專利名稱：一種交流高壓功率變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種交流直接變換至交流的高壓功率變換裝置，屬高壓開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及高壓電機(jī)變頻驅(qū)動及高壓變頻電源。
高壓功率變換裝置廣泛用于高壓電機(jī)變頻驅(qū)動、高壓變頻電源等許多場合，多采用單級或多級并聯(lián)式變換方法，有交交變換方式，也有交直交變換方式。采用這種方式，變換裝置中的功率半導(dǎo)體器件將承受高電壓的作用，而功率半導(dǎo)體器件的耐壓能力是有限的，為了能夠?qū)Ω叩碾妷哼M(jìn)行變換，常需要采用如多只器件串聯(lián)等方式的電路，從而為保證各功率器件承受的電壓均衡需要非常復(fù)雜的電路。另一方面，采用單級變換方法將導(dǎo)致輸出電壓諧波很大，會對用電設(shè)備造成不利影響，使電機(jī)絕緣受到損害而減少電機(jī)壽命，降低電機(jī)工作效率。而多級并聯(lián)式變換方法則需要解決各級之間的環(huán)流問題。中國專利號為95119585.9的已有技術(shù)中，公開了一種通過多級串聯(lián)疊加而實現(xiàn)高壓變換的方法，這種方法可降低功率半導(dǎo)體器件所承受的電壓，同時可減小輸出電壓諧波。但由于這種方法需要有中間直流環(huán)節(jié)，并需要使用可關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件，電路仍然比較復(fù)雜，裝置體積較大且成本也較高。
本實用新型的目的是設(shè)計一種交流高壓功率變換裝置，簡化現(xiàn)有技術(shù)，降低成本，同時具有較小的裝置體積和輸出電壓諧波。
本實用新型所設(shè)計的交流高壓功率變換裝置，包括將輸入交流電變換成相互間電氣絕緣的n組、每組相數(shù)為m的中間交流電的輸入細(xì)分電路，k個由功率變換模塊串聯(lián)而成的模塊列，一個連接至輸入細(xì)分電路及k個模塊列的中央控制單元；所述的功率變換模塊是包括連接至輸入細(xì)分電路的，由功率半導(dǎo)體開關(guān)器件或功率半導(dǎo)體開關(guān)器件組連接成的、輸出電壓極性可變的m相雙向可控整流電路或雙向半波可控整流電路或雙向半控可控整流電路；所述的k個模塊列是由將n個功率變換模塊分為k組，并將每組的所有功率變換模塊輸出端串聯(lián)而得到的；所述的中央控制單元分別對各功率變換模塊的輸出電壓大小及極性進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)k個模塊列的輸出電壓幅值及頻率，得到所需要的電壓幅值、頻率及相位可變的k路交流電。
所述的輸入細(xì)分電路可以是一種常規(guī)交流變壓器，其輸入側(cè)繞組連接至輸入交流電，副邊輸出繞組分為n組，每組副邊繞組輸出相數(shù)為m的交流電，并連接至n個功率變換模塊。
上述變換模塊可以是包括由雙向可控硅連接成的m相雙向可控整流電路，或者是包括將兩個由可控硅連接成的m相可控整流電路正反向并聯(lián)而連接成的m相雙向可控整流電路。
上述變換模塊也可以是包括由可關(guān)斷半導(dǎo)體功率開關(guān)器件連接成的m相雙向可控整流電路，其中可關(guān)斷半導(dǎo)體功率開關(guān)器件可以是GTO、SIT、IGBT、GTR、MOSFET、IGCT、MCT。
本發(fā)明所設(shè)計的交流高壓功率變換裝置省去了中間直流環(huán)節(jié)，使線路得以大大簡化，顯著降低了成本，同時由于采用多級串聯(lián)疊加技術(shù)，使半導(dǎo)體功率器件所承受的耐壓降低，并且可以通過中央控制單元調(diào)整各級功率變換模塊的輸出電壓波形使該變換裝置的電壓、電流諧波得以減小。


