一种转换器系统的制作方法

本发明涉及电转换器系统中的谐波消除领域。特别地，本发明涉及一种具有特殊变压器的变换器系统，用于最小化输入谐波，特别是当应用转换器单元级的冗余时。

背景技术：

一种特殊类型的转换器系统是所谓的级联h桥转换器系统，其中在其输出端串联连接的转换器单元在其输入端连接到变压器的次级绕组。例如，这种转换器系统用于海底驱动器，其中转换器系统可以在水下设置在海上，例如靠近泵或类似设备。这种海底系统需要高可靠性和长维护时间（长达5至7年），因此组件的最小化和冗余的应用可能是关键问题之一。

当在这种级联h桥变换器系统中使用多脉冲变压器时，该变压器具有提供不同相移的若干次级绕组，这可以允许获得低电流总谐波失真（thd）值。

例如，us5,625,545和ep0913918a2示出了转换器系统，其中一相的转换器单元连接到次级绕组，为每个转换器单元提供不同的相移。

然而，开发在变压器的次级绕组上提供的多个三相系统之间产生良好限定的相移角的多脉冲变压器可能需要应用复杂的绕组策略（zig-zag，poligon等）。由于初级和次级绕组之间的不同耦合因子以及次级绕组之间的耦合，这种绕组策略可能导致不同的次级相关短路阻抗。耦合因子和每个次级绕组的等效短路阻抗的这种差异可导致变压器初级侧上的无效谐波消除，与每个dc链路相关联的不同dc链路电压以及dc链路电容器的不同谐波电流。因此，克服了这些问题，随着次级绕组数量的增加，这些问题变得更加复杂。

即使具有大量的转换器单元和相应的变压器次级绕组，电流谐波消除也可能实际上受到变压器设计（绕组之间的耦合因数，匝数差等）的限制。

另外，在转换器单元中的一个发生故障的情况下，当提供转换器单元级的冗余时，转换器单元的输入可以与其对应的变压器次级断开，并且转换器单元的输出可以短路。在这种情况下，即使在标称条件下，转换器操作也可以继续。而且，即使转换器单元完全可操作，也可以应用单元待机策略（n+0操作）以最小化转换器系统的总损耗并增加转换器系统的可靠性。然而，在一个或多个与变压器断开的有缺陷的变换器单元的情况下，与完全操作相比，多脉冲变压器的有效次级绕组数量减少，因此可能影响谐波消除，

ep2587658a2公开了一种转换器系统，包括：多个转换器单元，每个转换器单元适于将ac单元输入电压转换为单元输出电压;具有多个次级绕组的变压器，每个次级绕组与一个变换器单元连接并提供一个变换器单元的ac单元输入电压。次级绕组布置成至少两组，并且连接到一组的转换器单元串联连接。

在us6,229,722b1中，公开了一种通用转换器系统。

此外，ep2782240a2公开了一种多电平逆变器和电池，其中电池开关电路选择性地与电池输出断开，并且旁路闭合以连接第一和第二电池输出端子以选择性地绕过功率级。多级逆变器，具有可选的ac输入开关，以在旁路期间选择性地断开ac输入与电池开关电路的连接。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种简单且稳健的转换器系统，即使在一个或多个转换器单元发生故障和/或提供转换器单元级冗余的情况下，该转换器系统也具有低thd。

该目标通过独立权利要求的主题实现。从从属权利要求和以下描述中显而易见其他示例性实施例。

转换器系统技术领域本发明涉及一种转换器系统，例如基于级联h桥转换器，其连接到多脉冲变压器。转换器系统可以是

适于操作海底的，例如可以包括承受海底压力和/或相对于海水密封的壳体。转换器系统可以是中压系统，其例如可以适于处理大于1kv的电压。

根据本发明的实施例，转换器系统包括多个转换器单元，每个转换器单元适于将ac单元输入电压转换为单元输出电压;以及具有多个次级绕组的变压器，每个次级绕组与一个变换器单元连接并提供一个变换器单元的ac单元输入电压。次级绕组布置成至少两组，并且连接到一组的转换器单元串联连接;其中变压器被设计成使得不同组的次级绕组提供相对于彼此相移的ac单元输入电压，使得由转换器单元产生的高次谐波相互抵消。

