CN1039271C - 一种高电压电力变换方法及其变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交直流功率变换装置及变换方法。本发明摒弃了传统的整体变换方式，本发明的特点是无论整机输入是交流电还是直流电，均将其变换成一定路数的、彼此间电位独立的交流电(中间交流)。分别整流滤波后形成相同路数的直流电(中间直流)，然后通过串联逆变电桥并按一定规律叠加，输出所需的单相交流电、三相交流电或直流电。采用本发明变换方法的静态变换器由一个切分单元1、M个电位叠加柱4和一个主控制模块2组成。

Description

一种高电压电力变换方法及其变换装置

本发明涉及一种交直流功率变换装置及其变换方法，更确切地说是涉及一种高电压电力变换方法及其变换装置。

高电压等级的负载在电力消耗中占有很大的比重，其节能降耗标志着社会能源利用的水平。市场急需高电压等级(如：六千伏、一万伏)、低成本的电机变频调速器、不间断电源、三相、单相变换器等产品。

长期以来，应用半导体的、高电压大电流的各种静态变换，包括频率、相数、幅值、波形等的变换、一直都采用一体式的变换方法，即将输入整体地进行改变，其中有交交方式，也有交直交方式。采用一体式变换方法的静态变换器中的功率半导体器件要承受高电压的作用。单只功率半导体器件的耐压值是有限的，要进行串联和并联才能正常工作。为保证串联并联在一起的多只功率半导体器件之间的均压和均流，传统高压静态变换器需要采用众多复杂的辅助器件，对控制系统提出越来越高的要求，由此带来结构复杂、成本高的缺点。

公开号为0504079A1的欧洲专利公开了一种用于声纳的静态变换器。此种静态变换器采用了电位叠加原理，用电桥将若干个较低电压的直流输入叠加为一个较高电压的交流输出。

《IEEEE电力电子学杂志》第十卷第四期(一九九五年六月)上发表的、题为“在电力调节系统中取得较高性能的滑移式多级控制方法”提出了一种应用于卫星供电系统的、将光电池的直流电转换为单相或三相电的理论。

本发明的目的是设计一种高电压变换方法及其变换装置，可降低对控制系统的要求，使变换器的部件模块化，降低制造成本。

本发明利用电位叠加的原理将开关器件分为若干个组，实现电力变换开关器件的强制均压；采用中间交、直高电压电力变换方法，设计一种静态变换装置，将输入的交流或直流电变换成极性可变、幅值可任意调节的直流或脉动直流高电压输出，或变换成幅度、频率、相数、波形均可调节的交流高电压输出。

本发明的目的是这样实现的，高电压电力变换方法，采用以下步骤：

1)将输入的交流电或直流电变换成M×N路、彼此间电位独立的中间交流电；

2)对各路中间交流电进行整流滤波形成相同路数的中间直流电；

3)对各路中间直流电进行逆变，并串联各逆变电桥，将中间直流电同极性叠加，输出高压直流电、脉动直流电或交流电，包括：

a、增减中间直流电输出的路数粗调输出的高压直流电的幅值，并通过调节某一路或每一路或某几路中间直流的大小微调输出的高压直流电的幅值；

b、周期性地改变串联逆变电桥的开关次序来周期性地改变中间直流的叠加路数、中间直流的幅值、中间直流的频率及中间直流的叠加方向；输出周期性可连续调幅、极性可变的脉动直流电；

c、控制开通各路串联逆变电桥，使各路中间直流电对负载输出，输出由矩形直流电叠加堆波成的交流电，重复循环本过程，输出连续高压交流电；并通过调节各路逆变电桥的开关周期及开关频率，连续调节输出交流电的频率，和通过调整叠加的中间直流输出的路数粗调输出交流电的幅值及通过调节各路中间直流的幅值连续调节输出交流电的幅值。

所述步骤2)中，将中间交流变换成中间直流的方法，包括对叠加的各路中间直流的整流电桥采用无调压、部分调压和全调压方法，分别输出幅值为零的直流电及正、负直流电。

本发明的高电压电力变换装置，包括将输入的直流电或交流电转化为M×N路电位相互独立的交流电的切分单元、M个电位叠加柱和主控制模块；每个电位叠加柱包括有N个副边整流滤波模块、N个电压控制模块、N个副边逆变单元和N个副边控制模块；所述的主控制模块分别连接切分单元、M×N个电压控制模块及M×N个副边控制模块，用于控制切分单元的原边控制模块、控制副边整流滤波模块的输出电压和控制副边逆变单元的工作状态及其开关频率；所述的切分单元分别与M×N路中副边整流滤波模块连接，各路中电压控制模块的输出端连接本路中副边整流滤波模块的控制端，各副边整流滤波模块的输出端连接本路中副边逆变单元的输入端，各路中的副边控制模块连接本路中副边逆变单元的控制端，M个电位叠加柱中N个副边逆变单元的输出端顺次连接成电位叠加柱输出。

