CN104969459A

CN104969459A - 电动车用逆变器的应急运转装置及其方法

Info

Publication number: CN104969459A
Application number: CN201380072471.7A
Authority: CN
Inventors: 洪赞熙; 李东明
Original assignee: Vctech Co ltd
Current assignee: VCTECH; Vctech Co ltd
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-10-07
Also published as: WO2014168303A1; KR101436562B1

Abstract

本发明提供电动车用逆变器的应急运转及其方法，根据电动车用逆变器的应急运转及其方法，可补偿由直流链路端的电压不均衡所导致的三相电流的不均衡，并且生成追加可对直流链路端的变动进行补偿的校正电压的新指令值电压。本发明的电动车用逆变器的应急运转装置包括：串联的上下端直流电压链路；三相逆变器，用于将施加于上述上下端直流电压链路的直流链路电压转换成三相交流电压；三相马达，借助从上述三相逆变器输出的三相交流电压驱动；应急连接部，用于连接上述上下端直流电压链路的中间点和上述三相马达的各个相的输入端；电压检测部，用于检测上述上下端直流链路的电压；失衡补偿部，接收上述电压检测部的功率、三相电压指令值及直流链路电压基准值，来输出相电压偏差补偿指令值，上述相电压偏差补偿指令值为补偿相电压的偏差的指令值；以及脉冲宽度调制控制部，用于利用上述相电压偏差补偿指令值来生成脉冲宽度调制控制信号。

Description

电动车用逆变器的应急运转装置及其方法

技术领域

本发明涉及电动车用逆变器(inverter)，涉及在通过三相逆变器使用于电动车的三相马达运转的过程中，在一相桥臂发生故障的情况下的应急运转装置及其方法。

背景技术

电动车为了产生充分的动力而使用三相马达，并且三相马达则借助三相逆变器来运转。另一方面，由于电动车在道路上行驶，因而即使三相逆变器的一部分发生故障，也需要持续驾驶。

为此，如图1所示，除了在上下端的直流链路(link)电容器110、C1、C2和三相马达140之间配置三相逆变器120之外，本发明包括应急连接部130，上述应急连接部130用于分别连接上下端直流链路电容器C1、C2的中间点和三相马达140的输入端。应急连接部130包括并联的多个晶闸管。

平时，三相逆变器120根据从外部施加的开关切换动作信号来工作，以此运转三相马达140，此时，晶闸管处于断开状态。之后，在当三相逆变器120的一相桥臂发生故障时的应急情况下，接通与发生故障的相相应的应急连接部130的晶闸管来使上述应急连接部130运转。

图2为在c相桥臂发生故障的情况下的三相逆变器120的应急联接回路图，察看其动作如下。

若供给直流电压，则串联的上下端直流链路电容器C1、C2进行充电，并向三相逆变器120供给其充电电压。通过接通或断开接收到电压的三相逆变器120的开关来向三相马达140供给电压，而三相逆变器120则具有如图4所示的四种开关切换状态。在此，以三相马达140采用Y结线的情况为例来进行说明，0是指下端开关处于接通的状态、1是指上端开关处于接通的状态。即，<0，0>的情况意味着S1、S2桥臂的下端开关被接通，并且上端开关被断开。

在四个电压矢量中的构成三相逆变器120的开关中，在仅全部接通上端的开关的情况下，即在<1，1>状态下，向三相马达140供给上端直流链路电容器C1中的充电电压V1，下端直流链路电容器C2不向三相马达140供给电压。

并且，在仅全部接通下端开关的情况下，即在<0，0>状态下，向三相马达140供给下端直流链路电容器C2中的充电电压V2，并且，不向三相马达140供给上端直流链路电容器C1中的充电电压V1。并且，在<0，1>、<1，0>状态下，上下端直流(DC)链路电容器向三相马达140供给电压。像这样，随着向三相马达140供给电压，来使三相马达140旋转。

如图3所示，为了使三相马达140旋转，需要相互具有120度的相位差的三相电压Va、Vb、Vc。

为了生成上述三相电压，在三相逆变器120中，向三相马达施加的三相的电压矢量中的一个电压与上端直流链路电容器C1和下端直流链路电容器C2的中间点相连接，剩余的两个电压与上述开关和下端开关之间的桥臂(leg)相连接。

