專利名稱：電壓變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電學領域。具體地說，本實用新型涉及用于將第一 AC電壓變換成第二 AC電壓的電壓變換器(voltage inverter)和具有電壓變換器的機柜單元。
背景技術：
例如，電壓變換器用于工業傳動配置，包括整流器段、DC鏈路段和變換器段，由主電壓供給向其提供第一 AC電壓，并將第二 AC電壓提供給負載、例如電機。通常，由于其設計的簡化，包括適合于生成5電平相到相輸出電壓的三電平分支 (leg)(或只是三電平變換器)的變換器段用于例如給電機提供AC電壓。然而，這可導致電機電流的高諧波失真。
實用新型內容本實用新型的一個目的是提供一種用于將第一AC電壓變換成第二AC電壓例如用于具有低諧波失真的工業傳動配置的電壓變換器。本實用新型的該目的通過獨立權利要求的主題解決，其中另外的實施例結合在從屬權利要求以及如下描述中。本實用新型的第一方面涉及用于將第一 AC電壓變換成第二 AC電壓的電壓變換器。每個AC電壓可包括多于一個相，例如三個相。根據本實用新型的實施例，電壓變換器包括三個相單元。輸入變壓器(input transformer)可以是電壓變換器的一部分或者在外部。每個相單元包括整流器段、DC鏈路段和具有兩個三電平分支(即H橋)的變換器段。變換器段的分支可適合于生成三個不同的電壓，例如+DC、0和-DC，其中DC是DC鏈路中的電壓。H橋可適合于生成5個不同的分支到分支電壓電平。輸入變壓器適合于將第一 AC電壓變換成中間AC電壓，所述中間AC電壓被提供給整流器。整流器適合于將中間AC電壓整流成DC電壓，所述DC電壓被提供給DC鏈路。可以由變壓器對所述中間AC電壓相對彼此進行相移，以便實現第一 AC電壓上的
最小諧波。變換器段的第一分支提供第二 AC電壓的相，并且變換器段的第二分支互連，使得獲得第二 AC電壓的相的九電平相到相輸出電壓。用這種方式，電壓轉換器適合于通過使用具有三電平輸出的變換器提供相對平滑的第二 AC電壓。電壓變換器可能需要用于工業傳動配置的最小工程設計。電壓變換器可以任何輸出頻率操作，優選在OHz與75Hz之間。還提供75Hz以上的輸出頻率，例如IOOHz或高達幾百Hz。電壓變換器可提供任何輸出電壓，例如范圍從6kV到6. 9kV。還提供在IkV與幾十 kV之間的輸出電壓。
3[0015]電壓變換器可傳遞高達幾十MVA的輸出功率。可相對于輸出功率調整冷卻機制。 一般而言，相比空氣冷卻電壓變換器，水冷卻電壓變換器可能能夠傳遞更高的輸出功率，例如用空氣冷卻最高達7MVA，而用水冷卻在5MVA以上。電壓變換器的相單元是一樣的。電壓變換器可提供9電平相到相輸出電壓。因此不需要功率半導體的串聯或并聯。相反，例如每個變換器段的一個分支(其可以是H橋)連接到公共星形點。這允許相對彼此切換三電平變換器，并獲得9電平相到相輸出電壓。包含用于改進輸出電壓波形的輸出濾波器。每個相單元的整流器可以形成朝向網絡的36脈沖整流器，得到由于高脈沖數引起的高功率因數和低網絡諧波。功率因數可大于0. 95。在錯誤的情況下，防火機制可連接通過電壓變換器的所有半導體。一部分電容器可經由串聯電感耦合到DC總線，以便在啟動防火機制之后限制來自DC鏈路電容器的第一電流峰值。一旦發生短路，非熔絲保護可確保通過使用它們的過載能力將系統中的殘留能量分布在健康的電氣部件上。來自電氣消耗裝置(electric consumer)的輸入功率可由變換器半導體在輸入端短路，并且不能到達其它電氣部件并且不能損壞其它電氣部件。電壓變換器還可具有集成到整流器模塊中的晶閘管撬棍(thyristor crowbar) 0 晶閘管撬棍可同時激活并使整流器短路以防止進一步損壞電壓變換器。隨后，可斷開電壓變換器的電力網供電。由此，當發生短路時防火機制可首先響應，且隨后斷開電力網供電。為了檢測到短路，可以在電壓變換器中安裝無源板。在短路的情況下，無源板可立即啟動點火。可通過測量整流器中間連接與DC鏈路中性點之間的電壓來進行整流器監控。在整流二極管壞了的情況下，啟動跳閘，使得將斷開電力網供電。