一種三相輔助逆變電源的製作方法
2023-06-08 23:19:36
專利名稱：一種三相輔助逆變電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於軌道交通領域的軌道車輛輔助電源裝置，尤其是一種採用
了新型主電路結構並應用於各種軌道車輛空調、照明、蓄電池充電和控制系統的三相輔助 逆變電源。
背景技術：
目前對於軌道車輛(地鐵車和輕軌車)空調、照明、蓄電池浮充電和控制系統的輔 助電源， 一般採用兩種解決方案一種是電動發電機組輔助電源，這種輔助電源功率小、效 率低、噪音大、對電壓和頻率調節差，電刷灰汙染環境，需要經常維修保養，技術落後，趨於 淘汰；另外一種是晶閘管逆變器輔助電源，由於晶閘管需要大功率關斷電路和吸收保護回 路及其大功率元器件，電路複雜，晶閘管頻率低，開關損耗大，效率低，體積重量大，也不是 發展方向。磁懸浮列車對車載設備裝置的體積和重量方面要求都比較苛刻，傳統的兩套方 案都很難滿足磁懸浮列車的要求。 相對於傳統的電動發電機組供電方式而言，靜止式輔助逆變電源直接從第三軌受 電，經過DC/DC變換後向三相逆變器提供穩定的輸入電壓，通過VVVF變頻調壓控制，逆變器 輸出三相交流電壓向負載供電。這種輔助逆變電源的優點是輸出電壓品質因數好、電源使 用效率高、工作性能安全可靠。靜止式輔助逆變電源主電路主要由輸入濾波電路、DC/DC變 換電路、DC/AC逆變電路、三相變壓器、輸出濾波電路組成。靜止式輔助逆變電源輸出的開 關頻率都比較低，導致輸出端的三相變壓器的體積重量都比較大，制約著電源朝小型化、輕 量化的發展。 DC/DC變換有隔離和非隔離的電路形式，傳統的靜止式輔助逆變電源採用的是非 隔離式的DC/DC斬波電路，通過控制斬波電路開關管的驅動脈衝的寬度來實現為三相逆變 器提供穩定的輸入電壓；為了實現輸入輸出之間的電氣隔離，在輸出端再加一個三相隔離 變壓器。由於輸出開關頻率比較低，三相隔離變壓器體積和重量都相對比較大，也難以滿足 磁懸浮列車對電源裝置的體積和重量的苛刻要求。 直接逆變式的輔助逆變電源是最簡單的一種電路結構形式，開關元器件通常可採 用大功率GT0， IGBT或IPM。輔助逆變電源採用直接從第三供電軌受流方式，按V/f等於 常數的控制方式輸出三相脈寬調製電壓向負載供電。這種電路的特點是電路結構簡單、元 器件使用數量少、控制方便，但輸出電壓輕易受電網輸入電壓的波動影響，輸入與輸出不隔 離，輸出的電壓品質因數差、諧波含量大、負載使用效率低等缺點，這些電氣性能方面的缺 點決定了其不適用於磁懸浮列車。
發明內容
本發明的目的在於針對現有機車輔助逆變電源的不足，提供一種採用了新型主電 路結構的三相輔助逆變電源，以達到使機車輔助逆變電源實現小型化、輕量化的目的。
按照本發明，上述技術問題是通過下述技術方案來實現的
—種三相輔助逆變電源，包括主電路和控制電路，控制電路對主電路進行檢測和 控制，主電路包括輸入濾波電路、DC/DC變換電路、DC/AC逆變電路和輸出濾波電路，DC/DC 變換電路包括高頻變壓器。當電源接通，控制電路對系統進行自檢，在確認系統無故障的情 況下主電路開始工作輸入濾波電路對輸入電源進行濾波，充電完成後閉合短接接觸器然 後控制電路發半橋逆變脈衝，DC/DC變換電路開始工作，將輸入的直流電源變換成穩定的中 間直流電壓，再通過DC/AC電路逆變成為三相SP麗波，經輸出濾波電路濾成三相正弦波對 三相負載供電。 作為該發明進一步的實施方式，DC/DC斬波電路包括半橋逆變電路，全橋整流電
路，高頻變壓器包含在半橋逆變電路之中，半橋逆變電路輸入端與輸入濾波電路連接，半橋
逆變電路輸出端與全橋整流電路連接，全橋整流電路與DC/AC逆變電路連接。 作為該發明進一步的實施方式，半橋逆變電路包括至少兩個半橋逆變子電路，多
