專利名稱：設(shè)計(jì)多繞組設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)多繞組設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
本申請公開了一般地且在各種實(shí)施例中涉及使多繞組變壓器制造優(yōu)化的發(fā)明。更 特別地，本申請涉及應(yīng)用于用于交流(AC)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器(motor drive)的變壓器的多繞組 變壓器制造的優(yōu)化。許多AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用整流器負(fù)載作為前端功率和電流調(diào)節(jié)器和遞送機(jī)構(gòu)。 整流器的特征通常在于具有顯著諧波含量的6脈沖輸入電流波形。為了限制流入公共事業(yè) (或電源)的諧波電流，某些變壓器使用多個(gè)次級繞組。使用多個(gè)整流器而不是單個(gè)全額定 整流器，并且從變壓器的次級繞組中的一個(gè)對每個(gè)整流器進(jìn)行饋送?？梢詫Υ渭壚@組進(jìn)行 相移以提供具有減少的諧波含量的多脈沖前端。例如在授予Hammond的美國專利5，625，545 (“’ 545專利”)中描述了具有多個(gè)整 流器的示例性AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該專利的內(nèi)容被全部結(jié)合到本文中以供參考。如’ 545專 利中所述，AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括多相功率變壓器，其具有一個(gè)或多個(gè)初級繞組電路和多個(gè) 次級繞組電路，并且每個(gè)次級繞組電路被連接到不同的功率單元(power cell)。每個(gè)功率 單元包括由專用次級繞組供應(yīng)的整流器輸入。在功率單元的輸出側(cè)，DC至AC逆變器形成 串聯(lián)連接以獲得每個(gè)輸出相(output phase)可能需要的要求電壓。3相AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 將包括每個(gè)輸出相所需的功率單元的三倍。通常，AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的期望輸出電壓確定所 需的功率單元的數(shù)目。同樣地，所需的功率單元的數(shù)目確定所需的次級繞組的數(shù)目。因此， 變壓器的總體設(shè)計(jì)取決于AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的期望輸出電壓和輸出電流。圖1舉例說明包括常規(guī)三相變壓器13的示例性AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器11。變壓器包 括初級繞組15和多個(gè)三相次級繞組17，每個(gè)繞組具有特定的輸出電壓和相角。在AC驅(qū)動(dòng) 器11的輸出側(cè)，由串聯(lián)地連接的一串功率單元來驅(qū)動(dòng)AC電動(dòng)機(jī)的三個(gè)相中的每一個(gè)。在 圖1的AC驅(qū)動(dòng)器中，每個(gè)相存在六個(gè)功率單元，標(biāo)記為Al至A6、B1至B6、以及Cl至C6，達(dá) 到總共18個(gè)功率單元。應(yīng)認(rèn)識(shí)到在其它實(shí)施方式中，每個(gè)相的其他數(shù)目的單元(例如，一個(gè) 單元、三個(gè)單元、九個(gè)單元等)是可能的。在AC驅(qū)動(dòng)器或AC電源的背景下，每個(gè)功率單元是 接受三相AC輸入功率、輸出單相AC電壓、并包括AC-DC整流器(其可以是再生的)、平滑濾 波器、以及輸出DC至AC轉(zhuǎn)換器的設(shè)備。 在圖1的AC驅(qū)動(dòng)器中，變壓器13在其初級繞組15上在標(biāo)記為R、S、和T的點(diǎn)處 從源接收三相AC輸入功率。每個(gè)功率單元從變壓器13的專用次級繞組17接收三相AC輸 入功率。十八個(gè)次級繞組17具有相同的標(biāo)稱電壓，并被布置成三列(rank)，每列具有六個(gè) 特定標(biāo)稱相角中的一個(gè)。每個(gè)次級繞組17被直接連接到功率單元，從而如上文所討論地為每個(gè)功率單元提供已整流輸入電壓和電流。當(dāng)使用多個(gè)次級繞組來對功率單元進(jìn)行饋送時(shí)，初級側(cè)的諧波含量直接與所使用 的次級繞組的數(shù)目有關(guān)。以下表格舉例說明次級繞組的數(shù)目與初級側(cè)的有效脈沖數(shù)目之間 的眾所周知的關(guān)系。
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>48±3.75 . ±11.25'. tUJS', ±26.25'10000表 1
