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1、(10)申请公布号 CN 102882357 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 3 5 7 A *CN102882357A* (21)申请号 201210417904.5 (22)申请日 2012.10.26 H02M 1/00(2007.01) H02M 5/40(2006.01) (71)申请人株洲变流技术国家工程研究中心有 限公司 地址 412001 湖南省株洲市石峰区时代路 169号 (72)发明人任涛 马雅青 彭力 余军 许汝波 龙致远 徐泽连 黄欢 杨鸣远 欧海平 肖泉华 (74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代。
2、理人王宝筠 (54) 发明名称 一种功率输出装置 (57) 摘要 本发明公开了一种功率输出装置，包括：N个 功率模块，两个输出端；N个功率模块通过开关依 次串联，第一输出端与第一功率模块相连，第二输 出端与第N功率模块相连；通过闭合或断开所述 开关，改变所述装置的输出功率；所述功率模块 包括三层变流链；所述变流链包括三个串联的功 率单元、三个与各个所述功率单元相连的输入电 抗器、一个与所述三个串联的功率单元相连的均 流电抗器，本发明可以通过开关控制功率单元的 串联数量，避免了采用多台相应的功率单元串联 来实现多种电压的输出，减少了设备的占地面积 及设备的投资。 (51)Int.Cl. 权利要求。
3、书2页 说明书6页 附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 9 页 1/2页 2 1.一种功率输出装置，其特征在于，包括： N个功率模块，第一输出端和第二输出端，所述N为自然数，且N2； 所述N个功率模块通过开关依次串联，所述第一输出端与第一功率模块相连，所述第 二输出端与第N功率模块相连； 通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述装置的输 出功率； 所述功率模块包括三层变流链； 所述变流链包括三个串联的功率单元、三个与各个所述功率单元相连的输入电抗器、 一个与所述三个串联的功率单元相连的均流电抗。
4、器。 2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 与第一输出端相连的最大电压输出开关； 当最大电压输出开关闭合时，在第二输出端输出所述装置的最大电压。 3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 与第二输出端相连的最大电压输出开关； 当最大电压输出开关闭合时，在第一输出端输出所述装置的最大电压。 4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括： 对所述各个功率单元提供相同的输入电压的输入装置。 5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括： 与所述功率单元、所述输入电抗器和所述均流电抗器相连的水冷却装置； 与各个所述功率模块相连的冷却风机。 6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，。
5、所述功率单元与所述输入电抗器采用背靠 背的模式进行连接。 7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率模块包括： 由玻璃槽钢支撑梁和环氧底板组成的电缆桥架。 8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，当N等于2时，所述N个功率模块通过开关 依次串联，所述第一输出端与第一功率模块相连，所述第二输出端与第N功率模块相连，包 括： 两个功率模块通过第一开关串联，第一输出端通过最大电压输出开关与第一功率模块 相连，第二输出端与第二功率模块相连； 所述通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述装置 的输出功率包括： 当所述第一开关闭合时，在所述第一输出端和/或第二输出端输出第一。
6、电压； 当所述第一开关断开且所述最大电压输出开关闭合时，在第二输出端输出第二电压。 9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，当N等于4时，所述N个功率模块通过开关 依次串联，所述第一输出端与第一功率模块相连，所述第二输出端与第N功率模块相连包 括： 第一输出端与第一功率模块相连，第一功率模块通过第一开关第二功率模块相连，第 二功率模块通过第二开关与第三功率模块相连，第三功率单元通过第三开关与第四功率模 块相连，第四功率模块通过最大电压输出开关与第二输出端相连； 权 利 要 求 书CN 102882357 A 2/2页 3 所述通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述装。
