CN1266305A - 电容储能型双向变换器 - Google Patents
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Abstract
一种电容储能型双向变换器属于电子功率变换器,它采用前后级串联工作的变换器结构,前级变换器由功率管Ta、Tb、Tc和二极管Da1、Db1、Dc1、Da2、Db2、Dc2及电容C0构成三相全波升压式变换器,其作用是将直流电源能量传输给电机,后级由功率管Tr、二极管Dr、电感Lr和电容Cd构成降压式变换器,其作用是将主开关关断时绕组电感磁能和制动时电机机械能转为电能后回馈电源。电路结构简单,可靠性好,可与任何同步电机构成无刷直流起动发电机的双向功率变换器。
Description
本发明的电容储能型双向变换器属电子功率变换器。
目前国内外已在使用的起动发电机主要有两种：第一种是在直流发电机构成的直流发电系统基础上实现的有刷直流起动发电机，它是最早得到应用的起动发电机。这种起动发电机起动、发电性能良好，控制较简单，但下列因素使其进一步发展受到了很大的限制：(1)直流电机存在电刷和换向器，维护复杂，使用寿命短，可靠性差；(2)电刷和换向器限制了电机转速的升高，一般直流发电机最高转速不超过10000转/分，使电机容量不可能进一步加大；(3)电刷和换向器制造工艺要求高，成本高。第二种是在变速恒频(VSCF)交流电源基础上实现的起动发电机，其特点是功率变换器(采用桥式逆变器)输入、输出端增加了一对转换接触器，完成起动、发电的转换。起动时，两个转换接触器触点下移，同时负载端接交流电源，经整流逆变成变频交流电送到电机，这时电机作为无刷直流电动机运行。发电时，左右转换接触器均上移，发电机产生的变频交流电经整流桥转变为直流电，由逆变器变换为恒频交流电，然后经交流滤波器输出到汇流条，为用电设备供电。还有一种是由同步电机与功率变换器构成的无刷直流起动发电机，它是由无刷直流发电机发展过来的。起动时，功率变换器作逆变器工作，将直流电逆变成变频交流电送到电机，电机作无刷直流电动机运行。发电时，若发电机采用电励磁同步电机，六个开关管处于关断状态，变换器作为整流器工作，将变频交流电变换为直流电，输出直流电压通过控制励磁进行调节。若采用永磁电机，变换器作三相升压器工作，将变频交流电变为符合要求的直流电压。
上述变速恒频电源起动发电机和无刷直流起动发电机均使用桥式逆变器作为双向功率变换器，这种变换器的优点是控制技术较成熟，但桥式逆变器存在下列问题：(1)所用功率管较多，n相电机需2n个功率管，成本高；(2)存在桥臂直通的可能性，使可靠性降低。
97年美国学者R.Krishnan提出了永磁无刷直流电机新的功率电路拓扑结构：电容储能型(c-dump)电路。该电路与桥式逆变器比较，优点是：(1)减少了所需功率管个数，n相电机c-dump电路所需功率管为n+1个；(2)无直通现象，提高了系统的可靠性。但c-dump电路直接作为双向变换器存在两个问题：(1)发电时能量大部分在电机和功率电路之间循环，难以有效地将能量传输给负载；(2)发电时二极管半波整流工作，电机利用率低。
本发明的任务在于提供一种电路结构简单，可靠性好，利用率高，可用于与同步电机构成无刷直流起动发电机的新型双向功率变换器。
本发明的电容储能型双向变换器采用前后级串联工作的变换器结构，前级变换器由功率管、二极管和电容构成全波升压式变换器，其作用是将直流电源能量传输给电机，使电机处于电动状态，起动发动机；后级变换器由功率管、二极管、电感、电容构成降压式变换器，其作用是将主开关关断时绕组电感磁能和制动时电机机械能转变为电能后回馈电源。一旦发动机起动结束，系统进入发电机状态。
本发明的电容储能型双向变换器具有如下优点：
1.用于与同步电机构成无刷直流起动发电机，可使发电机从单一发电型发展为起动、发电双功能型，使发动机省去传统的起动机，减少了重量，提高了可靠性。
2.可与任何同步电机构成无刷直流起动发电机。与有刷直流起动发电机比较具有可靠性高、维护性好等优点；与采用桥式逆变器的变速恒频电源起动发电机和其它无刷直流起动发电机比较具有电路简单、可靠性高等优点。
3.适合于飞机、舰船和车辆等发电系统中使用。
附图1为本发明电容储能型双向变换器的电路原理图。
图中，A、B、C为同步电机三相绕组，V0为直流电源，RL为负载电阻，S1和S2为起动/发电转换开关。前级变换器由Ta、Tb、Tc、Da1、Db1、Dc1、Da2、Db2、Dc2及Co构成三相全波升压式变换器，即将三个功率管Ta、Tb、Tc分别与同步电机A、B、C三相绕组串联，三个二极管Da1、Db1、Dc1的正极分别与功率管Ta、Tb、Tc的漏极相连，三个二极管的负极均与电容Co的正极相连，电容Co的负极连于功率管Ta、Tb、Tc的源极。三相全波升压式变换器特点是在三个功率管Ta、Tb、Tc的漏极与源极之间分别并联二极管Da2、Db2、Dc2。后级变换器由Tr、Dr、Lr和Cd构成降压式变换器，其中功率管Tr的漏极连于电容Co的正极，源极连于二极管Dr负极。由电感Lr和电容Cd构成的滤波电路并联于直流母线两端。另外，负载RL和直流电源Vo通过转换开关S2分别并联于滤波电容Cd两端。
起动工作时，开关S1闭合，开关S2接至直流电源Vo，起动/发电机采用无刷直流电动机工作方式。前级变换器将直流电源能量传输给电机，使电机处于电动状态，起动发动机；后级变换器将主开关关断时绕组电感磁能和制动时电机机械能转变为电能后回馈电源。一旦发动机起动结束，系统进入发电状态，这时开关S1断开，开关S2接至负载RL，起动/发电机作为无刷直流发电机运行。电机输出电压及频率均随发动机转速变化的三相交流电压，然后由前级变换器升压变换为直流电压，最后由后级变换器调整为符合要求的输出电压。
Claims (1)
1.一种电容储能型双向变换器，采用前后级串联工作的变换器结构，前级变换器由功率管Ta、Tb、Tc，二极管Da1、Db1、Dc1 Da2、Db2、Dc2及电容Co构成三相全波升压式变换器，即将三个功率管Ta、Tb、Tc分别与同步电机A、B、C三相绕组串联，三个二极管Da1、Db1、Dc1的正极分别与功率管Ta、Tb、Tc的漏极相连接，三个二极管的负极均与电容Co的正极相连，电容Co的负极连于功率管Ta、Tb、Tc的源极；后级变换器由Tr、Dr、Lr和Cd构成降压式变换器，其中功率管Tr的漏极连于电容Co的正极，源极连于二极管Dr负极，其特征在于：前级变换器中的三个功率管Ta、Tb、Tc的漏极与源极之间分别并联了二极管Da2、Db2、Dc2；后级变换器中由电感Lr和电容Cd构成的滤波电路通过开关S1与电机中线连接；负载RL和直流电源V0通过转换开关S2分别并联于滤波电容Cd两端。
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