专利名称：一种交流高压功率变换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流直接变换至交流的高压功率变换装置，属高压开关技术领域。特别涉及高压电机变频驱动及高压变频电源。
高压功率变换装置广泛用于高压电机变频驱动、高压变频电源等许多场合，多采用单级或多级并联式变换方法，有交交变换方式，也有交直交变换方式。采用这种方式，变换装置中的功率半导体器件将承受高电压的作用，而功率半导体器件的耐压能力是有限的，为了能够对更高的电压进行变换，常需要采用如多只器件串联等方式的电路，从而为保证各功率器件承受的电压均衡需要非常复杂的电路。另一方面，采用单级变换方法将导致输出电压谐波很大，会对用电设备造成不利影响，使电机绝缘受到损害而减少电机寿命，降低电机工作效率。而多级并联式变换方法则需要解决各级之间的环流问题。中国专利号为95119585.9的已有技术中，公开了一种通过多级串联叠加而实现高压变换的方法，这种方法可降低功率半导体器件所承受的电压，同时可减小输出电压谐波。但由于这种方法需要有中间直流环节，并需要使用可关断功率半导体器件，电路仍然比较复杂，装置体积较大且成本也较高。
本实用新型的目的是设计一种交流高压功率变换装置，简化现有技术，降低成本，同时具有较小的装置体积和输出电压谐波。
本实用新型所设计的交流高压功率变换装置，包括将输入交流电变换成相互间电气绝缘的n组、每组相数为m的中间交流电的输入细分电路，k个由功率变换模块串联而成的模块列，一个连接至输入细分电路及k个模块列的中央控制单元；所述的功率变换模块是包括连接至输入细分电路的，由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路或双向半波可控整流电路或双向半控可控整流电路；所述的k个模块列是由将n个功率变换模块分为k组，并将每组的所有功率变换模块输出端串联而得到的；所述的中央控制单元分别对各功率变换模块的输出电压大小及极性进行控制，从而调节k个模块列的输出电压幅值及频率，得到所需要的电压幅值、频率及相位可变的k路交流电。
所述的输入细分电路可以是一种常规交流变压器，其输入侧绕组连接至输入交流电，副边输出绕组分为n组，每组副边绕组输出相数为m的交流电，并连接至n个功率变换模块。
上述变换模块可以是包括由双向可控硅连接成的m相双向可控整流电路，或者是包括将两个由可控硅连接成的m相可控整流电路正反向并联而连接成的m相双向可控整流电路。
上述变换模块也可以是包括由可关断半导体功率开关器件连接成的m相双向可控整流电路，其中可关断半导体功率开关器件可以是GTO、SIT、IGBT、GTR、MOSFET、IGCT、MCT。
本发明所设计的交流高压功率变换装置省去了中间直流环节，使线路得以大大简化，显著降低了成本，同时由于采用多级串联叠加技术，使半导体功率器件所承受的耐压降低，并且可以通过中央控制单元调整各级功率变换模块的输出电压波形使该变换装置的电压、电流谐波得以减小。
图1是本实用新型设计的装置实施例的线路结构框图。
图2是本实用新型设计的装置的输入细分电路的电路原理图。
图3是本实用新型设计的装置的功率变换模块的电路原理图。
图4是本实用新型采用半波双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图。
图5是本实用新型采用半控双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图。
图6是本实用新型采用可控硅的功率变换模块电路原理图。
图7是本实用新型采用双向可控硅的功率变换模块电路原理图。
图8是本实用新型采用可控硅的半波双向可控整流桥电路的功率变换模块的电路原理图。
图9是本实用新型采用IGBT的功率变换模块的电路原理图。
图10是本实用新型采用IGBT的半控双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图。
以下结合附图，详细介绍本实用新型设计的装置的工作过程。
