專利名稱：小型高效無變壓器功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明揭示的是一種新的無變壓器功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(TPCS)，它無需使用磁芯變壓器而允許DC或AC功率的直接升壓或降壓。利用固態(tài)開關器件，電容器，尤其是空芯電感和一個開關控制系統(tǒng)來完成該操作。
從AC到DC的轉(zhuǎn)換和升壓以及轉(zhuǎn)換過程以高效和無諧波產(chǎn)生完成。以高轉(zhuǎn)換頻率運行的同時變壓器的取消導致了無變壓器芯損耗和無第三次諧波產(chǎn)生的低重量的一個系統(tǒng)。對于高變比的DC到DC變換，TPCS無需AC環(huán)節(jié)把輸入充電直接傳到輸出。充電，變換，和能量釋放的三個性質(zhì)不同的運行典型地排成有序的次序并允許在輸入和輸出功率網(wǎng)之間完全隔離。TPCS允許整個功率流控制，并利用這種控制來改進電網(wǎng)穩(wěn)定性。使若干集成TPCS模件有一定的構型從而在一個單系統(tǒng)中用做一電壓變換級，一個功率轉(zhuǎn)換器或變換器，一個輸出調(diào)節(jié)器，一個AC調(diào)相器以及一個快速功率遮斷裝置。
該結構特別適用于在電站對HVDC輸電的以AC到DC變換和升高的高壓DC功率配電系統(tǒng);AC處的用于DC配電的DC到DC降低;和靠近集中功率用戶的最后的DC到多相AC功率的變換。
本發(fā)明涉及到無變壓器功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許DC或AC的變換。AC到DC的轉(zhuǎn)換或DC到AC的逆變。該系統(tǒng)不用變壓器允許AC或DC者的升壓或降壓。以適當?shù)目刂瞥绦蜻^程和固態(tài)開關器件的組合，高調(diào)節(jié)輸出能在mw功率數(shù)量級上以無調(diào)節(jié)的標準AC功率變換等同的效率來獲得。
DC-DC變換在用于DC到DC升壓的現(xiàn)有技術中，DC必須首先轉(zhuǎn)換成高頻AC，然后用變壓器完成電壓變換，該AC再轉(zhuǎn)換回DC。變壓器不僅增加系統(tǒng)的重量，而且是降低效率的主要責任者。另外按照大功率和100kv等級的高電壓來計算是不實用的。利用我的發(fā)明，輸入充電以有效的中介電壓變換系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)換到輸出。不需要AC到AC的變換。變壓器具有的它需要的電壓二次定標，磁芯損耗、投資、重量和大體積要求完全消除。
AC-AC變換標準的AC功率配電系統(tǒng)基于一般運行在50或60Hz低頻的鐵芯變壓器的電壓變壓容量。這些裝置大而且貴，并且具有由匝數(shù)比給定的一恒定的變化。利用實時調(diào)節(jié)能量借助于把輸入功率靜電地轉(zhuǎn)換到輸出，我的發(fā)明省略變壓器和其全部約束。
AC系統(tǒng)互連為了互連兩個獨立的和不同步的電力系統(tǒng)，目前必要的是把AC轉(zhuǎn)換到DC，再以正確的相位和頻率轉(zhuǎn)回AC。我的發(fā)明不用DC環(huán)節(jié)允許從一個多相系統(tǒng)向第二個多相系統(tǒng)直接輸送功率。我必須強調(diào)用于穩(wěn)定的電力網(wǎng)的DC到DC聯(lián)接互連要求以我的TPCSAC到AC變換互連來保留。
大功率多相AC整流的現(xiàn)有技術在AC輸入上導致實質(zhì)上的諧波產(chǎn)生。所需的諧波濾波明顯瓜分了電力配電的投資。利用我的發(fā)明，AC到AC變換和升壓省略了變壓器和諧波濾波，借助在高TPCS頻率上運行，僅在AC輸入和DC輸出上需要小型的濾波器。
DC功率配電為了消除高壓DC線路事故，現(xiàn)有技術需要在轉(zhuǎn)換器AC輸入端上遮斷整個直流線路。結果對于長距離的點到點功率傳輸和獨立系統(tǒng)互連來講DC線路目前使經(jīng)濟上可行。與之相比，我的發(fā)明隨著與AC配電系統(tǒng)相連的所有問題的消除，允許整個直接DC到DC降壓的DC配電的實現(xiàn)。DC分支線路上的故障能簡單地通過瞬間停止轉(zhuǎn)換過程來清除。然后在無負載條件下打開或閉合切斷開關。
可變輸出頻率可變輸出頻率的現(xiàn)有技術實行起來復雜而昂貴。循環(huán)變換器是一種高功率的控制系統(tǒng)，它能把高頻的AC多相功率直接轉(zhuǎn)換成較低的頻率。如果使用60Hz電源，循環(huán)變換器輸出頻率一般從以饋電頻率40%左右為限的頻譜高端的零到10Hz是可變的。產(chǎn)生的低頻波由原始電源頻率的部分組成。能使輸出電壓相當接近正弦波，然而產(chǎn)生大量無功功率和諧波，另外輸出電壓也被限制。
相比之下我的發(fā)明允許以可變頻率和可變電壓的輸出的有效產(chǎn)生。被控制的輸出頻率可比電源頻率高或低。同樣的狀態(tài)適于輸出電壓控制。最重要的是，我的TPCS可變頻率/電壓控制器不產(chǎn)生諧波、輸入波形擾動或無功功率。另外，輸出頻率、輸出相位和輸出功率能同一臺AC功率變換器相似地有效地控制。對于優(yōu)化起動，轉(zhuǎn)矩控制或感應電機的速度控制來講，能以控制電壓輸出在分周期時間上改變相序。更進一步講，一個有效地可變頻的轉(zhuǎn)換器能以純正的DC輸入以相同的效率和性能運轉(zhuǎn)。
無功功率調(diào)節(jié)器和諧波濾波器能構造TPCS模件為一種做為電壓變換系統(tǒng)一部分或做為一分開單獨單元的快速響應相位角糾正系統(tǒng)和無功功率調(diào)節(jié)器(VARG)利用這種一個VARG的快速TPCS運行特性能在AC周期的幾分之一的時間比例上響應。我的發(fā)明不僅能從零到其最大額定值連續(xù)地調(diào)節(jié)無功潮流，而且能響應超前和滯后相角修正的要求。
不產(chǎn)生諧波或相位畸形完成相位角的修正。為了平衡多相網(wǎng)絡，我的VARG結構不需要對于大多數(shù)運行系統(tǒng)一般需要的對于周期的大波期來講的能量存儲。我的VARG具有類似同步機的“黑箱”(blackbox)特征，無機械負載運行。主要的不同是TPCSVARG沒有活動部件，對運行非常經(jīng)濟，具有較高的效率并能以較快的時間比例響應。
該TPCSVARG的運行特征允許它編成一單獨的設備或做為集成的有源諧波濾波器(AHF)，再有不需有實質(zhì)上的能量存儲要求。因為TPCS能從AC周期的低壓部分提取無功和諧波功率(或充電)并能把它再引入到一個具有高壓的另一相中，所以這種運行是可能的。在瞬間能把TPCSVARG/AHF編程來中和一系列諧波頻率。我的發(fā)明可取消大電容器和無功能量存儲，這是如Malesani所述的前有技術中的方法(在IEEE輸配電分冊第6卷，1991年7月的第3期上，名為“具有混合能量存儲的有源功率濾波器”一文中)。
利用AC到DC整流或AC負載控制的目前的現(xiàn)有技術，需要無源或有源濾波來中和所產(chǎn)生的諧波。另一方面，TPCS能有效地不在AC輸入網(wǎng)上產(chǎn)生諧波畸變地完成這個功能。
如果由非線性和無功AC負載產(chǎn)生諧波和無功功率，TPCS“變壓器”被拖動，只要在AC輸出上平衡諧波，TPCS能有效地中和它們。TPCS有源諧波濾波和無功功率發(fā)生器無需以電容器組或大電感形式的大容量存儲要求來完成。進一步講，TPCS諧波濾波系統(tǒng)的結構使得它能夠響應以幾分之一周期上的諧波濾波水平變化的要求。
我的發(fā)明和其實施例的其他目的和特征從以下附加的附圖和表格相關的說明中將被更好地理解

圖1是基本的TPCS結構示意圖和用于AC到AC轉(zhuǎn)換器的一些選擇的電波形圖;
圖2是一典型的三級TPCSDC到DC的電壓升壓變換電路;
圖3是三級TPCS的DC到DC降壓變換電路;
圖4是在向前和向后兩方向上允許功率流控制的四個四分之一周升壓和降壓TPCS排列圖;
圖5是具有雙向控制能力和相位轉(zhuǎn)換的單相三級TPCSAC到AC變換電路;
圖6是具有降壓變換的一個典型的單相三級AC到DC轉(zhuǎn)換器模件;
圖7是一個典型的具有三相輸入的多相TPCSAC到DC變流系統(tǒng);
圖8是一個典型的具有降壓變換的三級DC到單相AC逆變模式的電路;
圖9是一個典型的用于三相網(wǎng)的多相TPCSVAR發(fā)生器和諧波濾波系統(tǒng);
圖10是用于三相網(wǎng)的電壓、無功電流和功率的波形圖;
圖11是用于與用做磁能存貯和恢復的電抗器相聯(lián)的一個TPCS模塊的簡化電路圖。
表Ⅰ為用于三相TPCSVAR發(fā)生器和特殊控制程序的參數(shù);
