具有用于变换的电子功率单元的电机的制作方法

专利名称：具有用于变换的电子功率单元的电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括定子和可旋转地且同轴地安装在定子中的转 子的电机，优选为发电机，并且包括将定子和转子实质上容置于其中的壳体以及用于变换多相交流电流的电子功率单元(electronic power unit) o背景技术在发电领域，对于额定输出，增大涡轮的旋转速度伴随着尺寸和 成本的降低。效率也会提高。迄今为止，最高达70MW的发电涡轮通 过齿轮传动装置连接着发电机，以便允许以更高的涡轮旋转速度运转。 随着输出增加，使用齿轮传动装置由于可靠性原因而变得越来越困难。 在这种情况下，涡轮以发电机的同步速度运转。使用静态变频器(功率电子器件)代表了另一种选择，其可提供 许多优点，例如在恒定体积产量和转速的前提下减少发电机成本，速 度可调 一 允许恢复涡轮的部分负载效率，显著降低噪音，清洁地(无 油)冷却，等等。在发电和驱动这两种情况下，降低静态变频器的损耗都会带来显 著的成本节约。降低损耗首先会影响到投资成本，因为冷却占了变频 器的总成本的很大一部分。静态变频器既存在间接AC/DC/AC变换的情况，也存在直接 AC/AC变换的情况。间接变换(AC/DC/AC)的引起是通过从三相电源(在电动机的 情况下为电网(grid);在发电的情况下为发电机)产生直流电流或直 流电压。接下来，直流电流或直流电压通过逆变器而被变换回交流电 流。电感(电流源变换器)或电容器组(电压源变换器)被切换到直 流链中，以便能够实现工作原理。目前的大型间接变换器是电流源类型的，并且使用了晶闸管。如 果晶闸管的自然换流是可行的，则变换器中的损耗会减小。电压源变换器使用GTO，因为它们固有的高传导损耗，以及IGBT或IGCT。 各部件的功率能力小于晶闸管，因此，对于额定电压和额定电流，需 要大量的部件。电压源变换器可以受益于使用脉冲宽度调制技术，其 可以改进电流曲线的形状并且减小谐波。切换频率越高越好，除了关 于损耗和介质疲劳这两方面以外。电流可以大部分地产生为正弦形状， 从而电机功率的定额减小可以避免。举例来说，直流变换(AC/AC)可以通过所谓的循环变换器 (cyclo-converter)实现。从电机的角度看，直流变换提供了显著的优 点，因为电流是或多或少地正弦形状的，而非斩波直流电流。其能减 小额外出现在电机中的损耗，并且还防止脉动转矩。然而，使用三相循环变换器会将可获得的频率范围限制在0-1/3 的输入频率。三相循环变换器由三个单相循环变换器形成，每个分别 以平衡操作来处理1/3的功率。超过所述频比1/3极限将导致强烈的不 平衡操作，因而每个单相循环变换器应当被设计为适合于超过1/3的 满功率。过尺寸可能导致功率定额因数高达3。直流变换的另 一 种可能性由所谓的矩阵式变换器(matrix converter)提供，其中多相源(发电机或电网)中的每一相通过双向开 关连接或可连接多相负荷(电网，无源负荷，电动机，等等)中的每 一相。开关包括足够数量的晶闸管以承受相间压差和相电流，并且允 许电流反向。它们可以被看作是真正的双向部件，并且提供了一种选 择，即结合使用附加线路，例如用于逆平行(antipamllel)部件驱动脉 冲的缓冲器或门单元供电器。开关以m相源和n相负荷的方式被布置成(mxn)矩阵。这提供 了一种选择，即在输入相和输出相之间建立任何期望的连接；然而与 此同时，其缺点是，矩阵的某些开关状态必须排除，因为否则的话， 例如，可能发生短路。另外，期望实现从一相至另一相的换向，从而 使得产生最低可能的开关损耗。举例来说，可以使矩阵式变换器以下述方式操作，即只有自然换流被使用。这一点可以如此实现，即只有在特定条件被满足时，才允 许从发电机的选择连接的相切换至发电机的选择未连接的相。 一种这样的矩阵式变换器及其操作模式被公开于DE-A-100 51 222以及相应 的欧洲专利申请EP-A-1 199 794中。虽然效率和通用性高，但这种普 通概念的矩阵式变换器及其操作模式大体上的缺点是，在某些应用中， 存在有关谐波失真以及有关可能频比方面的缺陷。另一种不同的提议见于文献EP-A-0 707 372,其提出了将一种频 率匹配装置用于发电机的多相输出，其中频率匹配装置或者甚至其部 件直接安置在发电机定子的端部绕组上。频率匹配装置安置在发电机 壳体中，并且由用于冷却发电机中那些需要冷却的零部件的同一冷却 系统冷却。有关冷却这种构成电机零部件的功率电子器件的另一种改进措施 在DE-A-103 10 307中提出。为了提高有关冷却方面的灵活性，该文 献提出将功率电子器件安置在发电机壳体中，但提供分设且独立的功 率电子器件冷却系统，所述功率电子器件可以是例如变换器。发明内容为此，本发明的目的是提供一种改进的矩阵式变换器，用于将多 相交流电流变换为期望的交流输出电流。