更加成本有效的并且可具有減少數(shù)目的部件。[0011]理論上，兩個相轉換器單元當它們具有同等設計的外殼和同等設計的支撐框架時可以是同等設計的。必須理解適應與另一個同等設計的相轉換器單元互連的相轉換器單元也可是本實用新型的方面。這樣的可與另一個同等設計的相轉換器單元(例如與三個或更多相轉換器單元)和像輸入單元和像控制單元或冷卻單元的其他外圍單元的其他單元組合的相轉換器單元可設計用于組裝中等電壓轉換器，如上文和以下描述的。根據(jù)本實用新型的實施例，AC輸出電壓的一相的相轉換器單元并聯(lián)連接。采用這樣的方式，可減小相轉換器單元必須耐受的總電流。根據(jù)本實用新型的實施例，用于AC輸出電壓的一相的相轉換器單元串聯(lián)連接。采用這樣的方式，可減小相轉換器單元必須耐受的總電壓?？偨Y來說，相轉換器單元可以是可以串聯(lián)和并聯(lián)連接的模塊。特別地，相轉換器單元可同等設計，其可意味不僅它們的電布局同等設計并且相轉換器單元也可具有同等設計的像支撐框架和連接元件的機械部件。因此，許多相轉換器單元可簡單組裝并且互連到電壓轉換器。根據(jù)本實用新型的實施例，相轉換器單元的逆變器段具有連接到逆變器段的第一逆變器分支的第一輸出和連接到逆變器段的第二分支的第二輸出。也就是說，逆變器段可包括兩組塊，其可叫做隔離門極換流晶間管構建塊，其中每個提供逆變器分支。該逆變器分支中的每個可適應于產(chǎn)生要輸出到電動機的相應相的正和負電壓。根據(jù)本實用新型的實施例，一相的第一相轉換器單元的第一輸出和該相的第二相轉換器單元的第一輸出連接以提供該相，其中第一相轉換器單元的第二輸出和第二相轉換器單元的第二輸出彼此連接并且與其他相的相轉換器單元的其他第二輸出連接。也就是說，第一轉換器單元的第二輸出在公共鏈路上彼此互連并且每相的相轉換器單元中的兩個并聯(lián)電連接。根據(jù)本實用新型的實施例，一相的第一相轉換器單元的第一輸出提供要輸出到電動機的第一相，第一相轉換器單元的第二輸出連接到該相的第二相轉換器單元的第一輸出，并且第二相轉換器單元的第二輸出連接到其他相的相轉換器的第二輸出。也就是說，對于每相，兩個相轉換器單元串聯(lián)電連接，其中第一相轉換器單元的一相的第一輸出向電動機提供該相，并且最后的相轉換器單元的第二輸出與其他對相轉換器單元的相應輸出在公共鏈路上互連。采用這樣的方式，一相的相轉換器單元可串聯(lián)連接。根據(jù)本實用新型的實施例，一相的每個相轉換器單元包括用于將AC電壓轉換成 DC電壓的整流器段。根據(jù)本實用新型的實施例，一相的第一相轉換器單元包括整流器段，并且該相的第二相轉換器單元使用該第一相轉換器單元的整流器段。在該情況下，該第二相轉換器單元不需要整流器段。在該情況下，該相的該兩個相轉換器單元除了整流器段外是同等設計的，這可是可能的。也就是說，該兩個相轉換器單元可包括同等設計的外殼、框架和DC鏈路以及逆變器段，但僅一個相轉換器單元可包括整流器段。根據(jù)本實用新型的實施例，電壓轉換器包括用于將AC輸入電壓變換成要供應給相轉換器單元的整流器段的AC電壓的變壓器。電壓轉換器的所有相轉換器單元可在輸出側上連接到該變壓器，其可以是36脈沖變壓器。[0022]根據(jù)本實用新型的實施例，每個相轉換器單元容置于單獨的機柜中，其中相轉換器單元的機柜同等設計。例如，每個機柜可包括框架和具有門的壁，其都具有相同的尺度。 相轉換器單元的機柜可簡單地排成行以組裝電壓轉換器。另外，機柜中的每個可包括同等設計的電互連，其簡化電壓轉換器的組裝。另外或備選地，機柜可包括冷卻流體互連，其簡化電壓轉換器的組裝。根據(jù)本實用新型的實施例，電壓轉換器進一步包括用于控制相轉換器單元的控制單元。