專利名稱:三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于直流電源技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置。
背景技術(shù):
大容量蓄電池充電裝置過(guò)去大多釆用相控整流技術(shù),功率器件釆
用可控硅SCR和小容量的GTO、 GTR功率器件,不僅效率低、能耗大、功率因數(shù)低、輸出精度差,存在嚴(yán)重的過(guò)充電和析氣等現(xiàn)象,影響電源的品質(zhì)和蓄電池的使用壽命,而且由于控制回路與輔助回路需要釆用工頻變壓器隔離,電源的體積和重量都很大。隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和大功率電子開(kāi)關(guān)器件迅速發(fā)展,直流電源裝置主要釆用H橋逆變、高頻變壓器隔離技術(shù),而在鐵路機(jī)車上這種直流電源的輸入一般為輔助變流器輸出的三相交流電壓或輔助變流器中間直流電壓,其電壓值一般都很高,且變化范圍大,三相交流電整流成的直流電壓及輔助變流器中間直流電壓 一般都在530V ~ 900V之間。因此在開(kāi)關(guān)功率器件上, 一是釆用高耐壓等級(jí),中、大容量的IGBT,單相H橋逆變、隔離、整流輸出;二是釆用較低耐壓等級(jí)、小容量的IBGT或場(chǎng)效應(yīng)管,多路H橋逆變、隔離、整流并聯(lián)輸出;這兩種方式都具有高效率、低能耗、高功率因數(shù),高輸出精度的特點(diǎn)。但是,由于第一種方
3式的開(kāi)關(guān)頻率很難達(dá)到15K以上的頻率, 一般在10K以下,因此隔
離變壓器和輸出電抗器會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲,噪聲隨著輸出電流的增大而
增強(qiáng)。如果增大開(kāi)關(guān)頻率到15K以上,IGBT熱損耗急劇增加、換流惡化,產(chǎn)品的可靠性及壽命都會(huì)受到極大影響。第二種方式開(kāi)關(guān)頻率雖然可以到達(dá)20K以上,但小容量IBGT或場(chǎng)效應(yīng)管的耐壓等級(jí)低,因此當(dāng)中間回路電壓較高時(shí)還必須采用雙管串聯(lián),另外還需對(duì)多路電源的輸出電流進(jìn)行均流控制,系統(tǒng)選用的元件數(shù)量多,控制復(fù)雜,可靠性也會(huì)受到影響。
在開(kāi)關(guān)電源的主電路中經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到單相半橋逆變電路,它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,使用器件少。但是,輸出交流電壓幅值為Udc/2,直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)。另外,單相半橋逆變電路與單相H橋逆變電路相比,輸出電壓是單相H橋逆變電路的1/2,在相同輸出功率的情況下,變壓器的原邊電流是單相H橋逆變電路的2倍,在開(kāi)關(guān)頻率小于lOKHz的情況下,變壓器和電抗器的噪聲會(huì)更大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足,提供一種在輸入電壓值高、變化范圍大的條件下,釆用高耐壓大容量IGBT管,而能夠降低隔離變壓器及輸出電抗器高頻噪聲且控制簡(jiǎn)單的三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置。
本發(fā)明的目的是這樣現(xiàn)的 一種三相橋大容量蓄電池充電裝置,由IGBT管及其PWM脈寬調(diào)制控制電路、隔離變壓器、整流二極管和輸出電抗器構(gòu)成,其特征在于IGBT管(Q1 Q6)和電容(Cl)構(gòu)成三相橋式逆變輸入電路,整流二極管(D1 D6)、電抗器(Ll)和電容(C2)構(gòu)成三相整流輸出電路,三相隔離變壓器(Tl)將輸入電路和輸出電路耦合起來(lái)。
此種充電裝置的第一種控制方法是在三相橋式逆變輸入電路中,SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差依次為120° ,占空比大于O,小于33.3%, SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ),且設(shè)置死區(qū)時(shí)間。
