用于逆變器和提供模塊化功率轉換的可插入功率單元的制作方法

專利名稱：用于逆變器和提供模塊化功率轉換的可插入功率單元的制作方法
背景技術：
通常，被稱為功率轉換器(power converter)、逆變器(inverter)或驅動器 (drive)的設備被用來提供功率給另一件設備，諸如電動機。具體地，這樣的轉換器(本文轉換器通常用來指轉換器、逆變器和驅動器)被耦合到公用設施連接以接收進入的輸入功率，諸如三相AC功率。轉換器對該功率進行調整以便把經調整的功率提供到設備或負荷。 這樣，到負荷的進入功率可以具有改進的效率，這導致運行設備的成本得以減少。
多電平功率轉換器主要由于改進的輸入與輸出諧波含量、更好的電磁兼容性和更高的電壓能力的原因而得到廣泛流行。在功率轉換方面的這些改進是通過使用多電壓階梯策略達到的。一種常見的多電平逆變器拓撲是基于H-橋逆變器的，在其中多個H-橋逆變器串聯連接。由于此拓撲包含串聯的功率轉換單元，所以電壓和功率電平可以容易地被標量。
多電平功率轉換器被用來提供功率到諸如電動機之類的負荷。這樣的多電平轉換器常常被實施為被容納在機柜中的大件設備，其接收例如來自公用設施連接的進入的功率，對該功率進行調節并把它提供到耦合的負荷。總的來說，驅動系統包括一個或多個變壓器，所述變壓器具有次級繞組，所述次級繞組耦合到執行整流、逆變和其它調節任務的各個功率單元。典型地，為了執行這些功能，除了其它這樣的設備之外每個功率單元包括整流器、DC鏈電容器和逆變器，且每個這樣的功率單元被封裝在一起成為模塊。
然而，隨著在系統中電壓和功率要求增加，這些模塊可能相對笨重、龐大且昂貴。 例如，在中壓(medium voltage, MV)應用中，由于DC鏈電容器和存在的其它部件的尺寸的原因，這樣的功率單元可以很容易超過50磅。由于電壓電平從幾千伏增加到數十千伏，所以驅動系統的功率單元的此常規設計的另一缺點包括成本高且定制復雜的隔離系統。總的來說，功率單元被提供為針對給定的功率和電壓電平而定制的固定封閉的模塊。例如，在 1000HP應用中針對4160V的功率單元比在相同輸出功率下針對3300V設計的功率單元將根本地增加了占地面積(foot print)和重量。另外，整個MV轉換器封裝必須被個別地設計， 以滿足特定的功率輸出，諸如5000HP、10000HP、20000HP應用、控制和保護規范。
在當前的中壓驅動器中，使用部分模塊化設計來實施級聯的拓撲。具體地，該系統的跨驅動器產品系列公共的唯一子部件是功率單元，所述功率單元如上面描述的包含功率部件，所述功率部件包括逆變器、整流器和DC-鏈。當前的中壓驅動器已經把包括變壓器、 控制器、冷卻系統、通信分配、封裝和電氣絕緣在內的所有其它系統部件排除在模塊化方法之外。相反，這些主要部件是針對具體設計的電壓和功率額定值而被最優化，且因而不容易轉移到其它驅動器額定值。

發明內容
實施例介紹了用來減少單元占地面積和重量的單元集成方法和用來增加單元功率密度的方法。另外，實施例提供了滿足高達幾十千伏的要求的單元電壓隔離方法以及提供了模塊化高功率構建塊或機柜配置。此高功率構建塊提供了用來串聯和/或并聯功率單元的高效方式。串聯或并聯功率單元的數目僅受驅動應用限制。該機柜配置是基于模塊化功率變壓器、小尺寸的可插入功率單元系統、可重新配置的電氣絕緣方法和主-從控制方案的。實施例提供了整體系統功率和電壓可縮放性、標準化設計、和簡易的重新配置以滿足 MW級的寬的功率范圍。
在各種實施例中，完全的模塊化設計建立了用于最主要的驅動元件的子部件，包括功率單元、變壓器、控制、冷卻系統、通信分布、封裝、和電氣絕緣。每個部件可以具有適應多個電壓和功率額定值的不同的版本。
按照本發明的一個方面，用于驅動系統的功率單元箱包括可移動部分和固定部分。可移動部分包括整流器級，其用來對從變壓器的次級繞組接收的輸入信號進行整流以提供經整流的信號；以及逆變器級，其具有多個開關器件以接收DC信號和輸出AC信號。此可移動部分可以滑動地適配在驅動系統的機柜內。進而，固定部分包括具有至少一個電容器的DC鏈，用來接收經整流的信號和把DC信號提供到逆變器級。固定部分被固定在機柜中，以及可移動部分是與固定部分分開的。
在一些實現方式中，固定部分包括輸入單元保護機構，其耦合在對應的次級繞組與功率服務總線之間；以及旁路塊，其能夠實現對功率單元箱的旁路。可移動部分可以由外罩形成，在第一側上具有逆變器級的開關器件，以及在相對側上具有整流器級的多個整流器件。另外，低電感路徑可以耦合在開關器件與整流器件之間，以及可以包括至少一個局部電容器以對瞬態進行緩沖。
本發明的再一方面是針對耦合到整流器和逆變器的局部低電感總線電容器。這樣的電容器可以屬于功率單元箱的可拆卸部分。進而，功率單元箱的功率電容器(其可以屬于功率單元箱的固定部分)可以提供DC總線電壓到可拆卸部分。局部電容器可以在診斷模式下(在該診斷模式下功率電容器不可用)使用，以及還可以在包括功率單元箱的系統的正常工作模式下提供緩沖保護。
