级联模块化功率转换器的启动系统的制作方法

1.本发明的申请涉及用于在初始化时段期间限制级联模块化能量转换器的电压单元的电容式滤波器的充电电流的系统。
2.本发明具体地应用于使用多绕组移相变压器在交流电动机中进行速度控制的级联模块化能量转换器。
3.该系统具有至少一个多绕组移相变压器，多绕组移相变压器包括至少两个初级绕组、连接到中压交流电压源的至少一个主绕组以及连接到低压辅助电压源的至少一个低压辅助绕组。
4.移相变压器还具有多个次级绕组，用于将馈电与级联连接的电压单元隔离，其中，每个电压单元具有通过整流桥进行充电的多电容器组。
5.在初始化期间利用能量开关装置，能量开关装置由级联模块化能量转换器的总控制器控制，并且由低压电压源馈电，将来自输入端子的电压进行转换并向低压辅助初级绕组供应在比多绕组移相变压器的额定频率大的固定频率下大小可变的交流电压，从而允许在级联模块化转换器的初始化时段期间限制电压单元电容器的充电电流。
6.受控能量开关装置经由通信信道与级联模块化能量转换器的总控制器通信。通信介质发送命令，以启动级联模块化转换器的初始化过程和过程关闭命令。


背景技术：

7.在其中不存在可用于满足低压能量供应的电能分配系统的、安装在远程位置的系统中的用于速度控制的能量转换器的应用中，辅助初级绕组馈电由具有有限容量的低压能量产生系统进行。
8.在级联模块化转换器的初始化期间，有必要使用策略来限制电压单元电容器的充电电流，使得这些电流的路径中的部件没有损坏或者使用寿命缩短，尤其是，不使连接到辅助初级绕组的低压能量产生系统过载。
9.级联模块化转换器的初始化顺序开始于以低压给辅助初级绕组馈电以磁化多绕组移相变压器并对电压单元电容器进行充电，并且在电容器充满电之后，辅助初级绕组被断开，并且通过主初级绕组应用中压馈电，以进行级联模块化转换器的操作。
10.在电压单元电容器被充电的情况下，在从辅助初级绕组(低压)到主初级绕组(中压)的馈电转变的时刻，主初级绕组中的电流峰衰减。
11.降低初始化电流峰的策略之一是在低压辅助初级绕组之前使用低电阻元件，通常使用一个或多个电阻元件。然而，因初始化电流通过电阻元件循环而增加了焦耳效应损耗，导致馈电所需的能量较高。该策略的另一个缺点是与馈电器电路串联的接触器的开关，这产生了不连续的初始化电流。
12.第二种策略是使用在低压辅助初级绕组之前串联连接的无源元件，诸如电阻器和电容器。
13.在通电时，电容元件与低压辅助初级绕组的电感一起形成串联谐振电感器-电容
器电路。
14.在谐振时，该电路升高了低压次级绕组上的电压，从而使连接到它们的所有电压单元电容器都以由串联谐振电感器-电容器电路的谐振决定的增长率进行充电。
15.使用谐振电路的事实有优点和缺点。优点在于，谐振电感器-电容器电路将辅助初级绕组两端的电压升高至由辅助源供应的值以上，从而使源电压小于辅助初级绕组的额定电压。
16.缺点在于，需要监视谐振电路中的电压，以避免电压幅值不超过辅助初级绕组的标称电压的值。在电压达到预定值之后，连接电阻器，以使电路过阻尼并稳定辅助初级绕组的电压。
17.现有技术
18.在pi0614788-7中，借助附加电路解决初始化问题，该附加电路包括连接到每个专用于初始化级联模块化转换器的绕组的两个低压接触器和低压低阻抗元件。客户低压辅助支路通过与磁耦合到变压器芯的绕组串联连接的低压接触器和低压低阻抗元件向级联模块化转换器的电压单元供应能量。
19.在us 8,223,515中，通过使用与多绕组移相变压器在空间上分离的辅助初级绕组来解决初始化问题。通过辅助源或任何类型的电压源，不同电压单元的电容器的初始化通过该低压辅助支路发生。
20.在us 8,736,204中，控制装置连接到除了级联模块化转换器的初始化以外还执行动态制动功能的多绕组移相变压器的辅助三相绕组。动态制动装置可以初始化连接到多绕组移相变压器的各个电压单元，从而改变施加到辅助三相绕组的基本电压的幅值，从降低的电压幅值开始，初始电流也降低。
21.用于解决级联模块化转换器的初始化问题的现有技术没有解决远程位置的辅助初级绕组的馈电源的电力需求问题；在这些应用中，辅助初级绕组馈电是由低压下具有减小容量的能量产生系统进行的。较高频率的操作除了降低低压辅助源的功率需求之外还使受控能量开关装置的功率需求降低。
22.这是基于提出了本发明的该场景。


技术实现要素：