7、置 的输出功率包括： 当所述第一开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第一电压，所述第二输出 端输出第二电压，当所述第二开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第三电压， 所述第二输出端输出第三电压，当第三开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第 二电压，所述第二输出端输出第一电压； 当最大电压输出开关闭合、其他开关断开时，在第一输出端输出第四电压。 权 利 要 求 书CN 102882357 A 1/6页 4 一种功率输出装置 技术领域 0001 本发明涉及变频器领域，特别涉及一种功率输出装置。 背景技术 0002 随着时代的不断进步，变频技术得到高速的发展，大容量的高压变频。
8、技术得到广 泛的应用，目前变频器主要通过级联的方式获得高压的大容量输出，即采用若干个低压功 率单元串联的形式实现高压的直接输出，但由于级联型高压变频器不能灵活的切换功率单 元的串联数量，导致实现高压输出的功率单元的数目是固定的，进一步导致变频器仅具备 单一的额定电压的输出，但目前在很多场合，需要高压变频器驱动多种电压等级的电机，因 此现有的功率输出装置不能满足同时驱动多种电压等级的电机的需求。 发明内容 0003 有鉴于此，本发明提供一种功率输出装置，旨在解决多种电压输出时设备占地面 积大的问题。 0004 为了解决上述问题，本发明实施方式如下： 0005 一种功率输出装置，包括： 0006 。
9、N个功率模块，第一输出端和第二输出端，所述N为自然数，且N2； 0007 所述N个功率模块通过开关依次串联，所述第一输出端与第一功率模块相连，所 述第二输出端与第N功率模块相连； 0008 通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述装置 的输出功率； 0009 所述功率模块包括三层变流链； 0010 所述变流链包括三个串联的功率单元、三个与各个所述功率单元相连的输入电抗 器、一个与所述三个串联的功率单元相连的均流电抗器。 0011 优选的，所述的装置，还包括： 0012 与第一输出端相连的最大电压输出开关； 0013 当最大电压输出开关闭合时，在第二输出端输出所述装置的。
10、最大电压。 0014 优选的，所述的装置，还包括： 0015 与第二输出端相连的最大电压输出开关； 0016 当最大电压输出开关闭合时，在第一输出端输出所述装置的最大电压。 0017 优选的，所述的装置，包括： 0018 对所述各个功率单元提供相同的输入电压的输入装置。 0019 优选的，所述的装置还包括： 0020 与所述功率单元、所述输入电抗器和所述均流电抗器相连的水冷却装置； 0021 与各个所述功率模块相连的冷却风机。 0022 优选的，所述功率单元与所述输入电抗器采用背靠背的模式进行连接。 说 明 书CN 102882357 A 2/6页 5 0023 优选的，所述的装置中所述功率模。
11、块包括： 0024 由玻璃槽钢支撑梁和环氧底板组成的电缆桥架。 0025 优选的，所述的装置中当N等于2时，所述N个功率模块通过开关依次串联，所述 第一输出端与第一功率模块相连，所述第二输出端与第N功率模块相连，包括： 0026 两个功率模块通过第一开关串联，第一输出端通过最大电压输出开关与第一功率 模块相连，第二输出端与第二功率模块相连； 0027 所述通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述 装置的输出功率包括： 0028 当所述第一开关闭合时，在所述第一输出端和/或第二输出端输出第一电压； 0029 当所述第一开关断开且所述最大电压输出开关闭合时，在第二输出端输。
12、出第二电 压。 0030 优选的，所述的装置中当N等于4时，所述N个功率模块通过开关依次串联，所述 第一输出端与第一功率模块相连，所述第二输出端与第N功率模块相连包括： 0031 第一输出端与第一功率模块相连，第一功率模块通过第一开关第二功率模块相 连，第二功率模块通过第二开关与第三功率模块相连，第三功率单元通过第三开关与第四 功率模块相连，第四功率模块通过最大电压输出开关与第二输出端相连； 0032 所述通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述 装置的输出功率包括： 0033 当所述第一开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第一电压，所述第二 输出端输出第二电。
