多相交流電機、逆變器、電驅動組件以及電動裝置的製作方法
2023-05-20 13:43:56 1
本發明屬於交流電機領域，特別涉及一種大電流多相交流電機、逆變器、包含該多相交流電機以及逆變器的電驅動組件以及包含該電驅動組件的電動裝置。
背景技術：
大功率的電動裝置通常選擇交流電機作為驅動電機。交流電機和逆變器連接，逆變器和直流電源連接，當電機開始啟動時，逆變器根據控制器和觸發電路發出的控制信號將直流電轉換成交流電，提供給交流電機。
對於機車、艦艇或船舶等移動式電動裝置而言，直流電源一般選擇電池。出於安全的考慮，電池的電壓不能太高，一般小於60伏，因此，為了滿足大功率電機和負載的需求，逆變器的輸出電流勢必會非常大，功率開關元件也必須選用額定工作電流更大的。
然而，受各種條件的影響，能夠承受大功率電機所要求的大工作電流的功率開關元件價格很高或者無法購買，甚至不存在。為了實現逆變器向大功率交流電機順利提供交流電，往往選用兩個或兩個以上的總價格偏低，容易購買的額定工作電流相對較小的開關元件代替一個大電流開關元件，一般把這種方法稱之為並聯。
圖2為現有技術中常見的大電流三相交流電機和逆變器的連接關係示意圖，由圖2可知，逆變器採用並聯均流技術，交流電機每一相的線電流都由j個並聯的同相逆變器橋臂共同提供。理論上，每個逆變器橋臂上的開關元件中所流過的電流值是交流電機線電流的j分之一，也就是說，這j個並聯的小電流半導體開關元件共同承擔電機的一個線電流。
由於單獨的一個小電流半導體開關元件無法承擔一個大電流電機的線電流，如果出現大電流流過單個的小電流半導體開關元件，超越了小電流開關元件的承受能力的情況，小電流開關元件必然損壞。
在開關特性一致性很高的情況下，並聯的半導體開關元件能夠同時導通和同時關斷，從而在導通期間共同分擔電機每一線的大電流，均流效果則會較好。但這種半導體開關元件需要從大量的開關元件中精挑細選才能得到，致使使用成本很高，並聯的開關元件越多，成本越是急劇上升。此外，即使挑選出的這些開關元件在使用前的測試過程中一致性高，隨著使用環境和器件老化的影響，也難以保證在使用過程中仍然能保持這麼高的一致性。
受各種因素的影響，當開關元件從關斷狀態轉變為導通狀態時，如果並聯的小電流開關元件無法同時導通將導致均流失敗，那麼提前導通的單個開關元件將流過很大的電機線電流，從而開關元件出現損壞；同樣的道理，當開關元件從導通狀態轉變為關斷狀態時，如果並聯的小電流開關元件無法同時關斷將導致均流失敗，那麼最後關斷的那個開關元件也將流過很大的電機線電流，從而開關元件出現損壞。
隨著開關元件並聯數量的增長，其開關特性的一致性更加難以保證，致使均流效果越差，從而損壞的可能性越高，問題愈發嚴重。由於該並聯均流技術無法保證任意多個並聯的開關元件同時導通和同時關斷，而嚴重影響和限制了大電流電機電流值的增大，使得大電流電機成為一個很難跨越的障礙。基於目前的技術，一般能夠實現2個開關元件並聯，國外只有個別公司可以做到4-5個開關元件並聯。
為了解決上述問題，本發明的發明人提出了圖3中所顯示的三相交流電機和逆變器結構。由圖3可知，根據所選擇的逆變器22上的半導體開關元件(221a、221b)的額定工作電流，將三相交流電機21的大繞組分成j個獨立安裝的小繞組211，然後將逆變器22的每相逆變橋臂也分成j個小橋臂，同時將k個不同相的小橋臂進行組合，形成分別和j個小繞組一一對應連接的j個小逆變器221。
每個小逆變器221獨立向與之連接的小繞組211供電，其輸出電流是電機額定線電流的1/j，只要j足夠大，現有的小電流半導體開關元件完全能夠承受任意大的電流強度。
但是，圖3中的這種結構也使得逆變器的輸出電線接頭由原來的三根激增成了3j根，交流電機的接頭也由原來的三根激增成了3j根，增加了生產過程中分接、安裝引出線的複雜程度、難度和成本，以至於工人極容易將接頭接錯，導致電機無法正常運轉；逆變器輸出線增多，導致電路板的面積也變大，成本上升；而且在日後的電機和逆變器維護或維修過程中，也很難對接頭進行逐個檢查，將出現故障的接頭找出，造成維護或維修的難度較大。此外，數量如此龐大的接頭不僅增加大生產商在接頭上的投入，而且交流電機外部的用於容納這些接頭的鋁質接線盒的體積也成倍增大，造成交流電機的體積變大，這些都會在一定程度上增加電機和逆變器的生產成本。
技術實現要素：
