辅助逆变器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种辅助逆变器，包括：依次连接的直流降压电路和逆变电路；所述直流降压电路包括逆变单元、高频变压器和整流单元；所述逆变单元的输入端与供电网连接，所述逆变单元的输出端与所述高频变压器的原边连接，所述高频变压器的副边与所述整流单元的输入端连接。本实用新型提供的辅助逆变器能够解决现有的辅助逆变器体积较大、重量较重且成本较高的问题，实现缩小辅助逆变器的体积，降低制造成本的目的。
【专利说明】辅助逆变器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电气技术，尤其涉及一种辅助逆变器。
【背景技术】
[0002]轨道列车的运行系统主要包括牵引系统和辅助系统，其中辅助系统用于为轨道列车中的辅助设备提供三相交流电源，轨道列车的辅助设备包括空调设备、空气压缩机、设备通风机、挡风玻璃除霜器、插座及雨刷器等设备。辅助逆变器是辅助系统的重要部件，能自动完成启动、关闭及故障切除等功能，在轨道列车供电电网电压正常时，提供恒压恒频的电源以驱动辅助设备正常工作。
[0003]现有的辅助逆变器采用逆变电路将输入直流电转换成三相交流电后，通过工频变压器转换成三相四线制交流电输出，为辅助设备供电。由于工频变压器通常采用硅钢片作为磁芯材料，因而导致辅助逆变器的体积较大，重量较重且成本较高。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供一种辅助逆变器，用以解决现有的辅助逆变器体积较大、重量较重且成本较高的问题，实现缩小辅助逆变器的体积，降低制造成本的目的。
[0005]本实用新型实施例提供一种辅助逆变器，包括:依次连接的直流降压电路和逆变电路；
[0006]所述直流降压电路包括逆变单元、高频变压器和整流单元；
[0007]所述逆变单元的输入端与供电网连接，所述逆变单元的输出端与所述高频变压器的原边连接，所述高频变压器的副边与所述整流单元的输入端连接。
[0008]如上所述的辅助逆变器，所述逆变单元、高频变压器和整流单元的数量均为两个，两个所述逆变单元的输入端串联，每一个所述逆变单元的输出端分别与一个所述高频变压器的原边连接，每一个所述高频变压器的副边分别与一个所述整流单元的输入端连接，两个所述整流单元的输出端串联后与所述逆变电路的输入端连接。
[0009]如上所述的辅助逆变器，所述直流降压电路还包括:输入滤波电路和直流输出滤波电路；
[0010]所述输入滤波电路中的电感与所述逆变单元的输入端串联，所述输入滤波电路中的电容与所述逆变单元的输入端并联；
[0011]所述直流输出滤波电路中的电感的一端与所述整流单元的输出端其中一端连接，所述直流输出滤波电路中的电感的另一端经所述直流输出滤波电路中的电容与所述整流单元的输出端的另一端连接。
[0012]如上所述的辅助逆变器，所述直流降压电路还包括输入均压电阻和直流输出均压电阻；
[0013]所述输入均压电阻与所述输入滤波电路中的电容并联，所述直流输出均压电阻与所述直流输出滤波电路中的电容并联。[0014]如上所述的辅助逆变器，还包括控制系统；
[0015]所述控制系统包括电压传感器、电流传感器和用于控制所述逆变电路中的功率器件和逆变单元中的功率器件实现通断的控制器；
[0016]所述控制器的输出模块与所述逆变电路中的功率器件和所述逆变单元中的功率器件连接，所述控制器的输入模块与所述电压传感器和电流传感器连接；
[0017]所述电压传感器与所述逆变单元的输入端并联；
[0018]所述电流传感器与所述逆变单元的输出端串联。
[0019]本实用新型实施例提供的技术方案通过采用高频变压器与逆变单元和整流单元组成直流降压电路，将供电网电压降低后提供给逆变电路，解决了现有的辅助逆变器体积较大、重量较重且成本较高的问题，能够实现缩小辅助逆变器的体积，降低制造成本的目的，且能够实现降低辅助逆变器的电应力，减少电路中电压的谐波含量。当逆变单元、高频变压器和整流单元的数量为多个时，可降低功率器件上的压降，因此可选用电压等级较低的功率器件，进一步降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型实施例提供的辅助逆变器的电路原理图；
