CN102165678A - 多电平功率转换器中使用的模块化多脉冲变压器整流器 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，***可以包括多个变压器，均提供输出到一个或多个功率单元，其中功率单元提供AC功率到负荷。每个变压器可以具有至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中每个变压器的初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的且次级绕组也是相移的。初级绕组的相移可以基于次级绕组的相移和多个变压器的数目。

Description

多电平功率转换器中使用的模块化多脉冲变压器整流器
发明背景
通常，被称为功率转换器（power converter）、倒相器（inverter）或驱动器（drive）的设备被用来提供功率给另一件设备，诸如电动机。具体地，这样的转换器(本文转换器通常用来指转换器、倒相器和驱动器)被耦合到公用设施连接（utility connection）以接收进入的输入功率，诸如三相AC功率。转换器对功率进行调整以把调整的功率信号提供给要被供电的设备。这样，至设备的进入功率可以具有改进的效率，这导致运行设备的成本得以减少。
多电平功率转换器主要由于改进的功率质量、较低的转换损耗、更好的电磁兼容性和较高的电压能力的原因而得到广泛流行。在功率转换方面的这些改进是通过使用多个电压阶梯策略达到的。一个常用的多电平倒相器拓扑是系列H-电桥倒相器，在其中多个H-电桥倒相器串联连接。由于此拓扑包含系列功率转换单元，所以可以容易地对电压和功率电平进行标量。
然而，此拓扑需要大量隔离的DC电压源来供应每个单元。常用的实践是使用隔离变压器来供应功率单元的整流器。然而，至整流器的供应电流包含许多谐波电流分量，其对于设备和功率***而言是非常烦扰的，并引起电磁干扰(EMI)。
一些***使用带有多个相移的次级绕组的单级变压器。然而，单级变压器中的谐波抵消不能被最佳化。要做到这一点的主要障碍是制造过程和较小的自由度，这是因为匝数较少，这使得它非常难于实现高效且最佳化的谐波抵消所需要的小的相移角度。
发明内容
在一个方面中，本发明是针对包括模块变压器的中等电压驱动***。该***可以包括多个变压器，均提供输出到一个或多个功率单元，其中所述功率单元提供AC功率到负荷。每个变压器可以具有至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中每个变压器的初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的，且次级绕组也是相移的。在一个实现方式中，初级绕组的相移基于次级绕组的相移和多个变压器的数目。作为一个示例，可以具有三个模块变压器，则该***用作54-脉冲变压器。在一些实现方式中，除了相移的变压器以外，还可以有一个或多个非相移的变压器以提供输出到至少一个功率单元。
本发明的另一方面是针对具有多个模块变压器的***，每个变压器包括用来接收来自公用设施连接的功率的至少一个相移的绕组初级组和多个绕组次级组。另外，该***包括功率单元，均耦合到所述模块变压器中的一个模块变压器的绕组次级组中的一个。所述功率单元被配置成使得功率单元的第一子组耦合到第一相输出线，功率单元的第二子组耦合到第二相输出线，且功率单元的第三子组耦合到第三相输出线。每个模块变压器提供输出到这三个相输出线中的一对相输出线的第一数目的功率单元和相输出线中的最后相输出线的第二数目的功率单元。而且，功率单元中的任何功率单元可以耦合到模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何。
在一个实现方式中，每个变压器提供输出到这三个相输出线中的不同对相输出线的第一数目的功率单元。例如，第一模块变压器可以提供输出到第一和第二相输出线的第一功率单元和第三相输出线的两个功率单元。
本发明的又一方面是针对具有多个变压器的***，每个变压器提供输出到耦合到至少一个相输出线且被配置成提供AC功率到负荷的至少一个功率单元。每个变压器可以包括至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中每个变压器的初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的而次级绕组相对于对应的变压器的其它次级绕组是相移的。另外，该***还包括非相移变压器以提供输出到至少一个第二功率单元。（一个或多个）这样的第二功率单元可以被配置成执行来自负荷的部分再生。为此，（一个或多个）第二功率单元包括有源前端，其耦合到其对应的（一个或多个）次级绕组的输出。控制器可以耦合到至少（一个或多个）第二功率单元以控制有源前端的切换。
