RU219300U1

RU219300U1 - Traction drive inverter

Info

Publication number: RU219300U1
Application number: RU2023112509U
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Гусев; Станислав Борисов; Александр Алексеевич Атарщиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Мехатроника-Томск"
Filing date: 2023-05-16
Publication date: 2023-07-11

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для управления тяговым электродвигателем электрического транспортного средства, в качестве которого может использоваться асинхронный двигатель и синхронный двигатель с постоянными магнитами. В корпусе инвертора размещены плата управляющего модуля и одна или несколько плат сегмента инвертора. Несколько плат сегмента инвертора устанавливают для наращивания мощности и соединяют шинами в горизонтальном направлении вдоль оси шины, за счет чего обеспечивается сохранение габаритов вертикальном направлении. Шины обеспечивают электрическое соединение аккумуляторной батареи с конденсаторами звена постоянного тока, блоком торможения и входом трехфазного моста, а также выхода трехфазного моста с электродвигателем. Плата управляющего модуля содержит микроконтроллер, обеспечивающий управление полупроводниковыми ключами трехфазного моста, реализуя скалярное и векторное управление электродвигателем, а также функции управления движением. Плата управляющего модуля содержит также регистратор, оборудованный энергонезависимой памятью, предназначенный для формирования журнала событий. The utility model relates to the field of electrical engineering and is designed to control the traction motor of an electric vehicle, which can be an asynchronous motor and a synchronous motor with permanent magnets. The inverter housing houses the control module board and one or more inverter segment boards. Several boards of the inverter segment are installed to increase power and connected with bars in the horizontal direction along the axis of the bus, thereby maintaining the dimensions in the vertical direction. The busbars provide the electrical connection between the battery and the DC link capacitors, the braking unit and the input of the three-phase bridge, as well as the output of the three-phase bridge with the electric motor. The control module board contains a microcontroller that controls the semiconductor switches of a three-phase bridge, realizing scalar and vector motor control, as well as motion control functions. The control module board also contains a recorder equipped with non-volatile memory, designed to generate an event log.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и предназначено для управления тяговым электродвигателем электрического транспортного средства, в качестве которого может использоваться асинхронный двигатель и синхронный двигатель с постоянными магнитами.The utility model relates to the field of electrical engineering and is designed to control the traction motor of an electric vehicle, which can be an asynchronous motor and a synchronous motor with permanent magnets.

Из уровня техники известен тяговый инвертор для гибридных электрических и полностью электрических транспортных средств [Audrey Dearien. HEV/EV Traction Inverter Design Guide Using Isolated IGBT and SiC Gate Drivers. Application Note. Texas Instruments Incorporated. SLUA963B, published june 2020, revised october 2022], который содержит микроконтроллер, силовые модули IGBT или SiC MOSFET и датчики их температуры, конденсаторы звена постоянного тока, блок управления питанием, блоки датчиков, схемы защиты и контроля, интерфейсы обмена информацией, а также гальваническую развязку. Силовые модули образуют трехфазную мостовую схему, которая включает шесть полностью управляемых полупроводниковых ключей (IGBT или SiC MOSFET) с гальванически развязанными драйверами для усиления сигнала модуляции от микроконтроллера. Силовые модули контролируют подачу тока на тяговый электродвигатель для создания движения. Они объединены в три плеча трехфазного моста, который преобразуют напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в три фазы переменного напряжения и тока для тягового электродвигателя. Полупроводниковые ключи, из которых состоят силовые модули, контролируются и защищаются путем измерения их температуры, напряжения и тока в течение всей их работы. Для коммутации полупроводниковых ключей драйверами генерируются сигналы управления с использованием широтно-импульсной модуляции или пространственно-векторной модуляции. При работе тягового электродвигателя сигналы его напряжения, тока и положения считываются и в качестве обратных связей передаются в микроконтроллер. Микроконтроллер реализует управление путем изменения модуляции полупроводниковых ключей тягового инвертора. В качестве способа управления может использоваться векторное управление, в котором используются две фазы тока тягового электродвигателя и его положение. The prior art traction inverter for hybrid electric and all-electric vehicles [Audrey Dearien. HEV/EV Traction Inverter Design Guide Using Isolated IGBT and SiC Gate Drivers. Application note. Texas Instruments Incorporated. SLUA963B, published june 2020, revised october 2022], which contains a microcontroller, IGBT or SiC MOSFET power modules and their temperature sensors, DC link capacitors, power management unit, sensor blocks, protection and control circuits, communication interfaces, and galvanic isolation. The power modules form a three-phase bridge circuit that includes six fully controlled semiconductor switches (IGBT or SiC MOSFET) with galvanically isolated drivers to amplify the modulation signal from the microcontroller. The Power Modules control the supply of current to the traction motor to generate motion. They are combined into three legs of a three-phase bridge that converts the DC voltage of the battery into three phases of AC voltage and current for the traction motor. The semiconductor switches that make up the power modules are monitored and protected by measuring their temperature, voltage and current throughout their operation. To switch semiconductor switches, drivers generate control signals using pulse-width modulation or space vector modulation. During operation of the traction motor, the signals of its voltage, current and position are read and transmitted as feedback to the microcontroller. The microcontroller implements control by changing the modulation of the semiconductor switches of the traction inverter. As a control method, vector control can be used, which uses two phases of the current of the traction motor and its position.

