含有可互換單元的功率輸送系統的制作方法

專利名稱：含有可互換單元的功率輸送系統的制作方法
含有可互換單元的功率輸送系統 相關申請的交叉引用本專利申請要求如下申請的優先權，并通過弓間在整體上包含如下申請(i )于2005年8月31日提交的標題為"A system and method for configurable power infrastructure including interchangeable cells"的未決的美國臨時專禾U申請 No.60/713,198; (ii)于2005年8月31曰提交的標題為"Packaging method for modular multilevel power cells and system infrastructure "的未決的美國臨時專禾U申 請No備13,197。關于聯邦資助研究的聲明不適用。g研究合同的團體名稱 不適用。通過引用光盤材料的并入 不適用。
背景技術：
近年來，用于中壓變步頁馬區云力(medium-voltage variable frequency drive, VFD)的電路受到了關注。在過去的十年里，弓l入了多種新穎的方法。例如，正如在 對Hammond的美國專利No.5,625,545中所述(其公開在lWl引用在整體上被 并入)，在包括串聯連接的逆變器的電路中，逆變器或功率單元iio包括三相二 極管橋整流器U2、 一個或多個直流(DC)電容器114、以及H橋逆變器116。 整流器112將輸入118的交流(AC)電壓轉換成由跨接整流器112的輸出的電 容器114維持的基本上恒定的直流電壓。逆變器110的輸出級包括H橋逆變器 116，該H橋逆變器包括兩極、即左極和右極，針極都帶有兩個裝置。逆變器 110利用在H橋逆變器116中的半導體器件的脈沖寬度調制(PWM)將直流電 容器114兩端的直流電壓變換成交流輸出120。含有諸如圖1中的HO的功率單元的電路，當連接至例如電機的負載時，能夠從輸入源為運行在電動mii行模式的電機提供功率。這樣的功率單元有時可被稱為單向或兩象限(2Q)單元。這是因為當考慮速度和轉矩的四象限時， 參考圖2，所述單元的運纟刊寺性210 ^ii行在速度和總薛卩為正的象限(第一象 限201)或者速度和轉矩都為負的象限(第三象限203)中。但是，當電機的速度需要卩射氏時，來自電機的功率需要被逆變器吸收。當 功率必須被逆變器吸收時，這種運行模式被稱為再生模式。在這樣的情況下， 就需要再生的或四象限的單元。再生單元的一個例子示于對Hammond的號為 No.6,301,130的美國專利中。如在圖3中所示，再生功率單元360可以包括有源 前端362，該有源前端用作4頓絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)Q5—Q10或由PWM 控制的其它開關裝置的第一逆變器。第一逆變器362與第二逆變器364以及一 個或多個直流鏈接電容器366并聯電連接。這樣的單元接收來自變壓器346的 功率，并將所述功率輸送至組內的其它單元或負載349。參考圖2，這個單元允 許運行特性220處于全部四個象限201 —204，包含速度和轉矩都為正的象限(第 一象限201)、辯巨為正而速度為負的象限(第二象限202)、速度和,都為負 的象限(第三象限203)以及轉矩為負而速度為正的象限(第四象限204)。在現有技術中，電機系統包括二象限或四象限的單元。然而，設計成適用 于一個或其它的系統在應用上被局限。這里包含的公開描述了為解決上面描述 的一個或多個問題的嘗試。發明內容在一個實施例中，功率單元系統包括具有多個單元位置的支撐結構、至少 一個再生功率單元以及至少一個非再生功率單元。單元位置和單元被確定大小 和位置被設置使得每個單元位置都可以可互換地接受再生功率單元或非再生功 率單元。可選擇地，每個單元位置可以包括支撐軌、處于與在單元位置中的功 率單元的輸入總線電連接的功率輸送總線、以及處于與在單元位置中的功率單 元的輸入總線電連接的功率輸出總線。此外，每個功率單元可以包括框架，使 得系統中的每個框架都基本上具有與系統中的其它框架相同的尺寸和形狀。該 系統還可以包括支持用于針功率單元的控制線的線托架。在一種替代實施例中，功率單元系統包括被連接用以提供多個單元位置的 多個支撐軌和背板。該系統還包括至少一個再生功率單元以及至少一個非再生功率單元。單元位置和功率單元被確定大小和位置使得每個單元位置都可以可 互換地接受再生功率單元或非再生功率單元。