23.以上提到的目的借助于一种用于级联模块化能量转换器的初始化系统而完全实现，所述级联模块化能量转换器包括：至少一个多绕组移相变压器，所述多绕组移相变压器包括至少一个低压辅助初级绕组、至少一个中压主初级绕组和至少一个低压次级绕组；至少一个电压单元，所述至少一个电压单元连接到所述多绕组移相变压器的至少一个低压次级绕组；所述初始化系统还包括：至少一个低压电压源，所述至少一个低压电压源连接到至少一个受控能量开关装置并连接到至少一个低压辅助初级绕组和至少一个总控制器，所述总控制器具有与所述受控能量开关装置的控制器通信的用于初始化的通信信道；所述受控能量开关装置提供具有可变幅值和比由所述总控制器控制的所述多绕组移相变压器的额定操作频率大的频率的电压。
24.此外，本发明提供了初始化系统，其中受控能量开关装置的控制器产生用于受控能量开关装置的逆变桥的命令脉冲，从而提供在低压辅助初级绕组的电压的额定值的0％
至100％之间的可变幅值的电压。
25.另外，在本发明中，提供了初始化系统，其中，受控能量开关装置的控制器产生用于受控能量开关装置的逆变桥的命令脉冲，从而供应具有比多绕组移相变压器的额定频率大的固定频率的交流电压。
26.另外，在本发明的初始化系统中，级联模块化能量转换器的总控制器通过经由用于初始化的通信信道的命令确定受控能量开关装置的操作的开始和结束。
27.另外，在本发明的初始化系统中，在级联模块化能量转换器的工作模式操作期间，总控制器命令多个电压单元的用于控制交流电动机的操作。
28.此外，在现在提出的初始化系统中，级联模块化能量转换器包括生成用于受控半导体开关的控制信号的电压单元的至少一个控制器。
29.另外，在初始化系统中，受控能量开关装置增加了对通过电流传感器的初始化电流的监视。
30.另外，在初始化系统中，用于初始化的低压电压源的额定功率小于用于初始化的低压辅助初级绕组的额定功率。
31.另外，在本发明的优选实施例中，在初始化系统中，受控能量开关装置包括：输入端子、包括二极管的三相整流桥、多电容器组、直流总线、包括受控半导体开关和与每个受控半导体开关连接的反并联二极管的三相逆变桥、至少一个电流传感器和输出端子。
32.另外，在本发明的优选实施例中，在初始化系统中，受控能量开关装置包括：输入端子、包括二极管的单相整流桥、多电容器组、直流总线、包括受控半导体开关和与每个受控半导体开关连接的反并联二极管的单相逆变桥、至少一个电流传感器和输出端子。
33.此外，在本发明的另一优选实施例中，受控能量开关装置包括：输入端子、包括二极管的单相整流桥、多电容器组、直流总线、包括受控半导体开关和与每个受控半导体开关连接的反并联二极管的三相逆变桥、至少一个电流传感器和输出端子。
34.最后，在本发明的另一优选实施例中，受控能量开关装置包括：输入端子、包括二极管的三相整流桥、多电容器组、直流总线、包括受控半导体开关和与每个受控半导体开关连接的反并联二极管的单相逆变桥、至少一个电流传感器和输出端子。
附图说明
35.本发明是基于下面列出的附图来仔细详述的：
36.图1图示了本发明的目的的级联模块化转换器的实施例；
37.图2图示了本发明的目的的用于级联模块化转换器的控制架构；
38.图3图示了用于级联模块化转换器的电压单元的实施例；
39.图4图示了本发明的目的的受控能量开关装置的第一实施例；
40.图5图示了本发明的目的的受控能量开关装置的第二实施例；
41.图6图示了本发明的目的的受控能量开关装置的第三实施例；
42.图7图示了本发明的目的的受控能量开关装置的第四实施例。
具体实施方式
43.下面的描述和讨论是出于加深目的而提出的，没有限制本发明的范围，并将使本
发明的目的被更清楚地理解。还提出了实现了优点的本发明的具体应用实例。
44.文中认为，措词低压是指低于1,000伏的电压值，并且措词中压是指高于1,000伏的电压。
45.本发明通过受控能量开关装置(13)解决了级联模块化能量转换器(10)的低压辅助初级绕组(15)的电流需求问题。
46.受控能量开关装置(13)由交流的(例如，电机-发电机组)或直流的(例如，电池组)的低压单相或多相电压源(20)馈电。受控能量开关装置(13)转换输入端子的电压，并以比多绕组移相变压器(11)的额定频率大的固定频率向低压辅助初级绕组(15)供应幅值可变的交流电压，从而允许在级联模块化能量转换器(10)的初始化时段期间，限制电压单元(12)的电容器的充电电流。
47.由低压电压源(20)供应的电流由整流桥(32)整流并由电容器组(33)滤波。
48.受控能量开关装置的控制器(37)产生用于受控能量开关装置(13)的逆变桥(34)的命令脉冲，从而提供可变幅值的电压，其特征在于在低压辅助初级绕组(15)的电压的额定值的0％至100％内变化。
