专利名称：电压变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电学领域。具体地说，本实用新型涉及用于将第一 AC电压变换成第二 AC电压的电压变换器(voltage inverter)和具有电压变换器的机柜单元。
背景技术：
例如，电压变换器用于工业传动配置，包括整流器段、DC链路段和变换器段，由主电压供给向其提供第一 AC电压，并将第二 AC电压提供给负载、例如电机。通常，由于其设计的简化，包括适合于生成5电平相到相输出电压的三电平分支 (leg)(或只是三电平变换器)的变换器段用于例如给电机提供AC电压。然而，这可导致电机电流的高谐波失真。
实用新型内容本实用新型的一个目的是提供一种用于将第一AC电压变换成第二AC电压例如用于具有低谐波失真的工业传动配置的电压变换器。本实用新型的该目的通过独立权利要求的主题解决，其中另外的实施例结合在从属权利要求以及如下描述中。本实用新型的第一方面涉及用于将第一 AC电压变换成第二 AC电压的电压变换器。每个AC电压可包括多于一个相，例如三个相。根据本实用新型的实施例，电压变换器包括三个相单元。输入变压器(input transformer)可以是电压变换器的一部分或者在外部。每个相单元包括整流器段、DC链路段和具有两个三电平分支(即H桥)的变换器段。变换器段的分支可适合于生成三个不同的电压，例如+DC、0和-DC，其中DC是DC链路中的电压。H桥可适合于生成5个不同的分支到分支电压电平。输入变压器适合于将第一 AC电压变换成中间AC电压，所述中间AC电压被提供给整流器。整流器适合于将中间AC电压整流成DC电压，所述DC电压被提供给DC链路。可以由变压器对所述中间AC电压相对彼此进行相移，以便实现第一 AC电压上的
最小谐波。变换器段的第一分支提供第二 AC电压的相，并且变换器段的第二分支互连，使得获得第二 AC电压的相的九电平相到相输出电压。用这种方式，电压转换器适合于通过使用具有三电平输出的变换器提供相对平滑的第二 AC电压。电压变换器可能需要用于工业传动配置的最小工程设计。电压变换器可以任何输出频率操作，优选在OHz与75Hz之间。还提供75Hz以上的输出频率，例如IOOHz或高达几百Hz。电压变换器可提供任何输出电压，例如范围从6kV到6. 9kV。还提供在IkV与几十 kV之间的输出电压。
3[0015]电压变换器可传递高达几十MVA的输出功率。可相对于输出功率调整冷却机制。 一般而言，相比空气冷却电压变换器，水冷却电压变换器可能能够传递更高的输出功率，例如用空气冷却最高达7MVA，而用水冷却在5MVA以上。电压变换器的相单元是一样的。电压变换器可提供9电平相到相输出电压。因此不需要功率半导体的串联或并联。相反，例如每个变换器段的一个分支(其可以是H桥)连接到公共星形点。这允许相对彼此切换三电平变换器，并获得9电平相到相输出电压。包含用于改进输出电压波形的输出滤波器。每个相单元的整流器可以形成朝向网络的36脉冲整流器，得到由于高脉冲数引起的高功率因数和低网络谐波。功率因数可大于0. 95。在错误的情况下，防火机制可连接通过电压变换器的所有半导体。一部分电容器可经由串联电感耦合到DC总线，以便在启动防火机制之后限制来自DC链路电容器的第一电流峰值。一旦发生短路，非熔丝保护可确保通过使用它们的过载能力将系统中的残留能量分布在健康的电气部件上。来自电气消耗装置(electric consumer)的输入功率可由变换器半导体在输入端短路，并且不能到达其它电气部件并且不能损坏其它电气部件。电压变换器还可具有集成到整流器模块中的晶闸管撬棍(thyristor crowbar) 0 晶闸管撬棍可同时激活并使整流器短路以防止进一步损坏电压变换器。随后，可断开电压变换器的电力网供电。由此，当发生短路时防火机制可首先响应，且随后断开电力网供电。为了检测到短路，可以在电压变换器中安装无源板。在短路的情况下，无源板可立即启动点火。可通过测量整流器中间连接与DC链路中性点之间的电压来进行整流器监控。在整流二极管坏了的情况下，启动跳闸，使得将断开电力网供电。