专利名称：一种交流至交流高压功率变换装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种交流直接变换至交流的高压功率变换装置及方法，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。
本发明的目的是设计一种交流至交流高压功率变换装置及方法，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。
本发明所设计的交流至交流高压功率变换方法，通过如下步骤实现1、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，分别作为n个功率变换模块的输入；2、用上述功率变换模块对相数为m的中间交流电进行双向可控整流，变换成为单路输出，正负极性及大小可变的脉动直流电；3、将上述n个功率变换模块分成k组，并将每组的所有功率变换模块输出端串联，从而使各功率变换模块的输出电压叠加，形成k路高压电；4、对上述串联叠加而形成k路高压电的功率变换模块的输出电压分别进行控制，通过按一定的时间顺序及间隔改变各功率变换模块内功率器件的开通时间，以改变其输出电压的极性及大小，从而得到k路幅值、周期可变的高压交流电，为所需要的用电设备供电。
本发明所设计的交流至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；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。
所述的输入细分电路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。
所述的功率变换模块可以是包括连接至输入细分电路的，由双向可控硅桥组成的m相双向可控整流电路。
所述的功率变换模块可以是包括连接至输入细分电路的，由正反向并联的可控硅桥组成的m相双向可控整流电路。
本发明所设计的交流至交流的高压功率变换装置及方法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是本发明装置的线路结构框图。
图2是本发明装置的输入细分电路的电路原理图。
图3是本发明装置的功率变换模块的电路原理图。
图4是本发明装置的功率变换模块的另一实施例电路原理图。
下面结合附图，详细介绍本发明的方法及装置的工作过程。
图1是采用本发明方法的装置的线路结构框图，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、周期可变的高压交流电Vo1，Vo2至Vok。
图2表示了本发明装置的输入细分电路的一个实施例，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；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是本发明装置功率变换模块的实施例，其中六只可控硅11、12、13、14、15、16连接成正向可控整流桥，而另外六只可控硅17、18、19、20、21、22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硅桥。双向可控硅桥的相数也可以是其他数量，这取决于输入细分电路的每组绕组输出相数。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11、12、13、14、15、16按顺序工作而组成反向可控整流桥的六只可控硅17、18、19、20、21、22保持关断，则功率变换模块输出正极性电压；反之则输出负极性电压。通过用控制信号24改变驱动电路23触发可控硅的时间，可以改变输出电压的大小。
图4是本发明装置功率变换模块的另一个实施例，其中六只双向可控硅26、27、28、29、30、31连接成了三相双向可控硅桥。双向可控硅桥的相数也可以是其他数量，这取决于输入细分电路的每组绕组输出相数。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26、27、28、29、30、31正向导通，从而双向可控硅桥输出正极性电压；当驱动电路25发出负极性的驱动脉冲时，六只双向可控硅26、27、28、29、30、31反向导通，从而双向可控硅桥输出负极性电压。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。
权利要求
1.一种交流至交流高压功率变换方法，其特征是包括以下步骤1)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，并分别作为n个功率变换模块的输入；2)用上述功率变换模块对相数为m的中间交流电进行双向可控整流，变换成为单路输出，正负极性及大小可变的脉动直流电；3)将上述n个功率变换模块分成k组，并将每组的所有功率变换模块输出端串联，从而使各功率变换模块的输出电压叠加，形成k路高压电；4)对上述串联叠加而形成k路高压电的功率变换模块的输出电压分别进行控制，通过按一定的时间顺序及间隔改变各功率变换模块内功率器件的开通时间，以改变其输出电压的极性及大小，从而得到k路幅值、周期可变的高压交流电。
2.一种交流至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、输出电压极性可变的m相双向可控整流电路；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。
3.按照权利要求2所述的交流至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。
4.按照权利要求2所述的交流至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，由两个正反向并联的可控硅桥组成的m相双向可控整流电路。
5.按照权利要求2所述的交流至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，由双向可控硅桥组成的m相双向可控整流电路。
全文摘要
本发明涉及一种交流至交流高压功率变换装置及方法。本发明的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。本发明装置包括一个中央控制单元,输出n组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H02M5/02GK1362780SQ01100060
公开日2002年8月7日 申请日期2001年1月8日 优先权日2001年1月8日
发明者张东胜 申请人:张东胜