小型高效无变压器功率转换系统技术方案

一种无变压器功率变换系统，包括多个串联连接的电容器；接至多个电容的充电回路，该充电回路为多个电容器充电从电源电压至预定电压；一回路用于变换存储在多个电容器中所选定的电容器中电荷的极性，这极性变换回路包括多个电感器回路，各回路可开关地耦合到选电容器相应不同的一个上，以形成谐振回路，该回路帮助变换在该电容器中存储电荷的极性；和一个用于在转换的电压下从多个电容器中吸取功率的放电回路。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术揭示的是一种新的无变压器功率转换系统(TPCS)，它无需使用磁芯变压器而允许DC或AC功率的直接升压或降压。利用固态开关器件，电容器，尤其是空芯电感和一个开关控制系统来完成该操作。从AC到DC的转换和升压以及转换过程以高效和无谐波产生完成。以高转换频率运行的同时变压器的取消导致了无变压器芯损耗和无第三次谐波产生的低重量的一个系统。对于高变比的DC到DC变换，TPCS无需AC环节把输入充电直接传到输出。充电，变换，和能量释放的三个性质不同的运行典型地排成有序的次序并允许在输入和输出功率网之间完全隔离。TPCS允许整个功率流控制，并利用这种控制来改进电网稳定性。使若干集成TPCS模件有一定的构型从而在一个单系统中用做一电压变换级，一个功率转换器或变换器，一个输出调节器，一个AC调相器以及一个快速功率遮断装置。该结构特别适用于在电站对HVDC输电的以AC到DC变换和升高的高压DC功率配电系统;AC处的用于DC配电的DC到DC降低;和靠近集中功率用户的最后的DC到多相AC功率的变换。本专利技术涉及到无变压器功率转换系统，该系统允许DC或AC的变换。AC到DC的转换或DC到AC的逆变。该系统不用变压器允许AC或DC者的升压或降压。以适当的控制程序过程和固态开关器件的组合，高调节输出能在mw功率数量级上以无调节的标准AC功率变换等同的效率来获得。DC-DC变换在用于DC到DC升压的现有技术中，DC必须首先转换成高频AC，然后用变压器完成电压变换，该AC再转换回DC。变压器不仅增加系统的重量，而且是降低效率的主要责任者。另外按照大功率和100kv等级的高电压来计算是不实用的。利用我的专利技术，输入充电以有效的中介电压变换系统直接转换到输出。不需要AC到AC的变换。变压器具有的它需要的电压二次定标，磁芯损耗、投资、重量和大体积要求完全消除。AC-AC变换标准的AC功率配电系统基于一般运行在50或60Hz低频的铁芯变压器的电压变压容量。这些装置大而且贵，并且具有由匝数比给定的一恒定的变化。利用实时调节能量借助于把输入功率静电地转换到输出，我的专利技术省略变压器和其全部约束。AC系统互连为了互连两个独立的和不同步的电力系统，目前必要的是把AC转换到DC，再以正确的相位和频率转回AC。我的专利技术不用DC环节允许从一个多相系统向第二个多相系统直接输送功率。我必须强调用于稳定的电力网的DC到DC联接互连要求以我的TPCSAC到AC变换互连来保留。大功率多相AC整流的现有技术在AC输入上导致实质上的谐波产生。所需的谐波滤波明显瓜分了电力配电的投资。利用我的专利技术，AC到AC变换和升压省略了变压器和谐波滤波，借助在高TPCS频率上运行，仅在AC输入和DC输出上需要小型的滤波器。DC功率配电为了消除高压DC线路事故，现有技术需要在转换器AC输入端上遮断整个直流线路。结果对于长距离的点到点功率传输和独立系统互连来讲DC线路目前使经济上可行。与之相比，我的专利技术随着与AC配电系统相连的所有问题的消除，允许整个直接DC到DC降压的DC配电的实现。DC分支线路上的故障能简单地通过瞬间停止转换过程来清除。然后在无负载条件下打开或闭合切断开关。可变输出频率可变输出频率的现有技术实行起来复杂而昂贵。循环变换器是一种高功率的控制系统，它能把高频的AC多相功率直接转换成较低的频率。如果使用60Hz电源，循环变换器输出频率一般从以馈电频率40%左右为限的频谱高端的零到10Hz是可变的。产生的低频波由原始电源频率的部分组成。能使输出电压相当接近正弦波，然而产生大量无功功率和谐波，另外输出电压也被限制。相比之下我的专利技术允许以可变频率和可变电压的输出的有效产生。被控制的输出频率可比电源频率高或低。同样的状态适于输出电压控制。