專利名稱：一種用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法、電路和高壓變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子技術，尤其涉及一種用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法、電路和高壓變換器，具體為由多個三相低壓逆變電路的輸出通過變壓器耦合串聯(lián)獲得高壓交流電的三相電力逆變方法、電路和基于這種方法、電路的高壓變換器。
背景技術：
作為電力節(jié)能技術的重要組成部分，高壓電力變換技術正日益受到廣泛關注。作為電力變換的核心部件，固態(tài)電力電子開關如絕緣柵極三極管(IGBT)的電壓等級已達6500V，能夠實現(xiàn)交流2500V以下的電力轉換，但對于更高的電網(wǎng)電壓，電力轉換仍然無法直接進行。

電力變換的方法，包括“交流-直流”(整流)的方法和“直流-交流”(逆變)的方法。受電力電子開關耐壓及成本限制，在中、高電壓的場合，普遍采用單元串聯(lián)多重化脈沖寬度調制(PWM)高壓逆變方法。這種逆變方法將彼此隔離的多路低壓直流電逆變成同樣路數(shù)的低壓單相交流電，這些低壓單相交流電又被分成對稱的三組，各組的各路單相交流電依次串聯(lián)可以獲得單相高壓交流電壓輸出，三路高壓交流高壓輸出的一端連接在一起，另外一端分別作為高壓交流電壓的三個輸出端。借助一定的低壓逆變器的PWM分配策略，即可在三個輸出端獲得三相對稱的的多電平高壓交流電壓。采用這種逆變方法的高壓逆變器輸出電壓波型好、輸出電壓變化率低、材料成本低、維護方便。但是，由于各低壓逆變器都是單相輸出，而各路低壓直流電壓往往是經(jīng)過整流、濾波得到的，當輸出頻率較低時，直流電壓的波動較大，導致輸出諧波電流增大，如果高壓變換器的負載是電動機，還會影響到電機的啟動性能和低速運轉性能。增大直流濾波電容雖然可以改善，但這同時會惡化變換器的輸入電流特性。另外，低壓變換器的前級濾波電容容量大、價格高、壽命短，不但使高壓逆變器成本上升，而且也增加了實際使用過程中的維護工作量。針對單元串聯(lián)多重化PWM高壓逆變方法的上述不足，1998年E. Cengelci在“A NewMedium-voltage PWM Inverter Topology for AdjustabIe-speed Drives, IEEE PaperNo. IPCSD 98-83”中提出了一種三相低壓逆變器輸出通過變壓器耦合串聯(lián)提高輸出交流電壓的中壓逆變器主電路設計。圖IA為該中壓逆變器的主電路接線示意圖，上述中壓逆變器包括三個三相低壓逆變器(屬于低壓變換器)2々、28、2(和三個單相變壓器31、32、33。三個三相低壓逆變器(如2A)的直流輸入彼此隔離、電壓相等(如Vdca);各低壓逆變器(如2A)將低壓直流電壓(如VDeA)逆變成所需要的三相交流電；各個低壓變換器2A、2B、2C的逆變橋都采用PWM控制，各逆變橋中對應開關的PWM信號基準波相同，載波波形相同而相位彼此相差120° ;各三相低壓變換器(如2A)分別有一個輸出端(如ul)作為中壓逆變器的輸出連接到負載，如電機5 ;其它兩個輸出端(如vl和wl)則連接輸出耦合變壓器(如32、33)。其中，圖IA中的三個單相耦合變壓器31、32、33匝比都是I : 1，并分別工作于三相低壓變換器的w-u、v-w, U-V相，所以可以用一個三相變壓器3A來加以實現(xiàn)，如圖IB所示，該三相變壓器的功率只相當于中壓逆變器輸出功率的1/3。借助上述低壓逆變器輸出的變壓器耦合串聯(lián)方式，中壓變換器的輸出電壓分別為Uuv — Uuvi+Um^Uuv3,Uvw = Uvffl+Uvff2+Uvff3,Um = Uffui+Uffu^Uffu3 ;從而使輸出得以提高。所述各低壓逆變器采用錯相調制，各低壓逆變器的輸出電壓紋波能夠相互抵消，使得中壓逆變器能夠實現(xiàn)多電平輸出，這樣，不僅降低了輸出電流紋波，也降低了輸出電壓 的變化率。上述三相低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)的中壓逆變器直接采用三相逆變，改善了單元串聯(lián)多重化PWM高壓逆變器的單相逆變導致的直流電壓波動問題，進而可以降低逆變器中前級濾波電容的數(shù)量。但缺點是只能實現(xiàn)三級疊加，難以由低壓逆變器直接實現(xiàn)高壓電力逆變。