图1是本实用新型装置的实施例线路结构框图，包括一个输入细分电路1，k个模块列7，一个中央控制单元3。每个模块列7都由多个功率变换模块2串联而成。其工作过程是输入交流电4经过输入细分电路1变换后，成为n组m相交流输出电5，作为功率变换模块2的输入，经功率变换模块2变换后，成为单路正负极性及大小可变的脉动直流电，将n个功率变换模块2分成k组，并将每组的各模块输出端6串联起来，形成k个模块列7，使每个功率变换模块2的输出电压叠加起来，成为输出的高压电；由中央控制单元3按一定的时间顺序及间隔改变各模块列7中各功率变换模块2内功率器件的开通关断时间，以改变其输出电压的极性及大小，从而改变k路模块列的输出电压及频率，得到k路幅值、周期及相位可变的高压交流电Vo1，Vo2至Vok。
图2表示了本新型设计的装置的输入细分电路的原理图，是一种常规变压器9，其原边绕组10连接输入交流电源，本实施例中采用三相星形接法，在实际中，根据输入电源情况，也可以是其他相数或其他接法；其副边输出包括有n组绕组8，每组包含三个绕组，从而提供三相交流电输出，本实施例中采用三相星形接法，在实际中，也可以是三角形或其他接法；每组绕组8也可包含其他数量的绕组，以提供具有其他相数的交流电输出，较多的相数可以使叠加后产生的输出电压谐波减小，但同时也增加了电路的复杂性，需要视具体情况确定其合理的相数。副边输出绕组的输出电压可以与输入电压有一定相位差，合理选择各组绕组的相位差可以使原边输入电流的谐波减小。
图3是本新型设计的装置功率变换模块的电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc，其中六半导体开关开关k1、开关k2、开关k3、开关k4、开关k5、开关k6连接成了三相双向可控整流桥电路，其输出电压为vo。双向可控硅桥的相数也可以是其他数字，这取决于输入细分电路的每组绕组输出相数。
图4是本实用新型采用半波双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc及零线N，其中四个半导体开关开关K7、开关K8、开关K9、开关K10连接成了三相半波双向可控整流桥电路，其输出电压为vo。
图5是本实用新型采用半控双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图。其中每个开关器件包括一个二极管和一个开关，开关器件K11、开关器件K12、开关器件K13及二极管D14、二极管D15、二极管D16连接成了正向半控可控整流桥电路，开关器件K14、开关器件K15、开关器件K16及二极管D11、二极管D12、二极管D13连接成了反向半控可控整流桥电路，从而正反向半控可控整流桥电路并联连接成了三相半控双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc，其输出电压为vo。
图6是本实用新型采用可控硅的功率变换模块实施例电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc，其中六只可控硅可控硅11、可控硅12、可控硅13、可控硅14、可控硅15、可控硅16连接成正向可控整流桥，而另外六只可控硅连接成反向可控硅桥，从而十二只可控硅连接成了三相双向可控整流桥电路，其输出电压为vo。其中驱动电路23接收控制信号24，以触发上述12支可控硅的开通。由此，组成正向可控整流桥的六只可控硅可控硅11、可控硅12、可控硅13、可控硅14、可控硅15、可控硅16按顺序工作而组成反向可控整流桥的六只可控硅保持关断，则功率变换模块可输出正极性电压；反之则可输出负极性电压。通过用控制信号24改变驱动电路23触发各可控硅的时间，可以改变输出电压的大小。
图7是本实用新型采用双向可控硅的功率变换模块电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc，其中六只双向可控硅双向可控硅26、双向可控硅27、双向可控硅28、双向可控硅29、双向可控硅30、双向可控硅31连接成了三相双向可控整流桥电路，其输出电压为vo。其中驱动电路25接收控制信号24，以触发上述6支双向可控硅的开通及开通方向，当驱动电路25发出正极性的驱动脉冲时，六只双向可控硅正向导通，从而双向可控硅桥可输出正极性电压；当驱动电路25发出负极性的驱动脉冲时，六只双向可控硅反向导通，从而双向可控硅桥可输出负极性电压。通过用控制信号24改变驱动电路25触发可控硅的时间，可以改变输出电压的大小。