最重要的是，我的TPCS可变频率/电压控制器不产生谐波、输入波形扰动或无功功率。另外，输出频率、输出相位和输出功率能同一台AC功率变换器相似地有效地控制。对于优化起动，转矩控制或感应电机的速度控制来讲，能以控制电压输出在分周期时间上改变相序。更进一步讲，一个有效地可变频的转换器能以纯正的DC输入以相同的效率和性能运转。无功功率调节器和谐波滤波器能构造TPCS模件为一种做为电压变换系统一部分或做为一分开单独单元的快速响应相位角纠正系统和无功功率调节器(VARG)利用这种一个VARG的快速TPCS运行特性能在AC周期的几分之一的时间比例上响应。我的专利技术不仅能从零到其最大额定值连续地调节无功潮流，而且能响应超前和滞后相角修正的要求。不产生谐波或相位畸形完成相位角的修正。为了平衡多相网络，我的VARG结构不需要对于大多数运行系统一般需要的对于周期的大波期来讲的能量存储。我的VARG具有类似同步机的“黑箱”(blackbox)特征，无机械负载运行。主要的不同是TPCSVARG没有活动部件，对运行非常经济，具有较高的效率并能以较快的时间比例响应。该TPCSVARG的运行特征允许它编成一单独的设备或做为集成的有源谐波滤波器(AHF)，再有不需有实质上的能量存储要求。因为TPCS能从AC周期的低压部分提取无功和谐波功率(或充电)并能把它再引入到一个具有高压的另一相中，所以这种运行是可能的。在瞬间能把TPCSVARG/AHF编程来中和一系列谐波频率。我的专利技术可取消大电容器和无功能量存储，这是如Malesani所述的前有技术中的方法(在IEEE输配电分册第6卷，1991年7月的第3期上，名为“具有混合能量存储的有源功率滤波器”一文中)。利用AC到DC整流或AC负载控制的目前的现有技术，需要无源或有源滤波来中和所产生的谐波。另一方面，TPCS能有效地不在AC输入网上产生谐波畸变地完成这个功能。如果由非线性和无功AC负载产生谐波和无功功率，TPCS“变压器”被拖动，只要在AC输出上平衡谐波，TPCS能有效地中和它们。TPCS有源谐波滤波和无功功率发生器无需以电容器组或大电感形式的大容量存储要求来完成。进一步讲，TPCS谐波滤波系统的结构使得它能够响应以几分之一周期上的谐波滤波水平变化的要求。我的专利技术和其实施例的其他目的和特征从以下附加的附图和表格相关的说明中将被更好地理解附图说明图1是基本的TPCS结构示意图和用于AC到AC转换器的一些选择的电波形图;图2是一典型的三级TPCSDC到DC的电压升压变换电路;图3是三级TPCS的DC到DC降压变换电路;图4是在向前和向后两方向上允许功率流控制的四个四分之一周升压和降压TPCS排列图;图5是具有双向控制能力和相位转换的单相三级TPCSAC到AC变换电路;图6是具有降压变换的一个典型的单相三级AC到DC转换器模件;图7是一个典型的具有三相输入的多相TPCSAC到DC变流系统;图8是一个典型的具有降压变换的三级DC到单相AC逆变模式的电路;图9是一个典型的用于三相网的多相TPCSVAR发生器和谐波滤波系统;图10是用于三相网的电压、无功电流和功率的波形图;图11是用于与用做磁能存贮和恢复的电抗器相联的一个TPCS模块的简化电路图。表Ⅰ为用于三相TPCSVAR发生器和特殊控制程序的参数;表Ⅱ为一个TPCSVAR发生器程序的结果与理论要求的比较表格。基本结构以下是我的专利技术的最佳实施例的描述。做为第一个例子，带有不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无变压器功率变换系统，包括：多个串联连接的电容器；连接至所说多个电容器上的一个充电回路，所说充电回路自电压源把该多个电容器充电至预定电压；一个用于变换存储在所说多个电容器的被选择的电容器中的电荷极性的电路，所说极性变换电路包括多个电感器电路，其中每个电路可开关地耦合至已选定电容器中相应不同的一个上，以建立谐振电路，该谐振电路帮助变换存储在该电容器中电荷的极性；和一个用于在变换电压时从多个电容器吸取功率的放电回路。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：R林佩查，
申请(专利权)人：直流电变换有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]