CN206698144U - 用于将直流电功率转换成三相交流电功率的转换系统及采用该转换系统的电动机系统 - Google Patents

用于将直流电功率转换成三相交流电功率的转换系统及采用该转换系统的电动机系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种用于将直流电功率转换成三相交流电功率的系统，例如DC/AC转换器，包括开关臂，电压和电流变化调制电路，以及电能采集模块。该能量采集模块连接到该开关臂以及该调制电路上。本实用新型还涉及一种采用电能采集模块的电动机系统。

Description

用于将直流电功率转换成三相交流电功率的转换系统及采用 该转换系统的电动机系统
技术领域
本实用新型涉及用于将电能进行转换的转换器领域，其尤其适用于高速和/ 或变速电机。
背景技术
固态转换器是一种使得将电信号转换成具有不同特性的另一种电信号成为可能的系统。例如，转换器可以使得将交流电压转换成具有不同频率和/或幅值的另一交流电压成为可能，那么这被称作交/交或者AC/AC转换器。根据另一种例子，转换器可使得将交流电压转换成直流电压成为可能，那么这被称作交/ 直或者AC/DC转换器。对于相反的直/交转换，应用术语DC/AC转换器。根据最后的例子，转换器可将直流电压转换成具有不同电压的直流电压，那么这称作DC/DC转换器。这些转换器可以是反向的，或者也可以是非反向的。总的来说，这些转换可通过受控开关来实现。
为了从电能存储系统(例如，电池)驱动电机，特别的是，具有永磁体的电机，必须将直流电能转换成三相交流电能。这种转换可以通过DC/AC转换器的方式来进行。这种转换器必须提供彼此相对电气相移120度的三个正弦电压，其幅值直接取决于扭矩需求(但是也取决于转速)，并且其频率单独取决于与转换器连接的电机转速。
常规上，DC/AC转换器包括三个开关臂。每个开关臂包括两个受控开关和两个二极管。根据负载电流需求，一个臂可以由几个“子臂”并联组成。电机各相连接到每个臂的中点。每个臂通过在斩波周期上驱动开关的打开和闭合而单独进行控制，从而形成三相信号。在一种非限定性的方式中，DC/AC转换器可包括两个电流探针，用于测量两个相的电流。此外，DC/AC转换器可包括两个绝缘的电压探针，用于测量三相之间的合成电压。
图1示出了这种常规的DC/AC转换器。来自电能存储装置的直流电压表示为Udc。三相电动机M示意性地由三个线圈表示，分别由电流Ia，Ib和Ic来供电。该转换器包括三个开关臂A，B，C，每个开关臂A，B，C连接到电机M 的一相上。每个开关臂包括两个第二开关1和两个二极管2。开关臂A，B，C 并联设置在电压转换器两个直流输入相Udc之间。开关臂A，B，C的输出相连接到开关臂的中点(两个开关之间)上。
图2代表了对于常规DC/AC转换器(如上参考图1所述)的用于开关的控制信号COM，开关端子上的电压Udc和电流Ic，其中控制信号COM具有50％的恒定占空比。对于控制信号COM，脉冲的低部对应于开关打开，脉冲的高部对应于开关闭合。这种开关情形称作硬开关或者《开/断》式开关。注意，对于转换器的这种设计，将出现电压Udc和电流Io的过冲(overshoot)。Io对应于 Ic的永久值。Io对应于发送到电动机上的电流。
因此，这种常规的转换器设计的主要缺陷如下：
·开关损耗：这种设计显示出明显的开关损耗，其将导致其使用与高开关频率不兼容，因此对于非常高速度使用的电机将不兼容，
·电流/电压过冲：如图2所示，这种策略在开关的瞬时切换时表现出电压和电流过冲。因此，这种类型的驱动要求在转换器(也称作逆变器)的设计中需要在不同组件上的电压和电流上采用裕量。这样将使得所使用的组件超尺寸， (例如，对于300伏特的DC母线电压，使用额定电压为600伏特的IGBT开关)，以及
·明显的电磁辐射(EMC)。
