一種逆變器系統(tǒng)及減小逆變器直流母線電容的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種逆變器系統(tǒng)及減小逆變器直流母線電容的方法，該逆變器系統(tǒng)包括：交流電源、AC/DC變換器、直流母線電容、單向DC/DC變換器、直流輔助電源及DC/AC變換器；單向DC/DC變換器輸出端和輸入端分別連接直流母線電容和直流輔助電源；交流電源串接AC/DC變換器后并聯(lián)直流母線電容，然后連接DC/AC變換器；當直流母線兩端電壓小于預(yù)設(shè)電壓時，直流輔助電源向直流母線電容輸出能量。本發(fā)明還提供一種減小逆變器直流母線電容的方法，應(yīng)用于上述逆變器系統(tǒng)中，包括：采集直流母線電容兩端電壓，將該電壓與預(yù)設(shè)電壓比較，若該電壓小于預(yù)設(shè)電壓，觸發(fā)單向DC/DC變換器導通，直流輔助電源向直流母線電容輸出能量。
【專利說明】
一種逆變器系統(tǒng)及減小逆變器直流母線電容的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子、電機驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種減小直流母線電容的逆變器系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在逆變器領(lǐng)域，由于需要直流母線電容的容量很大，通常使用電解電容，然而電解電容隨著工作時間的增多，電解液會慢慢揮發(fā)，相應(yīng)的電容容量將會減小，穩(wěn)定性差變，減小了逆變器的整機使用壽命。在越來越注重產(chǎn)品壽命的當下，電解電容由于其壽命短的缺點正逐漸被薄膜電容替代，但是薄膜電容的容量相對電解電容較小，因此為使用薄膜電容，人們提出了減小母線電容的拓撲結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的減小母線電容的拓撲結(jié)構(gòu)包括一個雙向DC/DC變換器和輔助電容Cl，雙向DC/DC變換器的一端連接輔助電容Cl，另一端連接直流母線電容Cdc，參見附圖1。當逆變器負載較小時，直流母線電容Cdc上的能量較高，因此直流母線電容Cdc通過雙向DC/DC變換器向輔助電容Cl充電，將多余的能量儲存在輔助電容Cl上；當負載較大的時候，輔助電容Cl通過雙向DC/DC變換器向直流母線電容Cdc回饋能量，通過這種能量交換的方法，降低直流母線電容Cdc的大小。上述的傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)由于采用雙向DC/DC變換器，能量可在輔助電容Cl和直流母線電容Cdc之間雙向交換，這種方式不僅降低了整個逆變器的效率，而且要求輔助電容Cl必須足夠大，否則無法有效減小直流母線電容Cdc。又由于Cl是電容，其本身的放電特性決定了當其向直流母線電容Cdc回饋能量的時候，不能保證回饋能量的連續(xù)性，整個逆變器系統(tǒng)的性能可能受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】中逆變器系統(tǒng)存在的缺陷:直流母線電容較大、逆變器的工作效率低、且不能保證向直流母線電容輸送能量的連續(xù)性，提出一種逆變器系統(tǒng)及減小逆變器直流母線電容的方法。
[0004]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:
[0005]本發(fā)明一方面提供一種逆變器系統(tǒng)，所述的逆變器系統(tǒng)包括:交流電源、AC/DC變換器、直流母線電容、單向DC/DC變換器、直流輔助電源及DC/AC變換器；所述單向DC/DC變換器的兩個輸出端分別連接所述直流母線電容的兩端；所述單向DC/DC變換器的輸入端連接所述直流輔助電源；所述交流電源與AC/DC變換器連接后與所述直流母線電容并聯(lián)連接，然后連接所述DC/AC變換器的輸入端；當所述直流母線電容兩端的電壓小于預(yù)設(shè)的工作電壓時，所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。
[0006]在一實施例中，所述系統(tǒng)還包括:一電壓采集電路，連接所述直流母線電容兩端，用于采集所述直流母線電容兩端的電壓。
