CN1953318A - 用于可变速高功率机器的功率变换器方法和设备 - Google Patents

用于可变速高功率机器的功率变换器方法和设备 Download PDF

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Abstract

描述了用于变换来自电源的功率的方法和设备。在一个示例性实施例中，该方法包括控制耦合到电源的多个变压器和切换设备单元(12)，以及控制并联连接的多个变换器单元(22，24，26，28)。每个变换器单元耦合到对应的一个变压器和切换设备单元以形成单个线(14，16，18，20)。该变压器和切换设备单元以及功率变换器被控制以使得每条单个线的载波波形在一个载波周期上互相交错。

Description

用于可变速高功率机器的功率变换器方法和设备
技术领域
本发明一般涉及功率变换器，尤其是涉及能够使电机在非常高功率和相对高频率执行变速操作的功率变换器。
背景技术
典型地，由于热量限制，能够控制高电流和电压(高电流和电压典型地是超过200安和500伏)的半导体开关不能在高频率切换。因此，由高功率变换器处理的谐波含量很高，并且在该功率信号被应用到电机或电网(power grid)之前一般必须进行显著滤波。这种滤波增加了成本并且会对这种变换器的效率产生不利影响。
作为一个例子，电动机驱动装置典型地需要高功率。然而，对于电动机驱动装置，该驱动装置会产生转矩脉动，它会导致应用到电动机的功率中存在谐波含量。此外，引入到该电网的噪声还会导致应用到电动机的功率衰减。这些谐波含量和噪声会导致对于低循环疲劳敏感的各种成分的衰减。
一种已知的变换器配置包括串联的多个单相变换器模块，以试图增加电压电平和通过在电压波形中增加更多电平来提高功率质量。这种配置通常被称为串联层叠变换器。然而，利用串联层叠变换器，谐波含量也会通过串联从模块到模块，并且典型地在所得到的功率信号被应用到电机或电网之前要执行显著滤波。
发明内容
在一个方面，提供一种用于变换来自电源的功率的方法。该方法包括控制耦合到电源的多个变压器和切换设备单元，和控制并联连接的多个变换器单元。每个变换器单元耦合到对应的一个变压器和切换设备单元以形成单个线。该变压器和切换设备单元以及率变换器被控制，以使得用于每个单个线的载波波形在一个载波周期中互相交错(interleaved)。
在另一方面，提供一种功率变换器系统。该系统包括多个网侧(grid side)变压器和切换设备单元，以及多个变换器单元。每个变换器单元耦合到对应的一个变压器和切换设备单元。每个变换器单元包括反相器。该系统还包括耦合到该变压器和切换设备单元以及变换器单元的主控制器。变压器和切换设备单元以及变换器单元的每个耦合对构成一条线。该主控制器配置成控制来自该线的载波波形信号的交错。
在另一方面，提供一种用于功率变换器系统的主控制器。该功率变换器系统包括多个网侧变压器和切换设备单元以及多个变换器单元。每个变换器单元配置成耦合到对应的一个变压器和切换设备单元。变压器和切换设备单元以及变换器单元的每个耦合对构成一条线。该主控制器包括处理器，该处理器配置成控制来自该线的载波波形信号的交错以使得该线的载波波形信号在一个载波周期中均匀地互相交错。
附图说明
图1是功率变换器系统的一个实施例的示意图。
图2是功率变换器系统的另一个实施例的示意图。
图3是功率变换器系统的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
这里描述了功率变换器的特定实施例。这些实施例仅仅是以示例的方式进行描述，其他的功率变换器配置也是可能的。一般地，这里所述的功率变换器配置包括在该电机侧通过差分模式电抗器(differential mode reactor)或差分模式电抗器和共模电抗器(common mode reactor)的组合而并联连接的背靠背功率变换器的多条线。该电机可以具有一个三相绕组或多个三相绕组。在该电网侧，该变换器通过隔离变压器连接。各个变换器在一个选择的频率上被切换。通过交错该各条线之间的切换模式，可以同时在电机侧和电网侧获得高功率质量输出。
图1是功率变换器系统10的一个实施例的示意图。在图1所示的实施例中，变换器系统包括网侧变压器和切换设备单元12，其构成四条平行线14、16、18和20。变压器和切换设备单元12是本领域公知的，并且是可以从例如ABB、Alstom、Siemens和/或General ElectricCompany商业获得的。