通过从“硬开关”策略的缺陷(损耗，与高速电动机的不兼容)入手，研究了一种所谓的软开关设计。因此，为了限制开关上电流和电压的过冲，将线圈和电容器添加到前述电路中。该线圈调制电流的变化di/dt(导通)，电容器调制电压的变化dv/dt(关断)。此外，为了确保电路的操作，并且因此确保零能量平衡，将电阻器添加到电路中的在所使用的电源电压和电容性电路之间。该电阻器使得确保该电路的操作，并降低回该电容性电路终端的电压成为可能。这种DC/AC转换器设计特别地在专利申请WO 11016854中描述。
图3表示了开关臂(具有两个开关1)的简化示意图，其具有用于软开关的电容器Cs，线圈Ls，电阻器R以及电容器Cov。该电路作为“Undeland缓冲器”已被公知。电压Udc对应于直流电能存储装置的端子处的电压。线圈Ls设置在直流输入相Udc和开关臂A之间。支路从线圈Ls和开关臂A之间的节点开始，该支路包括两个二极管D，到达电阻器R和电容器Cov之间的节点上。电阻器 R的另一端连接到转换器的直流输入相上。电容器Cs的另一端连接到开关臂A 的交流输出相上。电容器Cov的另一端连接到地。电容器Cs使得调制开关端子处的电压变化成为可能。因为开关的软开关，该电容器存储了能量的一部分。该能量的另一部分存储在较高值的电容器Cov中。接下来，存储在电路电容器中的能量通过电阻器返回到所使用的存储系统(电池)中。线圈Ls使得调制开关端子处的电流变化成为可能。事实上，由线圈Ls产生的能量并不完全存储在电容器Cs中，因此，需要比Cs值更高的第二电容器Cov。该电阻器确保了系统的操作，并使得降低回电压Vrec成为可能。
以与图2类似的方式，图4展现了基于所谓的“软”开关的开关信号COM，开关的电压Udc和电流Ic的变化。对于控制信号COM，该脉冲的低部对应于开关打开，该脉冲的高部对应于开关闭合。在该附图中，应该注意到，电压Udc 和电流Ic的过冲与所谓的“硬”开关相比减小了。
软开关的优点在于：
·降低开关损耗，该转换器的这种设计与高开关频率兼容，因此，该设计可用于驱动高速电机，
·开关上电压和电流的过冲小，因此，不再需要超尺寸的组件，以及
·在转换期间开关端子处的电压和电流变化分别通过Ls和Cs的选择进行调制。
然而，该转换器的这种设计呈现出一个主要的缺点，其需要在电阻器中消耗能量，其目的是使得无源元件的能量平衡为零，因此降低回电压Vrec，这意味着能量损耗，因此降低了转换器效率。
实用新型内容
为了克服这些缺陷，本实用新型的目的在于提供一种DC/AC转换器，包括电压和电流变化调制电路(从而产生软开关)以及电能采集模块。该电压和电流变化调制电路使得降低损耗，并限制开关上的电压和电流过冲成为可能。电能采集模块使得替代调制电路的电阻器，从而减小了能量损耗成为可能。
为了实现上述发明目的，本实用新型提供了一种用于将直流电功率转换成三相交流电功率的转换系统，包括三个开关臂，电压和电流变化调制电路，该电压和电流变化调制电路包括用于所述转换系统的每个交流输出相的第二电容器和线圈。所述转换系统包括连接到所述开关臂和所述调制电路的电能采集模块。
根据本实用新型，所述电能采集模块包括至少一个电感器，以及至少一个第一开关。
有利的是，所述电能采集模块包括连接在节点上的三个支路，其中：
-第一支路包括第一开关，
-第二支路包括第一二极管，以及
-第三支路包括电感器。
优选的是，所述电能采集模块包括位于所述第一支路上的第一电容器。
根据一个实施例，所述调制电路包括设置在所述转换系统的直流输入相和所述开关臂的节点之间的线圈。
有利的是，所述调制电路的每个第二电容器连接到所述转换系统的交流输出相并连接到所述调制电路的所述线圈和所述开关臂之间的节点和第三电容器。
根据本实用新型的一个方面，所述电能采集模块设置在所述转换系统的直流输入相和所述开关臂和所述调制电路的所述第二电容器之间的节点之间。
根据一个特点，该电能采集模块连接到所述转换系统的所述直流输入相的点是所述电能采集模块的所述第三支路在所述电感器和地之间的点，所述电能采集模块连接到所述开关臂和所述调制电路的所述第二电容器之间的所述节点上的点是所述电能采集模块的所述第一支路在所述第一开关和所述第一电容器之间的点。
根据一个变形实施例，每个开关臂包括两个第二开关和两个第二二极管，所述转换系统的输出相连接到每个开关臂的中点。
