專利名稱：電源變換設(shè)備和電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源變換設(shè)備。此外，本發(fā)明涉及電源裝置。
背景技術(shù)：
電源變換設(shè)備被用于電源生成以用于使發(fā)電設(shè)備的可變電壓、可變頻率和變化的 功率特性適合、特別地匹配電力網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)的一般固定的頻率和固定的電壓特性。按照慣例，電源變換設(shè)備包括適合于將不同相位的AC電壓信號轉(zhuǎn)換成不同相位 的DC電壓信號或反之亦然的至少一個電壓變換單元。此外，所述電源變換設(shè)備包括適合于 對電源變換單元的電壓信號進行操作的至少一個相間變換單元。公共節(jié)點被用于將由相間 變化單元輸出的已變換電壓信號組合。在使用相間變換單元時，總電源變換設(shè)備的通常三 個相本身中的每一個均具有被與相間變換系統(tǒng)組合的子相(sub-phase)。US 5，852，5 公開了包括第一、第二和第三電源逆變(inverting)單元和第一、 第二和第三相間反應(yīng)器的電源逆變器。所述電源逆變單元被布置和構(gòu)造為適合于被并行地 驅(qū)動。每個逆變單元輸出第一、第二和第三電壓信號，逆變單元之一的第一、第二和第三電 壓信號的相位彼此不同，并且不同逆變單元的第一、第二和第三電壓信號分別彼此相同。每 個相間反應(yīng)器適合于對相同相位的電壓信號進行操作并包括三個相間變換單元，即三個線 圈。相間反應(yīng)器之一的每個線圈被電連接到電源逆變單元的一個不同輸出端。相同相的已 變換第一、第二和第三電壓信號被組合，使得生成第一、第二和第三輸出電壓信號。用于給 定相位的三個電壓源的組合分別導(dǎo)致被指向可以是發(fā)電機或網(wǎng)絡(luò)的負載的單相輸出電壓。WO 2008/030919 A2公開了包括被相互并聯(lián)地電連接的第一、第二和第三轉(zhuǎn)換單 元的多相變換器。每個轉(zhuǎn)換單元適合于輸出不同相位的電壓信號。不同相位的這些第一、 第二和第三電壓信號中的每一個被饋送到第一、第二和第三變壓器中的不同的一個。第一、 第二和第三變壓器中的每一個包括被相互磁性地耦合的兩個線圈。由第一、第二和第三變 壓器輸出的已變換第一、第二和第三電壓信號被取平均值并饋送到公共節(jié)點，使得生成單 相的輸出電壓信號。對完整的電源變換設(shè)備中的通常三個相中的每一個重復(fù)此操作。然而，已知電源變換設(shè)備受困于非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電源變換設(shè)備和包括電源變換設(shè)備的電源裝置， 其中，所述電源變換設(shè)備和所述電源裝置提供改進的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了實現(xiàn)上述目的，提供了 一種電源變換設(shè)備和一種電源單元。根據(jù)本發(fā)明的示例性方面，提供了包括每個包括兩個輸出端的多個N個電壓變換 單元的電源變換設(shè)備，其中，每個電壓變換單元適合于在第一輸出端處輸出第一相位的第 一電壓信號，并在第二輸出端處輸出第二相位的第二電壓信號。此外，所述電源變換設(shè)備還 包括多個N個第一相間變換單元，每個包括被磁性地耦合的初級線圈和次級線圈，其中，所述多個N個變換單元中的每一個的第一輸出端被連接到所述多個第一相間變換單元中的 不同的一個的初級線圈，其中，所述多個第一相間變換單元中的每一個的初級線圈被電連 接到所述多個N個第一相間變換單元中的另一個的一個次級線圈。此外，所述電源變換設(shè) 備還包括多個N個第二相間變換單元，每個包括被磁性地耦合的初級線圈和次級線圈，其 中，所述多個N個電壓變換單元中的每一個的第二輸出端被連接到所述多個N個第二相間 變換單元中的不同的一個的初級線圈，其中，所述多個第二相間變換單元中的每一個的初 級線圈被電連接到所述多個N個第二相間變換單元中的另一個的一個次級線圈，其中，所 述多個N個第一相間變換單元和所述多個N個第二相間變換單元被分組成N組相間變換單 元，每個包括所述N個第一相間變換單元中的一個和所述N個第二相間變換單元中的一個， 其中，所述N組相間變換單元中的每一個被組合在一個模塊化單元中。
特別地，所述第一電壓信號的第一相位可以是相同的?；騽t，基波(fundamental) 電壓和相位可以是相同的，但是每個電壓變換單元的諧波電壓的相位可以是不同的(相差 360度/電壓變換單元的數(shù)目)，因此，該組合在基本PWM頻率下可以導(dǎo)致零發(fā)射?；蛘?，這 可以在相對于另一個電壓變換單元對每個電壓變換單元應(yīng)用相移脈寬調(diào)制模式時實現(xiàn)，例 如目的是實現(xiàn)公共節(jié)點處的更高效的轉(zhuǎn)換頻率。例如，當(dāng)使用每個具有2. 5kHz的PWM頻 率、但彼此時間偏移100微秒的4個并聯(lián)電壓變換單元時，可以導(dǎo)致在公共節(jié)點處測量的10 kHz的轉(zhuǎn)換頻率。此外，每個模塊化單元可以形成被布置在公共載體、板或支撐體上的一個 可制造單元。特別地，第一相位和第二相位可以彼此不同，例如第二相位相對于第一相位可 以具有120°或-120°的相差。根據(jù)另一示例性方面，一種可連接到供電網(wǎng)絡(luò)的電源裝置包括用于產(chǎn)生電壓信號 的發(fā)電設(shè)備和根據(jù)示例性方面的電源變換設(shè)備。術(shù)語“相間變換單元”可以特別地表示適合于例如將電壓信號從第一電平變換到 第二電平的任何變換單元。特別地，第一電平可以是高電壓電平，并且第二電平可以是低電 壓電平，命名“第一”和“第二”是互相可互換的。