還可通過監控相單元公共點上的電壓來提供接地故障保護。如果發生錯誤，則電壓增大并啟動跳閘。保護繼電器可用于監控變壓器。在故障的情況下，相電流之和不等于0，并且保護繼電器斷開電力供給。保護繼電器可提供三種類型的保護，它們是由于過載和故障引起的檢測過電流、響應于短路電流和響應于高短路電流。根據本實用新型的一個實施例，輸入變壓器包括一個或多個絕緣的初級繞組和六個絕緣的次級繞組以便將中間AC電壓進行相移。輸入變壓器可是干式的或充油的。每兩個相鄰次級繞組之間的相差可以不同或相等。例如，兩個相鄰次級繞組之間的相差可以是10°。輸入變壓器可以是模塊化的，可耦合到相單元。根據本實用新型的一個實施例，輸入變壓器可包括兩個絕緣的初級繞組和兩對絕緣的次級繞組，其中每對包括三個絕緣的次級繞組，并且其中每個初級繞組被分配給一對絕緣的次級繞組。根據本實用新型的另一個方面，電壓變換器可包括主斷路器，適合于將電壓變換器連接到提供第一 AC電壓的電力網供電，并在檢測到電壓變換器中的錯誤之后中斷第一AC電壓。主斷路器可在故障情況下反應，遵循防火機制，并可將電壓變換器與電力網供電斷開。根據本實用新型的一個實施例，電壓變換器包括充電電路，該充電電路適合于給 DC鏈路的電容器充電。可在閉合主斷路器之前給DC鏈路的電容器充電以便保持低突入電流(inrush current)0充電電路可包括連接到每個相中性點和所有三個相的公共軌道星形點的三相變壓器。這可允許使用變換器二極管作為整流器給DC鏈路電容器充電。根據本實用新型的一個實施例，至少部分所述相單元或全部相單元(例如變換器段、DC鏈路段和/或整流器段)可設計為模塊。例如在發生錯誤后，相單元模塊可以是可撤回模塊化的且可替換模塊化的 (retraced and replaced modular)。因此，電壓變換器可包括滑軌以便容易地抽出相單元模塊。根據本實用新型的一個實施例，電壓變換器的每個相單元包括兩個變換器，它們并行地連接到DC鏈路。根據相單元的輸出功率可使用第二變換器。兩個變換器都可硬并聯到DC鏈路并在分支處互連或重新連接到例如電機相。第二變換器可擴展相單元的輸出功率。根據本實用新型的一個實施例，電壓變換器是空氣冷卻的。根據本實用新型的一個實施例，電壓變換器是水冷卻的。空氣冷卻的電壓變換器和水冷卻的電壓變換器都可還包括熱交換器以傳送來自電壓變換器附近的暖空氣。本實用新型的另一方面涉及包括上面和下面所描述的電壓變換器的機柜單元 (cabinet unit)0變壓器可以是電壓變換器的一部分，并且可設置成與轉換器機柜(converter cabinet)在一行。變壓器還可單獨設置，或者可由外部供應商提供。根據本實用新型的一個實施例，機柜單元包括至少一個門，該至少一個門配備有螺線管互鎖，使得只要電壓變換器通電所述至少一個門就不能打開。電壓變換器還可包括外殼、例如用于提供電機轉矩和速度性能的控制系統、例如在同步電機的勵磁(excitation)電路的直流情況下用于有刷勵磁和在同步電機的勵磁電路的交流情況下用于無刷勵磁的勵磁單元以及同步旁路單元，所述同步旁路單元用于將異步電機人工或自動轉到固定頻率線并返回到壓力變換器而只有電機的非常短電力中斷或者甚至沒有電力中斷。電壓變換器還可包括輸出斷開器以在運轉失常的情況下將電氣消耗裝置(例如電機)從電壓變換器斷開。例如可通過曲柄(crank)人工操作斷開器。而且，電壓變換器可適合于通過診斷軟件(例如DriveWindow和DriveMonitorTM) 得到本地和/或遠程維護和/或監控。
[0051]在下文將參考附圖描述本實用新型的示范實施例。圖1例證了根據本實用新型的示范實施例具有主斷路器、輸入變壓器、負載和電壓變換器的工業傳動配置。圖2例證了根據本實用新型的示范實施例電壓變換器的相單元的具有兩個三電平分支的DC鏈路和變換器段。圖3例證了根據本實用新型示范實施例的電壓變換器的濾波器的示例。圖4例證了根據本實用新型示范實施例的電壓變換器的DC鏈路的充電單元。圖5例證了根據本實用新型示范實施例的兩個變換器的硬并聯。圖6例證了根據本實用新型示范實施例用于冷卻空氣冷卻的電壓變換器的空氣流的示意圖。圖7例證了根據本實用新型示范實施例的電壓變換器的輸入變壓器。圖8例證了根據本實用新型示范實施例的電壓變換器的輸入變壓器。圖9例證了根據本實用新型示范實施例的空氣冷卻的電壓變換器(沒有輸入變壓器)的內部的立體圖。圖10例證了根據本實用新型示范實施例的水冷卻的電壓變換器(沒有輸入變壓器)的內部的立體圖。
