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CN1379538A - 多输出功率变换电路 - Google Patents

多输出功率变换电路 Download PDF

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CN1379538A
CN1379538A CN02104988A CN02104988A CN1379538A CN 1379538 A CN1379538 A CN 1379538A CN 02104988 A CN02104988 A CN 02104988A CN 02104988 A CN02104988 A CN 02104988A CN 1379538 A CN1379538 A CN 1379538A
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CN
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transformer
power supply
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CN02104988A
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石原义昭
坂田世纪
大立泰治
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Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyoda Automatic Loom Works Ltd
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Abstract

在使用一个DC电源来驱动多相AC电动机和除多相AC电动机以外的其它装置的、多输出功率变换电路中,变压器被连接到多相AC电动机的中性点,从变压器得出具有零相电压频率的AC电压,以及用该AC电压来给其它装置供电。

Description

多输出功率变换电路
                   技术领域
本发明涉及用于驱动交流(AC)电动机的多输出功率变换电路，它从一个直流(DC)电源得到两个或多个输出以及给辅助电源充电。
                   发明背景
通常，电动汽车的电路的结构可以是用于驱动电动机的结构，使用一个电源来驱动用于驱动车辆的主电动机，一个用于空调的热泵浦的电动机等等。
也就是，用于驱动主电动机的电源被使用来为其它设备(诸如其它电动机)提供电流。
图1显示传统的、使用一个电源驱动AC电动机和除AC电动机以外的其它设备的多输出功率变换电路，
在图1上，601表示DC电源，602表示主换流器，以及603例如表示三相主AC电动机，具有通过主换流器602的三个相位差。主换流器602由六个开关元件Tr1到Tr6构成，以及是PWM(脉冲宽度调制)控制的。辅助电源607通过开关电路604、变压器605、和整流电路606被连接到与DC电源601相同的一条线。其它设备除了辅助电源607以外，可以是AC电动机。
如图1所示，用于驱动AC电动机的电源传统上被使用于其它设备，通过使用用于驱动主AC电动机603的电源，为辅助电源607提供电功率等等。
如图1所示，由于在为辅助电源607提供电功率时需要绝缘，除了主换流器602以外，需要开关电路604，由此带来的问题是整个电路变成为非常大。
                   发明概要
因此，本发明的目的是提供多输出功率变换电路，它使用一个电源单元能够给出两个或多个输出，以及实现更小的电路。
为了解决以上提出的问题，本发明具有以下结构。
也就是，按照本发明的一个方面，本发明的多输出功率变换电路把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和除多相AC电动机以外的其它装置，把变压器连接到多相AC电动机的中性点，通过使用零相电压频率从变压器得到AC电压，以及把AC电压输出到其它装置。
上述的零相电压频率是指在上述的多相AC电动机的中性点处产生的频率，它不同于驱动多相AC电动机的频率。另外，零相电压频率的大小可以低于或高于驱动多相AC电动机的频率。
在按照本发明的多输出功率变换电路中，希望多相AC电动机是第一个三相AC电动机，以及其它装置是辅助电源、DC电动机、和第二个三相AC电动机的任何一项。