特別地，術(shù)語“相間變換單元”可以與術(shù)語 “相間反應(yīng)器”、“橋間變換單元”和/或“橋間反應(yīng)器”同樣地使用，術(shù)語“相間”和“橋間”可 能分別縮寫為“IPT”和“IBT”。特別地，相間變換單元可以包括變壓器。術(shù)語“初級線圈”和“次級線圈”可以特別地分別表示“第一線圈”和“第二線圈”。根據(jù)示例性方面，可以提供一種電源變換設(shè)備，其可以包括多個電壓變換單元，其 中的每一個適合于在所述電壓變換單元的第一輸出端處輸出第一相位的第一電壓信號。所 述第一相位可以彼此相同。特別地，所述多個電壓變換單元可以被彼此相同地設(shè)計，并且可 以適合于將AC電壓信號轉(zhuǎn)換成DC電壓信號，或者可以適合于將DC電壓信號轉(zhuǎn)換成AC電 壓信號?？梢蕴峁┒鄠€第一相間變換單元，其中，第一相間變換單元中的每一個可以與所述 電壓變換單元中不同的一個相關(guān)聯(lián)，因為每個電壓變換單元的第一輸出端可以被電連接到 所述多個第一相間變換單元中的不同的一個。因此，所述電壓變換單元可以被相互并聯(lián)地 電連接。每個第一相間變換單元可以包括初級和次級線圈，其可以被相互磁性地耦合，使得 可以由每個第一相間變換單元來提供一個磁路。特別地，所述第一相間變換單元的初級和 次級線圈可以僅被相互磁性地耦合。每個第一變換單元的初級線圈和每個第一相間變換單 元的次級線圈可以被相互電連接，使得可以提供所述相間變換單元的循環(huán)環(huán)形結(jié)構(gòu)。此外， 每個第一相間變換單元可以適合于輸出已變換第一電壓信號。特別地，所述第一相間變換單元可以在物理上被以行或連續(xù)(in a series)布置，使得所述多個第一相間變換單元中 的一個相間變換單元可以包括所述多個第一相間變換單元之中的兩個相鄰相間變換單元， 除此系列中的第一個和最后一個第一相間變換單元之外。特別地，連續(xù)排列的所述多個第 一相間變換單元中的每一個的每個初級或次級線圈可以被磁性地耦合到同一第一相間變 換單元的各次級或初級線圈和所述多個第一相間變換單元中的相鄰的一個的各次級或初 級線圈，除該系列中的所述多個第一相間變換單元中的第一個的次級線圈和該系列中的所 述多個第一相間變換單元中的最后一個的次級線圈。特別地，沿電壓信號傳輸方向、即沿第 一電壓信號的信號傳輸方向看，所述多個第一相間變換單元中的相間變換單元的初級線圈 的繞組的旋轉(zhuǎn)方向可以是順時針方向。特別地，可以相反地布置所述多個第一相間變換單 元中的相間變換單元的次級線圈，其中，沿電壓信號傳輸方向、即沿輸出的已變換第一電壓 信號的方向看，所述多個第一相間變換單元中的相間變換單元的次級線圈的繞組的旋轉(zhuǎn)方 向可以是順時針方向。特別地，每個電壓變換單元的第一輸出端可以被電連接到所述多個第一相間變換 單元中的一個的初級線圈的第一輸入接頭。特別地，所述多個第一相間變換單元中的一個 的初級線圈的輸出端可以被電連接到所述多個第一相間變換單元中的另一個的次級線圈 的輸入接頭。特別地，所述多個第一相間變換單元中的一個的次級線圈的輸出接頭可以被 電連接到負載，特別地電連接到所述多個第一相間變換單元中的所有相間變換單元的公共 負載。應(yīng)注意的是所有上述特性對于所述多個第二相間變換單元也是有效的。特別地，每個已變換電壓信號可以源自于包括兩個線圈的電信號路徑，所述兩個 線圈即所述多個第一相間變換單元中的一個相間變換單元的初級線圈和所述多個第一相 間變換單元中的另一相間變換單元的次級線圈。因此，可以生成相等的已變換第一電壓信 號，并且可以便于對已變換第一電壓信號的后續(xù)操作。此外，電源變換設(shè)備的容易且具有成本效益的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以源自于所述特定實施 例，因為根據(jù)電壓變換單元和相間變換單元的常規(guī)組件被以非常容易的方式組合。特別地， 提供其它電壓變換單元和第一相間變換單元可以在縮放(scaling)輸出額定功率時產(chǎn)生電 源變換設(shè)備的非常模塊化的布置。特別地，模塊中或公共載體上的成組的相間變換單元的 布置可以是使得能夠?qū)崿F(xiàn)整個電源變換設(shè)備的模塊化可伸縮性的有效方式。例如，附加電 壓變換單元和各組相間變換單元可以容易地連接到現(xiàn)有電源變換設(shè)備。此外，由于將被取平均值并饋送給公共節(jié)點的第一電壓信號的數(shù)目可以根據(jù)在電 源變換設(shè)備的公共負載處生成的期望額定功率而變，所以特別地當(dāng)預(yù)定應(yīng)用的額定功率增 加時，則可能必須增加提供電壓平均功能的相間變換單元的數(shù)目。因此，可以以非常容易的 方式實現(xiàn)改變期望額定功率，特別是額定功率的增加或減小。特別地，通過僅包括或刪除電 壓變換單元和相間變換單元的各模塊，可以調(diào)整所提供的功率輸出。接下來，將解釋電源變換設(shè)備的其它示例性實施例。然而，這些實施例還適用于電 源裝置。根據(jù)示例性實施例，所述電源變換設(shè)備還包括第一公共節(jié)點，其中，所述多個第一 相間變換單元中的每一個的次級線圈可以被電連接到第一公共節(jié)點。特別地，所述電源變 換設(shè)備可以包括第二公共節(jié)點，其中，所述多個第二相間變換單元中的每一個的次級線圈被電連接到所述第二公共節(jié)點。因此，可以基于相同相位的第一電壓信號來生成單相的輸 出電壓信號。此外，可以分別通過增加或減少被相互并聯(lián)地電連接的電壓變換單元的數(shù)目 來實現(xiàn)被輸入到電壓變換單元的電壓信號的放大或縮小(up or down scaling)。根據(jù)電源變換設(shè)備的示例性實施例，所述多個N個電壓變換單元中的每一個包括 第三輸出端，其中，每個電壓變換單元適合于在第三輸出端出輸出第三相位的第三電壓信 號。