CN104578832A - 具有用于集成磁性元件的选项的多功能电力转换器 - Google Patents

具有用于集成磁性元件的选项的多功能电力转换器 Download PDF

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罗伯特·M·米哈尔斯基
约格什·帕特尔
布鲁斯·W·韦斯
布赖恩·P·布朗
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Abstract

本发明一般涉及具有用于集成磁性元件的选项的多功能电力转换器，并公开了电力转换器模块(2)和并行转换系统(70、80)，其中，该电力转换器模块(2)被设置在可滚动的外壳(4)中，该可滚动的外壳(4)具有AC电连接部(16)和DC电连接部(18)，并且内部包括：开关电路(20)，开关电路(20)具有分别连接在相应的AC节点与相应的DC节点之间的开关装置(S1-S6)，以被用作整流器或逆变器二者之一操作；内部滤波电路，该内部滤波电路具有电感器(30L)，电感器分别连接在开关电路的相应的AC节点与相应的AC电连接部(16)之间，在工作期间，内置的风机或者风扇(14)冷却所述滤波电路。

Description

具有用于集成磁性元件的选项的多功能电力转换器
技术领域
本发明涉及电力转换设备和电力转换系统。
背景技术
电力转换系统将输入电电力从一种形式转换成另一种形式，以驱动负载。马达驱动型的电力转换器被用于多种应用，以提供驱动马达负载的电电力。例如，可需要马达驱动为低电压马达以及高电压马达提供动力，并且可以将多个马达驱动并联，以适应更高的负载需求。通常情况下，首先由有源整流器电路或者无源整流器电路将AC输入电力进行转换，以提供DC母线电压，以用于由一个或多个输出逆变器来创建频率可变、幅值可变的AC输出电力，以驱动感应马达负载。对于AC输入电力的初始整流，可以使用包括被有源控制的开关装置的有源前端整流器(AFE)来创建并且保持稳压的DC母线电压，并且可以实现各种另外的功能，如电力因数校正(PFC)。在其他情况下，可以使用无源整流器或者基频前端(FFE)整流器，并且输入滤波器通常被连接在AC电源与无源整流器输入之间。关于(多个)输出逆变器，内部逆变器开关装置选择性地将DC输入电力线连接到特定AC马达线，以创建将马达驱动到期望的速度、位置、扭矩等所必要的输出波形，并且可以将输出滤波器电路连接在逆变器输出与被驱动的马达之间，以用于马达保护。另外，并行的逆变器配置可以包括连接在两个或更多个并联的逆变器的输出之间的并行的电感器。通常，对给定的马达驱动应用需求的可变性通常要求系统部件的定制设计和配置，并且这些系统部件的相互连接包括必要的电力转换器和滤波器部件，然后将该电力转换器和滤波器部件连接在一起，以形成电力转换系统。因此，为了适应多种电力转换系统规格并使系统成本最小化，期望提供可以用于构建两种或更多种不同类型和形式的系统的模块化的部件。
发明内容
现在，为了便于对本公开内容的基本理解，对本公开内容的一个或更多个方面进行概述，其中，本概述不是对本公开内容的详细综述，并且既不意在标识本公开内容的具体元件，也不意在描述本公开内容的范围。与此相反，本概述的主要目的是在下文中将更详细的描述进行呈现之前，以简化的形式呈现本公开内容的各种理念。本公开内容提供了电力转换系统和设备，其中电力转换器模块包括开关电路和集成磁性元件或者滤波电路，以便于构建各种特定应用的电力转换系统，并且使用通用部件以便于制造并且控制成本。而且，示出的电力转换模块设备可以包括集成的冷却风扇或风机，以便于将滤波电感器冷却，以进一步减少成本、复杂度以及最终电力转换系统的空间。
根据本公开内容的一个或更多个方面，提供了一种电力转换设备，该电力转换设备包括具有AC电连接部和DC电连接部的外壳，其中该外壳设置有内部，开关电路和滤波电路位于外壳的内部中，滤波电路处于比开关电路更低的水平面。在某些实现中，滤波电路包括连接在开关电路与相应的AC连接部之间的多个电感器，由此，如果将该电力转换设备用作开关逆变器，则便于将滤波电路作为输出滤波器来使用，或者作为用于有源或者无源整流器用途的输入滤波电感器。这样，该设备可以根据需要容易地适于被用作有源前端整流器或者无源前端整流器，或者作为具有机载滤波电路的输出逆变器，容易地配置成包括马达保护、逆变器并行、基本前端(FFE)和/或有源前端(AFE)操作的各种应用和功能。另外，示例性实施方式可以可选地提供紧凑的模块化设计，该设计具有整体滚轮或者轮，可以容易地滚到控制面板或者用于与其他系统部件相互连接的其他装置的位置处，以提供马达驱动或者其他形式的电力转换系统。
在特定实施方式中，滤波电路可以容纳用于与滤波电感器中的一个相应的滤波电感器并联的滤波电阻器，由此便于提供L-R输出滤波器以保护用于逆变器应用的马达。该设备还可以包括外壳内部之内的滤波电路下方的风机组件，该风机组件用于在工作期间冷却滤波电路或者可能冷却其他部件，由此进一步利于紧凑系统设计而无需外部滤波电感器和相关冷却风扇。其他实施方式还可以包括设置了用于稳定的DC母线电压工作的一组电容器部件的整体DC母线电容器电路，无论该设备被配置成用作整流器还是用作逆变器。某些实现还适于包括也可以被用于逆变器或者整流器配置的用于跨AC母线连接的两个或更多个平衡电阻器。而且，开关电路可以包括开关，如IGBT和/或二极管，由此便于用作有源前端(AFE)或者基本前端(FFE)整流器。