必须理解的是，由于每个次级绕组与一个转换器单元相关联，所以该组次级绕组也可以被视为一组转换器单元。这些次级绕组/转换器单元组可以用于提供转换器系统的输出电压的相位，或者可以串联连接以提供一个输出相位。

由于转换器系统包括为不同组提供相移ac转换器单元电压的次级绕组，因此可以降低整个系统的thd。另外，为了保持变压器复杂性降低，每组转换器单元仅可以与相对于其他组的一个相移或仅具有两个相移相关联。同样在这种情况下，即使在冗余单元与变压器断开的情况下，也可以降低转换器系统的thd。

根据本发明的一个实施例，在每组k≥3个转换器单元的情况下，一组的次级绕组提供具有至多两个不同相移的ac单元输入电压，以便尽管数量或相位更高，但最小化变压器复杂性。可以应用换档。

根据本发明的实施例，每组转换器单元包括至少一个冗余转换器单元。一组中的一个或多个或所有转换器单元可以是冗余的，即可以与组断开连接或连接到组，而转换器系统仍然可操作。冗余可以在单元级别应用。

特别地，可以选择不同组的不同变压器次级绕组之间的相移角，以在转换器系统与所有转换器单元一起操作时保证足够的变压器输入电流thd。

在单元级别（n+1操作）提供冗余，但是当在一些不同的驱动阶段（n+0操作）上需要对一些非工作和/或故障的转换器单元应用冗余概念/策略时。此外，通过使用一组中具有相同相移角的一个或多个次级绕组，可以最小化变压器的设计复杂性。这也可以在短路阻抗方面最小化变压器的次级绕组之间的不对称性。

因此，可以将不同的冗余概念应用于转换器系统。例如，1,2,3等可以考虑每组冗余转换器单元（n+1操作，n+2操作，n+3操作等）。

此外，还可以将所有转换器单元用于正常操作（n+0操作）以节省转换器中的损耗并最小化应力/增加转换器的可靠性。在这种情况下，即使当一个或多个转换器单元发生故障时，thd也可以保持在低水平。

特别是对于具有这种转换器系统的海底驱动器，其中可靠性可能是关键问题，当使用模块化转换器单元时（例如，具有n+1个操作冗余应用），转换器系统可以提供整个整流-反转级的冗余。在细胞水平）。这些模块化转换器单元可包括中压组件。

变压器可以具有一个初级绕组和一个用于初级绕组和次级绕组的公共磁芯。由于初级绕组处的变压器的输入以及次级绕组的输出可以是多相的（特别是三相），所以初级绕组和/或次级绕组每个可以具有多个单相绕组。

根据本发明的实施例，该系统包括m组次级绕组，m是整数，并且不同组的ac单元输入电压之间的相移是607m。在这种情况下，组提供转换器系统的输出的相位，m通常可以是3.在m=3的情况下，不同组的ac单元输入电压之间的相移可以是20°。

必须理解的是，在这种情况下，当在一组的ac单元输入电压之间也存在相移时，在组之间也可能存在不同于607m的相移。

根据本发明的实施例，不同相移的数量是m的倍数。当计数由次级绕组提供的所有可能的相移（独立于组）时，可以存在m，2m，3m等。相移在每组仅有一个相移的情况下，相移的总数可以是m.在每组两个相移的情况下，相移的数量可以是2m。

一组的次级绕组可能具有相同的相移。如上所述，每组可能只有一个相移。在这种情况下，一组的ac输出电压都是同相的。

根据本发明的实施例，一组次级绕组的ac单元输入电压之间的相移是30°。在每组两个不同的相移的情况下，每组可以有两种类型的次级绕组，其提供在这两种类型之间相移30°的ac单元输入电压。

根据本发明的实施例，每组包括两个，三个或四个次级绕组和转换器单元。对于中压半导体，每组仅可使用少量转换器单元来产生中压转换器所需的输出电压。系统。然而，根据输出电压，也可以应用更多数量的次级绕组和转换器单元。