49.受控能量开关装置的控制器(37)的另一个特征是以在输出端子(36)处产生其频率比多绕组移相变压器(11)的额定频率大的电压的方式产生用于逆变桥(34)的命令脉冲。
50.总控制器(41)具有用于初始化的通信信道(43)，该通信信道通过受控能量开关装置的控制器(37)来控制受控能量开关装置(13)的操作，并且通过读取某些参数，限定从初始化模式到工作模式的转变时刻。在本发明中，工作被理解为级联模块化能量转换器(10)的操作或级联模块化能量转换器(10)能够对交流电动机(18)馈电的状态。
51.利用该特征，受控能量开关装置(13)提供频率比多绕组移相变压器(11)的额定频率大的、幅值受控的电压。从受控能量开关装置(13)的输出端看到的初始化电路的阻抗由于其对频率的依赖性而变得更高，并且自然地，输出电流的幅值减小，使得由低压电压源(20)供应的电流的值小于额定频率的情况。
52.多绕组移相变压器(11)所要求的无功电流全部由受控能量开关装置(13)供应，而低压电压源(20)仅供应用于电压单元(12)的多电容器组(33)的初始化的能量。
53.为了操作多绕组移相变压器(11)，必须在辅助初级绕组(15)中供应纯无功的磁化电流，以在铁磁芯(17)中产生磁通量。
54.在不使用受控能量开关装置(13)的情况下，如果低压辅助初级绕组(15)直接连接到低压电压源(20)，则将需要在初始化时段期间供应磁化电流。
55.如果使用受控能量开关装置(13)，则由于使用了直流总线(44)，导致在受控能量开关装置(13)的输入电流和输出电流之间出现去耦。
56.以这种方式，多绕组移相变压器(11)的磁化电流仅在低压辅助初级绕组(15)和受控能量开关装置(13)的直流总线(44)之间循环。
57.低压电压源(20)提供对电压单元(12)的电容器充电所需的能量，并且供应系统的固有损耗(由导体中电流流动导致的焦耳效应损耗)；作为去耦的结果，低压电压源(20)不需要供应多绕组移相变压器(11)的磁化电流。
58.与其他初始化技术不同，该系统在初始化电流路径中不需要纯电阻元件和/或无源元件，从而减少了初始化所需的能量。
59.使用受控能量开关装置(13)的技术方案减少了部件的数量，不需要无源元件的复杂连接。
60.受控能量开关装置(13)还增加了对通过电流传感器(39)的初始化电流的监视，从而为初始化过程提供了更高的安全性。
61.借助于电流传感器(39)，可以监视在初始化时使用的低压辅助初级绕组(15)中的电流，并且如果发生不平衡，则中止该过程，以避免损坏多绕组移相变压器(11)。
62.受控能量开关装置(13)与电流传感器(39)一起的另一个优点是监视和控制处于由用户参数化的水平的初始化电流。这使得能够使用有限电流容量的低压电压源(20)，并且仍然能够初始化级联模块化能量转换器(10)。
63.在低压电压源(20)由具有有限电流容量的自主能量产生组产生的装置中，能够通过受控能量开关装置(13)进行的对级联模块化能量转换器(10)的初始化电流的限制有利的是不使低压电压源(20)过载。
64.自主组意指连接到受控能量开关装置(13)的输入端子并使其能够正常工作的任何低压能量产生系统，诸如电机-发电机组、低压交流或直流电压源或其他发电系统。
65.从具体实施方式开始，应该理解，为了清楚地理解本发明，本发明的一些附图和描述已被简化。然而，因为所述元件在本领域中是已知的并且无益于对本发明的清楚理解，所以它们已经被删除，而对于完整理解没有任何损失。
66.图1表示根据本发明的目的的级联模块化能量转换器(10)的实施例，所述级联模块化能量转换器(10)被描述为包括至少一个多绕组移相变压器(11)，多绕组移相变压器(11)以允许合成相u、v和w中的每一个的布置，对级联或串联连接的多个电压单元(12)馈送可以对交流电动机(18)(例如，中压三相感应电机)馈电的电压。
67.所述多绕组移相变压器(11)包括至少一个低压辅助初级绕组(15)、至少一个中压主初级绕组(16)以及安装在同一铁磁芯(17)上的、对多个电压单元(12)馈电的多个低压次级绕组(14)。
68.通过连接到低压电压源(20)的受控能量开关装置(13)对用于初始化的所述低压辅助初级绕组(15)馈电。
69.受控能量开关装置(13)的操作由级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)限定。
70.另外，所述中压主初级绕组(16)连接到中压交流电压源(19)，中压交流电压源(19)的连接通过中压接触器或断路器(未示出)实现，用于级联模块化能量转换器(10)的工作模式操作。