[0007]在一實施例中，所述系統(tǒng)還包括:一觸發(fā)電路，所述觸發(fā)電路的輸入端與所述電壓采集電路輸出端連接，所述觸發(fā)電路的輸出端與所述單向DC/DC變換器連接，當所述直流母線電容的電壓低于所述預(yù)設(shè)的工作電壓時，所述觸發(fā)電路觸發(fā)所述單向DC/DC變換器工作，所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。
[0008]在一實施例中，所述直流輔助電源的輸入端連接濾波電容。
[0009]在一實施例中，所述直流輔助電源為反激變換器。
[0010]在一實施例中，所述電壓采集電路包括:電阻及電壓表。
[0011 ] 在一實施例中，所述單向DC/DC變換器為Buck變換器。
[0012]本發(fā)明另一方面提供一種減小逆變器直流母線電容的方法，應(yīng)用于所述的逆變器系統(tǒng)，所述的方法包括:采集直流母線電容兩端的電壓；將所述電壓與所述預(yù)設(shè)的工作電壓行比較；若所述電壓小于所述預(yù)設(shè)的工作電壓，觸發(fā)單向DC/DC變換器工作，使所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。
[0013]在一實施例中，所述直流輔助電源的輸入端連接濾波電容。
[0014]在一實施例中，所述直流輔助電源為反激變換器。
[0015]在一實施例中，所述采集直流母線電容兩端的電壓，具體包括:在所述直流母線電容兩端并聯(lián)一電阻；測量所述電阻兩端的電壓，作為所述直流母線電容兩端的電壓。
[0016]本發(fā)明可有效減小直流母線電容，同時提高逆變器系統(tǒng)的效率，而且保證了向直流母線電容回饋能量的連續(xù)性。
【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的減小直流母線電容的逆變器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實施例逆變器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例單向DC/DC變換器采用Buck變換器、直流輔助電源采用反激變換器的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實施例減小直流母線電容的逆變器系統(tǒng)在PLECS仿真軟件中的拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實施例在連接Buck變換器和不連接Buck變換器時，直流母線電容兩端的電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]在逆變器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的減小直流母線電容的拓撲結(jié)構(gòu)包括一個雙向DC/DC變換器104和輔助電容105，雙向DC/DC變換器104的一端連接輔助電容105，另一端連接直流母線電容103，如圖1所示。當逆變器負載107消耗能量較少時，能量將會在直流母線電容103上儲存，但因直流母線電容103容量較小，不能儲存較多能量，因此，直流母線電容103通過雙向DC/DC變換器104向輔助電容105充電，將多余的能量儲存在輔助電容105上；當負載107消耗能量較多時，直流母線電容103由于容量較小，其上儲存的能量不足以帶動負載，輔助電容105通過雙向DC/DC變換器104向直流母線電容103回饋能量。通過上述能量交換的方法，達到減小直流母線電容103的目的。上述傳統(tǒng)的逆變器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中的雙向DC/DC變換器104由于一直保持雙向?qū)ǎ鼓芰吭谳o助電容105和直流母線電容103之間雙向交換，這種能量的雙向交換降低了整個逆變器的工作效率，而且要求輔助電容105必須足夠大，能夠儲存直流母線電容103無法儲存的能量，否則無法有效減小直流母線電容103，并且輔助電容105本身的放電特性決定了當其向直流母線電容103回饋能量時，不能保證回饋能量的連續(xù)性，整個逆變器系統(tǒng)的性能可能受到影響。