表Ⅱ為一個TPCSVAR發(fā)生器程序的結果與理論要求的比較表格。
基本結構以下是我的發(fā)明的最佳實施例的描述。做為第一個例子，帶有不改變相位和頻率的AC到AC變換如在圖1中圖解所示被描述。這個基本的結構等于即可用于AC降壓也可用于升壓。詳情隨后續(xù)的說明將變得明了。
為了完成所述的具有最大的功率通過量，最小的系統(tǒng)重量，最小的系統(tǒng)體積和最小的電過濾需求的功能，要設計該系統(tǒng)具有一個比AC線路頻率更高的內(nèi)部工作頻率。內(nèi)部的TPCS周期一般包括一個充電階段，一個轉(zhuǎn)換階段和一個放電階段。
在TPCS的輸入端典型地利用一高頻濾波器11，由一充電部分12隨后，該充電部分控制一套小的高頻低損耗電容器的充電并典型地由開關和一組電感構成，這將給電容器組充電到瞬時輸入電壓10的兩倍，充電階段由下式給定TC＝π
(LC·Ceff)其中LC是充電電感，Ceff為被充電電容器組的有效值，該電容器組被安放在轉(zhuǎn)換部分14內(nèi)并是主要部份。利用現(xiàn)代開關器件，電容器組可以全部或僅部分地充電。
典型地一旦充電開關電氣上復位，內(nèi)部的TPCS電容器組就形成與輸入的電氣隔離，轉(zhuǎn)換周期被起動。在轉(zhuǎn)換周期期間，電極性在一些電容器上轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期結果是電壓上升或下降，如下面所描述的，轉(zhuǎn)換周期過程需要一個同充電周期一樣的時間階段。轉(zhuǎn)換過程利用被轉(zhuǎn)換的電容器組中多個電容器(典型地為一半)的電壓來完成。
第三和最后階段是放電周期，在此在TPCS電容器組中的能量通過輸出部分15放電，借助第二個高頻濾波器16的使用，TPCS操作中的高頻波動從輸出中被刪去，再者使用輸出電感來控制輸出能量變換，放電階段和來減少能量損耗是優(yōu)先的。
關鍵性的部份是控制器18，它監(jiān)視輸入10和輸出20的狀況，象輸入和輸出電壓、負載程度，重要的內(nèi)部TPCS狀態(tài)條件并產(chǎn)生開關的導通或觸發(fā)22、23、24。
在一個高頻率上運行TPCS，一個正弦波20輸出能以最小的輸入和輸出濾波重新產(chǎn)生。另外，電壓輸出或功率能以三種最初的方式來調(diào)節(jié)。
1).通過給電容器充電到預定程度并控制TPCS周期頻率，輸出電壓能被增加或減少。
2).控制的第二種模式是使用一恒定的TPCS周期頻率，并通過調(diào)整輸入充電電平達到控制。
3).最后上述兩種方式能組合起來。方式的選擇有待于詳細的組分，系統(tǒng)的結構和運行要求的權衡。可以理解的是平行工作的多種模件可集中成一個系統(tǒng)，這樣的模件能相互間異相工作，從而減少輸入和輸出濾波器的要求。另外如果一個模件變得有缺陷，則這樣的結構能提供系統(tǒng)冗余度上設置。
圖1表示在TPCS系統(tǒng)一組點上的電壓和電流波形。為了表示明了，使用每個AC周期的僅18個TPCS周期，正弦輸入電壓Vin產(chǎn)生一具有正弦包絡線的充電電流，轉(zhuǎn)換部分輸出電流Iout具有類似的形狀，但在時間上移動一個周期，輸出部分產(chǎn)生一電流If。選擇它的內(nèi)部運行到起一些濾波。完全濾波后的輸出表現(xiàn)為通過控制升壓或降壓比修正幅值的正弦波輸入。另外，與對應一個TPCS周期的時間段的移相被感應在輸入和輸出之間。為了限制位移在一度，對于60Hz的使用來講，TPCS必須在21.6KHz頻率上工作。這恰好在固態(tài)器件或象克羅斯管(Crossatron)這樣的高離子體開關的現(xiàn)有技術發(fā)展水平之內(nèi)。
DC到DC升壓變換因為DC到DC變換具有低數(shù)量的部件數(shù)，并從概念上講是最簡單的TPCS應用中的一個，所以能把它引入到基本的TPCS運行中，圖2表示試驗過的簡化的三級DC電壓升壓電路，為了明了，輸入濾波器、輸出濾波器和控制電路未示出。
在進行討論電路和運行說明I以前，先回憶一下DC到DC變換的現(xiàn)有技術情況，因為由FrancisC.Schwarz做的發(fā)明，所以變換器的基本原則是不變的，他的工作被描述在美國(U.S)專利第3，663，940號，題為“可控負載低靈敏度功率變換器”，斯娃茲1972年5月16日。在這個領域內(nèi)的大多數(shù)其它發(fā)明是在這個經(jīng)典的工作上精煉或改進。與我們的兩個發(fā)明共有的特征僅是裝置即可工作在高開關頻率上也具有可調(diào)輸出的能力。
他首先用開關電路來從DC輸入中產(chǎn)生AC。然而該AC被連到高頻變壓器的初級線圈上。然后該變壓器的匝數(shù)比被用來確立基本的升壓或降壓比。最后為產(chǎn)生DC，變換后的AC被整流和濾波在所要求的等級上產(chǎn)生DC。
人們發(fā)現(xiàn)斯娃茲(Schwaiz)變換器在較低電壓范圍中的許多應用。以高頻運行減少變壓器的橫截面積，它大約與轉(zhuǎn)變頻率成反比，而與輸出電壓成正比。然而對于較高電壓范圍的應用來說，在變換效率減少同時產(chǎn)生大的變壓器重量。
利用我的發(fā)明，變壓器和它的缺點已被消除，對于改變較高電壓的比例能具有高效率地完成。使用我的發(fā)明時，能將變換器設計在運行于市電電網(wǎng)中的功率和電壓等級上。
回到圖2，六個電容器20、21、22、23、24、25如通過觸發(fā)T0時的SCR026，SCR127，SCR228和SCR329經(jīng)二極管D130和D231以所示極性并聯(lián)的方式被充電(演示裝置在二極管的位置上使用兩個SCRS)。利用諧振充電電感L0，電容器被充電到輸入電壓Vin33的兩倍。
在這個電壓升壓模式中，電容器串以交變的次序充電。當充滿電時，電容器串上的電壓等于零。兩個串聯(lián)連接的電容器可以看成一級并形成一個具有2倍的電壓變化的基本構造塊。為了增加電壓變比能增加附加的級。
充電周期由L032輸入充電電感和并聯(lián)電容器值(六倍C1)來確定。半個正弦波充電周期由下式給出的部件值來給定Tc＝π]]>(6L0·C1)并在T0和T1之間的時間，峰值電流由下式給定
Imax＝Vin]]>(6C1/L0)利用SCR0、1、2和3，SCR435，SCR536和SCR637的重新觸發(fā)將在時間T1后短時地開始轉(zhuǎn)換周期。
升壓轉(zhuǎn)換周期的目的是要改變半個電容器串的極性，這樣所有電容器具有同一極性，在上述圖示的電容器C2、C4和C6的極性在選擇一個正極輸出電壓中被反向，對于電容器C2、C4和C6的反向時間段出現(xiàn)在時間標記T1和T2之間，并由下式給出Ti＝π
(L1·C2)象SCRs，GTOs或Crossatrons這樣的單方向開關的利用對于轉(zhuǎn)換過程是重要的，這樣的開關或開斷構型防止電流從環(huán)路中反向通過電感器，并允許轉(zhuǎn)換能量以有效和控制的形式提取。
對于偶數(shù)和奇數(shù)下標電容器的瞬時電壓演變過程被表示在圖的下左手角，電流的形狀又一次成為半個正弦波其中峰值電流由下式給出Imax＝2Vin
(C2/L1)電容器C4和C6的工作條件是與C2的工作條件一致的，在轉(zhuǎn)換周期期間，橫跨電容器組的電壓具有下式給定的形式Vbank＝4·N·Vin(1-COS(π·t/Ti))
其中N是級數(shù)(對于所給實例來講是3)。我們能發(fā)現(xiàn)獲得了升壓的，忽略損耗的、12倍的電路。然后橫跨在C1到C6電容器層疊組件的正電壓被接通供輸出。
從運行的觀點來看，最大層疊電壓能幾倍于濾波后的輸出電壓，一直可等到轉(zhuǎn)換過程完成為止。雖然給出的電路允許我們來開始放電周期，但為了縮短整個TPCS周期的起見，在轉(zhuǎn)換周期50%完成之時就開始。但較早的放電周期的開始將在電容器中留下殘壓，并使充電周期和控制作用更加復雜。
轉(zhuǎn)換的能量的切斷完成了TPCS周期。對于大多數(shù)使用來講，利用一開關SCR740和一輸出電感Lout。另外，一個重要的續(xù)流二極管(FWD)D342被表示在電路中。這種構形通過選擇高輸出電壓和適當?shù)妮敵鲭姼衅骱蜑V波器部件允許一個完整的和有效的能量輸出變換。
利用比TPCS輸出部分低的濾波器輸出阻抗，大量的能量被變換到輸出電感器中。部分能量返回到TPCS電容器中，并以相反極性再次對它們充電。然而，續(xù)流二極管的作用將防止再充電并在電容器電壓為零時導通。在這點上，下一個TPCS再充電周期開始，這時輸出電感器中保留的能量被注入到輸出濾波器中。如不對稱的電流曲線所示。FWD不僅允許一個完整的能量輸出變換，而且完成部分輸出濾波，這可從右手下角的輸出電感器電流曲線中看出。
