CN102437814A - 双方向升降压型逆变器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由蓄电池等低压直流电源供电的双方向升降压型逆变器装置的基本电路，特别适合于电动自行车、电动汽车、混合动力汽车、铁道用电力机车等应用领域，该电路可以按照电动汽车、电力机车运行状况的实际需要，在电动机模式运行时，逆变器从蓄电池等直流电源将电能升压流入直流母线后驱动电动机；反过来在发电机模式运行时，逆变器控制发电机将动能转换成电能输入直流母线，然后从电压较高的直流母线将电能降压流入蓄电池等直流电源，从而有效地利用车辆本身的动势能。该电路结构简单、所用元器件数量少、成本低廉实用。

Description

双方向升降压型逆变器装置

技术领域

本发明提供了一种由蓄电池等低压直流电源供电的双方向升降压型逆变器装置的基本电路，特别适合于电动自行车、电动汽车、混合动力汽车、铁道用电力机车等应用领域，该电路可以按照电动汽车、电力机车运行状况的实际需要，在电动机模式运行时，逆变器从蓄电池等直流电源将电能升压流入直流母线后驱动电动机；反过来在发电机模式运行时，逆变器控制发电机将动能转换成电能输入直流母线，然后从电压较高的直流母线将电能降压流入蓄电池等直流电源，从而有效地利用车辆本身的动势能。该电路结构简单、所用元器件数量少、成本低廉实用。 

背景技术

在电动自行车、电动汽车、混合动力汽车、铁道用电力机车等应用领域中，由于蓄电池使用环境和安全方面的限制，或者受供电电源电压的限制，供电直流电源电压一般相对较低。为了减小电机尺寸和提高电机效率和利用率，需要将电压较低的直流电源提升到较高的直流电压后，再由逆变装置将直流变成交流驱动电机。众所周知，一般大功率直流升压装置普遍采用由电感、功率二极管和大功率IGBT开关组成的直流升压器。 

然而，从节能环保的角度，电动汽车和电力机车在减速运行时，逆变器可以通过将电机控制在发电机状态的手段，以达到将动能回收为电能的目的，此时逆变器直流母线中的电能需要返回直流电源。因此，上述直流升压器此时必须工作在降压模式，以便直流母线中的高压能量受控返回蓄电池等直流电源中。但是，从来的直流升压装置受其拓扑结构的限制，能量只能单向地从直流电源 升压流向直流母线，无法反向降压。 

本发明提供的双方向升降压型逆变器装置的电路，利用简单的电路构成和少量的元器件，成本低廉，可有效提高整体电路的可靠性，达到使用目的。 

发明内容

本发明旨在提供一种简单实用的双方向升降压型逆变器装置电路，其特征在于包含如下技术内容： 

(1)在蓄电池等直流电源1两端并联稳压蓄能用电容2和测量直流电源1的电压的分流器3；直流电源1的输出电路串联一个升降压蓄能用直流电感5；同时串联测量电流用的电流传感器4；在普通逆变器的直流母线上并联一个由上下IGBT组成的半桥电路6，直流电源的输出接入该半桥电路6的中间；在直流双方向升降压装置的直流母线上并联一组稳压用电容7和测量直流母线电压用的分流器8；在直流母线上接续IGBT功率开关电路9；开关电路9的输出串联了一组检测电流用的电流传感器10后，输出接入电机11；在电机11轴上安装检测电机旋转速度和位置的位置速度传感器12；升降压IGBT半桥电路6的开关PWM信号由直流双方向升降压控制器13控制；IGBT功率开关电路9的开关PWM信号由逆变器控制器14控制；而直流双方向升降压控制器13和逆变器控制器14又由上位控制器15控制；整个强电电路如图1所示。 

(2)直流双方向升降压装置由直流电源1、稳压蓄能电容2、直流电源电压检测器3、直流电感5、输出电流传感器4、升降压IGBT半桥电路6、直流母线稳压电容7组成，其上下管开关控制由图1所示的直流双方向升降压控制器13完成，该控制器分别利用分流器3、电流传感器5和分流器8测量采样直流电源1电压vb、直流电源1输出电流ib和直流母线电压vdc，通过预先设计的控制逻 辑完成直流双方向升降压装置的上下管开关的PWM信号计算和控制。 

(3)直流双方向升降压装置的目的为稳定直流母线电压至预先设定的工作电压。当整个系统正常动作时，直流双方向升降压控制器13独立工作，不受逆变器控制器14的干扰和影响。 

(4)逆变装置由直流母线稳压用电容7、直流母线电压检测器8、IGBT功率开关电路9、电流检测用电流传感器10、位置速度传感器12构成。逆变装置的IGBT功率开关的上下管PWM控制由图1所示的逆变器控制器14完成，该控制器分别利用电流传感器10和位置速度传感器12测量采样三相输出电流iu、iv、iw和电机转子位置速度信号ωr、θr，遵照上位控制器15传来的转矩指令和起动/停止命令，通过预先设计的电机控制逻辑完成逆变器的上下管开关的PWM信号计算和控制。 

(5)逆变器控制器14的目的为控制电机的输出转矩为指令转矩，当整个系统正常动作时，逆变器控制器14独立工作，不受直流双方向升降压控制器13的影响。 

(5)逆变器控制器14根据上位机控制器15所传来的转矩指令，按照预先设定的控制逻辑自动形成PWM开关波形，使电机进入电动机或发电机工作状态。与此同时，直流双方向升降压控制器13自动稳定直流母线电压至预先设定的工作电压，电机所需的驱动电能或发电所回馈的电能在直流双方向升降压装置控制器的控制下，自动地按照运行状态输入至电机或者回馈至直流电源。直流双方向升降压控制器13和逆变器控制器14互相配合，协调工作。 