这适合于下述情况，其中， 通过多个可控双向开关，多相交流电流中的m相被变换为具有n(rKm) 相负荷的交流输出电流，以及其中，变换器包括至少一级，其中多相 交流电流中的每一相通过可控双向开关进行控制。具体而言，矩阵式变换器为用于变换多相交流电流的矩阵式变换 器，其中多相交流电流的相典型地为m在12-60之间，优选在24-36 的范围内，而这些相被变换为n (n<m)相交流输出电流，其中n典型 地为3或6。这样的矩阵式变换器中的元件的一种特别简便的构造可以以下述 方式实现，即变换器的所述至少一级由开关元件的二维阵列形式的级 堆叠体(stage stacks)形成，所述级堆叠体被布置成沿着垂直于矩阵式 变换器所在平面的层叠方向基本上相互平行，并且级堆叠体的输入由安置在级堆叠体的一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器所在平面 的平面内母线排提供，而级堆叠体的输出由安置在级堆叠体另一侧并 且基本上位于平行于矩阵式变换器所在平面的平面内的附加(电网) 母线排汇集而成。通过这种方式，矩阵式变换器的各元件关于下述方 面几乎理想地布置关于可能的冷却，关于在元件之间并且作为整体 实现尽可能短的连接，以及关于模块式维护可能性，等等。典型地，在这样的矩阵式变换器中，每个双向开关包括至少两个 具有逆平行单向开关元件的分支(开关元件可以组合为单一元件，例 如BCT元件，如后文中进一步讨论)，其中优选在每个分支中，至少 两个开关元件串联设置。多相交流电流可以由从机械能产生电能的发 电机提供，并且多相交流电流为超过三相。引起多相交流电流的相的 定子绕组可以三角形(delta)连接。多相交流电流的相数(m)可以 最高达到2极发电机定子槽的数量。相数可以为槽数的任何整数分之根据本发明的第一实施方式，矩阵式变换器进一步的特征在于， 母线排被布置成基本上正交于电网母线排。两组母线排的正交配置能 够实现矩阵式变换器中各元件的令人惊讶的简单且高效的连通性和理 想的空间排布。典型地，设有m/n个母线排和2n个电网母线排。变换器可以包括两级，并且在变换器的至少一级中，多相交流电 流中的每一相由可控双向开关控制。可以具有这样的配置，其中变换 器的第一级集成到定子发电机中，并且只有另一级位于隔间中(如后 文中进一步讨论，例如就是电网堆叠体阵列)。优选地，矩阵式变换器 的容置于定子中的部分位于用于冷却发电机的冷却流体流中。典型地，双向开关由控制单元控制，以选择性地将m个输入与n 个输出连接，其中设有第一装置用于确定输入中的电流的极性符号， 以及第二装置用于确定输入之间电压的极性符号，其中第一和第二装 置以有源的方式连接着控制系统。然后，双向开关通过信号线连接至 控制系统，有关各开关的开关状态的信息通过信号线传送至控制系统。根据本发明的另一实施方式，变换器因此而包括至少两级。在这 种情况下，在变换器的至少一级中，多相交流电流中的每一相由可控双向开关控制，其中多相交流电流中的每一相由可控双向开关控制的 变换器级为所谓的第一级(也被称作发电机级)并且直接连接至发电机，其中在变换器的至少一个所谓的电网级(grid stage)中设有m/n 组的可控双向开关，每组包括n个平行的双向开关，每个双向开关连 接至交流输出电流的相应一相。具体而言，变换器的电网级为变换器 的末级并且直接连接至变压器或负荷。在这种拓扑结构方面，特别请 参看专利申请PCT/EP2006/060617，该文献中关于具有若干级的矩阵 式变换器的拓扑结构明确地引入于此。在这种情况下，变换器的电网级由开关元件的二维阵列形式的电 网级堆叠体形成，该电网级堆叠体被布置成沿着垂直于矩阵式变换器 所在平面的层叠方向基本上相互平行。电网级堆叠体的输入由安置在 电网级堆叠体的一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器所在平面的 平面内的母线排提供。电网级堆叠体的输出由安置在电网级堆叠体的 另一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器所在平面的平面内的电网 母线排汇集而成。进一步优选地，在这种两级矩阵式变换器的情况下，母线排还被 布置成基本上正交于电网母线排。优选地，矩阵式变换器的可开关元件(典型地开关晶闸管，或相 应地布置的IGBT、 IGCT或GTO)因此而分布为大量的、优选规则布 置的堆叠体，其中这些堆叠体沿着基本上垂直于矩阵式变换器所在平 面的方向布置。还需要指出，所谓的BCT (双向控制晶闸管)可购自 瑞士 ABB Semiconductors AG(参见例如ABB的文件No. 5SYA 2006-02 Feb. 99， "Bi-Directional Control Thyristor"， Product Information, Bj6m Backlund， Jan國Olav Boeriis, Ken Thomas, Robert Waishar, Jiirg Waldmeyer, Orhan Toker， ABB Semiconductors AG, 1999年2月)，可被 用于这些堆叠体中，这些BCT元件集成了两个逆平行高压晶闸管。