根据本公开内容的另一方面提供了一种电力转换系统，该电力转换系统包括两个或更多个电力转换器模块，该两个或更多个电力转换器模块各自被配置成有源前端开关整流器并且包括外壳、AC连接部和DC连接部、开关电路、连接在开关电路与AC连接部之间的整体滤波电路以及控制板，所有上述部件位于外壳的内部之内，其中转换器模块的AC输出用于并联工作而被连接在一起，以驱动单个负载，如马达。
根据本公开内容的另一方面，提供了一种电力转换系统，该电力转换系统包括被配置成无源整流器的第一电力转换器模块和第二电力转换器模块，每个电力转换器模块包括外壳并且具有AC输入、DC输出、整流器电路以及滤波电路，多个电感器被连接在整流器电路与AC输入之间，其中电力转换器模块的AC输入和DC输出被相互串联。
附图说明
以下描述和附图详细阐述了本公开内容的某个示例性实现，这些描述和附图指示了其中可以实施本公开内容的各种原理的若干种示例性方法。然而，示出的示例不是对本公开内容的许多可能的实施方式的穷举。将考虑在以下详细描述中结合附图对本公开内容的其他目的、优点以及新颖性特征进行阐述，在附图中：
图1至图3是示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性电力转换器模块的立体图、前视图以及侧视图，该示例性电力转换器模块具有集成磁性元件和开关电路，被用作整流器或者逆变器操作；
图4是示出了图1至图3的示例性电力转换器模块的进一步的详情的局部示意图；
图5是示出了使用第一电力转换器模块和第二电力转换器模块来实现的电压源转换器马达驱动系统的示意图，该第一电力转换器模块被配置成有源前端(AFE)整流器，该第二电力转换器模块被操作为具有集成的输出滤波电路的逆变器；
图6是示出了包括第一电力转换器模块和第二电力转换器模块的另一电压源转换器马达驱动系统的示意图，其中第一电力转换器模块被配置成具有包括集成的电感器的AC输入滤波器的基本前端(FFE)整流器，第二电力转换器模块被配置成具有集成的输出滤波电路的逆变器；
图7是示出了另一电力转换系统的示意图，该电力转换系统使用具有如图1至图4所示的可选的L-R滤波电路的电力转换器模块，该电力转换系统被用作开关逆变器，从而将来自DC电源的输入电力进行转换以向马达负载提供AC输出电力；
图8是示出了包括无源整流器的非再生电压源转换器类型马达驱动系统的示意图，该无源整流器向操作为具有如图1至图4所示的L-R输出滤波电路的逆变器的电力转换器模块提供DC输入电力；
图9是示出了具有电力转换器模块的另一非再生马达驱动系统的示意图，其中该电力转换器模块被配置成不具有输出滤波器的逆变器；
图10是示出了具有两个电力转换器模块的示例性并行逆变器马达驱动系统的示意图，该两个电力转换器模块操作为具有整体L-R输出滤波器的逆变器，以驱动单个马达负载；
图11是示出了具有两个电力转换器模块的另一并行系统的示意图，该两个电力转换器模块被配置成逆变器并且没有用于驱动单个马达的输出滤波器；
图12示出了具有两个如图1至图4所示的电力转换器模块的另一并行马达驱动系统，该两个电力转换器模块被配置成有源前端(AFE)整流器并且具有整体输入滤波器电感器，以提供通用DC母线，用于为一对电力转换器模块供电，该一对电力转换器模块被配置成输出逆变器，以驱动单个马达负载；
图13描绘了具有两个电力转换器模块和两个额外的转换器模块的另一并行系统，该两个电力转换器模块被配置成基本前端(FFE)整流器并且在滤波电路中具有整体并联线路反应器，该两个另外的转换器模块被配置成并联连接的逆变器，以驱动马达负载；
图14是示出了示例性电力转换器模块的立体图，在该图中将侧面板移除，以示出外壳内部之内的滤波电感器的安装；
图15是示出了示例性滤波电路模块的立体图，该示例性滤波电路模块具有可以安装在图14的电力转换器模块中的三个电感器；
图16是示出了电力转换器模块的另一侧的立体图，在该图中将侧面板移除，以示出外壳内的可选的滤波电阻器和IGBT散热器结构的定位；
图17是示出了外壳内部中的IGBT开关装置和相应的散热器的安装的立体图；
图18是示出了电力转换器模块外壳的内部中的可选的DC母线电容器组的安装的立体图；
图19是示出了电力转换器模块外壳内部中的栅极驱动器板、可选的滤波电路电感器以及电流变换器的安装的立体图；
图20是示出了电流变换器的安装的立体图，其中在电力转换器模块外壳的内部中不具有滤波电路电感器；
图21是示出了电力转换器模块外壳的内部中的电源接口板(PIB)和电源层接口板(PLIB)的安装的立体图；
图22是示出了转换器模块外壳中的后壁电力线穿刺式连接器的安装的立体图；以及
图23是示出了转换器模块外壳的内部中的可选的平衡电阻器和滤波电路电阻器的安装的局部立体图。
具体实施方式
现在参照附图，在下文中结合附图对若干个实施方式或者实现进行描述，其中，贯穿全文，使用相似的附图标记来指代相似的元件，并且其中，各种特征不一定按比例绘制。下面的各种实施方式描述提供模块化的电力转换器设备的通用架构，该架构可以被配置并且被相互连接，以完成多个功能，包括但不限于独立的逆变器系统、并行的逆变器系统、提供整体马达保护的马达驱动、具有整体输入滤波的有源前端整流器和基本前端整流器应用。迄今为止，对模块化的电力转换器架构的尝试被限制在只提供很少几个功能中的一个功能，如并行并且独立的逆变器，并且需要分离的滤波电路和相关冷却设备来确保针对有源整流器应用的马达保护和充分滤波。另一方面，本公开内容提供可以被用于各种马达驱动或者其他电力转换应用的精简的成本效益的设备，从而便于给定应用中可用的领域的最佳用途，同时通过将所有必要的部件集成在用于共享的保护和冷却的单个外壳内来控制成本。而且，各种实施方式的模块化设计有利于通过使用为多种类型的电力转换器工作的相同的或者相似的母线(包括使用再生驱动系统和非再生驱动系统)来将给定的模块进行重新配置。