而且，如图3所示，为了形成用于呈现与三相平衡电压相同的效果的电压，在上述上端直流链路电容器C1和下端直流链路电容器C2之间的中间点也施加负相。从而得到如图3中的Vu、Vv的两个矢量。

如此形成的Vu、Vv的电压呈具有三相平衡电压和零序分量的电压的形态。即，使用四个开关来可得到三相平衡电压。如图3所示，三相逆变器120的两个电压矢量Vu、Vv相互具有60度的相位差，并且在三相马达140的C相与中间点相连接的情况下，可知Vu的电压与a相电压Va相比偏移30度。

因此，在通过脉冲宽度调制(PWM)方式控制三相逆变器120的情况下，若施加以如下数学公式1表示的三相逆变器120的矢量电压Vu、Vv，则可控制三相马达140。

数学公式1

V_{u} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{6})) V_{d c} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{6})) (V_{1} + V_{2})

T_{u} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{6})) T_{s}

V_{u} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{2})) V_{d c} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{2})) (V_{1} + V_{2})

T_{u} = \frac{1}{2} (1 + m_{a} \sin (θ - \frac{π}{2})) T_{s}

其中，ma为调制率，Ts为开关切换动作抽样时间，θ为a相电压和指令指电压之间的角度。

根据数学公式1，以三相马达140的C相与上端直流链路电容器和下端直流链路电容器的中间点相连接为基准，Vu、Vv具有60度的相位差，Vu具有对与Va相比偏移30度的Vu的抽样时间的接通时间。

因此，以具有接通时间的方式调节抽样时间，从而可利用四个开关元件控制三相马达140。

但是，在如上所述的现有技术中，根据三相逆变器120的开关切换状态，线电压将成为上下端电容器的电压，如上端或下端电容器，其线电压存在从一个电容器接收电流的形态，因而各个电容器电压的不均衡不仅使线电压的大小不同，而且还使相位不同，因而存在由此导致性能下降的问题。

即，在上下端电容器的电压相同的情况下，如图5中的左侧所示，具有相互正交的电压矢量，在电压不同的情况下，如图5中的右侧所示，大小和相位都歪曲，由此基于指令值电压和实际值电压差，将导致性能下降。

发明内容

技术问题

为了解决上述问题，本发明提供电动车用逆变器的应急运转装置及其方法，根据上述电动车用逆变器的应急运转装置及其方法，可补偿因直流链路端的电压不均衡而导致的三相电流的不均衡。

并且，本发明提供电动车用逆变器的应急运转装置及其方法，在上述电动车用逆变器的应急运转装置及其方法中，生成追加可对直流链路端的变动进行补偿的校正电压的新指令值电压。

解决问题的手段

本发明的电动车用逆变器的应急运转装置包括：串联的上下端直流电压链路；三相逆变器，用于将施加于上述上下端直流电压链路的直流链路电压转换成三相交流电压；三相马达，借助从上述三相逆变器输出的三相交流电压驱动；应急连接部，用于连接上述上下端直流电压链路的中间点和上述三相马达的各个相的输入端；电压检测部，用于检测上述上下端直流链路的电压；失衡补偿部，接收上述电压检测部的功率、三相电压指令值及直流链路电压基准值，来输出相电压偏差补偿指令值，上述相电压偏差补偿指令值为补偿相电压的偏差的指令值；以及脉冲宽度调制控制部，用于利用上述相电压偏差补偿指令值来生成脉冲宽度调制控制信号。

上述失衡补偿部包括校正电压发生部，上述校正电压发生部用于施加校正电压，上述校正电压通过施加于上述上下端直流电压链路的上端直流链路电压和下端直流链路电压之差乘以0.5来生成。

上述失衡补偿部包括失衡电压比补偿部，上述失衡电压比补偿部用于补偿失衡电压比，上述失衡电压比通过将上述直流链路电压基准值除以上述上端直流链路电压和下端直流链路电压的之和来生成。