[0021]图2为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的控制信号流向示意图；
[0022]图3为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的输入均压控制框图；
[0023]图4为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的输出均压控制框图。
【具体实施方式】
[0024]图1为本实用新型实施例提供的辅助逆变器的电路原理图，图2为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的控制信号流向示意图，图3为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的输入均压控制框图，图4为本实用新型实施例提供的辅助逆变器中控制系统的输出均压控制框图。如图1-4所示，该辅助逆变器包括:依次连接的直流降压电路I和逆变电路2。
[0025]其中，直流降压电路I包括逆变单元、高频变压器和整流单元；逆变单元的输入端与供电网连接，逆变单元的输出端与高频变压器的原边连接，高频变压器的副边与整流单元的输入端连接。
[0026]逆变单元的数量可以为一个或多个，用于将供电网输入的直流电转换为交流电提供给高频变压器，逆变单元可以由4组绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,简称IGBT)组成全桥电路。当逆变单元的数量为N个时，各逆变单元的输入端串联后与供电网连接，每个逆变单元上的压降为供电网电压的1/N，因此可选用电压等级较低的功率器件组成各逆变单元。高频变压器的具体型号可根据逆变单元输出端的电压和逆变电路2设定的电压来选择，当逆变单元的数量为N个时，各逆变单元的输出端分别与一个高频变压器连接。高频变压器的原边与逆变单元的输出端连接，其副边与整流单元的输入端连接，以实现将逆变单元输出的交流电进行电压幅值转换后提供给整流单元。整流单元采用二极管组成全桥电路，整流单元的输入端与高频变压器的副边连接，输出端与逆变电路2连接，将高频变压器输出的交流电转换为直流电提供给逆变电路2。当逆变单元的数量为N个时，各逆变单元的输出端分别与一个高频变压器连接，各高频变压器的副边分别与一个整流单元连接。整流单元的型号可根据高频变压器的副边输出电压设定。逆变电路2可由6个IGBT组成三个桥臂，每个桥臂上设置两个IGBT，用于将整流单元输出的直流电压转换成三相交流电压提供给用电设备。
[0027]本实施例以逆变单元的数量是两个为优选的技术方案来说明。其中，直流降压单元I中逆变单元、高频变压器和整流单元的数量均为两个，两个逆变单元的输入端串联后与供电网连接，每一个逆变单元的输出端分别与一个高频变压器的原边连接，每一个高频变压器的副边分别与一个整流单元的输入端连接，两个整流单元的输出端串联后与逆变电路2的输入端连接。具体可以为:直流降压单元I包括第一逆变单元11、第一高频变压器12、第一整流单元13、第二逆变单元14、第二高频变压器15和第二整流单元16，其中，第一逆变单元11和第二逆变单元14的输入端串联后与供电网连接，第一逆变单元11的输出端与第一高频变压器12的原边连接，用于将供电网输入的直流电转换为交流电提供给第一高频变压器12，第一逆变单元11输入端的电压为供电网电压的1/2。第一高频变压器12的副边与第一整流单元13的输入端连接，将第一逆变单元11输出的交流电进行电压幅值转换后提供给第一整流单元13。类似的，可以以相同的方式设置第二逆变单元14、第二高频变压器15和第二整流单元16连接。第一整流单元13和第二整流单元16的输出端串联后，与逆变电路2的输入端连接，将各整流单元输出的直流电提供给逆变电路2。