每個功率單元包括框架，并且系 統中的^框架都基本上具有與用于系統中的至少一些其它功率單元的框架相 同的尺寸和形狀。可選擇地，每個功率位置可以包括多個支撐軌、處于與在單 元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸送總線、以及處于與在單元位 置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸出總線。該系統還可以包括支持用 于旨功率單元的控制線的線托架。在一個替代實施例中，功率輸送系統包括含有多個單元位置的支撐結構、 至少一個再生功率單元以及至少一個非再生功率單元。單元位置和功率單元被 確定大小和位置使得每個單元位置都可以可互換地接受再生功率單元或非再生 功率單元。每個功率單元可以包括框架，并且系統中的每個框架都基本上具有 與用于系統中的至少一些其它功率單元的框架相同的尺寸和形狀。旨單元位 置可以包括多個支撐軌、處于與在單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的 功率輸送總線以及處于與在單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸 出總線。在上面描述的每個實施例中，每個再生功率單元艦選擇地包括逆變器橋、 橫跨逆變器橋的端子電連接的電容器組、以及包含作為三相橋電連接的多個晶 體管的有源前端。可替代地，每個再生功率單元可以包括逆變橋、橫跨逆變器 橋的端子電連接的電容器組、橫跨所述端子電連接的三相二極管橋整流器、以 及橫跨所述端子電連接的串聯連接的晶體管和電阻組合。也可選擇地，每個非 再生單元可以包括逆變器橋、橫跨逆變器橋的端子電連接的電容器組以及橫跨 所述端子電連接的三相橋整流器。再生和非再生單元的其它配置也是可能的。


圖1是表^^見有技術的非再生功率單元的典型特性的電路圖。 圖2描述員度和,的四象限中的運行。圖3是表示現有技術的再生功率單元的典型特性的電路圖。圖4描述包括連接至負載的多個功率單元的電路。圖5示出了典型的功率單元外殼結構。圖6示出了用于多個功率單元的典型支撐結構。圖7示出了帶有處于單元位置中的單元的圖6的支撐結構。
具體實施方式
在本方法、系統和材料被描^t前，應理解本公開不局限于所描述的f寺定 方法、系統和材料，因為這些都可以改變。還應理解描述中所使用的專用名詞 是用于描述特定版本和實施例的目的，并不想要限制范圍。例如，正如這里以 及所附的權禾腰求書中使用的，單數形式"一"以及"該"("a"， "an"以及 "the")包含了復數的指代，除非文中以其它方式清楚地規定。除非另外定義， 否則這里使用的所有技術和科技術語都具有本領域普通技術人員通常理解的相 同含義。此外，下列術語在這里具有下面的定義包括~^含但不局限于。電連接或電耦合^以適于傳遞電能的方式連接。H橋逆變fl~-用于交流和直流電路之間的受控功率流的電路，含有四個 晶體管和四個二極管。參考圖l， H橋逆變器116通常包括并聯電連接的第一相 支路和第二相支路。每個支路都包括兩個晶體管/二極管組合。在每個組合中， 二極管電耦合在晶體管的St及和皿極兩端。逆變tl~~^各直流功率轉換成交流功率或將交流功率轉換皿流功率的裝置。中壓"~^C于690伏(V)且小于69千伏(kV)的額定電壓。在一些實施例中，中壓可能是約1000V和約69kV之間的電壓。非再生功率單元一不具有吸收再生功率能力的功率單元。 功率單元一具有三相交流輸入和單向交流輸出的電氣裝置。 序歹y~~^黃跨三相功率輸送系統的每一相所建立的功率單元的排列。 再生功率單元(regenerative power cell)——具有吸收再生功率能力的功率單元。基本上~~^很大范圍^fMS上。在不同的實施例中，多級功率電路包括多個功率單元用于驅動負載。圖4 示出了具有這種功率單元的典型實施例。在圖4中，變壓器410ffi31—系列單 相逆變器(也稱作功率單元)將三相中壓功率輸送至諸如三相感應電機的負載 430。，器410包括激發多個次級繞組414—425的初級繞組412。盡管初級繞組412被示出具有星形配置，但三角形配置也是可能的。進一步，盡管次級繞 組414—425被示出具有三角形配置，但星形配置的次級繞組也是可能的，或者 星形和三角形繞組的組合也可以被使用。進一步，在圖4中示出的次級繞組的 數目僅僅是示例性的，其他數目的次級繞組也是可能的。在某些實施例中，該 電路可被用于中壓應用或者其它應用。