所述的切分单元是一接收交流输入的常规变压器，包括1至i个初级线圈及与其对应的1至T个次级线圈。

所述的切分单元是接收直流输入、由P×Q个原边逆变单元组成的原边逆变单元阵列，每个原边逆变单元包括原边控制模块、由可控开关元件组及并接在开关元件两端的续流二极管按桥路连接构成的原边电桥、有R个次级线圈的脉冲变压器、电容组和过压保护元件；脉冲变压器初级线圈连接原边电桥的输出端及原边控制模块的电源端，原边控制模块与所述的主控制模块连接并与原边电桥的可控开关元件组连接，原边电桥的输入端间并接电容组及过压保护元件，各原边电桥的输入端间连接一直流电源，或P×Q个原边逆变单元的原边电桥输入端顺次串、并接在一直流电源间，切分单元输出P×Q×R路交流。

所述的切分单元是接收直流输入、由P×Q个原边逆变单元组成的原边逆变单元阵列，每个原边逆变单元包括原边控制模块、可控开关元件、续流二极管、有R个次级线圈的脉冲变压器和过压保护元件；脉冲变压器初级线圈一端是输入直流一端并连接过压保护元件一端及原边控制模块电源端，脉冲变压器初级线圈另一端连接可控开关元件一端及续流二极管一端，可控开关元件另一端是输入直流另一端并连接过压保护元件另一端、原边控制模块及续流二极管另一端，原边控制模块连接可控开关元件控制端，P×Q个原边逆变单元的输入直流端顺次串、并接在一直流电源间，切分单元输出P×Q×R路直流。

所述的主控制模块与所述M×N个电压控制模块间及所述M×N个副边控制模块间的连接是光纤束连接或光耦组连接。

所述的副边整流滤波模块可包括入口过流保护器、由可控整流元件按桥路连接组成的可控桥式整流元件组和滤波电路；入口过流保护器串接在所述切分单元的一路交流输出端与可控桥式整流元件组的输入端间，可控桥式整流元件组输出端连接滤波电路，可控整流元件的控制端与所述的电压控制模块连接，滤波电路输出端连接所述的副边逆变单元。

所述的副边整流滤波模块电路也可包括入口过流保护器、由可控整流元件按桥路连接构成的第一、第二可控桥式整流元件组和滤波电路；入口过流保护器串接在所述切分单元的一路交流输出端与第一可控桥式整流元件组的输入端间，所述的滤波电路连接在第一、第二可控桥式整流元件组的输出端间，第一、第二可控桥式整流元件组的两输入端分别连接，第一、第二可控桥式整流元件组中各可控整流元件的控制端与所述的电压控制模块连接，第二可控桥式整流元件组输出端接所述的副边逆变单元。

所述的副边逆变单元可包括过压保护元件和由可控开关元件及与开关元件分别并接的续流二极管按桥路连接构成的可控副边电桥、可控副边电桥的输入端连接所述的副边整流滤波模块电路的输出端，可控副边电桥的输出端间连接所述的过压保护元件，各可控开关元件的控制端与所述的副边控制模块连接，所述N个副边逆变单元中的副边电桥输出端顺序串接形成一个电位叠加柱。

所述的副边逆变单元也可由可控开关和两串接的续流一极管构成，可控开关元件的控制端连接所述的副边控制模块，两串接的续流二极管两端连接所述的副边整流滤波模块电路的输出端，可控开关元件与一续流二极管并接，所述N个副边逆变单元中的另一续流二极管两端顺序串接形成一电位叠加柱。

本发明的特点是无论整机输入是交流电还是直流电，均将其变换成一定路数的、彼此间电位独立的中间交流电，分别经整流滤波后形成相同路数的中间直流电，然后通过逆变单元中各电桥的串联，在主控制模块的控制下按一定规律叠加，输出所需的单相交流电、三相交流电或直流电。本发明的另一特点是中间交流的产生可以用常规变压器，也可采用由脉冲变压器及电桥组成的原边逆变单元。

本发明的工作方式显著地降低了对功率器件耐压水平的要求，使得个别因功率器件损坏(断开或短路)所造成的不良影响不会妨碍整机及其它器件的安全状态，可观地降低了制造成本。