在一个方面中，本发明是针对包括模块变压器的中等电压驱动***。该***可以包括多个模块变压器，均包括耦合到输入功率源的相移的初级绕组和相移的次级绕组，所述相移的次级绕组均耦合到功率单元。该***还包括耦合到负荷的不同的相输出线。这些线可以包括第一、第二和第三相输出线。第一相输出线可以具有至少第一和第二电平功率单元，其中所述模块变压器中的第一模块变压器具有耦合到第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组。类似地，第二相输出线可以具有至少第一和第二电平功率单元，其中模块变压器中的第二模块变压器具有耦合到第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组。进而，第三相输出线可以具有至少第一和第二电平功率单元，其中模块变压器中的第三模块变压器具有耦合到第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组。
在一些实现方式中，第一相输出线可以具有第三电平功率单元，其中第一模块变压器的相移的次级绕组中的至少一个相移的次级绕组耦合到第三电平功率单元。不同电平的功率单元可以具有不同的电压，其中第一电平功率单元比第二电平功率单元具有更高的电压，且第二电平功率单元比第三电平功率单元具有更高的电压。每个模块变压器可以具有相同的输出电平。
按照另一方面，本发明包括具有多个模块变压器的设备，每个模块变压器均包括接收来自公用设施连接的功率的至少一个相移的绕组初级组和多个绕组次级组。另外，可以存在多电平功率单元，其中第一电平功率单元均耦合到所述模块变压器中的至少两个模块变压器的第一多个绕组次级组而第二电平功率单元均耦合到所述模块变压器中的至少两个模块变压器的第二多个绕组次级组。在一些实现方式中，第一电平功率单元和第二电平功率单元的任何功率单元可以耦合到所述模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何。
在又一方面，***包括多个模块变压器。第一模块变压器包括耦合到电源的至少一个相移的初级绕组和均耦合到第三电平功率单元的相移的次级绕组。多个第二模块变压器均包括耦合到电源的至少一个相移的初级绕组和均耦合到第二电平功率单元的相移的次级绕组。第二模块变压器的所述相移的次级绕组中的多个相移的次级绕组是要耦合到相同的第二电平功率单元的。多个第三模块变压器均包括耦合到电源的至少一个相移的初级绕组和均耦合到第一电平功率单元的相移的次级绕组。该***可以被实施成使得第三模块变压器的多个相移的次级绕组是要耦合到相同的第一电平功率单元的。再者，与耦合到相同的第二电平功率单元的第二变压器相移的次级绕组相比，第三变压器相移的次级绕组中更多是要耦合到相同的第一电平功率单元的。
附图说明
图1是按照本发明的一个实施例的功率转换器的框图。
图2是按照本发明的另一实施例的功率转换器的框图。
图3是按照本发明的又一实施例的功率转换器的框图。
图4是功率转换器的再一实施例的框图。
图5是按照本发明的一个实施例的非对称功率转换器的框图。
图5A是按照本发明的一个实施例的非对称功率转换器的替换实现方式的框图。
图6是按照本发明的另一实施例的非对称功率转换器的框图。
图6A是按照本发明的另一实施例的非对称功率转换器的替换实现方式的框图。
图7是对于图1的模块变压器的模拟的初级和次级输出电流的曲线图。
图8是从公用设施连接到模块变压器的模拟的输入电流的曲线图。
图9是按照本发明的又一实施例的倒相器的框图。
具体实施方式
实施例可以提供具有多个相移的绕组的模块变压器以在公用设施连接达到最高的功率质量，而同时为诸如系列H-电桥倒相器之类的各种倒相器拓扑提供可缩放性和模块化。更具体地，在各种实现方式中，每个模块变压器的初级绕组和次级绕组二者可以被相移。下面将讨论这样的相移的具体实现方式。因而，每个模块变压器具有至少相对于其相邻的变压器被相移的初级绕组。
通过在次级绕组和初级绕组二者中提供适当相移的模块变压器技术，可以消除多电平倒相器的公用设施侧中的最麻烦的谐波。而且，通过提供模块变压器配置，可以消除对于可能难以制造、安装和封装的单个大变压器的需要。
在各种实现方式中，每个变压器具有至少一组初级绕组和至少一组次级绕组，其中每组对应于多相绕组(例如，三相绕组)。如本文所使用的，绕组通常可以指一组绕组(例如，耦合到三相功率单元的一组次级绕组)。初级绕组和次级绕组二者可以被相移以供最佳谐波抵消。次级和初级绕组的相移量可以按照下列公式进行计算：