也希望按照本发明的多输出功率变换电路在上述的多相AC电动机被驱动控制时能够改变命令值，以及能够控制在变压器中产生的AC电压。
而且，按照本发明的一个方面，按照本发明的多输出功率变换电路把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和除多相AC电动机以外的其它装置，把变压器的一个端子连接到多相AC电动机的中性点，把变压器的另一个端子连接到DC电源的一半电位的部分，通过在变压器中产生的零相电压频率得到AC电压，以及把AV电压输出到其它装置。
通过把变压器的另一个端子连接到DC电源的中性点而有可能把不包含DC分量的AC电压加到变压器。
按照本发明的多输出功率变换电路也最好把变压器与电容串联连接，以便去除DC分量。
按照本发明的另一个方面，按照本发明的多输出功率变换电路把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和除多相AC电动机以外的其它装置，把电容连接到多相AC电动机的中性点，通过来自电容的零相电压频率得到AC电压，以及把AV电压输出到其它装置。
因此，通过把电容而不是变压器连接到多输出功率变换电路的中性点而可得到AC电压。
此外，按照本发明的再一个方面，按照本发明的多输出功率变换电路把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和除多相AC电动机以外的其它装置，把变压器连接到多相AC电动机的中性点，把电容插入在多相AC电动机的中性点与用于驱动多相AC电动机的一个电流相之间。
在该过程中，电容器的电容被适当地设置，以及多相AC电动机的载频分量的电流通过电容被引导到变压器。考虑电容的特性，当频率更高时，阻抗变为更低。所以，虽然载频被设置为高的，但流过变压器的电流变成为低的，由此成功地实现更小的变压器。
                   附图简述
图1显示传统的多输出功率变换电路；
图2A，2B，和2C显示按照本发明的一个实施例的多输出功率变换电路的结构；
图3A显示理想的主换流器的每个臂的电流的波形；
图3B显示在主换流器的中性点处的零相电压VOA1；
图3C显示实际的主换流器的每个壁的电流的波形；
图3D显示在主换流器的中性点处的零相电压VOA2；
图4显示主换流器的控制电路的结构；
图5A显示当电压频率高于零相电压频率时的正弦波；
图5B仅仅显示在图5A所示的情形下的零相电压；
图6A显示按照本发明的另一个实施例的多输出功率变换电路的结构；
图6B显示当变压器的一个端子连接到DC电源的中性点时的零相电压频率；
图6C变压器的磁滞曲线；
图7显示按照本发明的另一个实施例的多输出功率变换电路的结构；
图8A显示当旁路电容没有插入时在中性点处的电流频率的水平；
图8B显示当旁路电容插入时在中性点处的电流频率的水平。
                优选实施例描述
下面参照附图描述本发明的实施例。按照实施例，解释将集中在与以上所述的、图1所示的传统的多输出功率变换电路的差别上。所以，相同的单元被指定以相同的参考数字，以及为了简化说明起见，这里省略对它们的详细说明。
图2A显示按照本发明的一个实施例的多输出功率变换电路的结构。601表示DC电源，602表示主换流器，603表示主AC电动机，101表示变压器，102表示整流电路，以及103表示辅助电源。与图1所示的传统的多输出功率变换电路的差别在于，变压器101被连接到主AC电动机603的中性点，以及还连接了其它装置，即，辅助电源103。从变压器101提供功率到辅助电源103。
同样地，图2B显示按照本发明的一个实施例的多输出功率变换电路的结构。DC电源601，主换流器602，主AC电动机603，变压器101，和整流电路102是与图2A所示的结构中的相同的，以及被指定以相同的参考数字。与图2A所示的结构的差别在于，DC电动机(PCM)104被连接到变压器101和整流电路102。在图2B上，正如图2A一样，变压器101被连接到主AC电动机603的中性点，以及通过整流电路102得到DC电压。然后，DC电压驱动DC电动机。
同样地，图2C显示按照本发明的一个实施例的多输出功率变换电路的结构。与图2A和2B所示的结构的差别在于，副换流器105和副AC电动机106被连接到变压器101和整流电路102。如图2C所示，正如图2A和2B一样，变压器101被连接到主AC电动机603的中性点，以及通过整流电路102得到DC电压。DC电压通过副换流器105被变换成AC电压，由此驱动副AC电动机106。DC电源601可以仅仅是用于提供直流的电源，或可以认为来自AC电源的AC电压被整流为DC电压。整流电路102，辅助电源103，DC电动机104，副换流器105，和副AC电动机的电路结构的详细说明在这里被省略。