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的方法及装置。

图1、高电压电力变换装置结构框图；

图2、采用常规变压器的切分单元电路图；

图3、切分单元中采用脉冲变压器的标准原边逆变单元电原理图；

图4、标准原边逆变单元的另一实施例电原理图；

图5、副边整流滤波模块电原理图；

图6、适于再生制动的副边整流滤波模块电原理图；

图7、副边逆变单元电原理图；

图8、副边逆变单元的另一实施例电原理图；

参见图1，采用本发明变换方法的变换装置包括一个切分单元1、M个电位叠加柱4和一个主控制模块2。每个电位叠加柱4都由N个副边整流滤波模块11及N个副边逆变单元9组成，副边逆变单元9的输出端顺次联接在一起。其工作过程是：切分单元1将输入3分解为M×N路电位相互独立的交流电压(中间交流)16(在图1中用带箭头的粗实线表示)后，分别送给相应的副边整流滤波模块11，经副边整流滤波模块11整流滤波后形成M×N路电位相互独立的直流电压(中间直流)17，在每一个电位叠加柱4上经N个副边逆变单元9的换向作用后，在该电位叠加柱4的两个输出端7和8间形成幅值、方向、相位及波形均可设定的直流或脉动直流或交流电压。其设定受主控制模块2的控制，并通过电压控制模块12、切分单元1中的原边控制模块和副边控制模块10执行。各个电位叠加柱的输出端7和8进行不同的组合即可满足各种应用目的的需要。

变换装置首先将输入3(可为直流电、单相交流电或多相交流电)变换为电位彼此独立的若干路交流电压，然后对各路交流电整流滤波形成同样路数的直流电，以应用电位叠加的原理串接起来的电桥将这些直流电重新组合在一起，在一个电位叠加柱的两个输出端得到频率、相数、波形和幅值可变的交流电以及极性可变和电压幅值可变的直流电，将若干个电位叠加柱的输出端7和8进行不同的组合即可获得三相交流电、多相交流电或多路直流电。

切分单元1的作用是将输入3转化为M×N路电位相互独立的交流电，分别送给M个电位叠加柱4₁…4_i…4_M中的M×N个副边整流滤波模块11_i.1…11_i j…11_i.N。由于输入3可以是直流电、单相交流或多相交流电，因而切分单元1的结构随输入3的性质的不同而不同，当输入3是交流电时，切分单元1须采用常规变压器的形式，如图2所示。切分单元1也可采用脉冲变压器的形式，如图3、图4所示，此时的输入3可以是直流电也可以是交流电。无论采用哪种形式，切分单元1的输出为M×N路交流电。

结合参见图2，当输入3为交流电时，切分单元1采用常规变压器，是由初级绕组Si与次级绕组16_i.1…16_i.T组成的单相多次级绕组整流变压器的组合体。组合的目的是为满足应用目的的需要，满足绕组绝缘性的要求，满足后续电路的要求，以保证切分单元1的输出为M×N路，保证在输入为三相或多相电时多相均衡取电，保证同一变压器的相邻次级绕组的电位差为最小。组合满足如下的关系：

S×T÷U＝M×N

S≥1，T≥2

U为输入3的相数。

更明确地说，采用常规变压器的切分单元1的特点是在保证均衡取电的前提下其次级绕组的总个数或总组数为M×N×U，输出端为M×N，对应的中间交流为M×N路。

在不同的情况下，一路输出所包含的内容是不同的，当输入为单相电时电位独立的一个次级绕组的两个引线为一路输出(全波整流时还包括中心抽头)；当输入为三相或多相电时，不同电位叠加柱的三个或多个绕组在正确相连后的三条或多条引线为一路输出。

三相常规变压器的接法可以是星形的，也可以是三角形的，在本发明的说明中只以星形接法为例，在实际应用中可任选其一。

结合参见图3、图4，采用脉冲变压器的切分单元1的核心是由串并联的P×Q个原边逆变单元所形成的原边逆变单元阵列。每个原边逆变单元有R路输出(包括全波整流的中心抽头)。P×Q个原边逆变单元将直流输入逆变成P×Q×R路中间交流，为满足M个电位叠加柱的需要，要保持 $\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ijk}=P\×Q\×R=M\×N$ 的关系。