首先参照图1至图4，图1至图3分别示出了组装的电力转换器设备2的立体图、前视图以及侧视图，该电力转换器设备2有时在本文中被称为电力转换器模块2，电力转换器设备2具有外壳4，外壳4具有顶部T、前侧F以及由滚轮6支撑的底部B。本实施方式中的前侧F包括能够使电力转换器模块2在工业设施中和/或控制柜(未示出)内容易被定位的把手8。而且，如图10所示，外壳4的后侧提供用于将模块2与AC电源连接和DC电源连接相互连接的穿刺式电源连接器接口10，以对于给定的应用来说，用作逆变器或者用作整流器。在这种情况下，外壳包括多个可移动的侧面板，以易于制造和维护，并且该外壳限定了其中安装一个或多个电力转换系统部件的内部5。另外，示出的模块2包括被定位在外壳内部5的下部中的风机组件14，以提供向上方向的强制气流，该气流可以经由通风口12从外壳4的顶侧T被排放出来。这有利地为滤波电路部件和开关电路装置(例如，IGBT)以及模块2的其他部件提供冷却。
图4示出了呈现电力转换器模块2的局部示意图，其中各种部件和子组件被定位在外壳内部5之内。如图4所示，模块2包括三个AC连接部16，如汇流条或者其他电连接，通过该AC连接部可以其将外部AC电缆线路连接到模块2。虽然在上下文中示出并且描述了具有相位A’、相位B’以及相位C’的三相AC连接部16，但是也可以是其他单相或者多相AC连接部，可以包括多于三个的连接部16。另外，设置了第一DC连接部18和第二DC连接部18(正的DC+和负的DC-)，通过第一DC连接部18和第二DC连接部18可以将外部DC电力电缆线路连接到模块2。因为模块2可以被配置成作为整流器或者逆变器操作，所以根据最终应用可以可替换地将AC连接部16和DC连接部18视为输入或者输出。开关电路20位于外壳4的内部5之内，并且包括开关装置Sl至开关装置S6，该开关装置用于选择性转换：针对有源(开关)整流器应用，对AC输入电力进行转换以提供DC输出电力；或者可替换地，针对逆变器应用，将输入DC电力进行转换以提供AC输出电力。在这种情况下，设置了开关Sl至开关S6这六个开关，以在DC电力与三相AC电力之间转换，虽然也可以使用任何合适数目的开关装置以用于其他单相或多相实现。另外，虽然示出为使用IGBT类型的开关Sl至IGBT类型的开关S6，但是可以使用任何合适的开关装置，包括但不限于可控硅整流器(SCR)、栅极关断晶闸管(GTO)、集成栅极换流晶闸管(IGCT)等。而且，某些实施方式中的开关电路20还包括被配置成如图4所示的二极管Dl至二极管D6，以便于有源开关操作，也为了在需要时提供无源基本前端(FFT)整流器操作的能力，在这种情况下，即使开关装置Sl至开关装置S6没有有效地工作或者被省略，也仍可以将电路20视为整流器电路。而且，可以使用一个或更多个传感器(例如如图4所示的负温度系数部件NTC)对开关电路20的AC内部节点的热状态进行以控制为目的的监控。
提供门开关控制信号23来操作IGBT Sl至IGBT S6，可以使用任何合适的控制器和驱动器电路来生成门开关控制信号23。如图4的示例所示，在一个可能的实施方式中，由栅极驱动板(GDB)22来提供信号23，栅极驱动板(GDB)22包括合适的驱动器和隔离电路，该驱动器和隔离电路基于从一个或更多个处理器直接或者间接接收的信令，向IGBT Sl至IGBT S6的栅极提供适于IGBT Sl至IGBT S6的选择性开关操作的输出信号23，以便于电路20的脉宽调制开关控制，以根据任何合适的脉宽调制开关控制技术来达到DC至AC的转换或者AC至DC的转换。栅极驱动板22操作地连接到电源接口板(PIB)24，在这种情况下，实现用于为风机组件14供电和其他控制操作的逆变器电力电路24a、用于与AC线路关联的热传感器的接口电路24b、如下面将进一步讨论的用于与电流传感器接口的电流反馈接口电路24c以及用于与风机14接口的I/O电路24d、用于生成并调节内部使用的电力等级的一个或更多个开关模式电源(SMP)24e以及用于建立DC母线电压的中心点与外壳4的底板连接之间的接地连接的接地电路24f。另外，电源接口板24操作地连接到电源层接口板(PLIB)26，该电源层接口板(PLIB)26实现用于与一个或更多个外部装置(如外部控制器或者网络(未示出))通信(TX/RX)的通信接口。
而且，如图4中进一步示出的那样，DC电容电路或者电容器组28可以可选地被连接在DC母线线路DC+与DC母线线路DC-之间(例如，还可参见下面的图18)，并且如在下文中进一步结合图23所示出并描述的那样，外壳4的内部5还有利于可选地包括一对平衡电阻器38。虽然电容器组28被示出为包括六个电容器，但是可以设置任何数目的电容器。在开关电路20的AC侧，滤波电路30设置有合适的互连和安装特征，用于AC电连接部16与开关电路20的AC节点的选择性直接连接，或者用于AC连接16与开关电路20之间的电感器30L和/或滤波电阻器30R的连接。而且，如图4所示，热传感器电路32可以位于滤波电路30附近，以监控滤波电路30的工作条件，并与电源接口板24信号连接。