個半橋逆變子電路之間採用串聯方式連接。 作為該發明進一步的實施方式，半橋逆變電路中的高頻變壓器採用至少兩個輸出 繞組的結構。 作為該發明進一步的實施方式，高頻變壓器包括兩個輸出繞組，兩個輸出繞組整 流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終並聯輸出。 作為該發明的另一種實施方式，高頻變壓器包括兩個輸出繞組，兩個輸出繞組整 流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終串聯輸出。 作為該發明的另一種實施方式，高頻變壓器包括一個輸出繞組，兩個高頻變壓器 串聯輸出。 作為該發明的另一種實施方式，高頻變壓器包括兩個輸出繞組，高頻變壓器TBI 的輸出繞組1和高頻變壓器TB2的輸出繞組3串聯輸出，高頻變壓器TBI的輸出繞組2和 高頻變壓器TB2的輸出繞組4串聯輸出，兩個高頻變壓器並聯輸出。 作為該發明進一步的實施方式，輸入濾波電路包括濾波電路，軟啟動電路，檢測電 路和均壓電阻，濾波電路對輸入電源進行濾波，檢測電路檢測輸入電流和電壓，軟啟動電路 充電短接接觸器在主電路啟動中先處於斷開狀態，輸入電源通過電阻Rl對CI進行充電，當 充電完成後，充電短接接觸器閉和，將電阻Rl和防反二極體VD1短接，電阻R2和電阻R3用 於濾波電容C1串聯均壓。 作為該發明進一步的實施方式，輸出濾波電路包括LC濾波電路和EMI濾波器Z3， 先將DC/AC逆變電路輸出的三相SP麗波經過LC濾波後得到正弦波電壓輸出，再通過EMI 濾波器Z3降低輸出電壓對負載的幹擾。 通過應用此種實施方式所描述的三相輔助逆變電源，能夠達到降低開關器件所需 承受的電壓應力，可以使用較低電壓等級的開關器件應用與較高電壓的場合。相對於傳統 靜止式輔助逆變電源在保證性能質量的同時，在重量和體積方面都有很大改善，能更好滿 足在體積和重量方面要求比較苛刻的場合，是中低磁懸浮列車三相輔助逆變電源一個很好
的選擇。
圖1為本發明的電路系統原理框4
圖2為本發明輸入濾波電路部分電路原理圖；
圖3為本發明半橋逆變電路部分電路原理圖；
圖4為本發明全橋整流電路部分電路原理圖；
圖5為本發明實施例1的電路原理圖；
圖6為本發明實施例2的電路原理圖；
圖7為本發明實施例3的電路原理圖；
圖8為本發明實施例4的電路原理圖； 其中l-主電路，2-控制電路，3-輸入濾波電路，4-半橋逆變電路，5-全橋整流電 路，6-DC/AC逆變電路，7-輸出濾波電路，8-DC/DC變換電路，9-輸出繞組1， 10-輸出繞組 2，11-輸出繞組3，12-輸出繞組4， Rl-充電電阻，R2， R3-均壓電阻，R4， R5， R6， R7-電阻， Cl-濾波電容，C2， C3， C4， C5， C6， C7-電容，Zl， Z2， Z3-EMI濾波器，VD1-防反二極體，VD2， VD3， VD4， VD5， VD6， VD7， VD8， VD9， VDIO， VDll， VD12， VD13， VD14， VD15， VD16- 二極體，VT1， VT2， VT3， VT4， VT5， VT6， VT7-開關管，TB1， TB2-高頻變壓器，KM1-接觸器，SC1， SC2， SC3， SC4， SC5， SC6-電流傳感器，SV1， SV2-電壓傳感器，Ll， L2-濾波電感。
具體實施例方式
