CN103023345B - 一种多电压等级输出变频电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电压等级输出变频电源及其控制方法，高压充电电路与移相变压器相连，变频器与移相变压器相连，接触器与变频器相连。在多电压等级输出变频电源的变频器的每一相均采用 个基础变流链，，基础变流链包括功率单元和电抗器。三相电压经过高压充电电路进入移相输入变压器，经过移相输入变压器降压后为变频器的功率单元供电。功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。本发明实现了多种电压等级的额定容量输出，每个变流链连接均流电抗器，并联均流效果好，避免了变流链并联时产生的环流现象，降低了设备和生产成本。

Description

一种多电压等级输出变频电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种变频电源及其控制方法，特别是涉及一种可实现多种电压等级额定容量输出的变频电源装置及其控制方法。

背景技术

随着变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛的运用。在种类繁多的高压变频器拓扑结构中，级联型高压变频器拓扑结构采用若干个低压变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，采用此拓扑结构的高压变频器具有对电网谐波污染小，具有输入功率因数高、输出的波形好等优点，是目前应用最广泛的变频电源形式之一。

在很多场合，需要高压变频器驱动多种电压等级的电机，而大多数级联型高压变频器一般只具备单一额定电压的输出能力，因此只能采用多台相应电压等级和容量的高压变频器来实现，增加了设备的投资及设备的占地面积。

目前在多电压等级满容量输出的变频器研究方面主要有以下两篇文献与本发明有关：

文献一为荣信电力电子股份有限公司于2009年05月27日申请，并于2010年02月10日公开，公开号为CN101645646A的中国发明专利申请《一种可变电压等级恒功率输出的变流器实现方法》。该专利通过多个相同变频功率单元的串联和并联相结合的多种变换形式，通过对开关的分合闸控制，实现A、B、C三相每相多个变频功率单元组成的变流链的串联和并联，同时通过对各个变频功率单元输出的输出的电流、电压幅值、频率等一致性进行控制，从而实现输出电压降低时输出电流增加，达到恒功率输出多个所需的电压等级。即在一个变流器上实现可以变化的多电压等级恒功率输出。

文献二为荣信电力电子股份有限公司于2009年05月27日申请，并于2010年02月24日公告，公告号为CN201414072A的中国实用新型专利《一种可变电压等级恒功率输出的变流器》。该专利涉及一种恒功率输出多种电压等级的变流器，通过多个相同变频功率单元的串联和并联相结合的多种变换形式，通过对开关的分合闸控制，实现A、B、C三相每相多个变频功率单元组成的变流链的串联和并联，同时通过对各个变频功率单元输出的电流、电压幅值、频率等一致性进行控制，从而实现输出电压降低时输出电流增加，达到恒功率输出多个所需的电压等级。即在一个变流器上实现可以变化的多电压等级恒功率输出。

这些文献通过多个相同变频功率单元的串联和并联相结合的变换形式和对各个变频功率单元输出的电流、电压峰值、频率的一致性控制，实现恒功率输出多种电压等级。上述文献中所涉及的装置，虽然通过多个变频功率单元串并联而成的变流链实现了多种电压等级额定容量的输出，但由于变频器功率模块参数的固有差异，基于此电路拓扑形式，很难通过控制实现不同支路之间的输出电压相同，其并联均流效果完全由系统本身一致性特性决定，容易造成不同并联支路之间产生环流，降低系统输出容量，增加了系统的故障率。同时，该电路拓扑结构随着额定电压等级的降低，其每个变流链的串联变频功率单元数不断减少，导致变频器输出电平的不断减少，使得变频器输出的波形正弦度变差，满足不了国家标准的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多电压等级输出变频电源及其控制方法，通过接触器的不同开关状态，改变多个基础变流链的串并联组合，实现了多种电压等级的额定容量输出。同时，减少了设备投资及设备占地面积，节约了生产成本。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种多电压等级输出变频电源的技术实现方案，一种多电压等级输出变频电源，包括：移相变压器、变频器、高压充电电路和接触器组合。高压充电电路与移相变压器相连，变频器与移相变压器相连，接触器组合与变频器相连。变频器的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链，n≥1，基础变流链包括功率单元和电抗器。三相电压经过高压充电电路进入移相输入变压器，经过移相输入变压器降压后为变频器的功率单元供电，功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压至接触器组合，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链的串、并联方式，实现了不同电压等级额定容量的输出。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，变频器每相基础变流链的串联数目由单个基础变流链的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最高输出电压等级决定，变频器的每相包括4个基础变流链。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，高压充电电路包括三相的充电电阻和三相的旁路高压接触器，每相充电电阻均并联在该相旁路高压接触器的两端。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，移相变压器的一次绕组采用星型接法，移相变压器的每个二次绕组均采用延边三角型接法。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，功率单元的数量由单个功率单元的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最低输出电压等级决定。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，基础变流链包括三个功率单元和一个电抗器，功率单元和电抗器相互串联。功率单元采用单象限变流器或两象限变流器或四象限变流器，电抗器为均流电抗器。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，变频器包括第一基础变流链组合、第二基础变流链组合、第三基础变流链组合和第四基础变流链组合，每个基础变流链组合对应一路三相输出端。接触器组合包括第一接触器、第二接触器、第三接触器、第四接触器、第五接触器、第六接触器、第七接触器和第八接触器。第一接触器、第三接触器和第四接触器分别连接在第一基础变流链组合、第二基础变流链组合和第三基础变流链组合的三相输出端。第二接触器连接在第一基础变流链组合和第二基础变流链组合之间。第五接触器连接在第三基础变流链组合和第四基础变流链组合之间。第六接触器连接在第一基础变流链组合和第二基础变流链组合的三相输出端之间。第七接触器连接在第二基础变流链组合和第三基础变流链组合的三相输出端之间。第八接触器连接在第三基础变流链组合和第四基础变流链组合的三相输出端之间。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，第一接触器和第七接触器合闸，第二接触器、第三接触器、第四接触器、第五接触器、第六接触器和第八接触器分闸，形成一台13.8KV级联型变频电源。一台13.8KV级联型变频电源的三相额定输出为星型连接方式，每相均由12个功率单元和4个电抗器串联组成。