如下面在图14至图23中进一步示出的那样，滤波电路30有利地被定位于外壳4内的开关电路20的下方，并且被优选地布置在风扇风机系统14的上方，由此有利地便于通过风扇风机系统14进行冷却。另外，位于开关电路20的水平面下方的滤波电路30和其电感器30L的位置有利地最小化或者减少用于连接外部连接器10与开关电路20之间的滤波电路部件30的电缆的长度。因此，这种电力电缆占的外壳空间更少，并且比其他可能的方法的互连更短。例如，其中将滤波电感器30L布置在开关电路上方的可替代的配置需要从外壳内部5的上端向下延伸到外部连接10的过多的电缆和汇流条结构。另外，与如果滤波部件30位于开关电路20的上方相比，所示出的将滤波电路30定位于风扇风机组件14的上方以及开关电路20提供了更多的内部空间以容纳更大的电感器30L。另外，虽然下面示出为包括实芯电感器30L，但是在各种实施方式中可以使用空芯(例如，无芯)滤波电感器30L。
而且，通过设置电流变换器或者传感器34，可以有利于用于逆变器AC输出电流的闭环控制和/或用于有源前端整流器电力因数校正的AC输入电流监控，该电流变换器或者传感器34经由电流传感器(CS)模块35向电源接口板24提供信号。可以由位于板22、24、26中的一个或更多个板上的一个或更多个已编程的处理器在模块2中进行开关控制操作，以实现已知的各种电力转换和/或马达控制功能。而且，在某些实施方式中，模块2的控制处理器部件可以从外部控制部件(如分层分布式控制元件和/或外部网络(未示出))接收一个或更多个设定点或者期望的工作条件，如信号和/或数值。
现在参照附图5至图13，呈现了若干个非限制性的配置和互连，示出了集成的电力转换器设备2针对各种电力转换系统应用和最终用户的易适应性。
图5示出了使用转换器模块2中的两个来实现的完整的电压源转换器再生马达驱动系统。第一模块2(如图右上所示)被配置成有源前端(AFE)整流器，以将接收的AC输入电力进行转换，从而在连接到第二模块2的DC母线处提供受控的电压。在第二模块2(如图下部所示)中，由开关电路20对DC输入电力进行逆变，以提供驱动马达负载40的受控的AC输出电力。而且，在图5的实现中，AC电源42(在本示例中为三相)通过可选的预充电模块44和LCL滤波模块46连接到第一电力转换器模块2的AC端子，在可替代的实现中，预充电模块44和LCL滤波模块46中的一者或二者可以被省略。在工作中，预充电模块44可以有利地在系统启动时将电阻性阻抗引入AC线路中达受控的时间，以通过整流器模块2中的电容器电路28的DC母线电容以及后续的逆变器模块2中的电容器28的DC母线电容，来控制或者限制涌入电流的发生。
而且，在示出的实施方式中，为了将AC输入连接直接地电连接到开关电路20的AC节点，整流器模块2配置有滤波电路30内的短路电缆，其中输入滤波由外部LCL滤波模块46提供。将LCL滤波46与整流器模块2的有源前端操作结合使用有利地便于控制电网线路处的总谐波失真(THD)，并且整流器2的有源前端开关操作可以进行各种电力调节功能，包括但不限于电力因数校正和/或电力再生功能。在逆变器(较下方的模块)2中，滤波电路30包括用于马达保护的滤波电感器30L和并联的滤波电阻器30R二者，开关电路20被脉宽调制，以提供驱动马达40的受控的AC输出电力。而且，在这个系统中，可选的缓冲电路(未示出)可以跨越电力转换器模块2的外壳外部的DC母线线路DC+、DC母线线路DC-连接。在本实施方式中，如在本文中的其他实施方式中示出并且描述的那样，在某些实现中，电力转换器模块2以及其他模块44、46可以以合适的环境控制和互连被共同地容置在单个控制柜中，从而提供相对紧凑形式的整体马达驱动系统。
图6示出了另一电压源转换器马达驱动系统，其中第一电力转换器模块2提供对通过预充电模块44从源42接收的AC输入电力的基本前端(FFE)整流，其中整流器模块2的滤波电路30具有安装在AC连接部与开关电路20的AC节点之间的滤波电感器。而且，在这种情况下，开关电路的二极管Dl至二极管D6操作为提供对接收的AC输入电力的无源整流，以提供跨越母线线路DC+、母线线路DC-的DC输出。在本示例中将整流器模块2中的内部滤波电路30的集成磁性元件进行合并有利地使得能够消除图5的上述示例中使用的外部滤波模块46。而且，在模块2的内部5中设置风机组件14有利地为滤波电感器30L提供冷却，从而也通过将由模块化设计2设置的集成磁性元件和内部冷却进行组合，节省了与外部滤波器冷却设备相关的成本和空间。
图7示出了可以有利地在通用DC母线配置中采用的模块2的逆变器配置，其中，两个或更多个逆变器2从单个DC源50获得DC输入电力。在DC源50与模块2的DC连接部之间可以包括例如可选的DC预充电模块52，以提供用于减少启动时过多的涌入电流的电阻性元件的选择性连接。而且，在本示例中，在预充电模块52与电力转换器模块2之间可以包括可选的另外的DC母线电容电路54，如图所示，该DC母线电容电路54可以包括连接在正的DC母线线路DC+与负的DC母线线路DC-之间的电容器组，并且如图所示，还可以包括平衡电阻器和/或专用的冷却风扇。而且，在某些实现中，DC母线电容电路54可以通过如以上图1至图4所示的电力转换器模块2的合适的配置和连接来实现，电力转换器模块2可以以此为目的进行配置。
