专利名称：含有可互换单元的功率输送系统的制作方法
含有可互换单元的功率输送系统 相关申请的交叉引用本专利申请要求如下申请的优先权，并通过弓间在整体上包含如下申请(i )于2005年8月31日提交的标题为"A system and method for configurable power infrastructure including interchangeable cells"的未决的美国临时专禾U申请 No.60/713,198; (ii)于2005年8月31曰提交的标题为"Packaging method for modular multilevel power cells and system infrastructure "的未决的美国临时专禾U申 请No備13,197。关于联邦资助研究的声明不适用。g研究合同的团体名称 不适用。通过引用光盘材料的并入 不适用。
背景技术：
近年来，用于中压变步页马区云力(medium-voltage variable frequency drive, VFD)的电路受到了关注。在过去的十年里，弓l入了多种新颖的方法。例如，正如在 对Hammond的美国专利No.5,625,545中所述(其公开在lWl引用在整体上被 并入)，在包括串联连接的逆变器的电路中，逆变器或功率单元iio包括三相二 极管桥整流器U2、 一个或多个直流(DC)电容器114、以及H桥逆变器116。 整流器112将输入118的交流(AC)电压转换成由跨接整流器112的输出的电 容器114维持的基本上恒定的直流电压。逆变器110的输出级包括H桥逆变器 116，该H桥逆变器包括两极、即左极和右极，針极都带有两个装置。逆变器 110利用在H桥逆变器116中的半导体器件的脉冲宽度调制(PWM)将直流电 容器114两端的直流电压变换成交流输出120。含有诸如图1中的HO的功率单元的电路，当连接至例如电机的负载时，能够从输入源为运行在电动mii行模式的电机提供功率。这样的功率单元有时可被称为单向或两象限(2Q)单元。这是因为当考虑速度和转矩的四象限时， 参考图2，所述单元的运纟刊寺性210 ^ii行在速度和總薛卩为正的象限(第一象 限201)或者速度和转矩都为负的象限(第三象限203)中。但是，当电机的速度需要卩射氏时，来自电机的功率需要被逆变器吸收。当 功率必须被逆变器吸收时，这种运行模式被称为再生模式。在这样的情况下， 就需要再生的或四象限的单元。再生单元的一个例子示于对Hammond的号为 No.6,301,130的美国专利中。如在图3中所示，再生功率单元360可以包括有源 前端362，该有源前端用作4顿绝缘栅双极晶体管(IGBTs)Q5—Q10或由PWM 控制的其它开关装置的第一逆变器。第一逆变器362与第二逆变器364以及一 个或多个直流链接电容器366并联电连接。这样的单元接收来自变压器346的 功率，并将所述功率输送至组内的其它单元或负载349。参考图2，这个单元允 许运行特性220处于全部四个象限201 —204，包含速度和转矩都为正的象限(第 一象限201)、辩巨为正而速度为负的象限(第二象限202)、速度和,都为负 的象限(第三象限203)以及转矩为负而速度为正的象限(第四象限204)。在现有技术中，电机系统包括二象限或四象限的单元。然而，设计成适用 于一个或其它的系统在应用上被局限。这里包含的公开描述了为解决上面描述 的一个或多个问题的尝试。发明内容在一个实施例中，功率单元系统包括具有多个单元位置的支撑结构、至少 一个再生功率单元以及至少一个非再生功率单元。单元位置和单元被确定大小 和位置被设置使得每个单元位置都可以可互换地接受再生功率单元或非再生功 率单元。可选择地，每个单元位置可以包括支撑轨、处于与在单元位置中的功 率单元的输入总线电连接的功率输送总线、以及处于与在单元位置中的功率单 元的输入总线电连接的功率输出总线。此外，每个功率单元可以包括框架，使 得系统中的每个框架都基本上具有与系统中的其它框架相同的尺寸和形状。该 系统还可以包括支持用于針功率单元的控制线的线托架。在一种替代实施例中，功率单元系统包括被连接用以提供多个单元位置的 多个支撑轨和背板。该系统还包括至少一个再生功率单元以及至少一个非再生功率单元。单元位置和功率单元被确定大小和位置使得每个单元位置都可以可 互换地接受再生功率单元或非再生功率单元。每个功率单元包括框架，并且系 统中的^框架都基本上具有与用于系统中的至少一些其它功率单元的框架相 同的尺寸和形状。