通常，在變壓器設(shè)計(jì)中，用設(shè)置在繞組的各種位置處的分接頭(tap)將每個(gè)3相次級繞 組以三角形連接(delta-connect)以獲得期望的相移角度。在圖2中示出了各種三角形繞 組。3相次級繞組10在被定位為使得由次級繞組10輸出-20°的相移角的各個(gè)繞組10A、 IOB和IOC上具有分接頭。3相次級繞組20在被定位為使得由次級繞組20輸出0°的相移 角的各個(gè)繞組20A、20B和20C上具有分接頭。3相次級繞組30在被定位為使得由次級繞組 30輸出+20°的相移角的各個(gè)繞組30A、30B和30C上具有分接頭。如表1所示，除零度相移之外，次級繞組相移角對于每個(gè)次級繞組而言是唯一的。 因此，為了支持能夠具有從每個(gè)輸出相3個(gè)功率單元(達(dá)到總共9個(gè)功率單元)至每個(gè)輸出 相8個(gè)功率單元(達(dá)到總共24個(gè)功率單元)間的任何數(shù)量的AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，要求16個(gè)唯 一繞組相移角。用于支持可變數(shù)目的功率單元的AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的變壓器設(shè)計(jì)取決于AC電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)器的期望電壓和電流輸出以及各種要求的相移角。例如，AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品家族可 以具有70A、100A、140A.200A和(或5個(gè)電流水平)的額定輸出電流，并具有諸如表1所示的 用于每個(gè)次級繞組的一個(gè)額定電壓。因此，支持此產(chǎn)品家族所需的設(shè)計(jì)的總數(shù)將是480個(gè) (16[相移角]X5[電流水平]X6[電壓水平])。大量的唯一設(shè)計(jì)要求需要在變壓器制造 期間產(chǎn)生并保持的繞組厚度、繞組相移設(shè)計(jì)和鐵芯橫截面的變化，導(dǎo)致高得多的制造成本
發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)一般方面，實(shí)施例公開了用于設(shè)計(jì)一系列變壓器的方法。該方法包括經(jīng)由 到處理設(shè)備的輸入端接收用于變壓器的電流總諧波失真(THD)的可接受水平的指示；識(shí)別 變壓器的每個(gè)輸出相的次級繞組的期望數(shù)目，其中，該數(shù)目大于兩個(gè)；經(jīng)由在處理設(shè)備上運(yùn) 行的計(jì)算機(jī)程序指令來模擬用于變壓器的各種模型的性能，其中，所述各種模型中的每一 個(gè)包括變壓器的次級繞組之間的一組相移角；基于該模擬來識(shí)別具有該組中的不超過三個(gè) 唯一相移角并表現(xiàn)出在可接受水平內(nèi)的初級側(cè)電流THD的變壓器模型；以及報(bào)告所識(shí)別的 變壓器模型。在另一個(gè)一般方面，實(shí)施例公開了一種用于設(shè)計(jì)用于向多單元電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)功率的一系列變壓器的方法。該方法包括經(jīng)由到處理設(shè)備的輸入端來接收用于變壓器的電流總諧波失真(THD)的可接受水平的指示、用于第一相移角的一組潛在第一角度值、以 及用于第二相移角的一組潛在第二角度值；識(shí)別變壓器的每個(gè)輸出相的次級繞組的期望數(shù) 目，其中，每個(gè)相的次級繞組的數(shù)目等于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的每個(gè)相的單元的數(shù)目；經(jīng)由在處理 設(shè)備上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序指令來模擬用于變壓器的各種模型的性能，其中，所述各種模型 中的每一個(gè)包括在變壓器的次級繞組之間的一組相移角；基于所述模擬來識(shí)別具有該組中 的不超過三個(gè)唯一相移角并表現(xiàn)出在可接受水平內(nèi)的初級側(cè)電流THD的變壓器模型；使變 壓器模型中的變壓器的芯橫截面優(yōu)化；以及報(bào)告所識(shí)別的變壓器模型。在另一個(gè)一般方面，實(shí)施例公開了一種多相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括 三組單元和所配置的輸入變壓器，其中，每個(gè)相對應(yīng)于一組單元。所述輸入變壓器被配置為 在初級繞組處接收輸入并經(jīng)由次級繞組向所述單元遞送輸出，其中，每個(gè)單元對應(yīng)于唯一 次級繞組，并且所述變壓器表現(xiàn)出不超過三個(gè)、或不超過七個(gè)唯一相移角。


在本文中結(jié)合以下各圖以示例的方式描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例。圖1舉例說明包括常規(guī)三相變壓器的AC驅(qū)動(dòng)器； 圖2舉例說明多個(gè)示例性次級繞組；
