用于低谐波三相前端的集成磁性装置的制作方法

专利名称：用于低谐波三相前端的集成磁性装置的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种用于能够是单向或者双向的低谐波三相前端的集成磁性装置、和一种包括这种装置的双向低谐波三相前端功率转换器。
背景技术：
电力电子设备的广泛使用已经增加了对于最小化电力线谐波污染的需要。电流谐波的主要来源是非线性电力负荷。一种重要的非线性电力负荷是广泛地为大多数的三相设备用作前端方案的六脉冲整流器。
如果没有高效地将电流谐波最小化，则某些问题能够发生。第一，谐波能够破坏公共供电电压的质量并且低质量的供应电压引起由公共电力网供应的很多不同种类的电气设备的故障和/或失效。而且谐波能够在电力网的构件诸如变压器、电力线等中引起过度损耗。此外，谐波具有可听频率如果受谐波污染的电力线处于可听设备设施附近，则能够诱发可听失真。已经在现有技术中使用了不同的方案来应对谐波问题。多脉冲整流器即12脉冲被广泛地用作带有改进的电流波形的简单接口。它们减小了谐波电流并且是非常可靠的，但是具有某些缺点第一，它们要求庞大的和昂贵的线频率输入电力变压器以形成电隔离；而且它们对于电压不平衡是敏感的。带有抑制谐波的谐波滤波器地使用6脉冲整流器也是已知的。谐波滤波器能够是无源的或者有源的。无源滤波器具有低的功率损耗但是费用大并且具有大的尺寸和大的重量。有源滤波器被视为不大可靠，具有更高的功率损耗和开关失真，并且是非常昂贵的。另一个已知方案是包括受控有源开关、二极管和高频线路电抗器的有源前端。即便它的尺寸和重量能够是吸引人的并且它的成本能够低于其它方案，它也呈现某些缺点，特别地感觉到它不大可靠并且难以匹配无源系统的功率损耗和开关失真。现有技术的并且在图IA的实例上示出的另一个已知方案包括随后为三个互连磁性装置300的电感器400。电感器400前面是三相电力线或者电力网100并且装置300被连接到负荷200。通常在12或者更多脉冲整流器和能够是马达驱动的一般DC负荷之间的部分例如转换器DC/AC或者DC/DC或者一般电阻器将在以下被称为DC链路。DC链路能够包括电容器或者电感器。图IA所示的负荷200由12脉冲整流器、DC链路(在此情形中电容器CD。)和未被不意的一般负荷构成。图IA的负荷200是非线性的并且然后在电力线中存在谐波。为了应对谐波的问题，使用了电感器400和三个磁性装置300 :电感器400的主要功能是相对于三相电力线100的电压相量延迟电流；三个磁性装置300的主要功能是分裂电流。在图IA中，装置300包括被相互电磁连接的九个绕组，三个绕组用于每一个磁性装置。绕组的不同数目和组合是可能的。分别在图IB和IC中示意了三相电感器400的顶视图和侧视图它包括两个磁轭405、三个缠绕分支403和气隙402，它因此能够存储能量。
在图ID和IE中示意了现有技术的三个磁性装置300的顶视图和侧视图。每一个装置300A、300B和300C并不包含气隙并且包括三个竖直分支中央分支是包含绕组302的
缠绕分支。如在图IB到IE中所示，JP2000358372A和JP2007028846A描述了一种允许消除变压器的系统和一种用于通过使用四个磁性装置而减小尺寸和重量的方法。如在图IA中所示意地在现有技术的转换器中使用的磁性装置的总数然后是至少四个，即三相电感器400加上三个磁性装置300。如在图2中所示，电感器400包括能够连接到三相电力网或者电力线100的三个电流输入，并且在电感器400后面的装置300包括六个电流输出，即两个电流输出用于每一个电流输入。在一个实施例中，对于每一个电流输入存在多于两个电流输出，从而电流输出的数目能够是九、十二等。电流输出被电连接到三个电流输入并且能够连接到负荷200。在此情形中，在电流输入和输出之间不存在如在变压器的情形中的电隔离。三相电力网100供应带有120°相移的三个近似正弦电压。然后如在图3A中所示意地，在三个电流输入中流动的三个输入电流Iu、h2、込之间的相移等于120°。线电压的振幅和频率除了别的以外将根据当地规定而改变，但是在大多数应用中，频率将等于50Hz或者60Hz，并且电压通常包括在100V和IkV之间，例如在相之间400V rms。50Hz或者60Hz的频率或者电力网100的频率将在以下被称作系统的基本翁享。在三个电流输入中流动并且具有参考Iu或者L2或者Iu的每一个电流将在以下場施、％公共电流。如果在图2的转换器中不存在电感器400，则三个公共电流1『1&込与电力网100的电压相量同相。当装置300被连接在三相电力网100和负荷200之间时，它们将公共电流Iu、IL2> Il3中的每一个分裂成在每一个电流输出中流动的两个或者更多电流。