多级高速可调速驱动装置制造方法及图纸

一种多级高速可调速驱动装置具有：多个模块化多级3相反相器桥接器，其中所述多级3相反相器桥接器以基频f操作，其中所述多级3相反相器桥接器包含至少三级，其中所述多级3相反相器桥接器以9到21倍的脉宽调制(PWM)模式操作或以基频模式(FFM)操作，其中反相器换相频率等于所述基频，其中所述多级3相反相器以分裂相操作，使得一个群组从另一群组移位角度θ＝60/q，其中阶n的谐波分量在群组之间的相移位θn为nθ/q；高速多相电动机，所述高速多相电动机的相布置在q个3相群组中；以及用于拦截选定谐波群组同时使处于基频f的分量通过的电磁构件，其中所述电磁构件包含由磁芯链接的携载电动机电流的线圈，其中所述电磁构件插入于所述多个模块化多级3相反相器桥接器与所述高速多相电动机之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多级高速可调速驱动装置
本专利技术大体上涉及可调速驱动电路和方法，且更具体地说，涉及多级高速可调速驱动电路和方法。甚至更具体地说，本专利技术涉及用于驱动高速中电压电动机的多级高速可调速驱动电路和方法。
技术介绍
用于天然气管道和处理应用的离心压缩机分别在范围介于5,000到20,000RPM的速度、从25到2MW的功率电平下操作，其中较低速度与较高功率电平相关联，且反之亦然。通常，当这些压缩机是以电气方式驱动的压缩机时，电动机是最大3600RPM的通过到压缩机的增速变速箱驱动的低速50或60Hz电动机。近年来，人们对可以直接驱动气体压缩机的高速电动机产生了很大兴趣，从而消除了变速箱。在任一情况下，通常都需要可调速驱动装置(ASD)来驱动电动机，这主要是因为负载惯性很高，且难以跨越电源线直接起动，且其次是因为在压缩机由电动机驱动的情况下，ASD准许在不存在与节流相关联的能量损耗的情况下变化气体流动。大部分市售ASD解决方案，尤其是大型中电压(MV)(介于2.4kV与13.8kV之间的电压)ASD被设计成用于以不超过50或60Hz操作的较低速电动机。因此，控制和切换装置技术被调适成满足此较低速细分市场的需要。实际上，当基频超出200Hz时，用脉宽调制(PWM)合成正弦电压的普通方法在常规三相ASD的情况下会遇到限制，这是因为PWM通常需要半导体装置在基频的九倍或更多倍或1.8kHz下进行切换。当利用MV输出所需类型的半导体(例如，>1700VIGBT)时，所述问题变得更加困难，这是由于其可能限于少到900Hz的切换频率。(注意：近年来发布的关于MV驱动装置的供应商数据将示出对120到200Hz基频的限制。)任何此类ASD的关键要求为电动机中的谐波失真保持为极低水平(<<5％THD)。这是因为电动机绕组的电阻随交流电(AC)频率而增大，且在高速电动机设计的情况下，通过将谐波降到最低来避免损耗是组合电动机与反相器的关键要求。图1示出此现有技术中描述的具有过量比例的第5和第7谐波失真的电流波形。重要目标为消除此类谐波，从而可以切实可行的方式将此系统应用于高功率、高速(>3600RPM)电动机。
技术实现思路
本专利技术的若干实施例通过提供多级高速可调速驱动装置有利地解决了上文需求以及其它需求。根据一个实施例，本专利技术为一种系统，其包括：多个模块化多级3相反相器桥接器，其中多个q个多级3相反相器桥接器以基频f操作，其中q是范围介于2到5的整数或可以下文所描述的方式付诸实践的任何数目，其中多级3相反相器桥接器包含至少三级，其中多级3相反相器桥接器以最小调制频率为基频9倍的脉宽调制(PWM)模式操作或其以基频模式(FFM)操作，其中此模式中的反相器换相频率等于基频，其中q个多级3相反相器以分裂相操作，使得一个群组从另一群组移位相角θ＝60°/q，其中群组之间的相移位θn为nθ/q，其中n为谐波阶数；高速多相电动机，其相布置在q个3相群组中；以及用于拦截选定谐波群组同时使处于基频f的分量通过的电磁构件，其中电磁构件包含由磁芯链接的携载电动机电流的线圈，其中电磁构件插入于多个q个模块化多级3相反相器桥接器与高速多相电动机之间。附图说明根据以下结合以下图式呈现的更特定描述，将更加显而易见本专利技术的若干实施例的上文和其它方面、特征和优势。图1是电动机绕组电流随时间推移的曲线图，其示出了此现有技术中具有过量比例的第5和第7谐波失真的可调速驱动装置的效果。图2是根据本专利技术的一个实施例的多级高速可调速驱动装置的框图。图3是图2的多级高速可调速驱动装置的示意图。