附圖給出了本發明的具體實施例，下面將通過附圖和實施例對本發明作進一步的 描述。 作為該三相輔助逆變電源一種較佳的實施方式，如圖1所示的一種三相輔助逆變 電源，包括主電路1和控制電路2，控制電路2對主電路進行檢測和控制，主電路1包括輸入 濾波電路3、DC/DC變換電路8、DC/AC逆變電路6和輸出濾波電路7 ;DC/DC變換電路8又進 一步包括半橋逆變電路4和全橋整流電路5，半橋逆變電路包括高頻變壓器。當電源接通， 控制電路2對系統進行自檢，在確認系統無故障的情況下主電路1開始工作輸入濾波電路 3對輸入電源進行濾波，充電完成後閉合短接接觸器KM1 ，控制電路2發半橋逆變脈衝，包括 半橋逆變電路4和全橋整流電路5在內的DC/DC變換電路8開始工作，將輸入的DC1500V 直流電源變換成穩定的DC560V中間直流電壓，再通過DC/AC電路6逆變成為三相SP麗波， 經輸出濾波電路7LC濾波器Z2濾成三相AC380V/50Hz正弦波，經輸出EMI濾波器Z3對三 相負載供電。採用隔離式的DC/DC變換電路取代非隔離的DC/DC斬波電路，省去了輸出端 笨重的三相隔離變壓器。根據輸入電壓波動以及負載變化實時調整半橋逆變電路的驅動脈 衝信號，實現了全橋整流後得到的中間直流電壓的穩定，最終保證輸出電壓的穩定。
為了降低半橋逆變電路開關管承受的電壓應力，主電路1採用兩個半橋電路串聯 的工作方式，輸入電壓DC1500V經過串聯電容分壓，得到兩路DC750V分別送給兩路半橋逆 變電路4 ;兩路隔離式DC/DC變換電路8的電路形式與電路參數完全一致，各傳輸一半的功 率，兩路輸出並聯。為了降低整流二極體的電壓應力，高頻變壓器採用雙次邊繞組(輸出繞 組)結構，兩個次邊繞組輸出電壓經過全橋整流後串聯輸出。 如圖2所示的輸入濾波電路主要由EMI濾波器Zl 、濾波電感Ll 、濾波電容Cl 、均壓 電阻R2、R3、防反二極體VD1、充電電阻Rl、充電短接接觸器KM1、電流傳感器SC1、電壓傳感 器SV1、 SV2組成。由Zl、 Ll、 Cl組成的濾波電路，對輸入的電源進行濾波；R1、 VD1、 KM1組 成的軟啟動電路，在啟動過程中，KM1先是處於斷開狀態，輸入電源通過R1對C1進行充電，減小了對C1的電流衝擊，當充電完成後，接觸器KM1閉和，將R1和VD1短接；VD1是防止輸 入電源的極性接反導致電容CI承受反向電壓而損壞；SC1用於檢測輸入電流的大小；SVl、 SV2用於檢測輸入電壓的大小；R2、R3用於濾波電容C1串聯電容的均壓。
如圖3所示，半橋與全橋逆變電路中開關管僅承受一半的輸入電壓，降低了開關 管承受的電壓應力；而半橋電路相對於全橋電路而言具有開關管數量少、驅動電路簡單、抗 偏磁能力強的優點，同時變壓器雙向勵磁，利用率高，所以三相輔助逆變電源選擇了半橋逆 變。作為一種典型的實施方式，如附圖3所示的半橋逆變電路4包含著兩個半橋逆變子電 路C2 、 C3 、 R4、 R5 、 VT1 、 VT2 、 TB1構成了 一路半橋逆變子電路，C4、 C5 、 R6 、 R7 、 VT3 、 VT4、 TB2 構成了另一路半橋逆變子電路。兩路半橋逆變電路的電路形式與電路參數完全一致，各傳 輸一半的功率，兩路串聯輸入、並聯輸出，這樣每個開關管所承受的電壓應力只有輸入電源 電壓的1/4。為了降低整流二極體的耐壓，高頻變壓器採用雙輸出繞組結構。若需要進一步 降低整流二極體所需要承受的電壓應力，可以通過增加變壓器輸出繞組的數量來實現，繞 組輸出採用串聯的連接方式；也可以通過增加半橋逆變電路串聯的數量來實現。