Та же архитектура реализована в ряде известных технических решений, таких как автомобильный тяговый преобразователь [Машали А., Наканиши М., Плавинский Р., Морозов А. Автомобильный тяговый преобразователь с использованием технологии SIC от компании Rohm. Силовая электроника. 2019. № 4(79). С. 18-20. EDN HDGMEL], тяговый инвертор серии DTI [Тяговий інвертор D-TRACTION для двигунів змінного струму. Iнфолист. www.DiadaGroup.com (дата обращения 10.04.2023)], тяговый инвертор SKAI LV [E-Mobility and Utility Electric Vehicles. Power Electronics. www.semikron-danfoss.com (дата обращения 10.04.2023)]. Недостатком описанных технических решений является увеличение габаритов тягового инвертора при наращивании мощности, поскольку с увеличением мощности требуется использовать силовой модуль с полупроводниковыми ключами, имеющими более высокую пропускную способностью по току, а следовательно, более высокие габариты, что для электрических транспортных средств критично, особенно в вертикальном направлении. Общими признаками с заявляемым устройством являются наличие микроконтроллера, полупроводниковых ключей, объединенных в трехфазный мост, конденсаторов звена постоянного тока, драйверов, блока защиты, интерфейсов обмена информацией, а также возможность реализации векторного управления. The same architecture is implemented in a number of well-known technical solutions, such as an automotive traction converter [Mashali A., Nakanishi M., Plavinsky R., Morozov A. Automobile traction converter using SIC technology from Rohm. Power electronics. 2019. No. 4(79). pp. 18-20. EDN HDGMEL], traction inverter of the DTI series [D-TRACTION traction inverter for wind turbine engines. Infolist. www.DiadaGroup.com (accessed 04/10/2023)], traction inverter SKAI LV [E-Mobility and Utility Electric Vehicles. power electronics. www.semikron-danfoss.com (accessed 04/10/2023)]. The disadvantage of the described technical solutions is the increase in the dimensions of the traction inverter with increasing power, since with an increase in power it is required to use a power module with semiconductor switches having a higher current carrying capacity and, consequently, larger dimensions, which is critical for electric vehicles, especially in the vertical direction. Common features with the claimed device are the presence of a microcontroller, semiconductor switches combined into a three-phase bridge, DC link capacitors, drivers, a protection unit, information exchange interfaces, as well as the possibility of implementing vector control.

Известен инвертор транспортного исполнения [Ефимов М.В., Симоненков Д.В. Инвертор транспортного исполнения. RU 2788306 C1. Опубл. 17.01.2023, Бюл. № 2], который состоит из алюминиевого корпуса, силового модуля IGBT, силового конденсатора, датчиков выходного тока, печатной платы системы управления (управляющий модель) двухслойного исполнения, колодки подключения, гермовводов, при этом силовой модуль IGBT крепится к основному корпусу инвертора, который также совмещает функцию жидкостного охлаждения, а выходные шины с модуля IGBT через датчики тока на основе эффекта холла подключаются к колодке (разъему) подключения инвертора, которая служит для подключения входного напряжения постоянного тока (от аккумуляторной батареи) и выхода трех фаз электродвигателя, при этом входное напряжение посредством шин подключается к силовому конденсатору звена постоянного тока и далее через терминалы к модулю IGBT, а внешний разъем сигнальных интерфейсов подсоединяется непосредственно к печатной плате системы управления, которая включает в себя датчик напряжения звена постоянного тока и систему управления, содержащую внешние интерфейсы (интерфейсы обмена информацией) и драйверы. Силовой модуль IGBT с помощью широтно-импульсной модуляции формирует выходное напряжение и таким образом реализует векторное управление, причем имеется возможность управления синхронным и асинхронным двигателем. Наличие датчиков выходного тока позволяет организовать обратную связь по току обмоток двигателя. Данное конструктивное выполнение обеспечивает питание собственных нужд, интерфейс CAN в качестве интерфейса обмена информацией, использование в качестве датчика скорости электродвигателя резольвера или энкодера, наличие гальванически изолированных датчиков температуры, управление цепью перезаряда, защиту от аварийных ситуаций. Данный инвертор транспортного исполнения содержит универсальный аппаратный интерфейс для всех типов двигателей в части датчиков положения ротора и скорости. Недостатком описанного инвертора транспортного исполнения является увеличение габаритов вертикальном направлении при наращивании мощности. Known inverter transport performance [Efimov M.V., Simonenkov D.V. Transport version inverter. EN 2788306 C1. Published 01/17/2023, Bull. No. 2], which consists of an aluminum case, an IGBT power module, a power capacitor, output current sensors, a printed circuit board of the control system (control model) of a two-layer design, a connection block, sealed leads, while the IGBT power module is attached to the main body of the inverter, which also combines the function of liquid cooling, and the output buses from the IGBT module are connected through current sensors based on the Hall effect to the block (connector) for connecting the inverter, which serves to connection of the input DC voltage (from the battery) and the output of the three phases of the electric motor, while the input voltage is connected through the tires to the power capacitor of the DC link and then through the terminals to the IGBT module, and the external connector of the signal interfaces is connected directly to the printed circuit board of the control system, which includes a DC link voltage sensor and a control system containing external interfaces (information exchange interfaces) and drivers. The IGBT power module generates an output voltage using pulse width modulation and thus implements vector control, and it is possible to control a synchronous and asynchronous motor. The presence of output current sensors allows you to organize feedback on the current of the motor windings. This design provides power supply for own needs, the CAN interface as an information exchange interface, the use of a resolver or encoder as a speed sensor of the electric motor, the presence of galvanically isolated temperature sensors, control of the recharge circuit, and protection against emergency situations. This transport version inverter contains a universal hardware interface for all types of motors in terms of rotor position and speed sensors. The disadvantage of the described inverter of the transport version is the increase in dimensions in the vertical direction with increasing power.