在按照本发明的多输出功率变换电路中，变压器101被连接到主AC电动机603的中性点，以及从变压器101产生AC电压。只要通过整流电路102把由变压器101得到的AC电压变换成DC，电功率就可以存储在辅助电源103，而不用传统地连接到开关电路604，由此减少传统的多输出功率变换电路中的单元的数目。
下面首先描述在按照本发明的多输出功率变换电路中从变压器101得出AC电压的理由。
图3A显示理想的主换流器602的每个臂(u，v，w)的电压的波形。
在图3A上，垂直轴表示电压的大小，以及水平轴表示时间。Vou1，Vov1，和Vow1分别表示主换流器602的臂u，臂v，和臂w的输出电压的波形。VOA1表示主换流器602的零相电压。上述的Vou1，Vov1，和Vow1由以下公式表示。
Vou1＝Vsinωt+V             (1)
VoV1＝Vsin(ωt-2/3π)+V     (2)
Vow1＝Vsin(ωt+2/3π)+V     (3)
其中V表示图3A所示的幅度，以及主换流器602的每个臂的相位互相相差2/3π＝120°。
通常，图3A所示的、主换流器602的每个臂的相位互相相差2/3π＝120°，正如公式(1)，(2)，和(3)代表的。因此，1200的电压相位差驱动三相主AC电动机603。主换流器602的中性点的零相电压VOA1是常数，正如图3B所示的。
图3C显示主换流器602的每个臂实际的电压波形。
在图3C上，正如图3A一样，Vou1，Vov1，和Vow1分别表示主换流器602的臂u，臂v，和臂w的输出电压的波形。VOA2表示实际的主换流器602的零相电压。
如图3C所示，实际的主换流器602的每个臂的输出电压的波形是被在主换流器602执行控制运行时所执行的切换运行打扰的。正如本领域技术人员熟知的，它是电流的谐波分量(谐波电流)。谐波电流通常被认为引起其它电子单元故障，因此是要限制的。所以，通常，希望谐波电流最小。然而，本发明利用谐波电流来新得到另一个输出功率。
图3D显示在主换流器602的中性点处的零相电压VOA2。由于在中性点处出现由于切换运行造成的起伏，主换流器602的中性点具有如图3D所示的波形的电压频率。如上所述，由主换流器602的切换运行引起的波形的扰动被称为谐波，谐波的数值例如是10到20kHz。通过把变压器插入主换流器602的中性点处，可以得到AC电压分量。
主换流器602的运行的控制是通过后面描述的PWM(脉冲宽度调制)执行的。当进行三角形波PWM控制时，在零相部分检测到10kHz的频率的谐波。当PWM被瞬时控制时，检测到5-30kHz。当谐波通过时隙被控制时，在零相部分检测到0到600Hz的电压频率。因为这些三角形波PWM，瞬时PWM，和时隙谐波的可控制性很差，很难从想要的零相部分自由地得到想要的电压。为了改进可操作性，在变压器101后必须提供削波器，或提供控制电路来从零相部分得到恒定的电压。
然后，由谐波得到的、在主AC电动机603的中性点处的AC电压是从变压器101提取出的，以及通过整流电路102把它变换成AC电压。
也就是，通过驱动主AC电动机603自然出现的起伏分量被使用作为第二输出电源。在低于DC电源的负端(地)的主AC电动机603的中性点处，当命令电压值被改变时，对于改变部分的电压关系到变压器101的初级部分。因为变压器101的初级和次级部分之间的比值是1∶n，变压器101可以提升或降低电压。由变压器101得到的AC可以由整流电路102被整流，以及可以作为输出电源被连接到其它电路，这些电路可以用整流功率来供电，诸如辅助电源103，DC电动机104，另一个副AC电动机106等等。
因此，通过PMW的控制电路从高频切换波形产生噪声。这称为谐波电压，以及在主换流器602的中性点处检测到AC电压分量。
谐波电压的控制可以通过改变命令值用来调节主换流器602的控制电路的控制运行而被执行。
图4显示主换流器602的控制电路的结构，它能够控制在主AC电动机603的中性点处的零相电压频率。
在图4上，三角形波发生器301输出三角形波(载波)信号a，用来确定主换流器602的每个开关单元Tr1到Tr6的切换频率。比较器302把由于驱动多输出功率变换电路603的信号(正弦波)b与由三角形波发生器301输出到信号(三角形波)a进行比较，产生PWM信号，它是每个开关单元Tr1到Tr6的切换信号。
然后，为了控制中性点的零相电压频率的水平，为由命令值发生器303输出的控制信号c提供一个正弦波b。命令值发生器303通过被连接到变压器101的装置监视辅助电源103的电池电压值(12伏)，电动机的旋转，在其上的辅助电源的输入电流值等等。