上述校正电压发生部包括：第一减法器，用于计算a相电压指令值和b相电压指令值之差，来输出u相电压指令值；第二减法器，用于计算上述b相电压指令值和c相电压指令值之差，来输出v相电压指令值；第三减法器，用于计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之差，来输出直流链路差电压；第一乘法器，用于通过上述直流链路差电压乘以0.5，来将直流链路差电压的一半作为校正电压输出；第四减法器，用于计算上述u相电压指令值和上述校正电压之差，来输出u相校正电压补偿值；以及第五减法器，用于计算上述v相电压指令值和上述校正电压之差，来输出v相校正电压补偿值。

上述失衡补偿部还包括：加法器，用于计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之和，来输出直流链路总电压；除法器，用于通过将上述直流链路电压基准值除以直流链路总电压，来输出直流链路电压基准值与实际值的反比；第二乘法器，用于通过上述u相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出u相电压偏差补偿指令值；以及第三乘法器，用于通过将上述v相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出v相电压偏差补偿指令值。

并且，本发明的电动车用逆变器的应急运转方法，在电动车用三相逆变器的一相桥臂发生故障时使用，上述电动车用逆变器的应急运转方法的特征在于，包括：第一减法步骤，计算a相电压指令值和b相电压指令值之差来输出u相电压指令值；第二减法步骤，计算上述b相电压指令值和c相电压指令值之差来输出v相电压指令值；第三减法步骤，计算在上述三相逆变器的前端串联的上下端直流链路的上端直流链路电压和下端直流链路电压之差，来输出直流链路差电压；加法步骤，计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之和，来输出直流链路总电压；第一乘法步骤，通过上述直流链路差电压乘以0.5，来将直流链路差电压的一半作为校正电压输出；除法步骤，通过将上述直流链路电压基准值除以直流链路总电压，来输出直流链路电压基准值与实际值的反比；第四减法步骤，计算上述u相电压指令值和上述校正电压之差，来输出u相校正电压补偿值；第五减法步骤，计算上述v相电压指令值和校正电压之差，来输出v相校正电压补偿值；第二乘法步骤，通过上述u相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出u相电压偏差补偿指令值；以及第三乘法步骤，通过上述v相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出v相电压偏差补偿指令值。

发明的效果

本发明提供电动车用逆变器的应急运转装置及其方法，根据上述电动车用逆变器的应急运转装置及其方法，可补偿因直流链路端的电压不均衡而导致的三相电流的不均衡，并且，生成追加可对直流链路端的变动进行补偿的校正电压的新指令值电压。

附图说明

图1为现有技术的电动车用电力变换装置的整体框图。

图2为基于现有技术的电动车用逆变器的一相发生故障时的联接回路图。

图3为为了使图2中的三相马达旋转而相互具有120度相位的三相电压的矢量和相互具有60度相位差的二相电压的矢量图。

图4为基于图2中的开关切换状态的Y结线三相马达和直流链路的结线图。

图5为在图2中的回路中，上下端电容器的电压相同的情况和下端电容器的电压更高的情况的电压矢量图。

图6为当本发明一实施例的电动车用逆变器发生故障时的运转装置的整体结构框图。

图7为当本发明一实施例的失衡补偿部的具体回路图。

图8为本发明一实施例的感应电动机的V/F控制时的模拟实验结果波形图。

图9为控制本发明另一实施例的嵌入式永磁电动机时的模拟实验结果波形图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。首先，在向各个附图的结构要素添加附图标记的过程中，需留意，即使出现在不同的附图，也对相同的结构要素标记相同的附图标记。并且，在以下说明中，示出很多特定事项，这仅仅用于更全面地理解本发明，即使没有这种特定事项，也可实施本发明，这对本发明所属技术领域的普通技术人员而言是显而易见的。而且，在说明本发明的过程中，在判断为对相关公知功能或结构的具体说明有可能导致不必要地混淆本发明的主旨的情况下，省略其详细说明。

图6为当本发明一实施例的电动车用逆变器发生故障时的运转装置的整体结构框图，图7为当本发明一实施例的失衡补偿部的具体回路图。

本发明一实施例的电动车用逆变器的故障时的运行装置包括：电压检测部610，用于检测上下端直流链路的电压；失衡补偿部620，接收上述电压检测部的功率、三相电压指令值及直流链路电压基准值，来输出相电压偏差补偿指令值，上述相电压偏差补偿指令值为补偿相电压的偏差的指令值；以及脉冲宽度调制控制部630，用于利用相电压偏差补偿指令值来生成脉冲宽度调制控制信号。