在图2所示的情形中，它们将电流Iu、IL2> Iu中的每一个分裂成两个电流公共电流Iu被分裂成两个·分裂电流ISu、IS1.2，公共电流Iu被分裂成两个分裂电流IS2.i、IS2.2，并且公共电流Iu被分裂成两个分裂电流Is3I I53. 2°在电流输出中流动的电流IS1.i、IS1.2> IS2.1> IS2.2> IS3.1>IS3.2具有全部相同的振幅并且相对于在电流输入中流动的相应的基本分量以预定角度Ψ /2相移。角度Φ的值例如为30°从而在两个分裂电流例如ISu、IS1.2和相应的公共电流(在此情形中Iu)之间的相移分别是15°和-15°。如所讨论的那样，公共电流例如Iu被分裂成两个分裂电流在以下将被称为盧导分還德麽的第一分裂电流Isi.i，和在以下将被称为嚴后分麥德麽的第二分裂电流IS1.2。在另一方面，isl. i、iS2. i和ι Λ是前导分裂电流共 Isi. 2、iS2.2和iS3.2是滞后分裂电流。如果如所述及地角度f的值为30°，则对于所有表示的相量是相同的、图3B的相量的长度是图3A的每一个相量的长度的51. 76%。在装置300之前存在三相电感器400在由短划线表示的电力网100的每一个电压相量和相应的输入电流Iu或者Iu或者Iu之间引起图3A所示的滞后角度或者相移角度δ。如在图3Β中所示，滞后角度或者相移角度δ仍然存在于输出电流的相量图中。如所述及地，在很多实际的实现中，装置300被连接到的负荷200由随后为DC链路和一般DC负荷的12脉冲整流器构成。
在包括三相电力线100、装置300、12脉冲整流器和DC链路的系统中，能够使用电感器或者扼流圈以具有连续传导模式或者CCM。连续传导模式(CCM)意味着在电力线的周期期间整流器电流绝对不会变为零。相反，在不连续传导模式(DCM)中，在电力线的部分周期期间电流能够变为零。在所讨论的实例中，CCM由三相电感器400确保。在现有技术中描述的方案然后未被优化用于减小低谐波三相前端的成本和尺寸。而且延迟和分裂电流的功能由四个分离的装置(分别为电感器400和三个磁性装置300)执行。需要一种允许具有比现有技术更低的成本和更小的尺寸的低谐波功率转换器的方案。需要一种允许高效率和高可靠性的用于12脉冲前端的磁性装置。 需要一种允许低谐波三相前端对于电力网的失衡不敏感的方案。还需要一种具有低失效率、低功率损耗和低开关失真的低谐波三相前端。

发明内容
本发明的目的在于提供一种执行电感器400和三个磁性装置300的功能的集成磁性装置。形容词桌成事实上意味着本发明的磁性装置执行多于一个功能。特别地，延迟和分裂电流的功能这两者均由同一磁性装置执行，从而允许比现有技术更小的尺寸、重量、成本和更好的装置对称性。 本发明的另一个目的在于提供一种包括简单的半导体电路的低谐波三相双向前端功率转换器。本发明的另一个目的在于提供一种可靠的且高效的磁性装置。根据本发明，利用根据权利要求I的用于低谐波三相前端的集成磁性装置、利用这个集成磁性装置在AC/DC整流器中的使用(权利要求15)和在DC/AC逆变器中的使用(权利要求16)并且利用根据权利要求17的低谐波双向三相前端功率转换器，实现了这些目的。根据本发明的装置包括三个磁性子组件，其中每一个磁性子组件包括不带气隙的闭合磁环、两个缠绕分支和至少三个绕组。在一个实施例中，每一个磁性子组件包括四个绕组。该装置包括将该三个磁性子组件磁连接的至少一个第一公共磁轭和至少一个第二公共磁轭。在一个优选实施例中，该两个公共磁轭是相同的并且分别在该三个磁性子组件的顶部和底部上并置。有利地，该装置在该三个磁性子组件和该两个公共磁轭之一之间包括至少一个气隙。在一个优选实施例中，它包括两个气隙，即分别在该三个磁性子组件的顶部和底部分别与第一和第二公共磁轭之间的第一和第二气隙。该装置具有能够连接到三相电力线或者电力网的三个电流输入和用于每一个电流输入的至少两个电流输出。在一个优选实施例中，该装置具有六个电流输出，即两个电流输出用于每一个电流输入。电流输出被电连接到该三个电流输入并且能够被连接到负荷。该三个磁性子组件中的每一个包括与该两个缠绕分支一起地构成不带气隙的闭合磁环的第一磁轭和第二磁轭。该三个磁性子组件中的每一个而且能够包括在这个闭合磁环上组装，特别地在两个分支上置放的两个线轴。在一个实施例中，该三个磁性子组件具有相同的分支。在另一实施例中，能够例如根据在每一个分支内侧流动的磁通而根据需要选择每一个分支的横截面。有利地，进入第一或者第二公共磁轭中的、处于基本频率的磁通的净和为零。当所述装置被连接在三相电力网和负荷之间时，在每一个电流输出中流动的电流的基本分量相对于在电流输入中流动的电流的相应的基本分量以预定角度相移。该角度的值依赖于能够被连接到这个装置的脉冲整流器。