在 这种情况下，相反极性的堆叠体汇合为单一堆叠体。根据本发明的另一实施方式，在电网级中设有规则分布的k行、 每行2n个堆叠体，优选具有交替极性(这样的对可以被替换为组合元 件，例如在使用BCT元件时这是可行的)，以及与其正交的2n列，优选具有相同极性。在这样的配置中，可以布置成母线排平行于所述行、电网母线排 平行于所述列。根据本发明的另一实施方式，在第一级中，发电机的多相交流电流的m相中的m/k个相在可开关元件的k个发电机堆叠体中控制。发 电机堆叠体可以定向为平行于电网级堆叠体且以附加列的形式平行于 所述列的方向安置于电网级堆叠体矩阵的一侧。在这种情况下，可以 通过汇集发电机级导体汇集每个发电机堆叠体的输出，所述汇集发电 机级导体被向上引导并连接至母线排。根据本发明的又一实施方式，相邻的电网母线排以形成n相的方 式连接。根据本发明的矩阵式变换器的进一步实施方式的特征在于，m为 n的整数倍，变换器包括两级，在其中多相交流电流中的每一相由至 少一个可控双向开关控制的变换器级为第一级并且直接连接至发电 机，而变换器的第二电网级包括m/n个组的可控双向开关，每个组包 括n个平行的双向开关，每个双向开关连接至交流输出电流的相应一 相，所述电网级直接连接至变压器或负荷，并且第一级的输入优选由 发电机的m相形成，其中m/n个相形成第一级的输出，其中第一级的 n个优选相邻的输出相的组被连接，并且如此形成的m/n个导体中的 每个连接着变换器的电网级的相应组中的每个双向开关。本发明还涉及一种改进的电机，其包括定子和可旋转地且同轴地 安装在定子中的转子，并且包括将定子和转子实质上容置于其中的壳 体。优选地，电机为发电机。除此之外，电机包括用于变换多相交流 电流的电子功率单元，例如，所述多相交流电流因转子的机械感应旋 转而由定子提供。根据本发明的这个方面，电子功率单元安置于分设(单独)隔间中，该分设隔间位于壳体外侧并且与定子基本上径向相邻。优选地， 电子功率单元为前面描述的矩阵式变换器。迄今为止，根据本领域的技术状态，典型地，发电机的定子产生 的交流电流被引导至占用空间的隔间中，隔间中包含矩阵式变换器并且安置于发电机的工作机房内的分设区域中。这种容纳矩阵式变换器的隔间，例如在前述DE-A-100 51 222提出的，在用于大功率发电机 (例如150MW发电机)的情况下，可能通常包括围绕的1000晶闸管， 这就要求隔间为例如2m高和40m长。因此，可以看出，对于大功率 发电机，这样的矩阵式变换器可能占用很大空间。如专利申请 PCT/EP2006/060617中所提出，从原理上讲，可以减小晶闸管的数量， 例如通过提供多级矩阵式变换器。这样的拓扑结构不但能够减少所需 大功率开关元件的数量，还能减小所需的空间。现己发现，带有矩阵式变换器的隔间或大体上用于电子功率变换 单元的隔间的一个非常适宜的设置位置为恰好横向相邻于定子，从而 使得将电子功率单元连接至定子的端部绕组的连接体尽可能短，以便 将耗散和杂散场问题最小化。在本发明的第一实施方式中，定子的轴线是基本上水平的，并且 隔间安置在壳体上方。同样，隔间可以安置于侧面而连接至壳体。电 场机房的典型空间状态表明，通常发电机室上方可被用于电子功率单 元，优选为矩阵式变换器。根据本发明的另一实施方式，电机为发电机，且电子功率单元为 前面描述的矩阵式变换器。例如，隔间被这样布置，从而使得来自矩 阵式变换器的定子侧的输入连接体基本上与定子一侧的端部绕组位于 一个平面内，该平面垂直于转子的轴线。这样，实际上隔间基本上被 安置在发电机上方，而矩阵式变换器的输入被安置成对准发电机的一 个轴向端。在这种配置中，从定子的端部绕组至矩阵式变换器的输入 连接体的导体如果被例如基本上安置于该平面内的话，则它们可以被 设计成非常短。矩阵式变换器的这个平面优选设置成基本上为定子的 切向，并且优选在壳体上方。再次指出，矩阵式变换器的可开关元件(典型地开关晶闸管，或 相应地布置的IGBT、 IGCT或GTO)被安置在大量优选规则布置的堆 叠体中，其中这些堆叠体沿着基本上垂直于矩阵式变换器所在平面的 方向布置。还需要指出，前述BCT可以用于这些堆叠体，这些BCT 元件被集成为两个逆平行高压晶闸管。在这种情况下，相反极性的堆叠体汇合为单一堆叠体。因为矩阵式变换器，或更一般地讲电子功率单元，被布置成直接 相邻于发电机，因此可能发生振动问题。因此，根据另一实施方式， 装于隔间中的矩阵式变换器是以下述方式安装在其中的，即能够使得 其与定子和转子振动解耦(即不传递振动)，和/或隔间作为一个整体 以下述方式安装在壳体上，既能够使得其与从定子和转子或更一般地 讲与发电机振动解耦。为了实现振动解耦，矩阵式变换器和/或隔间可 以悬挂和/或安装在缓冲支撑体上。为了允许这种解耦，从定子的端部 绕组至矩阵式变换器的导体应当包括柔性部件，例如柔性多芯导体。