本發明的又一方面是針對具有模塊化機柜的中壓驅動系統，每個模塊化機柜包括容納至少一個變壓器的變壓器艙和包括單元箱的功率單元艙，每個單元箱具有保護性外罩，在所述單元箱中容納功率單元。每個模塊化機柜還可以包括機柜控制器艙，其具有機柜控制器，用來從主控制器接收參考控制信號。進而，主控制器耦合到機柜控制器，用來接收輸入電流信息、輸出電流信息、關于中壓驅動系統的選擇的工作點的命令參數、以及來自模塊化機柜的狀態信息，并提供參考控制信號到機柜控制器。
按照本發明的一個方面，中壓驅動系統包括至少一個變壓器和均耦合到變壓器的多個功率單元箱。(一個或多個)變壓器具有用來從公用設施連接接收功率的至少一個初級繞組以及多個次級繞組，每個次級繞組耦合到所述功率單元箱中的一個功率單元箱。功率單元箱均可以包括整流器、DC鏈和逆變器。在一些實現方式中，每個功率單元箱可以被分成固定部分和可移動部分，其中可移動部分包括整流器和逆變器，以及固定部分包括DC鏈電容器。功率服務總線可以耦合每個功率單元箱的固定部分和可移動部分，以及串聯耦合成組的多個功率單元箱。
在一些實現方式中，固定部分可以包括具有遠程電容器的DC鏈，用來經由DC總線提供DC電壓到對應的逆變器。在固定部分中也可以存在其它部件，諸如輸入單元保護機構和旁路塊。可移動部分進而可以是功率單元模塊，其包括開關器件和與所述開關器件相對的整流器件。另外，低電感路徑可以耦合在開關器件與整流器件之間。此路徑可以包括至少一個局部電容器以對瞬態進行緩沖。
本發明的另一方面是針對驅動系統機柜，其包括用來容納至少一個變壓器和多個功率單元箱的變壓器艙，每個功率單元箱用來容納功率單元。在一些實現方式中，變壓器可以具有水平配置以在機柜內能夠實現更有效的空間使用，且實現更大的功率密度和改進的冷卻。進而，功率單元艙包括單元箱，每個單元箱具有保護性外罩以容納多個功率單元中的一個功率單元。在一個實現方式中，保護性外罩中的每一個包括以互鎖的配置被適配以絕緣對應的功率單元的絕緣構件。另外，單元箱均可以具有功率服務總線以把可插入到功率服務總線的第一面的功率單元與該功率單元箱的固定部分耦合。此固定部分可以具有DC 鏈電容器，用來提供DC電壓到功率單元。此鏈可以包括功率電容器，其被耦合到功率服務總線的第二面，以及其中功率單元是與固定部分分開的。
本發明的再一方面是針對用于要被配置在功率單元箱中的功率單元的保護性外罩。此外罩可以包括同心地適配在功率單元箱內的多個絕緣構件。在一個實現方式中，功率單元箱包括適配在絕緣構件內的導軌構件而該功率單元包括對應的導軌構件，以及功率單元在功率單元箱內可經由對應的導軌構件滑動。基于給定系統的額定電壓，絕緣構件的數目可以變化。這樣，保護性外罩使對應的功率單元箱相對于其它功率單元箱絕緣。


圖1是按照本發明的一個實施例的適配在機柜中的驅動系統的框圖。
圖2A是按照本發明的一個實施例的在功率單元箱內的部件的示意圖。
圖2B是圖示按照本發明的實施例的在功率服務總線中可用的連接的框圖。
圖2C是按照本發明的一個實施例的功率服務總線的另一視圖。
圖2D是按照本發明的一個實施例的功率單元移動段的示意圖。
圖3是按照本發明的一個實施例的功率單元模塊的框圖。
圖4是按照本發明的一個實施例的功率單元機柜的箱的分解圖。
圖5是按照本發明的一個實施例的模塊化變壓器的繞組幾何形狀的示例實施例的圖解。
圖6是按照本發明的實施例的系統的框圖。
圖7A是按照本發明的一個實施例的機柜的圖解。
圖7B是圖示按照本發明的實施例的用于冷卻的空氣流的機柜的側視圖。
圖8A是按照本發明的一個實施例的模塊化系統配置的框圖。
圖8B是按照本發明的實施例的并聯模塊化系統配置的框圖。
圖8C是按照本發明的一個實施例的串聯化模塊系統配置的框圖。
圖9A是按照本發明的一個實施例的用于主控制器的基本控制環的流程圖。
圖9B是按照本發明的一個實施例的針對機柜的基本控制環的流程圖。
圖9C是按照本發明的一個實施例的用于執行對功率單元的控制的流程圖。
具體實施例方式在各種實施例中，功率單元箱可以被分成多個部分，即靜止的或固定的部分和可移動部分。這些不同的部分可以由功率服務總線連結。這樣，與常規功率單元相比，形成可移動部分的模塊或其它外殼或外罩可以被做成相對小且重量輕的。這允許對功率單元的這些可移動部分的客戶接入和去除、修理和替換操作更加容易。進而，可移動部分可以被插入到功率服務總線中，所述功率服務總線將功率單元箱內的可移動部分與固定部分相耦合。 該箱的固定部分可以包括按慣例可以存在于單個功率單元外罩中的各種部件，例如包括以一個或多個電容器形式的DC鏈。由于這樣的部件可以在許多年相對可靠，所以存在于固定部分中的這些部件可以被提供在功率服務總線的、與可移動部分相對的側上。如本文所使用的，“固定的”或“靜止的”意思是部件在物理上直接附連在機柜內，客戶不容易接入，且不能用簡單的可插入/可滑動的裝置來插入和去除。相反，需要特殊的接入和工具來插入或去除該部件。與之對照，“可移動的”或“可插入的”意思是部件或部件組，其在不需要工具的情況下例如經由滑動、插入等等容易被插入機柜和從機柜去除，且客戶容易接入。
實施例可以提供模塊化的基于機柜的驅動系統，它可以被用來在寬電壓范圍下提供經調整的功率。例如，一些應用可以被用于低壓應用。如本文所使用的，低壓被用來表示 600伏及以下的電壓。其它應用可以被用于中壓應用。如本文所使用的，中壓被用來表示在近似600伏和35000伏之間的電壓。再者，由于常規功率單元的部件之間的分隔和在機柜內給予的隔離(如下面所論述的)，實施例還可以容易地用于高壓(HV)應用。如本文所使用的，高壓意思是大于35000伏，例如69000伏。
