专利名称：包括电力转换器和旋转变压器的电力系统及其组装方法
技术领域：
本文描述的主旨大体上涉及电力装置，并且更具体地涉及包括电力转换器设备和可旋转电力变压器的系统以及组装这样的系统的方法。
背景技术：
至少一些已知的电力系统包括多个滑环及关联的电刷以将电力从静止电气装置转移到旋转电装置。例如，电力经由滑环和电刷传送到许多已知的风力涡轮机桨距机构的电动马达驱动器。相似地，电力经由滑环和电刷传送到许多已知的同步发电机的励磁装置。然而，大多数已知的滑环耦合于旋转元件并且电刷典型地耦合于静止电刷架或环。这些静止电刷需要与旋转滑环物理接触以在滑环和电刷之间建立足够的导电性。因为大多数已知的电刷包括碳作为主要传导成分并且碳是相对柔软和易碎物质，由于在操作期间的接触导致电刷的机械磨损是固有的。因此，大多数已知的电刷需要对与滑环的正确接触和磨损的例行操作检查。同样，这些已知的电刷随着逐渐操作磨损而需要例行更换。此外，电刷中的一些与其他电刷相比，其的不均勻磨损可需要更频繁的检查和计划内的设备停机以及/或提前或计划外的设备停机。此外，电刷的固有磨损形成碳尘，其是传导的、有磨蚀作用并且可能有危害，由此需要对附近设备进行另外的并且更频繁的检查以及对这样的附近设备进行维护清洗的频率增加。检查、清洗和电刷更换的这样的频率增加导致与这样的电力系统关联的操作成本增加。
发明内容
在一个方面，提供组装电力系统的方法。该方法包括将电力转换器耦合于电流源。 该方法还包括将旋转变压器的静止部分耦合于该电力转换器。该方法进一步包括将该旋转变压器的可旋转部分耦合于负载装置。在另一个方面，提供换向装置(commutation device) 0该换向装置包括变压器装置。该变压器装置包括可旋转部分。该换向装置还包括操作地耦合于该变压器装置的电力转换器。在再另一个方面，提供电力系统。该电力系统包括耦合于电流源的大致上静止的初级部分。该大致上静止的初级部分包括电力转换器。该电力系统还包括可旋转次级部分， 其电磁耦合于该大致上静止的初级部分。
当下列详细说明参照附图(其中整个图中相似的符号代表相似的部件)阅读时， 本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中图1是示范性电力系统的示意图；图2是可与在图1中示出的电力系统一起使用的示范性旋转变压器的示意图；以及
图3是组装在图1中示出的电力系统的示范性方法的流程图。除非另外指出，本文提供的附图意在说明本发明的关键发明性特征。这些关键发明性特征认为能适应于很多种系统，其包括本发明的一个或多个实施例。如此，附图不意在包括本领域内技术人员知道的用于实践本发明所需要的所有常规特征。
具体实施例方式在下列说明书和跟随的权利要求中，将对许多术语做出引用，其将限定为具有下列含义。单数形式“一”和“该”包括复数个指代物，除非上下文中另外明确地指明。“可选的”或“可选地”意味随后描述的事件或情形可能或可能不发生，并且该描述包括其中所述事件或情形发生的实例和其中它不发生的实例。如本文在整个说明书和权利要求中使用的近似性语言，可适应于修饰任何数量表示，其可以容许地改变而不导致其涉及的基本功能的变化。因此，由术语或多个术语、例如 “大约”和“大致上”修饰的值，不限于规定的精确值。在至少一些实例中，该接近性语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里和整个说明书和权利要求中，范围限制可组合和/或互换，这样的范围被识别并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。本文描述的示范性系统和方法通过提供具有旋转元件的电力系统以便于在没有滑环和电刷情况下传送电力而克服已知的电力系统的劣势。具体地，该电力系统包括与旋转变压器串联耦合的电力转换器。更具体地，该电力系统包括电力转换器，其包括串联耦合的高频方波交流电(AC)变频器(frequency inverter)、谐振去耦电容器和次级侧整流器。 该电力系统还包括次级侧去耦电容器，其耦合于旋转变压器的静止初级绕组。此外，更具体地，该电力系统包括可旋转次级侧整流器，其耦合于旋转变压器的可旋转次级绕组。该电力系统包括耦合在可旋转次级绕组和电负载之间的次级侧大容量电容器(bull capacitor) 0 滑环及关联的电刷的消除便于降低与检查、更换和清洗活动(这些活动典型地与电刷磨蚀关联)关联的操作成本。同样，降低由于不均勻或另外加速的电刷磨蚀引起设备提前或计划外停机，由此便于增加设备的可靠性。