Общими признаками с заявляемым устройством является использование IGBT в качестве полупроводниковых ключей, применение шин к которым подключаются разъемы для подключения аккумуляторной батареи и трех фаз электродвигателя, наличие печатной платы управляющего модуля, драйверов, внешних интерфейсов обмена информацией, включая интерфейс CAN, наличие питания собственных нужд, блока защиты, использование энкодера в качестве датчика скорости электродвигателя, осуществление векторного управления с помощью широтно-импульсной модуляции, обеспечение возможности управления синхронным и асинхронным двигателем. Common features with the claimed device are the use of IGBTs as semiconductor switches, the use of tires to which connectors are connected for connecting the battery and three phases of the electric motor, the presence of a printed circuit board of the control module, drivers, external interfaces for information exchange, including the CAN interface, the presence of auxiliary power, a protection unit, the use of an encoder as a motor speed sensor, the implementation of vector control using pulse-width modulation, providing the ability to control a synchronous and asynchronous motor.

Известен также инвертор CRD600DA12E-XM3 [Фетадо М., Мартин Д., Карташов Е., Смирнова В. Компактный и легкий тяговый инвертор мощностью 600 кВт на SiC MOSFET-модулях Wolfspeed. Силовая электроника. 2022. № 1(94). С. 68-72. EDN MOIDTA], который имеет сегментированное исполнение. Он содержит два силовых модуля SiC MOSFET (сегмента), каждый из которых состоит из полупроводниковых ключей, объединенных в трехфазный мост, и управляется своими драйверами. В конструкции силовых модулей предусмотрены перекрывающиеся планарные шины, обеспечивающие снижение паразитной индуктивности, имеются встроенные датчики температуры. На выходных терминалах предусмотрено шесть датчиков тока. Выходные терминалы обоих силовых модулей обеспечивают подключение к трем фазам одного электродвигателя. Силовые модули смонтированы на верхней и нижней плоскости теплостока жидкостного охлаждения, сверху на каждый силовой модуль установлена плата управления с драйверами. В звене постоянного тока используется специализированный блок конденсаторов, имеющий интегрированную ламинированную шину, подключенную к силовым выводам с обеих сторон радиатора. Для управления используется микроконтроллер, предусмотрена возможность измерения тока, напряжения и температуры. Имеются интерфейсы обмена информацией, включая интерфейс CAN. Инвертор помещен в корпус с ручками и опорам для удобства транспортирования. Описанная конструкция обеспечивает повышенную плотность мощности тягового инвертора. Недостатком данного инвертора является вертикальная компоновка, вызывающая увеличение габаритов вертикальном направлении. The CRD600DA12E-XM3 inverter is also known [Fetado M., Martin D., Kartashov E., Smirnova V. A compact and lightweight 600 kW traction inverter based on Wolfspeed SiC MOSFET modules. Power electronics. 2022. No. 1(94). pp. 68-72. EDN MOIDTA], which has a segmented design. It contains two SiC MOSFET power modules (segments), each of which consists of semiconductor switches combined into a three-phase bridge, and is controlled by its own drivers. The power modules are designed with overlapping planar busbars to reduce parasitic inductance and have built-in temperature sensors. There are six current sensors on the output terminals. The output terminals of both power modules provide connection to three phases of the same motor. The power modules are mounted on the upper and lower planes of the liquid cooling heat sink; a control board with drivers is installed on top of each power module. The DC link uses a dedicated capacitor bank with an integrated laminated bus bar connected to the power leads on both sides of the heatsink. A microcontroller is used for control, it is possible to measure current, voltage and temperature. Communication interfaces are available, including the CAN interface. The inverter is placed in a case with handles and supports for easy transportation. The described design provides an increased power density of the traction inverter. The disadvantage of this inverter is the vertical layout, which causes an increase in dimensions in the vertical direction.