現在參照圖1，示出的是按照本發明的一個實施例的功率單元機柜的框圖。如圖1 所示，機柜10可以容納諸如中壓驅動系統之類的驅動系統的至少一部分，其可以是多電平逆變器。圖1的視圖是相對于機柜的前面部分。總的來說，機柜被安排成使得多個變壓器 22a-22。存在于變壓器艙20中，其可以被配置在機柜10的下部。進而，多個功率單元32a-32i 可以被配置在機柜10的功率單元艙30內。在圖1所示的實施例中，存在九個這樣的功率單元，不過在這點上本發明的范圍并不受到限制。同樣，雖然在圖1的視圖中以單個模塊示出，但應當理解，圖1所示的功率單元的部分可以與適配在外罩內的可移動部分相對應。在圖1中未看到的是功率單元模塊的固定部分，其可以適配到功率服務總線的后面部分，所述功率服務總線在圖1上也未示出。
在一些實現方式中，單個模塊化功率單元機柜可以足以為給定系統提供希望的功率電平。在這樣的實現方式中，在控制器艙40中存在的機柜控制器45可以被用來操縱驅動系統的控制。然而，許多實施例可以集合帶有相應機柜控制器45的多個功率單元機柜和單個主控制器機柜40，用來控制機柜裝置和增加功率能力。在這些實現方式中，包括單元控制器45的控制器艙40進而可以例如經由光纖接口耦合到主控制器機柜(圖1中未示出)。 而且，在其中存在單個功率單元機柜的實現方式中，單獨的機柜可以提供用戶接口。也就是說，為了給用戶提供訪問關于驅動系統的信息，可以存在用戶接口。這樣的用戶接口可以包括顯示器和諸如小鍵盤或鍵盤之類的輸入機構以使得用戶能夠實現對信息的輸入和對各種操作的控制，所述各種操作包括診斷等等。在其它實現方式中，主控制器機柜可以包括這樣的用戶接口。
參照圖1的變壓器，每個變壓器可以以水平方式被配置成具有芯M和適配在其周圍的多個繞組，所述多個繞組包括初級繞組和一組次級繞組。另外，一些實施例還可以包括一個或多個輔助繞組，用來提供功率到輔助設備，諸如風扇等等。每個變壓器22可以是三相變壓器，其從公用設施連接接收三相功率并把功率提供給一個或多個功率單元(不過在圖1中只顯示了單相)。更具體地，每個變壓器可以包括三組次級繞組，用來提供功率到對應的功率單元。在一個實現方式中，變壓器2 可以提供功率到與其通常垂直對準的功率單元，即功率單元32a、32d和32g。對于變壓器2 和22c可以配置類似的連接。然而，其它實現方式是可能的。注意，在一些實現方式中，初級繞組、次級繞組或者二者可以是相移的。
通過提供以通常水平配置的變壓器，實現了改進的氣流。總的來說，為了冷卻變壓器和機柜的目的，例如，從機柜的前面到后面可以提供基本上線性且層狀的氣流使得空氣吹過變壓器的繞組。雖然在許多實現方式中可以使用周圍的空氣冷卻，但是一些實施例也可以為變壓器提供某種類型的液體冷卻。關于變壓器的水平性質的更多細節將在下面論述。
如在圖1中進一步看到的，每個功率單元箱33( S卩，可移動部分和固定部分二者) 可以被配置為外罩(在圖1中僅示出一個代表性的這樣的箱)。這樣的單元箱可以使用諸如聚丙烯或其它塑料或其它這樣的材料之類的絕緣材料來形成。再者，為了在功率單元和機柜10中的其它設備之間提供電氣隔離，可以把隔離屏障34提供在每個箱中(注意，僅示出了一個這樣的隔離屏障34)。如所看到的，隔離屏障34由多個單獨的構件以互鎖的方式或如圖7中所示出的單個牽涉到的構件形成，以提供高效隔離。在各種實施例中，隔離屏障 34可以由諸如F0RMEX 或其它這樣的材料之類的絕緣材料的片形成。雖然在圖1的實施例中，為了便于圖解僅示出了幾個這樣的構件，但應當理解，可以提供許多這樣的構件，例如， 2個或更多個，這是因為這些單獨的構件可以具有相對薄的寬度，例如，9. 8到125. 2密耳 (mil)。這樣，在每個功率單元周圍形成了絕緣泡以便于電壓絕緣。這樣的絕緣可以使得單個通用機柜體系結構能夠被用于廣泛的電壓，從低壓應用一路上一直到高壓應用。通常隨著電壓應用增加，片的數目以及因而相對厚度也可以增加。而且，雖然為了便于圖解在圖1 中并未示出，但應當理解，可以存在墊片，用來提供各個功率單元箱與它們所處于的基底的分隔。
應當理解，雖然在具有以上配置的功率單元變壓器的圖1的實施例中示出有此特定實現方式，但是本發明的范圍并不照這樣受到限制。而且，應當理解，在給定的驅動系統中可以存在另外部件，以及圖1的圖解是在高級別上以標識系統內的主要部件和它們的一般位置。
現在參照圖2k,示出的是按照本發明的一個實施例的在功率單元箱內的部件的示意圖。如圖2A中所示，箱100被適配成包括固定部分和可移動部分二者。給定的驅動系統可以包括多個這樣的箱以形成驅動系統。在各種實現方式中，功率單元模塊110可以對應于功率單元箱的可移動部分且可以經由機柜的前面板被接入，而箱的固定部分115可以經由機柜的后面板，或者當單元模塊110不存在或以其它方式被去除時經由前面板而可接入。因而，如圖2A所示，從右到左通常對應于從機柜的前面到后面的方向。可移動功率單元的細節在下面進一步描述。總的來說，可移動部分可以包括單元的整流和逆變器級(但不包括DC鏈功率電容器)。