若通過上述三相低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)的嵌套方式獲取高壓輸出，如圖2所示，即先由九個三相低壓逆變器2A 21的輸出借助三個三相耦合變壓器3A、3B、3C耦合串聯(lián)實現(xiàn)三個中壓逆變器，三個中壓逆變器的輸出再經(jīng)過一級三相變壓器3D耦合串聯(lián)的方式獲得高壓輸出，則耦合變壓器數(shù)量增多至4個，變壓器的種類增加到2種(變壓器3A 3C功率為高壓逆變器輸出功率的1/9，變壓器3D功率為高壓逆變器功率的1/3)，總功率提高到主變壓器的2/3，這樣，不僅增大了成本，而且只能實現(xiàn)3、9、27...個三相低壓逆變組合,應用不夠靈活。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法、電路和高壓變換器，以克服單元串聯(lián)多重化PWM高壓逆變方法和現(xiàn)有三相低壓逆變器輸出經(jīng)三相變壓器耦合串聯(lián)的中壓逆變方式的諸多不足，能夠實現(xiàn)任意三個及以上的三相低壓逆變輸出經(jīng)變壓器耦合串聯(lián)的高壓交流輸出。為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法，該方法包括如下步驟A、將M個三相低壓逆變電路的輸入設為電氣彼此隔離的直流電壓；B、各低壓逆變電路的三相輸出電壓，分別直接串聯(lián)或通過單相變壓器耦合串聯(lián)到對應相，以獲得三相高壓交流輸出；所述各低壓逆變電路的輸出端之間通過單相變壓器的繞組連接；C、將三個三相低壓逆變電路的三相輸出中的兩相分別直接串聯(lián)到對應相的高壓交流輸出端，然后將所述三個低壓逆變電路的該兩相輸出的公共輸出端分別作為高壓逆變電路的三相輸出端；D、最后，再將各三相低壓逆變電路分別通過脈沖寬度調制PWM的方式，將輸入的直流電壓逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓，各個三相低壓逆變電路對應輸出的交流PWM電壓基準波相同，載波波形相同、相位依次相差360° /M ;其中，M為大于或等于3的自然數(shù)。其中，步驟B所述獲得三相高壓電流輸出，具體為BI、將所述M減MOD (M，3)個低壓逆變電路的部分輸出相直接串聯(lián)到對應相高壓交流輸出，其余輸出相經(jīng)過單相變 壓器耦合隔離后串聯(lián)到對應相高壓交流輸出，所述MOD (M，
3)表示M除以3的余數(shù)；B2、如果低壓逆變電路的個數(shù)M不是3的整數(shù)倍，還存在其余的低壓逆變電路，其所有三個輸出相分別經(jīng)過單相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到對應相高壓交流輸出。所述的單相變壓器結構相同，將分別屬于不同輸出相的3個所述單相變壓器組合成一個三相變壓器，若全部采用所述三相變壓器實現(xiàn)耦合隔離，則至少需要Ceil (2M/3)減I個三相變壓器；其中，M為大于或等于3的自然數(shù)，所述CeilO為天花板函數(shù)，表示對實數(shù)向大取整。一種利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的電路，所述電路包括M個三相低壓逆變電路、Ceil (2M/3)減I個三相變壓器；所述各三相低壓逆變電路的輸入電壓為直流，且彼此之間電氣隔離；將所述M個三相低壓逆變電路最多分成3組第一組包括3個三相低壓逆變電路，其中各低壓逆變電路分別有兩個輸出相直接串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出，其余的一個輸出相分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出中；如果M不是3的整數(shù)倍，低壓逆變電路還存在第二組，包括MOD (M，3)個低壓逆變電路，所述M0D(M，3)表示M除以3的余數(shù)；第二組各個低壓逆變電路的三相輸出分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出中；如果M為大于或等于6的自然數(shù)，其它的低壓逆變電路作為第三組，其中各個低壓逆變電路的一個輸出相直接串聯(lián)到高壓逆變電路的對應輸出相，另外兩個輸出相分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應輸出相中；所述各個低壓逆變電路的輸出之間，不直接連接；所述第一組各低壓逆變電路直接串聯(lián)輸出的兩相的公共端分別作為高壓逆變電路的三相輸出端；其中，M為大于或等于3的自然數(shù)；所述Ceil ()為天花板函數(shù)，表示對實數(shù)向大取