其中NT是变压器模块的数目；Ndc是隔离的DC源的数目；NS是每个变压器中初级绕组数目的整数；Nph是至所述多个变压器电源的相数；αsec是每个模块中次级绕组相移；  以及αprim是每个模块中初级绕组相移。
例如，如果所需要的隔离的DC源的数目是Ndc=9，具有NT=3个变压器模块(并假设三相电源)，在每个变压器的次级绕组之间的相移可以被计算为NS=9/3=3;且αsec = 360/18= 20°。进而，初级绕组相移(每个变压器之间)可以被计算为：αprim=20/3=6.7°。
现在参照图1，示出的是按照本发明的一个实施例的功率转换器的框图。如图1所示，***100包括多个模块变压器110a-110c(一般地变压器110)。如所示出的，每个变压器110耦合到提供三相功率给变压器的公用设施连接U。进而，每个变压器110包括一初级绕组112p和多个次级绕组112s(注意，为了便于说明，这样的附图标记仅是针对第一变压器110a来指示的)。
每个初级变压器110使其初级线圈112p相对于其相邻的变压器相移，在所示出的该特定实现方式中，第一变压器110a具有其相移-6.7°的初级绕组112p，第二变压器110b具有其以0°的初级绕组112p，而第三变压器110c具有其相移+6.7°的初级绕组112p。对于此配置的相移可以使用上面的公式1-3来得到。因而，给定特定数目的DC源(即，功率单元)和变压器的给定数目NT以及电源相位，则可以确定初级和次级线圈的相移。
如在图1中进一步示出的，每个变压器110包括也被相移的多个次级绕组112s。在图1中示出的实现方式中，次级绕组中的每一个被相移20°。
次级绕组112s中的每一个的输出因而提供三相AC功率给对应的功率单元120a1-120c3。应当注意，功率单元120a1-120a3被串联耦合为相输出线P1，其提供第一相的功率到电动机130。类似地，功率单元120b1-120b3提供第二相的功率到耦合到电动机130的其相输出线P2。进而，功率单元120c1-120c3提供第三相的功率到耦合到电动机130的其相输出线P3。
模块变压器可以使用变压器制造技术和实施针对初级和次级绕组二者的各种类型的绕组设计来制造。在图1中示出的实现方式中，初级绕组包括扩展的Δ（delta）配置和标准Δ配置二者。然而，可以自由选择初级和次级绕组的连接。在各种实现方式中，希望的相移可以通过改变绕组的几何形状，例如通过调节变压器的一个或多个线圈的匝数或者相对于其它线圈的抽头来实现。通过控制线圈的匝数和它们的连接方法，可以实现给定的相移。如在图1的实现方式中所示出的，次级绕组可以包括标准Δ配置以及多边形配置，其中再次通过改变一个或多个线圈的尺寸和/或匝，可以得到不同的相移。当然，在不同的实现方式中可以使用其它配置或连接来实现希望的相移。在变压器模块的初级绕组以及次级绕组中具有相移后，制造过程可以被简化，这是因为在次级绕组中不需要实现小的相位角(例如，针对供应15个功率单元的90-脉冲变压器的4°)。在次级绕组中实现小的相移的主要障碍是在次级绕组(LV端)中相对于初级绕组(HV端)的更小的匝数。在次级绕组中较少的匝数给实现较小的相移角度以较小的自由度。
在各种实现方式中，每个模块变压器把隔离的三相功率供应给每个相输出线的相同电压的一个或多个功率单元。通过把变压器分成模块单元，对于芯子有更多的表面积，且因而它可以更有效地耗散热量。而且，每个模块芯子体积在尺寸方面可以减少，这是因为绕组窗口可能仅需要容纳每个输出相的一个或小数目的次级绕组。此外，使用模块变压器将有利于倒相器的封装。然而，为了保证等价的通量密度，芯子截面积可能与单个变压器实现方式基本上相同。再者，次级铜绕组可以具有相同的线规，这是因为电流密度将保持恒定。因此，虽然对于模块芯子而言平均通量路径可能较短，但所有的模块芯子之间的组合体积将大于单个变压器的体积。
模块化方案允许单个单元变压器被用在跨宽的电压和功率范围。通过增加模块单元的数目，按照本发明的实施例的转换器能够在较低的谐波失真的情况下以更高的电压和功率工作。模块单元可以容易地被去除以减少成本且高效地供给较低的电压。相反，常规变压器对于不同的额定值必须完全重新设计。取而代之的是，通过提供模块变压器，更多的卖主能够制造这样的较小的变压器。
按照本发明的实施例的模块变压器可以提供各种各样的好处，包括更好的谐波抵消和可靠性。至于谐波抵消的好处，这些模块变压器可以在公用设施提供改进的功率质量，这是因为通过初级绕组和次级绕组的相移，可以得到N-脉冲输出，其在公用设施电流的谐波失真小于IEEE 519标准的要求。这样的谐波电平远超过用单个变压器可能达到的，这是因为这样的***所需要的仔细的相位角度方面的机械公差引起更高的谐波失真。而且，模块变压器可以具有所有的常用的电压和电流水平，从而由于输出的平衡的原因因而抵消了谐波。