而且，在这个实现中，如图所示，逆变器模块2被配置成包括内部DC母线电容器组28以及一对平衡电阻器38，虽然也可以是其中将内部DC母线电容器组28以及一对平衡电阻器38这些项省略而由外部电路54来提供DC母线电容的其他实现。而且，在其他可能的可替代的实现中，外部DC母线电容电路54可以被省略，而由模块2的集成电容器组28来提供DC母线电容。另外，图7的示例性系统还有利地设置了配备有滤波电感器30L和滤波电阻器30R的输出L-R滤波电路30，如图所示，该滤波电感器30L和滤波电阻器30R在用于保护马达40的AC输出线路中的每个AC输出线路中相互并联。还可以是其他实现，其中滤波电路30只配备有电感器30L和/或其中在滤波电路30中安装了短路电缆或者短路棒，以直接地在模块2中将AC输出连接与开关电路20的AC节点电连接。
图8和图9示出了用于非再生电压源转换器类型马达驱动系统的模块化的逆变器实现。在这些系统中，连接了无源整流器级或者基本前端(FFE)整流器级60，以从源42接收AC输入电力，并且示出的实施方式包括线路反应器61、二极管电路62、星形连接的输入电容器滤波电路、DC母线电容器组、平衡电阻器以及用于将中间母线电压连接到底板接地的底板接地电路，虽然也可以使用任何无源整流器电路60。所产生的DC母线电压被作为输入提供给电力转换器模块2的DC连接部，电力转换器模块2可选地包括如上所述的平衡电阻器38和DC母线电容电路28。这些示例中的开关电路20被来自栅极驱动器板22的脉宽调制控制信号23操作，以对DC母线电压进行逆变，从而创建用于驱动马达负载40的AC输出电力。在图8的实施方式中，在转换器模块2中设置R-L滤波电路30，该R-L滤波电路30包括用于保护马达负载40的电感器30L和电阻器30R。与此相比，图9的系统在滤波电路30中提供了直接电连接而省略了电感器30L和并联电阻器30R，没有设置内部输出滤波。
图10示出了用于经由配置成用作逆变器的两个并联的电力转换器模块2来驱动单个马达负载40的示例性并行逆变器马达驱动系统。在本示例中，两个电力转换器模块2的滤波电路30包括滤波电感器30L以及并联的滤波电阻器30R，以提供用于马达保护的L-R输出滤波器30。而且，在这种情况下，每个模块2都包括内部DC母线电容电路28以及平衡电阻器38，虽然在可替代的实现中可以将这些元件省略。而且，每个并联的逆变器级2都经由DC预充电模块52和外部DC电容电路54连接到DC输入电力50的单个源，虽然本公开内容的各方面没有对此作出严格要求。
图11总体上示出了在以上结合图10所描述的另一并行逆变器系统，其中并联的电力转换器模块2在滤波电路30中只包括滤波电感器30L。应注意，在图10和图11中，在两个示例中，都在滤波电路30中设置了电感器30L，而图11的系统省略了并联滤波电阻器30R。而且，在各种实现中，如下面进一步结合图14和图15所讨论的那样，在这两个实施方式中可以设置不同的电感。
图12示出了并行马达驱动系统70，其中单个AC电源42被用于经由可选的AC预充电模块44和可选的LCL滤波模块46向被配置成有源整流器的一对分离的(并联的)电力转换器模块2提供电力。而且，在这种情况下，两个分离的逆变器2被设置成可以使用上述电力转换器模块2来实现，但是在可替代的实施方式中还可以使用其他逆变器结构。在这种情况下，整流器模块2的DC输出彼此连接，并且对整流器模块2的AC输入也被相互连接。在可替代的实现中，不需要将整流器模块2的DC输出连接在一起，而是可以分别驱动逆变器2中的一个相应的逆变器2。而且，如图12的实施方式所示，有源前端整流器模块2包括具有滤波电感器30L的滤波电路30，并且在变化的实现中可以在模块2的滤波电路30中设置并联的滤波电阻器30R。
图13示出了也使用并联的整流器模块2的另一并联的马达驱动系统80，其中AC输入和DC输出耦接在一起，虽然不需要在所有可能的实施方式中都将DC输出进行连接。另外，与上述图12类似，图13的系统80中的逆变器2可以但不必要使用上述电力转换器模块2来实现。然而，系统80中的整流器模块2被配置成用作无源整流器或者基本前端(FFE)整流器，该整流器用于创建并且保持DC母线电压以供输出逆变器2使用。有鉴于此，如上述图4所示，图13中的整流器模块2的开关电路20包括开关装置Sl至开关装置S6以及相应的二极管Dl至二极管D6，其中，这种FFE整流器实现中的栅极驱动器板22可以被配置成抑制向开关Sl至开关S6提供开关控制信号，而无源二极管Dl至无源二极管D6提供所接收的AC输入电力的基本频率整流。而且，与图12中的系统70相比，在图13的系统80中省略了LCL滤波模块46，并且整流器模块2中的滤波电路30的电感器30L的电感值可以更高。以这种方式，图13的基本前端并联的整流器配置比图12的有源前端系统70占用更少的空间。
现在参照图14至图23，示出了电力转换器模块2的示出的实施方式的进一步详情。图14示出了包括电感器30L的模块2的立体图，其中，图15中还示出了在安装在外壳4中之前的三个电感器的模块化设置。如图14所示，外壳内部5适于在朝向外壳4的下部对模块化的滤波电感器30L进行定位和安装，在这种情况下，通常布置在风机组件14正上方。而且，风机组件14和滤波电感器30L与外壳4的内侧壁稍微间隔开，由此提供从外壳内部5的底部经过滤波电感器30L和模块2的其他部件到达通风孔12的气流路径。而且，如上述图1所示，热传感器32可以被布置在外壳内部5之内，优选地位于滤波电感器30L附近，以监控和评估滤波电感器30L的热状态，并且具有合适的连接以向电源接口板24提供信号。从图14中进一步看出，电流传感器或者变换器34被安装在外壳内部5之内，并且包括传感线圈，电缆穿过该传感线圈，以感测滤波电感器30L与开关电路20之间流过的电流。另外，图14进一步示出了电源接口板24的后部。