[0028]假设供电网电压为1500VDC，逆变电路2的输入电压设定为640VDC，当逆变单元的数量为一个时，该直流降压电路I将1500VDC转换为640VDC ;当逆变单元的数量为两个时，每个逆变单元上的压降为供电网电压的1/2，该直流降压电路I中的每一组逆变单元、高频变压器和整流单元将750VDC转换为320VDC。
[0029]本实施例的技术方案通过采用逆变单元与高频变压器和整流单元组成直流降压电路，将供电网电压降低后提供给逆变电路，解决了现有的辅助逆变器体积较大、重量较重且成本较高的问题，能够实现缩小辅助逆变器的体积，降低制造成本的目的，且能够实现降低辅助逆变器的电应力，减少电路中电压的谐波含量。当逆变单元、高频变压器和整流单元的数量为多个时，可降低功率器件上的压降，因此可选用电压等级较低的功率器件，进一步降低成本。
[0030]在上述技术方案的基础上，直流降压电路I还可以包括输入滤波电路和直流输出滤波电路，其中，输入滤波电路中的电感与逆变单元的输入端串联，输入滤波电路中的电容与逆变单元的输入端并联，具体可以为:输入滤波电路中的第一电感171与第一逆变单元11的输入端串联，输入滤波电路中的第一电容172与第一逆变单元11的输入端并联，当直流降压电路I中还包括第二逆变单元14时，输入滤波电路中的第二电容173与第二逆变单元14的输入端并联。输入滤波电路可滤除供电网电压中的畸变电压，维持直流降压电路I的输入电压稳定。
[0031 ] 直流输出滤波电路中的电感的一端与整流单元的输出端其中一端连接，直流输出滤波电路中的电感的另一端经直流输出滤波电路中的电容与整流单元的输出端的另一端连接。具体可以为:直流输出滤波电路中的第二电感181与第一整流单元13的输出端串联，即:第二电感181的一端与第一整流单元13的输出端的其中一端连接，第二电感181的另一端经直流输出滤波电路中的第三电容182与第一整流单元13的输出端的另一端连接，当直流降压电路I中还包括第二整流单元16时，直流输出滤波电路中的第三电感186与第二整流单元16的输出端串联，即:第三电感186的一端与第二整流单元16的输出端的其中一端连接，第三电感186的另一端经直流输出滤波电路中的第四电容183与第二整流单元16的输出端的另一端连接。直流输出滤波电路可滤除整流单元输出直流电压的畸变电压，维持逆变电路2输入电压的稳定。
[0032]直流降压电路I还可以包括输入均压电阻和直流输出均压电阻，输入均压电阻与输入滤波电路中的电容并联，直流输出均压电阻与直流输出滤波电路中的电容并联。具体可以为:第一输入均压电阻174与输入滤波电路中的第一电容172并联，当直流降压电路I中还包括第二逆变单元14时，第二输入均压电阻175与输入滤波电路中的第二电容173并联，各输入均压电阻能够调节输入滤波电路中各电容的压降，实现均压，并在直流降压电路I断电后通过各输入均压电阻放电。第一直流输出均压电阻184与直流输出滤波电路中的第三电容182并联，当直流降压电路I中还包括第二整流单元16时，第二直流输出均压电阻185与直流输出滤波电路中的第四电容183并联，各直流输出均压电阻能够调节直流输出滤波电路中各电容的压降，实现均压，并在直流降压电路I断电后通过各输入均压电阻放电。
[0033]可选的，辅助逆变器中还可以包括网侧输入电路、输出滤波电路、冷却风扇等器件，具体的电路连接方法和控制原理可以以本领域技术人员熟知的技术手段来设定和实现，本实施例对此不做限定。
[0034]优选的，在上述实施例提供的技术方案的基础上，辅助逆变器还包括控制系统。该控制系统可以包括电压传感器、电流传感器和用于控制逆变电路2中的功率器件和逆变单元中的功率器件实现通断的控制器。
[0035]其中，控制器的输出模块与逆变电路2中的功率器件和逆变单元中的功率器件连接，控制器的输入模块与电压传感器和电流传感器连接。电压传感器与逆变单元的输入端并联，电流传感器与逆变单元的输出端串联。具体的，第一电压传感器31与第二逆变单元14并联，用于检测第二逆变单元14的输入端电压，第一电流传感器32与第一逆变单元11的输出端串联，用于检测第一逆变单元11输出的电流，第二电流传感器33与第二逆变单元14的输出端串联，用于检测第二逆变单兀14输出的电流。第一电压传感器31、第一电流传感器32和第二电流传感器33分别连接至控制器的模拟量输入模块，将检测到的电信号转换成数字信号提供给控制器用于分析和计算。