圖中示出了兩個電容器電壓波形的蹤跡線。奇數(shù)下標的電容器在T0和T1階段被簡單地充電到正極性，在T1和T2之間保留在該電平上，在T2和T3TPCS周期的第三部分期間放電。如在左手下角所示，在T1和T2階段期間從負極變?yōu)檎龢O，并在T2和T3階段期間與奇數(shù)電容器一起放電。在最初的電容器充電周期橫跨在電容器組的電壓保持為零，而在轉(zhuǎn)換周期里變成最大，如右手上角所示。
DC到DC降壓變換該TPCS具有升壓和降壓的能力。圖3表示用于三級DC到DC變換的電路框圖和一些選擇的電壓和電流波形。另外選擇了一個從負極到負極的變換。所有所示固態(tài)器件的反向變換將簡便地引起該器件從正極到正負的降壓逆變器的變化。
降壓變換周期到用同樣的TPCS電容器的充電，轉(zhuǎn)換和放電三個分周期。主要的不同是內(nèi)部的TPCS過程是以顛倒次序來實施，從下面討論中會變得明了。在降壓中，代替如在升壓情況下的并聯(lián)電容器的充電，和以串聯(lián)的形式放電的，電容器是以串聯(lián)充電和以并聯(lián)放電的。
以輸入開關SCR061的觸發(fā)開始充電。利用輸入電感器Lin62，電容器串C1、C2、C3、C4、C5、C6被充電到大約為輸入電壓Vin兩倍的電勢。因為以串聯(lián)的形式充電，電容器極性是正-負-正-負如圖中上述電容器上部所示。我們認識到這是與升壓結構中TPCS放電前短時間下的一樣的電狀態(tài)。
第二個分周期通過在時間T1時觸發(fā)開關SCR1，66、SCR2，67和SCR3，68起動。借助適當選擇電感器L1，70、L2，71和L372轉(zhuǎn)換在T2時完成。在該周期期間奇數(shù)電容器的電壓極性以同一方式被改變，并如同上述升壓變換所做的描述，以一時間段控制。通過利用象SCRS這樣的單向開關，電流被防止倒流。轉(zhuǎn)換周期后的電容器極性被表示在電容器下部，在這時從兩端測量電容器組是零，如在右手上角繪出的波形。我們認識到這是電壓升壓結構的初始狀態(tài)。
隨著轉(zhuǎn)換完成，能量切斷周期由在T2時觸發(fā)開關SCR4，73、SCR5，74和SCR6，75來起動。二極管D1，63、D264和D3，65接通放電電路。放電階段再一次被以輸出電感器Lout 76的值來選擇，它把放電階段限定到T2～T3時間間隔。續(xù)流二極管DFW78防止電容器組的二次充電，允許TPCS電容器的完全放電和有助于輸出濾波過程。
一旦續(xù)流二極管發(fā)揮作用，輸出SCR將開始恢復原狀，再次充電周期能再次開始，正如我們所能見到的，這種型號的降壓變換器是限制通過量并允許電流和功率二者的限制。一旦負載事故被檢測到，輸出能簡單地通過停止所有來自門控制器的觸發(fā)輸出來關斷。這時TPCSDC到DC降壓變換器起如一個DC切斷開關一樣的簡單作用。
電壓波形被示于左手上角，利用該波形也給定所有SCR門的觸發(fā)時間。輸出開關和輸出電感器電流也被表示出來，并假設所有輸出SCR同步觸發(fā)。如果輸出負載低，它可通過在一時間上給兩電容器放電來交錯輸出以減少輸出濾波的需求。通過把兩個附加二極管插入電路中的標記“A”和“B”位置上，電容器C5和C6能僅由觸發(fā)SCR6首先放電，其次電容器C3和C4由觸發(fā)SCR5來放電。最后電容器C1和C2的放電由SCR4的觸發(fā)起動?！癆”和“B”位置上的二極管防止已放電電容器的二次充電。
四個四分之一周升壓和降壓運行在上述描述中，Ⅰ已表示出用于正極到正極升壓和負極到負極降壓的DC到DC變換器。兩個電路的證明表示通過幾個部件的改變，具有與輸入相反極性的輸出能夠獲得。實際上，上個單一的TPCS裝置能組合所有可能或一選擇的組合輸入和輸出極性的自由。
圖4中的略圖表示一單級的TPCS，它能升壓即正或負的極性到相同或相反的極性。如圖所示從左到右的功率流起到一個升壓變換器的作用。從右邊來的輸入講出現(xiàn)的是一個降壓變換。兩個方向上的變換以所示的全部部件具有整個四個四分之一周運行上的選擇權。可以執(zhí)行選擇的全部或僅僅一部分。圖4中的表列出具體選擇所要求的必須的部件。以“X”設定為升壓部件和以“Y”設定為降壓部件。對于具體或多項選擇運行所要求的部件必須包括標定欄下的全部部件，有趣的是具有極性變換的構形允許兩方向上的功率流，而不增加單獨附加的部件。
例如，用于即可升壓也可降壓的AC至DC變流器的結構能由結合兩個并聯(lián)的TPCS轉(zhuǎn)換器派生出來。一個轉(zhuǎn)換器用于在輸入AC周期的正半周內(nèi)由正極到正極變換，第二個轉(zhuǎn)換器用于負半周內(nèi)的負極到正極變換。因為高壓開關部件是較貴的部件，所以擴大它的利用和在一個裝置內(nèi)組合二個功能是節(jié)儉精明的，對于上述AC至DC升壓變換/整流結構來說，二個功能可合并入一個單元中，這需要在欄一(十進到十出)和欄三(一進至十出)下標以“X”的全所部件。對這個例子來講，對于兩個半周期高壓VSR5和相關的續(xù)流二極管(未示出)是共用的。
總之，該TPCS具有高度的輸入和輸出極性適應性，全部或部分選擇可被組合成一個TPCS模件。
AC到AC變換這部分給出一單相AC到AC變換裝置的解釋。構造該裝置利用二個并聯(lián)的模件，每一個以一種轉(zhuǎn)換方式工作。如圖5所示的裝置允許在兩方向上控制功率流。從左到右的AC被升壓變換或轉(zhuǎn)換。功率流向也能從右向左反向流動，這產(chǎn)生受控的電壓下降。
我們的說明以正輸入周期和從左來的功率流開始。SCR1、SCR2和SCR3的導通起動通過三極管D1、D2和D3的上部分電容器串C1到C6的充電。在正輸入周期內(nèi)底部的模件不工作，允許它的部件冷關機。正充電階段由L1充電電感器值的選擇來控制并將產(chǎn)生一接近瞬時輸入電壓兩倍的電容器電壓，所提供的被選擇的TPCS周期明顯地短于AC周期，在該條件下裝置的工作與上述DC變換結構是幾乎相同的，除了“慢地”改變輸入電壓之外。
在充電周期完成后接著電容器表現(xiàn)出電容器極性。觸發(fā)SCR4、SCR5和SCR6將開始改變電容器C1、C3和C5電壓極性的轉(zhuǎn)換周期。這將在上部分電容器串之間產(chǎn)生一個六倍于單個電容器的電壓。觸發(fā)SCR7將開始通過電感器L7的負電壓輸出放電周期。一旦電容器串的電壓從負變?yōu)檎龢O，SCR8即被觸發(fā)，從而防止電感器L5中的部分能量對電容器串二次充電至相反極性。SCR8用做為先前描述的續(xù)流二極管，然而一個開關器件對于AC輸出運行來講是需要的。利用變換到SCR8的L7電感電流，SCR7恢復原狀并且下一個充電周期以稍微改變的輸入電壓開始。與輸出濾波器相連的電感器L5傳送部分濾波的AC輸出。
以正輸入周期和產(chǎn)生負輸出周期的上部分TPCS模件的運行每個周期連續(xù)多次，直到AC輸入電壓轉(zhuǎn)向負為上。此時上部件模件變成不工作而下部分TPCS模件被激勵。
除轉(zhuǎn)換極性外，有負輸入和正輸出周期的下部分模件的運行是同樣的。該TPCS的充電由觸發(fā)SCR10、SCR11和SCR12起動。電容器C7至C12充電，并帶有圖中所示的極性。為了轉(zhuǎn)換使用SCR13、SCR14、SCR15，利用由SCR16完成的輸出開關作用。SCR17是正輸出周期的續(xù)流開關。示出了兩個輸出電感器，每個電極一個電感器。也可省略一個電感器。
使用一個控制器和觸發(fā)模件控制上述這樣開關(SCR)的導通來完成功率通過量和輸出電壓調(diào)節(jié)，為簡化附圖未示出控制器和觸發(fā)模件?？刂破髟俅巫詣訖z測出用于控制功能的輸入和輸出狀態(tài)，并利用上面DC變換中所述的選擇完成調(diào)節(jié)。另外，內(nèi)部TPCS診斷點也對故障保護進行監(jiān)視。
圖5表示對于一個完整的AC周期的TPCS電容器輸入電壓和轉(zhuǎn)換后的輸出電壓。對于恒定TPCS頻率來講，輸出直接仿效輸入波形形狀。糾正輸入電壓的畸變能由在一個AC周期內(nèi)改變TPCS頻率來進行。
上述單相TPCSAC到AC變換允許被調(diào)整的AC電壓變換。另外利用適當?shù)目刂扑芡瓿闪硗獾墓δ?，象電源的開通和斷開，用做為電路斷路器，做為器件起動的控制器，諧波濾波器或反諧波發(fā)生器。
圖5的結構也允許調(diào)整從右到左的功率流。功率流的方向產(chǎn)生一電壓降，它具有由設置級數(shù)所限定的壓降比。利用轉(zhuǎn)換器頻率的選擇獲得另外的調(diào)節(jié)。除了續(xù)流開關以外，利用其它全部部件。續(xù)流開關是唯一一個這樣的元件，它僅在“變換器”輸出端工作，在降壓模式中，上部分TPCS模件把從右邊來的負輸入電壓變換到正電壓和把減低的輸出電壓變換到左邊，這時下部分模件以來自右邊的正輸入在左邊產(chǎn)生負輸出周期。在這種運行模式中，電容器串以高電壓串聯(lián)充電，電容器連接端以不同的極性連接。對于圖示中的結構，轉(zhuǎn)換周期改變一半電容器的極性。這允許能量被抽取到左邊。在升壓變換中不用的另外的SCR9和SCR19分別對正和負周期起續(xù)流開關的作用。未示出的在兩個輸入端的濾波部分確保一個平滑的輸入和輸出功率曲線。