原边逆变单元阵列可以有P×Q个直流电源，即每一个原边逆变单元的21、22输入端间接有一个直流电源；也可以只有一个直流电源，P×Q个原边逆变单元串并联于其间。

原边逆变单元阵列在只有一个高电压直流电源时按P行Q列的方式排列，其输入端21、22顺次串联，然后再并联。行数P同电源电压V_Y与原边电桥18(图3)中的开关元件(26-29)的反向耐压值V_f的比成正比；列数Q与中间交流的总路数M×N与行数P的比成正比，有公式：

P＝K_PV_Y/V_f

Q＝K_QMN/P

式中K_P和K_Q是经试验获得的常数。

在每一个直流电源入口21、22处均串有减压起动模块，减压起动模块的作用是减小对原边逆变单元上电时的冲击，其起作用的方式是在主电路中串接若干个分压电阻。刚送入电源时，所有分压电阻全部串接在电路中，实现最大分压。经过一段时间，主控制模块2发送导通信号给切分单元1中原边控制模块19的减压控制电路，减压控制电路逐个切离分压电阻、逐渐提升电压。减压控制模块从与其自身电位差最小的脉冲变压器67的初级取电。

当采用脉冲变压器的切分单元1的输入3为交流电时，切分单元1要有一个原边整流滤波模块。原边整流滤波模块至少应包括两个整流元件和一个平波电抗器。

图3中的原边逆变单元由一个原边电桥18、一个脉冲变压器67和一个从脉冲变压器67的初级取电的原边控制模块19组成。一个原边电桥18有四个可控开关元件26至29、四个续流二极管30至33、一个电容组20和一个过压保护元件23。

设原边逆变单元的输入端21接原边电源的正极，开关元件组26和28导通时流过脉冲变压器67初级线圈的电流方向为正方向，那么当开关元件组27和29导通时流过脉冲变压器67初级线圈的电流方向就为负方向。开关元件组26、28和开关元件组27、29交替导通可使流过脉冲变压器67初级线圈的电流变为交变电流，在所有的次级线圈16_i.i1-16_i.i.R中产生感应电流，从而实现对输入3的切分。

原边逆变单元还可以采用图4所示的形式，包括一个脉冲变压器67、一个从脉冲变压器67的初级取电的原边控制模块19、一个可控开关元件组24、一个续流二极管组25和一个过压保护元件23。

只要是门极关断型的开关元件就可用作原边电桥的可控开关元件，其中包括绝缘栅极双极型晶体管(1GBT)、门极关断型晶体闸流管(GTO)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和双极大功率晶体管等。在每一组可控开关元件和每一组续流二极管中均可在采取一定保护措施后进行必要的串联和并联。一个开关元件组和一个续流二极管组中至少要有一只开关元件或一只续流二极管。

过压保护元件23可以是压敏电阻、硒堆或特殊设计的短路电路。特殊设计的短路电路的作用是在21、22两端的电压过高时将21、22两端短路以消除过电压的危害；在主控制模块2的控制下通过原边控制模块19来短路切除某个有故障的原边逆变单元。特殊设计的短路电路对原边控制模块19有制约作用，与原边控制模块19一样取用相同的中间交流16作为其电源。

脉冲变压器67有R个次级线圈(R≥1)，如图1中副边整流滤波模块11选用全波整流方式，每个次级线圈还要有一中心抽头，R个次级线圈的所有引线组成每个原边逆变单元的R路中间交流输出。切分单元1所采用的脉冲变压器可以是多次级线圈的，脉冲变压器的线圈间要保证一定的绝缘强度。

各个原边逆变单元通过21、22两个端子串联或并联在一起。原边控制模块19从脉冲变压器67的初级线圈的两端取用交流电，由主控制模块2而来的光纤束14(或光耦组)控制原边控制模块19的状态。

原边控制模块19由光电接口电路、振荡电路、电压比较电路、开关元件驱动电路、启动电路和电源电路等组成。光电接口电路通过光纤束14(或光耦组)接受主控制模块2的控制信号和向主控制模块2发送状态信号。振荡电路产生开关元件组驱动电路所需的振荡信号。电压比较电路负责将21、22两个端子间的电压V_a与一个设定值作比较，对逆变频率和电压作负反馈调整，当高于设定值时向振荡电路输出降低振荡频率的信号。开关元件驱动电路负责驱动可控开关元件组按振荡电路的振荡频率开关，并保证在26、28导通时27、29截止，反之亦然。电源电路负责提供原边控制模块19正常工作时的电能。启动电路负责提供在上电之初即脉冲变压器67未产生振荡时原边控制模块19所需的电能，由包括上电传感电路、脉冲变压器振荡传感电路和可充电电池维持电路组成。