Общими признаками с заявляемым устройством являются сегментированное исполнение инвертора, объединение полупроводниковых ключей в трехфазный мост, наличие драйверов, конденсаторов в звене постоянного тока, микроконтроллера, а также внешних интерфейсов обмена информацией, включая интерфейс CAN. Common features with the claimed device are the segmented version of the inverter, the combination of semiconductor switches into a three-phase bridge, the presence of drivers, capacitors in the DC link, a microcontroller, as well as external information exchange interfaces, including the CAN interface.

Также известен сегментированный тяговый привод [Su G.-J., Tang L. A segmented traction drive system with a small dc bus capacitor. 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Raleigh, NC, USA. 2012, pp. 2847-2853, doi: 10.1109/ECCE.2012.6342375], который включает звено постоянного тока с конденсаторами и трехфазный инвертор сегментированного исполнения. Со стороны звена постоянного тока предусматривается подключение аккумуляторной батареи электрического транспортного средства, а со стороны инвертора подключение трехфазного электродвигателя. Возможно подключение асинхронного двигателя и синхронного двигателя с постоянными магнитами. Инвертор разделен на два сегмента, каждый является независимым блоком привода, в котором полупроводниковые ключи объединены в трехфазный мост. В качестве полупроводниковых ключей используются IGBT. Коммутация IGBT в независимых блоках привода осуществляется таким образом, чтобы свести к минимуму пульсации тока в звене постоянного тока. Возможно использование пространственной широтно-импульсной модуляции и широтно-импульсной модуляции с чередованием несущих. Управление скоростью и (или) крутящим моментом электродвигателя осуществляется с помощью векторного управления используя измеренный ток двух из трех фаз электродвигателя, а также его скорость или положение ротора. Для реализации управления электродвигателем микроконтроллер выдает набор трехфазных сигналов модуляции напряжения, которые затем сравниваются с двумя идентичными несущими со смещением фазового угла, с помощью которых генерируются чередующиеся сигналы широтно-импульсной модуляции для двух независимых блоков привода. Смещение фазового угла несущих сигналов способствует гашению пульсаций тока в звене постоянного тока, в результате чего достигается снижение размеров конденсаторов на величину 55-75%. Кроме того, сегментированное исполнение в инверторе позволяет использовать более низкую частоту коммутации, сохраняя при этом низкий уровень гармонических составляющих в токе двигателя. В конструкции независимых блоков привода используются силовые модули IGBT, устанавливаемые на охлаждающей пластине с водяным охлаждением. Конденсаторы устанавливаются на алюминиевом радиаторе, прикрепленном к своей охлаждающей пластине. Недостатком прототипа является отсутствие цифровых интерфейсов связи, а также цифровых и аналоговых входов и выходов.Also known segmented traction drive [Su G.-J., Tang L. A segmented traction drive system with a small dc bus capacitor. 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Raleigh, NC, USA. 2012, pp. 2847-2853, doi: 10.1109/ECCE.2012.6342375], which includes a DC link with capacitors and a segmented three-phase inverter. On the side of the DC link, the connection of the battery of the electric vehicle is provided, and on the side of the inverter, the connection of a three-phase electric motor. It is possible to connect an asynchronous motor and a synchronous motor with permanent magnets. The inverter is divided into two segments, each is an independent drive unit in which semiconductor switches are combined into a three-phase bridge. IGBTs are used as semiconductor switches. The switching of IGBTs in independent drive units is carried out in such a way as to minimize current ripple in the DC link. It is possible to use spatial pulse-width modulation and interleaved pulse-width modulation. The speed and/or torque of the motor is controlled by vector control using the measured current of two of the three phases of the motor, as well as its speed or rotor position. To implement motor control, the microcontroller outputs a set of three-phase voltage modulation signals, which are then compared to two identical phase-angle-shifted carriers, which generate alternating pulse-width modulation signals for two independent drive units. The shift of the phase angle of the carrier signals contributes to the damping of the current ripples in the DC link, resulting in a reduction in the size of the capacitors by 55-75%. In addition, the segmented design in the inverter allows the use of a lower switching frequency while maintaining low harmonics in the motor current. The design of independent drive units uses IGBT power modules mounted on a water-cooled cooling plate. The capacitors are mounted on an aluminum heatsink attached to its own cooling plate. The disadvantage of the prototype is the lack of digital communication interfaces, as well as digital and analog inputs and outputs.

Общими признаками с заявляемым устройством является наличие микроконтроллера, звена постоянного тока с конденсаторами, сегментированное исполнение инвертора, объединение полупроводниковых ключей в трехфазный мост, использование IGBT в качестве полупроводниковых ключей, возможность подключения асинхронного двигателя и синхронного двигателя с постоянными магнитами, использование векторного управления. Common features with the claimed device are the presence of a microcontroller, a DC link with capacitors, a segmented version of the inverter, the combination of semiconductor switches into a three-phase bridge, the use of IGBTs as semiconductor switches, the ability to connect an induction motor and a synchronous motor with permanent magnets, the use of vector control.

Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств для управления тяговыми электродвигателями электрических транспортных средств. Техническим результатом полезной модели является сохранение габаритов вертикальном направлении при наращивании мощности.The problem solved by the claimed utility model is to expand the arsenal of technical means for controlling traction motors of electric vehicles. The technical result of the utility model is the preservation of dimensions in the vertical direction while increasing power.

Технический результат достигается тем, что в инверторе тягового привода, имеющем сегментированное исполнение, содержатся платы, размещенные на стойках в едином корпусе с радиатором, среди плат имеется плата управляющего модуля, включающая источник питания собственных нужд, микроконтроллер, обеспечивающий с помощью драйверов управление полупроводниковыми ключами в режиме широтно-импульсной модуляции, с программным обеспечением, реализующим скалярное и векторное управление электродвигателем, а также реализующим функции управления движением электрического транспортного средства, блок защит программный, использующий информацию от датчика напряжения звена постоянного тока и датчиков выходного тока и обеспечивающий защиту силовых ключей от короткого замыкания, максимального и сквозного тока, защиту от снижения или отсутствия напряжения питания и защиту от перегрева, цифровые и аналоговые входы и выходы, включая энкодер в качестве датчика скорости электродвигателя, и интерфейсы обмена информацией, включая интерфейсы обмена информацией CAN и RS485, подключенные к микроконтроллеру через блок преобразования сигналов, а также регистратор, оборудованный энергонезависимой памятью, предназначенный для формирования журнала событий с отслеживанием режимов эксплуатации и возникающих аварийных ситуаций, а также имеется плата сегмента инвертора, включающая в свой состав конденсаторы, стабилизирующие напряжение в звене постоянного тока, и полупроводниковые ключи, объединенные в трехфазный мост, блок торможения с полупроводниковыми ключами и резисторами, обеспечивающий управление электродвигателем при останове, причем в качестве полупроводниковых ключей везде используются IGBT, плата сегмента инвертора содержит также шины, к которым через разъемы подключаются выводы трех фаз электродвигателя, в качестве которого допускается асинхронный двигатель и синхронный двигатель с постоянными магнитами, выводы аккумуляторной батареи, а также клеммы тормозного резистора, а сами шины обеспечивают электрическое соединение аккумуляторной батареи с конденсаторами звена постоянного тока, блоком торможения и входом трехфазного моста, а также электрическое соединение выхода трехфазного моста с электродвигателем, причем конструкция шин предусматривает соединение плат сегмента инвертора между собой в горизонтальном направлении вдоль оси шины, тем самым реализуется возможность подключения к электродвигателю параллельно нескольких сегментов инвертора, увеличивая общую мощность инвертора тягового привода, а следовательно обеспечивается возможность наращивания мощности с сохранением габаритов вертикальном направлении.The technical result is achieved by the fact that the traction drive inverter, which has a segmented design, contains boards placed on racks in a single housing with a radiator, among the boards there is a control module board that includes a power supply for auxiliary needs, a microcontroller that provides control of semiconductor switches in the pulse-width modulation mode with the help of drivers, with software that implements scalar and vector control of the electric motor, as well as implements the functions of controlling the movement of an electric vehicle, a protection unit software, using information from a DC link voltage sensor and output current sensors and providing protection of power switches against short circuit, maximum and through current, protection against a decrease or absence of supply voltage and protection against overheating, digital and analog inputs and outputs, including an encoder as a motor speed sensor, and information exchange interfaces, including CAN and RS485 information exchange interfaces connected to the microcontroller through a signal conversion unit, as well as a recorder equipped with non-volatile memory, designed for formation of an event log with monitoring of operating modes and emerging emergencies, and there is also an inverter segment board, which includes capacitors that stabilize the voltage in the DC link, and semiconductor switches combined into a three-phase bridge, a braking unit with semiconductor switches and resistors that provides control of the electric motor during shutdown, and IGBTs are used everywhere as semiconductor switches, the inverter segment board also contains buses to which the outputs of the three phases of the electric motor are connected through connectors , which is allowed as an asynchronous motor and a synchronous motor with permanent magnets, battery terminals, as well as brake resistor terminals, and the tires themselves provide electrical connection of the battery with DC link capacitors, braking unit and input of a three-phase bridge, as well as electrical connection of the output of a three-phase bridge with an electric motor, and the design of the tires provides for connecting the inverter segment boards to each other in a horizontal direction along the bus axis, thereby realizing the possibility of connecting several inverter segments to the electric motor in parallel , increasing the total power of the traction drive inverter, and therefore it is possible to increase the power while maintaining the dimensions in the vertical direction.

Полезная модель поясняется следующими рисунками.The utility model is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого устройства.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.

На фиг. 2 показана общая конструкция заявляемого устройства (без корпуса).In FIG. 2 shows the general design of the proposed device (without housing).