13、压，当所述第二开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第三电 压，所述第二输出端输出第三电压，当第三开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输 出第二电压，所述第二输出端输出第一电压； 0034 当最大电压输出开关闭合、其他开关断开时，在第一输出端输出第四电压。 0035 本发明实施例所述的功率输出装置，包括至少两个功率模块，并通过开关依次串 联，和两个输出端，通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，从而使得所 述装置的输出功率随之改变，并在输出端进行输出所得电压，因此，所述装置能够驱动多种 电压等级的电机。 附图说明 0036 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方。
14、案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。 0037 图1为本发明实施例一种功率输出装置的结构图； 0038 图2为本发明实施例一种功率输出装置中功率模块的结构图； 0039 图3为本发明实施例一种功率输出装置中功率模块的结构图； 0040 图4为本发明实施例一种功率输出装置中功率模块的结构示意图； 0041 图5为本发明实施例一种功率输出装置中冷却系统的结构示意图； 0042 图6为本发明实施例一种功率输出装置中功率模块侧。
15、视图的结构示意图； 说 明 书CN 102882357 A 3/6页 6 0043 图7为本发明实施例另一种功率输出装置的结构示意图； 0044 图8为本发明实施例另一种功率输出装置的结构示意图； 0045 图9为本发明实施例另一种功率输出装置的结构示意图； 0046 图10为本发明实施例另一种功率输出装置的结构示意图； 0047 图11为本发明实施例另一种功率输出装置的结构示意图。 具体实施方式 0048 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人。
16、员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 0049 本发明提供了一种功率输出装置，如图1所示，包括： 0050 N个功率模块，第一输出端和第二输出端，所述N为自然数，且N2； 0051 如图1所示101、10210N分别为N个功率模块，110为第一输出端，120为第二 输出端。 0052 所述N个功率模块通过开关依次串联，所述第一输出端110与第一功率模块101 相连，所述第二输出端120与第N功率模块相连； 0053 通过闭合或断开所述开关，改变所述功率模块的连接关系，以便于改变所述装置 的输出功率。 0054 本发明将各个功率单元模块通过开关相串联，通。
17、过控制不同开关状态，控制功率 单元的串联数量，从而实现多种电压等级的输出，避免采用多台相应的功率单元串联来实 现多种电压等级的输出，并节省了设备的占地面积及设备的投资。 0055 如图2所示，为功率模块的一个变流链，所述变流链包括三个串联的功率单元、三 个与各个所述功率单元相连的输入电抗器、一个与所述三个串联的功率单元相连的均流电 抗器。 0056 如图所示，变流链含有第一功率单元201、第一输入电抗器204，第二功率单元 202、第二输入电抗器205，第三功率单元203、第三输入电抗器206，和一个均流电抗器207 组成。 0057 进一步的，所述功率单元与所述输入电抗器采用背靠背的模式进行。
18、连接。 0058 任意两个变流链之间的电气参数因制造或控制精度的影响不可避免会产生偏差, 导致变流链之间形成闭环产生环流，本发明采用输入电抗器和均流电抗器限制由于变流链 闭环而产生的环流，进一步的使得器件散热性能良好、系统可靠性得到大幅提高。 0059 如图3所示为一个功率模块的电路图，所述功率模块包括三层电流链； 0060 三层变流链分别用An、Bn、Cn、Ln表示，其中An、Bn、Cn的结构如图所示，分别代表 相应的功率单元和相应的输入电抗器的组成，Ln代表均流电抗器，其中，A1、A2、A3、L1，B1、 B2、B3、L2，C1、C2、C3、L3分别为一个变流链，功率模块分别由三层电流链组。
19、成。 0061 如图4所示为功率模块的装置图，将图2所示电路图对应到装置中，在顶层中变流 链中，第一功率单元为201、第二功率单元202、第三功率单元203，第一输入电抗器204、第 二输入电抗器205、第三输入电抗器206，一个均流电抗器207；以下两层的装置图结构同顶 说 明 书CN 102882357 A 4/6页 7 层的装置图，三层的电路结构一致，增加装置的通用性和模块化设计。 0062 本发明将功率模块的装置采用三层三相布局，其中每一层为一个变流链，电气结 构清晰，将三个变流链分三层放置，不仅节省了设备占地面积又减少对设备的投资，且功率 单元与输入电抗器采用背靠背布置方式，降低电缆。
20、的连接长度和装置的几何尺寸，进一步 节约了材料和成本。 0063 如图5所示，所述装置还包括： 0064 与所述功率单元、所述输入电抗器和所述均流电抗器相连的水冷却装置； 0065 与各个功率模块相连的冷却风机。 0066 如图5所示，501为与各个功率模块相连的冷却风机，502、503、504、505、506共同 组成功率输出装置的水冷却装置，在水冷却装置中502为第一进水口，503为第二进水口， 504为第一出水口，505为第二出水口，506第三出水口，其中冷却水通过第一入水口和第二 入水口进入装置，分别与各个功率模块的功率单元、输入电抗器和均流电抗器相连，经第一 出水口、第二出水口和第三。