图1中电位叠加柱4的个数M是由变换器的应用目的决定的，输出直流或单相交流时只需一个电位叠加柱，输出三相或多相交流电时就需要三个或多个电位叠加柱。一个电位叠加柱中副边逆变单元9的个数N决定于该电位叠加柱输出电压的单向峰值V_M和由其中的功率半导体器件的耐压值决定的副边整流滤波模块11直流输出电压V_D的比，有：

N＝K_NV_M/V_D

式中，K_N为一经试验而得的常数。

副边整流滤波模块11是产生中间直流的电路，图5所示是一标准的全控单相桥式整流滤波电路。包括入口过流保护器34，可控整流元件组35至38和滤波电路39。图中12为电压控制模块，16为中间交流，17为中间直流。滤波电路39包含滤波电容器、平波电抗器和出口过流保护器。

进入副边整流滤波模块11后，中间交流16通过入口过流保护器34和经整流元件35至38的可控整流作用可变为脉动的直流，再经滤波电路39中的滤波电容器和平波电抗器的滤波作用变为较为平滑的中间直流17。

入口过流保护器34保证在整流元件等发生故障时没有过电流去损害切分单元1的输出绕组(线圈)，滤波电路39中的出口过流保护器则可保证在滤波电容器等发生故障时没有过电流去损害电桥中的开关元件等器件。

副边整流滤波模块11可有三种控制模式，即全调压方式、部分调压方式和无调压方式。全调压方式时，副边整流滤波模块附有一个电压控制模块12，只需通过电压控制模块12顺序改变可控整流元件的导通角，其直流输出电压17可在0％至100％间连续设定，使电位叠加柱4输出端的电压值可精确地符合应用目的的要求。电压控制模块12是拥有光电接口的普通可控整流驱动电路，其电压控制信号通过光纤束13(或光耦组)接收，由主控制模块2送给电压控制模块12。部分调压方式时，副边整流滤波模块也须至少附有一个这样的电压控制模块12。无调压方式时副边整流滤波模块则不附有电压控制模块。

副边整流滤波模块11的部分或全部可控整流元件可选用晶体闸流管组成桥式可控整流电路，如图5、图6中所示。

一个副边整流滤波模块11至少要有一定的可控整流元件组形成桥式整流或全波整流。滤波电路39中至少要有一个平波电抗器。一个整流元件组中至少要有一个整流元件。

在输入为一相或多相交流电、切分单元1采用常规变压器并且强调均衡取电时，中间交流16为三相或多相交流电，这时副边整流滤波模块11要采用三相或多相桥式整流电路。

所有副边整流滤波模块11的直流输出电压(中间直流电压V_D)以不会因电压波动损坏同组元器件中耐压值最小的元件为限。

电位叠加柱4输出电压的波形、相位、电压幅值和频率等完全取决于其串联联接的副边逆变单元9中的开关元件的开关规律。

任一个副边逆变单元9从其相对应的副边整流滤波模块11取得中间直流电，从其副边控制模块10取得控制信号。副边控制模块10的工作状态通过光纤束15(或光耦组)受主控制模块2的控制。

结合参见图7，图中示出由四个可控开关元件组51至54和四个续流二极管组55至58搭接成副边电桥而构成的典型副边逆变单元9的电路，其特点是在其输出端61、62之间还连接有一个过压保护元件50。

只要是门极关断型的开关元件就可用作本发明副边逆变单元9中的开关元件，在每一个开关元件组和每一个二极管组中均可进行必要的串并联。

顺次电联接的、或说同组的切分单元输出线圈(绕组)、副边整流滤波模块11、副边逆变单元9和副边控制模块10之间的电位差不大于一定的值，然而不同组的这些部件间的电位是独立的，除副边逆变单元的输出端外其间没有直接的、电的联系、在副边逆变单元9的输出端61、62顺次相连的情况下可产生电位叠加的效果。

通过控制副边整流滤波模块11的输出电压、有电压输出的副边逆变单元9的数目及其开关的频率，可以控制该电位叠加柱4输出电压的幅值、频率、波形等；通过设定电位叠加柱4输出端的组合数目可以获得较高电压的直流电、脉动直流电及频率、波形、相位和幅值均可设定的单相、三相及多相交流电。

一个同位组中包括切分单元输出线圈、副边整流滤波模块11，电压控制模块12、脉冲变压器67、原边电桥18、原边控制模块19，副边逆变单元9、副边控制模块10、动力散热装置等，需要电源的组件都是从与其对应的那一路中间交流电16上取用的，本发明的静态变换器有M×N个同位组。