此外，所述電源變換設(shè)備還包括多個N個第三相間變換單元，每個包括被磁性地耦合的 初級線圈和次級線圈，其中，所述多個N個電壓變換單元中的每一個的第三輸出端被電連 接到所述N個第三相間變換單元中的不同的一個的初級線圈。此外，所述多個N個第三相 間變換單元中的每一個的初級線圈被電連接到所述多個N個第三相間變換單元中的另一 個的一個次級線圈，并且所述N個相間變換單元組中的每一個包括所述多個N個第三相間 變換單元中的一個。特別地，應(yīng)注意的是可以將所述N個相間變換單元組中的每一個以及 其相關(guān)相間變換單元組裝成一個可制造單元或模塊化單元。特別地，所述第三相位可以不同于所述第一相位和所述第二相位。例如，相移可以 是每個120°，即，分別地，第一相位可以具有到第二相位的120°或-120°的相移，而第二 相位可以具有120°或-120°的相移。特別地，所述電源變換設(shè)備可以是多相電源變換設(shè)備，其中，所述電源變換設(shè)備可 以在三個或三個以上不同的相上進行操作。特別地，所述電源變換單元可以是兩相電源變 換設(shè)備，其中，所述電源變換設(shè)備可以適合于僅在兩個相上進行操作。特別地，在物理上看， 可以被電連接到同一電壓變換單元的第一、第二、和第三相間變換單元可以被垂直地堆疊 在特定電壓變換單元下面，使得可以形成基本模塊。因此，串聯(lián)地布置此類基本模塊，可以 將基本模塊布置為相互鄰近。電壓變換單元及第一、第二和第三相間變換單元的此特定布 置還可以提高電源變換設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計的容易性。特別地，提供此類基本模塊，可以顯著 地降低制造電源變換設(shè)備的成本，因為可以在一個基本模塊中共享所有相間變換單元所需 的附加設(shè)備，例如空氣冷卻或液體冷卻接口。特別地，如果一個基本模塊的第一、第二和第 三相間變換單元的所有初級線圈和所有次級線圈的繞組的旋轉(zhuǎn)方向是統(tǒng)一的，則分別由第 一、第二和第三相間變換單元提供的三個磁路可以被相互解耦，從而實現(xiàn)預(yù)定的電磁特性， 減少信號路徑中的電損耗，同時提高電源變換設(shè)備的性能。根據(jù)示例性實施例，所述電源變換設(shè)備還可以包括第二和第三公共節(jié)點，其中，所 述多個第二相間變換單元中的每一個的次級線圈可以被電連接到所述第二公共節(jié)點，其 中，所述多個第三相間變換單元中的每一個的次級線圈可以被電連接到第三公共節(jié)點。因 此，基于相同相位的已變換第二和第三電壓信號，分別可以生成每個是單個但不同相位的 另外兩個總輸出電壓信號。此外，可以通過增加和減少被相互并聯(lián)地電連接的電壓變換單 元的數(shù)目來實現(xiàn)被輸入到電壓變換單元的電壓信號的放大或縮小。根據(jù)所述電源變換設(shè)備的示例性實施例，N等于二、三、四、或六。換言之，所述多 個第一相間變換單元、所述多個第二相間變換單元、以及所述多個第三相間變換單元中的 至少一個可以包括兩個、特別地四個、更特別地六個相間變換單元。特別地，所述多個第一 相間變換單元、所述多個第二相間變換單元和所述多個第三相間變換單元中的相間變換單 元的數(shù)目和/或電壓變換單元的數(shù)目可以彼此相等。添加其它電壓變換單元和其它第一、 第二和第三相間變換單元允許將包括此類電源變換設(shè)備的電源裝置的額定功率放大。
根據(jù)所述電源變換設(shè)備的示例性實施例，由魚尾板形成所述第一組相間變換單元 和所述第二組相間變換單元的初級線圈之間的電連接中的至少一個。特別地，可以由魚尾 板來形成布置在不同模塊上或中的相間變換單元之間的所有電連接。例如，不同的模塊可 以通過此類魚尾板相互連接。換言之，可以由魚尾板來形成所述多個第一相間變換單元中的一個的初級線圈和 所述多個第一相間變換單元中的另一個的次級線圈之間的連接、所述多個第二相間變換單 元中的一個的初級線圈和所述多個第二相間變換單元中的另一個的次級線圈之間的連接、 以及所述多個第三相間變換單元中的一個的初級線圈和所述多個第三相間變換單元中的 另一個的次級線圈之間的連接中的至少一個。特別地，可以分別由魚尾板來形成第一相間 變換單元之間、第二相間變換單元之間、和第三相間變換單元之間的所有連接。特別地，可以使用魚尾板作為被相互鄰近地布置或相互非常接近的兩個不同相間 變換單元的初級和次級線圈之間的電連接。根據(jù)所述電源變換設(shè)備的示例性實施例，由環(huán)回(loop-back)導(dǎo)線來形成所述第 一組相間變換單元和所述第二組相間變換單元的初級線圈之間的電連接中的至少一個。特 別地，可以由環(huán)回導(dǎo)線來形成布置在不同模塊上或中的相間變換單元之間的所有電連接。 例如，可以通過此類環(huán)回導(dǎo)線將不同的模塊相互連接。換言之，可以由環(huán)回導(dǎo)線來形成所述多個第一相間變換單元中的一個的初級線圈 和所述多個第一相間變換單元中的另一個的次級線圈之間的連接、所述多個第二相間變換 單元中的一個的初級線圈和所述多個第二相間變換單元中的另一個的次級線圈之間的連 接、以及所述多個第三相間變換單元中的一個的初級線圈和所述多個第三相間變換單元中 的另一個的次級線圈之間的連接中的至少一個。特別地，環(huán)回導(dǎo)線可以是基于電線連接的反饋環(huán)路。特別地，可以分別由環(huán)回導(dǎo)線 來形成第一相間變換單元之間、第二相間變換單元之間、和第三相間變換單元之間的所有 連接。特別地，可以使用環(huán)回導(dǎo)線作為未被被相互鄰近地布置或相互非常接近的兩個不同 相間變換單元的初級和次級線圈之間的電連接。根據(jù)所述電源變換設(shè)備的示例性實施例，所述第一相間變換單元中的一個的初級 和次級線圈、所述第二相間變換單元中的一個的初級和次級線圈、以及所述多個第三相間 變換單元中的一個的初級和次級線圈中的至少一個可以彼此相同。特別地，所述多個第一 相間變換單元中的每一個的初級和次級線圈可以彼此相同，所述多個第二相間變換單元中 的每一個的初級和次級線圈可以彼此相同，并且所述多個第三相間變換單元中的每一個的 初級和次級線圈可以彼此相同，特別地，所述第一、第二和第三相間變換單元的每個初級 和次級線圈可以彼此相同。特別地，繞組的數(shù)目可以是相同的。例如，每個相間變換單元的初級線圈的繞組的 數(shù)目可以相等。另外，每個相間變換單元的次級線圈的繞組的數(shù)目可以相等。替代地，只有 所述多個N個第一相間變換單元、所述多個N個第二相間變換單元和/或所述多個N個第 三相間變換單元的初級線圈和/或次級線圈的繞組的數(shù)目可以相等。換言之，一組的相間變換單元可以相等或相同。特別地，全部的多個第一相間變換 單元、和/或全部的多個第二相間變換單元、和/或全部的多個第三相間變換單元可以相同 或相等。