然后，流到被连接到主换流器602的中性点的变压器101的初级线圈的电流的方向交替地改变。因为在变压器101的初级线圈中产生磁场，在变压器101的次级线圈中产生正比于初级线圈绕组对次级线圈绕组的比值的AC电压。在变压器101的次级线圈中产生的AC电压被整流电路102整流，被辅助电源103积累，或驱动另一个AC电动机106。
通过监视和调节由如上所述的命令值发生器303产生的命令电压，用于驱动主AC电动机603的频率可以与用于变压器101的频率分开。
也就是，由控制电路控制的主AC电动机603的电压频率可以由以下的公式来表示。
Vou＝Vsinωt+V+V1sinω1t               (4)
Vov＝Vsin(ωt-2/3π)+V+V1sinω1t       (5)
Vow＝Vsin(ωt+2/3π)+V+V1sinω1t       (6)
其中“V1sinω1t”表示通过命令值改变新叠加的部分。
图5A显示当电源频率高于零相电压频率时的正弦波。也就是，显示当由Vo＝Vsinωt+V+V1sinω1t表示的、电源角频率ω高于零相电源角频率ω1时的正弦波。
图5B仅仅显示在图5A所示的情形下的零相电压401。
如图5B所示，当把中性点处的平均电位VOA设置为参考时，对于零相电压401，+和-交替出现。也就是，(4)，(5)，和(6)被叠加为差拍。然后，AC电压可以通过在主AC电动机603的中性点处提供变压器101而得到。对于ω＞ω1，零相角频率ω1被叠加在用于驱动主AC电动机603的基本电源角频率ω上。所以，零相角频率ω1被可被设置为高于电源角频率ω。当ω＜ω1时，零相电压高于(对于变压器101，频率足够高)主换流器602的。所以，可以实现更小的变压器101。变压器101也可以产生高于DC电源601的输入电压VDC的电压。
图6A显示按照本发明的另一个实施例的多输出功率变换电路的结构。
在图6A上，DC电源601，主换流器602，主AC电动机603，变压器101，整流电路102，和辅助电源103的结构是与图2A所示的多输出功率变换电路的结构相同的。与图2A所示的结构的差别在于，变压器101的一个端子被连接到DC电源的中性点。因此，当变压器101的一个端子被连接到电位差的一半的点时，有可能只把不包含DC分量的AC分量直接加到变压器101的初级部分。也就是，如图所示，在主换流器602的中性点处的零相电位是0以上的1/2 VDC。
因为变压器101可以产生接近于原点的恒定电流(具有最大的倾斜)，如图6C所示的磁滞曲线表示的(垂直轴B表示通量密度，以及水平轴H表示磁场)，变压器101的利用被改进，从而还改进变压器101的效率。
此外，在按照本发明的另一个方面的多输出功率变换电路中变压器101以串联方式被连接到电容。
因此，通过把变压器101的一个端子连接到主AC电动机603的中性点和把电容与变压器101串联连接，零相电流的DC分量可被切除。电容的另一个端子或者连接到DC电源601的中性点，或者连接到电路的DC电源的负端(地)。
按照本发明的多输出功率变换电路的另一个实施例，不用变压器101，而可以把电容连接到主AC电动机603的中性点，得到由零相电压频率造成的AC电压。
因此，类似于通过连接上述的变压器101所得到的那个的AC电压可以通过把电容连接到主AC电动机603的中性点而得到。
而且，按照本发明的多输出功率变换电路的另一个实施例，电容被插入在主AC电动机603的各个相(臂u，臂v，臂w)与主AC电动机603的中性点之间。
图7显示通过把电容插入在主换流器602的一个输出端与主AC电动机603的中性点之间而得到的电路。与其它的实施例相同的结构被指定以相同的参考数字，其详细的说明在此被省略。
在图7上，107表示旁路电容器，用来旁路主换流器602的输出电流，以及把它连接到变压器101。旁路电容器107的一个端子被连接到主AC电动机603的臂w，以及另一个端子被连接到变压器101，由此把主AC电动机603的载频分量引导到变压器101。
图8显示当旁路电容器107被插入在主AC电动机603的一相与主AC电动机603的中性点之间时得到的、在中性点处的电流波形。图8A显示当没有旁路电容器107插入时得到的、在中性点处的电流波形。图8B显示当旁路电容器107被插入时得到的、在中性点处的电流波形。
图8上显示的Iu，Iv，和Iw分别表示主换流器602的三个相(臂u，臂u，和臂w)的输出电流，In表示在主AC电动机603的中性点处的零相电流。
图8所示的、用于驱动主AC电动机603的电流Iu，Iv，和Iw是由正比于主AC电动机603的旋转的分量和主换流器602的载频分量组成的。然后，载频分量是从中性点连接到变压器101而得到的。