根据另一实施方式，电机为水平定向的发电机，其产生可从所述 发电机的定子的端部绕组获取的多相输出，其中该多相输出通过发电 机相导体传导至矩阵式变换器的输入，所述矩阵式变换器安置在位于 发电机的壳体上方的隔间中，其中发电机相导体包括竖直部分以及可 能会有的周向部分。特别低，来自定子底部的相可以由周向部分汇集。优选地，壳体包括顶部开口，隔间包括位于其底壁中的至少一个 贯穿开口，而发电机相导体被安装成可通过它们的竖直部分而经过隔 间的贯穿开口被引导至矩阵式变换器的输入连接体。发电机相导体或 发电机相导体组优选安置成可确保它们不彼此干涉(和/或与隔间的壁 干涉)，以便保持绝缘要求尽可能地低。优选地，矩阵式变换器包括第一发电机级，其中发电机的多相交流电流的m相中的m/k个相在可 开关元件(例如晶闸管)的k (k<m)个堆叠体(发电机堆叠体)中 被控制，并且各组的m/k个发电机相导体被组合向上引导(但仍然彼 此隔离)至发电机堆叠体，以便被传送至矩阵式变换器。 本发明的其它实施方式在从属权利要求中限定。


在附图中示出了本发明的各种实施方式，附图包括-图1为根据现有技术状态的发电机的透视图，其中在一侧外周部 分被去除，以便展示定子的端部绕组部分和转子的细节；图2示出了根据图1的发电机在壳体中的示意性透视图，其中端盖、轴承、空气导向件以及圆环和支架被去除，以便展现定子的端部绕组段；图3示出了发电机的透视图，其中矩阵式变换器安置在位于发电 机壳体上方的隔间中；图4示意性地示出了一方面根据现有技术状态(a)、另一方面根 据本发明(b)的发电机壳体之间的不同；图5示出了不带发电机时隔间的透视图，显示了矩阵式变换器的 细节；图6示出了在去除隔间后开关元件在矩阵式变换器中的配置；图7示出了根据图6的矩阵式变换器的仅一个分支的透视图，以 更好地展现连接装置；图8示出了图6和7所示两级矩阵式变换器的拓扑结构，其中(a) 拓扑结构的标准展示示出了 15个发电机相，并且(b)图6和7给出 的完全拓扑结构用来解释根据图6和7的配置的连通性；图9以透视图示出了用于矩阵式变换器的发电机级中的大功率开 关元件的堆叠体；图10示出了用于矩阵式变换器的电网级中的电子大功率开关元 件的堆叠体的两个不同视图，其中(a)示出了包括底板和顶板的完全 堆叠体，(b)示出了顶板被去除后的堆叠体；图11示出了定子的端部绕组区域的透视图，改型的凸耳和新提出 的将发电机相向矩阵式变换器输入的导体安置在发电机的上方，其中 (a)示出了这样的情况，即绝缘套筒安装在端部绕组上，(b)两个绝 缘套筒被去除，以显示端部绕组的连接导体的细节。
具体实施方式
参看附图，这些图的目的是解释本发明的当前实施方式，而不是 要限制本发明，图1示出了根据现有技术状态的发电机1，其中定子 15安装于壳体2中。在定子的内孔中安装着发电机的转子16，其中转 子由安置在定子两侧的轴承18承载。转子16延伸至轴14，轴14在 一侧结合至例如提供用于旋转转子的机械能的涡轮。在每个终端侧，定子包括自由定子绕组，即端部绕组17，并且由 于转子旋转而产生的定子输出电流通过下述方式被引导至电网 (grid):首先被所谓的相环或圆环汇集，然后通过顶部开口 19将电 流由壳体引导出来。壳体大致上为细长形状，并且包括平行于定子轴线的侧壁21和顶 盖22，其中前述顶部开口 19设于顶盖中。交错冷却及冷却介质循环 系统通常设于壳体中，并且设于定子以及转子中。图2以透视图示出了这种发电机配置，然而转子已从定子的内孔 中去除，并且轴承、冷却系统等已被移除。在壳体2的顶壁22中，开 口 19很小并且安置在位于定子一侧的端部绕组17的正上方。为了更 清楚地展示，端部绕组的导体26上的圆环和绝缘套筒29已被移除。 在这里，可以识别出沿圆周安置的隔离支架25和定子15的端部绕组 的导体26。如果发电机将被改造成使用如后文详细描述的矩阵式变换 器，则为了用于使用定子的多相输出的矩阵式变换器，那些在图2所 示的状态下被移除的部件只有被去掉才能允许不同的连通性建立在定 子15的端部绕组上。这一点将在后面详细描述。图3示出了这样改造的发电机，其除了前面列举的部件之外，还 包括在隔间27中安置在壳体2上方的矩阵式变换器。可以清楚地看到 改型的端部绕组区域，在此没有设置圆环，而是定子的端部绕组17 上的每个输出相首先被径向向外引导通过连接导体30。这些连接导体 30，如果安置在端部绕组17的底部的话，首先被周向引导通过各发电 机相导体31。这种导体的组(显示为三个一组)位于在发电机相导体 32的竖直部分中被竖直向上引导的某个位置上。这样，展现于图3中 并且以附图标记32表示的竖直部分实际上表示由三个相继的发电机 相6形成的组，所述发电机相彼此隔离。因此，m-30个单独的发电机 相存在于根据图3所示的设计中，并且在定子一侧的五组32中被向上 引导，在定子另一侧的另外五组中被向上引导，其中图3中为了更清 楚地展示，只有导体的这些组32中的位于左侧的一半被示出。