此外，旋转变压器的初级和次级绕组耦合于底座结构，其便于当绕组和邻近部件作为散热装置操作时热从这些绕组和邻近部件中去除。此外，大体积静止变压器的消除便于减小这样的电力系统的物理尺寸和重量，由此便于降低成本。图1是示范性电力系统100的示意图。在示范性实施例中，电力系统100是电换向装置并且包括初级部分102和次级部分104。初级部分102包括耦合装置106，其将初级部分102耦合到交流电(AC)源108。AC源108是使电力系统100能够如本文描述的那样操作的在任何额定电压、任何额定功率和任何额定频率的三相AC源或单相AC源。同样，在示范性实施例中，初级部分102包括经由耦合装置106耦合于AC源108 的电力转换器110。电力转换器110包括整流器112，其包括使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何整流装置(未示出)，该整流装置无限制地包括采用半桥和全桥配置的整流器二极管。电力转换器Iio还包括耦合于整流器112的直流电(DC)链路114，其中 DC链路114包括正极轨113和负极轨115。DC链路114包括至少一个输入平滑电容装置
4116，其便于减少传入的整流DC电力的DC纹波。电力转换器110进一步包括耦合于DC链路116的逆变器120。在示范性实施例中， 逆变器120是高频方波半桥逆变器。备选地，逆变器120是使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何逆变器装置，其无限制地包括全桥转换器。同样，在示范性实施例中，逆变器120包括任何数量的使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何电子装置122， 其无限制地包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。 经由使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何手段实现对逆变器120的控制，该手段无限制地包括通过射频(RF)装置和固定在其中的固件耦合于逆变器120的控制器。备选地，不对AC电力整流，电力系统100包括备选电力转换器(未示出)，其包括逆变器120，该逆变器120耦合于使电力系统100能够如本文描述的那样操作的在任何额定电压和任何额定功率的DC电源。此外，在示范性实施例中，初级部分102包括至少一个谐振去耦电容器124，其耦合于逆变器120并且在电子装置122的下游。备选地，谐振去耦电容器IM可包括多个谐振去耦电容器126和128(都虚线示出)且在电子装置122的上游，或可用该多个谐振去耦电容器1 和128(都虚拟示出)替代。谐振去耦电容器1 耦合于正极轨113并且谐振去耦电容器1 耦合于负极轨115。不管配置如何，谐振去耦电容器124、1 和1 具有总电容值C。在示范性实施例中，电力系统100包括旋转变压器130，其包括安置在电力系统 100的初级部分102内的初级段132和安置在电力系统100的次级部分104内的次级段 134。旋转变压器130的初级段132包括耦合于逆变器120的多个初级绕组136。而且，初级段132具有杂散电感138，其中如本文使用的杂散电感包括初级部分102内分布的电感的总和，并且杂散电感138具有总电感值L。由谐振去耦电容器124、126和/或1 抵消杂散电感138，由此便于输出电压刚度独立于初级绕组136下游的任何负载。同样，在示范性实施例中，电力系统100的次级部分104包括旋转变压器130的次级段134。次级段134包括电磁耦合于初级绕组136的次级绕组140。次级部分104还包括能旋转地耦合于次级绕组140的整流器142。整流器142包括使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何整流装置(未示出)，其无限制地包括整流器二极管。次级段134 还包括能旋转地耦合于整流器142的DC链路144。DC链路144包括至少一个输出平滑电容装置146，其便于减少传出的整流DC电力的DC纹波。电力系统100的次级部分104能旋转地耦合于负载装置150。在示范性实施例中，负载装置150是DC装置。备选地，负载装置150是AC装置并且与逆变器120相似的逆变器安置在负载装置150和整流器142之间。