在这个载频时，从主AC电动机603的中性点得出的电流由于主AC电动机603的电感而被减小。
所以，通过把旁路电容器107连接在主AC电动机603的一个相与变压器101之间，主换流器602的载频分量可被引导到变压器而没有主AC电动机603的电感。
结果，如图8所示，当旁路电容器107被插入时得到的、在中性点处的零相电流(图8B)大于当没有旁路电容器107插入时得到的、在中性点处的零相电流(图8A)。
在图7上，旁路电容器107被插入在主AC电动机603的臂(臂u，臂v，和臂w)中的一个臂w与电动机的中性点之间，但旁路电容器107的插入位置没有限制。旁路电容器107也可被插入在多个臂与中性点之间。
由此，通过把旁路电容器107插入在主AC电动机603的一个相与主AC电动机603的中性点之间，高频分量(载频)可以旁路通过主AC电动机603的线圈(电感)，以及被引导到变压器101。通过设置旁路电容器107的电容量，以使得在主换流器602的载频时的阻抗可被减小，大的电流可以流过变压器101。因此，通过传送通过高频电流，可以实现更小的变压器101。
因为高频分量并不流过主AC电动机603的线圈，所以主AC电动机603的核心损耗可被减小。
由按照本发明的多输出功率变换电路的变压器101得出的次级功率也可被使用于除上述实施例以外的电路。
而且，通过使用由变压器101得出的次级功率，可以驱动除主AC电动机603以外的AC电动机，以及变压器被连接到AC电动机的中性点，由此得出第三功率。因此，通过使用一个输出电源，可以串联连接电感AC电动机。
如上所述，由变压器得出的次级功率被输出到诸如辅助电源、AC电动机等那样的电路。然而，次级功率可被输出到通常已知的任何负载装置。
按照本发明的多输出功率变换电路，变压器被连接到AC电动机的中性点，以及在AC电动机的中性点处产生的零相AC可以被用作为次级输出电源的AC。所以，不需要在连接其它电路(诸如辅助电源，电动机等)时所需要的换流器，由此成功地实现更小的电路。
而且，通过把电容插入在AC电动机的中性点与AC电动机的一个相之间，高频分量可被传送到变压器，由此实现更小的变压器。
另外，因为次级输出电源的AC是通过把变压器的一个端子连接到AC电动机的中性点而得到的，因此主换流器和初级输出电源都不会受到使用次级输出电源的影响。

Claims (9)

1.多输出功率变换电路，把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和与多相AC电动机在一起的另一个装置，该功率变换电路包括：
一个变压器，其初级线圈被连接到多相AC电动机的中性点，以及其次级线圈被连接到其它装置。
2.按照权利要求1的电路，其中
所述多相AC电动机是第一个三相AC电动机；以及
所述其它装置是辅助电源，DC电动机，和第二个三相AC电动机的任一项。
3.按照权利要求1的电路，其中
来自变压器的AC电压是通过在多相AC电动机被驱动控制时改变命令值而被控制的。
4.多输出功率变换电路，把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和与多相AC电动机在一起的另一个装置，该功率变换电路包括：
一个变压器，其初级线圈的一个端子被连接到多相AC电动机的中性点，其初级线圈的另一个端子被连接到DC电源的电位的一半的点，以及其次级线圈被连接到其它装置。
5.按照权利要求1的电路，其中
一个电容器被串联连接到所述变压器。
6.按照权利要求4的电路，其中
电容器被串联连接到所述变压器。
7.多输出功率变换电路，把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和与多相AC电动机在一起的另一个装置，该功率变换电路包括：
一个电容器，其一个端子被连接到多相AC电动机的中性点，以及其另一个端子被连接到其它装置。
8.多输出功率变换电路，把来自一个DC电源的输出加到多相AC电动机和与多相AC电动机在一起的另一个装置，该功率变换电路包括：
一个变压器，其初级线圈被连接到多相AC电动机的中性点，以及其次级线圈被连接到其它装置；以及
一个电容器，其一个端子被连接到多相AC电动机的中性点，以及其另一个端子被连接到驱动多相AC电动机的一个电流相。
9.一个电源，被连接到DC电源以及提供电源给多相AC电动机和另一个装置，该电源包括：
一个变换电路，把DC电源的输出变换成AC，以便提供给多相AC电动机；
一个变压器，被连接到多相AC电动机的中性点；以及
一个整流电路，将变压器的输出进行整流，以及把整流的输出提供给其它装置。
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