如图14和图15所示，外壳4的内部5提供安装表面和充足的空间，以容纳不同的电感器组件30L，其中，模块2可以通过安装和连接用于各种应用的任何期望的内部滤波电感器30L而被相应地配置。例如，当采用外部LCL或者其他滤波器46时，可以使用相对较小的电感，用于并行整流器操作(例如，上述图12)，并且可以通过在模块2中安装合适的滤波电感器30L来使用较大的电感，以使得在没有任何外部滤波电路的情况下能够操作或者便于操作。
图16示出了将侧面板移除的示例性电力转换器模块2的其他侧面，示出了安装后的滤波电感器30L的后侧，以及安装后的滤波电阻器30R。另外，图16示出了模块2的底部处的风机组件14的入口，并且进一步示出了安装在模块2的后部处的IGBT散热器结构21和穿刺式连接器组件10。图17进一步示出了将三组较高位置的IGBT开关装置20和较低位置的IGBT开关装置20安装到外壳4的内部5中，以及随后将相应的散热器结构21安装到IGBT模块20的后部。
如图18所示，随着IGBT 20的安装，示例性DC母线电容电路模块28被安装，相应的衬垫被直接安装到开关电路20的DC节点。图18中的电路28包括六个DC母线电容器，虽然也可以使用其他配置和模块化的DC母线电容电路28，例如包括10个电容器的模块28，由此可以安装不同的模块28，以容纳用于给定的应用的不同的DC母线电容需求。这从而使模块2能够被容易地配置成有利地便于消除外部DC母线电容电路(例如，上述图7中的电路54)。
图19示出了安装在外壳内部5中的栅极驱动器板22，该栅极驱动器板22用于连接以向开关电路20的开关装置Sl至开关装置S6提供开关控制信号23，以及示出了随后用于将滤波电感器30L连接到开关电路20的电流感应变换器34和相关的电缆的安装。图20示出了另一可能的配置，其中用用于直接连接到穿刺连接器20的AC端子的相应电缆来安装电流变换器34，其中模块2中不包括滤波电感器30L。
图21示出了随后将电源接口板24和电源层接口板26安装到外壳4的内部5中。图22示出了将后壁电力线穿刺连接器组件和相应的电缆线路10安装在转换器模块外壳4中，图23示出了可选的平衡电阻器38(示出为两对电阻器)和相关热衬垫的安装，以及将滤波电路电阻器30R安装在转换器模块外壳4的内部5中。
这样，示出的实施方式提供了通用架构，以便于各种不同马达驱动和其他电力转换系统的成本效益和节省空间的实现，其中，经由滤波电路30对集成磁性元件的合并以及经由风机组件14的相应的自冷却提供了鲁棒的模块化设计4。设备2还提供了容易地对滤波电感、DC母线电容、平衡电阻器等进行定制的能力，以达到在具有或者不具有合适的定制的AC输入滤波器30的情况下的基本前端整流和/或有源前端整流，或者用于具有用于马达保护的可配置的输出滤波的逆变器实现。因此，电力转换设备2提供了与先前设计和方法相比明显的优点，先前设计和方法在没有另外连接外部部件的情况下只提供受限数目的功能。因此，本公开内容提供了可以在控制成本的同时最大地利用本应用领域的技术和设备，而无需牺牲可配置性来适应各种特定马达驱动或者其他电力转换应用。
上述示例只是对本公开内容的各个方面的若干个可能的实施方式的说明，对本领域普通技术人员来说，在阅读并理解本说明书以及附图时，可以进行等效变化和/或修改。除非特别指出，否则具体关于由上述部件(组件、装置、系统、电路等)进行的各种功能、用于描述这种部件的术语(包括对“装置”的引用)意在对应于任何部件，如执行描述部件的指定的功能(即，功能等效)的硬件、处理器执行的软件或者其组合，即使这些部件在结构上不等同于与所公开的结构，但是进行本公开内容示出的实现中的功能。另外，虽然本公开内容的特定特征可以只对若干个实现中的一个实现进行公开，但是可以根据期望将这种特征与其他实现的一个或更多个其他特征进行组合，并且对任何给定的或者特定的应用带来便利。同样，术语“包括”、“包含”、“有”、“具有”、“含有”或其变型被用于详细描述和/或权利要求中，这种术语与术语“包括”相似，意指包括性的。

Claims (20)

1.一种电力转换设备(2)，包括：
外壳(4)，所述外壳(4)限定外壳内部(5)并且具有底部；
多个AC电连接部(16)，所述多个AC电连接部(16)用于将外部AC电力线连接至所述电力转换设备(2)；
第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)，所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)用于将外部DC电力线连接至所述电力转换设备(2)；
开关电路(20)，所述开关电路(20)位于所述外壳内部(5)中并且包括：
第一DC节点和第二DC节点，所述第一DC节点和第二DC节点分别电连接至所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)中相应的一个DC电连接部，
多个AC节点，所述多个AC节点分别与所述AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部电耦接，以及
多个开关装置(S1-S6)，所述多个开关装置(S1-S6)分别操作为根据相应的开关控制信号(23)选择性地将所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述第一DC节点和第二DC节点中相应的一个DC节点耦接；以及