對于在相角上具有有效的180°移位的雙向多相調(diào)節(jié)電壓變換系統(tǒng)來講，能用上述的單相AC到ACTPCS變換模件做為一組合模塊。
AC到DC變換/轉(zhuǎn)換現(xiàn)有技術中從AC輸入產(chǎn)生高壓DC需要由一整流步驟仿效的AC變換。電力配電系統(tǒng)一般使用電網(wǎng)頻率上的AC變壓器完成升壓和高壓上的一個整流步驟。雖然諧波濾波器來消除由整流過程產(chǎn)生的諧波，但這是一有效的工藝。另外需要功率因數(shù)的修正。用此法對長距離電力傳輸來講產(chǎn)生超過一兆伏特水平的DC功率。
對于低重量和小型的使用來講可使用斯娃茲變換器，這是首先整流AC，把DC變換成高頻AC，用一大大減小的變壓器完成AC變換，最后整流該高頻升壓后的AC功率來產(chǎn)生DC。在高頻上的變換過程大大地減少變換器重量，然而是以減小功率為代價的。另外這種工藝在輸出電壓增加到超過50KV輸出之時進一步使效率降低。
相反，我的TPCS方法直接使用AC輸入而且無需變壓器。另外在以TPCS變換過程中沒有諧波產(chǎn)生，而對于所有實際場合上AC輸入功率因數(shù)是一致的。由于消除了變壓器和諧波濾波器，TPCSAC至DC轉(zhuǎn)換不僅能在同一電壓和功率等級上以商業(yè)上的效果完成，而且更經(jīng)濟，尺寸上更小。
使用上述兩種TPCS模件中的任何一個都能得到DC輸出。一個模件把正的，另一個把負的AC輸入周期變換成高壓DC。第二種選擇被描繪在圖6中，在一個模件中組合兩個功能。它完成正到正和負到正的功能，而且具有列在圖4上表格第一和第三欄內(nèi)的全部部件。由于它共享兩個高壓輸出開關部分部件，即部件SCR19和續(xù)流二極管DfW，所以在許多應用上把低壓輸入功能和共享高壓輸出功能組合起來以產(chǎn)生技術和經(jīng)濟上的意義。
對于正AC周期，SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SCR5、SCR6被導通來起動TPCS充電周期。它把電容器以如電容器下面標示的極性充電。對于正輸入周期，觸發(fā)SCR7、SCR8和SCR9開始轉(zhuǎn)換。結果電容器的極性為每個電容器頂部所標示的情況。轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生2n Vin的輸出電壓，其中“2”來自于諧振的充電過程，“n”是電容器串上的電容器數(shù)。觸發(fā)SCR19將起動通過輸出電感器L5的輸出周期。電容器Cin和Cout分別為輸入和輸出濾波部分的一部分。續(xù)流二極管DfW防止電容器組的電壓轉(zhuǎn)向負，并允許有效的輸出能量傳輸，只要輸入周期為正，正TPCS運行就被重復。
當AC輸入電壓轉(zhuǎn)向負時，控制器和觸發(fā)模件(未示出)切換到SCR10、SCR11、SCR13、SCR14和SCR15，充電周期保留電容器有循環(huán)中所示出的極性。為了產(chǎn)生一個正輸出電壓，使用SCR16、SCR17和SCR18來轉(zhuǎn)換另一組電容器。放電周期對正輸入周期運行的情況是一樣的并再次使用SCR19和續(xù)流二極管DfW。
輸入和輸出電流如圖6中所示(未標比例)并對于一個AC輸入周期來講包括多個TPCS周期。使用一個高頻輸出濾波器將產(chǎn)生一個升壓電壓，它具有的波形幾乎與全波整流器的情況相同。對于TPCS單相AC到DC變換器/整流器來講，為了減少輸入曲線的波動必須對輸出增加標準的濾波。因為在輸入的低電壓部分期間整流電壓比濾波后的輸出電壓低并沒有能量遷移，所以在用一規(guī)則的濾波全波整流結構時，出現(xiàn)相位失真并帶有諧波產(chǎn)生。但對于較小的度數(shù)，這也應用于TPCS整流過程，因為TPCS變換比能被選擇到任意高，而在系統(tǒng)效率上沒有較大的影響。利用一個及多相TPCSAC到DC轉(zhuǎn)換器能完全消除這樣的諧波。
消除輸入諧波的一個途徑是增加圖6中的電感器L6，SCR24和SCR21。這些部件的功能是如果電容器組電壓過低會變換電容器組。借助轉(zhuǎn)換全部電容器組，電容器開始具有與輸入電壓相反極性的非零電壓。這種情況允許電容器組反復充電直到電壓充分地高，從而允許全放電到DC輸出網(wǎng)中，充電過程以抽出適宜能量的這樣的比例來完成，并從AC輸入周期中充電來防止諧波產(chǎn)生。用于正輸入周期的過程如下，如果在充電以后給電容器的電壓過低，下列開關會被觸發(fā);SCR20、SCR11、SCR12、SCR13、SCR14和SCR15。電流將流過電感器L6，直到電容器改變它們各自的極性。能選擇電感值來優(yōu)化這個運行。電容器組轉(zhuǎn)換完成之后，一個新的正輸入充電周期如上所述被起動，因為負極的初始電壓是在電容器上，所以電容器組被充電到一較高的電壓。這個過程能被重復多次直到電壓充分高為止。對于負周期來講通過選擇正確的開關能利用同一過程。圖中的表列出用于各種運行的全部開關。所述電容器組的轉(zhuǎn)換過程落在“輸入轉(zhuǎn)換”欄下。
為了定量計算復雜的充電過程，讓我們假設輸入電壓是Vi，初始電容器電壓為Vci，最后的電容器電壓將為Vcf＝2Vi-Vci這個等式能應用這樣長的一段，即初始電容器電壓比輸入電壓少的一段，對于第一個充電周期來講，因為初始電容器電壓為零，所以產(chǎn)生一個VC1＝2V1的充電電壓。在第一充電周期以后，電容器中的能量為E1＝12CV21其中C是單個電容器的電容量。借助轉(zhuǎn)換所有電容器，對第二充電周期來講的初始Vci為-2Vi，而且產(chǎn)生一個Vc2＝4Vi的充電電壓和E2＝4E1的能量，這被多次重復“n”次周期后產(chǎn)生Vcn＝2nVi的電容器電壓和En＝n2E1的能量。這種周期轉(zhuǎn)換的使用連同在充電周期之間專用的時間間隔一起允許AC輸入的加載，使得沒有諧波產(chǎn)生，并且對于AC網(wǎng)來講有效負載表現(xiàn)為阻抗。
能用一改良過的充電方式用于多相AC網(wǎng)，它無需在充電周期之間全部電容器組的轉(zhuǎn)換。借助有相反極性的不同相的順序地充電，隨著工作程序復雜性的增加，電容器組轉(zhuǎn)換和一些開關能被省略，這將在下面的段落中進一步概述。
多相AC到DC變換/轉(zhuǎn)換能把前面段落中描述的單相AC到DC變換結構用做為一種組合單元。然而大多數(shù)高功率變換器使用多相輸入，象發(fā)電廠的輸出。所述的單相TPCS升壓變換器/整流器模件輸入部分能加以改進來適應多于一相的輸入。與適當?shù)拈_關控制和觸發(fā)邏輯有關的修改不使用諧波濾波器能獲得無諧波的輸入和輸出功率。
如果運行在一線性阻抗負載的話，一個平衡的多相發(fā)電系統(tǒng)發(fā)送恒定的功率。為了仿真這樣的阻性負載，TPCS必須從單相提取與瞬時線路電壓的平方成比例的功率等級。對于上述用于AC到DC變換過程的簡單充電方式來講，在AC周期的低壓部分期間轉(zhuǎn)換的TPCS不能把能量加到負載之中。以一相的重復充電和轉(zhuǎn)換過程可被用來解決該問題。這部分將解釋第二種方法。即使用多相的電壓輸入的方法。這種構造和運行的模式也可以被采用，用于無功功率發(fā)電機，諧波濾波器，并能在不平衡線路上調(diào)整功率。
圖7表示一三相AC到DC變換器的視圖。變換器模件包含在圖6所示的部件，并具有與圖6中標以“A”的電接點相連的兩個附加的輸入部分。利用附加的兩個輸入部分，該裝置能采用從全部三相網(wǎng)來的輸入并對應于正和負AC兩個周期。輸出為一個具有恒定功率的恒定值和升高的電壓DC。另一個重要特征是在任何電壓上，特別地在周期的低壓部分上的電壓上，受控能量能從所有三相上提取，借此消除AC輸入線路上的諧波和DC線路上的失真的形成。
相1的充電周期由SCR1和SCR10所控制且假定有電壓波形V1(t)＝Acos(wt)
相2和相3分別由SCR20、SCR21和SCR22、SCR23所控制。該波形標出在圖7中。給定一個已調(diào)正的和已濾波的直流輸出VDC＝3＊A，變換后的輸出電壓必是最小值6＊A且由此要求電容器電壓充至最小值A。用諧振充電模式可得出最小線電壓必有A/2的一個絕對值。由于在0-60和180-240度之間的電位角沒有抽取能量，相3上產(chǎn)生了諧波。這個問題可以連續(xù)的雙向充電順序簡單地加以調(diào)整，對第一個30度借助于圖7中的電壓波形來進行說明。在第一個30度電位角時間內(nèi)，相2可把電容器充電至需要的電壓A且利用單充電運行。問題是相3有一個小于A/2的線電壓絕對值。借觸發(fā)SCR23電容器將反向充電至2V3值，且將抽取一個能量E3＝2V23(為簡便起見假定為單位電容量)。在電容器組反向充電下，我們?nèi)缓笥|發(fā)SCR1用于相1的正向充電周期，這將把電容器組充電至V31＝2(V1-V3)。由于V3是負的，充電電壓大于“A”，這里，TPCS完成了，后面是抽取周期的一個變換。