此種充電裝置還可以使用第二種控制方法在三相橋式逆變輸入電路中,SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差依次為120° , SU、SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差仍依次為120° , SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差為180° ,占空比大于0,小于33.3%。
變壓器噪聲共有兩個(gè)聲源, 一是鐵心,二是繞組。鐵心產(chǎn)生噪聲的原因是構(gòu)成鐵心的硅鋼片在交變磁場(chǎng)的作用下,會(huì)發(fā)生微小的變化即磁致伸縮,磁致伸縮使鐵心隨勵(lì)磁頻率的變化做周期性振動(dòng),振動(dòng)幅度隨勵(lì)磁電流的增加而增加。繞組產(chǎn)生振動(dòng)的原因是電流在繞組中產(chǎn)生電磁力,電磁力(和振動(dòng)幅值)與電流的平方成正比,而發(fā)射的聲功率與振動(dòng)幅值的平方成正比。因此,發(fā)射的聲功率與負(fù)載電流有很
明顯的關(guān)系。漏磁場(chǎng)也能使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)。
采用本發(fā)明的技術(shù)方案,在第一種控制方法的情況下,與已有技術(shù)的單相H橋逆變電路相比較,在變壓器原副邊的電流基波頻率相同、輸入直流電壓及輸出功率相同的情況下,前者原副邊的電流降低;三相變壓器的漏磁比單相變壓器的漏磁低,能夠大幅度降低變壓器產(chǎn)生的高頻噪聲;采用高耐壓等級(jí)、中、大容量的IGBT管,雖然其基波頻率無(wú)法高出音頻頻率,但整流輸出的脈沖電壓的頻率為開(kāi)關(guān)頻率的三倍,足以超出音頻范圍,因而消除了電抗器產(chǎn)生的高頻噪聲。
在變壓器和電抗器釆用相同材料的鐵心和繞組的情況下,在開(kāi)關(guān)頻率為8KHz,中間電壓為750VDC,輸出電壓為110VDC,輸出電流為55A時(shí),釆用單相H橋逆變輸入電路,其噪聲達(dá)到85dB,而釆用三相橋式逆變輸入電路,其噪聲低于50dB;當(dāng)輸出電流增大到110A時(shí),釆用單相H橋逆變電路,其噪聲達(dá)到100dB,而釆用三相橋式逆變電路,其噪聲低于65dB。
釆用本發(fā)明的技術(shù)方案,在第二種控制方法的情況下,占空比大于0,小于33.3%,充電裝置中隔離變壓器的相電壓頻率是開(kāi)關(guān)頻率的三倍,已超出音頻范圍,因而實(shí)現(xiàn)了消除了變壓器和電抗器產(chǎn)生高頻噪聲的目的。試驗(yàn)表明,在開(kāi)關(guān)頻率為8KHz,中間電壓為750VDC,輸出電壓為110VDC,輸出電流為IIOA時(shí),人耳基本聽(tīng)不到變壓器和電抗器產(chǎn)生的噪聲。
附圖1為本發(fā)明實(shí)施例釆用三相橋式逆變輸入電路的大容量蓄電池充電裝置的主電路示意圖。
附圖2為釆用第一種控制方法時(shí)附圖1中的IGBT管的驅(qū)動(dòng)電壓
波形圖。附圖3為釆用第一種控制方法時(shí)附圖1的裝置在開(kāi)關(guān)頻率為8K 時(shí),實(shí)測(cè)的SU和SW上橋臂驅(qū)動(dòng)電壓波形以及變壓器A C端的電壓 波形。
附圖4為釆用第二種控制方法時(shí)附圖1中的IGBT管的驅(qū)動(dòng)電壓
波形圖。
附圖5為釆用第二種控制方法時(shí)附圖1的裝置在開(kāi)關(guān)頻率為8K 時(shí),不同占空比下,SU上橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓、變壓器AO端和AB的 電壓波形。
具體實(shí)施例方式
參看附圖1,該實(shí)施例的三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置, 其輸入電路是由IGBT管(Q1 Q6)和電容(Cl)構(gòu)成三相橋式逆變 電路,輸出電路是由整流二極管(D1 D6)、電抗器(L1)和電容(C2) 構(gòu)成的三相整流電路,三相隔離變壓器(T1)將輸入電路和輸出電路耦 合起來(lái)。用PWM脈寬調(diào)制控制電路(圖中來(lái)示出)控制三相橋式逆變 輸入電路中IGBT管的開(kāi)通寬度。