其中，三相电压指令值是指从外部施加的各相的指令值电压，并且直流链路电压基准值VDC_ref是指上端直流链路电压和下端直流链路电压之和的基准值。

本发明一实施例的包括校正电压的新的指令指电压生成回路包括：第一减法器705，用于计算a相电压指令值和b相电压指令值之差，来输出u相电压指令值；第二减法器710，用于计算b相电压指令值和c相电压指令值之差，来输出v相电压指令值；第三减法器715，用于计算上端直流链路电压和下端直流链路电压之差，来输出直流链路差电压；加法器720，用于计算上端直流链路电压和下端直流链路电压之和，来输出直流链路总电压；第一乘法器725，用于直流链路差电压乘以0.5，来将直流链路差电压的一半作为校正电压输出；除法器730，用于将直流链路电压基准值VDC_ref除以直流链路总电压，来输出直流链路电压基准值与实际值的反比；第五减法器735，用于计算u相电压指令值和校正电压之差，来输出u相校正电压补偿值；第六减法器740，用于计算v相电压指令值和校正电压之差，来输出v相校正电压补偿值；第二乘法器745，用于u相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出u相电压偏差补偿指令值；以及第三乘法器750，用于v相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出v相电压偏差补偿指令值。

即，由以下数学公式2及数学公式3表示从第二乘法器745及第三乘法器750输出的相电压偏差补偿指令值。

数学公式2

V_{u}^{*} = ((V_{a s}^{*} - V_{c s}^{*}) - \frac{V_{1} - V_{2}}{2}) s \frac{{VDC}_{r e f}}{V_{1} + V_{2}}

数学公式3

V_{v}^{*} = ((V_{b s}^{*} - V_{c s}^{*}) - \frac{V_{1} - V_{2}}{2}) s \frac{{VDC}_{r e f}}{V_{1} + V_{2}}

如上所述，失衡补偿部620生成相电压偏差补偿指令值的理由如下。

与u相电压Vu相关，考虑在上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2相同的情况(V1＝V2)和上下端直流链路端发生电压变动，来使得上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2不同的情况(V1≠V2)，则如下。

首先，在q1＝1的情况下，若上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2相同，则u相电压Vu为Vu＝V1＝VDC_ref/2。但是，在q1＝1的情况下，若上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2不同，则u相电压Vu为Vu＝(V1+V2)/2+(V1－V2)/2。此时，具有V1+V2≠VDC_ref的关系。

并且，在q1＝0的情况下，若上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2不同，则u相电压Vu为Vu＝－V2＝－(V1+V2)/2+(V1－V2)/2。

可如下将上述内容整理于表1。

表1

即，对理想的情况和实际情况进行比较，则可知以与开关切换动作函数q1无关的方式在输出电压上存在(V1-V2)/2程度的电压变动。

因此，需减少(V1-V2)/2程度的电压变动量，并且需要考虑上端直流链路电压V1和下端直流链路电压V2之和与直流链路电压基准值不同这一事实，由此导出图7的失衡补偿部。

图8为本发明一实施例的感应电动机的V/F控制时的模拟实验结果波形图，其中，图8a为在感应电动机的整体转速范围内的最终波形图，图8b为图8a中的转速为760rpm上下时的放大波形图，图8c为相同时间段内的相电流波形图。模拟实验在如下条件下实施，上下端电容器容量分别为940微法拉(uF)、调制指数(ma)＝0.45、电动机转速为745rpm上下。

若当t＝0.8秒(sec)时，使本发明一实施例的失衡补偿部620工作，可知相电流得到平衡，因而几乎不存在感应电动机的速度纹波，并且相电流的波形得到明显的改善。

图9为控制本发明另一实施例的嵌入式永磁电动机时的模拟实验结果波形图，其中，图9a为嵌入式永磁电动机的最终转速波形图，图9b为相同时间段内的相电流波形图。模拟实验在如下条件下实施，四极、d轴电抗(10mH)、q轴电抗(20mH)、定子电阻为2(Ω)、负荷为2(Nm)，并且在采用本发明的失衡补偿技术及未采用本发明的失衡补偿技术的条件下交替进行实验。