功率單元模塊110可以經由定位于其背后部分的多個可插入端子耦合到功率服務總線120。功率服務總線120可以具有各種連接器，用來與功率單元模塊110的端子配合。在一些實施例中，功率單元模塊110可以經由與功率服務總線120的對應連接器的盲配合連接而被安裝。如下面將描述的，功率單元模塊110可以包括整流器段(section)和逆變器段。整流器段可以包括耦合到來自變壓器次級的輸入的多個二極管，和至少一個并聯連接的局部電容器，該局部電容器進而耦合到局部電容器低電感總線。類似地，逆變器段例如可以是H-橋逆變器，其包括多個開關器件，諸如IGBT，以及還可以包括并聯連接的局部電容器。該局部電容器可以給功率單元提供診斷和緩沖器保護能力。在不同的實現方式中，此電容器的大小可以是從幾十到幾百毫微法。逆變器段還進而耦合到局部電容器低電感總線。此總線可以以提供低的電感路徑的方式來構建。在各種實施例中，電感可以在幾毫微亨到小于20毫微亨之間，而總線可以由層狀材料形成且以低電感方式提供這兩個段之間的連接。
在給定的實現方式中，功率單元模塊110可以被形成為具有例如在頂部和底部上的雙冷卻板散熱片。在各種實現方式中，在模塊110中可以存在各種控制器板。所述板中的一個板提供選通信號來控制H-橋逆變器，而第二板為功率單元提供輸入電流和DC總線電壓感測能力。第三板可以與這些控制器板通信且也可以被實施在單元箱110的插入段內，以及其進而可以經由光纖接口耦合到相應的機柜控制器。在模塊110內也可以存在電源，且其可以被用來例如把低壓供應提供到內部單元控制器板。
在圖2A中示出的實施例中，功率單元的輸入、輸出、DC總線和控制信號連接可以被提供成經由許多盲配合連接器耦合到總線120。在圖2A的實施例中，連接器可以是圓柱形的公/母插頭連接器，它們可以提供高電流密度和最小間距，不過其它實現方式是可能的，如下面所描述的。注意，總線120還可以包括DC低電感總線。總的來說，此總線可以使用下列中的至少一些以能夠實現低電感連接總線可以由層狀材料形成(例如多個銅片或絕緣片)以為裝置提供電氣隔離。如在圖2A中所看到的，使用插入式連接器12 來連接功率單元的AC輸出。來自變壓器的次級繞組的到該單元的輸入連接進而可以經由連接器Ue1-Ue3(在三相實現方式中)耦合到功率單元110。DC總線連接器1 進而可以耦合功率單元110與電容器130之間的DC總線鏈。在一個實施例中，連接器1 可以由具有多個同心固定的連接器的單個連接形成以與同心固定的端子配合，從而連接到低電感DC 總線。同心的連接器1 可以連接到單元DC鏈功率電容器130，且該功率電容器130被實施在功率單元箱的形成在功率服務總線120的相對側上的固定部分115中。相對于可移動功率單元，電容器因而可以是遠程電容器。在一個這樣的實現方式中，此同心的連接器可以是一種類型的同軸圓柱形電纜，其減少了 DC總線電感。在其它實施例中，低電感可以通過提供針對DC總線的正的和負的部分的許多連接來實現，例如并聯的四個連接器，其被水平地或以任何其它圖案布置，每兩個用于正的和負的部分。注意，控制連接器1 可以通過功率服務總線120提供各種狀態和控制信號。
在一個實施例中，電容器130可以是單膜功率電容器(film power capacitor)，或是串聯連接或并聯連接或者組合的多個單膜電容器以適合于具體的單元設計。電容器配置可以從幾千微法到幾萬微法，以及從幾十安到幾百安的有效值的范圍變化。該電容器配置 130可以運行在可以被定額成從幾百伏到幾千伏的DC總線下。其它實現方式可以使用電解電容器或其它類型的電容器。每個單獨的電容器還可以與放電電阻器相關聯。如圖2A中所示，放電/接地系統可以被實現為由串聯電阻器Rl和R2形成的電阻分壓器，其具有耦合到地的中間節點，其可以是與該框架(frame)的浮動接地連接，因此在故障期間僅一半電壓可能被釋放到地。可以存在一個以上這樣的電容器，且因而如本文所使用的術語“電容器” 是指一個或多個把電容器的組合。電容器配置130也可以定位于功率單元箱的可移動段的頂部或底部上，但在該單元箱內。
另外，固定部分115還可以包括輸入單元保護機構140，諸如電路斷路器或其它保護機構，例如耦合在變壓器的次級繞組與功率服務總線120之間的熔絲。輸入單元保護機構140可以在幾個60Hz電流周期內提供可靠的短路保護和過載保護。用來操作機構140的控制跳閘方案(未示出)可以被實施在可移動部分110中。在圖2A中未示出的是可以在單元與主或機柜控制器(例如，它可以是在給定的功率單元箱的外面，但存在于機柜的另一部分中)之間進行耦合的各種控制和開關信號。如在圖2A中另外示出的，可以是無熔絲變壓器的控制變壓器可以被耦合到來自功率變壓器次級的進入信號的多個相。此變壓器提供保護且可以以安全方式承受得住短路故障電流。注意，Tl和T2是無熔絲變壓器的次級端子，且其可以用來驅動電路斷路器和旁路分流跳閘線圈，并提供控制功率到該單元移動段。