(7)直流双方向升降压控制器13和逆变器控制器14乃至上位控制器15，其硬件构成可以根据实际使用CPU的运算速度和资源灵活配置，可以由多个CPU组成一套控制装置，也可由同一CPU或DSP构成。 

(8)为节约成本，在小功率电机驱动装置时，电流检测用电流传感器4和电流传感器10可以采用无感电阻和后续信号放大电路。电流传感器4也可安装在直流母线的负电压侧(图2)。电流传感器10也可安装在直流母线的负电压侧(图2)，用一个检测器来同时检测电机的三相相电流。 

(9)与直流电源1并联的电容可以根据实际用途省略。 

(10)逆变器输出电流检测用电流传感器10可以使用3相3组电流传感器，也可以其中两相的任意组合。 

(11)在电机控制使用无位置传感器矢量控制逻辑时，位置速度传感器12可以省略。 

(12)电机可以使用异步电机或永磁同步电机，或者开关磁阻电机，或者使用有刷直流电机。 

(13)当驱动系统使用有刷直流电机时，可以取消逆变装置部分，由双方向直流升降压装置单独供电。此时双方向直流升降压控制器控制直流输出电压，以达到控制直流电机输出转矩的目的。 

(14)当驱动系统使用开关磁阻电机时，逆变装置部分必须作相应修改，以适应开关磁阻电机的驱动需要。而双方向升降压装置可以不作修改。 

附图说明

图1：双方向升降压型逆变器装置系统构成图 

图2：电流传感器安装位置图 

图中符号说明 

1：直流电源(蓄电池等) 

2：稳压蓄能电容 

3：直流电源电压检测器 

4：直流电源1输出电流检测用电流传感器 

5：升降压蓄能用直流电感 

6：升降压IGBT半桥电路 

7：直流母线稳压用电容 

8：直流母线电压检测器 

9：IGBT功率开关电路 

10：电机电流检测用电流传感器 

11：电机 

12：电机旋转速度和位置检测用的位置速度传感器 

13：直流双方向升降压装置控制器 

14：逆变器控制器 

15：上位控制器 

具体实施方式

本发明电路所构成的双方向升降压型逆变器装置安装在电动汽车、电力机车车身内。当驾驶者踩下油门或刹车时，上位控制器检测到相应信号，并将其转换为相应的驱动转矩或刹车转矩指令，通过车内高速总线或专用通道将指令 发送到逆变器控制器中。逆变器控制器根据指令自动形成PWM开关波形，使电机进入电动机或发电机工作状态。与此同时，直流双方向升降压装置控制器自动稳定直流母线电压至预先设定的工作电压，电机所需的驱动电能或发电所回馈的电能在直流双方向升降压装置控制器的控制下，自动地按照运行状态输入至电机或者回馈至直流电源。直流双方向升降压控制器和逆变器控制器在上位控制器的指令下互相配合，协调工作。 

在混合动力车的场合，在上位控制器判断无需电机辅助工作而由引擎独立工作时，或者当上述直流双方向升降压装置或逆变装置故障时，可以由上位控制器向直流双方向升降压控制器和逆变器控制器下达停止工作指令，这时控制器将停止PWM发波，并停止整个装置的IGBT开关动作，以避免电机长时间工作在空载状态，节约能耗。 

同样，纯电动汽车或电力机车的场合，在驾驶者既没有踩加速板又没有踩刹车，而车辆本身处于高速滑行状态等上位机判断可以停止驱动装置工作的情况下，或者当上述直流双方向升降压装置或逆变装置故障时，上位控制器同样可以向直流双方向升降压控制器和逆变器控制器下达停止工作指令，使控制器停止PWM发波，并停止整个装置的IGBT开关动作，最大限度地节约能耗。 

Claims (4)

1.本发明旨在提供一种简单实用的双方向升降压装置电路，其特征在于在蓄电池等直流电源1两端并联稳压蓄能用电容2和测量直流电源1的电压的分流器3；直流电源1的输出电路串联一个升降压蓄能用直流电感5；同时串联测量电流用的电流传感器4；在直流母线上并联一个由上下IGBT组成的半桥电路6，直流电源的输出接入该半桥电路6的中间；在前述直流母线上并联一组稳压用电容7和测量直流母线电压用的分流器8，前述部件构成双方向升降压装置。

2.上述权利要求(1)所述的双方向升降压装置的输出直流母线上接续三相IGBT功率开关电路9；三相开关电路9的三相输出串联了一组检测电流用的电流传感器10，三相输出接入电机11；在电机11轴上安装检测电机旋转速度和位置的位置速度传感器12，前述部件和双方向升降压装置共同构成双方向升降压型逆变驱动器。

3.上述权利要求(1)的双方向升降压装置的开关器件6由直流双方向升降压装置控制器13控制，其特征为控制直流母线电压为预先设定的值。上述权利要求(2)的逆变驱动器的开关器件9由逆变器控制器14控制，其特征为控制电机进入电动机工作状态或发电机工作状态，并控制电机输出的电磁转矩为逆变器控制器14所指定的数值；或者控制电机的旋转速度为逆变器控制器14所指定的数值。

4.上位控制器15根据采集到的外部信息，如加减速指令、起动停止指令、电机输出转矩指令或旋转速度指令等，分别控制直流双方向升降压装置控制器13和逆变器控制器14。

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