在发电机的壳体2的上方设有隔间27，隔间在其底壁40设有细 长的贯穿开口 33，导体组32穿过贯穿开口被引导至实际矩阵式变换器3。开口 33以及各导体组32之间的距离被设计成可避免导体和/或 壳体之间短路。可以看到，矩阵式变换器3安置于隔间27中，位于与 定子轴线相切的平面内，并且矩阵式变换器相邻地安置在定子的上方。在根据图3的视图中，可以看到第一组共用输入开关，其代表变 换器的第一级，并且在后文中表示为发电机级8。在所述发电机级后 面并且不可见于图3，设有第二组共用输出开关，即变换器的第二级， 其接下来被称作电网级(gridstage) 9。形成发电机级的该组开关的堆 叠体(stacks)基本上安置于定子的端部绕组所在平面内，从而使得定 子的端部绕组与发电机级8的各堆叠体35的输入导体之间距离尽可能 小。矩阵式变换器的输出，即以附图标记28表示的输送到变压器或输 送到电网的三相，通过隔间27的侧壁中的三个单独的贯穿开口 34在 横向侧由隔间27输出。需要指出，矩阵式变换器优选包括冷却系统，其与发电机的冷却 系统分开。水冷却是优选的，而发电机使用气体冷却。如可见于图4，发电机的壳体2需要略微改造，以便容置包括矩 阵式变换器的隔间27。如可见于图4 (a)，根据本设计的壳体2只包 括小顶部开口 19。然而为了能够容置隔间27，在将要安置矩阵式变换 器的终端提供支撑壁可能是有效的，并且在大多数情况下，适宜的是 增大位于定子15的端部绕组正上方的开口，以便具有大顶部开口 37， 如可见于图4 (b)。这样，隔间27只需简单地设置在该支撑结构36 上方，如表示于图4 (b),图中示出了系统的固有模块化性能以及相 关的优点。图5示出了这样的隔间的细节。这样的隔间，通常由与发电机制 造商完全不同的制造商提供，为单独的单元，其可以以模块的方式适 配于发电机设计。通常，输送到变压器/电网的三相28通过侧壁39在 横向侧被引导出该壳体27,然而，还可以通过顶壁38将它们引出， 然而，在这种情况下，如后文详细描述，堆叠体的配置需要上下定向， 从而电网母线排(grid bus bars，如后文中进一步讨论)被安置在矩阵 式变换器3的顶侧。图6示出了矩阵式变换器，可以安置于图5所示的壳体中，图6显示了拆除壳体后的情况。矩阵式变换器为两级矩阵式变换器，包括发电机级8，其提供了与发电机端部绕组之间的连接，以及电网级9。 计算表明，与预期相反，电网级上的负荷显著大于发电机级上的负荷 (9: l!)，这就要求明显更多的单独电子开关元件用于电网级，以承 受开关过程中的电能。需要指出，图6-8所示的矩阵式变换器的特殊 拓扑结构模拟的是公开于PCT/EP2006/060617中的结构，并且因此关 于拓扑结构的细节请具体参看该文献，其公开内容引入于此。如可见于图6，矩阵式变换器3基本上安置于平面47中，如果矩 阵式变换器将被安置在示于图4的发电机的上方，则该平面为发电机 的主轴线的切向平面。矩阵式变换器的发电机级8包括大功率开关元件的各堆叠体35 的列67。开关元件35的这些堆叠体的细节将在后文中详细描述。每 个所述堆叠体35包括三个输入导体48，它们如前面所披露通过发电 机相导体32的竖直部分连接着发电机相。这些堆叠体35被定向为基本上垂直于平面47，从而平行于所谓 的层叠方向61。相邻于发电机级8的发电机级堆叠体35的所述列设 有电网级9，其由十行66的单独电网级堆叠体41形成。换言之，因 为这些电网级堆叠体以方形配置规则地分布，因此在该电网级中有六 个相邻列67。各发电机级堆叠体35的输出通过汇集发电机级导体44 汇集，所述汇集发电机级导体汇集每个堆叠体35的输出并且引导其竖 直向上进入位于堆叠体41上面的平面中。在堆叠体41的阵列上方设 有平行阵列的分布级间导体，称作母线排43，它们从发电机级8沿着 垂直于发电机级8的所述列的方向67的方向引出。这些母线排43具 有延伸越过电网级9的全部行66的长度。在电网级9的堆叠体41的 底侧，还设有导体，即汇集电网导体，其被称作电网母线排42。相邻 的电网母线排42、 42，以成组的方式会合以形成三相28，然后所述三 相结合至变压器或电网。需要指出，如果BCT被使用，则两个导体42和42'为单一导体。为了解释拓扑结构的细节，在图7中只有一个分支的矩阵式变换 器被展示，从而图中只有一个发电机级堆叠体35并且只有一行66的电网级9。可以看到，所述行66中相继的堆叠体41中的开关元件的 极性是交替的，在图中通过圆圈中的正负号示意性地表示。每对这样 的正负堆叠体41的输出通过一对导体42、 42'被汇集，后者被分组以 形成三相38之一，如见于图6。需要指出，在使用前述BCT元件的 情况下，正负堆叠体会合为单一堆叠体。从原理上讲，安置在根据图6的空间中的拓扑结构对应于图8中 表示的拓扑结构，并且其为包括发电机级8和电网级9的两级矩阵式 变换器的普通拓扑结构，具有最小数量的开关元件或双向开关4。该 两级矩阵式变换器的基本原理是，如果高相级发电机需要被连接至负 荷，则使用矩阵式变换器会导致过多数量的开关元件。