在一些实施例中，负载装置150与在次级绕组140内感生的AC电压兼容并且消除了整流器142、DC链路144和电容装置146，并且负载装置150直接耦合于次级绕组140。旋转变压器130在下文进一步论述。在操作中，电力系统100起到电换向装置的作用。AC源108传送在任何电压、任何电流、以任何频率的三相AC或单相AC (其使电力系统100能够如本文描述的那样操作)以为负载装置150提供必需的电力。电力转换器110经由耦合装置106接收从AC源108传送的电力。电力转换器110的整流器112对AC电压整流并且产生大致上DC电压，其至少部分由DC链路114的输入平滑电容装置116平滑，由此便于减少传入的整流DC电压的DC纹波。整流的DC电压传送到逆变器120，其产生AC电压并且传送AC电压到初级绕组136。 备选地，DC源传送DC电力到逆变器120。在示范性实施例中，电子装置122的开关频率是在由如下关系定义的范围中0. 8/ [2* π *sqrt (L*C) ] < f < 1· 5/ [2* π *sqrt (L*C)]方程(1)其中，L代表杂散电感138的总电感值，C代表谐振去耦电容器124、126和128的总电容值，并且f代表开关频率。此外，在示范性实施例中，选择C和L的值以确定近似1 千赫(kHz)至200kHz之间的开关频率。同样，在操作中，初级绕组136电磁耦合于次级绕组140并且在该次级绕组140中感生AC电压。感生的AC电压传送到整流器142，其对感生的AC电压整流并且产生大致上 DC电压，该大致上DC电压至少部分由DC链路114的输入平滑电容装置116平滑，由此便于减少传出的整流DC电压的DC纹波。负载装置150接收整流DC电压并且由其驱动。图2是与电力系统100(在图1中示出)一起使用的示范性旋转变压器130的示意图。旋转变压器130包括静止部分162和可旋转部分164，其与静止部分162轴向并且对称相对。在示范性实施例中，静止部分162包括初级绕组136并且可旋转部分164包括次级绕组140。备选地，静止部分162包括次级绕组140并且可旋转部分164包括初级绕组 136。初级绕组136和次级绕组140嵌套在半E芯166中。备选地，初级绕组136和次级绕组140嵌套在使电力系统100能够如本文描述的那样操作的任何芯配置中，其无限制地包括半U芯。半E芯166耦合于初级支承板168和次级支承板169。除对半E芯166和绕组 136以及140提供支承之外，支承板168和169充当散热装置以便于分别从逆变器120的电子装置122和初级绕组136(都在图1中示出)以及整流器142中的二极管整流器和次级绕组140(都在图1中示出)中将热转移出去。旋转变压器130限定轴向旋转轴线170，可旋转部分164绕其旋转，如由旋转箭头172示出的。在操作中，静止初级绕组136通过初级AC电压通电，该初级AC电压具有预定电压幅度和从逆变器120(在图1中示出)传送的预定频率。在初级绕组136和初始静止次级绕组140之间建立电磁场(未示出)。以预定电压值在次级绕组140内感生次级AC电压， 该预定电压值是变压器130的初级AC电压和变压比的函数。该次级AC电压具有与初级AC 电压的频率大致上相似的频率。该次级AC电压传送到整流器142(在图1中示出)并且整流成具有预定电压幅度的DC电压。该DC电压感生DC电流，其传送到负载装置150，该负载装置150从大致上静止状态加速到以预定旋转速度的旋转状态。旋转负载装置150还在旋转箭头172的方向上使DC链路144、整流器142和次级绕组140旋转。图3是组装电力系统100(在图1中示出)的示范性方法200的流程图。在示范性实施例中，电力转换器110(在图1中示出)耦合O02)于电流源，即AC源108(在图1 中示出)或DC源。同样，在示范性实施例中，旋转变压器130(在图1和2中示出)的静止部分162(在图2中示出)耦合204于电力转换器(110)。此外，在示范性实施例中，旋转变压器130的可旋转部分164(在图1中示出)耦合于负载装置150(在图1中示出)。上文描述的电力系统提供用于在电力系统操作期间提高电力系统可靠性的成本有效的方法。具体地，该电力系统便于在没有滑环和电刷情况下传送电力。该电力系统包括与旋转变压器串联耦合的电力转换器。更具体地，该电力系统包括电力转换器，其包括串联耦合的高频方波交流电(AC)变频器、谐振去耦电容器和次级侧整流器。该电力系统还包括次级侧去耦电容器，其耦合于旋转变压器的静止初级绕组。此外，该电力系统包括可旋转次级侧整流器，其耦合于旋转变压器的可旋转次级绕组。