另外，單元旁路塊150可以被提供在固定部分115中，其可以在單元故障模式下提供冗余功率/旁路到給定的功率單元。此機構可以使用經由插入段和服務總線從機柜控制器控制的分流跳閘接觸器來實施。例如，在運行期間當被發送到主控制器的信號檢測到功率開關故障時，主控制器可以采取動作以激勵塊150，以便因而造成有故障的功率單元的輸出端之間短路。參照圖2A，通過激勵旁路塊150內的線圈，可以在端子Pl和P2之間實現短路，以便因而在故障的情形下旁路過此功率單元。例如，如果(圖1的)功率單元32g由于在相A上的故障而被禁用，則功率單元32d和3 也可能經由主控制器在相B和C上被禁用，以允許驅動系統以減少的功率繼續運行并使電壓輸出平衡。
在一個實施例中，塊150可以是電子開關，其經由閂鎖繼電器(latching relay) 耦合到機柜控制器(未示出)。閂鎖繼電器因而采取動作以從機柜控制器取得信號，并通過對故障命令或其它不利狀況作出響應而自動控制旁路塊150的打開和閉合的切換，以便因而提供了旁路。類似的連接可以存在于對應的閂鎖繼電器與輸入單元保護機構140之間， 以促使斷路器或其它保護機構能夠起作用，以便因而防止輸入功率被施加到給定的功率單元。例如，如果在整流器段中出現故障，并被位于單元輸入中的電流傳感器(在圖2A上未示出)檢測到，則輸入保護機構140可以經由140禁止功率到該單元，隨后激勵旁路塊150 以隔離發生問題的單元。在此情形下，主控制器可以采取動作以禁止整個驅動系統或者旁路過此單元，以便以減少的功率繼續運行。在一些實現方式中，在機柜控制器與閂鎖繼電器或分流跳閘電路之間的連接可以經由光纖，不過在這點上本發明的范圍并不受到限制。
功率服務總線120的結構保持同心的DC總線和其它端子配合接入(插入式樣式)。功率服務總線120可以集成針對單元串行輸出的匯流條、針對單元輸入的匯流條、用來連接到(一個或多個)DC鏈功率電容器的低電感層狀DC總線和用來在電氣總線之間提供結構性支持和絕緣的G-10 材料。這樣，可以出現一組功率單元的串聯耦合，以把相輸出線提供到被耦合到驅動系統的負荷。在不同的實現方式中，服務總線可以使用分開壁(例如， G-10 材料)或開放結構形成以提供空氣循環。
現在參照圖2B，示出的是圖示按照本發明的實施例的在功率服務總線中可用的連接的3D機械模型。如在圖2B中所示出的，功率服務總線120可以使用絕緣材料形成，所述絕緣材料例如G-10，以及其包括用于單元輸入端、輸出端、DC鏈和控制信號(未示出)的觸點。具體地，如在圖2B中所看到的，單元輸出端Pl和P2可以被適配在功率服務總線120 的頂部處。而且，在功率服務總線的底部處的三個連接L1-L3可以提供來自變壓器的次級繞組的輸入，而DC鏈連接1 可以經由四個單獨的連接(兩個正的和兩個負的)而被提供。 在其它實施例中，可以提供僅單個正的和負的連接。
現在參照圖2C，示出的是功率服務總線的另一視圖，其示出了功率單元箱的可移動部分的一部分，其提供至可移動部分中的單元輸入端、輸出端以及DC鏈層狀總線的連接。注意，在可移動模塊110的頂部上，看到多個開關器件114，其可以是IGBT，而在該單元的底部存在整流器件117。開關器件114可以耦合在層狀DC總線119與匯流條118之間。 還如在圖2C中所看到的，來自功率單元的輸出從匯流條118經由連接器Pl和P2被路由。 連接器Pl和P2可以提供到另一功率單元的連接，功率單元110與該另一功率單元串聯耦合，即，相同的相輸出線的另一功率單元。注意，在一些實施例中，不是用所示出的平連接器，而是可以使用圓柱形連接器，諸如在圖2A中所示出的。
雖然在圖2A-C的實施例中示出有此特定實現方式，但是在這點上本發明的范圍并不受到限制。例如，雖然在此實施例中假設功率單元可移動部分110可能不包括上面描述的固定部分115的部件，但在一些實現方式中，在功率單元中可獲得的有限量的局部電容可以與在按照本發明的實施例的功率單元箱內的固定部分中存在的固定的電容相組合。
現在參照圖2D，示出的是按照本發明的實施例的功率單元箱的示意圖。更具體地， 在圖2D中示出的是功率單元箱的可移動部分的部件。具體地，可移動部分110包括整流器橋111和可以被形成為H-橋逆變器的逆變器117。另外，可以存在一組局部電容器113且其耦合在整流器橋111與逆變器117之間。然而，注意，這些局部電容器(在一個實施例中， 它可以是膜電容器)不能提供足夠的電容到功率單元的DC總線。相反，可以是100與200 微法之間的量級的局部電容器可以被用于工作臺診斷(單個單元)和在中壓運行期間對于逆變器117的IGBT的瞬態的緩沖。
然而，這些電容器為以希望的中壓電平適當操作逆變器驅動器提供了不足的電容。相反，如所看到的，連接器P和N--其可以形成DC總線1 --可以從存在于該單元的靜止段中的單元功率電容器(例如，圖2A的電容器130)接收DC電壓。注意，耦合到整流器橋111的連接L1-L3也可以例如從如圖2A中所示的功率變壓器次級，經由功率服務總線而被接收。進而，來自可移動部分110的經調整的輸出可以經由連接器Pl和P2被輸出到靜止段，其如圖2A中所示可以通過功率服務總線120，在這里電壓可以被提供到(例如)下一個功率單元。因此，與常規功率單元相對照，圖2D中所示的部件通過接收來自靜止段的 DC總線大電容而提供適當的輸出電壓。