任何多個序列的功率單元都連接在變壓器410和負載430之間。"序列"被認為是三相集、或者跨功率輸送系統的三相中的每一相所建立的一組功率單元。 參考圖4，序列450包括功率單元451—453，序列460包括功率單元461—463， 序列470包括功率單元471—273，以及序列480包括功率單元481—483。少于 四個序列或者多于四個序歹嘟是可能的。中鵬制系統495 ilil光纖或另一有 線或無線通信介質490發送指令信號至齡單元的本i鵬制器。圖5示出了典型的功率單元結構510。功率單元510包括框架512以及一 組功率輸A/輸出連接器521—525 。單元的典型的內部部件可以包括任意數目的 電容器、散熱器以及可包括諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊和一個或多個 整流器模塊的零件的電子組件。IGBT可被分離用于I/O總線位置以及增加熱性 能。框架512封入功率單元510的不同部件，例如一個或多個電容器、印刷電 路板、散熱器等等。框架512可以由任何合適的材料制造，比如嫩轉ra或其它 金屬，以使得在正常運行和許多不正常運行##下將該功率單元與系統中的其 它功率單元在機械和電磁上隔離。框架512可用于保護功率單元510的內部部 件在運輸和處理期間不受損壞，并且該框架可以以下方式配置，使得電子模塊 510會灘被方j(fi在其任何一側而并不造成對電子模塊510的部件的任何損壞。根 據不同的實施例，框架512可以由多個連接在一起的部分組成，并且框架512 的一個或多個部分是可拆卸的。此外，框架512可具有厚度，該厚度足以防止 由于電子模塊510的內部部件的失效造成的任何碎片離開由框架512圍住的空 間，從而防iW電子模塊510附近的任何部件的間接損壞。如在圖5中所示，功率單元510可進一步包括多^f禹合至內部輸入或輸出 功率總線的功率插塞式連接器521-525，該內部輸A^輸出功率總線被配置用 以向和從電子模塊510路由功率。例如，功率插塞式連接器中的三個522—524 可被配置用以接收來自源的三相功率，而功率插塞式連接器中的兩個521和525可被配置用以輸送單相功率至負載。功率插塞式連接器允許單元被插入主電源 層。在圖4和圖5中所描述的功率單元排列提供了模i央化多級系統，所述模塊 化多級系統由于需要適用于不同的設計要求或者需要替換失效單元而允許單元 被替換。此外，在圖5中所示的單元510是物理可互換的，使得所述單元可包 括兩象限單元的元件(例如在圖1中所示的元件)或者再生(四象限)單元的 元件(例如在圖3中所示的元件)。以這樣的方式，各個單元位置育,必要地用 再生或非再生單元填充式(populated)替換，用以提供期望的制動程度。這樣 不管是再生單元還是非再生單元，每個單元510的框架512將基本上具有相同 的尺寸和皿。圖6示出了典型支撐結構644，用于在外殼內的多個電力單元，例如9個 單元，其中齡功率單元或其它電子模塊安置在一個或多個安^fl 646上，使 得W^單元的后部都面對背板648，并且單元的功率插頭通過背板648接觸單元 功率連接621—625。背板648可由任何合適的不導電材料支撐、例如高強度不 導電層壓材料構成，并且該背板提供了各個單元和系統中其它方面之間的屏障。支撐結構被設計用以提供多個單元位置650，每個單元位置都可接收或者 為再生單元或者為非再生單元的可互換單元(例如圖5中的510)。以這樣的方 式，根據期望的制動程度，單個功率單元系統可包括所有的再生單元、所有的 非再生單元或者再生和非再生單元的某種混合。單元510可被確定大小用以沿 著支撐軌646滑入單元位置650，并且然后單元的功率插頭將與單元功率連接 621—625接合。可選擇他，額外的連接、比如線托架(wiretray) 630可被提供 用以容納向和從單元所路由的控制線。還可選擇地，一個或多個次級功率總線 628針對向或從每個單元的電流方向被提供。圖7示出了功率單元510安置于單 元位置之一中的典型支撐結構644。在閱讀了以上敘述的一些示例性實施例的詳細描述和附圖之后，還有其它 的實施例對本領域技術人員將會變得明顯。應理解的是，許多變動、修改以及 附加的實施例也是可能的，并且因此所有這樣的變動、修改和實施方式都被視 為處于本申請的精祌和范圍內。
權利要求
1. 一種功率單元系統，包括包含多個單元位置的支撐結構；至少一個再生功率單元；以及至少一個非再生功率單元；其中，所述單元位置和功率單元被確定大小和位置使得每個單元位置可以可互換地接受再生功率單元或非再生功率單元。