在第一实施例中，该装置包括具有矩形形状的一个第一公共磁轭和一个第二公共磁轭。在此情形中，该三个磁性子组件被对准。在另一实施例中，该装置包括具有矩形形状的两个第一公共磁轭和两个第二公共磁轭。在该实施例中，该磁性装置包括能够被用于通过空气流动将其冷却的两个孔。在另一实施例中，该装置包括具有三角形或者圆形或者多边形形状的一个第一和 一个第二公共磁轭。在这些情形中，该三个磁性子组件被分别以三角形或者圆形或者多边形方式置放并且该装置包括中央孔。空气流能够有利地通过这个孔并且高效地冷却该装置。这个实施例易于产生并且具有比以前的实施例更好的对称性，即其特征在于对于所有二个相而目参数是相同的。有利地，能够通过使用交织UI叠层来制成该三个磁性子组件。这些芯然后是易于制造的。如果本发明的装置被连接在三相电力网100和负荷200之间，则在该至少两个电流输出中的每一个中流动的分裂电流的基本分量相对于在电流输入中流动的公共电流的基本分量以预定角度相移。如所讨论的那样，对于12脉冲前端而言这个角度的典型值是30。。某些能量被存储在气隙内侧的磁场中。在这种情形中，能够如在图3A中所示地观察到在电力网100的每一个电压相量和磁性装置的相应的输入电流Iu或者L2或者Iu之间的滞后角度或者相移角度S。在此情形中，电感器功能被集成在同一装置中。而且易于通过改变气隙的厚度而控制这个装置的电感的值，在一个实施例中气隙的厚度在几mm的
量级上。有利地，在AC/DC转换器中或者在DC/AC转换器中均能够使用本发明的磁性装置。如果它例如与12脉冲整流器相组合地在AC/DC转换器中使用，则电流从装置的电流输入或者公共路径流至它的电流输出或者分裂路径。在此情形中，该装置作为馇游器工作在公共路径中的公共电流在分裂路径中被强制分裂成两个相同但是相移的分裂电流。在一个实施例中，公共电流被强制分裂成多于两个相同但是相移的分裂电流。如果该装置在DC/AC转换器中使用，则电流从两条分裂路径流至公共路径。在此情形中，该装置作为馇遞潘合器工作。在两种情形中，该装置的作用均减小了谐波电流。在包括这个磁性装置的AC/DC转换器或者DC/AC转换器中，电隔离是不可能的。与现有技术相比较，该方案的优点特别地包括在高和低阻抗DC链路整流器中均使用单一装置执行电感器的功能加上带有现有技术的三个磁芯的分裂器的功能的可能性。替代现有技术方案的四个磁性装置(三个装置300和用于电感器400的一个装置)，该装置包括一个磁性装置。这个磁性装置由三个磁性子组件并且由被磁连接的两个公共磁轭构成。
该方案进一步减小了低谐波功率转换器的尺寸、重量和成本并且允许高可靠性和效率以及低EMI(电磁干扰)。而且它允许对磁性子组件的缠绕分支的绕组的很多可能布置。该方案消除了某些重要的谐波，比如已知的多相整流器，但是它对于电力网的电压不平衡不敏感。


借助于通过实例给出并且由附图示意的实施例的说明，将更好地理解本发明，其中
图IA示出在三相电力线和包括12脉冲整流器的负荷之间连接三相电感器和带有三个磁性装置的分裂器的现有技术方案的一个实例。图IB和图IC分别示出是现有技术方案的一个部分的三相电感器的顶视图和侧视 图。图ID和图IE分别示出是现有技术方案的另一个部分的三个磁性装置即分裂器的顶视图和侧视图。图2示出在三相电力线和包括12脉冲整流器的负荷之间连接的三相电感器和带有现有技术的三个磁性装置的分裂器装置的总体框图。图3A示出带有三相电感器和带有现有技术的三个磁性装置的分裂器的、图2的装置的输入或者公共电流的相量图。图3B示出带有三相电感器和带有现有技术的三个磁性装置的分裂器的图2的装置的、包括前导分裂电流和滞后分裂电流的分裂电流的相量图。图4A、4B和4C分别示出根据本发明的用于低谐波三相前端的集成磁性装置的一个实施例的顶视图、侧视图和移除了公共磁轭的另一个顶视图。图5A、5B和5C分别示出根据本发明的用于低谐波三相前端的集成磁性装置的另一个实施例的顶视图、侧视图和移除了公共磁轭的另一个顶视图。图6A、6B和6C分别示出根据本发明的用于低谐波三相前端的集成磁性装置的另一个实施例的顶视图、侧视图和移除了公共磁轭的另一个顶视图。图7A、8A、9A…18A示出根据本发明的一个方面的装置的绕组的不同的实施例。图7B、8B、9B…18B示出根据本发明的一个方面的装置的三个磁性子组件之一的MMF矢量的相量图。图7C、8C、9C... 18C ;图 7D、8D、9D…18D ;图 13E、14E、15E··· 18E 示出在根据本发明
的一个方面的装置的三个磁性子组件之一的分支上的绕组的位置。图19示出包括根据本发明的用于低谐波三相前端的集成磁性装置的一个实例的谐波消除12脉冲整流器。图20示出包括根据本发明的一个方面的用于低谐波三相前端的集成磁性装置的一个实例的、带有双向功率流的谐波消除12脉冲前端。
