CN202602592U - 一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器 - Google Patents
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Abstract
一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器，它含有储能部件，混合励磁电机，三相整流/逆变器，H桥，信号处理电路以及微处理器系统；三相整流/逆变器和H桥相级联，三相整流/逆变器的输入、输出分别与储能部件、混合励磁电机的三相绕组连接，H桥的输出与混合励磁电机的励磁绕组相连；信号处理电路的输入分别与母线电压传感器、母线电流传感器、励磁电流传感器、电机转子位置传感器以及微处理器系统的PWM端口相连接；信号处理电路的输出分别与三相整流/逆变器中全控型电力电子器件的信号驱动端口、H桥中全控型电力电子器件的信号驱动端口以及微处理器系统的模拟及数字输入端口相连接。本实用新型在车用控制装置范围内有实用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器，属于车用控制装置范围。
背景技术
随着汽车拥有量的快速增加，能源消耗和尾气排放问题更加突出。目前汽车上广泛采用的爪极式发电机效率较低，这使得油耗和排放较高；同时，直流起动电机转矩较小，因而发动机起动慢，造成起动及怠速过程中更高的油耗和尾气排放。
起动/发电一体化电机是将发动机上原来独立的起动机和发电机重新设计成一台电机，在功率变换器的控制下，起动发动机时电机运行于电动状态，在怠速转速以上运行于发电状态。
由于安装空间受限并考虑节能环保要求，起动/发电一体化电机系统需要具有尽可能高的转矩密度、功率密度及效率。在常见的电机类型中，异步电机和电励磁电机的起动和发电功能易于实现，但存在着转矩密度、功率密度及效率相对较低的问题。而永磁交流电机的转矩密度、功率密度及效率虽然较高，但由于转子磁链不可控，因此，同时保证电机的大起动转矩和宽速度区间的发电输出电压稳定等问题很难解决。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服了现有起动/发电一体化电机系统方案的不足，针对同时具备永磁体及电励磁绕组的混合励磁电机，提供了一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器，该变换器能够独立控制混合励磁电机的三相绕组电压、电流和励磁绕组电流，易于获得低速大转矩负载起动和宽速度范围的弱磁发电稳压特性。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。
本实用新型一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器，含有储能 部件，混合励磁电机，三相整流/逆变器，H桥，信号处理电路以及微处理器系统。它们之间的位置连接关系是：
三相整流/逆变器和H桥相级联，三相整流/逆变器的输入、输出分别与储能部件、混合励磁电机的三相绕组连接，H桥的输出与混合励磁电机的励磁绕组相连。信号处理电路的输入分别与母线电压传感器、母线电流传感器、励磁电流传感器、电机转子位置传感器以及微处理器系统的PWM端口相连接；信号处理电路的输出分别与三相整流/逆变器中全控型电力电子器件的信号驱动端口、H桥中全控型电力电子器件的信号驱动端口以及微处理器系统的模拟及数字输入端口相连接。
所述储能部件是蓄电池或电容，或由二者共同组成；
所述混合励磁电机是交流电机，可分时工作于电动状态或发电状态；
所述三相整流/逆变器是由全控型电力电子器件构成的电能转换及传输装置，具备电能双向传输功能，可将储能部件提供的直流电逆变为交流电供给电机，也可将电机发出的交流电整流为直流电供给储能部件；
所述H桥是由全控型电力电子器件构成的励磁电流调节装置；H桥的输出与混合励磁电机的励磁绕组相连，通过控制功率开关器件的通断状态，将储能部件提供的直流电转换为混合励磁电机励磁绕组所需大小及方向的励磁电流，进而实现对混合励磁电机内气隙磁通增强或减弱的作用。
所述信号处理电路是由母线电压信号处理电路、母线电流信号处理电路、功率驱动信号处理电路、励磁驱动信号处理电路、励磁电流信号处理电路、位置反馈信号处理电路等部分组成；它们之间是彼此独立电路；该母线电压信号处理电路的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较高母线电压进行隔离降压及电平变换后转换为微处理器系统可以识别的模拟信号：该母线电流信号处理电路的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较大母线电流进行隔离降低及电平变换后转换为微 处理器系统可以识别的模拟信号；该功率驱动信号处理电路的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将来自微处理器系统的信号进行隔离放大后分别输出至三相整流/逆变器中电力电子器件的驱动端口，用于控制其通断；该励磁驱动信号处理电路的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将来自微处理器系统的信号进行隔离放大后分别输出至三相整流/逆变器中电力电子器件的驱动端口，用于控制其通断；该励磁电流信号处理电路的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较大的励磁绕组电流进行隔离降低及电平变换后转换为微处理器系统可以识别的模拟信号；该位置反馈信号处理电路的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，位置反馈信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将电机上安装的转子位置传感器输出信号进行电平变换后转换为微处理器系统可以识别的输入信号：上述直流电源是指能够提供直流15V、5V及3.3V的电源；上述直流隔离电源是指具备电气隔离的DC/DC变换器；上述运放的型号是OP27；上述光电耦合器的型号是HCPL4503。
