CN101697458A - 一种三相辅助逆变电源 - Google Patents

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羊利芬
李云
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唐海燕
孙立辉
唐洲
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一种三相辅助逆变电源，包括主电路和控制电路，控制电路对主电路进行检测和控制，主电路包括输入滤波电路、DC/DC变换电路、DC/AC逆变电路和输出滤波电路，DC/DC变换电路包括采用高频变压器的半桥逆变电路，以及全桥整流电路。当电源接通，控制电路进行系统自检，在无故障的情况下主电路工作：对输入电源滤波，充电完成后闭合短接接触器，控制电路发半桥逆变脉冲，DC/DC变换电路工作，将输入的直流电源变换成稳定的中间直流电压，再通过DC/AC电路逆变成为三相SPWM波，经输出滤波电路滤成三相正弦波对三相负载供电。通过实施本发明，降低了开关器件承受的电压应力，同时减轻了电源的重量和体积。

Description

一种三相辅助逆变电源
技术领域
本发明涉及一种应用于轨道交通领域的轨道车辆辅助电源装置，尤其是一种采用了新型主电路结构并应用于各种轨道车辆空调、照明、蓄电池充电和控制系统的三相辅助逆变电源。
背景技术
目前对于轨道车辆(地铁车和轻轨车)空调、照明、蓄电池浮充电和控制系统的辅助电源，一般采用两种解决方案：一种是电动发电机组辅助电源，这种辅助电源功率小、效率低、噪音大、对电压和频率调节差，电刷灰污染环境，需要经常维修保养，技术落后，趋于淘汰；另外一种是晶闸管逆变器辅助电源，由于晶闸管需要大功率关断电路和吸收保护回路及其大功率元器件，电路复杂，晶闸管频率低，开关损耗大，效率低，体积重量大，也不是发展方向。磁悬浮列车对车载设备装置的体积和重量方面要求都比较苛刻，传统的两套方案都很难满足磁悬浮列车的要求。
相对于传统的电动发电机组供电方式而言，静止式辅助逆变电源直接从第三轨受电，经过DC/DC变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压，通过VVVF变频调压控制，逆变器输出三相交流电压向负载供电。这种辅助逆变电源的优点是输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。静止式辅助逆变电源主电路主要由输入滤波电路、DC/DC变换电路、DC/AC逆变电路、三相变压器、输出滤波电路组成。静止式辅助逆变电源输出的开关频率都比较低，导致输出端的三相变压器的体积重量都比较大，制约着电源朝小型化、轻量化的发展。
DC/DC变换有隔离和非隔离的电路形式，传统的静止式辅助逆变电源采用的是非隔离式的DC/DC斩波电路，通过控制斩波电路开关管的驱动脉冲的宽度来实现为三相逆变器提供稳定的输入电压；为了实现输入输出之间的电气隔离，在输出端再加一个三相隔离变压器。由于输出开关频率比较低，三相隔离变压器体积和重量都相对比较大，也难以满足磁悬浮列车对电源装置的体积和重量的苛刻要求。
直接逆变式的辅助逆变电源是最简单的一种电路结构形式，开关元器件通常可采用大功率GTO，IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨受流方式，按V/f等于常数的控制方式输出三相脉宽调制电压向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便，但输出电压轻易受电网输入电压的波动影响，输入与输出不隔离，输出的电压品质因数差、谐波含量大、负载使用效率低等缺点，这些电气性能方面的缺点决定了其不适用于磁悬浮列车。
发明内容
本发明的目的在于针对现有机车辅助逆变电源的不足，提供一种采用了新型主电路结构的三相辅助逆变电源，以达到使机车辅助逆变电源实现小型化、轻量化的目的。
按照本发明，上述技术问题是通过下述技术方案来实现的：
一种三相辅助逆变电源，包括主电路和控制电路，控制电路对主电路进行检测和控制，主电路包括输入滤波电路、DC/DC变换电路、DC/AC逆变电路和输出滤波电路，DC/DC变换电路包括高频变压器。当电源接通，控制电路对系统进行自检，在确认系统无故障的情况下主电路开始工作：输入滤波电路对输入电源进行滤波，充电完成后闭合短接接触器然后控制电路发半桥逆变脉冲，DC/DC变换电路开始工作，将输入的直流电源变换成稳定的中间直流电压，再通过DC/AC电路逆变成为三相SPWM波，经输出滤波电路滤成三相正弦波对三相负载供电。