難
iF. O所述M個三相低壓逆變電路結構相同；各三相低壓逆變電路分別通過PWM方式將輸出的直流電壓逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓，各三相低壓逆變電路對應輸出的交流PWM電壓基準波。所有的所述三相變壓器的所有繞組匝數(shù)相同。一種高壓變換器，其特征在于，包括一個主變壓器、3N個三相低壓變換器、2N-1個三相輸出變壓器和一個主控制器；所述移相主變壓器為三相多副邊繞組變壓器，其原邊繞組連接三相高壓電網(wǎng)、副邊繞組包括彼此電氣隔離、輸出電壓相等的3N路，每路為對稱三相輸出，對于每個三相低壓變換器都有一路副邊繞組與其連接；所述低壓變換器的輸出分別與高壓變換器的負載或三相耦合變壓器的繞組相連；各低壓變換器分別與主控制器相連；其中，N為自然數(shù)。其中，所述主變壓器為三相移相變壓器，其各路副邊繞組之間存在20/N度的相位差；或者，將副邊繞組分成L組，所述組內各路副邊繞組相位相同，各組副邊繞組之間相位依次相差60/L度，其中，N、L為自然數(shù)，3N為L的整數(shù)倍。所述低壓變換器包括三相不控整流橋(21)、直流濾波電路(22)、三相全控逆變橋
(23)和控制驅動電路(24);其中，三相整流橋(21)的交流側a、b、c端作為低壓變換器的輸入，連接移相主變壓器的一路三相副邊繞組，其直流側P、n端與直流濾波電路(22)以及三相全控逆變橋(23)的直流側連接，而三相全控逆變橋(23)的交流側U、V、w端作為該低壓變換器的輸出端；控制驅動電路(24)通過光纖與主控制器連接，接收來自主控制器的PWM信號，控制三相全控逆變橋(23)的固態(tài)功率開關(231 236)，并將該低壓變換器的運行信息發(fā)送給主控制器。所述各三相輸出變壓器的六個繞組匝數(shù)相同；三相輸出變壓器各個原邊繞組連接同一低壓變換器的兩個輸出端；三相輸出變壓器各個副邊繞組分別串接入高壓變換器的對 應相輸出。所述各個三相低壓變換器的三相全控逆變橋(23)中對應固態(tài)開關的逆變控制PWM信號的基準波相同，載波形狀相同且相位依次相差120/N度，其中，N為自然數(shù)。本發(fā)明所提供的用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法、電路和高壓變換器，具有以下優(yōu)點I、直接采用三相低壓逆變，改善了單元多重化PWM高壓逆變器的單相逆變導致的直流電壓波動問題，進而可以減少逆變器中前級濾波電容的數(shù)量；2、可以實現(xiàn)任意三級及以上的三相逆變疊加，能夠由三相低壓逆變器直接實現(xiàn)三相高壓電力逆變；3、與三個三相低壓逆變器輸出經(jīng)變壓器耦合串聯(lián)的嵌套方案相比，輸出變壓器的總容量明顯降低，并且應用更加靈活。


圖IA為現(xiàn)有變壓器耦合串聯(lián)中壓逆變器主電路示意圖；圖IB為現(xiàn)有變壓器耦合串聯(lián)中壓逆變器的三相輸出變壓器示意圖；圖2為兩級嵌套變壓器耦合串聯(lián)高壓逆變器主電路示意圖；圖3A為本發(fā)明4低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)高壓逆變電路示意圖；圖3B為本發(fā)明4低壓逆變器輸出耦合串聯(lián)高壓逆變電路串聯(lián)關系示意圖；圖3C為本發(fā)明4低壓逆變器輸出耦合串聯(lián)高壓逆變電路的三相輸出變壓器示意圖；圖3D為本發(fā)明4低壓逆變器輸出耦合串聯(lián)高壓逆變電路輸出電壓合成波形示意圖；圖4A為本發(fā)明6低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)高壓逆變電路示意圖；圖4B為本發(fā)明6低壓逆變器輸出耦合串聯(lián)高壓逆變電路串聯(lián)關系圖；圖4C為本發(fā)明6低壓逆變器輸出耦合串聯(lián)高壓逆變電路的三相輸出變壓器示意圖；圖5A為本發(fā)明6低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)高壓變換器主電路示意圖5B為本發(fā)明的三相低壓變換器電路示意圖；圖5C為本發(fā)明6低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)高壓變換器輸出電壓合成示意圖；圖為本發(fā)明6低壓逆變器輸出變壓器耦合串聯(lián)高壓變換器輸入電流合成示意圖；圖6A為本發(fā)明9個低壓變換器耦合串聯(lián)高壓變換器主電路示意圖；圖6B為圖6A對應的三相輸出變壓器接線示意6C為圖6A、圖6B所不的聞壓變換器電壓稱合串聯(lián)關系圖。