滤波电路(30)，所述滤波电路(30)位于所述外壳内部(5)中的所述开关电路(20)下方并且包括多个电感器(30L)，所述多个电感器(30L)分别电连接在所述开关电路(20)的所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述多个AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部之间。
2.根据权利要求1所述的设备(2)，其中，所述滤波电路(30)包括多个滤波电阻器(30R)，所述多个滤波电阻器(30R)分别与所述多个电感器(30L)中相应的一个电感器并联连接。
3.根据权利要求2所述的设备(2)，包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为在所述电力转换设备(2)的工作期间冷却所述滤波电路(30)。
4.根据权利要求3所述的设备(2)，包括DC母线电容电路(28)，所述DC母线电容电路(28)位于所述外壳内部(5)中并且包括连接在所述第一DC电连接部与第二DC电连接部(18)之间的至少一个电容器。
5.根据权利要求4所述的设备(2)，包括DC母线平衡电路(38)，所述DC母线平衡电路(38)位于所述外壳内部(5)中并且包括在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)之间彼此串联连接的第一平衡电阻器和第二平衡电阻器。
6.根据权利要求2所述的设备(2)，包括至少一个控制板(22、24、26)，所述至少一个控制板(22、24、26)位于所述外壳内部(5)中并且操作为提供所述开关控制信号(23)，以将所述开关电路(20)作为(i)和(ii)二者之一来进行操作：(i)作为将来自连接至所述AC电连接部(16)的AC源的电力进行转换的有源整流器，以在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)提供DC输出电力，其中所述滤波电路(30)提供R-L输入滤波；或者(ii)作为将来自连接至所述DC电连接部(18)的DC源的电力进行转换的逆变器，以在所述多个AC电连接部(16)提供AC输出电力，其中所述滤波电路(30)提供R-L输出滤波。
7.根据权利要求6所述的设备(2)，包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为在所述电力转换设备(2)的操作期间冷却所述滤波电路(30)。
8.根据权利要求6所述的设备(2)，包括DC母线电容电路(28)，所述DC母线电容电路(28)位于所述外壳内部(5)中并且包括连接在所述第一DC电连接部与第二DC电连接部(18)之间的至少一个电容器。
9.根据权利要求1所述的设备(2)，包括至少一个控制板(22、24、26)，所述至少一个控制板(22、24、26)位于所述外壳内部(5)中并且操作为提供所述开关控制信号(23)，以将所述开关电路(20)作为(i)和(ii)二者之一来进行操作：(i)作为将来自连接至所述AC电连接部(16)的AC源的电力进行转换的有源整流器，以在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)提供DC输出电力，其中所述滤波电路(30)提供输入滤波；或者(ii)作为将来自连接至所述DC电连接部(18)的DC源的电力进行转换的逆变器，以在所述多个AC电连接部(16)提供AC输出电力，其中所述滤波电路(30)提供输出滤波。
10.根据权利要求9所述的设备(2)，包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为在所述电力转换设备(2)的操作期间冷却所述滤波电路(30)。
11.根据权利要求9所述的设备(2)，包括DC母线电容电路(28)，所述DC母线电容电路(28)位于所述外壳内部(5)中并且包括连接在所述第一DC电连接部与第二DC电连接部(18)之间的至少一个电容器。
12.根据权利要求11所述的设备(2)，包括DC母线平衡电路(38)，所述DC母线平衡电路(38)位于所述外壳内部(5)中并且包括在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)之间彼此串联连接的第一平衡电阻器和第二平衡电阻器。
13.根据权利要求1所述的设备(2)，包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为在所述电力转换设备(2)的操作期间冷却所述滤波电路(30)。
14.根据权利要求13所述的设备(2)，包括DC母线电容电路(28)，所述DC母线电容电路(28)位于所述外壳内部(5)中并且包括连接在所述第一DC电连接部与第二DC电连接部(18)之间的至少一个电容器。
15.根据权利要求14所述的设备(2)，包括DC母线平衡电路(38)，所述DC母线平衡电路(38)位于所述外壳内部(5)中并且包括在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)之间彼此串联连接的第一平衡电阻器和第二平衡电阻器。