作为该发明进一步的实施方式，DC/DC斩波电路包括半桥逆变电路，全桥整流电路，高频变压器包含在半桥逆变电路之中，半桥逆变电路输入端与输入滤波电路连接，半桥逆变电路输出端与全桥整流电路连接，全桥整流电路与DC/AC逆变电路连接。
作为该发明进一步的实施方式，半桥逆变电路包括至少两个半桥逆变子电路，多个半桥逆变子电路之间采用串联方式连接。
作为该发明进一步的实施方式，半桥逆变电路中的高频变压器采用至少两个输出绕组的结构。
作为该发明进一步的实施方式，高频变压器包括两个输出绕组，两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终并联输出。
作为该发明的另一种实施方式，高频变压器包括两个输出绕组，两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终串联输出。
作为该发明的另一种实施方式，高频变压器包括一个输出绕组，两个高频变压器串联输出。
作为该发明的另一种实施方式，高频变压器包括两个输出绕组，高频变压器TB1的输出绕组1和高频变压器TB2的输出绕组3串联输出，高频变压器TB1的输出绕组2和高频变压器TB2的输出绕组4串联输出，两个高频变压器并联输出。
作为该发明进一步的实施方式，输入滤波电路包括滤波电路，软启动电路，检测电路和均压电阻，滤波电路对输入电源进行滤波，检测电路检测输入电流和电压，软启动电路充电短接接触器在主电路启动中先处于断开状态，输入电源通过电阻R1对C1进行充电，当充电完成后，充电短接接触器闭和，将电阻R1和防反二极管VD1短接，电阻R2和电阻R3用于滤波电容C1串联均压。
作为该发明进一步的实施方式，输出滤波电路包括LC滤波电路和EMI滤波器Z3，先将DC/AC逆变电路输出的三相SPWM波经过LC滤波后得到正弦波电压输出，再通过EMI滤波器Z3降低输出电压对负载的干扰。
通过应用此种实施方式所描述的三相辅助逆变电源，能够达到降低开关器件所需承受的电压应力，可以使用较低电压等级的开关器件应用与较高电压的场合。相对于传统静止式辅助逆变电源在保证性能质量的同时，在重量和体积方面都有很大改善，能更好满足在体积和重量方面要求比较苛刻的场合，是中低磁悬浮列车三相辅助逆变电源一个很好的选择。
附图说明
图1为本发明的电路系统原理框图；
图2为本发明输入滤波电路部分电路原理图；
图3为本发明半桥逆变电路部分电路原理图；
图4为本发明全桥整流电路部分电路原理图；
图5为本发明实施例1的电路原理图；
图6为本发明实施例2的电路原理图；
图7为本发明实施例3的电路原理图；
图8为本发明实施例4的电路原理图；
其中：1-主电路，2-控制电路，3-输入滤波电路，4-半桥逆变电路，5-全桥整流电路，6-DC/AC逆变电路，7-输出滤波电路，8-DC/DC变换电路，9-输出绕组1，10-输出绕组2，11-输出绕组3，12-输出绕组4，R1-充电电阻，R2，R3-均压电阻，R4，R5，R6，R7-电阻，C1-滤波电容，C2，C3，C4，C5，C6，C7-电容，Z1，Z2，Z3-EMI滤波器，VD1-防反二极管，VD2，VD3，VD4，VD5，VD6，VD7，VD8，VD9，VD10，VD11，VD12，VD13，VD14，VD15，VD16-二极管，VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6，VT7-开关管，TB1，TB2-高频变压器，KM1-接触器，SC1，SC2，SC3，SC4，SC5，SC6-电流传感器，SV1，SV2-电压传感器，L1，L2-滤波电感。
具体实施方式：
附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。