該控制單元可控制相轉換器單元以便接通和關斷相轉換器單元的逆變器段的半導體。例如，該控制單元可使用直接轉矩控制算法用于控制電壓轉換器?？刂茊卧扇葜糜趩为毜耐鈿ぶ胁⑶铱刂茊卧脑撏鈿た删哂邢鄳倪B接，使得控制單元簡單地可與電壓轉換器的相轉換器單元中的全部互連。另外，控制單元的該外殼可具有像相轉換器單元的機柜的外殼的相等尺寸，使得控制單元可與相轉換器單元的機柜排列成行，使得電壓轉換器可簡單地組裝。根據(jù)本實用新型的實施例，電壓轉換器包括用于冷卻相轉換器單元的冷卻單元。 例如，同等設計的相轉換器單元中的每個可包括用于連接相轉換器單元到該冷卻單元的連接。這些連接可是用于互連相轉換器單元的管道的連接，冷卻水可通過管道傳送。在這樣的情況下，該冷卻單元可用于從相轉換器單元的水冷卻回路抽吸和提取熱。另外，相轉換器單元可包括熱風扇或熱交換器，其用于利用空氣的幫助將相轉換器單元中產(chǎn)生的損耗運送走。像控制單元的外殼一樣，冷卻單元的外殼也可具有在深度和高度上與相轉換器單元的外殼相等的尺寸，使得冷卻單元可與電壓轉換器的其他外殼組裝成行以簡化電壓轉換器的部件的組裝和互連?？偨Y來說，如上文和以下描述的電壓轉換器可用于驅動負載(其可一般是電動機)并且可適應于將AC電網(wǎng)電壓轉換成要供應給該電動機的可變AC電壓。電壓轉換器可包括電力轉換器(包括相轉換器單元)、冷卻單元和控制單元。每個相轉換器單元可包括用于將第一 AC電壓轉換成DC電壓的整流器段、作為DC鏈路段的部分的DC鏈路電容器組和用于將該DC電壓轉換成第二 AC電壓的逆變器段。另外，電壓轉換器可包括冷卻單元，其可包括具有用于水冷卻的熱交換器的冷卻段。電壓轉換器的部件中的每個可包括單獨外殼，例如相轉換器單元、冷卻單元和控制單元。電壓轉換器的單元的機柜(其可包括用于分開機柜的內(nèi)部與電壓轉換器的外部的外殼和用于支撐相應單元的部件的框架)可都采用這樣的方式具有尺寸或可都采用這樣的方式設計，使得外殼或機柜可組裝成行或可簡單地互連。此外，電壓轉換器的相轉換器單元的電部件可采用一種方式設計，使得相轉換器單元可以采用標準連接方案連接，其中一個相轉換器單元用于產(chǎn)生電動機的一相。然而，相轉換器單元還可采用這樣的方式設計，使得它們可以并聯(lián)連接用于使輸出功率加倍、使輸出電流加倍并且保持輸出電壓和它們可以串聯(lián)連接用于保持輸出電流、使輸出功率加倍并且使輸出電壓加倍。本實用新型的這些和其他方面通過下文描述的實施例將是明顯的并且將參考其闡明。
本實用新型的主旨將在下列正文中參照在附圖中圖示的示范性實施例更詳細地說明，其中圖1示出根據(jù)本實用新型的實施例的具有三個相轉換器單元的電壓轉換器的電路圖。圖2示出圖1的電壓轉換器的示意圖。圖3示出圖1的電壓轉換器的系統(tǒng)連接圖。圖4示意地示出圖1的電壓轉換器的布局。圖5示出根據(jù)本實用新型的實施例的電壓轉換器的另外的實施例的示意圖。圖6示出圖5的電壓轉換器的系統(tǒng)連接圖。圖7示意地示出圖5的電壓轉換器的布局。圖8示出根據(jù)本實用新型的另外的實施例的電壓轉換器的示意圖。圖9示出圖8的電壓轉換器的系統(tǒng)連接圖。圖10示意地示出圖8的電壓轉換器的布局。在圖中使用的標號和它們的含義在標號列表中采用總結的形式列出。理論上，同樣的部件在圖中提供有相同的標號。
具體實施方式