16.根据权利要求1所述的设备(2)，包括DC母线平衡电路(38)，所述DC母线平衡电路(38)位于所述外壳内部(5)中并且包括在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)之间彼此串联连接的第一平衡电阻器和第二平衡电阻器。
17.一种电力转换系统(70)，包括：
第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块被配置成有源前端(AFE)开关整流器，每个电力转换器模块(2)均包括：
外壳(4)，所述外壳(4)限定外壳内部(5)并且具有底部，
AC输入，所述AC输入包括多个AC电连接部(16)，
DC输出，所述DC输出包括第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)，
开关电路(20)，所述开关电路(20)位于所述外壳内部(5)中并且包括：
第一DC节点和第二DC节点，所述第一DC节点和第二DC节点分别电连接至所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)中相应的一个DC电连接部，
多个AC节点，所述多个AC节点分别与所述AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部电耦接，以及
多个开关装置(S1-S6)，所述多个开关装置(S1-S6)分别操作为根据相应的开关控制信号(23)选择性地将所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述第一DC节点和第二DC节点中相应的一个DC节点耦接；以及
滤波电路(30)，所述滤波电路(30)位于所述外壳内部(5)中的所述开关电路(20)下方并且包括多个电感器(30L)，所述多个电感器(30L)分别电连接在所述开关电路(20)的所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述多个AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部之间，以及
至少一个控制板(22、24、26)，所述至少一个控制板(22、24、26)位于所述外壳内部(5)中并且操作为提供所述开关控制信号(23)，以将所述开关电路(20)作为将来自连接至所述AC电连接部(16)的AC源的电力进行转换的有源整流器来进行操作，以在所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)提供DC输出电力，其中所述滤波电路(30)提供输入滤波；
其中，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)的所述AC输入相互连接，以接收AC输入电力；以及
其中，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)的所述DC输出相互连接，以提供DC输出电力。
18.根据权利要求17所述的电力转换系统(70)，其中，每个电力转换器模块(2)均包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为冷却所述滤波电路(30)。
19.一种电力转换系统(80)，包括：
第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)被配置成无源整流器，每个电力转换器模块(2)均包括：
外壳(4)，所述外壳(4)限定外壳内部(5)并且具有底部，
AC输入，所述AC输入包括多个AC电连接部(16)，
DC输出，所述DC输出包括第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)，
整流器电路(20)，所述整流器电路(20)位于所述外壳内部(5)中并且包括：
第一DC节点和第二DC节点，所述第一DC节点和第二DC节点分别电连接至所述第一DC电连接部和第二DC电连接部(18)中相应的一个DC电连接部，
多个AC节点，所述多个AC节点分别与所述AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部电耦接，以及
多个整流器(D1-D6)，所述多个整流器(D1-D6)分别连接在所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述第一DC节点和第二DC节点中相应的一个DC节点之间，以及
滤波电路(30)，所述滤波电路(30)位于所述外壳内部(5)中的所述整流器电路(20)下方并且包括多个电感器(30L)，所述多个电感器(30L)分别电连接在所述整流器电路(20)的所述多个AC节点中相应的一个AC节点与所述多个AC电连接部(16)中相应的一个AC电连接部之间，
其中，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)的所述AC输入相互连接，以接收AC输入电力；以及
其中，所述第一电力转换器模块和第二电力转换器模块(2)的所述DC输出相互连接，以提供DC输出电力。
20.根据权利要求19所述的电力转换系统(80)，其中，每个电力转换器模块(2)均包括风机组件(14)，所述风机组件(14)位于所述外壳内部(5)中并且操作为冷却所述滤波电路(30)。
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