总之，次级绕组布置在m组次级绕组上（例如，逆变器相数m≥3），其中每组次级绕组包含k个次级绕组（例如，每个转换器级的转换器单元的数量k≥2））。相移角度θ的数量x可以被选择为m个组中的多个y（x=y*m），其中相移角度的数量将被分配给m个次级组中的每一个。绕组是y（y=1或y=2）。一组的次级绕组之间的相移可以是

并且相邻的次级绕组组之间的偏移可以是θ1=607m。

根据本发明的实施例，一组的转换器单元串联连接，使得两个直接连接的转换器单元在其ac单元输入电压中具有相同的相移。例如，在每组三个转换器单元的情况下，两个相邻转换器单元可以不具有相移，而第三转换器单元相对于两个相邻转换器单元相移。在每组四个转换器单元的情况下，可能存在两对相邻的转换器单元，每对转换器单元不进行相移，但是这些对被相移。

根据本发明的实施例，一组的转换器单元串联连接，使得两个直接连接的转换器单元在其ac单元输入电压中具有不同的相移。例如，不同相移的转换器单元可以相对于彼此交替。

根据本发明的实施例，每组串联连接的转换器单元为转换器输出电压提供相位，即，该组的一端可以提供转换器系统的输出。此外，串联连接的转换器单元组可以是星形连接的或者与它们的另一端是三角形连接的。

根据本发明的实施例，串联连接的转换器单元组串联连接以提供一个输出相位。也可能的是，转换器系统仅具有一个输出相ac或dc，其由串联连接的所有组的所有转换器单元产生。

根据本发明的实施例，每个转换器单元包括旁路开关，例如当转换器系统发生故障时用于和/或绕过转换器单元。为了提供冗余，转换器系统可以将每个旁路转换器单元与其组断开。

根据本发明的实施例，ac单元输入电压是多相（例如三相）电压。即，每个次级绕组可以包括用于每个相的单个绕组。

此外，ac电池输出电压可以是单相电压，并且转换器输出电压可以是多相（例如三相）电压。来自次级绕组的多相电压可以通过相应的转换器单元转换成（不同频率的）单相电压，其被添加到转换器输出电压的一个相位。

根据本发明的实施例，每个转换器单元可以包括用于整流ac单元输入电压的（6脉冲）整流器，每个转换器单元可以包括dc链路和/或每个转换器单元可以包括（h桥）逆变器。用于提供ac电池输出电压。转换器单元可以是间接转换器单元，其中整流器连接到次级绕组并且输出可以串联连接的逆变器。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的转换器系统；

图2示意性地示出了图1的转换器系统的转换器单元；

图3示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统；

图4示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统；

图5示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统；

图6示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统；

图7示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统；

图8示意性地示出了根据本发明另一实施例的转换器系统。

图中：10转换器系统，12输入，14输出，16负载，18变压器，20个初级绕组，22次级绕组，24次输出的次级绕组，26转换器单元，28转换器单元输出，30个细胞模块，32个单元控制器，34整流器，36直流链路，38逆变器，40断开开关，42旁路开关，a，b，c输出相位，gi，g2，g3组，01,02,03,04,05,06相移。

具体实施方式

图1示出了级联h桥转换器形式的转换器系统10，其可以用于海底驱动，例如以提供二次负载，例如泵和压缩机，而没有再生要求。

转换器系统包括可以连接到电网的三相输入12和具有相a，b，c的三相输出14，其可以连接到电负载16，例如电动机。

输入端12连接到具有初级绕组20和多个次级绕组22的变压器18.每个次级绕组22具有三相输出24，其向转换器单元26提供ac单元输入电压。对于每个相a，b，c，次级绕组22和转换器单元26被分组为三组gi，g2，g3。每组的转换器单元26与它们的单相输出28和每组gi串联连接。串联连接的转换器单元26的g2，g3在一端提供转换器系统10的输出14的相a，b，c。在另一端，转换器单元的组gi，g2，g3是星形的连接的。

图2示出了转换器单元26.转换器单元26的组件可以布置在转换器单元模块30上，转换器单元模块30还可以包括控制组件32，例如本地单元控制器，门单元和/或光纤连接。

为了将来自相应的次级绕组22的ac电池输入电压转换成输出电流，每个转换器单元26包括无源6脉冲整流器34，dc链路36和具有h桥的逆变器38。整流器34的二极管和逆变器38的igbt可以是中压半导体（例如额定为4.5kv）。