所述微处理器系统以同时具备模拟、数字输入端口和8路PWM数字输出端口的单片机或DSP为核心，该单片机或DSP是TI公司2000系列芯片或Infineon公司C166系列芯片；该微处理器系统与信号处理电路相连接，它能够通过信号处理电路接收母线电压、母线电流、励磁电流及位置反馈信号，也能输出8路PWM数字信号用于驱动三相整流/逆变器和H桥中全控型电力电子器件。
当混合励磁电机电动运行时，整流/逆变器将储能部件提供的直流电逆变为三相交流电供给混合励磁电机；当混合励磁发电运行时，整流/逆变器将混合励 磁电机三相绕组发出的交流电整流后给储能部件充电。
通过控制H桥功率开关器件的通断，将储能部件提供的直流电转换为混合励磁电机励磁绕组所需大小及方向的励磁电流，进而实现对增强或减弱混合励磁电机内气隙磁通的作用。
由电压和电流传感器检测的母线电压、励磁电流和母线电流输出信号分别通过信号处理电路后送入微处理器系统；由位置传感器检测出的混合励磁电机转子位置信号，经过位置反馈信号处理电路后送入微处理器系统用于确定混合励磁电机转子位置和转速。
在起动汽车发动机和发电过程中，微处理器系统根据母线电压、电流和转子位置信息输出6路PWM信号，然后通过功率驱动信号处理电路后驱动三相整流/逆变器中主功率器件的通断。同时，进一步根据励磁电流信号，微处理器系统输出另外2路PWM信号，经励磁驱动信号处理电路后驱动H桥中功率器件的通断，通过控制PWM占空比控制励磁绕组内电流的大小和流向。
根据电机的不同功率等级，三相整流/逆变器中主功率器件分别采用单个器件独立或多个器件并联方式，使得本功率变换器具备低压大电流工作能力。
根据微处理器系统的不同指令，三相整流/逆变器分别工作在逆变、可控整流和不可控整流三种工作状态下。
本实用新型的有益效果在于，根据电机处于电动和发电的不同状态，能够独立控制电机的三相绕组电流、电压以及励磁电流，使电机具备较高的功率密度、转矩密度、低速大转矩和良好的电压调整特性，从而便捷实现汽车发动机的快速起动和高效率发电功能，有利于促进汽车的节能减排。
附图说明
图1是车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器结构图
图中符号说明如下：
1储能部件；2混合励磁电机；3三相整流/逆变器；4H桥；
5信号处理电路；6微处理器系统；
T1～T6表示三相整流/逆变器中的全控型电力电子器件；T7～T10表示H桥中的全控型电力电子器件。
具体实施方式
下面结合图1对本实用新型作进一步说明：
本实施例包括有储能部件1，混合励磁电机2，三相整流/逆变器3，H桥4，信号处理电路5，微处理器系统6。其中：
三相整流/逆变器3和H桥4两部分相级联，储能部件1直接与三相整流/逆变器3和H桥4的公共直流母线相连接。信号处理电路5的输入分别与母线电压传感器、母线电流传感器、励磁电流传感器、电机转子位置传感器以及微处理器系统6的PWM端口相连接；信号处理电路5的输出分别与三相整流/逆变器3中全控型电力电子器件的信号驱动端口、H桥4中全控型电力电子器件的信号驱动端口以及微处理器系统6的模拟及数字输入端口相连接。
三相整流/逆变器3的输入、输出分别与储能部件1、混合励磁电机2的三相绕组连接。当混合励磁电机2电动运行时，三相整流/逆变器3将储能部件1提供的直流电逆变为三相交流电供给混合励磁电机2；当混合励磁电机2发电运行时，整流/逆变器3将混合励磁电机2三相绕组发出的交流电进行可控整流后供给储能部件1进行充电。
所述储能部件1是蓄电池或电容，也可以由二者共同组成；
所述混合励磁电机2是交流电机，可分时工作于电动状态或发电状态；
所述三相整流/逆变器3是由全控型电力电子器件T1～T6构成的电能转换及传输装置，具备电能双向传输功能，可将储能部件1提供的直流电逆变为交流电供给电机2，也可将电机2发出的交流电整流为直流电供给储能部件1；
所述H桥4是由全控型电力电子器件T7～T10构成的励磁电流调节装置；H桥4的输出与混合励磁电机2的励磁绕组相连，通过控制功率开关器件T7～T10的通断状态，将储能部件1提供的直流电转换为混合励磁电机励磁绕组所需大小及方向的励磁电流，进而实现对混合励磁电机2内气隙磁通增强或减弱的作用。