主要部件符號說明I :移相主變壓器11 :三相原邊繞組12A-12I :副邊繞組2A-2I :三相低壓逆變器(電路)21 :三相整流橋22:直流濾波電路23 :三相(全控)逆變橋24:控制驅動電路31-39 :單相輸出變壓器3A-3E :三相輸出變壓器4、主控制器5 電動機6、高壓電網(wǎng)。
具體實施例方式下面結合附圖及本發(fā)明的實施例對本發(fā)明的方法、電路和高壓變換器作進一步詳細的說明。本發(fā)明提供了一種采用任意三個或三個以上的三相低壓逆變器輸出經(jīng)變壓器耦合串聯(lián)獲得高壓交流輸出的方法，以下結合具體的電路描述基于這種高壓逆變方法的高壓逆變電路。圖3A為本發(fā)明實施例采用4個三相低壓逆變電路實現(xiàn)的高壓逆變電路示意圖，這4個低壓逆變電路(如2A)的輸入電壓都是直流電壓(如VDCA)，并且彼此之間電氣隔離。圖3B給出了 4個三相低壓逆變電路的輸出經(jīng)過變壓器耦合串聯(lián)的方法，圖中的橢圓符號表示對應輸出直接串聯(lián)到高壓逆變器的輸出相中，方框符號則表示對應輸出通過變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變器的輸出相中；橢圓和方框中的符號則表示電壓的來源，如橢圓中的uvl表示高壓逆變電路U-V輸出相中串聯(lián)的該電壓分量來自三相低壓逆變電路2A的輸出電壓ul-vl，方框中的wu2表示高壓逆變電路W-U輸出相中的該電壓分量來自三相低壓逆變電路2B的w2-u2，其它類似。各個低壓逆變電路(如2A)的三相輸出電壓(如ul-vl、vl-wl、wl_ul)，分別串聯(lián)到高壓逆變電路的U-V、V-W、W-U相，以獲得三相高壓交流輸出；其中三個低壓逆變電路2A、2B、2C分別有兩個輸出相，如2A的ul-vl相和wl-ul相、2B的u2_v2相和v2_w2相、2C的v3-w3相和w3-u3相，直接串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出之中；這三個低壓逆變電路的其余輸出相，如2A的V 1-wl相、2B的w2-u2相、2C的u3_v3相，則分別經(jīng)過變壓器32、33、31耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的v-w、W-U、U-V相輸出中。在圖3A中共有4個三相低壓逆變電路，由于4不是3的整數(shù)倍，還存在一個低壓逆變電路2D，其所有三個輸出相u4-v4、v4-w4, w4-u4分別經(jīng)過變壓器34、35、36耦合隔離后分別串聯(lián)到高壓逆變電路U-V、V-W、W-U相的交流輸出中；圖3A中，各低壓逆變電路的輸出之 間，不存在直接連接；其中的三相低壓逆變電路 2A、2B、2C，各有兩相輸出(如 2A 的 ul-vl 和 wl-ul、2B 的 u2_v2 和 v2_w2、2C 的 v3_w3 和w3-u3)直接串聯(lián)到對應相的高壓逆變電路交流輸出中；低壓逆變電路2A、2B、2C的這兩相輸出的公共端ul、v2、《3分別作為高壓逆變電路的U、V、W三相輸出端。各個三相低壓逆變電路(如2A)分別通過PWM方式，將輸入的直流電壓(如Vdca)逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓(如ul-vl、vl-wl和wl-ul);三相低壓逆變電路2A、2B、2C、2D對應輸出的交流PWM電壓基準波相同，載波波形相同、相位依次相差90° (360° /4)，這樣可以使各個低壓逆變電路的各對應相，如2A的ul-vl、2B的u2-v2、2C的u3-v3、2D的u4-v4的輸出PWM電壓的低頻分量波形和相位一致但脈沖依次錯開，使各低壓逆變電路的對應相輸出的載波分量能夠相互抵消，這樣，不但實現(xiàn)了高壓逆變電路的多電平輸出，降低了高壓逆變電路輸出電壓的變化率，而且降低了輸出紋波電壓，從而可以采用較低的PWM調制頻率實現(xiàn)比較理想的高壓交流輸出。