此外，为了绕过转换器单元26，每个转换器单元26可以包括用于将转换器单元26与对应的次级绕组22断开的开关40和用于在其输出28处绕过转换器单元22的旁路开关42。

基于使用中压半导体的级联h桥转换器的转换器系统10在海底驱动器的复杂性，可靠性和性能方面被认为是良好的折衷。对于6.6kv范围内的输出电压，转换器系统10可包括每相4个转换器单元26。

为了避免和/或最小化多脉冲变压器的上述问题，当在转换器单元级施加冗余时，次级绕组不对称性和电流thd增加，变压器18以特殊方式设计。次级绕组22在ac电池输入电压中提供相移θ1至θβ，其中在次级绕组22的组gi，g2，g3之间存在相移，并且在一个组gi内的次级绕组之间存在相移，g2，g3。

必须注意的是，可以相对于未移位（三相）电压提供绝对相移θ1到θβ，其中可以计算两个次级绕组22之间的相对相移作为相应的差值。绝对相移。可以将所有绝对相移θ1到θβ和相对相移提供为相移角，例如以度为单位。

在图1的情况下，对于所有输出相（在n+1操作的情况下），次级绕组的数量是12，并且如果在所有阶段中应用n+0操作，则其中的9个可以是可操作的。在以下情况下可能会应用冗余操作：

一个电池发生故障并且转换器系统10在没有该转换器单元26的情况下工作。因此，可以最大程度地保持具有11个操作转换器单元26的转换器输出电压能力。

在一个单元故障之后，处于不同输出相a，b，c的另一个转换器单元26发生故障并且转换器系统10在没有这两个转换器单元26的情况下工作。因此，可以保留具有10个操作转换器单元26的转换器输出电压能力。最大。

每相a，b，c一个转换器单元26发生故障，并且转换器系统10在没有这三个转换器单元26的情况下工作。因此，转换器可以维持操作。

一个转换器单元26发生故障，因此所有相a，b，c被重新布置成与每相的相同数量的转换器单元26一起工作（每相a，b，3个转换器单元26）。

应用每相a，b，c的3个转换器单元26，其中每个相a，b，c的一个转换器单元26被配置为待机模式），以便最小化转换器功率损耗，相应的附加热应力和提高转换器的总可靠性。

由于12个次级绕组22都具有不同的相移，理想情况下可以施加多达72个脉冲。然而，在这种情况下实际的谐波消除不容易实现。此外，这将意味着变压器设计和制造的复杂性增加，以实际提供12个三相次级绕组之间所需的12个相移。另外，在n+0操作的情况下仅具有至多9个转换器单元26的操作可能对这种变压器18的谐波消除产生影响。

因此，变压器18的12个次级绕组22的布置和设计考虑了可能的n+1（12个转换器单元）和n+0（低至9个转换器单元26）的操作，使得在任何操作模式中当前的thd在变压器输入端12上保持低于所需值。特别地，考虑在所有转换器相a，b，c中具有任何配置的非工作转换器单元26的n+0模式。应当注意，就thd而言，具有9个转换器单元26的情况比具有10和11个转换器单元26的情况更差。因此，在下文中，仅考虑具有9个转换器单元26的情况。

图1示出了一种解决方案，其中12个次级绕组22以如下的6个相移θx排列：

每个相a，b，c的4个转换器单元26由4个三相次级绕组22提供，所述3个次级绕组22仅布置有2个相应的相移角（θ1和θ2），好像它们将提供2次12脉冲整流器，（θ1-θ2=30°相当于12脉冲变压器的经典dy配置。这意味着对于每个相a，b，c，在每两个次级绕组22具有相同的相移角（θ1-θ2=θ3-θ4=θ5-θ6）时，仅需要4个相应的次级绕组22之间的两个相移。=30°）。

具有相同相移角的次级绕组22实际上可以与导线之间的相应绝缘一起受伤，以使次级绕组22尽可能相同，以使绕组不对称性最小化。

与一个相a，b，c相关的4个次级绕组22之间相对于与另一个相a，b，c相关的4个次级绕组22的相移对应于用于预期的18个脉冲整流器的变压器18的角度。（θι=-20°，θ3=0°，θ5=20°）。