可知，当未采用失衡补偿技术时失衡的电流波形，随着采用失衡补偿技术而得到明显改善，并且速度纹波也得到改善。

如上所述，在本发明的详细说明中，对具体实施例进行了说明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可对本发明进行多种变形，这是显而易见旳。因此，本发明的范围不应局限于上述的实施例，应根据发明要求保护范围及与该发明要求保护范围等同的内容而定。

Claims

1.一种电动车用逆变器的应急运转装置，其特征在于，包括：

串联的上下端直流电压链路；

三相逆变器，用于将施加于上述上下端直流电压链路的直流链路电压转换成三相交流电压；

三相马达，借助从上述三相逆变器输出的三相交流电压驱动；

应急连接部，用于连接上述上下端直流电压链路的中间点和上述三相马达的各个相的输入端；

电压检测部，用于检测上述上下端直流链路的电压；

失衡补偿部，接收上述电压检测部的功率、三相电压指令值及直流链路电压基准值，来输出相电压偏差补偿指令值，上述相电压偏差补偿指令值为补偿相电压的偏差的指令值；以及

脉冲宽度调制控制部，用于利用上述相电压偏差补偿指令值来生成脉冲宽度调制控制信号。

2.根据权利要求1所述的电动车用逆变器的应急运转装置，其特征在于，上述失衡补偿部包括校正电压发生部，上述校正电压发生部用于施加校正电压，上述校正电压通过施加于上述上下端直流电压链路的上端直流链路电压和下端直流链路电压之差乘以0.5来生成。

3.根据权利要求1所述的电动车用逆变器的应急运转装置，其特征在于，上述失衡补偿部包括失衡电压比补偿部，上述失衡电压比补偿部用于补偿失衡电压比，上述失衡电压比通过将上述直流链路电压基准值除以上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之和来生成。

4.根据权利要求2所述的电动车用逆变器的应急运转装置，其特征在于，上述校正电压发生部包括：

第一减法器，用于计算a相电压指令值和b相电压指令值之差，来输出u相电压指令值；

第二减法器，用于计算上述b相电压指令值和c相电压指令值之差，来输出v相电压指令值；

第三减法器，用于计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之差，来输出直流链路差电压；

第一乘法器，用于通过上述直流链路差电压乘以0.5，来将直流链路差电压的一半作为校正电压输出；

第四减法器，用于计算上述u相电压指令值和上述校正电压之差，来输出u相校正电压补偿值；以及

第五减法器，用于计算上述v相电压指令值和上述校正电压之差，来输出v相校正电压补偿值。

5.根据权利要求4所述的电动车用逆变器的应急运转装置，其特征在于，上述失衡补偿部还包括：

加法器，用于计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之和，来输出直流链路总电压；

除法器，用于通过将上述直流链路电压基准值除以直流链路总电压，来输出直流链路电压基准值与实际值的反比；

第二乘法器，用于通过上述u相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出u相电压偏差补偿指令值；以及

第三乘法器，用于通过上述v相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出v相电压偏差补偿指令值。

6.一种电动车用逆变器的应急运转方法，在电动车用三相逆变器的一相桥臂发生故障时使用，上述电动车用逆变器的应急运转方法的特征在于，包括：

第一减法步骤，计算a相电压指令值和b相电压指令值之差，来输出u相电压指令值；

第二减法步骤，计算上述b相电压指令值和c相电压指令值之差，来输出v相电压指令值；

第三减法步骤，计算在上述三相逆变器的前端串联的上下端直流链路的上端直流链路电压和下端直流链路电压之差，来输出直流链路差电压；

加法步骤，计算上述上端直流链路电压和下端直流链路电压之和，来输出直流链路总电压；

第一乘法步骤，通过上述直流链路差电压乘以0.5，来将直流链路差电压的一半作为校正电压输出；

除法步骤，通过将上述直流链路电压基准值除以直流链路总电压，来输出直流链路电压基准值与实际值的反比；

第四减法步骤，计算上述u相电压指令值和上述校正电压之差，来输出u相校正电压补偿值；

第五减法步骤，计算上述v相电压指令值和校正电压之差，来输出v相校正电压补偿值；

第二乘法步骤，通过上述u相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出u相电压偏差补偿指令值；以及

第三乘法步骤，通过上述v相校正电压补偿值乘以直流链路电压基准值与实际值的反比，来输出v相电压偏差补偿指令值。