如圖4所示的全橋整流電路5採用不可控的二極體全橋整流電路。每個變壓器雙 輸出繞組輸出電壓經過全橋整流後串聯輸出，兩個變壓器是通過LC濾波後並聯輸出，各自 承擔輸出的一半功率。電壓傳感器SV3用於檢測中間直流環節電壓。DC/AC逆變電路6的 開關管採用智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)模塊，IPM不僅把功率開關器 件和驅動電路集成在一起，而且還內置有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，並可將檢 測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成， 在異常情況下能快速保護自身，以免造成更大的損壞有著很高的可靠性。逆變脈衝採用正 弦波脈寬調製(SP麗，Sinusoidal Pulse Width Modulation)調製方式，減小輸出電源的諧 波含量。輸出濾波電路7主要包含LC濾波電路和EMI濾波器，先將DC/AC逆變電路6輸出 的SP麗波經過LC濾波後得到正弦波電壓輸出，再通過EMI濾波器降低輸出電壓對負載以 及外界的幹擾和影響。 如圖5三相輔助逆變電源實施例1的主電路原理圖所示，同一高頻變壓器的兩個 輸出繞組整流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終並聯輸出。 如圖6三相輔助逆變電源實施例2的主電路原理圖所示，同一高頻變壓器的兩個
輸出繞組整流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終串聯輸出。此種連接方法中，整流二極體所
承受的電壓應力只有實施例1中的1/2，電流應力為實施例1中的2倍。 如圖7三相輔助逆變電源實施例3的主電路原理圖所示，高頻變壓器包括一個輸
出繞組，兩個變壓器串聯輸出，此種連接方法中，整流二極體所承受的電壓應力和實施例1
中的一致，電流應力為實施例1中的2倍。 如圖8三相輔助逆變電源實施例4的主電路原理圖所示，變壓器TB1的輸出繞組1
和變壓器TB2輸出繞組3串聯輸出，變壓器TBI的輸出繞組2和變壓器TB2輸出繞組4串
聯輸出，最後兩個串聯後繞組並聯輸出.此種連接方法中，相對於實施例1更有利於模塊之
間的均壓；整流二極體所承受的電壓電流應力沒有改變，與實施例1等同。 主電路圖中的開關器件可以根據需要選擇不同類型的器件比如MOSFET管、IGBT
模塊、IPM模塊，當單個開關管的額定電流不能滿足實際需要的時候可以採用多個開關管通
串並聯的方式來實現。
雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域的普通技術人員可以在所附 權利要求的範圍內作出各種變形或修改。
權利要求
一種三相輔助逆變電源，包括主電路(1)和控制電路(2)，控制電路(2)對主電路進行檢測和控制，其特徵在於主電路(1)包括輸入濾波電路(3)、DC/DC變換電路(8)、DC/AC逆變電路(6)和輸出濾波電路(7)，DC/DC變換電路(8)包括高頻變壓器，當電源接通，控制電路(2)對系統進行自檢，在確認系統無故障的情況下主電路(1)開始工作，輸入濾波電路(3)對輸入電源進行濾波，充電完成後閉合短接接觸器(KM1)，然後控制電路(2)發半橋逆變脈衝，DC/DC變換電路(8)開始工作，將輸入的直流電源變換成穩定的中間直流電壓，再通過DC/AC電路(6)逆變成為三相SPWM波，經輸出濾波電路(7)濾成三相正弦波對三相負載供電。
2. 根據權利要求1所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述DC/DC變換電路 (8)包括半橋逆變電路(4)和全橋整流電路(5)，所述高頻變壓器包含在半橋逆變電路(4) 之中，半橋逆變電路(4)輸入端與輸入濾波電路(3)連接，半橋逆變電路(4)輸出端與全橋 整流電路(5)連接，全橋整流電路(5)與DC/AC逆變電路(6)連接。
3. 根據權利要求2所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述半橋逆變電路(4) 包括至少兩個半橋逆變子電路，所述多個半橋逆變子電路之間採用串聯方式連接。