2、 權利要求1所述的系統，其中針單元位置包括.-多個支撐軌；處于與在所述單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸送總線；處于與在所述單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸出總線。
3、 權利要求1所述的系統，齡再生功率單元包括 逆變器橋；橫跨所，變器橋的端子電連接的電容器組；以及 包括作為三相橋電連接的多個晶體管的有源前端。
4、 權利要求l所述的電路，其中^再生功率單元包括 逆變器稱橫跨所,變器橋的端子電連接的電容器組； 橫跨所述端子電連接的三相二極管橋整流器；以及 橫跨所述端子電連接的串聯連接的晶體管和電阻組合。
5、 權利要求1所述的系統，其中齡非再生功率單元包括 逆變器撟；橫跨所^m變器橋的端子電連接的電容器組；以及 橫跨所述端子電連接的三相橋整流器。
6、 權利要求1所述的系統，其中針功率單元包括框架，并^S^f述系統中 的每個框架基本上具有與所述系統中的其它框架相同的尺寸和皿。
7、 權利要求1所述的系統，進一步包括支持用于針功率單元的控制線的線托架。
8、 一種功率單元系統，包括被連接用以提供多個單元位置的多個支撐軌和背板； 至少一個再生功率單元；以及至少一個非再生功率單元；其中所述單元位置和功率單元被確定大小和位置使得每個單元位置都可以可互換地接受再生功率單元或非再生功率單元；以及其中*功率單元包括框架，并且所述系統中的每個框架基本上具有與 所述系統中的多個其它功率單元的框架相同的尺寸和皿。
9、 權禾腰求8所述的系統，其中針單元位置包括 多個支撐軌；處于與在所述單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸送總線；處于與在所述單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸出總線。
10、 權禾腰求8所述的系統，齡再生功率單元包括 逆變器稱橫跨所，變器橋的端子電連接的電容器組；以及 包括作為三相橋電連接的多個晶體管的有源前端。
11、 權利要求8所述的電路，其中齡再生功率單元包括 逆變器稱橫跨所皿變器橋的端子電連接的電容器組； 橫跨所述端子電連接的三相二極管橋整流器；以及 橫跨所述端子電連接的串聯連接的晶體管和電阻組合。
12、 權利要求8所述的系統，其中每個非再生功率單元包括逆變器橋；橫跨所,變器橋的端子電連接的電容器組；以及 橫跨所述端子電連接的三相橋整流器。
13、 權利要求8所述的系統，進一步包括支持用于每個功率單元的控制線 的線托架。
14、 一種功率輸送系統，包括包含多個單元位置的支撐結構；至少一個再生功率單元；以及 至少一個非再生功率單元；其中所述單元位置和功率單元被確定大小和位置使得每個單元位置可以可互換地接受再生功率單元或非再生功率單元；以及其中^功率單元包括框架，并且所述系統中的每個框架基本上具有與所述系統中的多個其它功率單元的框架相同的尺寸和靴。其中^單元位置包括多個支撐軌、處于與在所述單元位置中的功率單元的輸入總線電連接的功率輸送總線、以及處于與在所述單元位置中的功率單 元的輸入總線電連接的功率輸出總線。
15、 權利要求14所述的系統，每個再生功率單元包括 逆變器橋橫跨所,變器橋的端子電連接的電容器組；以及 包括作為三相橋電連接的多個晶體管的有源前端。
16、 權利要求14所述的電路，其中針再生功率單元包括-逆變器橋；橫跨所 變器橋的端子電連接的電容器組； 橫跨所述端子電連接的三相二極管橋整流器；以及 橫跨所述端子電連接的串聯連接的晶體管和電阻組合。
17、 權利要求14所述的系統，其中*非再生功率單元包括 逆變器稱橫跨所 變器橋的端子電連接的電容器組；以及 橫跨所述端子電連接的三相橋整流器。
18、 權利要求14所述的系統，進一步包括支持用于^功率單元的控制線 的線托架。
全文摘要
本發明涉及含有可互換單元的功率輸送系統。功率單元系統包括提供多個功率單元位置的結構。所述系統還包括至少一個再生功率單元以及至少一個非再生功率單元。所述單元位置被確定大小和位置使得每個單元位置可以可互換地接受再生功率單元或非再生功率單元。
文檔編號H02M7/00GK101273516SQ200680031435
公開日2008年9月24日 申請日期2006年8月30日 優先權日2005年8月31日
發明者M·埃洛, 璇 張 申請人:西門子能量及自動化公司