71.图2提出了包括总控制器(41)的级联模块化能量转换器(10)的控制架构，总控制器(41)通过用于电压单元的多个通信信道(42)与电压单元(12)的多个控制器通信。
72.级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)还通过专用于该目的的用于初始化的通信信道(43)与能量开关装置的控制器(37)通信。
73.对于级联模块化能量转换器(10)的初始化，级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)通过经由用于初始化的通信信道(43)的命令来确定受控能量开关装置(13)的操作的开始和结束。
74.在级联模块化能量转换器(10)的工作模式操作期间，总控制器(41)命令多个电压
单元(12)进行控制交流电动机(18)的操作。
75.根据现有技术的图3提出了级联模块化能量转换器(10)的电压单元(12)的实施例。
76.电压单元(12)的馈电由低压次级绕组(14)通过输入端子(27)实施。为了保护电压单元(12)，在整流桥(22)之前使用浪涌电流保护元件(21)。
77.在该实施例中，电压单元(12)的三相整流桥(22)包括六个二极管(29)。
78.由低压次级绕组(14)供应的电压由三相整流桥(22)整流并由连接在三相整流桥(22)的输出端与单相逆变桥(24)的输入端之间的多电容器组(23)滤波。
79.单相逆变桥(24)包括四个受控半导体开关(30)和连接到每个受控半导体开关(30)的四个反并联二极管(31)。单相逆变桥(24)连接到电压单元输出端子(26)，以使得多个电压单元(12)能够级联连接。
80.电压单元控制器(28)生成用于四个受控半导体开关(30)的控制信号。电压单元控制器(28)接收来自级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)的命令信号。
81.图4示出了本发明的目的的受控能量开关装置(13)的第一实施例。通过将低压电压源(20)连接到输入端子(31)来提供馈电。
82.对于该第一实施例，低压电压源(20)是低压三相电压源。
83.受控能量开关装置(13)包括由六个二极管(35)组成的三相整流桥(32)。整流后的电压由多电容器组(33)滤波，并通过直流总线(44)供应到三相逆变桥(34)。
84.三相逆变桥(34)包括六个受控半导体开关(36)和连接到每个受控半导体开关(36)的六个反并联二极管(38)。三相逆变桥(34)连接到输出端子(40)，以使得能够连接到低压辅助初级绕组(15)。输出电流由两个电流传感器(39)测量，以由能量开关装置的控制器(37)监视和控制。
85.能量开关装置的控制器(37)生成用于六个受控半导体开关(36)的控制信号，并且还从级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)接收控制信号。
86.图5示出了本发明的目的的受控能量开关装置(113)的第二实施例。通过将低压电压源(20)连接到输入端子(31)来提供馈电。
87.对于该第二实施例，低压电压源(20)是低压单相电压源。
88.受控能量开关装置(113)包括由四个二极管(35)组成的单相整流桥(132)。整流后的电压由多电容器组(33)滤波，并通过直流总线(44)供应到单相逆变桥(134)。
89.单相逆变桥(134)包括四个受控半导体开关(36)和连接到每个受控半导体开关(36)的四个反并联二极管(38)。单相逆变桥(134)连接到输出端子(40)，以使得能够连接到低压辅助初级绕组(15)。输出电流由电流传感器(39)测量，以由能量开关装置的控制器(37)监视和控制。
90.能量开关装置的控制器(37)生成用于四个受控半导体开关(36)的控制信号，并且还从级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)接收控制信号。
91.图6表示本发明的目的的受控能量开关装置(213)的第三实施例。通过将低压电压源(20)连接到输入端子(31)来提供馈电。
92.对于该第三实施例，低压电压源(20)是低压单相电压源。
93.受控能量开关装置(213)包括由四个二极管(35)组成的单相整流桥(232)。整流后
的电压由多电容器组(33)滤波，并且通过直流总线(44)供应到三相逆变桥(234)。
94.三相逆变桥(234)包括六个受控半导体开关(36)和连接到每个受控半导体开关(36)的六个反并联二极管(38)。三相逆变桥(234)连接到输出端子(40)，以使得能够连接到低压辅助初级绕组(15)。输出电流由两个电流传感器(39)测量，以由能量开关装置的控制器(37)监视和控制。