还可通过监控相单元公共点上的电压来提供接地故障保护。如果发生错误，则电压增大并启动跳闸。保护继电器可用于监控变压器。在故障的情况下，相电流之和不等于0，并且保护继电器断开电力供给。保护继电器可提供三种类型的保护，它们是由于过载和故障引起的检测过电流、响应于短路电流和响应于高短路电流。根据本实用新型的一个实施例，输入变压器包括一个或多个绝缘的初级绕组和六个绝缘的次级绕组以便将中间AC电压进行相移。输入变压器可是干式的或充油的。每两个相邻次级绕组之间的相差可以不同或相等。例如，两个相邻次级绕组之间的相差可以是10°。输入变压器可以是模块化的，可耦合到相单元。根据本实用新型的一个实施例，输入变压器可包括两个绝缘的初级绕组和两对绝缘的次级绕组，其中每对包括三个绝缘的次级绕组，并且其中每个初级绕组被分配给一对绝缘的次级绕组。根据本实用新型的另一个方面，电压变换器可包括主断路器，适合于将电压变换器连接到提供第一 AC电压的电力网供电，并在检测到电压变换器中的错误之后中断第一AC电压。主断路器可在故障情况下反应，遵循防火机制，并可将电压变换器与电力网供电断开。根据本实用新型的一个实施例，电压变换器包括充电电路，该充电电路适合于给 DC链路的电容器充电。可在闭合主断路器之前给DC链路的电容器充电以便保持低突入电流(inrush current)0充电电路可包括连接到每个相中性点和所有三个相的公共轨道星形点的三相变压器。这可允许使用变换器二极管作为整流器给DC链路电容器充电。根据本实用新型的一个实施例，至少部分所述相单元或全部相单元(例如变换器段、DC链路段和/或整流器段)可设计为模块。例如在发生错误后，相单元模块可以是可撤回模块化的且可替换模块化的 (retraced and replaced modular)。因此，电压变换器可包括滑轨以便容易地抽出相单元模块。根据本实用新型的一个实施例，电压变换器的每个相单元包括两个变换器，它们并行地连接到DC链路。根据相单元的输出功率可使用第二变换器。两个变换器都可硬并联到DC链路并在分支处互连或重新连接到例如电机相。第二变换器可扩展相单元的输出功率。根据本实用新型的一个实施例，电压变换器是空气冷却的。根据本实用新型的一个实施例，电压变换器是水冷却的。空气冷却的电压变换器和水冷却的电压变换器都可还包括热交换器以传送来自电压变换器附近的暖空气。本实用新型的另一方面涉及包括上面和下面所描述的电压变换器的机柜单元 (cabinet unit)0变压器可以是电压变换器的一部分，并且可设置成与转换器机柜(converter cabinet)在一行。变压器还可单独设置，或者可由外部供应商提供。根据本实用新型的一个实施例，机柜单元包括至少一个门，该至少一个门配备有螺线管互锁，使得只要电压变换器通电所述至少一个门就不能打开。电压变换器还可包括外壳、例如用于提供电机转矩和速度性能的控制系统、例如在同步电机的励磁(excitation)电路的直流情况下用于有刷励磁和在同步电机的励磁电路的交流情况下用于无刷励磁的励磁单元以及同步旁路单元，所述同步旁路单元用于将异步电机人工或自动转到固定频率线并返回到压力变换器而只有电机的非常短电力中断或者甚至没有电力中断。电压变换器还可包括输出断开器以在运转失常的情况下将电气消耗装置(例如电机)从电压变换器断开。例如可通过曲柄(crank)人工操作断开器。而且，电压变换器可适合于通过诊断软件(例如DriveWindow和DriveMonitorTM) 得到本地和/或远程维护和/或监控。
[0051]在下文将参考附图描述本实用新型的示范实施例。图1例证了根据本实用新型的示范实施例具有主断路器、输入变压器、负载和电压变换器的工业传动配置。图2例证了根据本实用新型的示范实施例电压变换器的相单元的具有两个三电平分支的DC链路和变换器段。图3例证了根据本实用新型示范实施例的电压变换器的滤波器的示例。图4例证了根据本实用新型示范实施例的电压变换器的DC链路的充电单元。图5例证了根据本实用新型示范实施例的两个变换器的硬并联。图6例证了根据本实用新型示范实施例用于冷却空气冷却的电压变换器的空气流的示意图。图7例证了根据本实用新型示范实施例的电压变换器的输入变压器。图8例证了根据本实用新型示范实施例的电压变换器的输入变压器。图9例证了根据本实用新型示范实施例的空气冷却的电压变换器(没有输入变压器)的内部的立体图。图10例证了根据本实用新型示范实施例的水冷却的电压变换器(没有输入变压器)的内部的立体图。