再者，模块变压器可以在可靠性方面提供了提升，这是因为单个变压器中固有的各种担心事项可以通过提供多个较小的模块变压器而得以避免。例如，关于绕组到绕组的短路的担心事项可以通过隔离在不同的模块变压器中的多个次级而得以减少。而且，可以去除诸如通过把其它绕组配置在内部绕组上而引起的集肤效应之类的热效应。再者，通过提供较小的分开的模块变压器，可以避免故障的雪崩。而且，通过具有多个变压器，在一个变压器出故障的情形下，其余的变压器可以允许***继续运行，虽然以可能较低的性能水平运行。实施例还可以包括在机构上的各种旁路或开关以使得在这样的故障的情形下，能够这样动态去除一个或多个变压器。再者，通过具有模块变压器，与具有许多次级绕组的单个变压器相比较，泄露通量被减少。较小的泄露通量将说明对铁的较佳利用和较小的芯子损耗。
如图1所示，每个变压器110具有三相输入和隔离的三相次级输出。每个变压器的初级绕组112p可以具有抽头，其使得能够实现相对于其它模块变压器110的相位旋转。这样的相位旋转可以按照上面的公式3。初级与次级之间的匝比可以针对希望的输出电压电平个别地选择。在针对非对称配置的实现方式中，对于一个或多个变压器的匝比可以是不同的，以便供应不同的输出电压。
图1还示出功率单元120中的一个的实现方式的方法。应当注意，每个这样的功率单元可以由相同的拓扑形成。具体地，功率单元120可以被耦合以接收来自给定模块变压器的进入功率，该功率经由整流器130被整流，该整流器可以由并联实现方式的二极管形成。耦合到整流器130的是功率贮存单元140，其可以包括一个或多个贮存电容器。进而，可以是所谓的H-电桥实现方式的开关级150可以包括多个开关元件Q1-Q4，其可以采取诸如绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)之类的功率晶体管的形式。开关晶体管可以由并联耦合的反二极管D1-D4保护。开关元件Q1-Q4的切换可以按照本地单元控制器160来实施，该控制器进而经由光纤接口170从***控制器接收控制信号。虽然在图1的实施例中示出了这个特定的实现方式，但本发明的范围不限于此。
在图1的示例中，每个模块变压器是18-脉冲变压器。然而，通过在模块变压器的初级绕组中施加相移，它用作54-脉冲变压器。因而，虽然仅提供了三个模块变压器，每个具有单个初级绕组和三个次级绕组，但是实现了54-脉冲变压器的谐波抵消。虽然在图1中被示为把次级绕组配置为Δ或扩展的多边形连接且把初级绕组配置为Δ或扩展的Δ连接，但本发明的范围不受如此限制。在其它实现方式中，次级和初级绕组也可以按扩展的星形、z字形、扩展的Δ和多边形配置而被连接。
而且，应当明白，在一些实现方式中，由多个模块变压器和对应的功率单元形成的倒相器可以包括至少一个未被相移的变压器。然而，从这样的未相移的变压器接收功率的功率单元可以通过使用电子装置来控制以使得能够实现相对无谐波失真的正弦波输出。因而，一些实施例可以使得能够实现有源和无源整流器的组合。即，被相移的变压器可以针对诸如二极管整流器之类的无源相位整流器而提供，而有源相移，诸如以被耦合到非相移变压器的功率单元的前端切换机构的形式，能够对倒相器实现等价的控制。因而，在这样的事例中，等价的N-脉冲倒相器可以使用相移的和非相移的变压器的组合来实现。
而且，应当明白，虽然在图1的实施例中，以三相***示出，但是模块变压器可以被用在各种多相***中，诸如具有大于三相的***(在输入端和输出端二者)，诸如五相、六相、九相、等等。在这样的***中，可以实施变压器和功率单元的类似配置。
现在参照图2，示出的是按照本发明的另一实施例的功率转换器的框图。如图2中所示，***200包括四个模块变压器210a-210b，每个变压器具有单个初级绕组212p和三个次级绕组212s。在图2的实现方式中，初级绕组可以相对于彼此相移50，且每一个可以由扩展的Y配置形成。应当注意，在图2中针对初级绕组示出的相移是这样的：在模块变压器之间(即，中间两个模块变压器之间)的实际中点，可以是0°相移，因此中间两个变压器的初级绕组的相移分别为+2.5°和-2.5°。
进而，每个变压器的次级绕组212s可以具有20°的相移且可以以Y或扩展的Y配置而形成。因而，在***200中，模块变压器210a-210d可以供电给12个隔离的DC源，即，功率单元220a1-220c4。在图2的实施例中，可以以与图1的功率单元的适配相同地适配每个功率单元。因而，在图2的实现方式中，该***可以用作72-脉冲变压器。应当注意，在图2的实现方式中所选择的相位角可以按照公式1-3来确定，因此，NS是3，αsec是20°，以及αprim是5°。