已轉(zhuǎn)換的被抽取的總能量是Ec＝2(V1-V3)2。從相1抽取的能量是E31.1＝2V1(V1-2V3)。這二步充電過程包括能量的抽取。
這二步充電過程可由相1，后面是相3的第一充電來轉(zhuǎn)換。可以看出總的能量轉(zhuǎn)換是一樣的，但從相1抽取的能量是E13.1＝2V21，而從相3抽取的能量是E13.3＝2V3(V3-2V1)。
圖7右上角的圖形表示出第一個30度范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換。上面的一根曲線表示自兩相的總能量轉(zhuǎn)換。余下的二根曲線表示自相3抽取的能量，使用了用于下面一根曲線的相3后面是相1的充電順序，中間的一根曲線充電順序是相1在先后面是相3。從相1抽取的能量是總能量與相3所示曲線給定能量間之差。由給定相產(chǎn)生的抽取能量極大地區(qū)別取決于充電的順序且能在TPCS轉(zhuǎn)換過程的最佳控制中得以充分利用。
在30度點相3成為正且兩步充電方式用在相3和負的相2之間。這過程繼續(xù)至電位角60度時相3達到A/2值。在該點，相3和相1的波動互換且過程繼續(xù)下去。
控制器控制輸入和輸出電壓且控制開關觸發(fā)順序和充電之間的時間段，若干TPCS模件可用于增加功率通過量和降低高頻濾波的需要量。電感器、輸入和輸出濾波器的一些可以共用。
總之所形成的TPCS多相交流-直流變換器允許恒定的功率通過量，由此省去了對交流所有的諧波濾波的需要以及在直流側(cè)的多數(shù)的脈動濾波，此外因為電流和電壓保持在同相中，所以保持一個單一的功率因數(shù)。
直流-交流變換從高壓直流至多相交流的再轉(zhuǎn)換可在長距離直流傳輸線的末端或直流功率配電系統(tǒng)的末端加以完成。直流功率可以恒定的直流輸入負載轉(zhuǎn)換為平衡的3(或多)相交流輸出。該輸出可準確地與現(xiàn)有網(wǎng)絡的相位，頻率和電壓相匹配或與有特殊要求的輸出相配合。在TPCS轉(zhuǎn)換過程中，直流線路被再次均勻加載而變換器將提供無諧波電壓或功率調(diào)整了的交流輸出。直流功率在無須使用昂貴的變壓器、交流端的諧波濾波器和直流側(cè)的輸入濾波器裝置的情況下被降至所需的交流電壓水平。
這TPCS變換器是一種功率變換器，其中功率流的正常流向是從高壓直流源至一個交流負載。其典型運行控制模式可分類為可變輸出頻率調(diào)制(VFM)變換器。這TPCS和其控制系統(tǒng)可重新產(chǎn)生無限制的輸出波形族，這些波形之一可是具有所要求的電壓、頻率和相位的所需要的交流輸出。
對于交流波形的重新產(chǎn)生，這TPCS系統(tǒng)可自直流線路完全充電，但在交流輸出周期期間連續(xù)變化地充電區(qū)間。這區(qū)間間隔將反比于瞬時輸出電壓需要量的平方。當交流功率需要量變化時，充電區(qū)間與功率需要量作相反變化，這TPCS變換器與可作為恒頻但具有可變幅值(VAC)而工作。這就需要一個可變輸出幅值控制，其中每個脈沖的能量輸出與瞬時輸出電壓需要量的平方成正。每種途徑有其優(yōu)點和缺點。下面要加以說明的這種控制模式使用組合的方式，它是一種具有可變幅值的可變頻率控制(VFM/VAC)。
圖8表示從直流輸入重新產(chǎn)生多相交流線路的一相的模件。為清楚，其控制電路已有所省略。一高壓直流濾波器允許由三級TPCS模件組成的電容器組的串聯(lián)充電。電容器組借觸發(fā)SCR1通過電感線圈L1諧振充電。為重建正向輸出交流周，使用變換開關SCR2、SCR3和SCR1。在正向周變換的以前和以后的電容器電壓的極性分別用在電容器組上方和下方的一組符號表示。對負向交流周，用靠近電容器的在中間的一組符號表示出變換了的電容器電壓極性。正向輸出周的放電是由觸發(fā)SCR8、SCR9、SCR10和SCR11、SCR12、SCR13而起動的。如前述，SCR20作續(xù)流開關(Free Wheeling switch)使用，以防止電容器組的再充電。由所有電容器同時地放電，在周波的頂端允許最大功率通過量。在交流周波下邊部分期間，借用順序放電，這些電容器可以較慢速率放電。電路表明，允許首先觸發(fā)SCR10和SCR13以使C1和C2放電的這樣一種模式。在SCR10和SCR13仍導通時，接著觸發(fā)SCR9和SCR12，將允許電容器C3和C4的放電。所加的二極管D3為防止電容器C1和C2的再次充電。最后，C5和C6的一組電容器的放電，用D1作為保護二極管使用，以防止C3和C4的再充電。這種充電和放電的模式對于交流周波的下部分電壓有一個平穩(wěn)的輸出且減少了高頻濾波器的需要。其缺點是二極管增加了成本且相應產(chǎn)生壓降和功率損失。
以類似的方式再現(xiàn)負半周，TPCS的充電周期是一樣的。通過觸發(fā)SCR5、SCR6和SCR7負變換周期有不同地開始。為負輸出周期，使用了SCR14、SCR15、SCR16、SCR17、SCR18和SCR19。二極管D2和D4允許較慢的輸出放電。在圖8的上部示意性地給出了充、放電電流序列。為清楚，所表示的僅是有限的幾周。
為再現(xiàn)一個全部多相輸出，需要若干個這樣的模件，且各模件加以適當?shù)目刂疲绻韶撦d而產(chǎn)生了平衡諧波，TPCS主控制器可控制輸出以抵消這些諧波。輸出成為若干頻率的簡單疊加，各頻率在幅值和相位上是被控制的。
可變頻率變換器我們已經(jīng)明白TPCS可從多相交流網(wǎng)絡或直流線路抽取恒定功率，該功率可用以再建交流多相交流網(wǎng)絡，其有如上述調(diào)整了的輸出。交流網(wǎng)絡的再建不受輸入頻率的限制。這使TPCS交流-交流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的使用作為在二獨立網(wǎng)絡間的一個直接聯(lián)系，以不同的頻率或不同的相位工作。更進一步，可控制交流-交流TPCS系統(tǒng)以產(chǎn)生用于高功率線性感應電動機調(diào)整的可變頻率輸出。由于TPCS的各輸出相位可獨立地加以控制，二相位的函數(shù)可根據(jù)輔助周期時間基準加以轉(zhuǎn)換，來產(chǎn)生一個用于在感應電動機轉(zhuǎn)動中一個瞬時改變的相位變化。
用TPCS交流-交流升壓的變換器能使用在發(fā)電機和功率網(wǎng)絡之間。由于發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)不要求與網(wǎng)絡完全同步，這就顯著改善了功率網(wǎng)絡的機電穩(wěn)定性。事實上發(fā)電機的大部分齒輪變速箱可以省去，由于TPCS交流-交流變換器能有效地變換和轉(zhuǎn)換有任意頻率的被平衡網(wǎng)絡的發(fā)電機輸出，以功率網(wǎng)絡的頻率相配。
總之可控制的TPCS交流-交流變換器產(chǎn)生同時有幅值控制的可變頻率，其控制效率類似于常規(guī)的變壓器。沒有更高頻率輸出的限制確實存在，如用于周波變換器(cyclonecoverter)。另外，沒有諧波或相位畸變引入到輸出端。
調(diào)整無功伏安(VAR)發(fā)生器TPCS模件可配置為用于超前和滯后VAR二者的快速響應相角調(diào)整系統(tǒng)，如在交流-直流功率轉(zhuǎn)換中所述，一個TPCS模件可吸取功率或自低電壓線路充電且把其引入到具有二種之一的極性和還有更高瞬時電壓的另一線路。利用快速TPCS工作特性，一個VAR發(fā)生器能在幾分之一交流周期時間內(nèi)響應。
在完成適當?shù)乜刂葡嘟钦{(diào)整時沒有諧波或相位畸變產(chǎn)生，對于平衡多相網(wǎng)絡，我的VAR發(fā)生器無須如大部分運行系統(tǒng)一般地需要那樣儲備一部分周期的能量。然而對于單相VAR的校正，現(xiàn)有電容器組可以和TPCS模件一起使用來控制電抗性能量所要求的流動。無論從線路吸取還是送回到線路中，對整周的適當充電可完全避免諧波的產(chǎn)生。全部所述TPCS的運行是在沒有開關元件強制換流的情況下加以完成的。這一性質(zhì)或TPCS模件的自換流結構明顯地增加了總系統(tǒng)的可靠性，降低了其復雜性和裝置費用。
對多相網(wǎng)絡，TPCSVAR控制可用獨立的單相VAR控制器來加以完成。能量儲備需要量的減小可由能量儲備電容器組共用于TPCS單相VAR發(fā)生器之間而加以實現(xiàn)。由于對平衡網(wǎng)絡來說，在交流周期的所有情況下，無功能量流入和流出之和以及無功電流流進能量儲備電容器組是零，顯然這樣的共用電容器組可顯著減小。借助從一線路吸取無功電流和借助直接回送到另一線路，事實上電容器組和其充、放電步驟可省掉。圖9表示簡化了的這樣系統(tǒng)的示意圖。