如果相的数量 增加，则成本以及尺寸会由此而显著增加。然而，可以将开关元件(晶 闸管)的柱拆分为例如两部分。因此，第一级8产生，其中每个输入 相6设有单独的双向开关元件4。除此之外，输出开关还可以共用， 最终导致示于图8(a)的层次结构。属于矩阵式变换器的电网级9的 输出开关被分组为m/n组12 (在示于图8的特定例子中，这导致十五 个发电机相6形成五组12)，其中这些组12中的每个所包括的双向开 关的数量等于输出相7的数量(在示于图8的特定例子中，这意味着 每组12三个双向开关4)，其中这些双向开关4各自连接至相应的输 出相。第一级8与第二级9这样相连，即发电机定子的m个周向相邻的 输入相在它们的非发电机侧结合以形成单一导体13。因此在该配置 中，输入相6的数量必须为输出相7的数量的整数倍。在根据图8 (a) 的情况下，设有十五个输入相6 (m=15)和三个输出相(n=3)，这导 致五个导体13，所述导体又被连接至矩阵式变换器的第二级9中的组 12的输入，如前所述。应当指出，为了在图8(a)更清楚地展示，只 有十五个发电机相6被设置，而不是像根据图6和7的矩阵式变换器 那样设置三十个。为了获得示于图6和7的拓扑结构，根据图8(a) 的配置仅需要被加倍。然而，可能难以在根据图6和7的前述配置中识别出根据图8(a) 的开关元件的原理性拓扑结构。但是，可以认识到，通过分析，根据图8 (a)的拓扑配置可以根据图8 (b)给出的示意性托普结构而重新 绘制(现在示出了三十个发电机相用以供给堆叠体35的导体48)。该 拓扑结构等价于根据图8 (a)的拓扑结构(发电机相加倍)，并且能 够看出根据图8 (a)的拓扑结构和根据图6和7的设计之间的等价关 系。根据图6和7的配置的一项关键优点在于下面的事实，即位于电 网级9的堆叠体41的阵列的相反两侧的电网母线排42和母线排43 的正交定向导致极为紧凑的设计，具有最优的短导体长度，因此导致 结构具有高紧凑性，具有直观性，且容易维护，并且所需的空间尽可 能地小，耗散尽可能地少。图9示出了一个发电机级堆叠体35的细节。可以看到，每个所述 堆叠体35包括六个大功率开关元件10，例如晶闸管，它们彼此上下 层叠。该堆叠体通过包括底板49和顶板50的结构而被保持在一起， 底板和顶板由四个平行的杆51夹持在一起，所述杆通过成对的螺母 52而组装起来，所述螺母旋拧在位于杆端部的螺纹53上。为了维持 在开关元件上的高挤压动力，该结构是必需的。在发电机侧，堆叠体 35包括彼此上下安置的三个输入导体48。在输出侧，朝向电网级9， 一个堆叠体的四个引出导体54 (最上面的一个不可见于图9)连接着 汇集发电机级导体44，这导致容易由图8(b)识别的拓扑结构。另外， 由于在这样的系统中会有大的能量耗散，因此设有交错冷却系统，其 中冷却介质通过冷却管道55供应而流经开关元件之间的冷却箱55a, 冷却管道具有用于冷却介质的入口/出口，冷却介质为例如去离子水或 其它冷却介质。图10示出了电网级堆叠体41的透视图。与其中电流沿基本上实 质水平方向流动的前述发电机级堆叠体35不同，在这些包含一系列可 开关元件的电网级堆叠体41中，电流沿基本上竖直方向流动。可以看 到，这些堆叠体41中的每个堆叠体包括具有相同极性的八个开关元件 10。该堆叠体也通过底板57和顶板58而被保持在一起，并且每个边 缘设有四个杆51，通过旋拧在螺纹53上的螺母52将所述两个板保持 在一起。如前面所披露，电网母线排42和母线排43被垂直定向。因此， 与这样的堆叠体41的顶侧的母线排之间的连接是通过输入导体59提 供的，输入导体设有槽60以容置母线排。在底侧，每个所述堆叠体 41设有引出导体61，其也设有槽60'，其中该槽60，垂直于上部槽60 定向。这样，高度模块化且容易更换的系统设有高密度的开关元件。 再次，各开关元件的冷却也是可行的，并且可以识别出相应的入口和 出口开口，然而为了更清楚地展示，各连接体没有被示出。图11示出了定子17的改型端部绕组区域的细节。如前所述，根 据现有技术状态的设计中的圆环被去除，并被换为不同的结构。事实 上，各发电机相或相应导体63中的每个首先通过径向连接导体30而 被径向向外连接。该连接导体30通过铜导体63的槽64中的相应适配 的连接夹65而最容易地连接至端部绕组的铜导体63。连接导体30呈 L形，并且接下来连接至发电机相导体的周向部分31。周向相邻的发 电机相分别各自地连接至这种周向部分31、 31，、 31"和31"，，从而产 生这些周向导体的堆叠体。这些导体当然关于彼此隔离。如可见于图 3， 一旦达到这种组导体31的正确径向位置，它们就被在三个导体的 组中的竖直部分32内竖直向上引导。由于所述各发电机相具有相对低 电压的实施，这些导体只需要小型绝缘。