每条线14、16、18和20还包括线控制器22、24、26和28(这里有时也称为变换器单元)，耦合到串联连接的差分模式电抗器30、32、34和36以及共模电抗器38、40、42和44。在一个可选实施例中，线控制器22、24、26和28不耦合到共模电抗器38、40、42和44。
线控制器22、24、26和28是本领域公知的，并且是可以从例如ABB、Alstom、Siemens和/或General Electric Company商业获得的。
每个线控制器22、24、26和28包括反相器。每条线14、16、18和20耦合到电机的各组三相电机绕组，该电机是具有多个三相绕组的同步电机。电机46可选地可以是具有多个三相绕组的异步电机。在图1中，该电机绕组中性点(neutral)显示为隔离的。然而，该中性绕组也可以连接在一起但是与地面隔离或者连接在一起并且接地。
主控制器48耦合到单元12以及每个线控制器22、24、26和28。在该示例实施例中，主控制器48是被编程以执行控制应用程序的基于处理器的计算机。当然，主控制器48可以具有许多不同配置，并且不限于是计算机。例如，主控制器可以是微处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路或其他任何可编程电路。因此，如这里所使用的术语处理器，不仅限于本领域中所指的那些集成电路例如计算机，而是宽泛地指代微处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路或其他任何可编程电路，并且这些术语在这里可以互换使用。
主控制器48直接调节可控电机参数并且将适当的参考传输到线控制器22、24、26和28。主控制器48还同步线控制器22、24、26和28的操作。每个单个线控制器22、24、26和28调节在单条线14、16、18和20中的差分模式和共模电流，并且生成用于控制反相器的切换状态的最终参考。
在操作中，主控制器48和每个线控制器22、24、26和28控制线14、16、18和20的交错。更特别地，各条线14、16、18和20的载波波形在一个载波周期内均匀地互相交错。例如，对于四条线，每个载波被设置成与相邻线中的载波隔开90度或45度(相对于该载波周期)。这就使得有效切换频率等于：
2×(线数)×(n-1)
其中n等于系统中的电平数。
一般地，随着电机电流谐波频谱中的变化暗示，该相移可以在0到180度之间。最优相移也将取决于系统中使用的线数量。具有平行的线会导致线之间存在差分模式电压或者线之间存在差分模式和共用电压，这取决于DC链路和/或网侧变压器中的连接。所得到的差分模式和共模电流(如果存在的话)会受到电抗器和控制算法的选择的限制。
该系统可以被设计成使得每条线控制其个体的电流。为了有助于最小化线之间的差分和共模电压的影响，可以增加额外的调节器，用于测量实际的交叉电流(在线之间流动但是不流入负载中的电流)，并且通过向各个线电流控制器的输出增加小的电压校正来将它们调节到零。在另一实施例中，可以使用主控制器，其直接调节负载电流。然后该控制器的输出将被传送到每条线，其中将增加跨电流调节器的线的电压校正并且使用该结果作为电压控制中的电压命令。这些控制方法中的任何一种都可以应用到这里所述的硬件配置中。
图2是功率变换器系统60的另一实施例的示意图。在图2所示的实施例中，变换器系统包括网侧变压器和切换设备单元62，其具有四条平行线64、66、68和70。每条线64、66、68和70还包括线控制器72、74、76和78(这里有时也称为变换器单元)，其耦合到串联连接的差分模式电抗器80、82、84和86以及共模电抗器88、90、92和94。每个线控制器72、74、76和78包括反相器。每条线64、66、68和70耦合到电机96的各组三相电机绕组，该电机是具有多个三相绕组的同步电机。可选地，电机96也可以是具有多个三相绕组的异步电机。在图2中，该电机绕组中性点显示为隔离的。然而，该中性绕组也可以连接在一起但是与地面隔离或者连接在一起并且接地。更特别地，在每个实施例中，每条线包括耦合在该共模电抗器和各个切换设备单元之间的每个部件。
主控制器98耦合到单元62以及每个线控制器72、74、76和78。主控制器98直接调节可控电机参数并且将适当的参考传输到线控制器72、74、76和78。主控制器98还同步线控制器72、74、76和78的操作。每个单个线控制器72、74、76和78调节在单条线64、66、68和70中的差分模式和共模电流，并且生成用于控制反相器的切换状态的最终参考。