Заявляемое устройство (фиг. 1, фиг. 2) содержит плату управляющего модуля 1 и одну или несколько плат сегмента инвертора 2, конструктивно размещенные на стойках в едином корпусе 3 с радиатором охлаждения 4. Платы сегмента инвертора 2 соединены шинами 5. К шинам 5 через разъемы подключаются выводы трех фаз электродвигателя 6, 7, 8 и выводы аккумуляторной батареи 9, 10, а также клеммы тормозного резистора 11. Шины 5 обеспечивают электрическое соединение аккумуляторной батареи 9, 10 с конденсаторами 12 звена постоянного тока, блоком торможения 13 и входом в трехфазного моста 14, а также электрическое соединение выхода трехфазного моста 14 и трех фаз электродвигателя 6, 7, 8. Плата управляющего модуля 1 содержит источник питания собственных нужд 15, обеспечивающий напряжением питания все ее элементы, микроконтроллер 16, выходы сигнала широтно-импульсной модуляции которого через драйверы 17 связаны с полупроводниковыми ключами IGBT блока торможения 13 и трехфазного моста 14, блок защит программный 18, связанный как с платами сегмента инвертора 2, так и с микроконтроллером 16, блок преобразования сигналов 19, через который к микроконтроллеру 16 предусмотрено подключение интерфейсов обмена информации CAN и RS485, цифровых и аналоговых входов и выходов, включая энкодер в качестве датчика скорости электродвигателя, а также регистратор 20, оборудованный энергонезависимой памятью, связанный с микроконтроллером 16 и блоком защиты программным 18, предназначенный для формирования журнала событий с отслеживанием режимов эксплуатации и возникающих аварийных ситуаций. The claimed device (Fig. 1, Fig. 2) contains a board of the control module 1 and one or more boards of the inverter segment 2, structurally placed on racks in a single housing 3 with a cooling radiator 4. The boards of the inverter segment 2 are connected by buses 5. The outputs of the three phases of the electric motor 6, 7, 8 and the battery terminals 9, 10, as well as the brake resistor terminals 11 are connected to the tires 5 through the connectors. Ins 5 provide electrical connection of the storage battery 9, 10 with capacitors 12 of the DC link, braking unit 13 and input to the three-phase bridge 14, as well as electrical connection of the output of the three-phase bridge 14 and three phases of the electric motor 6, 7, 8. The control module board 1 contains an auxiliary power supply 15, which provides power supply to all its elements, the microcontroller 16, the pulse-width modulation signal outputs which, through drivers 17, are connected to the IGBT semiconductor switches of the braking unit 13 and the three-phase bridge 14, the software protection unit 18, connected both to the boards of the inverter segment 2 and to the microcontroller 16, the signal conversion unit 19, through which the microcontroller 16 is provided for connecting the CAN and RS485 information exchange interfaces, digital and analog inputs and outputs, including the encoder as a motor speed sensor, and also a recorder 20 equipped with non-volatile memory, connected to the microcontroller 16 and the software protection unit 18, designed to generate an event log with tracking operating modes and emergencies.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The claimed device works as follows.

Требуемое количество плат сегмента инвертора 2 соединяют шинами 5, устанавливают на стойках на радиатор 4, далее устанавливают плату управляющего модуля 1, закрывают корпус 3. Подключают выходы трех фаз электродвигателя 6, 7, 8 одного из следующих типов: асинхронный двигатель или синхронный двигатель с постоянными магнитами, подключают выходы аккумуляторной батареи 9, 10, а также клеммы тормозного резистора 11. The required number of boards of the inverter segment 2 are connected by buses 5, mounted on racks on radiator 4, then the control module board 1 is installed, the case 3 is closed. The outputs of the three phases of the electric motor 6, 7, 8 of one of the following types are connected: an asynchronous motor or a synchronous motor with permanent magnets, the battery outputs 9, 10 are connected, as well as the brake resistor terminals 11.

Подключают интерфейсы обмена информацией, а также цифровые и аналоговые входы и выходы, в том числе энкодер в качестве датчика скорости электродвигателя, обеспечивающие связь инвертора тягового привода с бортовой автоматикой электрического транспортного средства. They connect interfaces for information exchange, as well as digital and analog inputs and outputs, including an encoder as a motor speed sensor, which provide communication between the traction drive inverter and the on-board automation of an electric vehicle.

После подачи на инвертор тягового привода напряжения, получаемого от аккумуляторной батареи, оно стабилизируется в звене постоянного тока конденсаторами 12, а также через источник питания собственных нужд 15 передается для питания всех элементов платы управляющего модуля 16. Микроконтроллер 16 формирует сигнал о готовности инвертора тягового привода к работе.After the voltage received from the battery is supplied to the traction drive inverter, it is stabilized in the DC link by capacitors 12, and is also transmitted through the auxiliary power supply 15 to power all elements of the board of the control module 16. The microcontroller 16 generates a signal that the traction drive inverter is ready for operation.

Полупроводниковые ключи IGBT трехфазного моста 14 в режиме широтно-импульсной модуляции коммутируют напряжение, получаемое от аккумуляторной батареи по командам, передаваемым через драйверы 17 от микроконтроллера 16, тем самым изменяя параметры напряжения электродвигателя и реализуя скалярное и векторное управление, за счет чего формируется режим его работы, и обеспечивая управление его вращением. The IGBT semiconductor switches of the three-phase bridge 14 in the pulse-width modulation mode switch the voltage received from the battery according to the commands transmitted through the drivers 17 from the microcontroller 16, thereby changing the voltage parameters of the electric motor and implementing scalar and vector control, due to which the mode of its operation is formed, and providing control of its rotation.