圖3D給出了一個各低壓逆變電路的PWM輸出電壓及高壓逆變電路輸出電壓的波形示意圖，其中RefU、RefV分別是低壓逆變電路(包括2A、2B、2C、2D)的U相和V相PWM基準波，Cl、C2、C3、C4分別是低壓逆變電路2A、2B、2C、2D的PWM載波，V、Vuv2> Vuv3> Vuv4分別是低壓逆變電路2A、2B、2C、2D對應高壓逆變電路U-V相的輸出端ul_vl、u2_v2、u3_v3、u4-v4之間的電壓，Vuv是高壓逆變電路輸出端U-V之間的電壓。圖中的4個三相低壓逆變電路的輸入直流電壓是相同的，其輸出通過變壓器的耦合串聯(lián)，輸出電壓的電平數(shù)能多達9級。如圖3D所示Vuv — Vuvi+Vuv2+Vuv3+Vuv4Vvff — Vvffl +Vvff2+Vvff3+Vvff4Vffu — Vffui+Vm^VffuJVffu4可見，高壓逆變電路的輸出為低壓逆變電路的4倍。如果上述各低壓逆變單元采用不同的輸入直流電壓，輸出電壓的電平數(shù)則會更多，本發(fā)明提供的高壓逆變方法也能夠適用。另外，圖3D中采用的是正弦PWM調制，如果采用其它的調制方法，也不會影響到本發(fā)明提供的方法的有效性。在圖3B中，通過變壓器進行耦合串聯(lián)的三相低壓逆變電路的輸出電壓包括2A的vl_wl、2B的w2_u2、2C的u3_v3和逆變電路2D的u4_v4、v4_w4、w4_u4,可以看出對應三相聞壓輸出中的每個相各有兩路電壓輸出(如vl-wl和v4_w4),因此可以用兩個三相變壓器來實現(xiàn)這6路電壓的隔離耦合。圖3C給出了一種用三相變壓器實現(xiàn)三路電壓隔離的接線方式，其中一個變壓器3A實現(xiàn)vl-wl、W2-u2、u3-v3的電壓耦合輸出，另外一個變壓器3B實現(xiàn)u4-V4、V4-W4、W4-u4的電壓耦合輸出。如果采用單相變壓器耦合輸出，每個單相變壓器的功率都是低壓逆變電路輸出功率的1/VL共需要6個變壓器；如果用兩個三相變壓器耦合輸出，每個變壓器的功率都等于低壓逆變電路輸出功率；采用三相變壓器實現(xiàn)，可以降低耦合變壓器的總功率。圖3B給出的低壓逆變輸出經(jīng)變壓器耦合串聯(lián)組合方式并不是唯一的，圖3B只是給出的一種串聯(lián)方式。假設采用的低壓逆變電路的個數(shù)為M個，如果全部采用三相變壓器實現(xiàn)耦合隔離，則三相變壓器的個數(shù)至少為Ceil(2M/3)_l個；這里，所述CeilO為天花板函數(shù)，表示對實數(shù)向大取整，如Ceil (3. I) = 4，Ceil (3. 9) = 4。在圖3B中，低壓逆變電路的個數(shù)M =4，則需要三相變壓器的數(shù)量至少為2個，如圖3C所示。增加變壓器個數(shù)也可以實現(xiàn)串聯(lián)輸出，但不夠經(jīng)濟。作為另一個實施例。圖4A提供了一個用6個低壓三相逆變電路的輸出通過9個 單相變壓器耦合串聯(lián)實現(xiàn)三相高壓逆變的方案，圖4B是對應的低壓逆變電路輸出電壓串聯(lián)方式示意圖。上述9個單相輸出變壓器也可以用三個三相變壓器來代替，圖4C給出了一種實現(xiàn)方式。圖4A的6個三相低壓逆變電路輸出耦合串聯(lián)高壓逆變方案與圖3A所示的4個三相低壓逆變電路的方案對照，存在以下區(qū)別I)需要6路相互電氣隔離的直流電壓作為各低壓逆變電路的輸入；2)有6個三相低壓逆變電路，是3的整數(shù)倍，所有的低壓逆變電路，都有部分輸出電壓直接串聯(lián)到高壓逆變電路的輸出電壓中；3個三相低壓逆變電路2A、2B、2C，分別有兩個輸出相直接串聯(lián)到對應高壓相輸出，另外3個三相低壓逆變電路2D、2E、2F，分別有一個輸出相直接串聯(lián)到對應高壓相輸出，其它輸出相則分別經(jīng)過變壓器耦合串聯(lián)到對應高壓相輸出中；3)三相低壓逆變電路的交流PWM載波相位依次相差60° (即360° /6)；4)高壓逆變電路的輸出電壓為低壓逆變電路的6倍，電平數(shù)能多達13級；5)輸出耦合三相變壓器的個數(shù)為3個。其它方面的特征與4個三相低壓逆變電路的情形相同或容易由4個低壓逆變電路的情形得出。本發(fā)明的多個三相低壓逆變器輸出通過變壓器耦合串聯(lián)的高壓逆變方法，可以應用到高壓變換器中，實現(xiàn)三相高壓交流電的“交流-交流”轉換，以應用于交流電機調速等領域。為此，本發(fā)明還提供了一種三相高壓電力變換器，請參考圖5A，如圖所示的高壓電力變換器，包括移相主變壓器I、六個(N = 2)三相低壓變換器2A 2F、三個三相耦合輸出變壓器3A 3C和主控制器4。