作为该三相辅助逆变电源一种较佳的实施方式，如图1所示的一种三相辅助逆变电源，包括主电路1和控制电路2，控制电路2对主电路进行检测和控制，主电路1包括输入滤波电路3、DC/DC变换电路8、DC/AC逆变电路6和输出滤波电路7；DC/DC变换电路8又进一步包括半桥逆变电路4和全桥整流电路5，半桥逆变电路包括高频变压器。当电源接通，控制电路2对系统进行自检，在确认系统无故障的情况下主电路1开始工作：输入滤波电路3对输入电源进行滤波，充电完成后闭合短接接触器KM1，控制电路2发半桥逆变脉冲，包括半桥逆变电路4和全桥整流电路5在内的DC/DC变换电路8开始工作，将输入的DC1500V直流电源变换成稳定的DC560V中间直流电压，再通过DC/AC电路6逆变成为三相SPWM波，经输出滤波电路7LC滤波器Z2滤成三相AC380V/50Hz正弦波，经输出EMI滤波器Z3对三相负载供电。采用隔离式的DC/DC变换电路取代非隔离的DC/DC斩波电路，省去了输出端笨重的三相隔离变压器。根据输入电压波动以及负载变化实时调整半桥逆变电路的驱动脉冲信号，实现了全桥整流后得到的中间直流电压的稳定，最终保证输出电压的稳定。
为了降低半桥逆变电路开关管承受的电压应力，主电路1采用两个半桥电路串联的工作方式，输入电压DC1500V经过串联电容分压，得到两路DC750V分别送给两路半桥逆变电路4；两路隔离式DC/DC变换电路8的电路形式与电路参数完全一致，各传输一半的功率，两路输出并联。为了降低整流二极管的电压应力，高频变压器采用双次边绕组(输出绕组)结构，两个次边绕组输出电压经过全桥整流后串联输出。
如图2所示的输入滤波电路主要由EMI滤波器Z1、滤波电感L1、滤波电容C1、均压电阻R2、R3、防反二极管VD1、充电电阻R1、充电短接接触器KM1、电流传感器SC1、电压传感器SV1、SV2组成。由Z1、L1、C1组成的滤波电路，对输入的电源进行滤波；R1、VD1、KM1组成的软启动电路，在启动过程中，KM1先是处于断开状态，输入电源通过R1对C1进行充电，减小了对C1的电流冲击，当充电完成后，接触器KM1闭和，将R1和VD1短接；VD1是防止输入电源的极性接反导致电容C1承受反向电压而损坏；SC1用于检测输入电流的大小；SV1、SV2用于检测输入电压的大小；R2、R3用于滤波电容C1串联电容的均压。
如图3所示，半桥与全桥逆变电路中开关管仅承受一半的输入电压，降低了开关管承受的电压应力；而半桥电路相对于全桥电路而言具有开关管数量少、驱动电路简单、抗偏磁能力强的优点，同时变压器双向励磁，利用率高，所以三相辅助逆变电源选择了半桥逆变。作为一种典型的实施方式，如附图3所示的半桥逆变电路4包含着两个半桥逆变子电路：C2、C3、R4、R5、VT1、VT2、TB1构成了一路半桥逆变子电路，C4、C5、R6、R7、VT3、VT4、TB2构成了另一路半桥逆变子电路。两路半桥逆变电路的电路形式与电路参数完全一致，各传输一半的功率，两路串联输入、并联输出，这样每个开关管所承受的电压应力只有输入电源电压的1/4。为了降低整流二极管的耐压，高频变压器采用双输出绕组结构。若需要进一步降低整流二极管所需要承受的电压应力，可以通过增加变压器输出绕组的数量来实现，绕组输出采用串联的连接方式；也可以通过增加半桥逆变电路串联的数量来实现。
如图4所示的全桥整流电路5采用不可控的二极管全桥整流电路。每个变压器双输出绕组输出电压经过全桥整流后串联输出，两个变压器是通过LC滤波后并联输出，各自承担输出的一半功率。电压传感器SV3用于检测中间直流环节电压。DC/AC逆变电路6的开关管采用智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)模块，IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，在异常情况下能快速保护自身，以免造成更大的损坏有着很高的可靠性。逆变脉冲采用正弦波脉宽调制(SPWM，Sinusoidal Pulse Width Modulation)调制方式，减小输出电源的谐波含量。输出滤波电路7主要包含LC滤波电路和EMI滤波器，先将DC/AC逆变电路6输出的SPWM波经过LC滤波后得到正弦波电压输出，再通过EMI滤波器降低输出电压对负载以及外界的干扰和影响。
如图5三相辅助逆变电源实施例1的主电路原理图所示，同一高频变压器的两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终并联输出。
如图6三相辅助逆变电源实施例2的主电路原理图所示，同一高频变压器的两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终串联输出。此种连接方法中，整流二极管所承受的电压应力只有实施例1中的1/2，电流应力为实施例1中的2倍。
如图7三相辅助逆变电源实施例3的主电路原理图所示，高频变压器包括一个输出绕组，两个变压器串联输出，此种连接方法中，整流二极管所承受的电压应力和实施例1中的一致，电流应力为实施例1中的2倍。