При необходимости останова электродвигателя микроконтроллер 16 через драйверы 17 осуществляет с требуемым временем включения коммутацию полупроводниковых ключей IGBT блока торможения 13, осуществляя подключение к звену постоянного тока внутренних резисторов блока торможения 13, а также тормозного резистора, которые обеспечивают рассеяние энергии торможения электродвигателя.If it is necessary to stop the motor, the microcontroller 16, through the drivers 17, switches the IGBT semiconductor switches of the braking unit 13 with the required turn-on time, connecting the internal resistors of the braking unit 13 to the DC link, as well as the braking resistor, which dissipate the braking energy of the electric motor.

Управление вращением и остановом электродвигателя осуществляется платой управляющего модуля 1, опираясь на команды, получаемые от цифровых интерфейсов связи CAN и (или) RS485, а также цифровых и аналоговых входов и выходов, которые передаются микроконтроллеру 16 через блок преобразования сигналов 19, в котором выполняется аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование. The rotation and stop of the electric motor is controlled by the board of the control module 1, based on the commands received from the digital communication interfaces CAN and (or) RS485, as well as digital and analog inputs and outputs, which are transmitted to the microcontroller 16 through the signal conversion unit 19, in which analog-to-digital and digital-to-analog conversion is performed.

Аналоговые входы получают информацию от двух потенциометров регулирования тяги и торможения, а также внешнего температурного датчика для защиты электродвигателя от перегрева.Analog inputs receive information from two traction and braking control potentiometers, as well as an external temperature sensor to protect the electric motor from overheating.

Дискретные входы передают инвертору тягового привода информацию о задании требуемого направления движения, о появлении сигнала принудительной блокировки, о готовности транспортной системы к движению с учётом поддержки алгоритмов синхронизации совместной работы с основной тормозной системой электрического транспортного средства.Discrete inputs transmit information to the traction drive inverter about setting the required direction of movement, about the appearance of a forced blocking signal, about the readiness of the transport system for movement, taking into account the support of synchronization algorithms for joint work with the main brake system of an electric vehicle.

Дискретные выходы передают сигналы о работе инвертора тягового привода, его готовности или аварии, о включении удерживающего парковочного тормоза и управлении цепью главного контактора, тем самым обеспечивают взаимодействие с бортовой автоматикой электрического транспортного средства.Discrete outputs transmit signals about the operation of the traction drive inverter, its readiness or failure, the activation of the holding parking brake and the control of the main contactor circuit, thereby ensuring interaction with the on-board automatics of the electric vehicle.

Аналоговые выходы обеспечивают мониторинг за внутренними переменными программного обеспечения микроконтроллера 16 и применяется для настройки и диагностики.The analog outputs provide monitoring of the internal software variables of the microcontroller 16 and are used for configuration and diagnostics.

Программное обеспечение микроконтроллера 16 обеспечивает функции управления движением электрического транспортного средства, которыми дополнительно к управлению вращением и остановом электродвигателя является помощь при движении на спусках и подъёмах, защита от пробуксовки и блокировки ведущих колёс при торможении, а также возможность использования круиз-контроля.The software of the microcontroller 16 provides functions for controlling the movement of an electric vehicle, which, in addition to controlling the rotation and stopping of the electric motor, provide assistance when driving on descents and ascents, protection against slipping and blocking of the drive wheels during braking, as well as the ability to use cruise control.

Инвертор тягового привода во время функционирования защищается от аварийных режимов. Блок защит программный 18 платы управляющего модуля 1 получает информацию о функционировании плат сегмента инвертора 2, которая передается микроконтроллеру 16, где обрабатывается и обеспечивает защиту от аварийных режимов короткого замыкания, максимального и сквозного тока, защиту от снижения или отсутствия напряжения питания, а также температурную защиту.The traction drive inverter is protected from emergency conditions during operation. The software protection unit 18 of the board of the control module 1 receives information about the operation of the boards of the inverter segment 2, which is transmitted to the microcontroller 16, where it is processed and provides protection against emergency modes of short circuit, maximum and through current, protection against a decrease or lack of supply voltage, as well as temperature protection.

В ходе работы инвертора тягового привода, а также при возникновении аварий микроконтроллером 16 и блоком защиты программным 18 в регистратор 20 заносятся данные в журнал событий, обеспечивающий отслеживание режимов эксплуатации и возникающих аварийных ситуаций. Поскольку регистратор 20 оборудован энергонезависимой памятью данные журнала событий сохраняются даже при отсутствии напряжения питания.During the operation of the traction drive inverter, as well as in the event of accidents, the microcontroller 16 and the software protection unit 18 enter data into the recorder 20 in the event log, which provides tracking of operating modes and emergencies. Since the recorder 20 is equipped with non-volatile memory, the event log data is retained even when the supply voltage is off.