圖1示出電壓轉換器10的電路圖。該電壓轉換器10包括三個相轉換器單元12、 14、16，其中每個在變壓器18上與電網(wǎng)20電連接。相轉換器單元12、14、16將來自該變壓器18的AC輸入變換成具有三相22、24、沈的AC輸出電壓，該三相22、24、沈在輸出濾波器 28上供應給負載30，特別地電動機30。相轉換器單元12、14、16中的每個包括整流器段32、DC鏈路段；34和逆變器段36。 相應相22、24J6的AC輸入電壓供應給該整流器段32，其產(chǎn)生輸入到DC鏈路段34的DC電壓。每個相轉換器單元12、14、16的逆變器段36包括兩個分支，特別地IGCT分支38、40，其形成所謂的H橋轉換器，并且其適應于產(chǎn)生(取決于IGCT的開關狀態(tài))相應相22、24J6 的負、正或中性電壓。逆變器段36的第一逆變器分支38與相應相22、24J6互連，逆變器段36的第二分支40在公共鏈路42上彼此互連。圖2采用更示意的方式示出圖1的圖。必須理解圖2的更示意的部件包含圖1中示出的相應電部件。如可從圖3看到的，電壓轉換器10進一步包括控制單元44。該控制單元44連接到相轉換器單元12、14、16中的每個并且控制相轉換器單元12、14、16的逆變器段36中的 IGCT。特別地，在每個相轉換器單元12、14、16中的IGCT H橋轉換器36根據(jù)控制單元44 的控制信號接通和關斷。在另一個方向，電壓轉換器10的控制信號與控制變量一起傳送到控制單元44。此外，相轉換器單元的控制系統(tǒng)的閉合環(huán)46連接相轉換器單元12、14、16和控制單元44。電壓轉換器10進一步包括連接單元48，相轉換器單元12、14、16在連接單元48上連接到電動機30和變壓器18。[0049]圖4示意地示出圖1至3的電壓轉換器10的機械布局。相轉換器單元12、14、16 中的每個和特別地相應整流器段32、DC鏈路段34和逆變器段36容置或包含在單獨的外殼50中。同樣控制段44容置于單獨的外殼52中并且水冷卻單元M容置于單獨的外殼56中?？偨Y來說，圖1至4的電壓轉換器10是由三個相轉換器單元12、14、16形成的 6. 9kVU8MAV驅動，并且進一步包括一個控制單元44、一個端子或連接單元48和一個水冷卻單元M。圖5示出另外的電壓轉換器10’的示意圖。該電壓轉換器10’不同于來自圖1至 4的電壓轉換器10，該不同在于兩個相轉換器單元12、12’ (14,14' ；16,16')用于產(chǎn)生供應給電動機30的AC輸出電壓的一相22Q4 J6)。兩個相轉換器單元12、12’(14、14’； 16、 16，)對于相應相22(24,26)共享相同的整流器段32。也就是說，對每相22,24,26,圖5的電壓轉換器10’具有一個輸入段32和包括DC鏈路段34和逆變器段36的兩個輸出段。如此，電壓轉換器10’具有與圖1至4的電壓轉換器10相同的包括一個整流器段32的輸入段32。兩個相轉換器單元12、12，(14、14，；16、16，)的兩個輸出段并聯(lián)連接。在該情況下， 在每相22、24、沈中，存在不完全相同的兩個相轉換器單元12、12’ (14,14' ；16、16，)。然而，相轉換器單元12、12’、14、14’、16、16’的輸出段都同等設計。具體地，相轉換器單元12的第一輸出56與相轉換器單元12’的第一輸出58連接。 這兩個輸出56、58提供電壓轉換器10’的相22。其他相轉換器單元14、14’和16、16’采用相同的方式連接。此外，相轉換器單元12的第二輸出60和相轉換器單元12’的第二輸出 62彼此連接并且與其他相轉換器單元14、14’和16、16’的相應其他第二輸出連接。每對相轉換器單元12、12，(14、14，；16、16，)形成電壓轉換器10，的相22,24,26 的12p型逆變器。必須注意電壓轉換器10’的整流器段、DC鏈路段、逆變器段36、輸出濾波器觀和其他部件可完全像如在圖1中示出的電壓轉換器10的相應段來設計。圖6是與圖2的圖相似的圖。