移相主變壓器I為三相多副邊繞組變壓器，其原邊繞組11接線端作為高壓變換器的輸入，連接三相高壓電網(wǎng)6，副邊繞組包括六路12A 12F，六路輸出彼此電氣隔離、電壓相等，各路(如12A)的三相輸出對稱；對于每個三相低壓變換器(如2A)，都有一路副邊繞組(如12A)與其連接。各路副邊繞組(12A 12F)之間存在相位差，相位依次相差10° (即60° /6 = 10° )。圖5B為上述三相低壓變換器的電路結構示意圖，每個三相低壓變換器(如2A)包括三相不控整流橋21、直流濾波電路22、三相全控逆變橋23和控制驅動電路24。三相整流橋21的交流側a、b、c作為低壓變換器的輸入，連接移相主變壓器I的一路三相副邊繞組(如12A)，其直流側p、n與直流濾波電路22以及三相逆變橋23的直流側連接，而三相逆變橋23的交流側u、v、w作為該低壓變換器(如2A)的輸出端?？刂乞寗与娐?4通過光纖與主控制器4連接，接收來自主控制器4的PWM信號控制三相逆變橋23的固態(tài)功率開關231 236，并將該低壓變換器(如2A)的運行信息發(fā)送給主控制器4。高壓變換器共有6個三相低壓變換器2A 2F，對應的三相輸出變壓器的接線圖同圖4C。低壓變換器(如2A)的輸出分別與高壓變換器的負載5或三相耦合變壓器(如3A、3B、3C)的繞組連接。以圖5A為例，低壓變換器2A、2B、2C各有一個輸出端ul、v2、w3分別連接負載的一個接線端，另外兩個輸出端則分別連接到三相輸出變壓器3A的原邊繞組和3B、3C的副邊繞組；而低壓變換器2D、2E、2F的輸出端分別連接到輸出變壓器3B、3C的原邊繞組和副邊繞組。三個三相輸出變壓器3A、3B、3C的所有六個繞組匝數(shù)相同，三個副邊繞 組都獨立引線；輸出變壓器各副邊繞組(如3B的vl-u4)分別串接入高壓變換器的對應相(U-V)輸出。當然，三相耦合輸出變壓器3A、3B、3C與低壓變換器2A-2F之間還有其它的連接方式，在此只給出這種連接方式作為例證。對于上述耦合輸出變壓器的連接方式，其電壓合成關系圖同圖4B，高壓變換器的三相線電壓輸出分別為Vuv — Vuvi+Vuv2+Vuv3+Vuv4+Vuv5+Vuv6Vvff — Vvffl +Vvff2+Vvff3+Vvff4+Vvff5+Vvff6Vffu — Vffui+Vffu2+VwuJVto4+Vffu5+Vffu6其中VOT為高壓變換器的U、V相之間的線電壓，而Vuvi Vuv6分別為低壓變頻器2A 2F的U、V相之間的線電壓；其它Uvw、Uffu類似，不再贅述。低壓變換器(如2A)的逆變橋23中固態(tài)開關231 236都采用PWM信號進行控制，各低壓變換器對應固態(tài)開關(如231)的PWM信號的基準波相同，其載波頻率相同且存在相位差，對于圖5A描述的六個低壓變換器輸出f禹合串聯(lián)的高壓變換器，PWM載波相位依次相差60° (N=2，120° /2 = 60° )。采用上述調制組合方式，各低壓變換器的輸出電壓的低頻分量相同，而電壓脈沖相互錯開。結合前面的電壓合成公式可以得出，采用6個低壓變換器，通過變壓器耦合串聯(lián)輸出，高壓變換器的輸出電壓等于低壓變換器輸出電壓的6倍。另外，不同低壓變換器的線電壓只能依次變化，使高壓變換器得以多電平輸出，從而限制了輸出電壓變化率。圖5C描述的是六級低壓變換器耦合輸出高壓變換器U、V相之間的輸出電壓合成
波形圖，其中RefU、RefV分別是低壓變換器逆變橋的U、V相PWM基準波，Cl.....C6分別
是低壓變換器2A、. . . 2F逆變橋的PWM載波(相位依次相差60° )，Vuvi.....Vuv6分別為低
壓變換器2A.....2F的U、V相之間的線電壓，Vuv是高壓變換器的U、V相之間的線電壓，從
圖5C可以看出，高壓變換器的輸出線電壓電位數(shù)可以多達13個。各個低壓變換器2A、2B、. . .、2F對應的主變壓器副邊繞組12A、. . .、12F之間的電
壓相位依次相差10°，不但能使各三相低壓變換器(2A.....2F)的直流母線電壓脈動相互
抵消，從而降低低壓變換器的直流紋波電壓對高壓變換器輸出電壓的影響，而且也使得低壓變換器(2A、2B.....2F)引起的主變壓器I的原邊電流相位依次錯開10°，可以改善高壓變頻器的輸入電流特性。圖給出的是六級低壓變換器輸出耦合串聯(lián)的高壓變換器的
A相輸入電流合成波形圖，其中IA1、... Ia6分別是低壓變換器2A、2B.....2F導致的主變壓
器A相原邊電流分量，Ia是總的A相原邊電流，顯然，Ia與各低壓變換器引起的原邊電流分量(如Iai)相比，諧波電流顯著降低。