采用第一種控制方法控制本實(shí)施例的充電裝置,開(kāi)關(guān)頻率為8K 時(shí)各橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓波形見(jiàn)附圖2。 SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信 號(hào)相位差依次為120° ,占空比大于O,小于33.3%, SU、 SV、 SW
的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ),為避免上下橋臂貫 通,設(shè)置了 6 8us的死區(qū)時(shí)間。附圖3為在開(kāi)關(guān)頻率為8K時(shí),實(shí)測(cè) 的SU和SW上橋臂驅(qū)動(dòng)電壓波形以及變壓器A C端的電壓波形。釆用第二種控制方法控制本實(shí)施例的充電裝置,開(kāi)關(guān)頻率為8K
時(shí)各橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓波形見(jiàn)附圖4。 SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信 號(hào)相位差依次為120° , SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差仍 依次為120° , SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā) 信號(hào)相位差為180° ,占空比大于0,小于33.3%。附圖5給出了在 開(kāi)關(guān)頻率為8K時(shí),不同占空比下,SU上橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓、變壓器 AO端和AB端的電壓波形。占空比不能等于33.3%。因?yàn)?,?dāng)占空 比等于33.3%時(shí),其各管子的導(dǎo)通順序與傳統(tǒng)的120°導(dǎo)通型各管子 的導(dǎo)通方式相同,輸出相電壓的頻率就會(huì)等于開(kāi)關(guān)頻率,如附圖5中 的(g)所示。
權(quán)利要求
1、一種三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置,由IGBT管及其PWM脈寬調(diào)制控制電路、隔離變壓器、整流二極管和輸出電抗器構(gòu)成,其特征在于IGBT管(Q1~Q6)和電容(C1)構(gòu)成三相橋式逆變輸入電路,整流二極管(D1~D6)、電抗器(L1)和電容(C2)構(gòu)成三相整流輸出電路,三相隔離變壓器(T1)將輸入電路和輸出電路耦合起來(lái)。
2、 一種權(quán)利要求1所述充電裝置的控制方法,其特征在于三相橋式逆變輸入電路中,SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差依次為120° ,占空比大于O,小于33.3%, SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ),且設(shè)置死區(qū)時(shí)間。
3、 一種權(quán)利要求1所述充電裝置的控制方法,其特征在于三相半橋式逆變輸入電路中,SU、 SV、 SW的上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差依次為120° , SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差仍依次為120° , SU、 SV、 SW的下橋臂的觸發(fā)信號(hào)與上橋臂的觸發(fā)信號(hào)相位差為180° ,占空比大于O,小于33.3%。
全文摘要
本發(fā)明的三相橋式逆變大容量蓄電池充電裝置,由IGBT管及其PWM脈寬調(diào)制控制電路、隔離變壓器、整流二極管和輸出電抗器構(gòu)成,輸入電路采用由IGBT管和電容構(gòu)成的三相橋式逆變電路,輸出電路采用由整流二極管、電抗器和電容構(gòu)成的三相整流輸出電路,三相隔離變壓器將輸入電路和輸出電路耦合起來(lái)。當(dāng)IGBT管的開(kāi)關(guān)頻率在音頻范圍時(shí),可大幅度降低隔離變壓器和輸出電抗器的噪聲,甚至可以達(dá)到靜音。
文檔編號(hào)H02J7/02GK101521402SQ20091013320
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者蔡志偉, 韓樹(shù)明 申請(qǐng)人:中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司