现在参照图3，示出的是按照本发明的又一实施例的功率转换器的框图。如图3中所示，***300包括三个模块变压器310a -310c。每个变压器包括单个初级绕组312p和四个次级绕组312s。在所示出的实现方式中，初级绕组可以是Y或扩展的Y配置而次级绕组可以是扩展的Y配置或任何其它配置。如图3的实现方式中所示，每个变压器的至少两个次级绕组可以耦合到单个相输出线的多个功率单元。例如，变压器310a的两个次级绕组可以被耦合到功率单元320a1和320a2。变压器310a的其余两个次级线圈可以均耦合到另外两个相线的相应功率单元(即，功率单元320b1和320c1)。虽然示出有这个特定实现方式，但是线圈可以以任何方式被连接到不同的功率单元。因而，次级绕组与功率单元之间的连接可以根据需要进行交换。这确实是如此，这是因为在各种实现方式中，功率单元可以具有相同的配置，且因而可以从任何给定的次级绕组接收功率。也就是说，功率单元320中的任何功率单元可以由任何变压器310的一个或多个次级绕组供电，因此可以实现完全的可互换性，这是因为来自模块变压器中的任何模块变压器的任何次级输出(在任何相)可以被提供给任何给定的功率单元。功率电源到功率单元的可互换性可以通过平衡要被供应到功率单元所需要的功率来实现。在图3的实现方式中，通过给12个单独的功率单元供电的三个模块变压器，再次实现了72-脉冲变压器。如上所述，每个功率单元320可以以与相对于图1所描述的那样相同地进行适配。
现在参照图4，示出的是功率转换器的再一实施例的框图。在此实现方式中，可以存在五个模块变压器410a-410e，每个变压器的初级绕组412p具有4°的相移。进而，每个模块变压器可以具有三个次级绕组412s，其具有20°相移。实际上，***400可被安排成类似于图1的***，其中添加了多两个的模块变压器，因此可以给对与功率单元420a1-420c5对应的15个隔离的DC源供电。
实施例还可以应用到非对称级联多电平倒相器。图5是每相具有三个功率单元520a1-520c3的非对称级联倒相器500的框图。在图5中，至倒相器的输入功率电源由三个模块变压器实施，其中每个变压器510a-510c具有七个次级绕组512p。隔离的DC源的总需要数目Ndc是21，因此NS是7。然后按照公式1-3，αsec =360/42=8.57°， 以及αprim  =8.57/3 = 2.86°。
如图5中所示，可以是Y或扩展的Y配置的相移的初级绕组512p均可以耦合到七个次级绕组512s，其可以由Y或扩展的Y配置形成。如所示出的，每个变压器的多个次级绕组可以耦合到每个相输出线的第一功率单元，其可以是高电压单元520a1(和520b1和520c1)。每个变压器的较小数目的次级绕组可以耦合到每个相输出线的第二功率单元，其可以是对应的中等电压单元520a2(和520b2和520c2)。最后，每个变压器的单个次级绕组可以耦合到每个相输出线的对应的低电压功率单元(即，520a3-520c3)。这种配置将生成多个电压电平或较小的电压谐波给电动机。虽然在图5的实施例中示出了这个特定的实现方式，但应当明白，变压器的不同数量的次级绕组可以耦合到不同的功率单元。
图5还示出了针对实施例中存在的每个不同非对称类型的功率单元的框图。如所示出的，高电压单元(例如，520a1)包括整流器堆540、贮存级550和开关级560。应当注意，在图5的实施例的此高电压单元中存在四个串联耦合的整流器二极管以提供高电压输出。在各种实现方式中，图5的示意图中示出的每个整流器二极管可以被实施为单个整流器二极管，其可以是半波、全波整流器或任何其它拓扑。应当注意，在图5的实施例中，高电压单元520a1的每个整流器二极管被耦合以从一组次级绕组接收进入的功率。也就是说，每个整流器二极管与单个次级绕组相关联。通过使用多个这样的整流器二极管，可以达到更好的功率平衡。在6600 V中等驱动器的一个特定实施例中，高电压单元可以输出0与2178伏之间的电压。而且，虽然为了说明方便被示为单个H电桥，但在一些实施例中，高电压单元可以使用诸如三电平H电桥配置之类的多电平H电桥配置来形成。进而，中等电压单元(例如，如用520a2表示的)包括类似的但较小的整流器二极管堆540(其中每个整流器二极管仍旧耦合到单组次级绕组)、贮存级550、和开关级560。在6600 V中等驱动器的相同的特定实施例中，中等电压单元可以输出0与1089伏之间的电压。诸如用功率单元520a3表示的低电压单元包括类似的部件。然而，如图5中所示，在一些实施例中，其整流器级可以仅仅使用耦合到一组次级绕组的单个整流器二极管来实现。在一个特定实施例中，低电压单元可以输出0与544伏之间的电压。所以，按照图5的、供应到电动机的总电压将是3810伏每相或6600伏线间电压。因而，在图5的实现方式中，相对较小的模块变压器可以被提供以相等的电压，其中，每个电压电平功率单元的整流器的数目对应于被耦合到该电压电平单元的次级绕组的组数。通过使用诸如图5的配置之类的非对称配置，更高的功率输出可以被提供给电动机530。再者，通过使用到功率单元的多个功率电源和在初级绕组与次级绕组中的相移，至驱动器的输入电流包含较少的谐波分量。驱动器的此功率质量是通过在变压器模块的初级绕组和次级绕组中实施相移来抵消谐波分量而达到的。虽然图5中示出的具体配置把每个模块变压器与单个相输出线的功率单元相关联，但本发明的范围并不限于此。而且，虽然被显示为三电平倒相器，但是在给定的实现方式中，可能存在更多或更少的非对称电平。