特別地，至少第一、第二和第三相間變換單元的相同初級和次級線圈可以促使由 所述電壓變換單元的第一、第二和第三輸出端輸出的已變換電壓信號在分別被饋送到第 一、第二和第三公共節(jié)點之前被通過兩個相同的線圈饋送。因此，在這些線圈中出現(xiàn)的電感 泄露可以是相同的，使得可以精確地確定額定輸出功率。根據(jù)電源變換設(shè)備的示例性實施例，所述多個第一、第二和第三相間變換單元中 的至少一個相間變換單元可以包括磁芯部件，在該磁芯部件處可以布置初級和次級線圈。 特別地，所述電源變換設(shè)備的每個相間變換單元可以包括磁芯部件。例如，可以相同地設(shè)計 第一、第二和第三相間變換單元。此外，至少一組相間變換單元的每個相間變換單元可以包 括磁芯部件。替代地，僅第一多個相間變換單元的相間變換單元、僅第二多個相間變換單元 的相間變換單元、和/或僅第三多個相間變換單元的相間變換單元可以包括磁芯部件。特 別地，可以將此類磁芯部件設(shè)計為矩形鐵元件，在該矩形鐵元件的相對的腿處布置初級和 次級線圈。使用磁芯部件可以增強相鄰磁耦合的線圈之間的磁通量，使得可以提高相間變 換單元的性能。接下來，將解釋電源裝置的其它示例性實施例。然而，這些實施例還適用于電源變 換設(shè)備。所述發(fā)電設(shè)備可以是風(fēng)輪機。替代地，所述發(fā)電設(shè)備可以是太陽能電池或多個太 陽能電池。因此，可以在可連接到供電網(wǎng)絡(luò)的任何類型的電源裝置中實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的示 例性方面的電源變換設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性方面，可以提供電源變換設(shè)備和包括此類電源變換設(shè)備 的電源裝置。特別地，可以提供用于橋間變壓器(IBT)的模塊布置以實現(xiàn)在不增加實際轉(zhuǎn) 換頻率的情況下增加多并聯(lián)逆變器或變換器的有效轉(zhuǎn)換頻率的好處。特別地，所述電源變 換設(shè)備和所述電源裝置可以實現(xiàn)用于各種數(shù)目的多并聯(lián)逆變器的IBT組件的標(biāo)準(zhǔn)化和模 塊化?？梢灾赖氖窃谟糜诟鞣N額定值的風(fēng)輪機的應(yīng)用中，可以使用1個IBT設(shè)計，對于 在風(fēng)輪機產(chǎn)品功率范圍內(nèi)的所有額定功率而言，采取不同的數(shù)目。IBT布置可以提供輸出 電壓，該輸出電壓可以是通過IBT連接被引入并行操作的所有逆變器相的輸出電壓的平均 值。單獨逆變器相的諧波輸出的適當(dāng)相移可以導(dǎo)致在公共節(jié)點(被連接到負載)處看到的得 到的諧波頻率沒有每個逆變器的轉(zhuǎn)換頻率的至少第一諧波分量。以4個逆變器模塊為例， 每個具有使用相互適當(dāng)?shù)叵嘁频母鱌WM (脈寬調(diào)制)信號的2. 5kHz的轉(zhuǎn)換頻率且在陣列中 用如這里所述的IBT連接在一起，其可以在輸出節(jié)點處導(dǎo)致涉及IOkHz的諧波，因此在公共 節(jié)點處實現(xiàn)2. 5 kHz,5 kHz和7. 5 kHz相關(guān)諧波的消除。IBT或電源變換設(shè)備的組織使得每個3相IBT組件可以直接與每個三相逆變器模 塊相關(guān)聯(lián)。更多的三相逆變器模塊可以直接導(dǎo)致更多的IBT組件，其全部是相同的，因此允 許系統(tǒng)級(system level)的遞增額定功率。陣列中的每個3相逆變器可以是相同的，因為 其可以是陣列中的每個3相IBT組件。將完整逆變器/IBT陣列的額定功率放大可以是添 加另一個(或多個)相同部分(section)的問題。當(dāng)以系統(tǒng)級要求一定范圍的額定功率時， 這可能具有特別的優(yōu)點。從系統(tǒng)布線的角度出發(fā)，IBT可以結(jié)合完成環(huán)回(環(huán)形)的導(dǎo)線，其 中，可以使來自陣列中的最后一個IBT的電流返回到第一 IBT。然后，可以用簡單的魚尾板 來實現(xiàn)陣列中的所有IBT之間的互連。