本發明是為解決上述問題而進行的，採用折衷的方法，以提高多相交流電機、逆變器和電驅動組件的性價比。結合圖2和圖3中的逆變器以及多相交流電機的優點，提出了一種新的電驅動組件，既克服了半導體開關元件一致性差所帶來的低壓大電流電機難以實現的缺陷，又避免了圖3中的交流電機和逆變器接頭過多增加生產和維修的難度和成本。
為了實現上述目的，本發明採用了下述技術方案：
本發明提供了一種電驅動組件，設置在電動裝置中，用於驅動電動裝置，具有這樣的技術特徵：包括多相交流電機，其相數為k，具有額定線電壓以及額定線電流；直流電源，具有與額定線電壓相對應的恆定電壓的電源，用於提供與額定線電流相對應的直流電；逆變器，根據控制信號將直流電轉換為交流電並提供給多相交流電機。其中，多相交流電機具有m個相互獨立的多相繞組，逆變器具有與m個多相繞組分別相對應的m個逆變單元，每個逆變單元具有k個相互並列連接的橋臂部向對應的多相繞組提供k路線電流，每個橋臂部含有w個相互並聯連接的逆變橋臂，k和m均為2以上的正整數，w為2～4之間的正整數。
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的技術特徵：每個逆變橋臂含有相互串聯連接的上橋臂半導體開關元件以及下橋臂半導體開關元件，上橋臂半導體開關元件和下橋臂半導體開關元件具有相同的預定最大輸出電流。該電驅動組件還包括：控制器，根據上橋臂半導體開關元件和下橋臂半導體元件之間的預定工作周期，以及根據與上橋臂半導體開關元件或者下橋臂半導體元件在相應的工作時間內的導通電流相對應的脈衝信號，向逆變器提供上述控制信號。
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的特徵：當上橋臂半導體開關元件以及下橋臂半導體開關元件的最大輸出電流為I1，所述多相交流電機的額定線電流為IN時，多相繞組的個數m滿足下述條件：
m＞1.2(IN÷wI1)
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的特徵：每個橋臂部含有兩個相互並聯連接的逆變橋臂，上橋臂半導體開關元件和下橋臂半導體開關元件的預定最大輸出電流是橋臂部輸出電流的0.6-0.8倍。
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的特徵：直流電源為電池或交流電源經整流濾波後得到的直流電源，k大於等於三，多相繞組的相數等於所述k。多相繞組呈星形連接，個數等於多相繞組相數的橋臂部分別與對應的多相繞組的多個端點連接，從而提供線電流。
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的特徵：k等於三，多相繞組為三相繞組，該三相繞組呈三角形連接，三個橋臂部分別與對應的三相繞組的三個首尾接點連接，從而提供線電流。
本發明提供的電驅動組件還可以具有這樣的特徵：多相繞組獨立安裝在一個電樞或多個電樞上，電樞為所述多相交流電機的定子或轉子。多相交流電機為異步電機、同步電機中的任意一種。半導體開關元件為全控型器件，該全控型器件為電力場效應電晶體、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型電晶體以及電力雙極型電晶體中的任意一種。
進一步，本發明還提供了一種逆變器，與相數為k具有額定線電壓以及額定線電流並且含有m個相互獨立的多相繞組的多相交流電機、以及具有恆定電壓並且用於提供與額定線電流相對應的直流電的直流電源分別相連接，用於根據控制信號將直流電轉換為交流電並提供給所述多相交流電機，具有這樣的技術特徵：與m個多相繞組分別相對應的m個逆變單元。其中，每個逆變單元具有k個相互並列連接的橋臂部向對應的多相繞組提供k路線電流，每個橋臂部含有w個相互並聯連接的逆變橋臂，k和m均為2以上的正整數，w為2～4之間的正整數。
進一步，本發明還提供了一種相數為k具有額定線電壓以及額定線電流的多相交流電機，與具有m個逆變單元並且根據控制信號通過該m個逆變單元將來自於具有恆定電壓的直流電源的直流電轉換為交流電的逆變器相連接，每個逆變單元具有k個相互並列連接的橋臂部向對應的多相繞組提供k路線電流，每個所述橋臂部含有二至四個相互並聯連接的逆變橋臂，具有這樣的技術特徵：具有m個相互獨立的多相繞組。其中，該m個多相繞組分別與m個逆變單元相對應，每個多相繞組接收每個逆變單元中的k個相互並列連接的逆變單元提供的k路線電流，k和m均為2以上的正整數。
進一步，本發明還提供了一種含有上述電驅動組件的電動裝置。
發明的作用與效果