圖3舉例說明示出用于變壓器的各種次級繞組結(jié)構(gòu)的次級繞組的測試結(jié)果的各種圖
表；
圖4舉例說明變壓器設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的各種實(shí)施例；以及 圖5舉例說明變壓器設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的各種附加實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在描述本方法、系統(tǒng)和材料之前，應(yīng)理解的是本公開不限于所述的特定方法、系統(tǒng) 和材料，因?yàn)槠淇梢愿淖?。還應(yīng)理解的是在本說明中所使用的術(shù)語僅僅是出于描述特定型 式或?qū)嵤├哪康?，并且并不意圖限制范圍。例如，除非上下文明確指明，在本文和所附權(quán) 利要求中所使用的單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“該”包括復(fù)數(shù)參考。另外，本文所使用的詞 語“包括”意圖意指“包括但不限于”。除非另外定義，本文所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具 有與本領(lǐng)域的技術(shù)人員一般理解的意義相同的意義。應(yīng)理解的是本發(fā)明的附圖和說明中的至少某些已被簡化以集中于與本發(fā)明的清 楚理解相關(guān)的元件，同時(shí)出于明了的目的去除了本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到還可以包括本 發(fā)明的一部分的其他元件。然而，由于此類元件在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且由于其不一 定促進(jìn)本發(fā)明的更好理解，所以本文未提供此類元件的說明。本申請?zhí)峁┝硕鄠€(gè)過程以減少設(shè)計(jì)變化的數(shù)目，該設(shè)計(jì)變化用來制造用于支持可 變數(shù)目的功率單元的AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的變壓器。該過程可以應(yīng)用于中壓AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 產(chǎn)品家族、以及模塊化電源，諸如在例如授予Opal的美國專利5，638，263中描述的電源，該 專利的內(nèi)容被全部結(jié)合到本文中以供參考。一般地，這些過程可以應(yīng)用于利用整流器來產(chǎn) 生輸出電壓和電流的任何變壓器的設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)化。此第一過程可以產(chǎn)生變壓器的初級側(cè)的諧波性能的可接受水平。諸如IEEE-519的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器(或類似設(shè)備)的輸入端處的總電流失真的5. 0%的最壞情 況極限。為了滿足此推薦，具有每個(gè)輸出相三個(gè)次級繞組的18脈沖變壓器設(shè)計(jì)是足夠的。 然而，對于所有其它可能的配置而言(例如，如表1所示的每個(gè)相4 8個(gè)次級繞組)，可以 確定并選擇數(shù)目減少的繞組角度。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明可以使用三個(gè)繞組角度，0°、x°和y°。表 2示出用于不同繞組結(jié)構(gòu)的繞組角度
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)計(jì)一系列變壓器的方法，包括經(jīng)由到處理設(shè)備的輸入端接收用于變壓器的總諧波失真(THD)的可接受水平的指示； 識(shí)別變壓器的每個(gè)輸出相的次級繞組的期望數(shù)目，其中，所述數(shù)目多于兩個(gè)； 經(jīng)由在處理設(shè)備上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序指令來模擬用于變壓器的各種模型的性能，其 中，所述各種模型中的每一個(gè)包括在所述變壓器的次級繞組之間的一組相移角；基于所述模擬來識(shí)別具有所述組中的不超過三個(gè)唯一相移角并表現(xiàn)出在可接受水平 內(nèi)的初級側(cè)THD的變壓器模型；以及 報(bào)告所識(shí)別的變壓器模型。
2.權(quán)利要求1的方法，其中 所述接收還包括接收用于第一相移角的一組潛在第一角度值、以及用于第二相移角的一組潛在第二角度 值；以及所述模擬使用該組潛在第一角度值和該組第二潛在角度值。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述THD的可接受水平包括一定范圍的值。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述一系列變壓器包括3次級繞組變壓器、4次級繞組變 壓器、5次級繞組變壓器、8次級繞組變壓器、7次級繞組變壓器、和8次級繞組變壓器中的至 少一個(gè)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，所述三個(gè)唯一相移角包括第一角、第二角和0°。