作为上述技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，一台13.8KV级联型变频电源每相的12个功率单元三角载波的移相相位角依次相差15°。功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°，同一相的4个基础变流链采用相同的正弦调制波信号。

作为本发明另一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，第三接触器和第四接触器合闸，第一接触器、第二接触器、第五接触器、第六接触器、第七接触器和第八接触器分闸，形成两台6.9KV级联型变频电源。两台6.9KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由6个功率单元和2个电抗器串联组成。

作为上述技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，一台6.9KV级联型变频电源每相的6个功率单元三角载波的移相相位角依次相差30°。一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°，另一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°。第一基础变流链组合和第二基础变流链组合采用相同的正弦调制波信号，第三基础变流链组合和第四基础变流链组合采用相同但极性与第一基础变流链组合和第二基础变流链组合相反的正弦调制波信号。

作为本发明另一种多电压等级输出变频电源技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，第二接触器和第五接触器合闸，第一接触器、第三接触器、第四接触器、第六接触器、第七接触器和第八接触器分闸，形成四台3.45KV级联型变频电源。四台3.45KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由3个功率单元和1个电抗器串联组成。

作为上述技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，一台3.45KV级联型变频电源每相的3个功率单元三角载波的移相相位角依次相差60°。第一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、60°、120°，第二台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°，第三台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、60°、120°，第四台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°。同一相的第一基础变流链组合和第三基础变流链组合采用相同的正弦调制波信号，第二基础变流链组合和第四基础变流链组合采用相同但极性与第一基础变流链组合和第三基础变流链组合相反的正弦调制波信号。

为了实现上述发明目的，本发明还另外具体提供了一种多电压等级输出变频电源控制方法的技术实现方案，一种多电压等级输出变频电源控制方法，具体包括以下步骤：

在多电压等级输出变频电源的变频器的每一相均采用2ⁿ个基础变流链，n≥1基础变流链包括功率单元和电抗器。三相电压经过高压充电电路进入移相输入变压器，经过移相输入变压器降压后为变频器的功率单元供电。功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，在多电压等级输出变频电源的变频器的每一相均采用4个基础变流链，采用星型接法对所述移相变压器的一次绕组进行连接，采用延边三角型接法对移相变压器的每个二次绕组进行连接。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，将变频器划分为第一基础变流链组合、第二基础变流链组合、第三基础变流链组合和第四基础变流链组合，每个基础变流链组合对应一路三相输出端。分别在第一基础变流链组合、第二基础变流链组合和第三基础变流链组合的三相输出端连接第一接触器、第三接触器和第四接触器。在第一基础变流链组合和第二基础变流链组合之间连接述第二接触器。在第三基础变流链组合和第四基础变流链组合之间连接第五接触器。在第一基础变流链组合和第二基础变流链组合的三相输出端之间连接第六接触器。在第二基础变流链组合和第三基础变流链组合的三相输出端之间连接第七接触器。在第三基础变流链组合和第四基础变流链组合的三相输出端之间连接第八接触器。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第一接触器和第七接触器进行合闸，对接触器组合的第二接触器、第三接触器、第四接触器、第五接触器、第六接触器和第八接触器进行分闸，形成一台13.8KV级联型变频电源，一台13.8KV级联型变频电源的三相额定输出为星型连接方式，每相均由12个功率单元和4个电抗器串联组成。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第三接触器和第四接触器进行合闸，对接触器组合的第一接触器、第二接触器、第五接触器、第六接触器、第七接触器和第八接触器进行分闸，形成两台6.9KV级联型变频电源，两台6.9KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由6个功率单元和2个电抗器串联组成。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第二接触器和第五接触器进行合闸，对接触器组合的第一接触器、第三接触器、第四接触器、第六接触器、第七接触器和第八接触器进行分闸，形成四台3.45KV级联型变频电源，四台3.45KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由3个功率单元和1个电抗器串联组成。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，一台13.8KV级联型变频电源每相的12个功率单元采用移相相位角依次相差15°的三角载波，功率单元依次采用移相相位角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°的三角载波，同一相的4个基础变流链采用相同的正弦调制波信号。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，一台6.9KV级联型变频电源每相的6个功率单元采用移相相位角依次相差30°的三角载波，一台级联型变频电源的功率单元依次采用移相相位角度为0°、30°、60°、90°、120°、150°的三角载波，另一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°的三角载波，第一基础变流链组合和第二基础变流链组合采用相同的正弦调制波信号，第三基础变流链组合和第四基础变流链组合采用相同但极性与第一基础变流链组合和第二基础变流链组合相反的正弦调制波信号。