4. 根據權利要求2或3所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述半橋逆變電 路(4)中的高頻變壓器採用至少兩個輸出繞組的結構。
5. 根據權利要求4所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述高頻變壓器包括 兩個輸出繞組，兩個輸出繞組整流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終並聯輸出。
6. 根據權利要求4所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述高頻變壓器包括 兩個輸出繞組，兩個輸出繞組整流後串聯輸出，兩個高頻變壓器最終串聯輸出。
7. 根據權利要求4所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述高頻變壓器包括 一個輸出繞組，兩個高頻變壓器串聯輸出。
8. 根據權利要求4所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在於所述高頻變壓器包括兩個輸出繞組，高頻變壓器(TBI)的輸出繞組1和高頻變壓器(TB2)的輸出繞組3串聯輸 出，高頻變壓器(TBI)的輸出繞組2和高頻變壓器(TB2)的輸出繞組4串聯輸出，兩個高頻 變壓器並聯輸出。
9. 根據權利要求5、6、7、8中任一權利要求所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在 於所述輸入濾波電路(3)包括濾波電路，軟啟動電路，檢測電路和均壓電阻，濾波電路對 輸入電源進行濾波，檢測電路檢測輸入電流和電壓，軟啟動電路充電短接接觸器(KM1)在 主電路(1)啟動中先處於斷開狀態，輸入電源通過電阻(Rl)對(Cl)進行充電，當充電完成 後，充電短接接觸器(KM1)閉和，將電阻(Rl)和防反二極體(VD1)短接，電阻(R2)和電阻 (R3)用於濾波電容(Cl)串聯均壓。
10. 根據權利要求5、6、7、8中任一權利要求所述的一種三相輔助逆變電源，其特徵在 於輸出濾波電路(7)包括LC濾波電路和EMI濾波器(Z3)，先將DC/AC逆變電路(6)輸出 的三相SP麗波經過LC濾波後得到正弦波電壓輸出，再通過EMI濾波器(Z3)降低輸出電壓 對負載的幹擾。
全文摘要
一種三相輔助逆變電源，包括主電路和控制電路，控制電路對主電路進行檢測和控制，主電路包括輸入濾波電路、DC/DC變換電路、DC/AC逆變電路和輸出濾波電路，DC/DC變換電路包括採用高頻變壓器的半橋逆變電路，以及全橋整流電路。當電源接通，控制電路進行系統自檢，在無故障的情況下主電路工作對輸入電源濾波，充電完成後閉合短接接觸器，控制電路發半橋逆變脈衝，DC/DC變換電路工作，將輸入的直流電源變換成穩定的中間直流電壓，再通過DC/AC電路逆變成為三相SPWM波，經輸出濾波電路濾成三相正弦波對三相負載供電。通過實施本發明，降低了開關器件承受的電壓應力，同時減輕了電源的重量和體積。
文檔編號H02M7/537GK101697458SQ20091004462
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者劉方華, 吳恆亮, 唐洲, 唐海燕, 孫立輝, 李雲, 林文彪, 王南, 羊利芬, 言青, 謝湘劍 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司;