具体实施例方式本发明的集成磁性装置被设计用于单向或者双向的低谐波三相前端。它的使用使得能够减小从三相电力线获取或者注射到三相电力线的电流的谐波。与现有技术方案比较，它具有更低的成本和尺寸。 图4A、4B和4C分别示出根据本发明的装置I的一个可能实施例的顶视图、侧视图和移除了公共磁轭的另一个顶视图。在该实施例中，装置I包括三个磁性子组件30，其中每一个磁性子组件30包括两个缠绕分支和至少三个绕组。在这个表示情形中，该三个磁性子组件具有相同的分支。在另一实施例中，例如根据磁通，两个分支的横截面能够是不同的。在低或者中功率应用即功率低于50kW的应用中，每一个缠绕分支能够包括线轴20。对于高功率应用，通过使用用于从子组件隔开绕组的四个或者更多塑料间隔保持器，绕组在不用线轴的情况下被缠绕在磁性子组件上。该三个磁性子组件30中的每一个包括与该两个分支一起地构成不带气隙的闭合磁环的第一磁轭35和第二磁轭35’。与传统的扼流圈例如图IC的三相电感器400比较，替代三个分支，本发明的装置包括三个磁性子组件。有利地，分别进入第一和第二公共磁轭中的、用于基本频率和谐波的正序和负序分量的磁通的净和为零。换言之，无磁通辐射到该装置外侧。在该实施例中，该装置包括是相同的并且将三个分离的磁性子组件30磁连接的一个第一公共磁轭10和一个第二公共磁轭10’，即该两个公共磁轭10和10’分别在该三个分离的磁性子组件30的顶部和底部上并置。该装置包括两个气隙40和40’，即分别在该三个磁性子组件30的顶部和底部分别与第一 10和第二 10’公共磁轭之间的第一和第二气隙。本发明的装置能够在该三个磁性子组件30和该两个公共磁轭10和10’之一之间包括仅仅一个气隙。在该实施例中，第一公共磁轭10和第二公共磁轭10’具有矩形形状。在此情形中，该三个磁性子组件30被对准，即在一个磁性子组件30的两个缠绕分支之间的矩形孔与另两个磁性子组件30的孔相对准。在图4A到4C中表示的实施例中，公共磁轭10、10’的横截面的宽度Wy等于每一个磁性子组件30的横截面的宽度W。。在一个优选实施例中，该三个磁性子组件30中的每一个具有矩形截面,其中该横截面的长度L。大于它的宽度W。。在一个优选实施例中，如在图4A到4C中所示,公共磁轭10、10’的横截面的长度Ly大于磁性子组件30的横截面的长度L。的三倍，即LY>3*LC。在图5A到5C的实施例中，该三个磁性子组件30是平行的，即在一个磁性子组件30的两个缠绕分支之间的矩形孔处在另一个磁性子组件30的两个缠绕分支之间的矩形孔前面。在该实施例中，存在具有矩形形状和小于该三个磁性子组件的横截面长度L。的一半的宽度Wys的两个第一公共磁轭60、70和两个第二公共磁轭60’、70’。以此方式，这个实施例的集成磁性装置I有利地包括能够被用于将其冷却的两个孔90。再次，装置I能够在该三个磁性子组件30与第一公共磁轭60、70和第二公共磁轭60’、70’之间包括至少一个气隙。在一个优选实施例中，它包括两个气隙在每一个磁性子组件30的第一磁轭35和第一公共磁轭60、70之间的第一气隙40和在每一个磁性子组件30的第二磁轭35’和第二公共磁轭60’、70’之间的第二气隙40’。在示出磁性装置I的顶视图、移除了公共磁轭的另一个顶视图和侧视图的图6A到6C的实施例中，存在具有三角形形状的一个第一 50和一个第二 50’公共磁轭。在此情形中，该三个磁性子组件30被成三角形地置放。在另一实施例中，第一 50和第二 50’公共磁轭具有圆形或者多边形形状并且该三个磁性子组件30被分别以圆形或者多边形方式置放。在一个具体实施例中，公共磁轭50、50’的横截面的宽度等于磁性子组件30的横截面的宽度。该装置包括中央孔80。在所示意的实施例中，孔80是三角形的。空气流能够有利地通过这个孔80并且高效地冷却该装置。而且，这个实施例易于产生并且具有比以前的实施例更好的对称性，即其特征在于对于所有三相而言参数是相同的。换言之，图6A到6C的实施例确保了装置的完全对称性并且允许对于围绕缠绕分支的绕组相同的条件。即便在图6C中示意的装置I包括两个气隙在该三个磁性子组件30和第一公共磁轭50之间的第一气隙40和在该三个磁性子组件30和第二公共磁轭50’之间的第二气隙40’，它也能够包括仅仅一个气隙40或者40’。有利地，能够通过使用交织的UI叠层来制成该三个磁性子组件30。装置I具有能够连接到三相电力线或者电力网100的三个电流输入和用于每一个 电流输入的至少两个电流输出。在一个优选实施例中，该装置具有六个电流输出，即用于每一个电流输入的两个电流输出。通常，电流输入属于转换器的三相侧并且电流输出属于同一转换器的六相或者多相侧。电流输出被电连接到三个电流输入并且能够被连接到负荷200。