优选的是，所述第二开关是MOSFET和/或IGBT开关。
根据本实用新型的设计，所述转换系统包括至少两个电流探针。
此外，所述转换系统可包括至少两个电压探针。
优选的是，所述转换系统是双向的。
此外，本实用新型还涉及一种电动机系统，包括至少一个电能存储装置和一个三相电机。该电动机系统包括根据前述特点中的一个的转换系统，用于将所述电能存储装置中的直流电能转换成用于所述电机的三相交流电能。
附图说明
根据本实用新型的系统的其他特点和优点将结合下面描述的附图来阅读下面非限制性示意实施例的描述变得清楚。
图1，已经描述过，示出了根据现有技术的具有硬开关的常规DC/AC转换器。
图2，已经描述过，示出了用于根据图1设计的DC/AC转换器的一个相中的开关信号，电压和电流。
图3，已经描述过，示出了根据现有技术的具有软开关的DC/AC转换器。
图4，已经描述过，示出了用于根据图3设计的DC/AC转换器的一个相中的开关信号，电压和电流。
图5a示出了用于根据本实用新型的转换器的电能采集模块的一个实施例。
图5b示出了图5a的电能采集模块的电阻等效模型。
具体实施方式
本实用新型涉及DC/AC转换系统(转换器)，其使得将直流电能转换成三相交流电能成为可能。有利的是，根据本实用新型的该转换系统可以是双向(可逆的)的。因此，通过根据本实用新型的转换系统，可将三相交流电能转换成直流电能。
常规上，根据本实用新型的该转换系统包括三个开关臂，一个直流输入相以及三个交流输出相。三个开关臂的设计可以与根据现有技术的DC/AC转换器的类似，例如，该设计可以遵照图1的设计。因此，每个转换器臂可以包括两个受控开关和两个二极管。这些二极管与开关并联设置，并允许电流可以在单个方向上通行。如所公知的，开关的控制使得产生交流电压成为可能。该转换系统的交流输出相连接到每个开关臂的中点，也就是说连接在两个开关之间。
根据本实用新型的一个特点，根据DC母线输入电压，这些开关可以是 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和/或IGBT(绝缘栅双极晶体管) 型的开关。
优选的是，这些开关可以由脉冲宽度调制(PWM)方法来进行控制。该调制方法的总体原则是，通过将一连串的离散状态施加于选择好的时间段，就可能得到基于特定时间段上平均值的任何中间值。
根据本实用新型，该转换系统还包括电压和电流调制电路。该电压和电流调制电路可以允许软开关，其使得限制开关损耗，限制开关上的电压和电流过冲成为可能。该调制电路包括线圈以及用于每一相的电容器，其中线圈调制电流的变化，电容器调制电压的变化。
根据本实用新型的一个实施例，该调制电路包括连接开关系统的直流输入相与开关臂的线圈。此外，该开关电路包括用于每一相的电容器(因此，共计三个电容器，三个开关臂中的每个开关臂用一个电容器)，其连接交流输出相与调制电路的线圈和调制臂之间的节点。根据一个示意性实施例，根据本实用新型的转换器系统的调制电路的设计可对应于图3所示的软开关的设计，而没有电阻器R。此外，为了产生该转换系统的三个臂，该方案可重复三次(每个开关臂一次)。此外，到储能系统以及电机的连接可以与图1所示的常规转换器的连接类似。
根据本实用新型，该转换系统还包括电能采集模块。因此，该转换系统并不包括任何电阻器，在现有技术中电阻器消耗了能量。相反，替代了电阻器的该电能采集模块通过采集在所谓的软开关中提供的能量并且通过将其发送到连接到该转换系统直流相上的电能存储装置(例如电池)中，使得采集所述软开关中提供或产生的能量成为可能。因此，极大减小了电损耗。该电能采集模块连接到开关臂和调制电路上。
根据一种可行设计，该电能采集模块可包括至少一个电感器，至少一个二极管，至少一个电容器以及至少一个开关。该开关被控制成可以允许电能采集以及将其转移到电能存储装置中。
根据本实用新型的变形实施例，该电能采集模块可包括在一个节点连接的三个支路，其中：
-第一支路包括开关，
-第二支路包括二极管，以及
-第三支路包括电感器。