作为本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法技术方案的进一步改进，当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，一台3.45KV级联型变频电源每相的3个功率单元采用移相相位角依次相差60°的三角载波，第一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波，第二台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波，第三台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波，第四台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波，同一相的第一基础变流链组合和第三基础变流链组合采用相同的正弦调制波信号，第二基础变流链组合和第四基础变流链组合采用相同但极性与第一基础变流链组合和第三基础变流链组合相反的正弦调制波信号。

通过实施上述本发明一种多电压等级输出变频电源及其控制方法的技术方案，具有以下技术效果：

(1)本发明通过接触器的不同开关状态，形成多个相同功率单元的不同串、并联组合，实现了多种电压等级的额定容量输出；

(2)本发明可以恒功率驱动不同电压等级的电机，减少了设备投资及设备占地面积，节约了生产成本；

(3)本发明每条基础变流链进一步连接有均流电抗器，起到串联滤波、并联均流的作用，能够有效抑制环流，并能对相关控制算法进行支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明多电压等级输出变频电源一种具体实施方式的主电路原理图；

图2是本发明多电压等级输出变频电源一种具体实施方式中功率单元的电路结构原理图；

图3是本发明多电压等级输出变频电源另一种具体实施方式中功率单元的电路结构原理图；

图4是本发明多电压等级输出变频电源一种具体实施方式中基础变流链的等效电路示意图；

图5是本发明具体实施例1中多电压等级输出变频电源在13.8KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图；

图6是本发明具体实施例2中多电压等级输出变频电源在6.9KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图；

图7是本发明具体实施例3中多电压等级输出变频电源在3.45KV电压等级输出模式下的主电路等效示意图；

图中：1-移相变压器，2-变频器，3-高压充电电路，4-基础变流链，41-第一基础变流链组合，42-第二基础变流链组合，43-第三基础变流链组合，44-第四基础变流链组合，2KM1-第一接触器，2KM2-第二接触器，2KM3-第三接触器，2KM4-第四接触器，2KM5-第五接触器，3KM1-第六接触器，3KM2-第七接触器，3KM3-第八接触器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图7所示，给出了本发明一种多电压等级输出变频电源及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示为本发明一种多电压等级输出变频电源的具体实施方式，包括：移相变压器1、变频器2、高压充电电路3和接触器组合。高压充电电路3与移相变压器1相连，变频器2与移相变压器1相连，接触器组合与变频器2相连。变频器2的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链4，n≥1，如：2个、4个、8个等。基础变流链4包括n个功率单元(模块)和电抗器，n≥1，功率单元的具体数量由单个功率单元的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最低输出电压等级决定。变频器2每相基础变流链4的串联数目由单个基础变流链4的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最高输出电压等级决定，从而形成每相完全对称的结构。变频器2的每相包括4个基础变流链4。如：单个功率单元的额定输出电压为670V，多电压等级输出变频电源的最低线电压为3KV，最高输出电压为10KV，则每个基础变流链4的功率单元串联数目为3个，以满足最低3KV的线电压输出；每相串联基础变流链4的数目为4个，以满足变频器2最高10KV的电压输出。而如果变频器2的最高输出电压为6KV，则每相只需要2个基础变流链4。

三相电压经过高压充电电路3进入移相输入变压器1，经过移相输入变压器1降压后为变频器2的功率单元供电，功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链4的串、并联方式，实现了不同电压等级额定容量的输出。