該圖表示用于帶中線的一個三相網(wǎng)絡的被控制的TPCSVAR發(fā)生器。這樣的結構可同樣地用于有更多相數(shù)的網(wǎng)絡。還有，由于TPCSVAR發(fā)生器模件可直接連接在相間，中線不是必須有的。
圖9表示帶有接至功率網(wǎng)絡的所有三相的低壓和高壓段二者的一個TPCS模件。這系統(tǒng)結構是一通用模件且可作為調(diào)整VAR發(fā)生器和諧波濾波器工作。兩端可用作充電吸取或引入。對VAR發(fā)生器將主要用TPCS的低壓端。對于諧波濾波的功能，前端主要用于從網(wǎng)絡吸取能量而高壓端用于能量的送回。
VAR發(fā)生器控制器可調(diào)整無功電流或無功功率流。控制(二者中的)一個，這另一個參數(shù)將得到自動控制。這從例子能明顯看出且可易于得到數(shù)學上的證實。
假定一個VAR發(fā)生器如圖9所示接至有無功負載的三相網(wǎng)絡。電壓和無功電流由下式給出
V1＝VmCOS(ω＊t) Ir1＝IroCOS(ω＊t-π/2)V2＝VmCOS(ω＊t+2π/3) Ir2＝IroCOS(ω＊t+π/6)V3＝VmCOS(ω＊t+4π/3) Ir3＝IroCOS(ω＊t+5π/6)圖10表示所有三相的電源電壓、無功電流和無功功率。用ω＊t＝π/12或15度的一個相位角來證明該運行。
從這些跡線可以看出，無功功率為負值時需要從網(wǎng)絡吸取能量。我們著手借觸發(fā)SCR4從相2通過電感器L2對電容器充電。充電周期再由電感器的量值所控制。表1給出了運行的結果。第一欄標明運行且列出所涉及的相，第2欄列出控制開關，第3欄是把最大相電壓幅值Vm規(guī)范化的起始TPCS電容器組電壓，第4欄給出最后的電容器電壓，第5欄列出轉(zhuǎn)換到該相的規(guī)范化的充電電壓，和最后的第6欄是轉(zhuǎn)換到該相的能量，該能量是對于電容器組充電到電壓Vm時的被規(guī)范化的能量。
從第一運行我們看出從相2吸取能量且電容器組被充電至兩倍于相電壓。充電轉(zhuǎn)換欄的正數(shù)表明感應的是正電流。第一運行的最后電壓成為第二運行的起始電容器電壓。第二運行借觸發(fā)SCR5開始，以引入負電荷并把能量引入相3。這最后的電容器電壓和電荷轉(zhuǎn)換由下式給出Vf＝2Vph-Vin△Q＝C(Vin-Vf)
引入相3的能量是△E＝C(Vin2-Vf2)/2且如同預料的是一個正值。第三運行是從相3的另一次再充電周期。我們注意由于起始電容器電壓的結果從第一運行來的能量轉(zhuǎn)換增加。
第四運行是對相3的第二次充電轉(zhuǎn)換。這將使在有顯著幅值最后正電壓情況下的電容器組引入充電并把能量引入相1。這將使電容器組準備好為了自相2的另一次再充電。
上述循環(huán)順序是從相2吸取能量且轉(zhuǎn)換其至相1和相3兩個相。表Ⅱ表示出所述五個運行的結果。第2欄給出總的電荷轉(zhuǎn)換且可與由適當?shù)臅r間間隔所增大的無功電流的理論需要量定量地相比較。時間間隔是與相2的電荷引入需要量相配而選定的。按正確地平衡相1和相3間的電荷引入來選擇運行。第3欄給出了三相的無功能量吸取或引入且可與第5欄中的理論值相比較。不企圖追蹤能量的轉(zhuǎn)換因為由轉(zhuǎn)換電流也就自動地供應出能量。表2還示出對所有三相的凈電荷和能量轉(zhuǎn)換，所有三相應為零。這樣的計算則是平衡對電容器組中的剩余能量的例外。這樣的能量可使用在隨后的運行中。
就這點看，運行包括簡單的充電和放電運行。表1中運行6、7和8示出對充電引入到相1中TPCS電容器組電壓有相反的電壓極性時的一個重要運行順序。這需要TPCS內(nèi)部的全部電壓極性交換或可由外加的L7與開關SCR13和SCR14組成的轉(zhuǎn)換部分外部地加以完成。在運行6再充電周期之后，電容器組留下負電壓。在包括相1的充電引入運行完成之前，借觸發(fā)SCR14，電容器組極性被轉(zhuǎn)換。
控制運行首先顯得復雜，但邏輯線路可相對容易地提出且可用現(xiàn)代控制技術容易地完成，一個控制器檢測無功電流并且把其與預編程序的需要量相比較。選擇運行頻率以滿足產(chǎn)生需要量的無功伏安(VAR)的大小。計算的結果將保持在三相中無功電流流動分配的路徑并從一系列運行順序中選出最好的一個以滿足要求的無功電流分配，并且保持在TPCS運行的限度內(nèi)。
如果一個中線不適用，所述的VAR調(diào)整可改進，以運行在兩相間。這樣的運行需要在模件下端增加一組開關。另外，增加了復雜性和元件量，但一些系統(tǒng)的優(yōu)點得以實現(xiàn)。最后，應明白若干這樣的模件可以對專用的運行所特別設計的和運行在專用的相間的一些模件相并聯(lián)運行。
在VAR發(fā)生器部分中所述運行僅使用TPCS前端作為電容器。事實上，對簡單的VAR調(diào)整不需要TPCS電壓升壓運行而可用一個簡單電容器在其位置上。運行的這種前端模式可不僅用于VAR發(fā)生器而且可擴展到本說明書中所述的其它運行中。不用TPCS的升壓或降壓我仍可合成單相或多相交流輸出、直流輸出或其它波形的輸出。輸入可來自交流網(wǎng)絡或從直流源。限制僅在輸出電壓的范圍內(nèi)。沒有TPCS，相同或降低電壓水平的輸出是最實用的。
電感性能量儲備基本的TPCS允許在輸入和輸出間完全的電分開?？煽康母邏骸皵嗦烽_關”功能對實際的電感性能量儲備是看不見的組成部分。
如許多研究已指出，電感性能量儲備要求小得多的重量、體積，和在主要成本中也是顯著較低。TPCS的執(zhí)行作為一種打開或分開開關給這樣的電感性能量儲備系統(tǒng)提供了實用的執(zhí)行手段。
圖11是用于TPCS磁能量存儲裝置60的簡化示意圖，其提供了根據(jù)電源在電感器61中的大電流和感性能量的被控制的構型，以二個或更多的TPCS模件，充電可有效地繼續(xù)進行。另外還有一續(xù)流開關(SCRfW)62用于在短路TPCS再充電期間循環(huán)電流。每當續(xù)流開關斷開時TPCS模件引導能量到電感器中。
隨著能量積聚到要求值，TPCS充電系統(tǒng)被停止，輸出開關(SCRout)63接通以吸取儲備的磁能。這里，通過SCRin64接至電感器上的TPCS相當于一個小的和被放電的電容器組。另外，只要SCRin一旦反向偏置，該電容器組將變成完全與電感器隔斷。如果合理設計輸出接口電路，只要TPCS瞬時引入電流大于輸出電流，用從TPCS充電模件來的一個新的充電引入到電感器中來關斷輸出。這將反饋偏壓輸出SCRout部件且把其關斷。此時，新的電感器充電周期開始了?？梢约由蠟V波電路65用于元件保護。
該系統(tǒng)是由門觸發(fā)控制器控制的。它容納了外部運行必要條件、輸入和輸出狀況，和產(chǎn)生開關觸發(fā)信號。
TPCS的可靠性效果在常規(guī)的轉(zhuǎn)換器或交換器中的固體組件故障引起直接交流相對相或直接直流線路的短路。在TPCS逆換器或交換器中的類似元件故障不會產(chǎn)生同樣災難性的故障，且需要少得多的保護和故障消除設備。在基本的TPCS運行中，或相對小的電容器自線路充電或放電到線路中。一個固體組件的短路不引起較大涌流且消除起來也容易得多。用若干TPCS模件并聯(lián)運行，有故障的模件可被隔開，留下的單元可僅以減小最大功率通過量繼續(xù)運行。而后安排合適時間進行修理。
基本的TPCS的運行有三個基本步驟，即電容器充電，變換TPCS電容器回路，和變換了的回路放電。在下一步開始前，這一步一般已完成。如果檢測出故障且順序已被中斷，將沒有短路電流從輸入到輸出流過。不用高功率空氣熄弧開關裝置，系統(tǒng)在那兒可被隔斷。這對直流側(cè)是特別有利的，因為直流故障的消除異常困難。事實上，TPCS交流-交流變壓單元，交流-直流變換器和直流-交流逆變器都可用作有效的高功率和高電壓的斷路器。另外，任意的所述TPCS裝置的基本運行有最大的功率通過量且無過載。TPCS可用作為有效的功率或電流限制裝置。
雖然本發(fā)明結合最佳實施例做了說明，對熟練技術人員來說其改型是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍參照權利要求加以確定。
權利要求
1.一種無變壓器功率變換系統(tǒng)，包括多個串聯(lián)連接的電容器；連接至所說多個電容器上的一個充電回路，所說充電回路自電壓源把該多個電容器充電至預定電壓；一個用于變換存儲在所說多個電容器的被選擇的電容器中的電荷極性的電路，所說極性變換電路包括多個電感器電路，其中每個電路可開關地耦合至已選定電容器中相應不同的一個上，以建立諧振電路，該諧振電路幫助變換存儲在該電容器中電荷的極性；和一個用于在變換電壓時從多個電容器吸取功率的放電回路。