現在參照圖3，示出的是按照本發明的一個實施例的功率單元模塊的框圖視圖。如圖3中所示，模塊160可以是功率單元的可拆卸部分的基本代表。雖未示出，但可以存在外罩，且其可以具有存在于其中的各種部件，例如包括局部電容器、輸入電流和散熱片傳感器、功率開關選通驅動器和模塊化HV電源。另外，模塊165包括由在外殼165的相對側上存在的冷卻板構件1623和16 形成的分離式散熱片，用來為模塊160提供改進的熱控制和增加的功率密度。雖然在圖3中為了清晰起見而未示出，但應當理解，散熱片構件可以具有梳狀、鰭狀或扇形結構，以便高效地耗散熱。散熱片結構可以包括冷卻板，其中冷卻的流體在管道中循環通過該板，其中，輸入端/輸出端留置在外殼的相同的或相對的側上。不同的部件可以耦合到這兩個散熱片。在圖3中所示出的實現方式中，在頂部上，可以存在逆變器級的開關器件。作為示例，開關器件16<和164b可以是IGBT。雖然在圖3中的此正視圖中被示為包括僅兩個這樣的IGBT雙模塊，但應當理解，在各種實現方式中，功率單元的H-橋可以包括六單元(Pack)IGBT模塊，全部都可以適配在功率單元外罩165的頂部部分上。在底部部分上可以存在整流器級的整流器件166a-166。。再次地，雖然在圖3中示出有三個這樣的器件，但應當理解，在不同的實施例中可以存在另外的整流器件。在一些實現方式中， 整流段可以用具有六個IGBT模塊的有源前端替換以提供除了整流以外的再生能力。另外， 通過把功率單元的可移動部分的主要部件適配在外罩165的外部周圍，易于接入到用于熱耗散的部件，以及通過針對寬的功率范圍保持相同的占地面積和不利用DC鏈電容或只利用有限的DC鏈電容，來增加功率密度。這對于尺寸和重量減少和如何實現診斷和去除、修理和替代操作也具有顯著影響。
為了在整流器與逆變器段之間提供低電感路徑，提供局部紋波和全DC鏈電流循環的兩個局部膜電容器168可以被適配到外罩的外面并借助對應的端子集(注意，這些端子在圖3上未示出)耦合到開關器件和整流器件。此低電感路徑減少了寄生效應并為DC 電流循環提供恰當的路徑，以及用于執行在正常運行期間可能引起的瞬態的緩沖，以改進逆變器單元性能。這樣，局部電容器168可以被用來在整流器與逆變器之間直接提供低電感路徑，以使得在正常運行期間噪聲信號的平滑和針對單個單元的診斷/測試能力能夠實現。也就是說，與在功率單元箱的固定部分中提供的一個或多個電容器(其被用來提供用以操作逆變器所需要的大電容)形成對比，(一個或多個)局部電容器可以用作為緩沖電路，用來濾除在逆變器端子處存在的不想要的電壓瞬態。這在逆變器的開關器件中出現切換事件期間尤其是如此。雖然在圖3的實施例中示出有此簡化視圖，但應當理解，在這點上本發明的范圍并不受到限制。
現在參照圖4，示出的是按照本發明的一個實施例的機柜的單元箱的分解圖。如在圖4中所看到的，箱33包括功率單元絕緣體部分32，其包括在其底部的導軌構件35以允許可移動功率單元滑動地配合到該箱和從該箱去除。具體地，導軌31可以使得可移動功率單元的對應導軌35能夠滑動。如所看到的，可以存在多層隔離屏障34以提供對功率單元箱的絕緣。這樣，隔離屏障34用作為泡狀殼或繭狀殼，在其中功率單元箱與驅動系統的其它設備相隔離。層數可以取決于驅動系統的額定電壓。例如，根據各個層的厚度(其可以從小于Imm到大于20mm的范圍變化)，工作隔離可以超過150kV。在一些實現方式中，可以提供5個或更多的層來增強隔離。而且，雖然被顯示為互鎖構件，但在其它實現方式中，構件可以是包圍的或環繞的，以使得每個構件完全包圍住箱33。
在各種實現方式中，在箱的周界與箱的導軌35之間可以存在隔離屏障層34。如在圖4中進一步看到的，另外的絕緣構件37可以適配在功率單元絕緣體部分32周圍，以使得功率單元的絕緣能夠改進。上面所論述的錯開(staggering)可以使用這些變化尺寸的另外絕緣構件37來部分實施。注意，隔離屏障層34的長度可以延伸到超過適配于箱33內的功率單元模塊的長度，以便改進隔離。而且，此延伸的長度使得單個模塊化設計能夠被用于變化的額定電壓應用的功率單元，以使得單個模塊化設計能夠被用于具有迥然不同的電壓額定能力的許多驅動系統。再者，當以堆疊式適配在模塊化驅動系統中時，所述箱可以沿一個軸但不沿另一個軸基本上垂直對準。也就是說，這些箱可以垂直地錯開(相對于機柜的前/后軸)，以在箱之間的最小垂直間隔的情況下提供更大的隔離保護。此配置可以減少或防止電暈發生，以及這樣做，對于箱的間距大小的影響最小。例如，在一個實施例中，錯開可以在1與2英寸之間。
如上所述，機柜可以包括變壓器艙，一個或多個變壓器被適配在該變壓器艙中。這樣的變壓器可以具有主初級繞組，其可以是例如從公用設施連接接收中壓功率饋電的三相中壓繞組。進而，一組次級繞組，其中的每個次級繞組可以是三相次級繞組，可以提供正常運行功率到功率單元。這些次級繞組例如可以相對于其相鄰的次級繞組被相移20度，然而在這點上本發明的范圍并不受到限制。除了用于在正常運行期間給功率單元供電的主繞組以外，變壓器還可以包括輔助繞組，用來使得能夠實現預充電以及操縱輔助功能，諸如用于診斷、電壓感測、風扇功率等等。