主控制模块2通过光纤束15₁…15_M或在特殊应用场合下通过光耦组控制M×N个副边控制模块10_i.1…10_i.N，使M×N个副边逆变单元9_i.1…9_i.N有三个工作状态，即正向工作状态、反向工作状态和等等状态(短路状态)。

当副边逆变单元9处于正向工作状态时。其输出端61、62间有中间直流电压，设定此时61端为正极。当副边逆变单元9处于反向工作状态时，其输出端61、62间有中间直流电压，只是这时62端为正极。当副边电桥处于等待状态时，其输出端61、62间导通，允许双向电流通过。

副边逆变单元9可在副边控制模块10的控制下进行正向工作状态与等待状态或反向工作状态与等待状态间的高速切换。以消除交流输出中的谐波成份。

图1中电位叠加柱4的输出端5和6间的电压变化为阶梯状。电位叠加柱4中副边逆变单元9的数量是由电压补偿的比率及该电位叠加柱输出端5、6间电压最大值V_M与中间直流电压V_D的比值决定的。

在M个电位叠加柱4的输出端5和6间都串入断路器和平波电抗器以保护元器件及改善输出波形；并且都联上了电压传感器或电流传感器或二者兼有，就可对输出进行监视和测量。

副边控制模块10的电源与与其相对应的副边整流滤波模块11的电源取用同一路中间交流(切分单元1的输出)。

副边控制模块10受主控制模块2控制的方式有两种：一是直接控制方式，二是间接控制方式。

采用直接控制方式的副边控制模块10至少要有两条来向光纤。一号光纤传送高电平时副边控制模块10使副边逆变单元9处于正向工作状态，此时开关元件组52和54导通；二号光纤传送高电平时副边控制模块10使副边逆变单元9处于反向工作状态，此时开关元件组51和53导通；一号光纤和二号光纤都传送低电平时副边控制模块10使副边逆变单元9处于等待状态，开关元件组52和53导通；一号光纤和二号光纤都传送高电平时副边控制模块10使副边逆变单元9处于一种故障状志，开关元件组51和54导通。直接控制型副边控制模块10的电路至少包括两个D触发器、带有电磁隔离或光电隔离的开关元件驱动保护电路及电源电路。

采用直接控制方式的副边控制模块10还可以采用至少四路N级串联的光耦组成接力式控制数据总线，传送某一副边逆变单元9的三个状态控制信号，接力式直接控制型副边控制模块的电路包括由至少四路光耦和两个D触发器组成的移位电路，另外至少有两个D触发器、带有电磁隔离或光电隔离的开关元件驱动保护电路及副边控制模块电源电路。

采用间接控制方式的副边控制模块10至少有一条来向光纤或光耦作为控制数据总线，将某一副边电桥的三个状态和执行时刻经编码后传递给副边控制模块10。间接控制型副边控制模块的电路至少包括一个寄存器，一个解码器、至少一个减法器、两个D触发器、带有电磁隔离或光电隔离的开关元件驱动保护电路及副边控制模块电源电路。

副边逆变单元9在工作时不必按其联接次序逐个通断，其通断次序可以是随机的。

任一副边逆变单元9的输出端并联接有保护单元50，使开关元件不受到过电压的损害。一般采用压敏电阻、硒堆或特殊设计的过压短路器，发生过电压时使该电桥的61、62端短路。在特殊设计的过压短路器发生作用时，同副边控制模块10发出互锁信号，使副边控制模块10处于等待状态。

在使用中，每一个原边电桥和副边电桥均会发出一定的热量，需要逐个配备散热设备。电桥散热设备的工作方式一般采用自然风冷、强制风冷或水冷。风冷设备包括散热片、风机等，水冷设备包括散热块(直接与开关元件接触)、冷却水循环及净化系统。无论是水冷还是风冷设备都应当取用与其相对应的、同电位的那路中间交流作电源。当应用于输入输出电压不高的场合时，散热设备的全部或分为几组由一路或几路外加电源供电。

主控制模块2以中央处理器为中心，由光电接口电路，数字模拟接口电路，标准通讯接口电路、电源电路等组成。主控制模块2通过光纤束14、13、15或光耦组向原边控制模块19、副边控制模块10和电压控制模块12等发送各自所需的控制信号；采用独立的电源供电；通过装于整机输入端和输出端以及负载上的传感器监测整机的工作状态，以此为依据控制整机；通过标准通讯接口与操作控制面板或上位计算机进行通讯，使操作控制面板或上位计算机可控制整机的工作状态。