附图标记列表1:发电机2:发电机壳体3:矩阵式变换器4:双向开关5:变压器6:多相交流电流7:交流输出电流8:共用输入开关组，变换器的第一级，发电机级 9:共用输出开关组，变换器的第二级，电网级 10:开关元件，晶闸管12:双向开关组 13:导体 14:发电机的轴 15:发电机的定子 16:发电机的转子 17:定子的端部绕组 18:轴的轴承19:发电机壳体的顶部开口，用于使导体从中穿过而导达电网等20: 2的端壁21: 2的侧壁22: 2的顶盖23:定子的内孔25:隔离支架26:端部绕组的导体27:矩阵式变换器的壳体，隔间28:相引线，通向变压器/电网29: 26上的盖，绝缘套筒 30:连接导体31:发电机相导体(周向部分)32:发电机相导体(竖直部分)，3的组33: 27中的贯穿开口，用于3234: 27中的贯穿开口，用于2835:发电机级堆叠体37:用于27的顶部开口38: 27的顶壁39: 27的侧壁40: 27的底壁41:电网级堆叠体42:汇集电网导体，终止于引线2843:分布级间导体，母线排44:汇集发电机级导体45:矩阵式变换器的顶侧46:矩阵式变换器的底侧47:矩阵式变换器所在的平面48:35的输入导体49:35的底板50:35的顶板51:杆52:螺母53:螺纹54:35的引出导体55:冷却管道56:入口/出口冷却介质57:41的底板58:41的顶板59:41的输入导体60:槽61:41的引出导体62:34和41的层叠方向63:17的铜导体64:63中的槽65:63上的连接夹66:41的行67:41的列68:41的电流流动极性
权利要求
1.一种矩阵式变换器(3)，用于将多相交流电流(6)变换成期望的交流输出电流(7)，其中通过多个可控双向开关(4)将多相交流电流(6)中的m相变换为具有n(n＜m)相负荷的交流输出电流，其中变换器包括至少一级(8，9)，在所述级中，多相交流电流(6)中的每一相(6)由可控双向开关(4)控制，其中，变换器(3)的所述至少一级(8，9)由开关元件(10)的二维阵列形式的级堆叠体(41)形成，所述级堆叠体(41)被布置成沿着层叠方向(62)基本上相互平行，所述层叠方向平行于矩阵式变换器(3)所在平面(47)，并且级堆叠体(41)的输入由母线排(43)提供，所述母线排安置在级堆叠体(41)的一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器(3)所在平面(47)的平面内，而级堆叠体(41)的输出由电网母线排(42)汇集而成，所述电网母线排安置在级堆叠体(41)的另一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器(3)所在平面(47)的平面内。
2. 根据权利要求1的矩阵式变换器(3)，其特征在于，母线排(43) 被布置成基本上正交于电网母线排(42)。
3. 根据权利要求l或2的矩阵式变换器(3)，其特征在于，设有 m/n个母线排(43)和2n个电网母线排(42)。
4. 根据权利要求1至3之一的矩阵式变换器(3)，其特征在于， 变换器包括至少两级(8， 9)，其中在变换器的至少一级(8)中，多 相交流电流(6)中的每一相(6)由可控双向开关(4)控制，在其中 多相交流电流(6)中的每一相(6)由可控双向开关(4)控制的变换 器级(8)为第一级且直接连接至发电机(1)，并且在变换器的至少一 个电网级(9)中设有m/n个组(12)的可控双向开关(4)，每个组(12) 包括n个平行的双向开关(4),每个双向开关连接至交流输出电流(7)的相应一相，其中变换器的电网级(9)为变换器的末级且直接连接至 变压器(5)或负荷，其中，变换器(3)的电网级(9)由开关元件(10)的二维阵列 形式的电网级堆叠体(41)形成，该电网级堆叠体(41)被布置成沿 着垂直于矩阵式变换器(3)所在平面(47)的层叠方向(62)基本上 相互平行，其中电网级堆叠体(41)的输入由母线排(43)提供，所 述母线排安置在电网级堆叠体(41)的一侧并且基本上位于平行于矩 阵式变换器(3)所在平面(47)的平面内，而电网级堆叠体(41)的 输出由电网母线排(42)汇集而成，所述电网母线排安置在电网级堆 叠体(41)的另一侧并且基本上位于平行于矩阵式变换器(3)所在平 面(47)的平面内。
5. 根据权利要求4的矩阵式变换器(3)，其特征在于，在电网级 (9)中设有规则分布的k行(66)、每行2n个堆叠体(41)，所述堆叠体优选具有交替极性，以及与其正交的2n列(67)，所述列优选具 有相同极性。
6. 根据权利要求5的矩阵式变换器(3)，其特征在于，母线排(43) 平行于所述行(66)，电网母线排(42)平行于所述列(67)。
7. 根据权利要求4至6之一的矩阵式变换器(3)，其特征在于， 在第一级(8)中，发电机(1)的多相交流电流(6)中的m相中的 m/k个相在可开关元件的k个发电机堆叠体(35)中被控制，并且其 中，发电机堆叠体(35)优选定向为平行于电网级堆叠体(41)且以 附加列的形式平行于所述列的方向(67)安置于电网级堆叠体(41) 矩阵的一侧。
8. 根据权利要求7的矩阵式变换器(3)，其特征在于，每个发电 机堆叠体(35)的输出汇集到汇集发电机级导体(42)中，所述汇集 发电机级导体被向上引导并连接至母线排(43)。