图4是线间电压在一个基波循环内的曲线图，其示出了如由图2的多级高速可调速驱动装置生成的在额定操作条件下的线间电压。图5是图2的多级高速可调速驱动装置的相间变压器的Z形配置的示意图。图6是说明来自图2的多级高电压可调速驱动装置的每一反相器的均衡电压和假定电流的向量图。图7和8是说明由图2的多级高电压可调速驱动装置的谐波拦截器生成的第5和第7谐波电压和分别为正和负的相序列的相量图。图9是电动机线间电压在一个基波循环内的曲线图，所述曲线图是在施加来自图2的多级高电压可调速驱动装置的反相器的具有图7和8的电压的谐波拦截器之后获得。图10是相间变压器图5的替代实施例的示意图。图11是图5的相间变压器的又一替代实施例的示意图。图12是图5的相间变压器的九相实施例的示意图。图13是图1的系统的十二相实施例的框图。对应附图标记在图式的若干视图中始终指示对应组件。熟练的技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行说明，且未必按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件夸示以有助于改进对本专利技术的各种实施例的理解。并且，通常未描绘在商业可行的实施例中有用或必需的常见但众所周知的元件，以便呈现本专利技术的这些各种实施例的遮挡较少的视图。具体实施方式以下描述不应以限制性意义来理解，而应理解为仅仅是出于描述示范性实施例的一般原理的目的。应参考权利要求书来确定本专利技术的范围。贯穿本说明书对“一个实施例”、“一实施例”或类似语言的参考意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本专利技术的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书出现的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”和类似语言可以(但未必)全部指代同一实施例。本专利技术的实施例通过以基频模式(FFM)操作三级或多级反相器消除了许多可调速驱动装置(ASD)设计的典型基频障碍，在所述模式中反相器以极高效率(通常大于99.4％)产生准矩形可变电压波。在FFM中，反相器每基频循环仅切换一次换相。此FFM输出电压在输出电压中具有高百分比的第5、第7和其它谐波。如果此电压被直接施加到永磁(PM)电动机或感应电动机，那么所得非正弦电流将导致电动机转子发生过量损耗，从而降级效率且可能使电动机过热。额外副作用将为产生振动扭矩或扭矩波动，其在与机械谐振一致的频率的情况下会毁坏电动机轴和/或耦接件。本专利技术的重要目标为耦合FFM反相器的输出，以便减少或消除电动机中的低阶谐波和上文所描述的副作用。这样做有助于高电压、高功率反相器的设计，而无需串联连接较低电压半导体开关。替代地，反相器在无需串联连接众多反相器桥接器的AC输出的情况下起作用，所述串联连接必定需要众多个别地隔开的DC源，正如美国专利第5,625,545号的常见级联H桥(CHB)型反相器电路中所需要。实际上，在本专利技术中体现的付诸实践中，可以将控制器制成为六相，而非其它现有技术(例如，赛宾等人的美国专利第2008/010362号)中描述的较复杂十二相系统。这样能将复杂性降到最低并增大可靠性。首先参看图2，示出了根据本专利技术的一个实施例的多级高速(>3600RPM)可调速驱动装置的框图。示出了第一多级3相电压馈送反相器2和第二多级3相电压馈送反相器4、第一DC电源1、第二DC电源3、相间变压器5和六相电动机6。第一DC电源1耦合到第一3相电压馈送反相器2，且第二DC电源3耦合到第二3相电压馈送反相器4。第一3相电压馈送反相器2和第二3相电压馈送反相器4分别耦合到相间变压器5的第一和第二输入端子。相间变压器5的输出端子耦合到六相电动机6的相应3相绕组。第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：多个模块化多级3相反相器桥接器，其中所述模块化多级3相反相器桥接器以基频f操作，其中所述模块化多级3相反相器桥接器包含至少三级，其中所述模块化多级3相反相器桥接器以9到21倍的脉宽调制(PWM)模式中的一种操作和以基频模式(FFM)操作，其中反相器换相频率等于所述基频，其中所述模块化多级3相反相器以分裂相操作，使得一个群组从另一群组移位角度θ＝60°/q，其中阶n的谐波分量在群组之间的相移位θn为nθ/q；高速多相电动机，所述高速多相电动机的相布置在q个3相群组中；以及用于拦截选定谐波群组同时使处于基频f的分量通过的电磁构件，其中所述电磁构件包含由磁芯链接的携载电动机电流的线圈，其中所述电磁构件插入于所述多个模块化多级3相反相器桥接器与所述高速多相电动机之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.11 US 15/067,4481.