高压充电电路3进一步包括三相的充电电阻R和三相的旁路高压接触器1KM1，每相充电电阻R均并联在该相旁路高压接触器1KM1的两端，高压充电电路3用于抑制高压合闸时的涌流。移相变压器1的一次绕组采用星型接法，移相变压器1的每个二次绕组均采用延边三角型接法。移相变压器1的二次绕组与变频器2的功率单元之间通过三相进线进行连接。在附图4所示的具体实施例中，基础变流链4包括三个功率单元和一个电抗器，功率单元和电抗器相互串联。如附图2和附图3所示，功率单元采用H桥功率单元，并进一步为单象限变流器或两象限变流器或四象限变流器，电抗器为均流电抗器。采用附图2的功率单元电路结构时，变流器可实现两象限或单象限运行功能。采用附图3的功率单元电路结构时，变流器可实现四象限运行功能。本发明中功率单元的可控开关器件可以是IGBT或IGCT、IEGT等。

变频器2进一步包括第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42、第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44，每个基础变流链组合对应一路三相输出端。接触器组合进一步包括第一接触器2KM1、第二接触器2KM2、第三接触器2KM3、第四接触器2KM4、第五接触器2KM5、第六接触器3KM1、第七接触器3KM2和第八接触器3KM3。接触器采用高压真空接触器。第一接触器2KM1、第三接触器2KM3和第四接触器2KM4分别连接在第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42和第三基础变流链组合43的三相输出端。第二接触器2KM2连接在第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42之间。第五接触器2KM5连接在第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44之间。第六接触器3KM1连接在第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42的三相输出端之间。第七接触器3KM2连接在第二基础变流链组合42和第三基础变流链组合43的三相输出端之间。第八接触器3KM3连接在第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44的三相输出端之间。

每个基础变流链组合进一步包括9个功率单元(以下简称：模块)和3个电抗器。其中，第一基础变流链组合41包括模块A1～A3、模块B1～B3、模块C1～C3，电抗器L1、L2、L3；第二基础变流链组合42包括模块A4～A6、模块B4～B6、模块C4～C6，电抗器L4、L5、L6；第三基础变流链组合43包括模块A7～A9、模块B7～B9、模块C7～C9，电抗器L7、L8、L9；第四基础变流链组合44包括模块A10～A12、模块B10～B12、模块C10～C12，电抗器L10、L11、L12。每个基础变流链组合对应一路三相额定输出，具体为：第一基础变流链组合41对应三相输出端U1、V1、W1，第二基础变流链组合42对应三相输出端U3、V3、W3，第三基础变流链组合43对应三相输出端U4、V4、W4，第四基础变流链组合44对应三相输出端U2、V2、W2。

本发明提供的多电压等级输出变频电源，以n个功率单元和一个电抗器串联作为一个基础变流链4，通过各个接触器的不同开关状态，改变多个基础变流链4的串、并联组合形式，实现多种电压等级的额定容量输出。每个基础变流链4连接有均流电抗器，并联均流效果良好，避免了变流链并联时产生的环流现象，保证了电路多个电压等级的额定输出。同时对于串联输出起到了滤波作用，保证了变频器2的输出波形品质。

多电压等级输出变频电源能够实现10MVA，3KV、6KV、10KV三种电压等级额定功率的输出，功率单元的额定输出电压为670V。在本发明的具体实施方式中，多电压等级输出变频电源的每相由四个基础变流链4组成，满足多电压等级输出变频电源最高10KV电压输出能力的要求。多电压等级输出变频电源通过高压真空接触器的不同开关状态，可改变每个基础变流链4的串并联方式，分别实现最大3.45KV、6.9KV、13.8KV三个电压等级额定容量的输出。变频器2的控制采用载波移相SPWM(正弦脉宽调制)技术，其基本思想是保持调制信号的波形不变，对级联模块(功率单元)的三角载波信号移动一个角度。此调制方式使各级联功率单元输出电压的叠加波形为多电平的类正弦波。根据变流链路串、并联组合方式的不同，对各功率单元载波移相SPWM调制方式也不一样。

基础变流链4的等效示意图如附图4所示，功率单元的额定输出电压670V，每个基础变流链4由三个功率单元和一个电抗器组成，满足电力系统最小3KV电压输出能力的要求。对于不同电力系统的要求，基础变流链4串联的功率单元数量可根据不同的系统要求变化，其数量n由功率单元额定输出电压和系统最低输出电压等级决定。

附图5为实施例1中本发明多电压等级输出变频电源在13.8KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，在该模式下各高压真空接触器的开关状态如表1所示。在该模式下，每相由4个基础变流链4串联而成，每个基础变流链4由3个670V功率单元和一个电抗器串联而成。N1为中性点，每相由12个变频的功率单元和4个电抗器串联而成，三相为星型连接，电源输出端子为U2、V2、W2。在该模式下可以实现13.8KV电压等级的额定输出，可以拖动相应电压等级的电机。