95.能量开关装置的控制器(37)生成用于六个受控半导体开关(36)的控制信号，并还接收来自级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)的控制信号。
96.图7表示本发明的目的的受控能量开关装置(313)的第四实施例。通过将低压电压源(20)连接到输入端子(31)来提供馈电。
97.对于该第四实施例，低压电压源(20)是低压三相电压源。
98.受控能量开关装置(313)包括由六个二极管(35)组成的三相整流桥(332)。整流后的电压由多电容器组(33)滤波，并通过直流总线(44)供应到单相逆变桥(334)。
99.单相逆变桥(334)包括四个受控半导体开关(36)和连接到每个受控半导体开关(36)的四个反并联二极管(38)。单相逆变桥(334)连接到输出端子(40)，以使得能够连接到低压辅助初级绕组(15)。输出电流由电流传感器(39)测量，以由能量开关装置的控制器(37)监视和控制。
100.发明的功效
101.本发明的目的是通过由低压电压源(20)供应的能量来初始化级联模块化能量转换器(10)。
102.出于控制并减小初始化电流的幅值的目的，在低压电压源(20)和多绕组移相变压器(11)的低压辅助初级绕组(15)之间插入本发明的目的的受控能量开关装置(13、113、213、313)。
103.当请求能量开关装置(13、113、213、313)的操作以初始化级联模块化能量转换器(10)时，具有用于初始化的通信信道(43)的总控制器(41)与受控能量开关装置的控制器(37)通信。
104.受控能量开关装置(13、113、213、313)在输入端子(31)处接收电压，通过整流桥(32、132、232、332)进行整流，通过多电容器组(33)进行滤波，并在总线(44)上提供直流。
105.受控能量开关装置的控制器(37)产生用于受控能量开关装置(13、113、213、313)的逆变桥(34、134、234、334)的命令脉冲，从而在端子输出端(40)处可得到可变幅值的电压，其特征在于在低压辅助初级绕组(15)的电压的额定值的0％至100％内变化，并且以比多绕组移相变压器(11)的标称频率大的固定频率在铁磁芯(17)中产生磁通。
106.利用比多绕组移相变压器(11)的额定频率大的固定频率，低压辅助初级绕组(15)的阻抗实际上增加。
107.铁磁芯(17)中的磁通在低压次级绕组(14)中产生与由逆变桥(34、134、234、334)施加到低压辅助初级绕组(15)的电压的幅值成正比的电压。
108.在低压次级绕组(14)中产生的该感应电压由整流桥(22)整流，并且被存储在构成级联模块化能量转换器(10)的各个电压单元(12)的多个电容器组(23)中。
109.电压单元控制器(28)测量多电容器组(23)的电压值，并将其发送到级联模块化能量转换器(10)的总控制器(41)。多个电容器组(23)上的电压幅值逐渐增大，直到达到各个
电压单元(12)的正常工作水平为止。通过电压单元通信信道(42)，转换器(41)的总控制器被告知电压单元(12)已达到工作电压值的时刻，从而确定初始化时段的结束。
110.在级联模块化能量转换器(10)的各个电压单元(12)的初始化之后，总控制器(41)命令能量开关装置(13、113、213、313)关闭，并允许中压主初级绕组(16)通过中压接触器或断路器连接到中压交流电压源(19)。
111.另外，根据需要，可以用具有低电流容量的低压电压源(20)启动级联模块化能量转换器(10)，由于受控能量开关装置(13、113、213、313)通过其受控操作以及电流传感器(39)的电流监视使用户参数化的电流水平能够从低压电压源(20)排出，以进行级联模块化能量转换器(10)的初始化。
112.对于级联模块化能量转换器(10)的操作，必须有两个能量源，即，中压交流电压源(19)和低压电压源(20)。
113.中压交流电压源(19)通过中压接触器或断路器连接，以通过中压主初级绕组(16)向级联模块化能量转换器(10)供电。
114.低压电压源(20)优选地在127v和690v之间的电压范围内。
115.重要的是要强调，以上描述具有以示例性方式描述所考虑的本发明的特定实施例的唯一目的。因此，变得清楚的是，以基本相同的方式执行相同功能以实现相同结果的元件的修改、变化和有助益的组合一直在由所附权利要求书限定的保护范围内。