图5A示出了使用三个模块变压器的非对称倒相器500’的替换实现方式。在此实现方式中，每个模块变压器的绕组的次级组已经可交换地耦合到三个不同电平的功率单元中的各种功率单元。例如，第一电平功率单元520a1耦合到第一变压器510a和第二变压器510b二者的绕组次级组。类似地，第二电平功率单元520a2耦合到第二变压器510b和第三变压器510c二者的绕组次级组。第三电平功率单元520a3耦合到第三变压器510c的绕组次级组。其它相线包括类似耦合的功率单元。虽然通过此特定实现方式被示出，但是其它实现方式可以提供变压器中任何变压器的绕组次级组与功率单元中的任何功率单元之间的不同的可交换性连接。而且，应当明白，虽然在图5的实施例中以三相***被示出，但是非对称的模块变压器可以被用于各种多相***中，诸如具有大于三相的***(在输入端和输出端二者)，诸如五相、六相、九相等等。在这样的***中，可以实施类似配置的变压器和功率单元。
现在参照图6，示出的是按照本发明的另一实施例的非对称功率转换器的框图。如图6中所示的***600包括七个模块变压器610a-610g。隔离的DC源的总需要数目(Ndc)是21，所以NS是3。然后，按照公式1-3，αsec =360/18=20°，以及αprim=20/7=2.86°。
如在此实现方式中示出的，多个模块变压器的次级绕组612s可以耦合到相同的相输出线。
具体地，如图6所示，***600包括不同电压电平的功率单元，其包括第一组高电压功率单元620a1-620c1、第二组中等电压功率单元620a2-620c2和第三组低电压功率单元620a3-620c3，它们被耦合以为电动机630提供功率。正如所看到的，不同变压器的不同数目的次级线圈耦合到这些功率单元中的每一个。在图6的特定实现方式中，模块变压器610a-610d具有耦合到高电压功率单元620a1-620c1的次级绕组，而模块变压器610e和610f具有耦合到中等电压功率单元620a2-620c2的次级绕组。最后，模块变压器610g具有其耦合到低电压功率单元620a3-620c3的次级绕组。模块变压器的初级绕组612p可以按Δ或扩展的Δ配置来形成，而次级绕组612s可以按Δ或扩展的多边形配置来形成，不过本发明的范围并不限于此。正如在图6中看到的，非对称功率单元的配置可以与上面相对于图5描述的那些配置相同。
图6A示出了图6的实施例的替换实现方式600’，其中七个变压器耦合到这三个相线的三个功率电平单元。如在图6A的实现方式中示出的，第一到第四变压器610a-610d均耦合到第一电平功率单元620a1-620a3。进而，第五和第六变压器610a-610d耦合到第二电平功率单元620a2-620c2。最后，第七变压器510g具有耦合到第三电平功率单元620a3-620c3中的每一个的绕组次级组。再次地，图6A中示出的这些可交换的配置是示例，且可以对其它的实现方式进行不同地配置。
图7示出了对于图1的变压器110a的模拟的初级和次级输出电流。值假设针对1000马力电动机的4160伏倒相器。进而，图8示出了从公用设施连接到模块变压器的模拟的输入电流。通过在初级绕组和次级绕组中提供相移，更多的谐波可以被抵消，因此总的谐波失真(THD)可以被降低。通过使用如在图1中解释的模块变压器技术，至变压器的输入电流的总谐波失真约为4.5%，其完全满足IEEE 519标准的要求。然而，在初级绕组中不实施相移的情况下，输入电流的总谐波失真将处于7.1%左右。这些数字显示了对于初级绕组不带有相移的单个变压器的重大改进。注意至图8中示出的***的输入电流与至如图7中所示出的每个模块变压器的初级绕组的输入电流之间的电流的差。通过连接多个模块变压器，在更多的谐波电流被抵消时，功率因数也得到改进。每个模块变压器的初级将携带近似三分之一的总输入电流到驱动器。因而，在各种实施例中，通过在模块变压器的初级和次级二者上提供带相移的绕组，其中相移是按照上面的公式1-3的，可以实现在变压器的输入端上的最佳谐波抵消。因此，不仅仅谐波被减少了，而且它们被减少到最佳电平，即，变压器实现方式的合理成本尽可能低。