从中间直流的电压值是否受控改变的角度讲，控制电位叠加的方式共有三种：一是无调压方式，二是部分调压方式，三是全调压方式。

无调压方式即中间直流的电压值无受控改变，要改变电位叠加柱的输出电压的峰值就要改变副边逆变单元9的开关频率(载频)。这种控制方式所要求的软硬件较为复杂，但整机成本较低。

部分调压方式即有一路中间直流的电压值有受控改变，电位叠加柱的输出电压的峰值靠增减工作的同位组组数，其电压的余数由中间直流电压可控的同位组给出。这种控制方式不需高速开关副边电桥，即无载频。这种控制方式的缺点依然是所要求的软硬件较为复杂。

全调压方式即所有中间直流的电压值均有受控改变，电位叠加柱的输出电压的峰值靠随时均匀增减中间直流的电压值来实现。这种控制方式亦无需高速开关副边逆变单元9，将调整电位叠加柱输出电压的瞬时值与频率的任务分开，电压控制模块12控制输出电压的瞬时值，副边控制模块10控制输出电压的频率，如此可获得任意压频比，可获得快速的输出响应。

切分单元输出线圈、副边整流滤波模块11、电压控制模块12、脉冲变压器67、原边逆变单元18、原边控制模块19，副边逆变单元9、副边控制模块10等，其相同组成部分的结构和原理是相同的，其设计也是相同的。

由于电位叠加柱的输出端在进行一定的组合后，某一电位叠加柱依然可在主控制模块2的控制下产生直流电、脉动直流电及频率、相位均可改变的交流电。而交流电机负载的直流制动问题、恒转矩启动问题及在主轴依然转动的情况下重新启动的问题都可以通过改变主控制模块2的控制信号来实现。

增加若干个冗余同位组可以提高整机可靠性。在M×N个同位组之外增加的冗余同位组一般处于休眠状态。只有在M×N个同位组之内的一个或数个同位组发生故障时，由主控制模块2控制其转入工作状态，以填补故障同位组所造成的空缺。

采用全调压副边控制方式时，副边整流滤波模块11采用图6所示的电路可以实现负载电机的再生制动，可回馈负载电机制动时所产生的电能，滤波电路39的再生过电压通过整流元件组44至47馈送到原边电网侧，增加节能效果，特别适于机车牵引电机的要求。以单相输入为例，再生制动状态时晶体闸流管组44至47在主控制模块2(通过副边控制模块10)控制下工作，在电位叠加柱的输出电压低于电机的反电动势和输出频率低于电机转速所对应的频率时，变换器可向电网回馈负载制动时所产生的电能。当然，切分单元1采用脉冲变压器时原边也要给予必要的配合。

在电位叠加柱的输出总是极性不变的直流时，副边逆变单元9可采用图8所示的形式。其中59为可控开关元件组，60和63为续流二极管组，64和65为输出端，64为正极。不同单元的64、65顺次相联即形成电位叠加柱。

Claims (12)

1、一种高电压电力变换方法，其特征是采用以下步骤：

1)将输入的交流电或直流电变换成M×N路、彼此间电位独立的中间交流电；

2)对各路中间交流电进行整流滤波形成相同路数的中间直流电；

3)对各路中间直流电进行逆变，并串联各逆变电桥，将中间直流电同极性叠加，输出高压直流电、脉动直流电或交流电，包括：

a、增减中间直流电输出的路数粗调输出的高压直流电的幅值，通过调节某一路或每一路或某几路中间直流的大小微调输出的高压直流电的幅值；

b、周期性地改变串联逆变电桥的开关次序来周期性地改变中间直流的叠加路数、中间直流的幅值、中间直流的频率及中间直流的叠加方向；输出周期性可连续调幅、极性可变的脉动直流电；

c、控制开通各路串联逆变电桥，使各路中间直流电对负载输出，输出由矩形直流电叠加堆波成的交流电，重复循环本过程，输出连续高压交流电；并通过调节各路逆变电桥的开关周期及开关频率，连续调节输出交流电的频率，和通过调整叠加的中间直流输出的路数粗调输出交流电的幅值及通过调节各路中间直流的幅值连续调节输出交流电的幅值。

2、根据权利要求1所述的高电压电力变换方法，其特征在于：所述步骤2)中，将中间交流变换成中间直流的方法，包括对叠加的各路中间直流的整流电桥采用无调压、部分调压和全调压方法，分别输出幅值为零的直流电及正、负直流电。