21、出水口输出，带走装置中热量实现散热的目的。 0067 如图中所示为含有两个功率模块的功率输出装置，其中每个功率模块分三层布 置，每一层为一个变流链，水冷却装置和冷却风机组合形成功率输出装置的冷却系统，其中 水冷却系统用于给功率单元、输入电抗器、均流电抗器等大功率器件散热，冷却风机用于将 装置内多余的热量带出，即采用以水冷却装置为主，冷却风机为辅的冷却系统对装置进行 散热，提高了系统的可靠性，且本发明将电气装置和冷却系统分开，实现水电分离，进一步 的提高了系统的可靠性，且所述功率模块电气结构清晰，两个功率模块采用完全相同的设 计，进一步的提高了装置的通用性。 0068 如图6所示，所述功率单元输。
22、出装置包括： 0069 电缆桥架，所述玻璃槽钢支撑梁和环氧底板组成的。 0070 图6所示为图4中所示的功率单元的侧视图，其中601为装置顶层所有功率单元 的侧视图，602为顶层所有输入电抗器的侧视图，603为玻璃槽钢支撑梁、604为环氧底板， 605为由玻璃槽钢和环氧底板构成的电缆桥架。 0071 为了满足电气绝缘以及支撑重量较大的输入电抗器、均流电抗器和功率单元，本 发明将装置中所有支撑梁均使用玻璃槽钢支撑；由于功率单元级联电缆较多，设计了由玻 璃槽钢支撑梁和环氧底板构成的电缆桥架，使高压电缆布置于电缆桥架中避免与低压控制 电缆交叉,从而使变频器能达到高低压分离，提高变频器安全性能。 00。
23、72 进一步的，如图7所示，所述装置还包括： 0073 与第一输出端相连的最大电压输出开关700； 0074 当最大电压输出开关闭合700时，在第二输出端120输出所述装置的最大电压。 0075 进一步的，如图8所示，所述装置还包括： 0076 与第二输出端相连的最大电压输出开关800； 0077 当最大电压输出开关闭合800时，在第一输出端110输出所述装置的最大电压。 0078 最大电压开关即可与第一输出端110相连，又可与第二输出端120相连，当最大电 压开关闭合时，电压即可从另一输出端输出，从而使得所有的功率单元都参加串联，达到输 出最大电压的目的。 0079 进一步的，如图9所示，所。
24、述装置包括： 说 明 书CN 102882357 A 5/6页 8 0080 对所述各个功率单元提供相同的输入电压的输入装置900。 0081 本发明中各个功率单元的供电采用集中供电的方式，采用三相电输入，经过高压 充电电路进入移相输入变压器，然后经过移相输入变压器降压后给功率单元供电。 0082 进一步的，如图10所示，功率输出装置中当N等于2时，即当功率模块为两个时， 以输入装置为三相电10KV为例，所述装置包括： 0083 两个功率模块，第一输出端和第二输出端； 0084 经过高压充电电路进入移相输入变压器，然后经过移相输入变压器降压后给功率 单元供电，第一功率模块为A1-A3、B1-B。
25、3、C1-C3，第二功率模块为A4-A6、B4-B6、C4-C6经过 整流、滤波及逆变后输出单相交流电压。本实施例以三相电输入10KV为例，则加载至每个 功率单元上的额定电压为690V，第一输出端为U1、V1、W1，第二输出端为U2、V2、W2。 0085 两个功率模块通过开关串联，第一输出端与第一功率模块相连，第二输出端与第 二功率模块相连； 0086 第一功率模块与第二功率模块之间通过开关2KM2串联，第一输出端U1、V1、W1与 第一功率模块相连，第二输出端U2、V2、W2与第二功率模块相连。 0087 与第一输出端相连的最大电压输出开关； 0088 与第一输出端相连的最大电压输出开关2。
26、KM1,通过闭合开关2KM1来实现最大电 压的输出 0089 当第一开关闭合时，在第一输出端和/或第二输出端输出第一电压； 0090 当第一开关2KM1闭合时，电压将从第一输出端和第二输出端输出电压，输出端仅 能输出单个功率模块的功率，即A1、A2、A3三个功率单元串联的电压，类似的即B1、B2、B3 三个功率单元串联的电压，C1、C2、C3三个功率单元串联的的电压，由于将单相电压输出至 U1、V1、W1三相电压因此需进行电压转换，得到第一输出端和第二输出端都输出3.45kV。 0091 当第一开关断开、最大电压输出开关闭合时，在第二输出端输出所述装置的最大 电压。 0092 当第一开关2KM。
27、2断开时，最大电压输出开关闭合时，电压将从第二输出端输出 电压，输出端将两个功率模块进行串联，即输出A1-A6六个功率单元串联的电压，类似的， B1-B6六个功率单元串联的电压，C1-C6六个功率单元串联的的电压，由于将A1-A6、B1-B6、 C1-C6单相电压输出至U2、V2、W2三相电压因此需进行电压转换，得到第二输出端输出电压 6.9KV。 0093 进一步的，如图11所示，功率输出装置中当N等于4时，即当功率模块为四个时， 以输入装置为三相电10KV为例，所述装置包括： 0094 四个功率模块，第一输出端和第二输出端； 0095 经过高压充电电路进入移相输入变压器，然后经过移相输入变。