一种系统，包括：多个模块化多级3相反相器桥接器，其中所述模块化多级3相反相器桥接器以基频f操作，其中所述模块化多级3相反相器桥接器包含至少三级，其中所述模块化多级3相反相器桥接器以9到21倍的脉宽调制(PWM)模式中的一种操作和以基频模式(FFM)操作，其中反相器换相频率等于所述基频，其中所述模块化多级3相反相器以分裂相操作，使得一个群组从另一群组移位角度θ＝60°/q，其中阶n的谐波分量在群组之间的相移位θn为nθ/q；高速多相电动机，所述高速多相电动机的相布置在q个3相群组中；以及用于拦截选定谐波群组同时使处于基频f的分量通过的电磁构件，其中所述电磁构件包含由磁芯链接的携载电动机电流的线圈，其中所述电磁构件插入于所述多个模块化多级3相反相器桥接器与所述高速多相电动机之间。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：所述电磁构件，其中所述电磁构件对于基频f下的电流和f＝6k+/-1(k为偶数)下的所有频率分量呈现最小第一阻抗，且对于f＝6k+/-1(k为奇数)下的所有频率分量呈现较大第二阻抗(20pu或更大)，其中所述第一阻抗低于0.1pu，且其中所述第二阻抗高于10pu。3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：所述电磁构件，其中所述电磁构件包括由所述磁芯联接的多个线圈，其中所述磁芯包括3个支路，其中A相绕组包括所述多个匝中的第一个与所述多个匝中的第二绕组的串联组合，其中所述多个匝中的所述第一个在所述支路中的第二个上，且所述多个匝中的所述第二个在所述支路中的第一个上，其中所述多个匝中的所述第一个与所述多个匝中的所述第二个反向定向，其中B相包括所述多个匝中的第三个与所述多个匝中的第四个的串联组合，其中所述多个匝中的所述第三个在所述支路中的第三个上，且所述多个匝中的所述第四个在所述支路中的所述第二个上，其中所述多个匝中的所述第三个与所述多个匝中的所述第四个反向定向，其中C相包括所述多个匝中的第五个与所述多个匝中的第六个的串联组合，其中所述多个匝中的所述第五个在所述支路中的所述第一个上，且所述多个匝中的所述第六个在所述支路中的所述第三个上，其中所述多个匝中的所述第五个与所述多个匝中的所述第六个反向定向，其中D相包括所述多个匝中的第七个，其中所述多个匝中的所述第七个在所述支路中的所述第一个上，其中E相包括所述多个匝中的第八个，其中所述多个匝中的所述第八个在所述支路中的所述第二个上，其中F相包括所述多个匝中的第九个，其中所述多个匝中的所述第九个在所述支路中的所述第三个上。4.根据权利要求3所述的系统，进一步包括：所述电磁构件，其中所述电磁构件包括由所述磁芯联接的所述匝，其中所述磁芯具有3个支路，且其中所述电磁构件是链接的，使得相A具有分别链接磁芯支路1和磁芯支路2的呈反向定向的两个串联连接的匝N1和N2，相B具有链接磁芯支路3和所述磁芯支路2的呈反向定向的两个额外连接的匝，且相C具有链接所述磁芯支路3和所述磁芯支路1的呈反向定向的两个另外连接的匝，其中所述匝的匝数比在N1/N2＝0.2680的+/-1％内。5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：所述电磁构件，其中所述电磁构件包括由所述磁芯联接的所述匝，其中所述磁芯具有所述三个支路，且其中所述磁芯是链接的，使得相D具有分别链接所述磁芯支路3和所述磁芯支路1的呈反向定向的两个添加的串联连接的匝N3和N4，相E链路具有分别链接所述磁芯支路1和所述磁芯支路2的呈反向定向的两个另外添加的串联连接的匝，且相F具有分别链接所述磁芯支路2和所述磁芯支路3的呈反向定向的两个额外添加的串联连接的匝，其中所述匝的另一匝数比在N3/N4＝0.2680的+/-1％内。6.根据权利要求3所述的系统，进一步包括：所述多...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治·托马斯·圣马丽亚，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US