可选择地，每个功率位置可以包括多个支撑轨、处于与在单 元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输送总线、以及处于与在单元位 置中的功率单元的输入总线电连接的功率输出总线。该系统还可以包括支持用 于旨功率单元的控制线的线托架。在一个替代实施例中，功率输送系统包括含有多个单元位置的支撑结构、 至少一个再生功率单元以及至少一个非再生功率单元。单元位置和功率单元被 确定大小和位置使得每个单元位置都可以可互换地接受再生功率单元或非再生 功率单元。每个功率单元可以包括框架，并且系统中的每个框架都基本上具有 与用于系统中的至少一些其它功率单元的框架相同的尺寸和形状。旨单元位 置可以包括多个支撑轨、处于与在单元位置中的功率单元的输入总线电连接的 功率输送总线以及处于与在单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输 出总线。在上面描述的每个实施例中，每个再生功率单元舰选择地包括逆变器桥、 横跨逆变器桥的端子电连接的电容器组、以及包含作为三相桥电连接的多个晶 体管的有源前端。可替代地，每个再生功率单元可以包括逆变桥、横跨逆变器 桥的端子电连接的电容器组、横跨所述端子电连接的三相二极管桥整流器、以 及横跨所述端子电连接的串联连接的晶体管和电阻组合。也可选择地，每个非 再生单元可以包括逆变器桥、横跨逆变器桥的端子电连接的电容器组以及横跨 所述端子电连接的三相桥整流器。再生和非再生单元的其它配置也是可能的。
图1是表^^见有技术的非再生功率单元的典型特性的电路图。 图2描述員度和,的四象限中的运行。图3是表示现有技术的再生功率单元的典型特性的电路图。图4描述包括连接至负载的多个功率单元的电路。图5示出了典型的功率单元外壳结构。图6示出了用于多个功率单元的典型支撑结构。图7示出了带有处于单元位置中的单元的图6的支撑结构。
具体实施方式
在本方法、系统和材料被描^t前，应理解本公开不局限于所描述的f寺定 方法、系统和材料，因为这些都可以改变。还应理解描述中所使用的专用名词 是用于描述特定版本和实施例的目的，并不想要限制范围。例如，正如这里以 及所附的权禾腰求书中使用的，单数形式"一"以及"该"("a"， "an"以及 "the")包含了复数的指代，除非文中以其它方式清楚地规定。除非另外定义， 否则这里使用的所有技术和科技术语都具有本领域普通技术人员通常理解的相 同含义。此外，下列术语在这里具有下面的定义包括~^含但不局限于。电连接或电耦合^以适于传递电能的方式连接。H桥逆变fl~-用于交流和直流电路之间的受控功率流的电路，含有四个 晶体管和四个二极管。参考图l， H桥逆变器116通常包括并联电连接的第一相 支路和第二相支路。每个支路都包括两个晶体管/二极管组合。在每个组合中， 二极管电耦合在晶体管的St及和皿极两端。逆变tl~~^各直流功率转换成交流功率或将交流功率转换皿流功率的装置。中压"~^C于690伏(V)且小于69千伏(kV)的额定电压。在一些实施例中，中压可能是约1000V和约69kV之间的电压。非再生功率单元一不具有吸收再生功率能力的功率单元。 功率单元一具有三相交流输入和单向交流输出的电气装置。 序歹y~~^黄跨三相功率输送系统的每一相所建立的功率单元的排列。 再生功率单元(regenerative power cell)——具有吸收再生功率能力的功率单元。基本上~~^很大范围^fMS上。在不同的实施例中，多级功率电路包括多个功率单元用于驱动负载。图4 示出了具有这种功率单元的典型实施例。在图4中，变压器410ffi31—系列单 相逆变器(也称作功率单元)将三相中压功率输送至诸如三相感应电机的负载 430。，器410包括激发多个次级绕组414—425的初级绕组412。尽管初级绕组412被示出具有星形配置，但三角形配置也是可能的。进一步，尽管次级绕 组414—425被示出具有三角形配置，但星形配置的次级绕组也是可能的，或者 星形和三角形绕组的组合也可以被使用。进一步，在图4中示出的次级绕组的 数目仅仅是示例性的，其他数目的次级绕组也是可能的。在某些实施例中，该 电路可被用于中压应用或者其它应用。任何多个序列的功率单元都连接在变压器410和负载430之间。"序列"被认为是三相集、或者跨功率输送系统的三相中的每一相所建立的一组功率单元。 