[发明专利]用于多组电机相移绕组的多电平电压驱动

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年7月28日提交的题为“Multi-leveled Phase Shifted Electric Machine System(多电平相移电机系统)”的美国临时专利申请No.61/368,295的优先权，其公开内容通过援引包含于此。

背景技术

一些电力系统将机械能转换成电能和/或将电能转换成机械能。例如，发电系统可包括原动机和诸如电机之类的可将机械能转换成电能的机电元件。类似地，马达驱动系统可包括耦合到电机的机械负载。这些系统通常包括用以处理电能（例如通过将AC（交流电）转换成DC（直流电）或反之亦然）的无源或有源控制的电力电子器件。此外，这些系统可使用变压器以隔离配电网的不同部分或者用于匹配配电网的不同部分中的电压电平。

发明内容

一示例性电力系统包括具有多组定子绕组的电机。每组绕组通过开关矩阵耦合至共同的电压总线。每组绕组可在空间上绕定子以整节距分布，以使定子通量磁通显著减少。减小的定子磁通谐波可与相电流谐波含量相关联。

在一些实现中，电机中的定子绕组连接以显著减小或消除来自电力电子设备的时间－谐波电流的影响，包括谐波阶次，谐波阶次是相绕组的组数（N）、每组绕组中的相位数（M）、以及电力－电子转换器中的器件的开关频率的函数。

多电平调节以使被馈送至N个电机绕组中的每一组的电压波形或电流波形阶梯化。例如，令N等于4，可取得低磁通谐波含量而无需在低电压应用中进行多电平调节。可使用多电平调节来减少或最小化电机的铁心和线圈损耗。通过3S技术的多电平调节能显著地减小可调速驱动中的开关损耗，尤其是当电机电压是中等电压时。

在一个总的方面，电机系统可包括电机和驱动电机的驱动。电机可包括定子，该定子具有基本均匀地跨定子表面分布的数个绕组位置。电机也可包括基本对称地安置在所述数个绕组位置之间并连接以形成数(N)组多(M)相绕组的数个线圈。对于这些绕组中的每一个，线圈中的每一个可横跨单个磁极以形成一整节距绕组。N组线圈中的每一组可基本相对于彼此错开以显著减小操作中某一频率范围内的磁通的谐波含量。例如，绕组可在定子的各个狭槽中空间地(例如圆周地)彼此错开，或者绕组可以另一方式基本错开，以减小该频率范围内的磁通的谐波含量。

驱动可包括处理级，该处理级包括N个基本独立模块，这些模块与N组绕组中的每一组对应。N个模块中的每一个可具有M个输出端口，用以连接于相应的N组绕组中的每一个。N个模块中的每一个可具有第一和第二输入端口，这些输入端口可连接于电压总线的第一节点和第二节点。模块中的每一个可具有M数量的开关矩阵，这些开关矩阵具有至少三个输出电平。N个模块可以是调节电压、电流和/或两者。

在一些方面，N个模块可具有至少五个输出电平。这至少五电平的开关矩阵可被配置成在至少五个电平振幅下输出电压。

在一些方面，电机系统可包括配置成在定子中转动的永磁铁转子。电机系统可进一步包括可浸没泵，该泵耦合至转子从而以与转子相同的转速转动。例如，电机系统可包括可浸没泵，该泵耦合至转子从而以与转子、定子和线圈相同的转速转动。转子和可浸没泵可配置成位于井眼(wellbore)内。

在一些方面，这至少三电平的开关矩阵可被配置成在至少三个电平振幅下输出电压。在该电机系统中，第一模块的M个开关矩阵的第一开关矩阵输出第一相位下的电压，而每个模块的M个开关矩阵的第二开关模块输出与第一相位不同的第二相位下的电压。第一开关矩阵可将第一相位下的电压输出至第一个线圈，而第二矩阵可将第二相位下的电压输出至第二个线圈。该电机系统可使用例如M等于3和N等于4的参数。

在附图和以下描述中阐明本发明的一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图以及权利要求书，本发明的其他特征、目标、以及优点将变得显而易见。

附图说明

图1A-1B示出示例性功率级的示意性示图。

图2示出电机中的示例性定子绕组配置的示图。

图3是示出向N=4组电机绕组馈电的三电平开关矩阵的电压波形的示意图。

图4是示出向N=2组电机绕组馈电的五电平开关矩阵的电压波形的示意图。

图5是示出向N=4组电机绕组馈电的五电平开关矩阵的拓朴图和关联的电压波形的示意图。

图6是向两个马达A、B馈电的共同转换器的示意图。

图7是示出一示例性电机系统的示意图。

在各附图中相似的附图标记指示相似的部件。