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

合闸

分闸

分闸

分闸

分闸

分闸

合闸

分闸

表113.8KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

在该模式下每相12个功率单元(模块)级联而成，则每个功率单元SPWM调制载波移相相位角依次差180°/12＝15°。每相的1～12号模块(包括A1～A12模块、B1～B12模块、C1～C12模块)的三角载波移相角度依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°。同一相的每个基础变流链4，即1～3号模块(包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块)正弦调制波、4～6号模块(包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块)正弦调制波、7～9号模块(包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块)正弦调制波和10～12号模块(包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块)正弦调制波，采用相同的正弦调制信号。

附图6为实施例2中本发明多电压等级输出变频电源在6.9KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，该模式下各高压真空接触器开关状态如表2所示。该模式下形成两台6.9KV级联型变频器，每台6.9KV级联型变频器每相由2个基础变流链4串联而成，含6个变频的功率单元和两个电抗器，三相为星型连接。N3为中性点，每相由1～6号功率单元(包括A1～A6模块、B1～B6模块、C1～C6模块)串联而成，三相为星型连接，组成第一台6.9KV级联型变频器，电源输出端子为U1、V1、W1。N4为中性点，每相由7～12号功率单元(包括A7～A12模块、B7～B12模块、C7～C12模块)串联而成，三相为星型连接，组成第二台6.9KV级联型变频器，电源输出端子为U2、V2、W2。在该模式下，可以实现6.9KV电压等级的额定输出，并拖动两台相应电压等级的电机。此外，还可通过高压真空接触器的不同开关状态实现两台变频器2的并联输出。

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

分闸

分闸

合闸

合闸

分闸

分闸

分闸

分闸

表26.9KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

在该模式下，每相输出由两个基础变流链4串联组成，包括6个功率单元和两个电抗器，则每个功率单元三角载波的相位角依次差180°/6＝30°。一条变流链路功率模块的级联顺序为1至6，另一条并联变流链路功率模块的级联顺序为12至7。为保证两条并联链路输出电压波形的完全一致性，每相1～6号模块(包括A1～A6模块、B1～B6模块、C1～C6模块)三角载波移相角度依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°，每相7～12号模块(包括A7～A12模块、B7～B12模块、C7～C12模块)三角载波移相角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°。同一相串联的基础变流链4采用相同的调制信号，并联的基础变流链4之间采用极性相反的调制信号，即1～6号模块正弦调制波采用相同的正弦调制信号，7～12号模块正弦调制波采用极性相反的正弦调制信号。

附图7为实施例3中本发明多电压等级输出变频电源在3.45KV电压等级的三相额定输出模式下的等效电路图，该模式下各高压真空接触器开关状态如表3所示.在该模式下，形成四台3.45KV级联型变频器，每台3.45KV级联型变频器的每相由一个基础变流链4组成，三相为星型连接。N2为中性点，每相由1～3号功率单元(包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块)和电抗器串联组成，三相为星型连接，组成第一台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U1、V1、W1；N2为中性点，每相由4～6号功率单元(包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块)和电抗器串联组成，三相为星型连接，组成第二台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U3、V3、W3；N5为中性点，每相由10～12号功率单元(包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块)和电抗器串联组成，三相为星型连接，组成第三台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U4、V4、W4；N5为中性点，每相由7-9号功率单元(包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块)和电抗器串联组成，三相为星型连接，组成第四台3.45KV级联型变频器，电源输出端子为U2、V2、W2.在该模式下，可以实现3.45KV电压等级的额定输出，并拖动四台相应电压等级的电机。此外，还可通过高压真空接触器的不同开关状态实现两个、三个及四个变频器2的并联输出。

2KM1

2KM2

2KM3

2KM4

2KM5

3KM1

3KM2

3KM3

状态

分闸

合闸

分闸

分闸

合闸

分闸

分闸

分闸

表33.45KV电压等级输出模式下各高压真空接触器开关状态列表

该模式下每相输出为一个基础变流链4，包括3个功率单元和电抗器串联组成，则每个率单元三角载波的相位角依次差180°/3＝60°。每条变流链路功率模块的级联顺序为1至3，4至6，7至9，10至12。为保证两条并联链路输出电压波形的完全一致性，每相1～3号模块(包括A1～A3模块、B1～B3模块、C1～C3模块)三角载波移相角度依次为0°、60°、120°，4～6号模块(包括A4～A6模块、B4～B6模块、C4～C6模块)三角载波移相角度依次为120°、60°、0°，7～9号模块(包括A7～A9模块、B7～B9模块、C7～C9模块)三角载波移相角度依次为0°、60°、120°，10～12号模块(包括A10～A12模块、B10～B12模块、C10～C12模块)三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°。同一相1～3号模块和7～9号模块采用相同的正弦调制信号，4～6号模块和10～12号模块采用极性相反的正弦调制信号。

