多相电力驱动器及其功率单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多相电力驱动器领域，更特别地，涉及具有电容器组电压监控的多相 电力驱动器。
【背景技术】
[0002] 级联型多相电力驱动器在工业上用来向交流电动机提供可变电力。这些相同的驱 动器可以用在不具体涉及电动机但需要可变输出电压或频率的其他应用中。典型的驱动器 具有交流输入电源和一些类型的转换装置，转换装置常使用固态器件，用于将固定的交流 输入电压转换成可变电压和/或可变频率的输出。美国专利5, 625, 545中描述了这样一种 类型的驱动器，通过引用的方式将该专利合并于此。该专利描述了被用作驱动器的电源，该 电源使用若干被布置成产生三相交流输出的功率单元。这样的多个串联的功率单元可用于 提供比单个功率单元更高的电压输出。在这些功率单元中，整流器的直流电流通常与输出 变流器的直流电流匹配，然而瞬时纹波电流通常不匹配。优选地，提供平滑电容器来输送差 分纹波电流，平滑电容器可以起到电流平滑滤波器的作用。电容器是电容器组的代表，其精 确的值取决于感性负载的功率要求。
[0003] 使用中间电压(例如，在400V之上)的功率单元的直流电容器组经常使用串联的两 个或三个电解电容器。如果使用两电平逆变器拓扑结构，则不测量这些电容器之间的中间 电位的电压。
[0004] 当电解电容器过载时，它们不是热稳定的，这会导致由蒸发的液体电解质引发的 强烈爆炸。由于安全和连带的损害，必须避免这种爆炸。因为由老化或缺陷引起的各个电 容器的不相等的参数会导致串联连接的电容器之间极度不相等的电压共享，所以对串联连 接的电容器的总电压进行监控是不够的。
[0005] 因此，对串联中的单个电容器的电压进行监控非常有必要。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的目的是提供与多相交流负载一起使用的多相电力驱动器，包括多 相电力变压器和多个功率单元，多相电力变压器包括至少一个一次绕组和多个二次绕组， 所述一次绕组电连接到多相交流电源交流电源，所述第一数量的功率单元中的每个都具有 与所述多个二次绕组中相应的一个二次绕组连接的输入端，所述多个功率单元中的每个都 具有到多相交流负载的单相可控制的输出端，并且所述多个功率单元与能够连接到所述多 相交流负载的每条相输出线路中的所述功率单元中相应的其它功率单元串联连接；所述功 率单元中的每个都包括：整流器、电容器组、电压测量器件、和控制系统；所述整流器适于 将来自相应的二次绕组的输入电力转换成直流电压；所述电容器组通过DC+和DC-连接到 所述整流器的输出端，其中：所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合，所述电容器集 合中的每个都包括一个电容器或并联连接的多个电容器元件；所述电压测量器件适于测量 相对于电容器组的DC+和DC-的其中一个的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连 接的电容器集合中连接点的各个电压；所述控制系统适于基于电容器组的DC+和DC-之间 已测量的电压对所述多个功率单元进行控制，并基于已测量的各个电压对所述多个电容器 集合上的故障进行监控。
[0007] 根据本发明的另一个方面，提供一种在多相电力驱动器中使用的功率单元，包括： 整流器、电容器组、电压测量器件、和控制系统；所述整流器适于将来自相应的二次绕组的 输入电力转换成直流电压；所述电容器组通过DC+和DC-连接到所述整流器的输出端， 其中，所述电容器组包括串联连接的多个电容器集合，每个所述电容器集合包括一个电容 器或并联连接的多个电容器元件；所述电压测量器件适于测量相对于电容器组的DC+和 DC-的其中之一的电位，位于DC+和DC-中的另一个以及串联连接的电容器集合中的连接点 的各个电压；所述控制系统适于基于电容器组的DC+和DC-之间已测量的电压对所述多个 功率单元进行控制，并基于已测量的各个电压对所述多个电容器集合上的故障进行监控。
[0008] 通过具有这种电容器组电压监控系统，可以保护电容器避免在每个电容器上发生 过压。
【附图说明】
[0009] 根据附图示出的优选的示例性实施例，下文将对本发明的主题进行更详细的说 明，其中：
[0010] 图1示出了每相具有三个功率单元的级联型多相电力驱动器的功率电路图；
[0011] 图2A示出了如图1所示的典型的功率单元；
[0012] 图2B示出了用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压的电压测 量器件；以及
[0013] 图2C示出了用于测量根据图2A的电容器组21的电容器集合的端电压的可选择 的电压测量器件，。