[0025]為了解決上述問題，本發(fā)明實施例提供了一種逆變器系統(tǒng)，圖2為本發(fā)明實施例減小直流母線電容的逆變器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。該逆變器系統(tǒng)包括:交流電源201、AC/DC變換器202、直流母線電容203、單向DC/DC變換器206、直流輔助電源207、DC/AC變換器208及負載209。單向DC/DC變換器206的輸出端連接直流母線電容203，單向DC/DC變換器206的輸入端連接直流輔助電源207的輸出端。交流電源201與AC/DC變換器202連接后與直流母線電容203并聯(lián)，然后通過DC/AC變換器208連接負載209。該系統(tǒng)還包括電壓采集電路204、觸發(fā)電路205。其中，電壓采集電路204連接在直流母線電容203的兩端，用于采集直流母線電容203兩端的電壓；觸發(fā)電路205的輸入端與電壓采集電路204的輸出端連接，觸發(fā)電路205的輸出端與單向DC/DC變換器206連接，用于在直流母線電容203兩端電壓低于預(yù)設(shè)電壓時，觸發(fā)單向DC/DC變換器206導通。
[0026]當負載209較大，直流母線電容203上儲存的能量不足以供應(yīng)負載時，直流母線電容203兩端的電壓下降，當電壓采集電路204采集到的電壓低于預(yù)設(shè)的工作電壓時，觸發(fā)電路205觸發(fā)單向DC/DC變換器206導通，此時直流輔助電源207通過單向DC/DC變換器206向直流母線203輸出能量，用以供應(yīng)負載209。當負載209較小時，電壓采集電路204采集到的直流母線電容203上的電壓不低于預(yù)設(shè)的工作電壓，此時觸發(fā)電路205不觸發(fā)單向DC/DC變換器206導通，直流輔助電源207無法通過單向DC/DC變換器206向直流母線電容203提供能量，使直流母線電容203無需儲存較多的能量，有效減小直流母線電容203。
[0027]本發(fā)明用“單向DC/DC變換器206+直流輔助電源207 ”結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中的“雙向DC/DC變換器104+輔助電容105”結(jié)構(gòu)，有效減小直流母線電容203，并且單向DC/DC變換器206的單向?qū)ㄌ匦员ＷC了能量只能從直流輔助電源207向直流母線電容203傳輸，提高了逆變器系統(tǒng)的工作效率，保證了向直流母線電容203回饋能量的連續(xù)性。
[0028]在一實施例中，電壓采集電路204包括:電阻及電壓表。本發(fā)明僅以電阻及電壓表進行說明，具體實施時，需要將電阻并聯(lián)在在直流母線電容203的兩端，利用電壓表測量上述電阻的電壓值，作為直流母線電容的電壓。在一實施例中，觸發(fā)電路205可為電壓比較器，本發(fā)明僅以電壓比較器進行說明，本發(fā)明不以此為限。
[0029]具體實施時，若將單向DC/DC變換器206設(shè)置為高電平導通，則將上述電壓比較器的正相輸入端的輸入電壓設(shè)為直流母線電容203的預(yù)設(shè)工作電壓，反相輸入端連接電壓采集電路204的輸出端。當直流母線電容203兩端的電壓降低，小于其預(yù)設(shè)的工作電壓時，即電壓比較器的反相輸入端電壓小于正相輸入端電壓時，上述電壓比較器輸出高電平觸發(fā)信號，觸發(fā)單向DC/DC變換器206導通，此時直流輔助電源207通過單向DC/DC變換器206向直流母線電容203提供能量。若將單向DC/DC變換器206設(shè)置為低電平導通，則將上述電壓比較器的正相輸入端連接電壓采集電路204的輸出端，反相輸入端的輸入電壓設(shè)為直流母線電容203的預(yù)設(shè)工作電壓，當直流母線電容203兩端的電壓降低，小于其預(yù)設(shè)的工作電壓時，即電壓比較器的反相輸入端電壓小于正相輸入端電壓時，上述電壓比較器輸出低電平觸發(fā)信號，觸發(fā)單向DC/DC變換器206導通，此時直流輔助電源207通過單向DC/DC變換器206向直流母線電容203提供能量。
[0030]在上述實施例中，由于電壓比較器正、反相輸入端的輸入電壓均較小，最大為5V，但在逆變器系統(tǒng)中，直流母線電容兩端的電壓較高，相應(yīng)的預(yù)設(shè)工作電壓也較高，因此，在將直流母線電容203兩端電壓、預(yù)設(shè)工作電壓連接到電壓比較器的正、反相輸入端時，先降壓到5V以下，再接入電壓比較器進行比較。
[0031]在一實施例中，直流輔助電源207的輸出端并聯(lián)一濾波電容(圖2中未不出)，用于對直流輔助電源207輸出的直流電進行濾波，使直流輔助電源207輸出的電壓是一個恒定值，保證了向直流母線電容203輸送能量的連續(xù)性。