3、一种执行权利要求1方法的高电压电力变换装置，其特征在于：包括将输入的直流电或交流电转化为M×N路电位相互独立的交流电的切分单元、M个电位叠加柱和主控制模块；每个电位叠加柱包括有N个副边整流滤波模块、N个电压控制模块、N个副边逆变单元和N个副边控制模块；所述的主控制模块分别连接切分单元、M×副边整流滤波模块的输出电压和控制副边逆变单元的工作状态及其开关频率；所述的切分单元分别与M×N路中副边整流滤波模块连接，各路中电压控制模块的输出端连接本路中副边整流滤波模块的控制端，各副边整流滤波模块的输出端连接本路中副边逆变单元的输入端，各路中的副边控制模块连接本路中副边逆变单元的控制端，M个电位叠加柱中N个副边逆变单元的输出端顺次连接成电位叠加柱输出。

4、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的切分单元是一接收交流输入的常规变压器，包括1至i个初级线圈及与其对应的1至T个次级线圈。

5、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的切分单元是接收直流输入、由P×Q个原边逆变单元组成的原边逆变单元阵列，每个原边逆变单元包括原边控制模块、由可控开关元件组及并接在开关元件两端的续流二极管按桥路连接构成的原边电桥、有R个次级线圈的脉冲变压器、电容组和过压保护元件；脉冲变压器初级线圈连接原边电桥的输出端及原边控制模块的电源端，原边控制模块与所述的主控制模块连接并与原边电桥的可控开关元件组连接，原边电桥的输入端间并接电容组及过压保护元件，各原边电桥的输入端间连接一直流电源，或P×Q个原边逆变单元的原边电桥输入端顺次串、并接在一直流电源间，切分单元输出P×Q×R路交流。

6、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的切分单元是接收直流输入、由P×Q个原边逆变单元组成的原边逆变单元阵列，每个原边逆变单元包括原边控制模块、可控开关元件组、续流二极管、有R个次级线圈的脉冲变压器和过压保护元件；脉冲变压器初级线圈一端是输入直流一端并连接过压保护元件一端及原边控制模块电源端，脉冲变压器初级线圈另一端连接可控开关元件一端及续流二极管一端，可控开关元件另一端是输入直流另一端并连接过压保护元件另一端、原边控制模块及续流二极管另一端，原边控制模块连接可控开关元件控制端，P×Q个原边逆变单元的输入直流端顺次串、并接在一直流电源间，切分单元输出P×Q×R路直流。

7、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的主控制模块与所述M×N个电压控制模块间及所述M×N个副边控制模块间的连接是光纤束连接或光耦组连接。

8、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的副边整流滤波模块包括入口过流保护器、由四个可控整流无件连接组成的可控桥式整流元件组和滤波电路；入口过流保护器串接在所述切分单元的一路交流输出端与可控桥式整流元件组的输入端间，可控桥式整流元件组输出端连接滤波电路，可控整流元件的控制端与所述的电压控制模块连接，滤波电路输出端连接所述的副边逆变单元。

9、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的副边整流滤波模块电路包括入口过流保护器、由可控整流元件按桥路连接构成的第一、第二可控桥式整流元件组和滤波电路；入口过流保护器串接在所述切分单元的一路交流输出端与第一可控桥式整流元件组的输入端间，所述的滤波电路连接在第一、第二可控桥式整流元件组的输出端间，第一、第二可控桥式整流元件组的两输入端分别连接，第一、第二可控桥式整流元件组中各可控整流元件的控制端与所述的电压控制模块连接，第二可控桥式整流元件组输出端接所述的副边逆变单元。

10、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的副边逆变单元包括过压保护元件和由可控开关元件及与开关元件分别并接的续流二极管按桥路连接构成的可控副边电桥、可控副边电桥的输入端连接所述的副边整流滤波模块电路的输出端，可控副边电桥的输出端间连接所述的过压保护元件，各可控开关元件的控制端与所述的副边控制模块连接，所述N个副边逆变单元中的副边电桥输出端顺序串接形成一个电位叠加柱。

11、根据权利要求3所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的副边逆变单元由可控开关元件和两串接的续流二极管构成，可控开关元件的控制端连接所述的副边控制模块，两串接的续流二极管两端连接所述的副边整流滤波模块电路的输出端，可控开关元件与一续流二极管并接，所述N个副边逆变单元中的另一续流二极管两端顺序串接形成一电位叠加柱。

12、根据权利要求5或6或10所述的高电压电力变换装置，其特征在于：所述的过压保护元件是压敏电阻、硒堆或过压短路器。

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