特別地，可以應(yīng)用此類布置的用于所有額定功率的IBT組件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。 然后，這可以提供IBT本身的生產(chǎn)中的生產(chǎn)物流和規(guī)模經(jīng)濟方面的好處，因為僅制造一個 版本。映射到相關(guān)逆變器模塊的三個單獨相所需的三個單獨功能IBT可以被集合成一 個制造組件。雖然每個IBT的磁路保持分離一因為可能必須如此以實現(xiàn)預(yù)定的電磁特性一 諸如在全部的三個IBT之間可能共享液體冷卻接口或空氣冷卻設(shè)備(provision)的其它要 求，因此，降低組件的總成本并仍具有可以應(yīng)用所述布置的用于所有額定功率的IBT的模 塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的好處。對所應(yīng)用的IBT的環(huán)狀構(gòu)造的要求可以如下可以獨立于整個陣列中的逆變器的 總數(shù)將每個逆變器相與僅兩個其它輸出相相比較。此外，可以獨立于整個陣列中的逆變器 的總數(shù)由僅兩個線圈將每個逆變器相連接到輸出節(jié)點。這可以保證對于每個相而言可以出 現(xiàn)相同的泄露(共模)電感。但進一步，所有IBT可以是相同的，并且其端子和點標(biāo)記特別 地明確是初級和次級線圈的繞組旋轉(zhuǎn)可以被設(shè)置為接納環(huán)形結(jié)構(gòu)(and their terminals and dot notation particularly in terms wining rotations of the primary and secondary coils may be set up to accommodate the ring configuration)。另夕卜，該 環(huán)形結(jié)構(gòu)可能需要支持稍后可以定義的任意數(shù)目的IBT組件。每個IBT可能必須被設(shè)置為接納該環(huán)形結(jié)構(gòu)。以下機械端子設(shè)置可以保證這一 點。此設(shè)置當(dāng)然可以在X和Y軸兩者中被鏡像，如果其接納逆變器模塊結(jié)構(gòu)的話，只要可以 相應(yīng)地改變點公約(convention)即可。這可以與更常規(guī)的IBT布置不同，由此，線圈繞組 方向可以是對角地相反的，以保證左手側(cè)和右手側(cè)的分支(limb)之間的繞組布置(旋轉(zhuǎn))一致。一個IBT包括四個端子“ a”、“b ”、“ c ”和“ d”。端子“ a”可以是“相輸出(Phase Out)”端子，因此此端子是一個相到公共相節(jié)點的輸出端。端子“b”可以是“相輸入(Phase Input)”，因此，此端子連接到逆變器。端子“C”可以是“來自前一 IBT (From previous IBT)”端子，因此，此端子必要地與前一 IBT的前一個“到下一 IBT (To Next IBT)”端子對 準(zhǔn)。端子“d”可以是“到下一 IBT (To Next IBT)”端子，因此此端子必要地與下一個IBT 的“來自前一 IBT (From previous IBT)”端子對準(zhǔn)。如上文所解釋的設(shè)置IBT端子的優(yōu)點可以是來自環(huán)形結(jié)構(gòu)的下一個逆變器的下 一組IBT由于端子“b”和“d”的結(jié)構(gòu)而可以“接合(click)”到第一個中。并且，每個逆變 器相可以通過2個線圈連接到輸出接點，與逆變器的數(shù)目無關(guān)，因為端子“a”和“b”可以被 電連接?？梢詫⒁粋€IBT組件定義為堆疊在一起的單個BIT，每個將相應(yīng)逆變器的一個相 (U、V、W)連接到下一個IBT組件。在此設(shè)置中可以包括魚尾板連接。這些可以表示形成環(huán) 形結(jié)構(gòu)的單獨IBT組件之間的互連。現(xiàn)在，由于可以已經(jīng)定義用于連接的規(guī)則和IBT組件， 所以環(huán)形結(jié)構(gòu)可以滿足要求。為了形成逆變器和IBT模塊的線性陣列，并且從電氣角度出發(fā)仍實現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)， 可以提出如所述的電源變換單元的特定布置。環(huán)回導(dǎo)線的末端連接還可以舉例說明在不打破環(huán)形結(jié)構(gòu)的情況下可以添加任意 數(shù)目的IBT組件和逆變器，只要最后一個IBT環(huán)回到第一 IBT即可。三相IBT組件可以包括第一、第二和第三相間變換單元，其中的每一個被連接到同一逆變器的第一、第二和第三 輸出端。可能需要相同三相IBT組件的多個實例，特別是4個，以實現(xiàn)完整陣列。結(jié)果，可 以提出由多個IBT組件組成的圓環(huán)(ring cycle)。提出的圓環(huán)可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)N彡3個 逆變器的并聯(lián)，因為僅對于1或2個逆變器而言可能不存在循環(huán)級聯(lián)布置方面的目的，雖然 其可能不是被禁止的。所提出的環(huán)形結(jié)構(gòu)的布局可以保證，首先，每個相被磁性地連接到其 它兩個相，其次，每個逆變器可以通過兩個線圈連接到輸出節(jié)點(因此對于所有逆變器輸出 端而言可以存在相同的泄露電感)，第三，所有IBT可以具有如上所述的相同基本布局，并且 第四，根據(jù)如上所述的原理，可以連接三個或更多IBT組件?？偨Y(jié)示例性方面可以看到，提供了一種電源變換單元，其包括多個電壓變換單元， 例如至少三個，每個包括多個輸出端，例如三個，每個輸出端適合于輸出電壓信號且每個被 耦合到被磁性地耦合到同一橋間變壓器的次級線圈的橋間變壓器的初級線圈的第一接頭， 其中，第一線圈的輸出端被連接到相繼(successive)橋間變壓器的第二接頭，其中，第二線 圈的第一接頭被連接到最終輸出節(jié)點，其中，相繼橋間變壓器是用于該布置中的最后一個 橋間變壓器的第一橋間變壓器，其中，與每個電壓變換單元有關(guān)的多個橋間變壓器的組件 被組合成一個可制造單元。橋間變壓器的此類布置還可以稱為橋間變壓器的環(huán)形結(jié)構(gòu)或循 環(huán)級聯(lián)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以從IEEE 0. 