Были изготовлены два образца заявляемого инвертора тягового привода в соответствии с приведенным описанием. Первый образец мощностью 4 кВт с напряжением, получаемым от аккумуляторной батареи, величиной от 48 до 80 В, выдерживающий длительный ток величиной не более 100 А, а максимальный кратковременный ток не более 300 А, оборудован одной платой сегмента инвертора, имеет общие габариты 211×295×108 мм. Второй образец мощностью 11 кВт с напряжением от 48 до 96 В, выдерживающий длительный ток не более 300 А, а максимальный кратковременный ток не более 650 А, оборудован двумя платами сегмента инвертора, имеет общие габариты 310×295×108 мм. Оба образца имеют возможность подключения электродвигателей одного из следующих типов: асинхронный двигатель или синхронный двигатель с постоянными магнитами, оснащены интерфейсами обмена информацией RS-485 и CAN, а также цифровыми и аналоговыми входами и выходами для подключения энкодера и сопряжения с бортовой автоматикой электрического транспортного средства.Were made two samples of the proposed inverter traction drive in accordance with the above description. The first sample with a power of 4 kW with a voltage obtained from a battery of 48 to 80 V, withstanding a continuous current of not more than 100 A, and a maximum short-term current of not more than 300 A, is equipped with one inverter segment board, has a total dimensions of 211 × 295 × 108 mm. The second sample with a power of 11 kW with a voltage of 48 to 96 V, withstanding a continuous current of not more than 300 A, and a maximum short-term current of not more than 650 A, is equipped with two inverter segment boards, has a total size of 310 × 295 × 108 mm. Both samples have the ability to connect electric motors of one of the following types: asynchronous motor or synchronous motor with permanent magnets, equipped with RS-485 and CAN information exchange interfaces, as well as digital and analog inputs and outputs for connecting an encoder and interfacing with on-board automatics of an electric vehicle.

Оба образца были подвергнуты предварительным испытания с синхронным двигателем с постоянными магнитами соответствующей мощности в составе следующих проверок: работа в двигательном режиме с заданной скоростью вращения и заданным моментом на валу и в режиме рекуперативного торможения электродвигателя; проверка стойкости к вибрациям и ко внешним температурным воздействиям. Результаты предварительных испытаний показали, что оба образца сохраняют свои функциональные свойства в диапазоне рабочих температур от минус 40 до плюс 65°С и при вибрациях, соответствующих группе М25 согласно ГОСТ 17516. Both samples were subjected to preliminary tests with a permanent magnet synchronous motor of the appropriate power as part of the following checks: operation in motoring mode with a given speed and a given torque on the shaft and in the mode of regenerative braking of the electric motor; verification of resistance to vibrations and to external temperature influences. The results of preliminary tests showed that both samples retain their functional properties in the operating temperature range from minus 40 to plus 65°C and at vibrations corresponding to the M25 group according to GOST 17516.

Таким образом заявляемый инвертор тягового привода расширяет арсенал технических средств для управления тяговыми электродвигателями электрических транспортных средств и за счет сегментированного исполнения при наращивании мощности обеспечивает сохранение габаритов вертикальном направлении.Thus, the proposed inverter of the traction drive expands the arsenal of technical means for controlling the traction motors of electric vehicles and, due to the segmented design, when increasing the power, ensures the preservation of the dimensions in the vertical direction.

Claims

Traction drive inverter designed to control the traction motor of an electric vehicle,characterized by the fact that it has a segmented design and contains boards placed on racks in a single case with a radiator, among the boards there is a control module board that includes an auxiliary power supply, a microcontroller that provides control of semiconductor switches in the pulse-width modulation mode with the help of drivers, with software that implements scalar and vector control of the electric motor, as well as implements the functions of controlling the movement of an electric vehicle, a software protection unit that uses information from the link voltage sensor DC and output current sensors and provides protection of power switches against short circuit, maximum and through currents, protection against a decrease or lack of supply voltage and protection against overheating, digital and analog inputs and outputs, including an encoder as a motor speed sensor, and information exchange interfaces, including CAN and RS485 information exchange interfaces connected to the microcontroller through a signal conversion unit, as well as a recorder equipped with non-volatile memory, designed to generate an event log with tracking operating modes and emerging their emergency situations, and there is also an inverter segment board, which includes capacitors that stabilize the voltage in the DC link, and semiconductor switches combined into a three-phase bridge, a braking unit with semiconductor switches and resistors that provides control of the electric motor during shutdown, and IGBTs are used everywhere as semiconductor switches, the inverter segment board also contains buses to which the outputs of the three phases of the electric motor are connected through connectors, which can be an asynchronous motor and synchronous motor with permanent magnets, battery terminals, as well as brake resistor terminals, and the tires themselves provide electrical connection of the battery with DC link capacitors, braking unit and input of the three-phase bridge, as well as electrical connection of the output of the three-phase bridge with the electric motor, and the design of the tires provides for connecting the inverter segment boards to each other in a horizontal direction along the bus axis, increasing the total power of the traction drive inverter.