[0036]控制器根据各传感器检测到的电压和电流值与设定值分别进行比较后，计算得到偏差值，再根据该偏差值调整控制参数，以通过控制器的控制模块输出调整后的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，驱动逆变电路2中的功率器件和逆变单元中的功率器件实现高频通断，以将供电网输入的直流电压转换为三相四线制交流电压提供给用电设备。
[0037]上述实施例提供的辅助逆变器的工作过程为:控制器上电后首先要通过设置在供电网侧的电流传感器和电压传感器检测网侧的电流和电压值，该电流传感器和电压传感器将检测到的网侧电流和电压值通过控制器的模拟量输入模块提供给控制器，当控制器经过判断得知网侧电压和电流值稳定后，通过数字量输出模块发出网侧晶闸管导通的控制指令，以对与逆变单元并联的电容进行预充电。当控制器获知该电容两端的电压达到设定值时，通过数字量输出模块发出网侧主接触器闭合的指令，然后通过数字量输入模块接收网侧主接触器闭合的反馈信号。控制器通过数字量输出模块发出PWI信号，驱动逆变单元中的功率器件实现高频通断，以将供电网侧输入的直流电转换成交流电，再经过高频变压器进行电压转换，经整流单元将交流电转换为直流电提供给逆变电路。在所述辅助逆变器的运行过程中，控制器通过电压传感器和电流传感器获取直流降压电路中的运行状态，例如将通过第一电压传感器获知第二逆变单元输入端的电压值与1/2网侧输入电压相比较得到偏差值，调整比例参数和积分参数，得到第一调整参数，再将通过电压传感器检测到的直流降压电路输出端的电压值与设定值相比较得到偏差值，调整比例参数和积分参数后，得到第二调整参数，与第一调整参数分别进行叠加或相减运算，并且对每一组运算的结果与三角波PWM信号进行反相叠加，再进行移相调节，调整IGBT驱动脉冲信号的占空比，通过数字量输出模块提供给两个逆变单元中的IGBT实现高频通断。类似的，通过电压传感器检测直流降压电路输出端的电压，可用第三电容和第四电容两端的电压来代替，二者之和即为直流降压电路输出端的电压。将第三电容和第四电容两端的电压分别与设定值做比较后，得到偏差值，再经过调整比例参数和积分参数、与三角波PWM信号进行反相叠加以及移相调节后，得到两个逆变单元中的IGBT的驱动控制脉冲信号。能够实现各逆变单元在启动过程的参数不一致时，也能够随着输出电压不断升高而达到设定值，各逆变单元的输出电压也在不断调节的过程中达到一致。若对各逆变单元采用交错控制的方式，还能够减小系统输出的电流纹波。上述对PWM信号调整的运算方法仅作为一种实施方法，也可以根据具体的功率器件的性能采用其它可实现的方法，也可根据本领域技术人员设计实现，本实施例对此不做限定。
[0038]待逆变单元工作稳定后，控制器向逆变电路中的IGBT发出PWM信号，使得逆变电路将直流降压单元输出的直流电转换为三相四线制的交流电，并经过输出滤波电路滤波后提供给用电设备。
[0039]典型的用电设备可以为冷却风扇，在所述辅助逆变器中设置有温度传感器，当控制器通过温度传感器获知某器件温度达到第一设定值时，控制器通过数字量输出模块发出低速风机接触器闭合指令，以使冷却风扇的驱动电机通入三相交流电开始转动，待温度达到第二设定值(第二设定值 > 第一设定值)时，控制器通过数字量输出模块发出高速风机接触器闭合指令，并提前关断低速风机接触器，以使冷却风扇的驱动电机开始高速运转。
[0040]控制器通过电压传感器和电流传感器获知逆变单元和逆变电路中IGBT的运行状态，当任一 IGBT发生驱动故障时，控制器停止输出PWM信号。