[0014] 以简要的形式在附图标记列表中列出附图中使用的附图标记及其含义。原则上， 附图中相同的部件具有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0015] 图1示出了每相具有三个功率单元的级联型多相电力驱动器的功率电路图。如图 1所示，三相交流电力被输入到级联型多相驱动器1的电力变压器10的一次绕组100。可 以是星形连接或网形连接的一次绕组100使三相二次绕组101至109通电。与二次绕组 101至109中的每个二次绕组相关的三相电力分别被提供给功率单元110至118。在本实 施例中，优选地，提供网形连接的二次绕组101至109,以降低电力变压器的K因数并改进谐 波控制。网形连接的绕组可以包括(例如）△结构或扩展的△结构。在某些情况下，可以 对这种网形绕组进行操作，以使一些二次绕组提前预选角度的电相，使其他二次绕组延迟 预选角度的电相，并(可能）使其他二次绕组的相位基本不发生移动。在图1示出的本实施 例中，描述了三分之一的二次绕组的相位被提前20 (度)，三分之一的二次绕组的相位被延 迟20 (度)。其余三分之一的二次绕组未发生移动。在图1的实施例中，相移的绕组使用扩 展的△结构的绕组，没有相移的绕组使用△结构的绕组。对于其它电压，所需的各自的相 移可以通过按照每相功率单元的数量对60 (度）进行划分获得。例如，若每相5个功率单 元，相移是+24 (度)、+12 (度)、0 (度)、-12 (度）和-24 (度);若每相6个功率单元，相移是 +25 (度)、+15 (度)、+5 (度)、-5 (度)、-15 (度）和-25 (度）；若每相8个功率单元，相移是 +18.75 (度)、+11.25 (度)、+3.75 (度）、-3.75 (度)、-11.25 (度）、-18.75 (度）。优选地， 将多个功率单元连接到每个相位输出线路120、121、122，相位输出线路120、121、122可以 分别代表相A、相B和相C。多个功率单元在每个相位输出线路上可以串联连接，从而可以 生成具有多个低压功率单元的中压输入相位线路控制器。串联连接还可以使每相有多个电 压状态；每相的这些多个电压状态可以被用来获得改进的电流波形。每个功率单元可以在 内部形成低压标准，例如，尽管被包含在中压装置中，每个功率单元也可以具有1000伏的 额定值。在这种实施例中，使用适合于正在使用的中压电平的绝缘材料，可以使各个功率单 元与地面以及其它功率单元绝缘。
[0016] 图2A示出了如图1所示的典型的功率单元。然而，可以理解的是，还可以使用其 它功率单元实施本发明。图2A示出的功率单元与美国专利5, 625, 545中示出的功率单元 相似。如图2A所示，功率单元110至118中的每个都是功率变流器，所述功率变流器通过 使用由二极管20a-20f组成的整流器将三相输入电力转换成直流分量。该整流器的输出随 后通过第一端子DC+和第二端子DC-被输出到电容器组21，电容器组21可以提供对直流 输出的存储和平滑。电容器组(例如）包括在连接点HI、H2之间彼此串联连接的多个电容 器集合210、211、212,电容器集合210包括多个并联连接的电容器，电容器集合211包括多 个并联连接的电容器，电容器212包括多个并联连接的电容器。作为替代方式，可以理解的 是，根据电容器集合的电压容量和功率单元的直流环节（DC link)，电容器集合的数量可以 选择为4、5、6等；根据电容器的电流容量和功率单元的直流链电流，每个电容器集合中电 容器的数量可以选择为1、2、3等。例如，可以根据如下算法选择电容器集合的数量：
[0017] ^capacitor set ^DC^^rated voltage
[0018] 其中，NcapacitOT set表不电容器集合的数量，VDC表不第一端子DC+和第二端子DC-的 端电压， Vrated voltage表不电容器的额定电压。
[0019] 可以根据如下算法选择每个电容器集合的电容器的数量：
[0020] ^capacitor per set -^ripple current bank,工capacitor ripple current capacity
[0021] 其中，NMpac;itOT srt表示每个电容器集合的电容器的数量，I Hpple ^表示电容 器组的总纹波电流， Icapacitor ripple current capacity表示电容器纹波电流容量。
[0022] 至少基于电容器组端电压的幅值，在控制系统控制之下使用脉宽调制（PWM)方 法，可以将变流器中的直流电力选择性地应用到功率单元输出端22a和22b。使用由诸如 23a-23d的半导体开关组成的桥式变流器可以实现脉宽调制。可以使用任意类型的可接受 的开关元件；并且取决于功率水平，可以选择多种固态组件。如图所示，变流器输出端使用 四个IGBT。在这种脉宽调制操作中，当这些开关操作时，它们可以被认为是完全闭合或完 全断开的。正如在多数应用中将会理解的，希望在级联式布置中使用的功率单元是相似的 并按照某种形式被构造，以便限制装配件的数量并允许功率单元在同一驱动器内是可互换 的。图2A中示出的功率单元110至118可以被用于图1中的所有功率单元。
[0023] 图2B示出了电压测量器件，所述电压测量器件用于测量根据图2A的电容器组21 的电容器集合的端电压。作为图2A中示出的功率单元的一部分是电压测量器件24。例 如，电压测量器件24可以包括三个分压器240、241、242 ;控制系统25包括三个比较器243、 244、245。分压器240电连接在DC+和DC-之间，用于在DC+到DC-进行分压，并将分好的 电压输出到比较器243,比较器243将来自分压器240的电压输出与电位DC-进行比较，并 通过模数转换（ADC)向控制系统25输出比较结果U' DC ;分压器241电连接在连