具体实施方式
图1描述了根据本实用新型示范实施例的电压变换器100，包括连接到该电压变换器的三个相单元110和输入变压器120。每个相单元110包括整流器段130、DC链路段 140和具有滤波器170的变换器段150。每个变换器150的第一分支151经由滤波器170和相153连接到负载190以便提供第二 AC电压107。变换器150的第二分支152互连。图1描绘了适合于向输入变压器120提供第一 AC电压103的主断路器180，输入变压器120将第一 AC电压变换成中间AC电压105以提供给整流器130。图2例证了 DC链路140和变换器150 (即H桥)。第一三电平分支151连接到负载190。第二三电平分支152与其它相单元的第二分支152 —起连接到公共星形点158。三电平分支的中性点154连接到DC链路的中性点144。由此，相对彼此切换相单元的变换器段的三电平分支允许获得5电平分支到分支输出电压。另一方面，相对彼此切换电压变换器的5电平相单元允许获得9电平相到相输出电压。图3例证了滤波器170，每个都连接到变换器150的第一分支151，并共同连接到地 310。电流传感器300适合于监视通过这些相到电气消耗装置的电流。图4例证了用于给DC链路的电容器充电的充电电路400。充电电路包括连接到每个相中性点144和公共轨道星形点158的三相变压器410。充电电路400包括用于将从三相变压器410到中性点144的连接断开的高压继电器 420。图5例证了并联到DC链路140并重新连接在可以是电机的电气消耗装置190的相的两个变换器150。图6例证了容纳(house)上面和下面所描述的电压变换器100的机柜单元600中的空气流610。电压变换器布置在外壳602中，外壳602包括配备有空气过滤垫620以便防止灰尘和颗粒进入机柜单元的进气口 605。可出现警告如果空气过滤垫620被污染了，并且如果污染的空气过滤垫未被清洁或替换，则电压变换器停止操作。空气首先流过其上安装了温度敏感半导体的热沉630，例如整流器段130和/或变换器段150。在背部，部分空气在离开外壳602之前经由另外安装在顶盖的冷却元件650冷却电压变换器的无源部件640，冷却元件650可以是冷却风扇或热交换器。冷却元件650可包括噪声降低出口。根据电压变换器的输出功率，多个冷却元件或冗余的冷却元件可安装到外壳上，当其它冷却元件之一停止操作时，冗余冷却元件启动。电压变换器还可通过水冷却回路冷却。附加地，可安装作为热交换器或风扇的冷却元件，用于外壳602内部或之上的空气循环和/或热耗散。上面和下面描述的冷却机制可以是恒温控制的。图7例证了通过其初级绕组121连接到电力网供电103并且通过其六个次级绕组 122连接到整流器130和DC链路140的输入变压器120。初级绕组121被分配给相对于彼此进行相移的六个次级绕组122。图8例证了具有两个初级绕组121和两对125次级绕组的备选输入变压器120，每对125包括三个次级绕组122，其中每个初级绕组121被分配给一对125次级绕组。图9示出了组装有三个相单元110的空气冷却的电压变换器的可能排齐 (line-up)。相单元一个在另一个之上地排齐，并且用机械方式连接到控制和终端机柜。相单元包括整流器段130、变换器段150和DC链路段140。电压变换器的部分、例如DC链路段可安装不止一次以提高输出功率。终端段(terminal section)连接到电压变换器。控制段容纳用于控制转换器的设备。在终端段中，输入变压器电缆和负载电缆连接到电压变换器。电缆入口可以从顶部或从底部进入终端段。在顶盖上，三个标准风扇901和一个冗余风扇经由冗余封盖(flaps)连接到电压变换器机柜。当风扇不运行时冗余封盖中断空气流动。图10示出了水冷却的电压变换器的可能排齐。