如上所提及，在其它实现方式中，在倒相器中可以存在有源和无源相移的组合。现在参照图9，示出的是按照本发明的又一实施例的倒相器的框图。更具体地，图9示出了用于三相电动机的、具有部分再生（partial regeneration）能力的对称级联的中等电压倒相器的实现方式。如图9所示，倒相器900可以包括具有既通过对初级绕组进行相移又通过对次级绕组进行相移而实现的无源相移的模块变压器910b和910c。再者，可以提供不带有相移的至少一个其它的模块变压器910a。然而，此模块变压器的输出可以被提供给与其它功率单元不同的配置的功率单元。具体地，这些功率单元920a1-920c1可以是具有有源前端的可再生的功率单元，例如借助于IGBT 905实施的。当这些前端IGBT因此被控制时，实现了在干线侧具有最小谐波失真的相对纯的正弦波电流(即，至功率单元的输入电流)。
无论如何，给其它功率单元供应功率的初级和次级变压器模块910b和910c的绕组组可以被相移，以使得干线电流中的谐波最小化。在此示例中，Ndc=6且TT=2，所以Ns=3。由于Nph=3，αprim=20°和αsec =10°。因而在图9的实施例中，等价的36-脉冲变压器可以使用具有相移的初级绕组的两个18-脉冲变压器910b和910c来实现。然而，对于变压器模块910a而言并不需要相移，这是因为功率单元的电子控制的有源前端905对于公用设施将抽取出几乎纯的正弦波电流。
而且，通过提供有源前端，此实现方式提供了部分再生的能力。当然，使用有源和无源变压器的不同的组合以及用于有源地控制一个或多个功率单元的控制装置的其它实现方式也是可能的。应当注意，在图9的实施例中，可以是本地控制器或主控制器的控制器980可以耦合到功率单元(注意，为了容易说明，图9中未示出所述连接)。而且，此控制器可以提供对功率单元920a3-920c3的前端IGBT的有源切换的控制，使得能够得到纯净的正弦波输出以及使得能够实现部分再生模式。
虽然相对于有限数目的实施例已经对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将意识到根据其的众多的修改和变化。意图是所附权利要求覆盖落入本发明的真实的精神和范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
多个变压器，均用以提供输出至多个功率单元中的至少一个，所述功率单元被配置成提供AC功率到负荷，所述多个变压器中的每一个包括：
至少一个初级绕组和多个次级绕组，其中所述变压器中的每一个的至少一个初级绕组相对于其相邻的变压器是相移的，且所述多个次级绕组相对于对应的变压器的其它次级绕组是相移的，其中所述至少一个初级绕组的相移基于所述次级绕组的相移和所述多个变压器的数目。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个初级绕组的相移是按照αsec/Nt的，其中Nt是所述多个变压器的数目，而αsec对应于在对应的变压器的所述次级绕组中的两个次级绕组之间的相移且是按照360/2NphNs的，其中Nph是至所述多个变压器的电源的相数而Ns是在所述变压器的每一个中的次级绕组的整数。
3.如权利要求2所述的设备，其中每个变压器的次级绕组的数目是按照Ndc/Nt的，其中Ndc是耦合到所述多个变压器的所述多个功率单元的数目。
4.如权利要求1所述的设备，还包括非相移的变压器，其用以提供输出到至少一个第二功率单元。
5.如权利要求1所述的设备，其中，第一变压器的多个次级绕组耦合到第一功率单元且所述第一变压器的至少一个次级绕组耦合到第二功率单元，以及所述第一功率单元和所述第二功率单元是非对称的，且其中所述第一变压器的至少一个其它次级绕组耦合到第三功率单元。
6.一种***，包括：
多个模块变压器，均包括用以从公用设施连接接收功率的至少一个相移的绕组初级组和多个绕组次级组；以及
多个功率单元，均耦合到所述模块变压器中的一个模块变压器的绕组次级组中的一个，其中所述功率单元的第一子组耦合到第一相输出线，所述功率单元的第二子组耦合到第二相输出线，而所述功率单元的第三子组耦合到第三相输出线，以及其中每个模块变压器提供输出到这三个相输出线中的一对相输出线的第一数目的功率单元和所述相输出线中的最后一个相输出线的第二数目的功率单元，其中所述第一数目的功率单元和所述第二数目的功率单元是不同的，且其中所述多个功率单元中的任何功率单元可以耦合到所述多个模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何绕组次级组。
7.如权利要求6所述的***，其中每个模块变压器提供输出到这三个相输出线中的不同对相输出线的第一数目的功率单元。