根據本發明提供的電驅動組件、電動裝置、逆變器以及多相交流電機，一方面，由於多相交流電機具有m個相互獨立的多相繞組，逆變器具有與m個多相繞組分別相對應的m個逆變單元，每個逆變單元具有k個相互並列連接的橋臂部向對應的多相繞組提供k路線電流，使得每個多相繞組由對應的逆變單元單獨驅動，相鄰兩個多相繞組是互不幹擾，進而使得多相交流電機的電流可以根據需要任意增大，不僅保留原來逆變器的成熟控制算法、交流電機的成熟技術、成熟的少數幾個開關元件並聯的技術，而且降低了對很多個半導體開關元件性能一致性的要求，使用普通的半導體開關元件即可滿足要求，避免了從大量的半導體開關元件中精挑細選一致性高的很多個開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。
另一方面，由於每個橋臂部含有w(w為2、3或4)個相互並聯連接的逆變橋臂，在電機的額定線電流一定的情況下，相對於僅含有一個逆變橋臂的橋臂部，這種結構能夠在一定程度上增大每個橋臂部的輸出電流，進而能夠相應的減小多相交流電機中多相繞組的個數j，不僅減少了逆變器和多相交流電機接頭的個數，減輕了維修和維護難度，而且還降低了多相交流電機和逆變器的生產成本。
附圖說明
圖1為本發明實施例的電驅動組件的電路結構示意圖；
圖2為現有技術中的大電流多相交流電機和逆變器的電路結構示意圖；
圖3為現有技術中針對圖2進行改進的大電流多相交流電機和逆變器的電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖來說明本發明的具體實施方式。
圖1是本實施例中的電驅動組件的電路結構示意圖。
電驅動組件10設置在電動裝置如電動工具、四軸飛行器、電動汽車、電動船舶、工業用電動叉車、電動軍事設備內，用於驅動電動裝置。如圖1所示，電驅動組件10包括直流電源、逆變器12、多相交流電機13、控制器14以及觸發電路15。
直流電源為逆變器12提供直流電；逆變器12根據控制器14通過觸發電路15發出的控制信號將直流電轉換為交流電提供給多相交流電機13。在本實施例中，直流電源為電池或交流電源經整流濾波後得到的直流電源，對於機車類、船舶艦艇類、飛行器類的電動裝置而言，常選用電池。
多相交流電機13具有獨立安裝在一個電樞或多個電樞上的m個相互獨立的多相繞組131，每個多相繞組131為k相。在本實施例中，k為三，即多相交流電機13為三相交流電機，相應的，多相繞組131為三相繞組，每個三相繞組具有三個呈三角形連接的繞組A、B、C。在本實施例中，電樞為多相交流電機的定子或轉子，多相交流電機為異步電機、同步電機中的任意一種。
逆變器12的直流端電壓為Udc，包括分別與m個多相繞組相對應的m個逆變單元121，每個逆變單元121具有三個相互並列連接並且結構相同的A相橋臂部、B相橋臂部以及C相橋臂部。
A相橋臂部和A相繞組與C相繞組的接點AC連接，B相橋臂部和B相繞組與A相繞組的接點BA連接，C相橋臂部和C相繞組與B相繞組的接點CB連接，分別向相應相的繞組提供線電流。
每個橋臂部有兩個相互並聯連接的逆變橋臂，即，A相橋臂部由兩個A相逆變橋臂組成，B相橋臂部由兩個B相逆變橋臂組成，C相橋臂部由兩個C相逆變橋臂組成。
每個逆變橋臂上含有相互串聯連接的上橋臂半導體開關元件121a以及下橋臂半導體開關元件121b。因此，每個三相繞組131由十二個半導體開關元件構成的逆變單元121單獨驅動。
上橋臂半導體開關元件121a和下橋臂半導體開關元件121b具有相同的預定最大輸出電流。最大輸出電流也稱為最大連續工作電流，或者稱額定工作電流，是半導體開關元件的一個重要參數，只有在這個電流值以下時，半導體開關元件才有可能穩定運行，如果工作電流超過這個電流值，半導體開關元件就會由於過流而被擊穿，從而損壞。
在本實施例中，半導體開關元件為全控型器件，該全控型器件為電力場效應電晶體、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型電晶體以及電力雙極型電晶體中的任意一種。
在本實施例中，由於每個橋臂部的上橋臂部分由兩個並聯連接的上橋臂半導體開關元件221a組成，下橋臂部分由兩個並聯連接的下橋臂半導體開關元件221b組成，使得流經上橋臂部分以及下橋臂部分的最大輸出電流，均為大於圖3中的每個橋臂部(僅包含一個逆變橋臂)的電流，一般為圖3中電流的1.2～1.6倍。