九個660V三相低壓變換器的輸出通過五個三相變壓器耦合串聯(lián)，可以實現(xiàn)6KV電壓等級的高壓變換器，圖6A所示為9個三相低壓變換器耦合串聯(lián)高壓變換器的主電路示意圖，圖6B所示為對應的三相輸出變壓器外部接線圖，圖6C所示為該高壓變換器輸出耦合串聯(lián)關系圖。這種情況下，由于移相主變壓器的副邊繞組數(shù)量較多，可以采取分組移相方式，例如九個三相副邊繞組分為三組(L = 3)，每組的三個副邊繞組(如12A、12B、12C)的輸出電壓相位相同，而各組副邊繞組的輸出電壓相位依次相差20° ￠0° /3)。各低壓變換器的逆變PWM載波相位依次錯開40° (N = 3，120° /3)。采用這種九個低壓變換器的耦合串聯(lián)方案，每個三相輸出變壓器的功率大致為主變壓器的1/9，5個輸出變壓器的總功率只是主變壓器的5/9，與圖2描述的低壓變換器兩級嵌套耦合輸出方案相比，輸出變壓器總容量降低了 1/6。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 A、將M個三相低壓逆變電路的輸入設為電氣彼此隔離的直流電壓； B、各低壓逆變電路的三相輸出電壓，分別直接串聯(lián)或通過單相變壓器耦合串聯(lián)到對應相，以獲得三相高壓交流輸出；所述各低壓逆變電路的輸出端之間通過單相變壓器的繞組連接； C、將三個三相低壓逆變電路的三相輸出中的兩相分別直接串聯(lián)到對應相的高壓交流輸出端，然后將所述三個低壓逆變電路的該兩相輸出的公共輸出端分別作為高壓逆變電路的三相輸出端； D、最后，再將各三相低壓逆變電路分別通過脈沖寬度調制P麗的方式，將輸入的直流電壓逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓，各個三相低壓逆變電路對應輸出的交流PWM電壓基準波相同，載波波形相同、相位依次相差360° /M ;其中，M為大于或等于3的自然數(shù)。
2.根據(jù)權利要求I所述的利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法，其特征在于，步驟B所述獲得三相高壓電流輸出，具體為 B I、將所述M減MOD (M，3)個低壓逆變電路的部分輸出相直接串聯(lián)到對應相高壓交流輸出，其余輸出相經(jīng)過單相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到對應相高壓交流輸出，所述MOD (M，3)表示M除以3的余數(shù)； B2、如果低壓逆變電路的個數(shù)M不是3的整數(shù)倍，還存在其余的低壓逆變電路，其所有三個輸出相分別經(jīng)過單相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到對應相高壓交流輸出。
3.根據(jù)權利要求I所述的利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法，其特征在于，所述的單相變壓器結構相同，將分別屬于不同輸出相的3個所述單相變壓器組合成一個三相變壓器，若全部采用所述三相變壓器實現(xiàn)耦合隔離，則至少需要Ceil (2M/3)減I個三相變壓器；其中，M為大于或等于3的自然數(shù)，所述Ceil ()為天花板函數(shù)，表示對實數(shù)向大取整。
4.一種利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的電路，其特征在于，所述電路包括:M個三相低壓逆變電路、Ceil (2M/3)減I個三相變壓器；所述各三相低壓逆變電路的輸入電壓為直流，且彼此之間電氣隔離；將所述M個三相低壓逆變電路最多分成3組 第一組包括3個三相低壓逆變電路，其中各低壓逆變電路分別有兩個輸出相直接串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出，其余的一個輸出相分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出中； 如果M不是3的整數(shù)倍，低壓逆變電路還存在第二組，包括MOD (M，3)個低壓逆變電路，所述M0D(M，3)表示M除以3的余數(shù)；第二組各個低壓逆變電路的三相輸出分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應相輸出中； 如果M為大于或等于6的自然數(shù)，其它的低壓逆變電路作為第三組，其中各個低壓逆變電路的一個輸出相直接串聯(lián)到高壓逆變電路的對應輸出相，另外兩個輸出相分別經(jīng)過三相變壓器耦合隔離后串聯(lián)到高壓逆變電路的對應輸出相中； 所述各個低壓逆變電路的輸出之間，不直接連接； 所述第一組各低壓逆變電路直接串聯(lián)輸出的兩相的公共端分別作為高壓逆變電路的三相輸出端； 其中，M為大于或等于3的自然數(shù)；所述Ceil ()為天花板函數(shù)，表示對實數(shù)向大取整。