[0032]本發(fā)明中單向DC/DC變換器206優(yōu)選Buck變換器，直流輔助電源207優(yōu)選反激變換器。如圖3所示，為本發(fā)明實施例直流輔助電源207采用反激變換器211、單向DC/DC變換器206采用Buck變換器210的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。該逆變器系統(tǒng)包括:交流電源201、AC/DC變換器202、直流母線電容203、電壓采集電路204、觸發(fā)電路205、Buck變換器210、反激變換器211、DC/AC變換器208及負載209。Buck變換器210的輸出端連接直流母線電容203，Buck變換器210的輸入端連接反激變換器211的直流輸入端。交流電源201與AC/DC變換器202連接后與直流母線電容203并聯(lián)，然后通過DC/AC變換器208連接負載209。電壓采集電路204連接在直流母線電容203的兩端，用于采集直流母線電容203兩端的電壓。觸發(fā)電路205的輸入端與電壓采集電路204的輸出端連接，觸發(fā)電路205的輸出端與Buck變換器210連接。當直流母線電容203的電壓低于預(yù)設(shè)的工作電壓時，反激變換器211通過Buck變換器210向直流母線電容203輸送能量。
[0033]圖4為本發(fā)明實施例減小直流母線電容的逆變器系統(tǒng)在PLECS仿真軟件中的拓撲結(jié)構(gòu)圖(圖中未示出電壓采集電路204及觸發(fā)電路205)。交流電源201的有效值設(shè)為220V，頻率設(shè)為50Hz ;AC/DC變換器202選用二極管橋式整流電路；直流母線電容203的電容值設(shè)為5yF ;單向DC/DC變換器選用Buck變換器210，并設(shè)為高電平導通；反激變換器211輸出的直流電壓為300V ;DC/AC變換器208選用PffM逆變器；負載209選用可變阻性負載，該可變阻性負載最小負載電阻為30Ω，最大為300 Ω，且該可變阻性負載的電阻值隨時間變化，變化周期設(shè)為20ms，即在一個周期內(nèi)，負載209從300 Ω均勻減小到30 Ω或者從30 Ω均勻增加到300 Ω ;直流母線電容203的預(yù)設(shè)工作電壓設(shè)為100V。
[0034]在連接Buck變換器210和未連接Buck變換器210兩種情況下，分別測量圖4中AB兩點間的電壓，即直流母線電容203兩端的電壓，得到如圖5所示電壓波形圖。曲線I為實線，是仿真電路中連接Buck變換器210的情況下，直流母線電容203兩端的電壓波形。其中，a點對應(yīng)的負載209的電阻值為300Ω，此時直流母線電容203兩端的電壓最高，達到311V ；c點對應(yīng)的負載209的電阻值為30Ω，此時直流母線電容203兩端的電壓最低，為OV0在負載209的電阻值從300 Ω減小到30 Ω的過程中，負載消耗的能量逐漸增多，直流母線電容203兩端電壓逐漸降低，當電壓采集電路采集到的電壓低于預(yù)設(shè)工作電壓100V時，觸發(fā)電路觸發(fā)Buck變換器210導通，圖5中的b點代表Buck變換器210導通，反激變換器211通過Buck變換器210向直流母線電容203輸送能量。之后，直流母線電容203兩端的電壓因反激變換器211輸送的能量而上升，當電壓采集電路采集到的電壓高于預(yù)設(shè)的工作電壓100V時，Buck變換器210關(guān)斷，圖5中的d點代表Buck變換器210關(guān)斷，反激變換器211不能通過Buck變換器210繼續(xù)向直流母線電容203輸出能量。
[0035]曲線2為虛線，是在仿真電路中未連接Buck變換器210電路情況下，直流母線電容203兩端的電壓波形。在負載209的電阻值從300 Ω減小到30 Ω的過程中(即曲線2上的ab段)，負載209消耗的能量逐漸增多，直流母線電容203兩端電壓逐漸降低，由于未連接Buck變換器210，反激變換器211無法向直流母線電容203輸送能量，因此直流母線電容203兩端的電壓在低于預(yù)設(shè)工作電壓100V之后繼續(xù)降低，直至負載209的電阻值達到30 Ω時，直流母線電容203兩端電壓減小為0V，如曲線2上的be段。之后，當負載209的電阻值從30 Ω逐漸增大時，負載209消耗的能量減少，直流母線電容203兩端的電壓逐漸回升到100V，如曲線2上的Cd段，之后直流母線電容203兩端的電壓隨著負載209的電阻值的增大而回升。