因此，可将该转换系统的印刷电路板专门修改成使用与高开关频率兼容的软开关转换器的设计，同时由于为了确保该调制电路的操作而加入的无源电路使得损耗最小化。
图5a以非限制性的方式示意性地表示了这种电能采集模块。该电能采集模块包括在节点P处连接的三个支路，其中：
-第一支路具有开关6，
-第二支路包括二极管4(其中，电流iL取决于其端子环路上的电压)，以及
-第三支路包括电感器Lrec。
在图5a中，电容器5表示电能储能装置(电池)的电容，并且不是电能采集模块的组件。电容器5设置在电感器Lrec和接地之间。
此外，电容器3表示了电容Crec，其是电能采集模块的组件。该电容器3 设置在开关和接地之间。
二极管4设置在三个支路的节点和接地之间。
通过驱动开关(其占空比)，使得驱动在Vrec和Udc之间循环的电流iL(发送给电池的电流)成为可能。
因此，通过考虑由电能采集模块和电能存储装置的电容器形成的装配件，该装配件由设置在点P和接地之间的三条并联支路形成，其中：
-第一支路包括开关6和电容器3，
-第二支路包括二极管4，以及
-第三支路包括电感器Lrec和电能存储装置的电容5。
当开关闭合时，二极管处于阻断模式，并且在线圈Lrec(图5a所示)中循环的电流iL等于
当开关打开时，二极管处于导通模式，并且在线圈Lrec(图5a所示)中循环的电流iL等于
因此，通过驱动开关的打开和闭合时间，使得控制电流iL的平均值，并且具有与电阻电路等效的操作成为可能。
图5b以非限制性的方式表示了图5a所示的电能采集模块的等效电路图。因此，电能采集模块等效于等效电阻Req，其中电流iL循环，但是不消耗电能。
对于该变形实施例，该电路的平均电流可以表达为下面的形式：
其中，
-T是开关的开关周期，
-Vrec是电能采集电压，
-Udc是直流输入相电压，
-Lrec是电能采集模块的电感，
-Req是等效电阻，
-Fsw表示开关的开关频率。
优选的是，这种电能采集模块安装在配备有调制电路的转换系统中，这样电能采集模块设置在转换系统的直流输入相和开关臂与调制电路的电容器间的节点之间。对于图5a的实施例，该电能采集模块可以这样连接，使得：
-电能采集模块连接到该转换系统的直流输入相(电压Udc)的点对应于该电能采集模块的第三支路在电感器Lrec和第二电容器5(该电容器是电池的电容)之间的点，以及
-电能采集模块连接到开关臂(电压Vrec)和调制电路的电容器之间的节点的点对应于电能采集模块的第一支路在开关6和第一电容器3之间的点。
根据本实用新型的一个变形实施例，该转换系统可包括用于测量两相中的电流的至少两个电流探针。
根据本实用新型的一个变形实施例，该转换系统可包括用于测量各相之间的合成电压的至少两个绝缘的电压探针。
这些电流和电压传感器可用于控制开关臂。
根据本实用新型的转换系统使得驱动用于各种场合的电机，尤其是具有高逆变器(转换器)效率的非常高速旋转的电机，成为可能。
根据本实用新型的转换器可以提供嵌入式用途，尤其是在车辆中，特别是陆、空或者海的。
根据本实用新型的转换系统还可用于非嵌入式电能产生系统，例如涡轮，微型涡轮或者风轮机。
此外，本实用新型涉及一种电动机系统，包括至少一个电能存储装置，例如电池，以及一个三相电机，例如永磁电机。该电动机系统包括根据上述实施例中的一个实施例的转换系统，将来自所述电能存储装置的直流电能转换成用于所述电机的三相交流电能，并且可以反向。因此，通过该转换系统，可驱动该电机，同时限制了电气损耗。此外，如果该转换系统是双向的(可逆的)，那么其也使得存储通过电机旋转所产生的电能(例如，在电池中)成为可能。
比较例：
提供一个比较例，以便比较根据本实用新型的转换系统的损耗和根据现有技术的DC/AC转换系统的损耗。测试的根据本实用新型的系统对应于图5a的实施例。现有技术的DC/AC转换系统分别对应于根据图1和3的实施例的硬开关和软开关。
对于该例，用于额定功率为50kW的逆变器的值如下：
-Ls～＝300microH，
-Cs～＝6.8nanoF，
-Cov～＝1410nanoF，
-Vrec～＝1.5Vbus，
-Lrec＝56microH，
-Crec＝20nanoF，