如图8三相辅助逆变电源实施例4的主电路原理图所示，变压器TB1的输出绕组1和变压器TB2输出绕组3串联输出，变压器TB1的输出绕组2和变压器TB2输出绕组4串联输出，最后两个串联后绕组并联输出.此种连接方法中，相对于实施例1更有利于模块之间的均压；整流二极管所承受的电压电流应力没有改变，与实施例1等同。
主电路图中的开关器件可以根据需要选择不同类型的器件比如MOSFET管、IGBT模块、IPM模块，当单个开关管的额定电流不能满足实际需要的时候可以采用多个开关管通串并联的方式来实现。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种三相辅助逆变电源，包括主电路(1)和控制电路(2)，控制电路(2)对主电路进行检测和控制，其特征在于：主电路(1)包括输入滤波电路(3)、DC/DC变换电路(8)、DC/AC逆变电路(6)和输出滤波电路(7)，DC/DC变换电路(8)包括高频变压器，当电源接通，控制电路(2)对系统进行自检，在确认系统无故障的情况下主电路(1)开始工作，输入滤波电路(3)对输入电源进行滤波，充电完成后闭合短接接触器(KM1)，然后控制电路(2)发半桥逆变脉冲，DC/DC变换电路(8)开始工作，将输入的直流电源变换成稳定的中间直流电压，再通过DC/AC电路(6)逆变成为三相SPWM波，经输出滤波电路(7)滤成三相正弦波对三相负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述DC/DC变换电路(8)包括半桥逆变电路(4)和全桥整流电路(5)，所述高频变压器包含在半桥逆变电路(4)之中，半桥逆变电路(4)输入端与输入滤波电路(3)连接，半桥逆变电路(4)输出端与全桥整流电路(5)连接，全桥整流电路(5)与DC/AC逆变电路(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述半桥逆变电路(4)包括至少两个半桥逆变子电路，所述多个半桥逆变子电路之间采用串联方式连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述半桥逆变电路(4)中的高频变压器采用至少两个输出绕组的结构。
5.根据权利要求4所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述高频变压器包括两个输出绕组，两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终并联输出。
6.根据权利要求4所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述高频变压器包括两个输出绕组，两个输出绕组整流后串联输出，两个高频变压器最终串联输出。
7.根据权利要求4所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述高频变压器包括一个输出绕组，两个高频变压器串联输出。
8.根据权利要求4所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述高频变压器包括两个输出绕组，高频变压器(TB1)的输出绕组1和高频变压器(TB2)的输出绕组3串联输出，高频变压器(TB1)的输出绕组2和高频变压器(TB2)的输出绕组4串联输出，两个高频变压器并联输出。
9.根据权利要求5、6、7、8中任一权利要求所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：所述输入滤波电路(3)包括滤波电路，软启动电路，检测电路和均压电阻，滤波电路对输入电源进行滤波，检测电路检测输入电流和电压，软启动电路充电短接接触器(KM1)在主电路(1)启动中先处于断开状态，输入电源通过电阻(R1)对(C1)进行充电，当充电完成后，充电短接接触器(KM1)闭和，将电阻(R1)和防反二极管(VD1)短接，电阻(R2)和电阻(R3)用于滤波电容(C1)串联均压。
10.根据权利要求5、6、7、8中任一权利要求所述的一种三相辅助逆变电源，其特征在于：输出滤波电路(7)包括LC滤波电路和EMI滤波器(Z3)，先将DC/AC逆变电路(6)输出的三相SPWM波经过LC滤波后得到正弦波电压输出，再通过EMI滤波器(Z3)降低输出电压对负载的干扰。
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