8.如权利要求6所述的***，其中所述相移的绕组初级组的相移是按照αsec/Nt的，其中Nt是所述多个模块变压器的数目，而 αsec与对应的模块变压器的绕组次级组的相移相对应且基于耦合到所述模块变压器的公用设施连接的相数和每模块变压器的绕组次级组的数目，所述绕组次级组的数目进而基于所述功率单元的总数目和Nt。
9.如权利要求8所述的***，其中αsec是按照360/2 Nph Ns的，其中Nph是至所述多个模块变压器的公用设施连接的相数，且Ns是在所述模块变压器中的每一个的绕组次级组的整数。
10.一种***，包括：
多个模块变压器，均包括耦合到输入功率源的相移的初级绕组和均耦合到功率单元的多个相移的次级绕组；
第一相输出线，其具有至少第一电平功率单元和第二电平功率单元，其中所述模块变压器中的第一模块变压器具有耦合到所述第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到所述第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组；
第二相输出线，其具有至少第一电平功率单元和第二电平功率单元，其中所述模块变压器中的第二模块变压器具有耦合到所述第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到所述第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组；以及
第三相输出线，其具有至少第一电平功率单元和第二电平功率单元，其中所述模块变压器中的第三模块变压器具有耦合到所述第一电平功率单元的第一多个相移的次级绕组和耦合到所述第二电平功率单元的第二多个相移的次级绕组。
11.如权利要求10所述的***，其中所述第一相输出线具有第三电平功率单元，且其中所述第一模块变压器的相移的次级绕组中的至少一个耦合到所述第三电平功率单元，所述第一电平功率单元比所述第二电平功率单元具有更高的电压，且所述第二电平功率单元比所述第三电平功率单元具有更高的电压，以及其中所述多个模块变压器中的每一个具有相同的输出电平。
12.如权利要求10所述的***，其中所述第一电平功率单元包括整流器堆，其与所述第二电平功率单元的整流器堆相比具有更大数目的二极管，以及其中所述第一功率单元中的每个二极管耦合到所述第一多个相移的次级绕组中的一个相移的次级绕组。
13.如权利要求10所述的***，其中所述相移的初级绕组的相移是按照αsec/Nt的，其中Nt是所述多个模块变压器的数目，而αsec与对应的模块变压器的所述相移的次级绕组中的两个相移的次级绕组之间的相移相对应且是按照360/2Nph Ns的，其中Nph是所述输入功率源的相数而Ns是在所述模块变压器的每一个中的所述相移的次级绕组的整数。
14.一种设备，包括：
多个模块变压器，均包括从公用设施连接接收功率的至少一个相移的绕组初级组和多个绕组次级组；
多个第一电平功率单元，均耦合到所述模块变压器中的至少两个模块变压器的第一多个绕组次级组，其中所述第一电平功率单元中的第一个耦合到第一相输出线，所述第一电平功率单元中的第二个耦合到第二相输出线，而所述第一电平功率单元中的第三个耦合到第三相输出线；以及
多个第二电平功率单元，均耦合到所述模块变压器中的至少两个模块变压器的第二多个绕组次级组，其中所述第二电平功率单元中的第一个耦合到所述第一相输出线，所述第二电平功率单元中第二个耦合到所述第二相输出线，而所述第二电平功率单元中的第三个耦合到所述第三相输出线，其中所述第一电平功率单元和所述第二电平功率单元中的任何功率单元可以耦合到所述多个模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何绕组次级组。
15.如权利要求14所述的设备，还包括多个第三电平功率单元，均耦合到所述模块变压器中的至少一个模块变压器的绕组次级组中的至少一个绕组次级组，其中所述第三电平功率单元中的第一个耦合到所述第一相输出线，所述第三电平功率单元中的第二个耦合到所述第二相输出线，且所述第三电平功率单元中的第三个耦合到所述第三相输出线，其中所述第三电平功率单元中的任何功率单元可以耦合到所述多个模块变压器中的任何模块变压器的绕组次级组中的任何绕组次级组。
16.如权利要求14所述的设备，其中所述第一电平功率单元包括第一多个整流器，均耦合到所述绕组次级组中的一个，以及所述第二电平功率单元包括第二多个整流器，均耦合到次级绕组组中的一个，所述第二多个整流器少于所述第一多个整流器。
17.如权利要求14所述的设备，其中所述模块变压器中的第一组具有耦合到所述第一电平功率单元中的每一个的其绕组次级组中的至少一个，且所述模块变压器中的第二组具有耦合到所述第二电平功率单元中的每一个的其绕组次级组中的至少一个。
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