另外，该电力系统包括耦合在可旋转次级绕组和电负载之间的次级侧大容量电容器。滑环及关联的电刷的消除便于降低与检查、更换和清洗活动(其典型地与电刷磨蚀关联)关联的操作成本。同样，降低由于不均勻或另外加速的电刷磨蚀引起设备提前或计划外停机，由此便于增加设备的可靠性。此外，旋转变压器的初级和次级绕组耦合于底座结构，其便于当绕组和邻近部件作为散热装置操作时热从这些绕组和邻近部件中去除。此外，大体积静止变压器的消除便于减小这样的电力系统的物理尺寸和重量，由此便于降低成本。用于操作和组装电力系统的系统和方法的示范性实施例在上文详细描述。系统和方法不限于本文描述的具体实施例，相反地，系统的部件和/或方法的步骤可独立并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，系统和方法还可结合其他旋转引擎系统和方法使用，并且不限于只用本文描述的电力系统实践。相反，示范性实施例可以连同许多其他旋转系统应用实现和使用。尽管本发明的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其他图中示出，这仅是为了方便。此外，在上文的描述中对“一个实施例”的引用不意在解释为排除也包含列举的特征的另外的实施例的存在。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来引用和/或要求保护。该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。部件列表
权利要求
1.一种换向装置(100)，其包括变压器装置(130)，其包括可旋转部分(164)；和操作地耦合于所述变压器装置的电力转换器(110)。
2.如权利要求1所述的换向装置(100)，其进一步包括耦合于所述变压器装置(130) 的至少一个整流器(112/142)。
3.如权利要求1所述的换向装置(100)，其中所述变压器装置(130)包括静止部分 (162)，其包括耦合于所述电力转换器(110)的多个初级绕组(136)，所述可旋转部分(164) 包括关于所述多个初级绕组能旋转的多个次级绕组(140)，所述多个次级绕组耦合于至少一个整流器(142)。
4.如权利要求3所述的换向装置(100)，其中所述变压器装置(130)包括至少一个初级侧散热装置(168)，其耦合于所述电力转换器(110)和所述多个初级绕组(136)中的至少一个；和至少一个次级侧散热装置(169)，其耦合于所述整流器(14 和所述多个次级绕组 (140)中的至少一个。
5.如权利要求1所述的换向装置(100)，其中所述变压器装置(130)至少部分限定杂散电感，所述换向装置进一步包括至少一个电容装置(1M/126/U8)，其与所述杂散电感配合以确定所述电力转换器(110)的开关频率。
6.如权利要求1所述的换向装置(100)，其中所述变压器装置(130)的所述可旋转部分(164)能旋转地耦合于可旋转负载装置(150)，并且其中所述负载装置由所述变压器装置供电，从而引起所述变压器装置的所述可旋转部分进行旋转运动。
7.如权利要求1所述的换向装置(100)，其中所述电力转换器(110)包括下列中的至少一个半桥整流器(112)，其耦合于单相和三相交流电(AC)源(108)中的至少一个；全桥整流器(112)，其耦合于单相和三相AC源(108)中的至少一个；半桥逆变器(120)，其耦合于所述变压器装置(130)内的多个初级绕组(136)；和全桥整流器(120)，其耦合于所述变压器装置内的多个初级绕组。
8.一种电力系统(100)，其包括耦合于电流源的大致上静止的初级部分，所述大致上静止的初级部分包括电力转换器；和可旋转次级部分，其电磁耦合于所述大致上静止的初级部分。
9.如权利要求8所述的电力系统(100)，其中所述大致上静止的初级部分和所述可旋转次级部分限定旋转变压器。
10.如权利要求9所述的电力系统(100)，其中所述电力转换器耦合于所述旋转变压器内的多个初级绕组。
全文摘要
本发明涉及包括电力转换器和旋转变压器的电力系统及其组装方法。换向装置(100)包括变压器装置(130)，其包括可旋转部分(164)和操作地耦合于该变压器装置的电力转换器(110)。
文档编号H02M5/458GK102570849SQ20111042705
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者K·基尔伯格 申请人:通用电气公司