该装置将三相输入变换成六相输出。当所述装置被连接在三相电力网100和负荷例如包括随后为DC链路和一般DC负荷的12脉冲整流器的非线性负荷200之间时，在每一个电流输出中流动的电流的基本分量相对于在电流输入中流动的电流的相应的基本分量以预定角度Φ /2相移。第一和第二公共磁轭在该三个磁性子组件上的并置在这三个磁性子组件30之间形成磁性连接并且至少一个气隙的存在允许该装置还执行电感器的功能。与传统变压器比较，装置I允许节约材料并且具有更低的尺寸和重量。在图4A到4C的实施例中装置I的尺寸依赖于由系统转换的功率。根据本发明的装置使用在用于同一功率转换器的变压器中使用的材料的大约四分之一。与上述现有技术方案比较材料的减少大约为20%。然后根据本发明的装置I的尺寸和质量低于用于同一功率十二脉冲整流器的传统变压器的尺寸和质量并且低于现有技术的方案。在一个实施例中，该三个磁性子组件30中的每一个是层叠铁或者用于更高频率的铁磁子芯。磁性子芯能够是堆叠芯，即通过堆叠薄硅铁叠层的层而制成的芯。每一个叠层被薄的非传导绝缘层从它的相邻叠层绝缘。叠层的效果在于限制涡流并且减小它们的幅度。更薄的叠层减小损耗，但是构造是更加费力的和昂贵的。切削芯如C芯是在退火之后浸溃然后被部分地切削和搭接的条带缠绕芯。因为这些芯在非常短的时间中围绕线轴组装，所以这个实施例的装置I花更少的时间来制造该装置。图7A、8A、9A…18A示出根据本发明的一个方面的装置的绕组的不同的实施例。图7B、8B、9B…18B示出根据本发明的一个方面的装置的三个磁性子组件之一的MMF矢量的相量图。图7C、8C、9C... 18C ;图 7D、8D、9D…18D ;图 13E、14E、15E…18E 示出在根据本发明
的一个方面的装置的三个磁性子组件之一的分支上的绕组的位置。
在图7C和7D的实施例中，每一个磁性子组件30包含用于每一个缠绕分支的两个绕组22 :特别地每一个分支包括一个绕级S和一个Γ谈器GzTTMifer上绕级V0参考图7B解释了绕组的名称，图7B是MMF (磁动势)矢量的表示。为了具有如所描述的分裂装置，用于每一个闭合磁路的以下约束必须得到满足这个磁路的MMF之和必须为零。与一个绕组有关的MMF由在这个绕组中流动的电流的瞬时值乘以它的匝数给出。换言之，这意味着磁路的MMF矢量必须形成闭合路径。在图7B的实施例中，对于所考虑的磁性子组件30，存在构成闭合四边形路径的一条磁路。在由MMF矢量SI. 2、SI. I、V3. 2和V2. I形成的这条路径中，SI. 2和SI. I分别作为滞后矢量(滞后是因为它对应于在图7A所示的电路中流动的滞后电流Ih2)和作为
前导矢量(前导是因为它对应于前导电流Iu)工作。V3. 2和V2. I在此情形中是扩张器，因为它们闭合由这四个矢量形成的四边形路径。特别地，V3. 2作为器滞后矢量工作(滞后是因为它对应于在图7A所示的电路中流动的滞后电流13.2)并且V2. I作为;T谈器前导矢量工作(前导是因为它对应于前导电流
工2. I )。通常每一个分裂绕组传导一个分裂电流并且每一个扩张器绕组传导一个相电流，BP IL1>IL2或者或者一个分裂电流Isi. i、Isi. 2、IS2. i、Is2.2、IS3. i、Is3.2。扩张器绕组V能够传导任何类型的电流。在一个实施例中，该装置的分支的扩张器绕组V能够传导同一装置的另一个分支的分裂或者公共电流。在另一实施例中，矢量扩张器绕组V能够传导外部且可控的电流。在图7C的实施例中，每一个缠绕分支包含一个分裂前导/滞后绕组22和一个扩张滞后/前导绕组22。在图7D的实施例中，一个缠绕分支包含两个扩张器前导/滞后绕组22并且另一个缠绕分支包含两个分裂滞后/前导绕组22。在两种情形中，装置I然后包括十二个绕组。在此情形中，一个磁性子组件30的分支的扩张器绕组V是同一装置的另两个磁性子组件30之一的分裂绕组S。如在图7A中所示，在这种情形中，在该装置的电路中的·三条公共路径中的每一条不包含绕组。每一条分裂路径包含两个绕组。图8A到8D示出其中每一个磁性子组件30包含用于每一个缠绕分支的两个绕组22的另一个实施例。在图SC的实施例中，每一个缠绕分支包含一个分裂前导/滞后绕组22和一个扩张前导/滞后绕组22。在图8D的实施例中，一个缠绕分支包含两个扩张器前导/滞后绕组22并且另一个缠绕分支包含两个分裂前导/滞后绕组22。再次在两种情形中，装置I然后均包括十二个绕组。再次，一个磁性子组件30的分支的扩张器绕组V是同一装置的另两个磁性子组件30之一的分裂绕组S。如在图8A中所示，再次情形，在该装置的电路中的三条公共路径中的每一条并不包含绕组。图9A到9D示出其中每一个磁性子组件30包含用于每一个缠绕分支的两个绕组22的另一个实施例。在图9C的实施例中，每一个缠绕分支包含一个分裂绕组22和一个扩张绕组22。在图9D的实施例中，一个缠绕分支包含两个扩张器前导/滞后绕组22并且另一个缠绕分支包含两个分裂滞后/前导绕组22。再次在两种情形中，装置I然后均包括十二个绕组。再次，一个磁性子组件30的分支的扩张器绕组V是同一装置的另两个磁性子组件30之一的分裂绕组S。再次，如在图9A中所示，在这种情形中，在该装置的电路中的三条公共路径中的每一条并不包含绕组。