9. 根据任一前述权利要求的矩阵式变换器(3),其特征在于，相 邻的电网母线排以形成n相(28)的方式连接。
10. 根据任一前述权利要求的矩阵式变换器(3),其特征在于，m 为n的整数倍，变换器包括两级(8， 9)，在其中多相交流电流(6) 中的每一相(6)由至少一个可控双向开关(4)控制的变换器级(8) 为第一级(8)并且直接连接至发电机(1)，而变换器的第二电网级(9) 包括m/n个组(12)的可控双向开关(4)，每个组(12)包括n个平 行的双向开关(4)，每个双向开关连接至交流输出电流(7)的相应一 相，所述电网级直接连接至变压器(5)或负荷，并且第一级(8)的 输入优选由发电机(1)的m相形成，其中m/n个相形成第一级(8) 的输出，其中第一级(8)的n个优选相邻的输出相的组被连接，并且 每个如此形成的m/n个导体(13)连接着变换器的电网级(9)的相应 组(12)中的每个双向开关(4)。
11. 一种电机(1)，包括定子(15)和可旋转地且同轴地安装在 定子中的转子(16)，并且包括壳体(2)，定子(15)和转子(16)基 本上安置在壳体中，还包括根据任一前述权利要求的矩阵式变换器(3)，用于变换多相交流电流，其中矩阵式变换器(3)安置于分设隔 间(27)中，该分设隔间(27)位于壳体(2)外侧并且与定子(15) 基本上径向相邻。
12. 根据权利要求11的电机(1)，其特征在于，定子(15)的轴 线是基本上水平的，并且隔间(27)安置在壳体(2)上方。
13. 根据权利要求11或12的电机(1)，其特征在于，电机为发 电机(1)，并且来自矩阵式变换器(3)的定子侧的输入连接体(48) 基本上与定子(15) —侧的端部绕组位于一个平面内，该平面垂直于 转子(16)的轴线，从定子的端部绕组(15)通向矩阵式变换器(3)的输入连接体(48)的导体(32)基本上位于该平面内。
14. 根据权利要求13电机(1)，其特征在于，矩阵式变换器(3) 的开关元件(10)分布于多重堆叠体(35， 41)中，其中这些堆叠体(35， 41)沿着基本上垂直于矩阵式变换器(3)所在平面(47)的方 向(62)布置，所述矩阵式变换器(3)所在平面(47)基本上位于定 子(15)的切向，并且优选在壳体(2)上方。
15. 根据权利要求11至14之一的电机(1)，其特征在于，矩阵 式变换器(3)以使其与定子(15)和转子(16)振动解耦的方式安装 于隔间(27)中，禾口/或隔间(27)以使其与定子(15)和转子(16) 振动解耦的方式安装在壳体(2)上。
16. 根据权利要求15的电机(1),其特征在于，为了实现所述振 动解耦，矩阵式变换器(3)和/或隔间(27)被悬挂和/或安装在缓冲 支撑体上。
17. 根据权利要求11至16之一的电机(1)，其特征在于，电机 (1)为水平定向的发电机(1)，其产生可从所述发电机(O的定子 (15)的端部绕组获取的多相输出，其中该多相输出(6)通过发电机相导体(31， 32)传导至矩阵式变换器(3)的输入，所述矩阵式变换 器安置在位于发电机(1)的壳体(2)上方的隔间(27)中，其中发 电机相导体(31， 32)包括竖直部分(32)以及可能会有的周向部分 (31)。
18. 根据权利要求17的电机(1)，其特征在于，壳体(2)包括 顶部开口 (37)，隔间(27)包括位于其底壁中的贯穿开口 (33)，发 电机相导体(31， 32)被安装成可通过隔间(27)的贯穿开口 (33) 被引导至矩阵式变换器(3)的输入连接体(35， 41)。
19.根据权利要求18的电机(1)，其特征在于，矩阵式变换器包 括第一级(8)，其中发电机(1)的多相交流电流(6)中的m相中的 m/k个相在可开关元件的k个堆叠体(35)被控制，并且由m/k个发 电机相导体(31， 32)形成的组被组合向上引导而传送到矩阵式变换 器(3)。
全文摘要
一种用于将多相交流电流变换为交流输出电流的矩阵式变换器，交流电流中的m相通过多个可控双向开关被变换为具有n(n＜m)相负荷的交流输出电流。变换器包括至少一级，在该级中多相交流电流中的每一相由可控双向开关控制。所述至少一级由开关元件的二维阵列级堆叠体形成，级堆叠体布置成沿垂直于矩阵式变换器所在平面的层叠方向相互平行。级堆叠体的输入由安置在级堆叠体一侧且位于平行于矩阵式变换器平面的平面内的母线排提供。级堆叠体的输出由安置在级堆叠体另一侧且位于平行于矩阵式变换器平面的平面内的电网母线排汇集而成。本发明还涉及一种电机，包括上述矩阵式变换器，其安置在位于壳体外侧并且与定子径向相邻的分设隔间中。
文档编号H02P9/00GK101272099SQ20081008609
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月19日 优先权日2007年3月20日
发明者A·拉卡兹 申请人:阿尔斯通技术有限公司