28、压器降压后给功率 单元供电，第一功率模块为A1-A3、B1-B3、C1-C3，第二功率模块为A4-A6、B4-B6、C4-C6，第 三功率模块为A7-A9、B7-B9、C7-C9，第四功率模块为A10-A12、B10-B12、C10-C12经过整流、 滤波及逆变后输出单相交流电压。本实施例以三相电输入10KV为例，则加载至每个功率单 元上的额定电压为690V，第一输出端为U1、V1、W1，第二输出端为U2、V2、W2。 0096 与第一输出端相连的第一功率模块，与第一功率模块通过第一开关相连的第二功 率模块，与第二功率模块通过第二开关相连的第三功率模块，与第三功率单元通过第三开 说 明 书CN。
29、 102882357 A 6/6页 9 关相连的第四功率模块，与第四功率模块相连的第二输出端； 0097 第一输出端U1、V1、W1与第一功率模块相连，第二功率模块通过第一开关2KM1与 第一功率模块相连，第三功率模块通过第二开关2KM2与第二功率模块相连，第四功率模块 通过第三开关2KM3与第三功率单元相连，第二输出端U2、V2、W2与第四功率模块相连； 0098 与第二输出端相连的最大电压输出开关； 0099 与第二输出端相连的最大电压输出开关2KM4,通过闭合开关2KM4来实现最大电 压的输出。 0100 当所述第一开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第一电压，所述第二 输出端输。
30、出第二电压，当所述第二开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输出第三电 压，所述第二输出端输出第三电压，当第三开关闭合、其他开关断开时，所述第一输出端输 出第二电压，所述第二输出端输出第一电压； 0101 当第一开关闭合2KM1，2KM2、2KM3、2KM4断开时，第一输出端U1、V1、W1输出第一电 压3.45kV，第二输出端输出第二电压10KV，当所述第二开关2KM2闭合，2KM1、2KM3、2KM4断 开时，所述第一输出端输出第三电压6.9KV，所述第二输出端输出第三电压6.9KV，当第三 开关2KM3闭合，2KM1、2KM2、2KM4断开时，所述第一输出端输出第二电压10KV，所述第。
31、二输 出端输出第一电压3.45kV； 0102 当最大电压输出开关2KM4闭合、2KM1、2KM2、2KM3断开时，在第一输出端输出第四 电压13.8KV。 0103 以上两个实施例以N等于2和N等于4为例，详细说明本装置通过控制不同开关 状态来实现多种等级的输出，并可实现多台电机的同时拖动，且本发明各个功率单元模块 采用三层布局，节省了占地面积，减少对设备的投资，且功率单元与输入电抗器采用背靠背 布置方式，降低电缆的连接长度和模块的几何尺寸，进一步节约了材料和成本。 0104 本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销 售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介。
32、质中。基于这样的理解，本发明实施例 对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软 件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备（可以是个人计算机， 服务器，移动计算设备或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步 骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存 取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。 0105 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它 实施例的不同之处，各个实施例。
33、之间相同或相似部分互相参见即可。 0106 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说 明 书CN 102882357 A 1/9页 10 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102882357 A 10 2/9页 11 图3 说 明 书 附 图CN 102882357 A 11 3/9页 12 图4 说 明 书 附 图CN 102882357 A 12 4/9页 13 图5 说 明 书 附 图CN 102882357 A 13 5/9页 14 图6 说 明 书 附 图CN 102882357 A 14 6/9页 15 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102882357 A 15 7/9页 16 图9 说 明 书 附 图CN 102882357 A 16 8/9页 17 图10 说 明 书 附 图CN 102882357 A 17 9/9页 18 图11 说 明 书 附 图CN 102882357 A 18 。