图IOA到IOD示出对图9A到9D作出的相同考虑仍然对其有效的本发明的另一个
实施例。图IlA到IlD示出其中每一个磁性子组件30对于每一个缠绕分支包含两个绕组22的另一个实施例。在图IlC的实施例中，每一个缠绕分支包含一个分裂前导绕组22和一个扩张公共绕组22。在图IlD的实施例中，一个缠绕分支包含两个扩张器公共绕组22并且另一个缠绕分支包含两个分裂滞后/前导绕组22。在两种情形中，装置I然后均包括十二个绕组。在此情形中，如在图9A中所示，在该装置的电路中的该三个公共路径中的每一条包含两个扩张器公共绕组并且每一条分裂路径包含一个分裂绕组(前导或者滞后)。图12A到12D示出对图IIA到IlD作出的相同考虑仍然对其有效的本发明的另一 个实施例。图13A到13E示出另一个实施例，其中每一个磁性子组件30包含三个绕组22，特别地一个缠绕分支包含一个绕组和再一个缠绕分支包含两个绕组。该三个绕组22中的两个是分裂绕组并且其余绕组是扩张器绕组。图13C到13E示出该三个绕组的可能的组合。在此情形中，装置I包括九个绕组。再次，一个磁性子组件30的分支的扩张器绕组V是同一装置的另两个磁性子组件30之一的分裂绕组S。如在图13A中所示，在这种情形中，在该装置的电路中的该三条公共路径中的每一条并不包含绕组。图14A到16E示出对图13A到13E作出的相同考虑仍然对其有效的本发明的其它实施例。图17A到17E示出其中再次装置I包括九个绕组的另一个实施例。在此情形中，如在图17A中所示，在该装置的电路中的该三条公共路径中的每一条包含一个扩张器公共绕组并且每一个分裂路径包含一个分裂绕组(前导或者滞后)。图18A到18E示出对图17A到17E作出的相同考虑仍然对其有效的本发明的另一个实施例。换言之，根据绕组的总数，装置I包括两个类别如在对于磁性子组件30上的三个绕组示意所有可能组合的图13A到18E中所示，第一类别由包括方f绕组的装置构成，即用于每一个磁性子组件30的三个绕组(在缠绕分支上的一个绕组和在另一个缠绕分支上的两个绕组);如在对于磁性子组件30上的四个绕组示意所有可能组合的图7A到12D中所示，第二类别由包括六二f绕组的装置构成，即用于每一个磁性子组件30的四个绕组(用于每一个缠绕分支的两个绕组)。因为某些能量能够被存储在该装置的至少一个气隙内侧的磁场中，所以能够观察到在电力网100的每一个电压相量和磁性装置的相应的输入电流Iu或者L2或者Iu之间的、图3A所示的滞后角度或者相移角度δ。在此情形中，电感器的功能被集成在该装置中。而且电感的值易于控制。磁性装置I在功率转换器中的使用允许使用12 二极管整流器并且因此消除第5阶和第7阶、第17阶和第19阶、第29阶和第31阶谐波。测试已经示出总谐波失真(THD)能够低于大约13%。例如在具有DC链路扼流圈的6 二极管整流器的情形中，谐波未被消除并且THD不高于40%。如在图7Α、8Α···17Α和18Α的电路中所示，根据本发明的装置I包含属于相L1、L2、L3的三条公共路径和属于相I (LI. I和LI. 2)、属于相2 (L2. I和L2. 2)和相3 (L3. I和L3. 2)的六条分裂路径。在另一实施例中，对于每一相，分裂路径的数目能够大于二。当这个装置在AC/DC功率整流器中使用并且然后电流从AC输入流至DC输出时，如上所述，装置I作为相移电流分裂器工作。事实上，在公共路径中流动的电流被分裂成在分裂路径中流动的两个或者更多相同但是相移的分量。在另一实施例中，分裂路径的数目能够是三个或者更多。有利地，装置I能够在DC/AC功率转换器中使用。在这种情形中，电流从DC输入流至AC输出并且装置I作为相移电流融合器工作。事实上，在分裂路径中流动的电流融合到公共路径中。在此情形中，分裂路径的数目也能够是三或者更大。换言之，对于能够连接到三相电力网100的三条输入线路的每一个相，能够使用相移电流分裂器/融合器装置I。当这个装置作为分裂器工作时，它将输入电流分裂成具有可控相移和振幅的两个或者更多分裂电流；当它作为融合器工作时，它将具有可控相移和振幅的两个或者更多分裂电流组合成输出电流。