圖1是本實用新型設(shè)計的裝置實施例的線路結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本實用新型設(shè)計的裝置的輸入細(xì)分電路的電路原理圖。
圖3是本實用新型設(shè)計的裝置的功率變換模塊的電路原理圖。
圖4是本實用新型采用半波雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖。
圖5是本實用新型采用半控雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖。
圖6是本實用新型采用可控硅的功率變換模塊電路原理圖。
圖7是本實用新型采用雙向可控硅的功率變換模塊電路原理圖。
圖8是本實用新型采用可控硅的半波雙向可控整流橋電路的功率變換模塊的電路原理圖。
圖9是本實用新型采用IGBT的功率變換模塊的電路原理圖。
圖10是本實用新型采用IGBT的半控雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本實用新型設(shè)計的裝置的工作過程。
圖1是本實用新型裝置的實施例線路結(jié)構(gòu)框圖，包括一個輸入細(xì)分電路1，k個模塊列7，一個中央控制單元3。每個模塊列7都由多個功率變換模塊2串聯(lián)而成。其工作過程是輸入交流電4經(jīng)過輸入細(xì)分電路1變換后，成為n組m相交流輸出電5，作為功率變換模塊2的輸入，經(jīng)功率變換模塊2變換后，成為單路正負(fù)極性及大小可變的脈動直流電，將n個功率變換模塊2分成k組，并將每組的各模塊輸出端6串聯(lián)起來，形成k個模塊列7，使每個功率變換模塊2的輸出電壓疊加起來，成為輸出的高壓電；由中央控制單元3按一定的時間順序及間隔改變各模塊列7中各功率變換模塊2內(nèi)功率器件的開通關(guān)斷時間，以改變其輸出電壓的極性及大小，從而改變k路模塊列的輸出電壓及頻率，得到k路幅值、周期及相位可變的高壓交流電Vo1，Vo2至Vok。
圖2表示了本新型設(shè)計的裝置的輸入細(xì)分電路的原理圖，是一種常規(guī)變壓器9，其原邊繞組10連接輸入交流電源，本實施例中采用三相星形接法，在實際中，根據(jù)輸入電源情況，也可以是其他相數(shù)或其他接法；其副邊輸出包括有n組繞組8，每組包含三個繞組，從而提供三相交流電輸出，本實施例中采用三相星形接法，在實際中，也可以是三角形或其他接法；每組繞組8也可包含其他數(shù)量的繞組，以提供具有其他相數(shù)的交流電輸出，較多的相數(shù)可以使疊加后產(chǎn)生的輸出電壓諧波減小，但同時也增加了電路的復(fù)雜性，需要視具體情況確定其合理的相數(shù)。副邊輸出繞組的輸出電壓可以與輸入電壓有一定相位差，合理選擇各組繞組的相位差可以使原邊輸入電流的諧波減小。
圖3是本新型設(shè)計的裝置功率變換模塊的電路原理圖，其輸入端連接三相交流電va、vb、vc，其中六半導(dǎo)體開關(guān)開關(guān)k1、開關(guān)k2、開關(guān)k3、開關(guān)k4、開關(guān)k5、開關(guān)k6連接成了三相雙向可控整流橋電路，其輸出電壓為vo。雙向可控硅橋的相數(shù)也可以是其他數(shù)字，這取決于輸入細(xì)分電路的每組繞組輸出相數(shù)。
圖4是本實用新型采用半波雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖，其輸入端連接三相交流電va、vb、vc及零線N，其中四個半導(dǎo)體開關(guān)開關(guān)K7、開關(guān)K8、開關(guān)K9、開關(guān)K10連接成了三相半波雙向可控整流橋電路，其輸出電壓為vo。