7803-3840-5/97中Gyu Park等人的“Modeling and Analysis of Multi _ Interphase Transformers for Connecting Power Converters in Parallel”獲得關(guān)于循環(huán)級聯(lián)的基本概念的附加信息。通過稍后將描述的實施例的示例，可以清楚本發(fā)明的上文定義的方面及其它方面 并且參照實施例的示例對其進行解釋。在下文中將參考實施例的示例來更詳細地描述本發(fā) 明，但本發(fā)明不限于所述實施例的示例。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電源變換設(shè)備的示意圖。圖加示出圖1中的電源變換設(shè)備的部分前視圖。圖2b示出圖1中的電源變換設(shè)備的部分側(cè)視圖。圖3示出圖1中的電源變換設(shè)備的第一相間變換單元。圖中的圖示是示意性的。應(yīng)注意的是在不同的圖中，為類似或相同的元件提供相 同的參考符號或僅在第一數(shù)字內(nèi)與相應(yīng)的參考符號不同的參考符號。
具體實施例方式通常，電源變換設(shè)備包括N個電壓變換單元和N組相間變換單元，其中的每一個包 括第一、第二和第三相間變換單元。所述N個電壓變換單元中的每一個包括第一、第二和第 三輸出端。第一、第二和第三相間變換單元中的每一個包括被相互磁性地耦合的初級和次 級線圈。所述N個電壓變換單元的第一輸出端被電連接到所述N個第一相間變換單元的不 同初級線圈。同樣地，N個電壓變換單元的第二輸出端被電連接到N個第二相間變換單元 的不同初級線圈，并且N個電壓變換單元的第三輸出端被電連接到N個第三相間變換單元的不同初級線圈。所述N個第一、N個第二和N個第三相間變換單元的每個初級線圈分別 被電連接到所述N個第一、N個第二和N個第三相間變換單元中的不同的一個的次級線圈。 所述N個第一、N個第二和N個第三相間變換單元的每個次級線圈分別被電連接到第一、第 二和第三公共節(jié)點。在電源變換設(shè)備的操作中，所述N個電壓變換單元中的每一個輸出第一、第二和 第三電壓信號，第一電壓信號的第一相位、第二電壓信號的第二相位、和第三電壓信號的第 三相位彼此不同。然而，第一電壓信號的第一相位、第二電壓信號的第二相位和第三電壓信 號的第三相位分別可以彼此相同。所述N個第一、N個第二和N個第三電壓信號被饋送到 相關(guān)的第一、第二和第三相間變換單元，使得第一相間變換單元、第二相間變換單元和第三 相間變換單元中的每一個分別生成已變換第一電壓信號、已變換第二電壓信號和已變換第 三電壓信號，其中，已變換第一電壓信號在第一公共節(jié)點處被組合，已變換第二電壓信號在 第二公共節(jié)點處被組合，并且已變換第三電壓信號在第三公共節(jié)點處被組合。下面，將解釋用于N = 4的電源變換設(shè)備。圖1示出多相電源變換設(shè)備10，0，其包括適合于將輸入AC電壓信號(未示出)轉(zhuǎn)換 成第一、第二和第三相位的第一、第二和第三電壓信號110a-C、lUa-C、114a-C、116a-C的 四個電壓變換單元102-108。出于說明的目的，將電信號路徑指示為第一、第二和第三電壓 信號110a-c、112a-c、lHa-c、116a_c。第一電壓信號IlOa包括與第二電壓信號IlOb的第 二相位和第三電壓信號IlOc的第三相位不同的第一相位。此外，第一電壓信號110a、112a、 114aU16a的第一相位、第二電壓信號110b、112b、114b、116b的第二相位和第三電壓信號 110c、112c、114c、116c的第三相位分別可以彼此相同。多相電源變換設(shè)備100還包括四組相間變換單元118-124。每組相間變換單元 118-124被關(guān)聯(lián)到并電連接到電壓變換單元102-108中的不同的一個。相間變換單元組 118-1 被串聯(lián)地布置?？梢韵嗤卦O(shè)計第一、第二、第三和第四組相間變換單元118-1 的所有變換單元。參考圖加、2b，更詳細地示出了第一電壓變換單元102和第一組相間變換單元118 的前視圖和透視后側(cè)視圖。第一組相間變換單元118包括被垂直地堆疊的第一、第二和第 三相間變換單元126a-c然而，可以以任何其它可能的結(jié)構(gòu)來布置第一、第二和第三相間變 換單元126a_c。下面，參考圖3，將解釋被關(guān)聯(lián)到第一電壓變換單元102的第一組相間變換單元 118的第一相間變換單元126a。相間變換單元126a包括第一初級和次級線圈13^、b和磁芯部件136。磁芯部件 136被設(shè)計為包括兩組相對布置的腿138a-d的矩形鐵元件。第一初級線圈13 被布置在 磁芯部件136的腿138a處，并且第一次級線圈134b被布置在磁芯部件136的相對腿138c 處。初級線圈13 和次級線圈134b被以類似于螺旋的方式設(shè)計并包括矩形繞組。初級線 圈13 的第一端部140a表示用于第一電壓信號IlOa的輸入端口。初級線圈13 的第二 端部140b表示用于到另一第一相間變換單元的次級線圈、即到第二組相間變換單元120的 第一相間變換單元128a的次級線圈的電連接的連接端子。同樣地，次級線圈134b的第一 端部14 表示用于已變換第一電壓信號的輸出端口。次級線圈134b的第二端部142b表 示用于到另一第一相間變換單元的初級線圈、即到第四組相間變換單元124的第一相間變換單元13 的初級線圈的電連接的連接端子。沿被饋送到初級線圈13 的第一端部140a 的第一電壓信號IlOa的信號傳輸方向看，初級線圈13 是沿順時針方向纏繞的。沿經(jīng)由 次級線圈134b的第一端部14 被饋送離開的已變換第一電壓信號的信號傳輸方向看，第 二線圈134b也是沿順時針方向纏繞的。再次參考圖沘，第一、第二和第三變換單元126a、b、c被布置為使得其相對于電壓 變換單元102而言是水平的以便進行布線。初級和次級線圈13^、b的端部140a、b、142a、 b被連接到適當(dāng)尺寸的魚尾板IMa-d。