根据本发明的装置I的公共路径能够包括零(图7A到IOA和13A到16A)、一个(图17A和18A)或者两个扩张器绕组(图IlA和12A)。每一条分裂路径能够包括一个分裂绕组(图IlA到12A和17A到18A)或者一个分裂绕组和一个扩张器绕组(图7A到IOA和13A到16A)。根据在公共和分裂路径中绕组的数目和位置，能够构建包括不同种类的装置的分类。绕组的匝数被选择成使得在分裂路径中流动的分裂电流的基本频率分量的振幅是相同的并且在分裂电流的基本频率分量之间的相移等于预定角度。在一个优选实施例中，这个角度的值为30°。图19示意包括根据本发明的某些实施例的磁性构件或者装置I的AC/DC功率整流器。如概略地通过电容器Cd。的存在示意地，DC链路具有低阻抗。有利地，还能够与高阻抗DC链路相组合地使用装置I。即便DC链路具有低阻抗，如概略地通过电容器Cdc的存在示意地，在这种情形中也不要求另外的电感器400，因为如所描述地，集成装置还集成了电感器功能。与在图IA中示意的现有技术方案比较，在此情形中替代四个(电感器400和三个磁性装置300)，仅仅使用一个装置，并且替代四个磁性装置，使用包括三个磁性子组件和两个公共磁轭的一个磁性装置。与现有技术比较，装置I然后允许节约材料、成本和体积。装置I具有六个输出，因为它将三个公共电流中的每一个分裂成两个分裂电流。这些输出中的六个被发送到12 二极管整流器。这些二极管的输出如在图19中所示地组合以形成DC输出。在此情形中，在分裂路径中流动的两个电流之间的相差的值等于30°，并且然后第5和第7阶、第17阶和第19阶、第29阶和第31阶谐波被消除。每一个磁性子组件30能够被视为属于某个相在图19中示意的实例中，第一磁性子组件30能够被视为属于LI的相，因为LI的分裂电流在这个磁性子组件的电流输出中流动。如在图19中由装置I上方的箭头指示地，功率流是单向的并且特别地它从AC流至DC。如所讨论的那样，还能够在DC/AC逆变器中使用装置I作为融合器。如描述地，在这种情形中装置I作为电流融合器工作。DC/AC转换器包括与12个二极管并联的受控开关的12或者更大脉动桥(pulse bridge)。在一个实施例中,这些有源开关是晶体管或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)。驱动电路被布置成改变有源开关的状态。当装置I在DC/AC逆变器中使用时，它将每一对分裂电流融合成公共电流。在另一实施例中，将要融合的分裂电流的数目是九个或者更多。在三相电力网100和12脉冲整流器之间连接的装置I产生预定方向的DC电流和预定极性的DC电压。如果在12脉冲整流器中替代二极管地使用SCRJU DC电压能够改变它的值和极性。所得相控转换器能够作为AC/DC整流器或者DC/AC逆变器工作(二象限转换器)。根据本发明的独立方面，如在图20中由装置I上方的箭头指示地，在转换器中AC和DC部分之间的功率流能够是双向的。参考700事实上指示电力负荷和电源这两者。在这种情形中，12脉冲整流器的每一个二极管具有并联的受控开关以形成双向前端。这些开关的控制电路未被示出。这种双向前端功率转换器能够有利地被用于具有再生制动器的列车、电动车辆或 者升降机的马达车辆的某些动能和/或势能(由于升高)能够被转换成有用的能量形式，而不是如传统的电阻性制动器那样将其作为热量耗散并且经转换的能量能够被反馈到电力网中以由其它车辆使用。该低谐波双向前端功率转换器包括 -三相电力线100，
-如所描述的集成磁性装置I，
-带有反并联二极管的一组12个有源或者受控开关，
-DC链路，
-DC电源或者一般DC负荷700。根据本发明的集成磁性装置能够有利地被用于电池充电或者与太阳能面板相组合地使用或者用于公共照明领域中。使用这种集成装置的优点有
-减小谐波，
-高可靠性，
-低噪声，即低EMI，
-高效率。
权利要求
1.一种用于低谐波三相前端的集成磁性装置(I)，包括 -三个磁性子组件(30)，其中每一个磁性子组件(30)包括不带气隙的闭合磁环、两个缠绕分支和至少三个绕组(22 )， -将所述三个磁性子组件(30)磁连接的至少一个第一公共磁轭(10 ；60,70 ;50)和至少一个第二公共磁轭(10’ ；60’，70’ ；50’)， -在所述三个磁性子组件(30)和所述至少一个第一公共磁轭(10 ；60,70 ;50)或者所述至少一个第二公共磁轭(10’ ；60’，70’ ；50’)之间的至少一个气隙(40 ;40’)， -能够连接到三相电力网(100)的三个电流输入， -至少六个电流输出，两个电流输出用于每一个电流输入，所述电流输出被电连接到所述三个电流输入并且能够连接到负荷(200 )。
2.根据权利要求I所述的集成磁性装置(1)，其中所述三个磁性子组件(30)中的每一个包括第一磁轭(35)和第二磁轭(35’)并且其中不带气隙的所述闭合磁环包括所述两个缠绕分支、所述第一磁轭(35)和所述第二磁轭(35’)。