圖5是本實用新型采用半控雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖。其中每個開關(guān)器件包括一個二極管和一個開關(guān)，開關(guān)器件K11、開關(guān)器件K12、開關(guān)器件K13及二極管D14、二極管D15、二極管D16連接成了正向半控可控整流橋電路，開關(guān)器件K14、開關(guān)器件K15、開關(guān)器件K16及二極管D11、二極管D12、二極管D13連接成了反向半控可控整流橋電路，從而正反向半控可控整流橋電路并聯(lián)連接成了三相半控雙向可控整流橋電路，其輸入端連接至三相交流電va、vb、vc，其輸出電壓為vo。
圖6是本實用新型采用可控硅的功率變換模塊實施例電路原理圖，其輸入端連接三相交流電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連接成正向可控整流橋，而另外六只可控硅連接成反向可控硅橋，從而十二只可控硅連接成了三相雙向可控整流橋電路，其輸出電壓為vo。其中驅(qū)動電路23接收控制信號24，以觸發(fā)上述12支可控硅的開通。由此，組成正向可控整流橋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按順序工作而組成反向可控整流橋的六只可控硅保持關(guān)斷，則功率變換模塊可輸出正極性電壓；反之則可輸出負(fù)極性電壓。通過用控制信號24改變驅(qū)動電路23觸發(fā)各可控硅的時間，可以改變輸出電壓的大小。
圖7是本實用新型采用雙向可控硅的功率變換模塊電路原理圖，其輸入端連接三相交流電va、vb、vc，其中六只雙向可控硅雙向可控硅26、雙向可控硅27、雙向可控硅28、雙向可控硅29、雙向可控硅30、雙向可控硅31連接成了三相雙向可控整流橋電路，其輸出電壓為vo。其中驅(qū)動電路25接收控制信號24，以觸發(fā)上述6支雙向可控硅的開通及開通方向，當(dāng)驅(qū)動電路25發(fā)出正極性的驅(qū)動脈沖時，六只雙向可控硅正向?qū)?，從而雙向可控硅橋可輸出正極性電壓；當(dāng)驅(qū)動電路25發(fā)出負(fù)極性的驅(qū)動脈沖時，六只雙向可控硅反向?qū)ǎ瑥亩p向可控硅橋可輸出負(fù)極性電壓。通過用控制信號24改變驅(qū)動電路25觸發(fā)可控硅的時間，可以改變輸出電壓的大小。
圖8是本實用新型采用半波雙向可控整流電路的功率變換模塊電路原理圖，其輸入端連接三相交流電va、vb、vc及零線N，其輸出電壓為vo。其中可控硅56、可控硅57、可控硅58、可控硅59連接成了半波正向可控整流橋，而可控硅53、可控硅54、可控硅55、可控硅60連接成了半波反向可控整流橋，從而八只可控硅連接成了三相半波雙向可控整流橋電路。其中驅(qū)動電路52接收控制信號24，以觸發(fā)上述8支可控硅的開通。由此，組成正向可控整流橋的四只可控硅可控硅56、可控硅57、可控硅58、可控硅59按順序工作而組成反向可控整流橋的四只可控硅保持關(guān)斷，則功率變換模塊可輸出正極性電壓；反之則可輸出負(fù)極性電壓。通過用控制信號24改變驅(qū)動電路52觸發(fā)可控硅的時間，可以改變輸出電壓的大小。
圖9是本實用新型所設(shè)計裝置中功率變換模塊的采用可關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT的雙向可控整流電路原理圖，其輸入端連接三相交流電va、vb、vc，其中12只半導(dǎo)體功率器件IGBT70、IGBT71、IGBT72、IGBT73、IGBT74、IGBT75、IGBT76、IGBT77、IGBT78、IGBT79、IGBT80、IGBT81兩兩正反向串聯(lián)，連接成了六個可雙向承受電壓的半導(dǎo)體開關(guān)，并進(jìn)一步連接成了三相雙向可控整流橋電路，其輸出電壓為vo。其中驅(qū)動電路69接收控制信號24，以控制上述6對IGBT的開通及關(guān)斷。通過用控制信號24改變驅(qū)動電路69的驅(qū)動信號，以改變雙向可控整流橋電路輸出電壓的大小及極性。