2.按權利要求1的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其進一步包括控制充電回路運行的控制回路，變換回路和放電回路，所說控制回路建立一個充電相位，在該相位中充電回路對多個電容器充電，一個變換相位，在該相位中所說變換回路變換所說選定的電容器的極性，和一個放電相位，在該相位中放電回路從多個電容器吸取功率。
3.按權利要求2所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中控制回路使變換相位和放電相位及時重疊。
4.按權利要求2所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中一個運行周期包括充電相位、變換相位和吸取相位，并且其中所說控制回路使所說功率變換系統(tǒng)每秒經(jīng)歷多個運行周期。
5.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說變換電路包括多個單方向的開關裝置，用于把每個所述電感器電路電耦合到所說多個電容器的相應一個上。
6.按權利要求5所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中至少一些所說多個單方向開關裝置之中的每一個是一個可控硅。
7.按權利要求5所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中至少一些所說多個單方向開關裝置之中的每一個是一個可控硅整流器(SCR)。
8.按權利要求5所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中至少一些所說多個單方向開關裝置之中的每一個是一個克羅斯管(Crrossatron)。
9.按權利要求5的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中至少一些所說多個單方向開關裝置之中的每一個是一個門極可關斷可控硅(GTO)。
10.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中至少一些所說多個電感器回路中的每一個包括一個電感器。
11.按權利要求10所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中在至少一些所說電感器回路中的每一個中的電感器是一個空心電感器。
12.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其進一步包括一個高頻輸出濾波器，吸取的功率通過該濾波器。
13.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中各個電感器回路跨接其相應的電容器上且包括一個與一單方向開關串聯(lián)的電感器。
14.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其進一步包括在電壓源和充電回路間有一個高頻輸入濾波器。
15.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中在充電相位期間，充電電路把多個電容器充電到一個電壓值，該電壓值是約為電壓源瞬時電壓值的兩倍。
16.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中充電回路包括一個與電壓源串聯(lián)著的電感器。
17.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中充電回路包括一個電感器和一個單向開關，它們與電壓源串聯(lián)連接。
18.按權利要求17所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中充電回路的單向開關使充電回路的電感器同所說多個電容器電耦合，以形成一個諧振充電回路。
19.按權利要求17所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中控制回路使所說充電回路的單向開關把充電回路的電感器同所說多個電容器電耦合，而后在預選周期時間已過時接著使充電回路的電感器同所說多個電容器順序地斷開連接，其中所說充電回路電感器同所說多個電容器的電耦合形成了一個諧振周期為T秒的諧振回路，且其中預選的周期時間約為T/2秒。
20.按權利要求19所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中控制回路使充電回路把充電電感器同所說多個電容器每秒多次的耦合和斷開。
21.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中充電回路為多個電容器充電，其結果充電串聯(lián)連接電容器的極性是交替的。
22.按權利要求2所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中變換回路變換所說多個電容器的每隔一個的極性，其結果使充電串聯(lián)連接電容器的極性都相同。
23.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)換的電壓值大于電壓源的電壓值。
24.按權利要求23所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電容器的數(shù)量為N，且轉(zhuǎn)換的電壓值是電壓源電壓的2N倍。
25.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電容器包括N個電容器級，各級包括所說多個串聯(lián)著的電容器的兩個，且有第一和第二端以及充電端，該充電端耦合到在該級內(nèi)兩個電容器相互連接在一起的連接點上，和其中所說充電回路通過所說充電端為所說N個電容器級充電。
26.按權利要求25所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說充電回路具有一個開關裝置，它用于在所說電容器的充電期間，把每個所說電容器級的第一和第二端電耦合到一個共用點上。
27.按權利要求26所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電感器電路的每一個跨接在第一端和所說電容器級的一個相應不同一個級的充電端上。
28.按權利要求25所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中N大于1。
29.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中串聯(lián)連接的電容器有在一端的第一端和在另一端的第二端，且放電回路電耦合到所說串聯(lián)連接的電容器的第一和第二端以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換電壓。
30.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中充電回路為所說多個串聯(lián)連接的電容器充電，其結果已充電的串聯(lián)連接的電容器的極性都相同。
31.按權利要求30所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中變換電路變換所說多個電容器中每隔一個電容器的極性，其結果是已充電串聯(lián)連接的電容器的極性交替變化。
32.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中被轉(zhuǎn)換的電壓值小于電壓源的電壓。
33.按權利要求32所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電容器的數(shù)量是N，而被轉(zhuǎn)換的電壓的量值是電壓源電壓的2/N倍。
34.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說充電回路為所說多個串聯(lián)電容器充電。
35.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電容器包括N個電容器級，各級包括所說多個串聯(lián)連接的電容器的兩個電容器，且具有一個第一和第二端以及一個放電端，該放電端耦合到該級內(nèi)兩個電容器相互連接在一起的連接點上，和其中所說的放電充電回路通過所說放電端從所說N個電容器級中吸取功率。
36.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說多個電感器電路的每一個電路跨接在第一端和所說N個電容器級的一個相應的不同級的一個放電端上，以變換在該級內(nèi)二個電容器之一的極性。