此外，初級和次級線圈134a、b的第一端部140a和 第一端部14 被約束(bound)布置在磁芯部件136的相同側(cè)。此外，第一初級和次級線圈 134a,b的第二端部140b和第二端部142b被約束布置在磁芯部件136的相同側(cè)，但與第一 端部140a、14 相比在磁芯部件136的不同側(cè)。如圖1所示，第一、第二、第三和第四組相間變換單元118-1 的第一變換單元 126a、128a、130a、132a 的輸出端口、即次級線圈 134b、166b、168b、170b 的第一端部 142a、 18如、186a、188a被連接到第一公共節(jié)點146。同樣地，第一、第二、第三和第四組相間變換 單元118-1M的第二相間變換單元U6b、128b、130b、132b的輸出端口被連接到第二公共節(jié) 點148。第一、第二、第三和第四組相間變換單元118-124的第三相間變換單元126c、U8c、 130c、132c的輸出端口被連接到第三公共節(jié)點150。第一、第二和第三公共節(jié)點146-150將 相同相位的已變換電壓信號152a-C、15^-C、156a-C、158a-C組合，使得產(chǎn)生三個不同相位 的三個單相輸出電壓信號(未示出)。在循環(huán)環(huán)形結(jié)構(gòu)中，第一、第二、第三和第四組相間變換單元118-1 的第一相間 變換單元U6a、128a、130a、13^i、第二相間變換單元U6b、12汕、130b、13 和第三相間變 換單元U6c、128c、130c、132c分別被彼此相連。因此，第一組相間變換單元118的第一相 間變換單元126a的第一初級線圈13 被連接到第二組相間變換單元120的第一相間變換 單元128a的次級線圈166b，因為初級線圈13 的第二端部140b被連接到次級線圈166b 的第二端部184b。此外，第二組相間變換單元120的第一相間變換單元128a的初級線圈 166a被連接到第三組相間變換單元122的第一相間變換單元130a的次級線圈168b，因為 初級線圈166a的第二端部172b被連接到次級線圈168b的第二端部186b。此外，第三組相 間變換單元122的第一相間變換單元130a的初級線圈168a被連接到第四組相間變換單元 124的第一相間變換單元13 的次級線圈170b，因為初級線圈168a的第二端部174b被連 接到次級線圈170b的第二端部188b。如上所述，通過將線圈的相應(yīng)端部連接到魚尾板來實 現(xiàn)這些連接。此外，第四組相間變換單元124的第一相間變換單元13 的初級線圈170a被連 接到第一組相間變換單元118的第一相間變換單元126a的次級線圈134b，因為初級線圈 170a的第二端部176b經(jīng)由環(huán)回導(dǎo)線190連接到次級線圈134b的第二端部142b。環(huán)回導(dǎo) 線190可以不直接連接到線圈170a、134b的端部176b、142b而是連接到插在各導(dǎo)線末端之 間的魚尾板，。如上所述從布線的角度出發(fā)，第二相間變換單元U6b、128b、130b、132b和第三相 間變換單元U6c、128c、130c、132c分別被同樣地相互耦合。在多項轉(zhuǎn)換設(shè)備100的操作中，第一、第二和第三電壓信號110a-C、112a-C、 114a_c、116a_c被饋送到第一、第二和第三相間變換單元126a_c、U8a_c、130a_c、的第一、第二、第三和第四初級線圈13如、166a、168a、170a。使用磁感應(yīng)，生成已變換電壓信 號15^i-c、lMa-c、156a-c、158a-c且將其饋送到第一、第二和第三公共節(jié)點146-150以便 隨后組合成輸出電壓信號。 最后，應(yīng)注意的是上述實施例舉例說明而不限制本發(fā)明，并且在不脫離由所附權(quán) 利要求定義的本發(fā)明的范圍的情況下本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠設(shè)計許多替換實施例。在權(quán) 利要求中，不應(yīng)將放在括號中的任何參考符號理解為限制權(quán)利要求。詞語“包括”和“包含” 等不排除除了總體上在任何權(quán)利要求或說明書中列出的那些之外的元件或步驟的存在。元 件的單數(shù)參考不排除此類元件的復(fù)數(shù)參考并且反之亦然。在枚舉多個裝置的設(shè)備權(quán)利要求 中，可以用軟件或硬件的一個并且相同的項目來體現(xiàn)這些裝置中的多個。僅僅在相互不同 的從屬權(quán)利要求中敘述某些措施這一事實并不表明不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
1.一種電源變換設(shè)備，包括多個N個電壓變換單元(102，104，106，108)，每個包括兩個輸出端，其中，每個電壓變 換單元(102，104，106，108)適合于在第一輸出端處輸出第一相位的第一電壓信號(110a， 112a, 114a, 116a)并在第二輸出端處輸出第二相位的第二電壓信號(110b，112b，114b， 116b),多個N個第一相間變換單元(U6a，128a, 130a, 132a),每個包括被磁性地耦合的初級 線圈和次級線圈，其中，所述多個N個變換單元(102，104，106，108)中的每一個的第一輸出 端被連接到所述多個第一相間變換單元(126a，128a, 130a, 132a)中的不同的一個的初級線 圈(134a，166a, 168a, 170a)，其中，所述多個第一相間變換單元(126a, 128a, 130a, 132a)中 的每一個的初級線圈(134a, 166a, 168a, 170a)被電連接到所述多個N個第一相間變換單元 (126a, 128a, 130a, 132a)中的另一個的一個次級線圈(134b, 166b, 168b, 