所述信号处理电路5是由母线电压信号处理电路5-1、母线电流信号处理电路5-2、功率驱动信号处理电路5-3、励磁驱动信号处理电路5-4、励磁电流信号处理电路5-5、位置反馈信号处理电路5-6等部分组成；它们之间是彼此独 立电路；该母线电压信号处理电路5-1的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较高母线电压进行隔离降压及电平变换后转换为微处理器系统6可以识别的模拟信号：该母线电流信号处理电路5-2的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较大母线电流进行隔离降低及电平变换后转换为微处理器系统6可以识别的模拟信号；该功率驱动信号处理电路5-3的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将来自微处理器系统6的PWM1～PWM6信号进行隔离放大后分别输出至三相整流/逆变器3中电力电子器件T1～T6的驱动端口，用于控制其通断；该励磁驱动信号处理电路5-4的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将来自微处理器系统6的PWM7～PWM8信号进行隔离放大后分别输出至三相整流/逆变器3中电力电子器件T7～T10的驱动端口，用于控制其通断；该励磁电流信号处理电路5-5的结构是：由运放、电阻、电容和直流电源组成，其间关系是：直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；它是将输入的较大的励磁绕组电流进行隔离降低及电平变换后转换为微处理器系统6可以识别的模拟信号；该位置反馈信号处理电路5-6的结构是：由光电耦合器、电阻及直流隔离电源组成，其间关系是：直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，位置反馈信号与光电耦合器的输出端口连接；它是将混合励磁电机2上安装的转子位置传感器输出信号进行电平变换后转换为微处理器系统6可以识别的输入信号：上述直流电源是指能够提供直流15V、5V及3.3V的电源；上述直流隔离电源是指具备电气隔离的DC/DC变换器；上述运放的型号是OP27；上述 光电耦合器的型号是HCPL4503。
所述微处理器系统6以同时具备模拟、数字输入端口和8路PWM数字输出端口的单片机或DSP为核心，该单片机或DSP是TI公司2000系列芯片或Infineon公司C166系列芯片；该微处理器系统与信号处理电路相连接，它能够通过信号处理电路接收母线电压、母线电流、励磁电流及位置反馈信号，也能输出8路PWM数字信号用于驱动三相整流/逆变器和H桥中全控型电力电子器件。
由电压和电流传感器检测的母线电压、励磁电流和母线电流输出信号分别通过信号处理电路5-1、5-5、5-2后送入微处理器系统6；由位置传感器检测出的混合励磁电机2转子位置信号，经过位置反馈信号处理电路5-6后送入微处理器系统6用于确定转子位置和转速。
在起动汽车发动机和发电过程中，微处理器系统6根据母线电压、电流和转子位置信息确定输出PWM1～PWM6，然后通过功率驱动信号处理电路5-3后驱动三相整流/逆变器3中主功率器件T1～T6的通断。同时，进一步根据励磁电流信号，微处理器系统6输出的PWM7～PWM8通过励磁驱动信号处理电路5-4驱动H桥4中功率器件T7～T10的通断。
本实施例中的功率变换器，适用于三相交流电机起动/发电系统，尤其适用于混合励磁电机起动/发电系统。
Claims (1)
1.一种车用混合励磁起动/发电一体化电机功率变换器，其特征在于：它含有储能部件，混合励磁电机，三相整流/逆变器，H桥，信号处理电路以及微处理器系统；三相整流/逆变器和H桥相级联，三相整流/逆变器的输入、输出分别与储能部件、混合励磁电机的三相绕组连接，H桥的输出与混合励磁电机的励磁绕组相连；信号处理电路的输入分别与母线电压传感器、母线电流传感器、励磁电流传感器、电机转子位置传感器以及微处理器系统的PWM端口相连接；信号处理电路的输出分别与三相整流/逆变器中全控型电力电子器件的信号驱动端口、H桥中全控型电力电子器件的信号驱动端口以及微处理器系统的模拟及数字输入端口相连接；
所述储能部件是蓄电池或电容，或由二者共同组成；
所述混合励磁电机是交流电机，分时工作于电动状态或发电状态；
所述三相整流/逆变器是由全控型电力电子器件构成的电能转换及传输装置；
所述H桥是由全控型电力电子器件构成的励磁电流调节装置；
所述信号处理电路是由母线电压信号处理电路、母线电流信号处理电路、功率驱动信号处理电路、励磁驱动信号处理电路、励磁电流信号处理电路和位置反馈信号处理电路部分组成，它们之间是彼此独立电路；该母线电压信号处理电路由运放、电阻、电容和直流电源组成，直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；该母线电流信号处理电路由运放、电阻、电容和直流电源组成，直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；该功率驱动信号处理电路由光电耦合器、电阻和直流隔离电源组成，直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电耦合器的输出端口连接；该励磁驱动信号处理电路由光电耦合器、电阻和直流隔离电源组成，直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，微处理器输出信号与光电 耦合器的输出端口连接；该励磁电流信号处理电路由运放、电阻、电容和直流电源组成，直流电源与运放的电源端口相连，电阻与运放的输入、输出信号端口连接，电容与运放的输入信号端口连接；该位置反馈信号处理电路由光电耦合器、电阻和直流隔离电源组成，直流隔离电源与电阻输入端连接，电阻输出端与光电耦合器信号输入端口连接，位置反馈信号与光电耦合器的输出端口连接；上述直流电源是指能够提供直流15V、5V及3.3V的电源；上述直流隔离电源是指具备电气隔离的DC/DC变换器；
所述微处理器系统以同时具备模拟、数字输入端口和8路PWM数字输出端口的单片机或DSP为核心，该单片机或DSP是2000系列芯片或C166系列芯片，该微处理器系统与信号处理电路相连接。
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