圖10是采用IGBT的半控雙向可控整流橋電路的功率變換模塊電路原理圖。其中每個開關(guān)器件包括一個IGBT和兩個二極管，該IGBT與一個二極管串聯(lián)后，與另外一只二極管并聯(lián)。由此組成的開關(guān)器件40、開關(guān)器件41、開關(guān)器件42、開關(guān)器件43、開關(guān)器件44、開關(guān)器件45連接成了三相半控雙向可控整流橋電路，其輸入端連接至三相交流電va、vb、vc，其輸出電壓為vo。通過用控制信號24改變驅(qū)動電路39的驅(qū)動信號，以改變雙向可控整流電路輸出電壓大小及極性。
權(quán)利要求1.一種交流高壓功率變換裝置，其特征是，該裝置包括將輸入交流電變換成相互間電氣絕緣的n組、每組相數(shù)為m并分別連接至n個功率變換模塊的中間交流電的輸入細(xì)分電路，k個由功率變換模塊串聯(lián)而成的模塊列，一個連接至輸入細(xì)分電路及k個模塊列的中央控制單元；所述的功率變換模塊是包括連接至輸入細(xì)分電路的、由功率半導(dǎo)體開關(guān)器件或功率半導(dǎo)體開關(guān)器件組連接成的、輸出電壓極性及大小可變的m相雙向可控整流橋電路或半波雙向可控整流橋電路或半控雙向可控整流橋電路；所述的k個模塊列是由將n個功率變換模塊分為k組，并將每組的所有功率變換模塊輸出端串聯(lián)而得到的；所述的中央控制單元分別對各功率變換模塊的輸出電壓大小及極性進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)k個模塊列的輸出電壓幅值及頻率。
2.按照權(quán)利要求1所述的交流高壓功率變換裝置，其特征是，輸入細(xì)分電路是一種常規(guī)交流變壓器，其原邊輸入繞組連接至輸入交流電，副邊輸出繞組分為n組，每組副邊繞組輸出相數(shù)為m的交流電，并分別連接至n個功率變換模塊。
3.按照權(quán)利要求1所述的交流高壓功率變換裝置，其特征是，所述的功率變換模塊是包括連接至輸入細(xì)分電路的，由雙向可控硅連接成的m相雙向可控整流電路或半波雙向可控整流橋電路或半控雙向可控整流橋電路。
4.按照權(quán)利要求1所述的交流高壓功率變換裝置，其特征是，所述的功率變換模塊是包括連接至輸入細(xì)分電路的，將兩個由可控硅連接成的m相可控整流橋電路或半波可控整流橋電路或半控可控整流橋電路正反向并聯(lián)而連接成的m相雙向可控整流電路或半波雙向可控整流橋電路或半控雙向可控整流橋電路。
5.按照權(quán)利要求1所述的交流高壓功率變換裝置，其特征是，所述的功率變換模塊是包括連接至輸入細(xì)分電路的，由可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的m相雙向可控整流電路或半波雙向可控整流橋電路或半控雙向可控整流橋電路。
6.按照權(quán)利要求5所述的交流高壓功率變換裝置，其特征是，所述的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)器件是包括GTO，或SIT，或IGBT，或GTR，或MOSFET，或IGCT，或MCT。
專利摘要本實用新型涉及一種交流高壓功率變換裝置。其特點是采用多級功率變換模塊依次串聯(lián),各級功率模塊輸出電壓經(jīng)疊加后得到高壓輸出,而每個功率變換模塊則實現(xiàn)交流至交流的直接變換,通過改變各功率變換模塊內(nèi)開關(guān)元件的開通時間及順序,得到所需要的經(jīng)串聯(lián)疊加后的輸出電壓及頻率。本實用新型所設(shè)計的裝置包括一個中央控制單元,輸出n組相互間電氣絕緣的交流電源及與其連接的n個功率變換模塊。
文檔編號H02M7/12GK2473808SQ01201250
公開日2002年1月23日 申請日期2001年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月9日
發(fā)明者張東勝 申請人:張東勝