参考图4，序列450包括功率单元451—453，序列460包括功率单元461—463， 序列470包括功率单元471—273，以及序列480包括功率单元481—483。少于 四个序列或者多于四个序歹嘟是可能的。中鹏制系统495 ilil光纤或另一有 线或无线通信介质490发送指令信号至齡单元的本i鹏制器。图5示出了典型的功率单元结构510。功率单元510包括框架512以及一 组功率输A/输出连接器521—525 。单元的典型的内部部件可以包括任意数目的 电容器、散热器以及可包括诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块和一个或多个 整流器模块的零件的电子组件。IGBT可被分离用于I/O总线位置以及增加热性 能。框架512封入功率单元510的不同部件，例如一个或多个电容器、印刷电 路板、散热器等等。框架512可以由任何合适的材料制造，比如嫩转ra或其它 金属，以使得在正常运行和许多不正常运行##下将该功率单元与系统中的其 它功率单元在机械和电磁上隔离。框架512可用于保护功率单元510的内部部 件在运输和处理期间不受损坏，并且该框架可以以下方式配置，使得电子模块 510會滩被方j(fi在其任何一侧而并不造成对电子模块510的部件的任何损坏。根 据不同的实施例，框架512可以由多个连接在一起的部分组成，并且框架512 的一个或多个部分是可拆卸的。此外，框架512可具有厚度，该厚度足以防止 由于电子模块510的内部部件的失效造成的任何碎片离开由框架512围住的空 间，从而防iW电子模块510附近的任何部件的间接损坏。如在图5中所示，功率单元510可进一步包括多^f禹合至内部输入或输出 功率总线的功率插塞式连接器521-525，该内部输A^输出功率总线被配置用 以向和从电子模块510路由功率。例如，功率插塞式连接器中的三个522—524 可被配置用以接收来自源的三相功率，而功率插塞式连接器中的两个521和525可被配置用以输送单相功率至负载。功率插塞式连接器允许单元被插入主电源 层。在图4和图5中所描述的功率单元排列提供了模i央化多级系统，所述模块 化多级系统由于需要适用于不同的设计要求或者需要替换失效单元而允许单元 被替换。此外，在图5中所示的单元510是物理可互换的，使得所述单元可包 括两象限单元的元件(例如在图1中所示的元件)或者再生(四象限)单元的 元件(例如在图3中所示的元件)。以这样的方式，各个单元位置育,必要地用 再生或非再生单元填充式(populated)替换，用以提供期望的制动程度。这样 不管是再生单元还是非再生单元，每个单元510的框架512将基本上具有相同 的尺寸和皿。图6示出了典型支撑结构644，用于在外壳内的多个电力单元，例如9个 单元，其中齡功率单元或其它电子模块安置在一个或多个安^fl 646上，使 得W^单元的后部都面对背板648，并且单元的功率插头通过背板648接触单元 功率连接621—625。背板648可由任何合适的不导电材料支撑、例如高强度不 导电层压材料构成，并且该背板提供了各个单元和系统中其它方面之间的屏障。支撑结构被设计用以提供多个单元位置650，每个单元位置都可接收或者 为再生单元或者为非再生单元的可互换单元(例如图5中的510)。以这样的方 式，根据期望的制动程度，单个功率单元系统可包括所有的再生单元、所有的 非再生单元或者再生和非再生单元的某种混合。单元510可被确定大小用以沿 着支撑轨646滑入单元位置650，并且然后单元的功率插头将与单元功率连接 621—625接合。可选择他，额外的连接、比如线托架(wiretray) 630可被提供 用以容纳向和从单元所路由的控制线。还可选择地，一个或多个次级功率总线 628针对向或从每个单元的电流方向被提供。图7示出了功率单元510安置于单 元位置之一中的典型支撑结构644。在阅读了以上叙述的一些示例性实施例的详细描述和附图之后，还有其它 的实施例对本领域技术人员将会变得明显。应理解的是，许多变动、修改以及 附加的实施例也是可能的，并且因此所有这样的变动、修改和实施方式都被视 为处于本申请的精祌和范围内。
权利要求
1. 一种功率单元系统，包括包含多个单元位置的支撑结构；至少一个再生功率单元；以及至少一个非再生功率单元；其中，所述单元位置和功率单元被确定大小和位置使得每个单元位置可以可互换地接受再生功率单元或非再生功率单元。