[0041]上述技术方案中，针对供电网侧输入直流电压为1500V，直流电流为51A，辅助逆变器的系统容量为77kVA，可采用型号为DZMJ0.8-5210、耐压为1200VDC以及额定电流有效值为140A的膜电容作为输入滤波电路中的电容，可与电感组成滤波电路，也作为直流降压单元的支撑电容。逆变单元中的功率器件选用型号为FF300R17KE4、耐压为1700V及额定电流为300A的IGBT。高频变压器的频率可以为5KHz，原边与副边的线圈变比为1.5:1，功率为45KVA。整流单元中的二极管的型号可以为IXYSMEE250-12DA，耐压为1200V，额定电流为250A。输入均压电阻的阻值可为20ΚΩ，直流输出均压电阻的阻值可为10ΚΩ。输出滤波电路中的电感可选用0.3mH，额定电流为120A，电容可选择型号为MGK153M2G-E236，耐压为450V，额定电流为28.2A，IGBT的驱动选用型号为2S⑶435T的驱动板。控制系统中采用DSP芯片和FPGA芯片共同构成控制器，并通过RS485通信方式与手持操作器进行通信，以使技术人员通过手持操作器进行调试控制辅助逆变器的运行，通过CAN通信方式与控制器进行通信，以实现辅助逆变器的自动运行。
[0042]上述技术方案通过采用逆变单元与高频变压器和整流单元组成直流降压电路，将供电网电压降低后提供给逆变电路，解决了现有的辅助逆变器体积较大、重量较重且成本较高的问题，能够实现缩小辅助逆变器的体积，降低制造成本的目的，且能够实现降低辅助逆变器的电应力，减少电路中电压的谐波含量，还能够实现故障诊断。当逆变单元、高频变压器和整流单元的数量为多个时，可降低功率器件上的压降，因此可选用电压等级较低的功率器件，进一步降低成本。
[0043]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种辅助逆变器，其特征在于，包括:依次连接的直流降压电路和逆变电路； 所述直流降压电路包括逆变单元、高频变压器和整流单元； 所述逆变单元的输入端与供电网连接，所述逆变单元的输出端与所述高频变压器的原边连接，所述高频变压器的副边与所述整流单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的辅助逆变器，其特征在于，所述逆变单元、高频变压器和整流单元的数量均为两个，两个所述逆变单元的输入端串联，每一个所述逆变单元的输出端分别与一个所述高频变压器的原边连接，每一个所述高频变压器的副边分别与一个所述整流单元的输入端连接，两个所述整流单元的输出端串联后与所述逆变电路的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的辅助逆变器，其特征在于，所述直流降压电路还包括:输入滤波电路和直流输出滤波电路； 所述输入滤波电路中的电感与所述逆变单元的输入端串联，所述输入滤波电路中的电容与所述逆变单元的输入端并联； 所述直流输出滤波电路中的电感的一端与所述整流单元的输出端其中一端连接，所述直流输出滤波电路中的电感的另一端经所述直流输出滤波电路中的电容与所述整流单元的输出端的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的辅助逆变器，其特征在于，所述直流降压电路还包括输入均压电阻和直流输出均压电阻； 所述输入均压电阻与所述输入滤波电路中的电容并联，所述直流输出均压电阻与所述直流输出滤波电路中的电容并联。
5.根据权利要求1-4任一所述的辅助逆变器，其特征在于，还包括控制系统； 所述控制系统包括电压传感器、电流传感器和用于控制所述逆变电路中的功率器件和逆变单元中的功率器件实现通断的控制器； 所述控制器的输出模块与所述逆变电路中的功率器件和所述逆变单元中的功率器件连接，所述控制器的输入模块与所述电压传感器和电流传感器连接； 所述电压传感器与所述逆变单元的输入端并联； 所述电流传感器与所述逆变单元的输出端串联。
【文档编号】H02M3/28GK203608088SQ201320561645
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】王磊, 朱士友, 牟富强, 蔡昌俊, 张钢, 丁建隆, 刘志刚, 赵志强, 刁利军, 徐春梅, 邱瑞昌 申请人:广州市地下铁道总公司, 北京交通大学, 北京千驷驭电气有限公司