在终端段1004中，输入变压器电缆和负载电缆可连接到电压变换器。对于每个相单元110，整流器段130、DC链路段140和变换器段150水平排齐。这些相单元的部分、例如变换器段和整流器段可设计成模块。附加地，部分可安装不止一次以提高输出功率。控制机柜1001容纳用于控制转换器、例如在变换器单元中切换IGCT的设备。水冷却单元机柜1002容纳用于冗余目的的两个泵。在顶盖上，可以安装热交换器1003以传送来自电压变换器附近的暖空气。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中阐述的某些度量的纯粹事实不指示不能有利地使用这些度量的组合。
权利要求1.一种用于将第一 AC电压(103)变换成第二 AC电压(107)的电压变换器(100)，包括三个相单元(110)； 输入变压器(120)；其中每个相单元(110)包括整流器段(130)、DC链路段(140)和变换器段(150)； 其中所述输入变压器(120)适合于将所述第一 AC电压变换成中间AC电压(105)以提供给所述整流器(130)；其中所述整流器(130)适合于将所述中间AC电压整流成DC电压以提供给所述DC链路；其中所述变换器段(150)的第一三电平分支(151)提供所述第二 AC电压的相(153)， 并且所述变换器段(150)的第二三电平分支(15 互连，使得获得所述相(15 的九电平相到相输出电压；其中由所述输入变压器将所述中间AC电压相对彼此相移，以便实现所述第一 AC电压上的最小谐波。
2.如权利要求1所述的电压变换器(100)，其中所述输入变压器(120)包括一个绝缘的初级绕组(121)和六个绝缘的次级绕组 (122)。
3.如权利要求1所述的电压变换器(100)，其中所述输入变压器(120)包括两个绝缘的初级绕组(121)和两对(12 绝缘的次级绕组(122)；其中每对(12 包括三个绝缘的次级绕组(122)； 其中每个初级绕组(121)分配给一对(12 绝缘的次级绕组。
4.如权利要求1所述的电压变换器(100)，还包括主断路器(180)，所述主断路器 (180)适合于在检测到所述电压变换器中错误之后中断所述第一 AC电压。
5.如权利要求1所述的电压变换器(100)，还包括充电电路(400)， 其中所述充电电路适合于给所述DC链路的电容器充电。
6.如权利要求1所述的电压变换器(100)， 其中所述相单元(110)设计成模块。
7.如权利要求1所述的电压变换器(100)，其中每个相单元(110)包括具有两个三电平分支(150)的变换器段； 其中所述变换器段并联到所述DC链路(140)。
8.如权利要求1所述的电压变换器(100)， 其中所述电压变换器是空气冷却的。
9.如权利要求1所述的电压变换器(100)， 其中所述电压变换器是水冷却的。
10.一种机柜单元(600)，包括如权利要求1所述的电压变换器(100)。
11.如权利要求10所述的机柜单元(600)，还包括至少一个门；其中所述门配备有螺线管互锁，使得只要所述电压变换器通电所述至少一个门就不能打开。
专利摘要本实用新型的名称为电压变换器，提供了用于将第一AC电压(103)变换成第二AC电压(107)的电压变换器(100)，其中电压变换器包括可以是电压变换器一部分的三个相单元(110)和输入变压器(120)。输入变压器适合于将第一AC电压变换成中间AC电压以提供给整流器。每个相单元包括整流器段(130)、DC链路段(140)和变换器段(150)。变换器段的第一三电平分支(151)提供第二AC电压的相(153)，并且变换器段的第二三电平分支(152)互连，使得获得相(153)的九电平相到相输出电压，其中中间AC电压可相对彼此由输入变压器相移，以便实现第一AC电压上的最小谐波。
文档编号H02H7/10GK202197222SQ20112026860
公开日2012年4月18日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者J·劳兴施泰因, R·卡吉纳德 申请人:Abb技术有限公司