具體實施方式
圖1描述了根據本實用新型示范實施例的電壓變換器100，包括連接到該電壓變換器的三個相單元110和輸入變壓器120。每個相單元110包括整流器段130、DC鏈路段 140和具有濾波器170的變換器段150。每個變換器150的第一分支151經由濾波器170和相153連接到負載190以便提供第二 AC電壓107。變換器150的第二分支152互連。圖1描繪了適合于向輸入變壓器120提供第一 AC電壓103的主斷路器180，輸入變壓器120將第一 AC電壓變換成中間AC電壓105以提供給整流器130。圖2例證了 DC鏈路140和變換器150 (即H橋)。第一三電平分支151連接到負載190。第二三電平分支152與其它相單元的第二分支152 —起連接到公共星形點158。三電平分支的中性點154連接到DC鏈路的中性點144。由此，相對彼此切換相單元的變換器段的三電平分支允許獲得5電平分支到分支輸出電壓。另一方面，相對彼此切換電壓變換器的5電平相單元允許獲得9電平相到相輸出電壓。圖3例證了濾波器170，每個都連接到變換器150的第一分支151，并共同連接到地 310。電流傳感器300適合于監視通過這些相到電氣消耗裝置的電流。圖4例證了用于給DC鏈路的電容器充電的充電電路400。充電電路包括連接到每個相中性點144和公共軌道星形點158的三相變壓器410。充電電路400包括用于將從三相變壓器410到中性點144的連接斷開的高壓繼電器 420。圖5例證了并聯到DC鏈路140并重新連接在可以是電機的電氣消耗裝置190的相的兩個變換器150。圖6例證了容納(house)上面和下面所描述的電壓變換器100的機柜單元600中的空氣流610。電壓變換器布置在外殼602中，外殼602包括配備有空氣過濾墊620以便防止灰塵和顆粒進入機柜單元的進氣口 605。可出現警告如果空氣過濾墊620被污染了，并且如果污染的空氣過濾墊未被清潔或替換，則電壓變換器停止操作。空氣首先流過其上安裝了溫度敏感半導體的熱沉630，例如整流器段130和/或變換器段150。在背部，部分空氣在離開外殼602之前經由另外安裝在頂蓋的冷卻元件650冷卻電壓變換器的無源部件640，冷卻元件650可以是冷卻風扇或熱交換器。冷卻元件650可包括噪聲降低出口。根據電壓變換器的輸出功率，多個冷卻元件或冗余的冷卻元件可安裝到外殼上，當其它冷卻元件之一停止操作時，冗余冷卻元件啟動。電壓變換器還可通過水冷卻回路冷卻。附加地，可安裝作為熱交換器或風扇的冷卻元件，用于外殼602內部或之上的空氣循環和/或熱耗散。上面和下面描述的冷卻機制可以是恒溫控制的。圖7例證了通過其初級繞組121連接到電力網供電103并且通過其六個次級繞組 122連接到整流器130和DC鏈路140的輸入變壓器120。初級繞組121被分配給相對于彼此進行相移的六個次級繞組122。圖8例證了具有兩個初級繞組121和兩對125次級繞組的備選輸入變壓器120，每對125包括三個次級繞組122，其中每個初級繞組121被分配給一對125次級繞組。圖9示出了組裝有三個相單元110的空氣冷卻的電壓變換器的可能排齊 (line-up)。相單元一個在另一個之上地排齊，并且用機械方式連接到控制和終端機柜。相單元包括整流器段130、變換器段150和DC鏈路段140。電壓變換器的部分、例如DC鏈路段可安裝不止一次以提高輸出功率。終端段(terminal section)連接到電壓變換器。控制段容納用于控制轉換器的設備。在終端段中，輸入變壓器電纜和負載電纜連接到電壓變換器。電纜入口可以從頂部或從底部進入終端段。在頂蓋上，三個標準風扇901和一個冗余風扇經由冗余封蓋(flaps)連接到電壓變換器機柜。當風扇不運行時冗余封蓋中斷空氣流動。圖10示出了水冷卻的電壓變換器的可能排齊。