3.根据权利要求I或者2之一所述的集成磁性装置(1)，其中所述三个磁性子组件(30)中的每一个包括在不带气隙的所述闭合磁环上组装的两个线轴(20)。
4.根据权利要求I到3之一所述的集成磁性装置(1)，其中所述三个磁性子组件(30)中的每一个具有相同的分支。
5.根据权利要求I到3之一所述的集成磁性装置(1)，其中进入所述第一公共磁轭或者第二公共磁轭中的磁通之和为零。
6.根据权利要求I到5之一所述的集成磁性装置(I)，包括两个气隙第一气隙(40)在所述三个磁性子组件(30)和所述至少一个第一公共磁轭(10 ；60,70 ；50)之间并且第二气隙(40’)在所述三个磁性子组件(30)和所述至少一个第二公共磁轭(10’;60’，70’；50’)之间。
7.根据权利要求I到6之一所述的集成磁性装置(I)，包括一个第一公共磁轭(10；50)和一个第二公共磁轭(10’ ；50’)。
8.根据权利要求7所述的集成磁性装置(I)，其中所述第一公共磁轭(50)和所述第二公共磁轭(50’)具有三角形或者圆形或者多边形形状，其中所述三个磁性子组件(30)被以三角形或者圆形或者多边形方式置放并且其中所述装置(I)包括孔(80)。
9.根据权利要求I到8之一所述的集成磁性装置(I)，其中所述第一公共磁轭(10)和所述第二公共磁轭(10’ )具有矩形形状，并且其中所述三个磁性子组件(30)被对准。
10.根据权利要求I到6之一所述的集成磁性装置(1)，包括两个第一公共磁轭(60，70)和两个第二公共磁轭(60’，70’)。
11.根据权利要求10所述的集成磁性装置(1)，包括两个孔(90)。
12.根据前面权利要求中任何一项所述的集成磁性装置(1)，其中所述至少三个绕组(22)包括两个分裂绕组(S)和一个扩张器绕组(V)。
13.根据前面权利要求中任何一项所述的集成磁性装置(1)，对于每一个磁性子组件(30)包括四个绕组(22)，所述四个绕组包括两个分裂绕组(S)和两个扩张器绕组(V)。
14.根据前面权利要求中任何一项所述的集成磁性装置(I)，其中当所述装置(I)被连接在所述三相电力网(100)和所述负荷(200)之间时，在每一个所述电流输入中流动的公共电流(Iu ；IL2 ；IL3)的每一个基本分量被分裂成在每一个所述电流输出中流动的、带有预定相角(f )的两个分裂电流(ISu、Isl.2 ；IS2.1> IS2.2 ；IS3.1> IS3.2)并且其中公共电流(〗U ； IL2 ；IL3)的所述每一个基本分量从所述三相电力网(100)的每一个电压相量以滞后角度(δ )移位。
15.根据前面权利要求中任何一项所述的集成磁性装置(I)在AC/DC整流器中的使用，所述AC/DC整流器包括 -电力网(100)， -12脉冲整流器， -DC 链路(Cdc)， -一般DC负荷(17)。
16.根据前面权利要求中任何一项所述的集成磁性装置(I)在DC/AC逆变器中的使用，所述DC/AC逆变器包括12个受控开关。
17.—种低谐波双向三相前端功率转换器,包括 -三相电力线(100)， -根据权利要求I到14中任何一项所述的集成磁性装置(I)， -带有反并联二极管的一组12个受控开关， -DC 链路(Cdc)， -DC电源或者一般DC负荷(700)。
全文摘要
一种用于低谐波三相前端(1)的集成磁性装置包括-三个磁性子组件(30)，其中每一个磁性子组件(30)包括不带气隙的闭合磁环、两个缠绕分支和至少三个绕组(22)；-将所述三个磁性子组件(30)磁连接的至少一个第一公共磁轭(10；60，70；50)和至少一个第二公共磁轭(10’；60’，70’；50’)；-在所述三个磁性子组件(30)和所述至少一个第一公共磁轭(10；60，70；50)或者第二公共磁轭(10’；60’，70’；50’)之间的至少一个气隙(40；40’)；-能够连接到三相电力网(100)的三个电流输入；-至少六个电流输出，两个用于每一个相，所述电流输出被电连接到所述三个电流输入并且能够连接到负荷(200)。该集成磁性装置被设计用于低谐波三相双向前端并且还被设计用于AC/DC和DC/AC功率转换器。通过使用集成分裂器和电感器功能的仅仅一个装置，它的使用使得能够减小被吸收或者被注射到三相电力线的电流的谐波。与已知方案比较，减小了集成磁性装置的成本、材料和尺寸。
文档编号H02M1/12GK102948055SQ201080067302
公开日2013年2月27日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月10日
发明者A.皮特基维奇 申请人:沙夫纳 Emv 股份公司