6.權(quán)利要求5的方法，還包括使用三個(gè)唯一相移角來組裝用于變壓器的次級繞組。
7.權(quán)利要求1的方法，還包括使變壓器的芯橫截面優(yōu)化。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，使芯橫截面優(yōu)化還包括基于變壓器的輸出電流額定值、 變壓器的輸出電壓額定值、以及變壓器的每匝伏特額定值來確定用于多個(gè)變壓器輸出額定 值的公共芯橫截面。
9.一種用于設(shè)計(jì)用于向多單元電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)功率的一系列變壓器的方法，包括經(jīng)由到處理設(shè)備的輸入端來接收用于變壓器的總諧波失真(THD)的可接受水平的指 示、用于第一相移角的一組潛在第一角度值、以及用于第二相移角的一組潛在第二角度 值；識(shí)別變壓器的每個(gè)輸出相的次級繞組的期望數(shù)目，其中，每個(gè)相的次級繞組的數(shù)目等 于所述電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的每個(gè)相的單元的數(shù)目；經(jīng)由在處理設(shè)備上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序指令來模擬用于變壓器的各種模型的性能，其 中，所述各種模型中的每一個(gè)包括在所述變壓器的次級繞組之間的一組相移角；基于所述模擬來識(shí)別具有所述組中的不超過三個(gè)唯一相移角并表現(xiàn)出在可接受水平 內(nèi)的初級側(cè)THD的變壓器模型；使變壓器模型中的變壓器的芯橫截面優(yōu)化；以及 報(bào)告所識(shí)別的變壓器模型。
10.權(quán)利要求9的方法，其中，所述THD的可接受水平包括一定范圍的值。
11.權(quán)利要求9的方法，其中，所述一系列變壓器包括3次級繞組變壓器、4次級繞組變 壓器、5次級繞組變壓器、8次級繞組變壓器、7次級繞組變壓器、和8次級繞組變壓器中的 至少一個(gè)。
12.權(quán)利要求9的方法，其中，所述三個(gè)唯一相移角包括第一角、第二角和0°。
13.權(quán)利要求2的 方法，還包括使用三個(gè)唯一相移角來組裝用于變壓器的次級繞組。
14.權(quán)利要求9的方法，其中，使芯橫截面優(yōu)化還包括基于變壓器的輸出電流額定值、 變壓器的輸出電壓額定值、以及變壓器的每匝伏特額定值來確定用于多個(gè)變壓器輸出額定 值的公共芯橫截面。
15.一種多相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，包括三組單元，其中，每個(gè)相對應(yīng)于一組單元；以及 輸入變壓器，其被配置為 -在初級繞組處接收輸入，以及-經(jīng)由次級繞組向所述單元遞送輸出，其中，每個(gè)單元對應(yīng)于唯一次級繞組且所述變壓 器表現(xiàn)出不超過三個(gè)唯一相移角。
16.權(quán)利要求15的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中，每組單元包括至少三個(gè)單元。
17.權(quán)利要求15的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中，每組單元包括至少七個(gè)單元。
18.權(quán)利要求15的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中，所述三個(gè)唯一相移角包括第一角、第二角和
全文摘要
一種用于使用三個(gè)次級繞組相移角和最小化芯橫截面來設(shè)計(jì)變壓器的方法。所述方法包括接收用于變壓器的總諧波失真(THD)的可接受水平的指示、識(shí)別變壓器的每個(gè)輸出相的次級繞組的期望數(shù)目、模擬用于變壓器各種潛在相移角的各種模型的性能，其中，各種模型中的每一個(gè)包括用于變壓器的次級繞組的一組相移角。該方法還包括基于所述模擬來識(shí)別具有所述組中的不超過三個(gè)唯一相移角并表現(xiàn)出在可接受水平內(nèi)的初級側(cè)THD的變壓器模型，識(shí)別優(yōu)化芯橫截面，并報(bào)告具有三個(gè)唯一相移角和優(yōu)化芯橫截面的已識(shí)別變壓器模型。
文檔編號(hào)H01F41/00GK102106073SQ200980128857
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日
發(fā)明者A. 奇斯曼 E., W. 小桑塔奇 F., F. 艾羅 M., 拉斯托吉 M. 申請人:西門子工業(yè)公司