通過把變壓器分開成模塊化單元，對于芯而言有更多的表面積，且因而它可以更有效地耗散熱量。而且，在尺寸方面每個模塊化芯體積可以減少，這是因為繞組窗口可能只需要適應每個輸出相一個次級繞組或小數目的次級繞組。模塊化方法允許單個單元變壓器被用在跨寬的電壓和功率范圍。通過增加模塊化單元的數目，按照本發明的實施例的驅動系統可能能夠在較低諧波失真的情況下用于更高的電壓和功率。
在具有多個模塊化變壓器的驅動系統的一個實施例中，次級和初級繞組的相移量可以按照下列公式來計算
權利要求
1.一種用于驅動系統的功率單元箱，所述功率單元箱包括可移動部分，其包括整流器級和逆變器級，所述整流器級用來對從變壓器的次級繞組接收的輸入信號進行整流以提供經整流的信號，所述逆變器級具有多個開關器件以便接收 DC信號和輸出AC信號，其中所述可移動部分滑動地適配在所述驅動系統的機柜內；以及固定部分，其包括具有至少一個電容器的DC鏈，用來接收所述經整流的信號并把所述 DC信號提供到所述逆變器級，其中所述固定部分被固定在所述機柜中，所述可移動部分與所述固定部分是分開的。
2.如權利要求1所述的功率單元箱，其中，所述可移動部分由外罩形成，在其第一側上具有所述逆變器級的多個開關器件而在所述第一側的相對側上具有整流器級的多個整流器件，以及耦合在所述開關器件與所述整流器件之間的低電感路徑，所述低電感路徑包括至少一個局部電容器以對瞬態進行緩沖。
3.如權利要求2所述的功率單元箱，其中，所述可移動部分包括具有第一部分和第二部分的分離式散熱片，在所述第一部分上適配有所述多個開關器件，在所述第二部分上適配有所述多個整流器件。
4.一種設備，包括第一局部低電感總線電容器，其使用功率單元的第一組端子而被耦合到整流器且使用所述功率單元的第二組端子而被耦合到逆變器；第二局部低電感總線電容器，其使用所述功率單元的第三組端子而被耦合到所述整流器且使用所述功率單元的第四組端子而被耦合到所述逆變器以提供低電感連接，其中所述整流器和所述逆變器屬于功率單元箱的要被耦合到功率服務總線的第一側的可拆卸部分； 以及所述功率單元箱的功率電容器，其中所述功率電容器屬于所述功率單元箱的要被耦合到所述功率服務總線的第二側的固定部分。
5.如權利要求4所述的設備，其中，所述整流器和所述逆變器耦合到局部電容器低電感總線，而所述功率電容器耦合到功率電容器低電感總線。
6.如權利要求5所述的設備，其中，所述功率單元箱被分成固定部分和可移動部分，所述可移動部分包括在其第一側上具有多個開關器件的所述逆變器、在所述第一側的相對側上具有多個整流器件的所述整流器和具有第一部分和第二部分的分離式散熱片，在所述第一部分上適配有所述多個開關器件，在所述第二部分上適配有所述多個整流器件，而所述第一和第二局部低電感電容器是所述可移動部分的一部分。
7.一種中壓驅動系統，包括多個模塊化機柜，每個模塊化機柜包括容納至少一個變壓器的變壓器艙，所述至少一個變壓器用來在公用設施連接與多個功率單元之間進行耦合，所述至少一個變壓器具有芯，所述芯具有均沿著水平軸適配的多個柱，每個柱對應于一相，其中每相包括圍繞所述柱水平軸同心地適配的初級繞組和多個次級繞組以使得所述至少一個變壓器具有水平配置； 以及功率單元艙，其包括均具有保護性外罩的多個單元箱，在所述單元箱中容納多個功率單元中的對應的一個功率單元，所述保護性外罩中的每一個包括以互鎖的配置適配以便絕緣對應的功率單元的多個絕緣構件，所述多個單元箱均具有功率服務總線以將可插入到所述功率服務總線的第一面的對應的功率單元與所述功率單元箱的第二部分耦合，所述功率單元具有在其第一側上的多個開關器件、在第一側的相對側上的多個整流器件和耦合在所述開關器件與所述整流器件之間的低電感路徑，所述第二部分具有DC鏈，所述DC鏈包括耦合到所述功率服務總線的第二面的功率電容器，所述功率單元與所述第二部分是分開的； 以及機柜控制器艙，其具有機柜控制器以從主控制器接收參考控制信號。
8.如權利要求7所述的中壓驅動系統，還包括耦合到所述多個機柜控制器的主控制器，用來接收輸入電流信息、輸出電流信息、關于所述中壓驅動系統的選擇的工作點的命令參數和來自所述多個模塊化機柜的狀態信息，以及提供所述參考控制信號到所述多個機柜控制器。
9.如權利要求8所述的中壓驅動系統，其中，所述機柜控制器中的每一個是用來接收來自所述多個功率單元的狀態信息和來自所述模塊化機柜的多個傳感器的狀態信息，并基于所述參考控制信號生成一組開關信號以便傳送到所述多個功率單元中的每一個。
10.一種中壓驅動系統，包括至少一個變壓器，其具有用來接收來自公用設施連接的功率的至少一個初級繞組和多個次級繞組；多個功率單元箱，每個被耦合到所述多個次級繞組中的一個次級繞組，且其包括整流器、DC鏈和逆變器，其中每個功率單元箱被分成固定部分和可移動部分，所述可移動部分包括所述整流器和所述逆變器，而所述固定部分包括所述DC鏈；以及功率服務總線，其用來將每個功率單元箱的所述固定部分和所述可移動部分進行耦合以及用來串聯耦合成組的多個功率單元箱。
11.如權利要求10所述的中壓驅動系統，其中，所述DC鏈包括遠程電容器，用來經由 DC總線提供DC電壓到對應的逆變器，以及所述多個功率單元箱的所述固定部分中的每一個包括耦合在對應的次級繞組與所述功率服務總線之間的輸入單元保護機構，和使得能夠實現對應的功率單元的旁路的旁路塊。