系统60的操作与图1所示系统的操作类似，但是对于系统60，在载波中的相移之外，基础参考电压也会相移适当的相位角。该相移取决于三相组的数量和在该电机内使用的特定绕组分布。在系统60的典型实施例中，该特定的绕组被选择以便最小化该电机气隙中的磁场不均匀分布的影响，该影响将导致非正弦BEMF(反向电磁力)，其即使在良好的正弦激励下也会导致额外的损耗和不均匀转矩。在一个实施例中，对于平衡系统，三个相位每60电度重复一次。在另一实施例中，有两个三相组，使用六个相位，每个三相组之间的30度位移使得重复速率加倍，每30度就重复一次。
图3是功率变换器系统110的另一实施例的示意图。在图3所示的实施例中，变换器系统110包括网侧变压器和切换设备单元112，其具有四条平行线114、116、118和120。每条线114、116、118和120还包括反相器单元122、124、126和128，其耦合到串联连接的差分模式电抗器130、132、134和136以及共模电抗器138、140、142和144。每条线114、116、118和120耦合到电机146的三相电机绕组，该电机是三相同步电机。可选地，电机146也可以是三相异步电机。在图3中，该电机绕组中性点显示为隔离的。然而，该中性点也可以接地。
主控制器148耦合到每个线控制器122、124、126和128。主控制器148直接调节可控电机参数并且将适当的参考传输到线控制器122、124、126和128。主控制器148还同步线控制器122、124、126和128的操作。每个单个线控制器122、124、126和128调节在单条线114、116、118和120中的差分模式和共模电流，并且生成用于控制反相器的切换状态的最终参考。
系统110的操作与图1所示系统的操作类似，但是对于系统110，在载波中的相移之外，基础参考电压也会相移适当的相位角。这就导致了由于每个三相组的相移载波而导致的三相电机电流中的谐波消除，以及由于相移基础而导致的气隙中的谐波消除。因此，增加相移基础有助于增加重复速率以便有效地消除低频。
上述变换器系统有助于提高非常高功率变换器(即在超过几百KW范围内工作的功率变换器)的输出功率质量。这种功率质量是通过在多个变换器单元之间交错切换事件来获得的，从而通过等于该单元数量的因子来提高由负载看到的有效切换频率。该增加的“有效”切换频率导致低输出电流脉动，并且在电机的情形中导致低转矩波动。该系统还有助于提高通过多个并行单元的功率电平，并且通过允许在一条或多条线故障和停止工作的紧急条件下工作而为需要高可靠性工作的电机提供了冗余性。然后，该系统将在减少功率和转矩量的情况下工作，但是总体工作不需要中断。
此外，这种系统配置有助于减少电机中的电流和电压应力(dv/dt)。在电机终端处的高功率质量减少了电机绝缘中由于过电压和高dv/dt而导致的应力。这种配置还提供了电机中减少的承载电流和变换器单元中减少的切换损耗，这是因为各个变换器单元可以在相对较低的切换频率工作同时维持高效的系统切换频率。此外，对于长电缆，这种配置有助于减少谐振，因为该有效的交错电压具有更低的dv/dts和更低幅度的电压阶跃。
虽然本发明是以各种特定实施例的形式描述的，但是本领域普通技术人员将会认识到，可以在权利要求的精神和范围内对本发明进行修改来实施。
部件列表：
10：功率变换器系统
12：变压器和切换设备单元
14：线
16：线
18：线
20：线
22：线控制器或变换器单元
24：线控制器或变换器单元
26：线控制器或变换器单元
28：线控制器或变换器单元
30：差分模式电抗器
32：差分模式电抗器
34：差分模式电抗器
36：差分模式电抗器
38：共模电抗器
40：共模电抗器
42：共模电抗器
44：共模电抗器
46：电机
48：主控制器
60：功率变换器系统
62：变压器和切换设备单元
64：线
66：线
68：线
70：线
72：线控制器或变换器单元
74：线控制器或变换器单元
76：线控制器或变换器单元
78：线控制器或变换器单元
80：差分模式电抗器
82：差分模式电抗器
84：差分模式电抗器
86：差分模式电抗器
88：共模电抗器
90：共模电抗器
92：共模电抗器
94：共模电抗器
96：电机
98：主控制器
110：功率变换器系统
112：变压器和切换设备单元
114：线
116：线
118：线
120：线
122：线控制器或变换器单元
124：线控制器或变换器单元
126：线控制器或变换器单元
128：线控制器或变换器单元
130：差分模式电抗器
132：差分模式电抗器
134：差分模式电抗器
136：差分模式电抗器
138：共模电抗器
140：共模电抗器
142：共模电抗器
144：共模电抗器
146：电机
148：主控制器