圖6示出圖5的電壓轉換器10’包括六個相轉換器單元12、12’、14、14’、16、16’，其中對于每相，并聯(lián)連接的兩個相轉換器單元代替如在圖2 中描繪的一個相轉換器單元。圖7是與圖4的圖相似的圖。如可從圖7看見的，電壓轉換器10’可包括六個外殼 50，其包括一個電壓轉換器單元12、12，、14、14，、16、16，、一個控制單元44和冷卻單元54。 在相轉換器單元12、14、16中，安裝整流器段32，在相轉換器單元12’、14’、16’中不安裝整流器段。例如，相轉換器單元12’、14’、16’可像相轉換器單元12、14、16來設計，但整流器段32的部件不插入相轉換器單元12’、14’、16’。相轉換器單元12、14、16可叫做主相轉換器單元12、14、16，并且可包含整流器段 32、DC鏈路段34和逆變器段36。其他相轉換器單元12’、14’、16’可叫做從相轉換器單元 12，、14，、16，，并且不包含整流器段32，但包含DC鏈路段34和逆變器段36。從相轉換器單元12，、14，、16，的DC鏈路段34的DC鏈路電容器與主相轉換器單元12、14、16的相應部件并聯(lián)連接。第一轉換器單元12、12’、14、14’、16、16’的輸出段并聯(lián)連接并且形成6. 9kV、 36MVA驅動。圖8示出與圖2和圖5的圖相似的示意圖。圖8的電壓轉換器10”不同于圖5中示出的電壓轉換器10’，不同在于相轉換器單元12、12’(14、14’；16、16’)的輸出段串聯(lián)連接。此外，電壓轉換器單元12、12，、14、14，、16、16，中的每個包括一個整流器段32。在圖8中，相轉換器單元12的第一輸出56向電動機30提供相22。相轉換器單元12的第二輸出60與相轉換器單元12’的第一輸出58連接并且相轉換器單元12’的第二輸出62與其他相轉換器單元14’、16’的相應第二輸出連接。每個相轉換器單元12、12，、14、14，、16、16，形成電壓轉換器10”的6p型逆變器。圖9是與圖3和圖5的圖相似的連接圖。如可從圖9看見的，電壓轉換器10’具有兩個相轉換器單元12、12’、14、14’、16、16’，其用于產(chǎn)生用于電動機30的相22,24,26中的每個。與圖5至7的電壓轉換器10’相反，電壓轉換器10”具有串聯(lián)連接的相轉換器單元12、12，、14、14，、16、16，。采用這樣的方式，電壓轉換器10”是13. 8kV、36MVA電壓閥。圖10是與圖4和圖7相似的圖。如可從圖10看見的，電壓轉換器10”包括與電壓轉換器10’相同的機械部件。然而，安裝所有相轉換器單元12、12’、14、14’、16、16’的所有整流器段32。盡管本實用新型已經(jīng)在附圖和前述說明中詳細地圖示和描述，這樣的圖示和描述應認為是說明性的或示范性的而不是限制性的；本實用新型不限于公開的實施例。對公開的實施例的其他變化形式可以被本領域內(nèi)技術人員理解和實現(xiàn)并且從對附圖、公開和附上的權利要求的學習來實踐所要保護的實用新型。在權利要求中，單詞“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”不排除多數(shù)。單個處理器或控制器或其他單元可實現(xiàn)在權利要求中記載的若干項的功能。某些措施在互相不同的從屬權利要求中陳述的僅有的事實不指示這些措施的組合不可以被有利地使用。在權利要求中的任何標號不應該解釋為限制范圍。標號列表[0065]
權利要求1.一種用于將AC輸入電壓轉換成AC輸出電壓的電壓轉換器(10’、10”)， 其中所述電壓轉換器包括至少兩個相轉換器單元(12、12’)，其中每個相轉換器單元(12、12’ )包括具有電容器的DC鏈路段(34)和用于將來自所述DC鏈路段的DC電壓轉換成所述AC輸出電壓的一相的逆變器段(36)，其中所述電壓轉換器對于所述AC輸出電壓的一相Q2、M、26)包括至少兩個同等設計的相轉換器單元(12、12’)。