12.如權利要求11所述的驅動系統，其中，所述多個功率單元箱的所述可移動部分中的每一個包括功率單元模塊，所述功率單元模塊包括在其第一側上的多個開關器件、在所述第一側的相對側上的多個整流器件，以及耦合在所述開關器件與所述整流器件之間的低電感路徑，所述低電感路徑包括用來對瞬態進行緩沖的至少一個局部電容器，所述功率單元模塊不包括所述遠程電容器。
13.如權利要求12所述的驅動系統，其中，所述功率單元模塊中的每一個包括具有第一部分和第二部分的分離式散熱片，在所述第一部分上適配有所述多個開關器件，在所述第二部分上適配有所述多個整流器件。
14.如權利要求10所述的驅動系統，其中，所述至少一個初級繞組繞著從所述驅動系統的機柜的前側延伸到所述機柜的后側的芯的第一軸沿圓周適配，以及所述多個次級繞組繞著所述至少一個初級繞組沿圓周適配。
15.如權利要求10所述的驅動系統，其中，所述功率服務總線包括與所述多個功率單元箱中的一個功率單元箱相關聯的連接器部分，所述連接器部分包括用來與所述可移動部分的對應的DC連接器配合以把所述DC鏈耦合到所述可移動部分的固定的DC連接器；用來與對應的AC端子配合以把來自對應的次級繞組的AC功率耦合到所述可移動部分的多個固定的AC連接器；以及與所述可移動部分的對應的固定的端子配合以能夠實現串聯耦合的多個固定的連接器。
16.如權利要求15所述的驅動系統，其中，所述可移動部分以模塊形式被配置以經由所述中壓驅動系統的機柜的前面板插入到所述功率服務總線所述的連接器部分的第一側， 以及所述固定部分被固定到所述功率服務總線的與所述第一側相對的第二側且可經由所述機柜的后面板接入，或者當不存在所述可移動部分時可從所述前面板接入。
17.如權利要求15所述的驅動系統，其中，所述功率服務總線基本上定位于所述中壓驅動系統的所述機柜的中間部分中，以及所述可移動部分適配在所述功率服務總線與所述機柜的所述前面板之間而所述固定部分適配在所述功率服務總線與所述機柜的所述后面板之間。
18.如權利要求15所述的驅動系統，還包括多個保護性外罩，在所述保護性外罩的每一個中定位有所述功率單元箱中的對應的一個功率單元箱，所述保護性外罩中的每一個包括以互鎖的配置適配以絕緣對應的功率單元箱的多個絕緣構件。
19.一種驅動系統機柜，包括變壓器艙，用來容納在公用設施連接與多個功率單元之間進行耦合的至少一個變壓器，所述至少一個變壓器具有芯，所述芯具有多個柱，每個柱對應一相，其中每相包括沿水平軸繞著所述柱同心地適配的初級繞組和多個次級繞組以使得所述至少一個變壓器具有水平配置；以及功率單元艙，包括均具有保護性外罩的多個單元箱，每個外罩是用來容納所述多個功率單元中的對應的一個功率單元。
20.如權利要求19所述的驅動系統機柜，其中，所述保護性外罩中的每一個包括以互鎖的配置進行適配以絕緣對應的功率單元的多個絕緣構件和多個單元箱，每個單元箱具有功率服務總線以將可插入到所述功率服務總線的第一面的所述功率單元與所述功率單元箱的固定部分進行耦合，所述功率單元具有在其第一側上的多個開關器件、在所述第一側的相對側上的多個整流器件和耦合在所述開關器件與所述整流器件之間的低電感路徑，所述固定部分具有DC鏈，所述DC鏈包括耦合到所述功率服務總線的第二面的功率電容器，所述功率單元與所述固定部分是分開的。
21.—種中壓驅動系統，包括用于要配置在功率單元箱中的功率單元的保護性外罩，所述保護性外罩包括同心地適配在所述功率單元箱內的多個絕緣構件，其中所述功率單元箱包括適配在所述絕緣構件內的導軌構件，且所述功率單元包括對應的導軌構件，其中所述功率單元經由所述功率單元和所述功率單元箱的對應的導軌構件可在所述功率單元箱內滑動。
22.如權利要求21所述的驅動系統，其中，所述功率單元箱中的每一個包括功率單元， 所述功率單元包括可移動模塊，所述可移動模塊包括整流器級和逆變器級，所述整流器級用來對從變壓器的次級繞組接收的輸入信號進行整流以提供經整流的信號，所述逆變器級具有多個開關器件以接收DC信號和輸出AC信號，其中所述可移動模塊經由所述第二導軌構件滑動地適配在所述功率單元箱內。
23.如權利要求22所述的驅動系統，其中，所述功率單元箱中的每一個還包括固定部分，所述固定部分包括具有至少一個電容器的DC鏈，以接收經整流的信號并提供所述DC信號到所述逆變器級，其中所述固定部分被固定在所述功率單元箱中。
全文摘要
在一個實施例中，用于驅動系統的功率單元箱包括可移動部分和固定部分。可移動部分包括整流器級和逆變器級，所述整流器級用來對從變壓器的次級繞組接收的輸入信號進行整流以提供經整流的信號，所述逆變器具有多個開關器件以接收DC信號和輸出AC信號。此可移動部分可以滑動地適配在所述驅動系統的機柜內。所述固定部分進而包括具有至少一個電容器的DC鏈，用來接收經整流的信號并提供DC信號到逆變器級。
文檔編號H05K7/14GK102187561SQ201080002867
公開日2011年9月14日 申請日期2010年6月29日 優先權日2009年6月30日
發明者E·萊德斯馬, L·T·凱斯特, M·阿博爾哈薩尼, R·愛德華茲, A·斯科爾茨, R·皮佛, S·薩圖馬漢蒂 申請人:特科－西屋發動機公司