170b),多個N個第二相間變換單元(U6b，128b, 130b, 132b)，每個包括被磁性地耦合的初級 線圈和次級線圈，其中，所述多個N個電壓變換單元(102，104，106，108)中的每一個的第二 輸出端被連接到所述多個N個第二相間變換單元(U6b，128b, 130b, 132b)中的不同的一個 的初級線圈，其中，所述多個第二相間變換單元(126b，128b, 130b, 132b)中的每一個的初級 線圈被電連接到所述多個N個第二相間變換單元(U6b，128b, 130b, 132b)中的另一個的一 個次級線圈，其中所述多個N個第一相間變換單元(126a, 128a, 130a, 132a)和所述多個N個第二相 間變換單元(126b，128b，130b, 132b)被分組成N組相間變換單元(118，120，122，124),每個 包括所述N個第一相間變換單元(U6a，128a, 130a, 132a)中的一個和所述N個第二相間變 換單元(126b，128b, 130b, 132b)中的一個，其中，N組相間變換單元中的每一個被組合在一個模塊化單元中。
2.權(quán)利要求1的電源變換設(shè)備，還包括第一公共節(jié)點，其中，所述多個第一相間變換 單元(126a，128a, 130a, 132a)中的每一個的次級線圈(134b，166b，168b，170b)被電連接到T^ 點。
3.權(quán)利要求1或2的電源變換設(shè)備，其中，所述多個N個電壓變換單元(102，104，106， 108)中的每一個包括第三輸出端，其中，每個電壓變換單元(102，104，106，108)適合于在第 三輸出端處輸出第三相位的第三電壓信號(110c，112c, 114c, 116c),其中，所述設(shè)備(100)還包括多個N個第三相間變換單元(U6c，128c，130c，132c)，每 個包括被磁性地耦合的初級線圈和次級線圈，其中，所述多個N個電壓變換單元(102，104，106，108)中的每一個的第三輸出端被電 連接到所述N個第三相間變換單元(U6c，128c, 130c, 132c)中的不同的一個的初級線圈，其中，所述多個N個第三相間變換單元(U6c，128c, 130c, 132c)中的每一個的初級線 圈被電連接到所述多個N個第三相間變換單元(U6c，128c, 130c, 132c)中的另一個的一個 次級線圈，以及其中，所述N個相間變換單元組(118，120，122，124)中的每一個包括所述多個N個第 三相間變換單元(126c，128c, 130c, 132c)中的一個。
4.權(quán)利要求3的電源變換設(shè)備，還包括第二公共節(jié)點(148)，以及第三公共節(jié)點(150)，其中，所述多個N個第二相間變換單元(1 ^b，128b, 130b, 132b)中的每一個的次級線 圈被電連接到所述第二公共節(jié)點(148)，以及其中，所述多個N個第三相間變換單元(U6c，128c, 130c, 132c)中的每一個的次級線 圈被電連接到所述第三公共節(jié)點(150)。
5.權(quán)利要求1至4中的任一項的電源變換設(shè)備，其中，N等于二、三、四、或六。
6.權(quán)利要求1至5中的任一項的電源變換設(shè)備，其中，第一組相間變換單元和第二組 相間變換單元的初級線圈之間的電連接中的至少一個由魚尾板(144a，144b，144c, 144d)形 成。
7.權(quán)利要求1至6中的任一項的電源變換設(shè)備，其中，第一組相間變換單元和第二組 相間變換單元的初級線圈之間的電連接中的至少一個由環(huán)回導(dǎo)線(190)形成。
8.權(quán)利要求1至7中的任一項的電源變換設(shè)備，其中，所述多個N個第一相間變換單 元(126a，128a, 130a, 132a)中的一個的初級和次級線圈(134b，166b，168b，170b)、所述多 個N個第二相間變換單元(U6b，128b, 130b, 132b)中的一個的初級和次級線圈、和所述多 個N個第三相間變換單元(U6c，128c, 130c, 132c)中的一個的初級和次級線圈中的至少一 個彼此相同。
9.權(quán)利要求1至8中的任一項所述的電源變換設(shè)備，其中，所述多個N個第一、N個第 二和N個第三相間變換單元(U6a_c，128a-c, 130a_c，130a_c)之中的至少一個相間變換單 元包括磁芯部件(136)，在磁芯部件(136)處布置有各初級和次級線圈(134a, 134b, 166a, 166b,168a,168b,170a,170b)。
10.權(quán)利要求1至9中的任一項的電源變換設(shè)備，其中，所述N組相間變換單元(118， 120，122，124)中的至少一個被布置在公共外殼中。
11.一種可連接到供電網(wǎng)絡(luò)的電源裝置，所述電源裝置包括用于生成電壓信號的發(fā)電 設(shè)備和權(quán)利要求1至10中的任一項的電源變換設(shè)備(100)。
12.權(quán)利要求11的電源裝置，其中，所述發(fā)電設(shè)備是風(fēng)輪機。
全文摘要
一種電源變換單元包括多個電壓變換單元，每個包括多個輸出端，每個輸出端適合于輸出電壓信號且每個被耦合到被磁性地耦合到同一橋間變壓器的次級線圈的橋間變壓器的初級線圈的第一接頭，其中，第一線圈的輸出端被連接到相繼橋間變壓器的第二接頭，其中，第二線圈的第一接頭被連接到最終輸出節(jié)點，其中，相繼橋間變壓器是用于最后一個橋間變壓器的第一橋間變壓器，其中，與每個電壓變換單元有關(guān)的多個橋間變壓器的組件被組合成一個可制造單元。
文檔編號H02M7/49GK102067431SQ200980122855
公開日2011年5月18日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者P·P·韋特, R·瓊斯 申請人:西門子公司