5.根據(jù)權利要求4所述的利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的電路，其特征在于，所述M個三相低壓逆變電路結構相同；各三相低壓逆變電路分別通過PWM方式將輸出的直流電壓逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓，各三相低壓逆變電路對應輸出的交流PWM電壓基準波。
6.根據(jù)權利要求4所述的利用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的電路，其特征在于，所有的所述三相變壓器的所有繞組匝數(shù)相同。
7.一種高壓變換器，其特征在于，包括一個主變壓器、3N個三相低壓變換器、2N-1個三相輸出變壓器和一個主控制器；所述移相主變壓器為三相多副邊繞組變壓器，其原邊繞組連接三相高壓電網(wǎng)、副邊繞組包括彼此電氣隔離、輸出電壓相等的3N路，每路為對稱三相輸出，對于每個三相低壓變換器都有一路副邊繞組與其連接；所述低壓變換器的輸出分別與高壓變換器的負載或三相耦合變壓器的繞組相連；各低壓變換器分別與主控制器相連；其中，N為自然數(shù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的高壓變換器，其特征在于，所述主變壓器為三相移相變壓器，其各路副邊繞組之間存在20/N度的相位差；或者， 將副邊繞組分成L組，所述組內各路副邊繞組相位相同，各組副邊繞組之間相位依次相差60/L度，其中，N、L為自然數(shù)，3N為L的整數(shù)倍。
9.根據(jù)權利要求7所述的高壓變換器，其特征在于，所述低壓變換器包括三相不控整流橋(21)、直流濾波電路(22)、三相全控逆變橋(23)和控制驅動電路(24);其中，三相整流橋(21)的交流側a、b、c端作為低壓變換器的輸入，連接移相主變壓器的一路三相副邊繞組，其直流側P、n端與直流濾波電路(22)以及三相全控逆變橋(23)的直流側連接，而三相全控逆變橋(23)的交流側U、v、w端作為該低壓變換器的輸出端；控制驅動電路(24)通過光纖與主控制器連接，接收來自主控制器的PWM信號，控制三相全控逆變橋(23)的固態(tài)功率開關(231 236)，并將該低壓變換器的運行信息發(fā)送給主控制器。
10.根據(jù)權利要求7所述的高壓變換器，其特征在于，所述各三相輸出變壓器的六個繞組匝數(shù)相同；三相輸出變壓器各個原邊繞組連接同一低壓變換器的兩個輸出端；三相輸出變壓器各個副邊繞組分別串接入高壓變換器的對應相輸出。
11.根據(jù)權利要求8或9所述的高壓變換器，其特征在于，所述各個三相低壓變換器的三相全控逆變橋(23)中對應固態(tài)開關的逆變控制PWM信號的基準波相同，載波形狀相同且相位依次相差120/N度，其中，N為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用低壓逆變實現(xiàn)高壓逆變的方法、電路和高壓變換器，包括將M個三相低壓逆變電路的輸入設為電氣彼此隔離的直流電壓；各低壓逆變電路的三相輸出電壓，分別直接串聯(lián)或經(jīng)過變壓器耦合串聯(lián)到對應相，以獲得三相高壓交流輸出；將三個三相低壓逆變電路的三相輸出中的兩相分別直接串聯(lián)到對應相的高壓交流輸出端，然后將所述三個低壓逆變電路的該兩相輸出的公共輸出端分別作為高壓逆變電路的三相輸出端；再將各三相低壓逆變電路分別通過脈沖寬度調制PWM的方式，將輸入的直流電壓逆變成三相對稱的PWM交流輸出電壓。采用本發(fā)明，能夠實現(xiàn)任意三個及三個以上的三相低壓逆變器輸出經(jīng)變壓器耦合串聯(lián)的高壓交流輸出。
文檔編號H02M1/14GK102739097SQ201110086489
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2011年4月7日
發(fā)明者李永盼 申請人:李永盼