图8是本实用新型采用半波双向可控整流电路的功率变换模块电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc及零线N，其输出电压为vo。其中可控硅56、可控硅57、可控硅58、可控硅59连接成了半波正向可控整流桥，而可控硅53、可控硅54、可控硅55、可控硅60连接成了半波反向可控整流桥，从而八只可控硅连接成了三相半波双向可控整流桥电路。其中驱动电路52接收控制信号24，以触发上述8支可控硅的开通。由此，组成正向可控整流桥的四只可控硅可控硅56、可控硅57、可控硅58、可控硅59按顺序工作而组成反向可控整流桥的四只可控硅保持关断，则功率变换模块可输出正极性电压；反之则可输出负极性电压。通过用控制信号24改变驱动电路52触发可控硅的时间，可以改变输出电压的大小。
图9是本实用新型所设计装置中功率变换模块的采用可关断半导体开关器件IGBT的双向可控整流电路原理图，其输入端连接三相交流电va、vb、vc，其中12只半导体功率器件IGBT70、IGBT71、IGBT72、IGBT73、IGBT74、IGBT75、IGBT76、IGBT77、IGBT78、IGBT79、IGBT80、IGBT81两两正反向串联，连接成了六个可双向承受电压的半导体开关，并进一步连接成了三相双向可控整流桥电路，其输出电压为vo。其中驱动电路69接收控制信号24，以控制上述6对IGBT的开通及关断。通过用控制信号24改变驱动电路69的驱动信号，以改变双向可控整流桥电路输出电压的大小及极性。
图10是采用IGBT的半控双向可控整流桥电路的功率变换模块电路原理图。其中每个开关器件包括一个IGBT和两个二极管，该IGBT与一个二极管串联后，与另外一只二极管并联。由此组成的开关器件40、开关器件41、开关器件42、开关器件43、开关器件44、开关器件45连接成了三相半控双向可控整流桥电路，其输入端连接至三相交流电va、vb、vc，其输出电压为vo。通过用控制信号24改变驱动电路39的驱动信号，以改变双向可控整流电路输出电压大小及极性。
权利要求1.一种交流高压功率变换装置，其特征是，该装置包括将输入交流电变换成相互间电气绝缘的n组、每组相数为m并分别连接至n个功率变换模块的中间交流电的输入细分电路，k个由功率变换模块串联而成的模块列，一个连接至输入细分电路及k个模块列的中央控制单元；所述的功率变换模块是包括连接至输入细分电路的、由功率半导体开关器件或功率半导体开关器件组连接成的、输出电压极性及大小可变的m相双向可控整流桥电路或半波双向可控整流桥电路或半控双向可控整流桥电路；所述的k个模块列是由将n个功率变换模块分为k组，并将每组的所有功率变换模块输出端串联而得到的；所述的中央控制单元分别对各功率变换模块的输出电压大小及极性进行控制，从而调节k个模块列的输出电压幅值及频率。
2.按照权利要求1所述的交流高压功率变换装置，其特征是，输入细分电路是一种常规交流变压器，其原边输入绕组连接至输入交流电，副边输出绕组分为n组，每组副边绕组输出相数为m的交流电，并分别连接至n个功率变换模块。
3.按照权利要求1所述的交流高压功率变换装置，其特征是，所述的功率变换模块是包括连接至输入细分电路的，由双向可控硅连接成的m相双向可控整流电路或半波双向可控整流桥电路或半控双向可控整流桥电路。
4.按照权利要求1所述的交流高压功率变换装置，其特征是，所述的功率变换模块是包括连接至输入细分电路的，将两个由可控硅连接成的m相可控整流桥电路或半波可控整流桥电路或半控可控整流桥电路正反向并联而连接成的m相双向可控整流电路或半波双向可控整流桥电路或半控双向可控整流桥电路。
5.按照权利要求1所述的交流高压功率变换装置，其特征是，所述的功率变换模块是包括连接至输入细分电路的，由可关断功率半导体开关器件组成的m相双向可控整流电路或半波双向可控整流桥电路或半控双向可控整流桥电路。
6.按照权利要求5所述的交流高压功率变换装置，其特征是，所述的可关断功率半导体开关器件是包括GTO，或SIT，或IGBT，或GTR，或MOSFET，或IGCT，或MCT。
专利摘要本实用新型涉及一种交流高压功率变换装置。其特点是采用多级功率变换模块依次串联,各级功率模块输出电压经叠加后得到高压输出,而每个功率变换模块则实现交流至交流的直接变换,通过改变各功率变换模块内开关元件的开通时间及顺序,得到所需要的经串联叠加后的输出电压及频率。本实用新型所设计的装置包括一个中央控制单元,输出n组相互间电气绝缘的交流电源及与其连接的n个功率变换模块。
文档编号H02M7/12GK2473808SQ01201250
公开日2002年1月23日 申请日期2001年2月9日 优先权日2001年2月9日
发明者张东胜 申请人:张东胜