2、 权利要求1所述的系统，其中針单元位置包括.-多个支撑轨；处于与在所述单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输送总线；处于与在所述单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输出总线。
3、 权利要求1所述的系统，齡再生功率单元包括 逆变器桥；横跨所，变器桥的端子电连接的电容器组；以及 包括作为三相桥电连接的多个晶体管的有源前端。
4、 权利要求l所述的电路，其中^再生功率单元包括 逆变器称横跨所,变器桥的端子电连接的电容器组； 横跨所述端子电连接的三相二极管桥整流器；以及 横跨所述端子电连接的串联连接的晶体管和电阻组合。
5、 权利要求1所述的系统，其中齡非再生功率单元包括 逆变器挢；横跨所^m变器桥的端子电连接的电容器组；以及 横跨所述端子电连接的三相桥整流器。
6、 权利要求1所述的系统，其中針功率单元包括框架，并^S^f述系统中 的每个框架基本上具有与所述系统中的其它框架相同的尺寸和皿。
7、 权利要求1所述的系统，进一步包括支持用于針功率单元的控制线的线托架。
8、 一种功率单元系统，包括被连接用以提供多个单元位置的多个支撑轨和背板； 至少一个再生功率单元；以及至少一个非再生功率单元；其中所述单元位置和功率单元被确定大小和位置使得每个单元位置都可以可互换地接受再生功率单元或非再生功率单元；以及其中*功率单元包括框架，并且所述系统中的每个框架基本上具有与 所述系统中的多个其它功率单元的框架相同的尺寸和皿。
9、 权禾腰求8所述的系统，其中針单元位置包括 多个支撑轨；处于与在所述单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输送总线；处于与在所述单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输出总线。
10、 权禾腰求8所述的系统，齡再生功率单元包括 逆变器称横跨所，变器桥的端子电连接的电容器组；以及 包括作为三相桥电连接的多个晶体管的有源前端。
11、 权利要求8所述的电路，其中齡再生功率单元包括 逆变器称横跨所皿变器桥的端子电连接的电容器组； 横跨所述端子电连接的三相二极管桥整流器；以及 横跨所述端子电连接的串联连接的晶体管和电阻组合。
12、 权利要求8所述的系统，其中每个非再生功率单元包括逆变器桥；横跨所,变器桥的端子电连接的电容器组；以及 横跨所述端子电连接的三相桥整流器。
13、 权利要求8所述的系统，进一步包括支持用于每个功率单元的控制线 的线托架。
14、 一种功率输送系统，包括包含多个单元位置的支撑结构；至少一个再生功率单元；以及 至少一个非再生功率单元；其中所述单元位置和功率单元被确定大小和位置使得每个单元位置可以可互换地接受再生功率单元或非再生功率单元；以及其中^功率单元包括框架，并且所述系统中的每个框架基本上具有与所述系统中的多个其它功率单元的框架相同的尺寸和靴。其中^单元位置包括多个支撑轨、处于与在所述单元位置中的功率单元的输入总线电连接的功率输送总线、以及处于与在所述单元位置中的功率单 元的输入总线电连接的功率输出总线。
15、 权利要求14所述的系统，每个再生功率单元包括 逆变器桥横跨所,变器桥的端子电连接的电容器组；以及 包括作为三相桥电连接的多个晶体管的有源前端。
16、 权利要求14所述的电路，其中針再生功率单元包括-逆变器桥；横跨所 变器桥的端子电连接的电容器组； 横跨所述端子电连接的三相二极管桥整流器；以及 横跨所述端子电连接的串联连接的晶体管和电阻组合。
17、 权利要求14所述的系统，其中*非再生功率单元包括 逆变器称横跨所 变器桥的端子电连接的电容器组；以及 横跨所述端子电连接的三相桥整流器。
18、 权利要求14所述的系统，进一步包括支持用于^功率单元的控制线 的线托架。
全文摘要
本发明涉及含有可互换单元的功率输送系统。功率单元系统包括提供多个功率单元位置的结构。所述系统还包括至少一个再生功率单元以及至少一个非再生功率单元。所述单元位置被确定大小和位置使得每个单元位置可以可互换地接受再生功率单元或非再生功率单元。
文档编号H02M7/00GK101273516SQ200680031435
公开日2008年9月24日 申请日期2006年8月30日 优先权日2005年8月31日
发明者M·埃洛, 璇 张 申请人:西门子能量及自动化公司