2.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’)，其中對于所述AC輸出電壓的一相的相轉換器單元(12、12’ )并聯(lián)連接。
3.如權利要求1所述的電壓轉換器(10”)，其中所述AC輸出電壓的一相的相轉換器單元(12、12’ )串聯(lián)連接。
4.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’、10”)，其中相轉換器單元(12、12’)的逆變器段(36)具有連接到所述逆變器段的第一逆變器分支的第一輸出(56、58)和連接到所述逆變器段的第二分支的第二輸出(60、62)。
5.如權利要求4所述的電壓轉換器(10’)，其中一相0 的第一相轉換器單元(1 的第一輸出(56)和所述一相0 的第二相轉換器單元(12’ )的第一輸出(58)連接以提供所述一相02)，其中所述第一相轉換器單元(1 的第二輸出(60)和所述第二相轉換器單元(12’)的第二輸出(6 彼此連接并且與其他相0436)的相轉換器單元(14’、16’ )的其他第二輸出連接。
6.如權利要求4所述的電壓轉換器(10”)，其中一相0 的第一相轉換器單元(1 的第一輸出(56)提供所述一相02)， 其中所述第一相轉換器單元(1 的第二輸出(60)連接到所述一相0 的第二相轉換器單元(12’ )的第一輸出(58)，其中所述第二相轉換器單元(12’ )的第二輸出(6 連接到其他相0436)的相轉換器(14’、16’ )的第二輸出。
7.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’、10”)，其中所述電壓轉換器包括用于將所述AC輸入電壓變換成要供應給所述相轉換器單元的整流器(32)的AC電壓的變壓器(18)。
8.如權利要求1所述的電壓轉換器(10”)，其中一相02)的每個相轉換器單元(12、12’)包括用于將AC電壓轉換成DC電壓的整流器段(32)。
9.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’)，其中一相0 的第一相轉換器單元(1 包括整流器段(3 而所述一相0 的第二相轉換器單元(12’)使用所述第一相轉換器單元(1 的整流器段(3 產(chǎn)生所述DC電壓。
10.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’、10”)，其中一相02)的每個相轉換器單元(12、12’ )容置于單獨的機柜(50)中， 其中所述相轉換器單元的機柜(50)同等設計。
11.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’、10”)，進一步包括 用于控制所述相轉換器單元的控制單元G4)，其中所述控制單元容置于單獨的外殼(5 中。
12.如權利要求1所述的電壓轉換器(10’、10”)，進一步包括用于冷卻所述相轉換器單元的冷卻單元(54)，其中所述冷卻單元容置于單獨的外殼(56)中。
專利摘要用于將AC輸入電壓轉換成AC輸出電壓的電壓轉換器(10’)對于該AC輸出電壓的每相(22)包括至少兩個同等設計的相轉換器單元(12、12’)。
文檔編號H02M5/40GK202135064SQ201120206280
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者K·達馬齊奧-科爾霍, M·呂舍爾 申請人:Abb技術有限公司