-开关类型：IGBT。
表1-比较例
应该注意，与根据现有技术的转换系统相比，该转换系统使得减小总损耗约42.5％成为可能。这种减小是由于减小了与软开关关联的开关损耗(相对于硬开关开关损耗减小了50％)，并且还通过减小了所加入电路中消耗的损耗(相对于软开关消耗损耗减小了85％)。

Claims (14)

1.用于将直流电功率转换成三相交流电功率的转换系统，包括三个开关臂(A，B，C)、电压和电流变化调制电路，该电压和电流变化调制电路包括用于所述转换系统每个交流输出相的第二电容器(Cs)和线圈(Ls)，其特征在于：所述转换系统包括与所述开关臂(A，B，C)以及所述调制电路连接的电能采集模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电能采集模块包括至少一个电感器(Lrec)以及至少一个第一开关(6)。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电能采集模块包括连接在节点(P)上的三个支路，其中：
-第一支路包括所述第一开关(6)，
-第二支路包括第一二极管(4)，以及
-第三支路包括电感器(Lrec)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电能采集模块包括所述第一支路上的第一电容器(3)。
5.根据权利要求1-4中的任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述调制电路包括设置在所述转换系统的直流输入相和所述开关臂的节点之间的线圈。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制电路的每个第二电容器(Cs)连接到所述转换系统的交流输出相并连接到所述调制电路的所述线圈(Ls)和所述开关臂(A，B，C)之间的节点和第三电容器(Cov)上。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电能采集模块设置在所述转换系统的直流输入相以及所述开关臂(A，B，C)和所述调制电路的所述第二电容器(Cs)之间的节点之间。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电能采集模块连接到所述转换系统的所述直流输入相上的点是所述电能采集模块的所述第三支路在所述电感器(Lrec)和接地之间的点，并且所述电能采集模块连接到所述开关臂(A，B，C)和所述调制电路的所述第二电容器之间的所述节点上的点是所述电能采集模块的所述第一支路在所述第一开关(6)和所述第一电容器(3)之间的点。
9.根据权利要求1-4中的任一项权利要求所述的系统，其特征在于，每个开关臂包括两个第二开关(1)和两个第二二极管(2)，所述转换系统的输出相连接到每个开关臂的中点。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二开关(1)是MOSFET和/或IGBT开关。
11.根据权利要求1-4中的任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述转换系统包括至少两个电流探针。
12.根据权利要求1-4中的任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述转换系统包括至少两个电压探针。
13.根据权利要求1-4中的任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述转换系统是双向的。
14.电动机系统，包括至少一个电能存储装置和一个三相电机(M)，其特征在于：该电动机系统包括根据权利要求1-13中的任一项权利要求所述的转换系统，用于将来自所述电能存储装置的直流电能转换成用于所述电机的三相交流电能。
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