37.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中放電回路包括一個輸出電感器和一個單向開關，該單向開關在放電相位期間把從多個電容器來的功率耦合到輸出電感器上。
38.按權利要求37所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中放電回路進一步包括一個單向裝置，其用于防止輸出電感器在放電相位期間轉(zhuǎn)換多個電容器的極性。
39.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說放電回路把功率傳送到一個負載上，且其中所說控制回路監(jiān)控所說負載和控制充電回路、變換回路和放電回路的運行用以對所說負載產(chǎn)生穩(wěn)壓的輸出。
40.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路，以產(chǎn)生預定的輸出電流脈沖波形。
41.按權利要求4所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路，以產(chǎn)生一序列變化幅值的輸出電流脈沖。
42.按權利要求4所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說電壓源是一個直流電壓源，和所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路，以合成一個交流輸出。
43.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其進一步包括一個濾波轉(zhuǎn)換電壓的濾波電路，以產(chǎn)生一個輸出電壓，其中所說控制回路有用于監(jiān)視輸出電壓的裝置，且其中所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路，以調(diào)整輸出電壓。
44.按權利要求42所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其進一步包括一個濾波交流電壓輸出的濾波電路，以產(chǎn)生一個已濾波的交流輸出電壓，其中所說控制回路有用于監(jiān)視被濾波的交流輸出電壓的裝置，且其中所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路，以調(diào)整被濾波的交流輸出電壓。
45.按權利要求4所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說電壓源是一個頻率為fs的交流信號源，且其中所說控制回路控制所說充電、變換和放電回路以合成一頻率為fo(不同于頻率fs)的交流輸出信號，其中頻率fo不同于頻率fs。
46.按權利要求45所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中交流信號源的頻率fs是隨時間變化的，而其中交流輸出信號的頻率fo是固定的。
47.按權利要求46所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中fo是60赫茲。
48.按權利要求1所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說充電回路包括多個充電轉(zhuǎn)換回路，其中每個回路被連接到一個多相交流功率線的不同相上和所說放電回路包括多個充電引入回路，其中每個回路被連接到該多相交流功率線路一個不同相上，以及其中所說控制回路控制所說多個充電轉(zhuǎn)換回路和所說多個充電引入回路，以從所說多相功率線路的一相吸取功率，并把所吸取功率引入到所說多相交流功率線路的另一相上。
49.按權利要求48所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中所說控制回路選定吸取的功率被引入了的另一相，以使得被引入吸取的功率的交流信號的相角改變。
50.按權利要求4所述的無變壓器功率變換系統(tǒng)，其中進一步包括一個連接到所說放電回路的單獨能量存儲裝置，用于暫時地存儲吸取的能量。
51.一種充電轉(zhuǎn)換裝置，用于從載有周期為Tac的一個交流信號的多相功率線路的一相到另一相的轉(zhuǎn)換充電，所說裝置包括一容性存儲回路;多個充電回路，其每個回路用于使所說多相交流功率線路的不同一相與所說容性存儲回路耦合，由此從那一相轉(zhuǎn)換充電到存儲電路，所說多個充電回路的每個回路包括一個單向開關和一個電感器，其中每個所說充電回路在耦合到所說容性存儲電路時形成一個具有一個諧振頻率為1/Ti的相應沿振回路，這里的i是一個識別充電回路的標志且其中的Ti都小于Tac;多個引入回路，每個各引入回路用于把所說容性存儲電路和所說多相功率線路的所說相的一個不同相耦合，由此從所說容性存儲電路到被耦合的那些相中引入充電，每個所說引入電路包括一個電感器和一個單向開關;和一個控制回路，該回路控制所說多個充電回路的單向開關以產(chǎn)生一序列諧振充電周期，其從一相轉(zhuǎn)換充電到所說容性存儲單元，和控制所說多個引入回路的單向開關以從容性存儲單元轉(zhuǎn)換充電到另外一相。
52.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說控制回路控制所說多個控制回路的單向開關，以通過具有一個持續(xù)時間約Ti/2秒的揩振充電周期序列對容性回路轉(zhuǎn)換充電。
53.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說多個充電回路和所說多個引入回路共用元件，從而所說充電回路之一的電感器也是所說引入回路相應之一的電感器。
54.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說控制回路控制所說多個充電回路和所說多個引入回路的單向開關，以轉(zhuǎn)換從一相到另一相的能量，以便得到對能量被轉(zhuǎn)換到那相中的相位角調(diào)整。
55.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說控制回路控制所說多個充電回路和所說多個引入回路的單向開關，以轉(zhuǎn)換從一相到另一相的能量，以便得到對能量被轉(zhuǎn)換到那相中的諧波調(diào)整。
56.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說控制回路控制所說多個充電回路和所說多個引入回路的單向開關，以轉(zhuǎn)換從一相到另一相的能量，以便得到對波形畸變的調(diào)整。
57.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中容性存儲電路包括權利要求1的無變壓器功率變換系統(tǒng)。
58.按權利要求51所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中容性存儲電路是電容器。
59.按權利要求58所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其中所說多個充電回路和所說多個引入回路都共用一個共有的電感器，由此，共用的電感器用作為每個所說充電回路的電感器和每個所說引入回路的電感器。
60.按權利要求58所述的充電轉(zhuǎn)換裝置，其進一步包括與所說容性存儲電路并聯(lián)的輸入電感器和輸入單向開關的一序列組合，且其中所說控制回路控制所說輸入單向開關，以使在容性存儲電路中存儲的電荷極性反向。
61.一種從電壓源變換功率的方法，該方法包括從電壓源為多個串聯(lián)連接的電容器充電;變換存儲在所說多個電容器的選定的電容器中的電荷極性;電耦合到所說多個電容器上以產(chǎn)生一個變換了的電壓;在已轉(zhuǎn)換電壓的情況下從這多個電容器上吸取功率;每秒多次重復上述步驟順序。
全文摘要
一種無變壓器功率變換系統(tǒng)，包括多個串聯(lián)連接的電容器；接至多個電容的充電回路，該充電回路為多個電容器充電從電源電壓至預定電壓；一回路用于變換存儲在多個電容器中所選定的電容器中電荷的極性，這極性變換回路包括多個電感器回路，各回路可開關地耦合到選定電容器相應不同的一個上，以形成諧振回路，該回路幫助變換在該電容器中存儲電荷的極性；和一個用于在轉(zhuǎn)換的電壓下從多個電容器中吸取功率的放電回路。
文檔編號H02J3/18GK1079083SQ9310521
公開日1993年12月1日 申請日期1993年4月5日 優(yōu)先權日1992年4月6日
發(fā)明者R·林佩查 申請人:直流電變換有限公司