利用次级绕组22的这种配置并且从当前thd的观点来看，在n+1操作中，与每个相a，b，c相关的4个次级绕组22表现为用于12脉冲整流器的变压器，并且12个次级绕组22作为36脉冲整流器的变压器。在n+0操作的情况下，每个相a，b，c的3个工作次级绕组22不提供与用于12脉冲整流器的变压器等效的操作，而是提供具有减小的5和0的6脉冲整流器的改进操作。7次谐波。对于所有三个相a，b，c，来自转换器系统10的输入12处的当前thd的行为始终是用于18脉冲整流器的变压器的行为，无论所采用的转换器单元配置如何（诸如随机旁路转换器单元）。

另外，选择12个次级绕组22的相移θ1到θβ以最小化不同3相系统之间的数量或所需的相移角度，这可有助于简化绕组的机械设计，从而最小化短路。它们之间的阻抗不对称。

图1仅示出了当在n+1和n+0操作模式下操作时，如何布置相移θ1到θβ以实现期望的thd的示例。

下面的图3至8示出了转换器系统10的其他配置，其中应用了上述原理。注意，为了清楚起见，省略了次级绕组22和转换器单元26之间的连接。在每个次级绕组22中，描绘了对应的绝对相移θx。每个转换器单元26还示出了相应的绝对相移θx和它所属的组gi，g2，g3。

在图3中，示出了具有四个，三个和两个次级绕组22和每个相a，b，c（或组gi，g2，g3）的转换器单元26的配置，其具有两个不同的相移。阶段（或组）。注意，在图3中，属于不同相移的转换器单元26以交替方式串联连接，而图1中的属于相同相移的转换器单元26在该系列中是相邻的。

通过每相a，b，c或组gi，g2，g3仅具有一个相移，还可以进一步减少相移的数量。图4中，示出了具有四个，三个和两个次级绕组22和每个相a，b，c（或组gi，g2，g3）的转换器单元26的6,8个配置，其仅具有一个相移每个阶段（或组）。

必须注意的是，上述讨论也适用于次级绕组22和转换器单元26的组gi，g2，g3，其不与转换器系统10的输出相a，b，c直接相关。例如。图7示出了组gi，g2，g3串联连接以形成单相输出14.图8示出组gi，g2，g3可以是三角形连接的。在图1,3,4,5和6中，基团gi，g2，g3在一端星形连接以形成相a，b，c。

通常，以下规则适用于图1和3至8中所示的所有配置：

次级绕组22分组（例如，gi，g2，g3）次级绕组22，其提供串联连接的转换器单元26。对于m个输出相数（对于三相a，b，c，m=3），将存在m组次级绕组22。

每组包含k≥2个转换器单元26，（k是偶数或奇数），因此至少可以应用每组单元级别的冗余n+1（也可以应用更高的冗余级别，n+1，n+2等，当存在相应数量k的转换器单元26）时。

相移数量θx被选择为m个组的倍数y（x=y*m）。对于m=3，相移的数量x被认为有效地限制为最大x=6，以便最小化变压器设计的复杂性和/或最小化不同次级之间的短路阻抗不对称性。

因此，每个次级绕组22的相移θx的最大数量x实际上可以限制为y=1,2，尽管理论上y可以是更高的整数值，只要变压器复杂性及其含义是可承受的。

分配给m组次级绕组22中的每一组的相移数量θx是y.每组的次级绕组22之间的相移差（位移）是θγ=607y。如果y是1，θγ=60°但只有一个相移，那么在这种情况下实际上θγ将不适用。

选择相邻的次级绕组组22之间的相移位移，以便在冗余转换器单元26丢失的情况下（在单元级别应用n+0冗余），整个整流器（基于整流器）转换器系统10的图1）至少表现为m*6脉冲整流器。对于m=3，总整流器将在最坏的情况下表现为18脉冲整流器（对于m=4，至少作为24脉冲整流器）。因此，相邻的次级绕组组之间的相移差是θχ=607m。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的;本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图，公开内容和所附权利要求，本领域技术人员和实践所要求保护的发明可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。