Claims (10)

1.一种功率变换器系统(10)，包括：
多个网侧变压器和切换设备单元(12)；
多个变换器单元(22，24，26，28)，每个所述变换器单元耦合到对应的一个所述变压器和切换设备单元，每个所述变换器单元包括反相器；以及
主控制器(48)，耦合到所述变压器和切换设备单元以及所述变换器单元，所述变压器和切换设备单元以及所述变换器单元的每个耦合对包括一条线(14，16，18，20)，所述主控制器配置成控制来自所述线的载波波形信号的交错。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，进一步包括耦合到所述变换器单元(22，24，26，28)的至少一个差分模式电抗器(30，32，34，36)和共模电抗器(38，40，42，44)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述变换器单元(22，24，26，28)包括反相器。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述变换器单元(22，24，26，28)耦合到电机的三相电机绕组。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其中所述主控制器(48)包括处理器。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其中用于所述线(14，16，18，20)的每个载波波形信号在一个载波周期上均匀地互相交错。
7.根据权利要求6所述的系统(10)，包括四条线(14，16，18，20)，并且其中所述主控制器(48)控制所述线的交错以使得每个载波波形被设置成相对于载波周期与相邻线中的载波隔开90度和45度中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的系统(10)，其中所述变换器系统以等于下式的有效切换频率工作：
2×(线数)×(n-1)
其中n等于系统中的电平数。
9.一种用于功率变换器系统(10)的主控制器(48)，该功率变换器系统包括多个网侧变压器和切换设备单元(12)以及多个变换器单元(22，24，26，28)，每个变换器单元配置成耦合到对应的一个变压器和切换设备单元，变压器和切换设备单元以及变换器单元的每个耦合对包括一条线(14，16，18，20)，所述主控制器包括处理器，其配置成控制来自该线的载波波形信号的交错以使得用于该线的载波波形信号在一个载波周期上均匀地互相交错。
10.根据权利要求9所述的主控制器(48)，其中该系统(10)包括四条线(14，16，18，20)，并且其中所述主控制器控制该线的交错以使得每个载波波形被设置成相对于载波周期与相邻线中的载波隔开90度和45度中的至少一个。
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