本发明一种多电压等级输出变频电源控制方法的具体实施方式，包括以下步骤：

在多电压等级输出变频电源的变频器2的每一相均采用2ⁿ个基础变流链4，n≥1，基础变流链4进一步包括功率单元和电抗器。三相电压经过高压充电电路3进入移相输入变压器1，经过移相输入变压器1降压后为变频器2的功率单元供电。功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压至接触器组合，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链4的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出。作为一种典型的实施方式，变频器2的每相包括4个基础变流链4。

进一步采用星型接法对移相变压器1的一次绕组进行连接，采用延边三角型接法对移相变压器1的每个二次绕组进行连接。

将变频器2进一步划分为第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42、第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44，每个基础变流链组合对应一路三相输出端。分别在第一基础变流链组合41、第二基础变流链组合42和第三基础变流链组合43的三相输出端连接第一接触器2KM1、第三接触器2KM3和第四接触器2KM4。在第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42之间连接述第二接触器2KM2。在第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44之间连接第五接触器2KM5。在第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42的三相输出端之间连接第六接触器3KM1。在第二基础变流链组合42和第三基础变流链组合43的三相输出端之间连接第七接触器3KM2。在第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44的三相输出端之间连接第八接触器3KM3。

当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第一接触器2KM1和第七接触器3KM2进行合闸，对接触器组合的第二接触器2KM2、第三接触器2KM3、第四接触器2KM4、第五接触器2KM5、第六接触器3KM1和第八接触器3KM3进行分闸，形成一台13.8KV级联型变频电源，一台13.8KV级联型变频电源的三相额定输出为星型连接方式，每相均由12个功率单元和4个电抗器串联组成。

当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第三接触器2KM3和第四接触器2KM4进行合闸，对接触器组合的第一接触器2KM1、第二接触器2KM2、第五接触器2KM5、第六接触器3KM1、第七接触器3KM2和第八接触器3KM3进行分闸，形成两台6.9KV级联型变频电源，两台6.9KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由6个功率单元和2个电抗器串联组成。

当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第二接触器2KM2和第五接触器2KM5进行合闸，对接触器组合的第一接触器2KM1、第三接触器2KM3、第四接触器2KM4、第六接触器3KM1、第七接触器3KM2和第八接触器3KM3进行分闸，形成四台3.45KV级联型变频电源，四台3.45KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由3个功率单元和1个电抗器串联组成。

当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，一台13.8KV级联型变频电源每相的12个功率单元采用移相相位角依次相差15°的三角载波。功率单元依次采用移相相位角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°的三角载波。同一相的4个基础变流链4采用相同的正弦调制波信号。

当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，一台6.9KV级联型变频电源每相的6个功率单元采用移相相位角依次相差30°的三角载波。一台级联型变频电源的功率单元依次采用移相相位角度为0°、30°、60°、90°、120°、150°的三角载波；另一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°的三角载波。第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42采用相同的正弦调制波信号，第三基础变流链组合43和第四基础变流链组合44采用相同但极性与第一基础变流链组合41和第二基础变流链组合42相反的正弦调制波信号。

当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，一台3.45KV级联型变频电源每相的3个功率单元采用移相相位角依次相差60°的三角载波。第一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波；第二台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波；第三台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波；第四台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波。同一相的第一基础变流链组合41和第三基础变流链组合43采用相同的正弦调制波信号。第二基础变流链组合42和第四基础变流链组合44采用相同但极性与第一基础变流链组合41和第三基础变流链组合43相反的正弦调制波信号。

本发明通过高压真空接触器的不同开关状态，形成多个相同基础变流链的不同串、并联组合，可以实现多种电压等级的额定容量输出。本发明所应用的装置可以恒功率驱动不同电压等级的电机，减少了设备投资及设备占地面积，节约了生产成本。在每条基础变流链4连接有均流电抗器，起到了串联滤波、并联均流的作用，能够有效地抑制环流，并支持相关控制算法。每条基础变流链4由n个功率单元和一个电抗器组成，不同的功率单元数量形成不同的最低额定电压等级输出，n的选择由功率单元额定输出电压和变频电源最低输出电压等级决定。变频器2的每相由四个基础变流链4串联组成，可以实现不同电压等级的输出，最大串联数由变频电源的最高输出电压等级决定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (20)