[0036]從仿真波形中可以看出，逆變器系統(tǒng)連接了 Buck變換器210，在直流母線電容203兩端電壓低于100V時，可通過Buck變換器210的導通使反激變換器211向直流母線電容203輸送能量，從而使直流母線電容203兩端電壓升高，隨著負載209的電阻值的增大，所消耗的能量逐漸減少，以及反激變換器211持續(xù)供應(yīng)的能量，直流母線電容203兩端的電壓逐漸回升，但這段時間內(nèi)(即曲線I上的bd段)的電壓不超過直流母線電容203電壓的峰值(即31IV)，因此直流母線電容203上承受的電壓應(yīng)力不會增加。如果逆變器系統(tǒng)未連接Buck變換器210，而要得到與曲線I完全一樣的電壓波形，只有通過加大直流母線電容203的方法，如連接Buck變換器210的情況下，直流母線電容203只有5 yF即可，而如果不連接Buck變換器210，則直流母線電容203至少為150 μ F，才能得到與曲線I所示的電壓波形一樣的曲線。
[0037]本發(fā)明中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項】
1.一種逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:交流電源、AC/DC變換器、直流母線電容、單向DC/DC變換器、直流輔助電源及DC/AC變換器； 所述單向DC/DC變換器的兩個輸出端分別連接所述直流母線電容的兩端；所述單向DC/DC變換器的輸入端連接所述直流輔助電源；所述交流電源與AC/DC變換器連接后與所述直流母線電容并聯(lián)連接，然后連接所述DC/AC變換器的輸入端； 當所述直流母線電容兩端的電壓小于預(yù)設(shè)的工作電壓時，所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括:一電壓采集電路，連接所述直流母線電容兩端，用于采集所述直流母線電容兩端的電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括:一觸發(fā)電路，所述觸發(fā)電路的輸入端與所述電壓采集電路輸出端連接，所述觸發(fā)電路的輸出端與所述單向DC/DC變換器連接，當所述直流母線電容的電壓低于所述預(yù)設(shè)的工作電壓時，所述觸發(fā)電路觸發(fā)所述單向DC/DC變換器工作，所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述直流輔助電源的輸入端連接濾波電容。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述直流輔助電源為反激變換器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓采集電路包括:電阻及電壓表。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述單向DC/DC變換器為Buck變換器。8.一種減小逆變器直流母線電容的方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的逆變器系統(tǒng)，其特征在于，所述的方法包括: 采集直流母線電容兩端的電壓； 將所述電壓與所述預(yù)設(shè)的工作電壓行比較； 若所述電壓小于所述預(yù)設(shè)的工作電壓，觸發(fā)單向DC/DC變換器工作，使所述直流輔助電源通過所述單向DC/DC變換器向所述直流母線電容輸出能量。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述直流輔助電源的輸入端連接濾波電容。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述直流輔助電源為反激變換器。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述采集直流母線電容兩端的電壓，具體包括: 在所述直流母線電容兩端并聯(lián)一電阻； 測量所述電阻兩端的電壓，作為所述直流母線電容兩端的電壓。
【文檔編號】H02P27/08GK105991059SQ201510046729
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月29日
【發(fā)明人】曹偉杰
【申請人】樂金電子研發(fā)中心(上海)有限公司