因此，對於同一型號的三相交流電機，本實施例中的三相繞組的個數m約為圖3中的三相繞組個數j的3/5～4/5。當然，m應為正整數，可以在3/5j～4/5j的基礎上向上取整。
控制器14根據上橋臂半導體開關元件121a和下橋臂半導體元件121b之間的預定工作周期，以及根據與上橋臂半導體開關元件121a或者下橋臂半導體元件121b在相應的工作時間內的導通電流相對應的脈衝信號，向觸發電路15提供信號。
觸發電路15包括A相觸發電路、B相觸發電路以及C相觸發電路，該三相觸發電路分別向A相逆變橋臂、B相逆變橋臂以及C相逆變橋臂上的上橋臂半導體開關元件121a和下橋臂半導體元件121b提供觸發信號，讓其導通或關閉。
本實施例中的多相繞組的個數m為整數，滿足如下條件：m＞1.2(IN÷2I1)，該式中I1為單個橋臂的最大輸出電流；IN為多相交流電機的額定線電流。
同圖3中確定多相繞組的個數思路相同，在確定m時，首先選擇合適的半導體開關元件，確定其單元件的連續工作電流值(考慮到各種因素的影響，小於額定工作電流)，然後根據上式計算並向上取整得到m。
把電機繞組群拆分成m個並聯的多相繞組時，如果繞組群不是並繞的或難以直接拆分時，可以利用等效原理重新設計繞組，把繞組的並繞數確定為m或m的整數倍。
當然，也可以不根據I1來確定m，而是先根據三相交流電機的額定線電流IN確定m，得到每個三相繞組的輸入電流IN/m，然後再來選擇合適的半導體開關元件。
在本實施例中，選擇合適的半導體開關元件的規則如下：按照每個橋臂部的最大工作電流為相對應的三相繞組的線電流的1.2～1.6倍來選擇半導體開關元件。例如，三相繞組的線電流(即橋臂部輸出電流)是200A，那麼每相橋臂部的最大輸出電流應該為240A～320A，由於每相橋臂部由兩個逆變橋臂組成，因此，每個逆變橋臂上的半導體開關元件的最大輸出電流應為120A～160A，即每個半導體開關元件的最大輸出電流應為三相繞組的線電流的0.6～0.8倍。
在本實施例中，每個橋臂部含有兩個相互並聯連接的逆變橋臂，此為優選結構，因為並聯連接的逆變橋臂越多，對半導體開關元件的一致性要求越高，成本也就越高。當然在技術成熟，半導體開關元件不易被損壞的情況下，每個橋臂部也可以包括兩個以上相互並聯連接的逆變橋臂，但最多為四個，超過四個就會使得半導體開關元件的甄選變得非常困難，成本也非常高。
實施例的作用與效果
根據本實施例提供的電驅動組件、電動裝置、逆變器以及多相交流電機，一方面，由於多相交流電機具有m個相互獨立的多相繞組，逆變器具有與m個多相繞組分別相對應的m個逆變單元，每個逆變單元具有k個相互並列連接的橋臂部向對應的多相繞組提供k路線電流，使得每個多相繞組由對應的逆變單元單獨驅動，相鄰兩個多相繞組互不幹擾，進而使得多相交流電機的電流可以根據需要任意增大，不僅保留原來逆變器的成熟控制算法、交流電機的成熟技術和成熟的少數幾個開關元件並聯的技術，而且降低了對多個半導體開關元件性能一致性的要求，使用普通的半導體開關元件即可滿足要求，避免了從大量的半導體開關元件中精挑細選一致性高的多個開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。
另一方面，由於每個橋臂部含有w(w為2、3或4)個相互並聯連接的逆變橋臂，在電機的額定線電流一定的情況下，相對於僅含有一個逆變橋臂的橋臂部，這種結構能夠在一定程度上增大每個橋臂部的輸出電流，進而能夠相應的減小多相交流電機中多相繞組的個數j，不僅減少了逆變器和多相交流電機接頭的個數，減輕了維修和維護難度，而且還適當降低了多相交流電機和逆變器的生產成本。
此外，從另外一個角度來看，也可以認為，本實施例的電驅動組件把逆變橋臂的多個開關元件的並聯關係和逆變橋臂輸出電流的疊加關系所存在的強烈的電流耦合關係適當地降低，把部分耦合關係轉移到m個相互獨立的多相繞組磁動勢的合成關係。由於磁動勢不會導致開關元件過流，從而解決了大電流電機的瓶頸問題，從理論上來看，電機可以實現所需要的任意大電流。
在上述實施例中，三相繞組呈三角形連接，三個逆變橋臂分別與對應的三相繞組的三個首尾接點連接，從而提供線電流。作為本發明的電驅動組件，三相繞組還可以呈星形連接，此時三個逆變橋臂分別與對應的三相繞組的三個端點連接，從而提供線電流。
在上述實施例中，均以三相電機為例對本發明進行了詳細闡述，但作為本發明的電驅動組件，多相交流電機不限於三相交流電機，還可以是其他相數的電機。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。