1.一种多电压等级输出变频电源，其特征在于，包括：移相变压器(1)、变频器(2)、高压充电电路(3)和接触器组合，所述高压充电电路(3)与移相变压器(1)相连，所述变频器(2)与移相变压器(1)相连，所述接触器组合与变频器(2)相连；所述变频器(2)的每相进一步包括2ⁿ个基础变流链(4)，n≥1，所述基础变流链(4)包括功率单元和电抗器；三相电压经过高压充电电路(3)进入移相变压器(1)，经过移相变压器(1)降压后为变频器(2)的功率单元供电，功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链(4)的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出；所述变频器(2)包括第一基础变流链组合(41)、第二基础变流链组合(42)、第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)，每个基础变流链组合对应一路三相输出端；所述接触器组合包括第一接触器(2KM1)、第二接触器(2KM2)、第三接触器(2KM3)、第四接触器(2KM4)、第五接触器(2KM5)、第六接触器(3KM1)、第七接触器(3KM2)和第八接触器(3KM3)；所述第一接触器(2KM1)、第三接触器(2KM3)和第四接触器(2KM4)分别连接在第一基础变流链组合(41)、第二基础变流链组合(42)和第三基础变流链组合(43)的三相输出端；所述第二接触器(2KM2)连接在第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)之间；所述第五接触器(2KM5)连接在第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)之间；所述第六接触器(3KM1)连接在第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)的三相输出端之间；所述第七接触器(3KM2)连接在第二基础变流链组合(42)和第三基础变流链组合(43)的三相输出端之间；所述第八接触器(3KM3)连接在第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)的三相输出端之间。

2.根据权利要求1所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：所述高压充电电路(3)包括三相的充电电阻(R)和三相的旁路高压接触器(1KM1)，每相充电电阻(R)均并联在该相旁路高压接触器(1KM1)的两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：所述变频器(2)每相基础变流链(4)的串联数目由单个基础变流链(4)的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最高输出电压等级决定，所述变频器(2)的每相包括4个基础变流链(4)。

4.根据权利要求3所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：所述移相变压器(1)的一次绕组采用星型接法，所述移相变压器(1)的每个二次绕组均采用延边三角型接法。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：所述功率单元的数量由单个功率单元的额定输出电压和多电压等级输出变频电源的最低输出电压等级决定。

6.根据权利要求5所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：所述基础变流链(4)包括三个功率单元和一个电抗器，所述功率单元和电抗器相互串联；所述功率单元采用单象限变流器或两象限变流器或四象限变流器；所述电抗器为均流电抗器。

7.根据权利要求6所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，第一接触器(2KM1)和第七接触器(3KM2)合闸，第二接触器(2KM2)、第三接触器(2KM3)、第四接触器(2KM4)、第五接触器(2KM5)、第六接触器(3KM1)和第八接触器(3KM3)分闸，形成一台13.8KV级联型变频电源，一台13.8KV级联型变频电源的三相额定输出为星型连接方式，每相均由12个功率单元和4个电抗器串联组成。

8.根据权利要求6所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，第三接触器(2KM3)和第四接触器(2KM4)合闸，第一接触器(2KM1)、第二接触器(2KM2)、第五接触器(2KM5)、第六接触器(3KM1)、第七接触器(3KM2)和第八接触器(3KM3)分闸，形成两台6.9KV级联型变频电源，两台6.9KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由6个功率单元和2个电抗器串联组成。

9.根据权利要求6所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，第二接触器(2KM2)和第五接触器(2KM5)合闸，第一接触器(2KM1)、第三接触器(2KM3)、第四接触器(2KM4)、第六接触器(3KM1)、第七接触器(3KM2)和第八接触器(3KM3)分闸，形成四台3.45KV级联型变频电源，四台3.45KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由3个功率单元和1个电抗器串联组成。

10.根据权利要求7所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，一台13.8KV级联型变频电源每相的12个功率单元三角载波的移相相位角依次相差15°，功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°，同一相的4个基础变流链(4)采用相同的正弦调制波信号。

11.根据权利要求8所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，一台6.9KV级联型变频电源每相的6个功率单元三角载波的移相相位角依次相差30°，一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°，另一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°，第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)采用相同的正弦调制波信号，第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)采用相同但极性与第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)相反的正弦调制波信号。

12.根据权利要求9所述的一种多电压等级输出变频电源，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，一台3.45KV级联型变频电源每相的3个功率单元三角载波的移相相位角依次相差60°，第一台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、60°、120°，第二台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°，第三台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为0°、60°、120°，第四台级联型变频电源的功率单元的三角载波移相相位角度依次为120°、60°、0°，同一相的第一基础变流链组合(41)和第三基础变流链组合(43)采用相同的正弦调制波信号，第二基础变流链组合(42)和第四基础变流链组合(44)采用相同但极性与第一基础变流链组合(41)和第三基础变流链组合(43)相反的正弦调制波信号。