在終端段1004中，輸入變壓器電纜和負載電纜可連接到電壓變換器。對于每個相單元110，整流器段130、DC鏈路段140和變換器段150水平排齊。這些相單元的部分、例如變換器段和整流器段可設計成模塊。附加地，部分可安裝不止一次以提高輸出功率。控制機柜1001容納用于控制轉換器、例如在變換器單元中切換IGCT的設備。水冷卻單元機柜1002容納用于冗余目的的兩個泵。在頂蓋上，可以安裝熱交換器1003以傳送來自電壓變換器附近的暖空氣。在權利要求書中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中闡述的某些度量的純粹事實不指示不能有利地使用這些度量的組合。
權利要求1.一種用于將第一 AC電壓(103)變換成第二 AC電壓(107)的電壓變換器(100)，包括三個相單元(110)； 輸入變壓器(120)；其中每個相單元(110)包括整流器段(130)、DC鏈路段(140)和變換器段(150)； 其中所述輸入變壓器(120)適合于將所述第一 AC電壓變換成中間AC電壓(105)以提供給所述整流器(130)；其中所述整流器(130)適合于將所述中間AC電壓整流成DC電壓以提供給所述DC鏈路；其中所述變換器段(150)的第一三電平分支(151)提供所述第二 AC電壓的相(153)， 并且所述變換器段(150)的第二三電平分支(15 互連，使得獲得所述相(15 的九電平相到相輸出電壓；其中由所述輸入變壓器將所述中間AC電壓相對彼此相移，以便實現所述第一 AC電壓上的最小諧波。
2.如權利要求1所述的電壓變換器(100)，其中所述輸入變壓器(120)包括一個絕緣的初級繞組(121)和六個絕緣的次級繞組 (122)。
3.如權利要求1所述的電壓變換器(100)，其中所述輸入變壓器(120)包括兩個絕緣的初級繞組(121)和兩對(12 絕緣的次級繞組(122)；其中每對(12 包括三個絕緣的次級繞組(122)； 其中每個初級繞組(121)分配給一對(12 絕緣的次級繞組。
4.如權利要求1所述的電壓變換器(100)，還包括主斷路器(180)，所述主斷路器 (180)適合于在檢測到所述電壓變換器中錯誤之后中斷所述第一 AC電壓。
5.如權利要求1所述的電壓變換器(100)，還包括充電電路(400)， 其中所述充電電路適合于給所述DC鏈路的電容器充電。
6.如權利要求1所述的電壓變換器(100)， 其中所述相單元(110)設計成模塊。
7.如權利要求1所述的電壓變換器(100)，其中每個相單元(110)包括具有兩個三電平分支(150)的變換器段； 其中所述變換器段并聯到所述DC鏈路(140)。
8.如權利要求1所述的電壓變換器(100)， 其中所述電壓變換器是空氣冷卻的。
9.如權利要求1所述的電壓變換器(100)， 其中所述電壓變換器是水冷卻的。
10.一種機柜單元(600)，包括如權利要求1所述的電壓變換器(100)。
11.如權利要求10所述的機柜單元(600)，還包括至少一個門；其中所述門配備有螺線管互鎖，使得只要所述電壓變換器通電所述至少一個門就不能打開。
專利摘要本實用新型的名稱為電壓變換器，提供了用于將第一AC電壓(103)變換成第二AC電壓(107)的電壓變換器(100)，其中電壓變換器包括可以是電壓變換器一部分的三個相單元(110)和輸入變壓器(120)。輸入變壓器適合于將第一AC電壓變換成中間AC電壓以提供給整流器。每個相單元包括整流器段(130)、DC鏈路段(140)和變換器段(150)。變換器段的第一三電平分支(151)提供第二AC電壓的相(153)，并且變換器段的第二三電平分支(152)互連，使得獲得相(153)的九電平相到相輸出電壓，其中中間AC電壓可相對彼此由輸入變壓器相移，以便實現第一AC電壓上的最小諧波。
文檔編號H02H7/10GK202197222SQ20112026860
公開日2012年4月18日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者J·勞興施泰因, R·卡吉納德 申請人:Abb技術有限公司