13.一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

在多电压等级输出变频电源的变频器(2)的每一相均采用2ⁿ个基础变流链(4)，n≥1，基础变流链(4)包括功率单元和电抗器；

三相电压经过高压充电电路(3)进入移相变压器(1)，经过移相变压器(1)降压后为变频器(2)的功率单元供电；

功率单元经过整流、滤波及逆变后输出单相交流电压至接触器组合，通过改变接触器组合的开关状态改变每个基础变流链(4)的串、并联方式，实现不同电压等级额定容量的输出；

将所述变频器(2)划分为第一基础变流链组合(41)、第二基础变流链组合(42)、第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)，每个基础变流链组合对应一路三相输出端；

分别在第一基础变流链组合(41)、第二基础变流链组合(42)和第三基础变流链组合(43)的三相输出端连接第一接触器(2KM1)、第三接触器(2KM3)和第四接触器(2KM4)；

在第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)之间连接述第二接触器(2KM2)；

在第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)之间连接第五接触器(2KM5)；

在第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)的三相输出端之间连接第六接触器(3KM1)；

在第二基础变流链组合(42)和第三基础变流链组合(43)的三相输出端之间连接第七接触器(3KM2)；

在第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)的三相输出端之间连接第八接触器(3KM3)。

14.根据权利要求13所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：

在多电压等级输出变频电源的变频器(2)的每一相均采用4个基础变流链(4)；

采用星型接法对所述移相变压器(1)的一次绕组进行连接；

采用延边三角型接法对所述移相变压器(1)的每个二次绕组进行连接。

15.根据权利要求14所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第一接触器(2KM1)和第七接触器(3KM2)进行合闸，对接触器组合的第二接触器(2KM2)、第三接触器(2KM3)、第四接触器(2KM4)、第五接触器(2KM5)、第六接触器(3KM1)和第八接触器(3KM3)进行分闸，形成一台13.8KV级联型变频电源，一台13.8KV级联型变频电源的三相额定输出为星型连接方式，每相均由12个功率单元和4个电抗器串联组成。

16.根据权利要求14所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第三接触器(2KM3)和第四接触器(2KM4)进行合闸，对接触器组合的第一接触器(2KM1)、第二接触器(2KM2)、第五接触器(2KM5)、第六接触器(3KM1)、第七接触器(3KM2)和第八接触器(3KM3)进行分闸，形成两台6.9KV级联型变频电源，两台6.9KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由6个功率单元和2个电抗器串联组成。

17.根据权利要求14所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，对接触器组合的第二接触器(2KM2)和第五接触器(2KM5)进行合闸，对接触器组合的第一接触器(2KM1)、第三接触器(2KM3)、第四接触器(2KM4)、第六接触器(3KM1)、第七接触器(3KM2)和第八接触器(3KM3)进行分闸，形成四台3.45KV级联型变频电源，四台3.45KV级联型变频电源的三相额定输出均为星型连接方式，每相均由3个功率单元和1个电抗器串联组成。

18.根据权利要求15所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现13.8KV电压等级的三相额定输出时，一台13.8KV级联型变频电源每相的12个功率单元采用移相相位角依次相差15°的三角载波；功率单元依次采用移相相位角度为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°和165°的三角载波；同一相的4个基础变流链(4)采用相同的正弦调制波信号。

19.根据权利要求16所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现6.9KV电压等级的三相额定输出时，一台6.9KV级联型变频电源每相的6个功率单元采用移相相位角依次相差30°的三角载波；一台级联型变频电源的功率单元依次采用移相相位角度为0°、30°、60°、90°、120°、150°的三角载波；另一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为150°、120°、90°、60°、30°、0°的三角载波；第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)采用相同的正弦调制波信号，第三基础变流链组合(43)和第四基础变流链组合(44)采用相同但极性与第一基础变流链组合(41)和第二基础变流链组合(42)相反的正弦调制波信号。

20.根据权利要求17所述的一种多电压等级输出变频电源控制方法，其特征在于：当多电压等级输出变频电源实现3.45KV电压等级的三相额定输出时，一台3.45KV级联型变频电源每相的3个功率单元采用移相相位角依次相差60°的三角载波；第一台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波；第二台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波；第三台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为0°、60°、120°的三角载波；第四台级联型变频电源的功率单元采用移相相位角度依次为120°、60°、0°的三角载波；同一相的第一基础变流链组合(41)和第三基础变流链组合(43)采用相同的正弦调制波信号，第二基础变流链组合(42)和第四基础变流链组合(44)采用相同但极性与第一基础变流链组合(41)和第三基础变流链组合(43)相反的正弦调制波信号。