一种逆变器系统及减小逆变器直流母线电容的方法
【专利摘要】本发明提供一种逆变器系统及减小逆变器直流母线电容的方法，该逆变器系统包括：交流电源、AC/DC变换器、直流母线电容、单向DC/DC变换器、直流辅助电源及DC/AC变换器；单向DC/DC变换器输出端和输入端分别连接直流母线电容和直流辅助电源；交流电源串接AC/DC变换器后并联直流母线电容，然后连接DC/AC变换器；当直流母线两端电压小于预设电压时，直流辅助电源向直流母线电容输出能量。本发明还提供一种减小逆变器直流母线电容的方法，应用于上述逆变器系统中，包括：采集直流母线电容两端电压，将该电压与预设电压比较，若该电压小于预设电压，触发单向DC/DC变换器导通，直流辅助电源向直流母线电容输出能量。
【专利说明】
一种逆变器系统及减小逆变器直流母线电容的方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子、电机驱动技术领域，尤其涉及一种减小直流母线电容的逆变器系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]在逆变器领域，由于需要直流母线电容的容量很大，通常使用电解电容，然而电解电容随着工作时间的增多，电解液会慢慢挥发，相应的电容容量将会减小，稳定性差变，减小了逆变器的整机使用寿命。在越来越注重产品寿命的当下，电解电容由于其寿命短的缺点正逐渐被薄膜电容替代，但是薄膜电容的容量相对电解电容较小，因此为使用薄膜电容，人们提出了减小母线电容的拓扑结构。传统的减小母线电容的拓扑结构包括一个双向DC/DC变换器和辅助电容Cl，双向DC/DC变换器的一端连接辅助电容Cl，另一端连接直流母线电容Cdc，参见附图1。当逆变器负载较小时，直流母线电容Cdc上的能量较高，因此直流母线电容Cdc通过双向DC/DC变换器向辅助电容Cl充电，将多余的能量储存在辅助电容Cl上；当负载较大的时候，辅助电容Cl通过双向DC/DC变换器向直流母线电容Cdc回馈能量，通过这种能量交换的方法，降低直流母线电容Cdc的大小。上述的传统拓扑结构由于采用双向DC/DC变换器，能量可在辅助电容Cl和直流母线电容Cdc之间双向交换，这种方式不仅降低了整个逆变器的效率，而且要求辅助电容Cl必须足够大，否则无法有效减小直流母线电容Cdc。又由于Cl是电容，其本身的放电特性决定了当其向直流母线电容Cdc回馈能量的时候，不能保证回馈能量的连续性，整个逆变器系统的性能可能受到影响。
【发明内容】
[0003]本发明针对【背景技术】中逆变器系统存在的缺陷:直流母线电容较大、逆变器的工作效率低、且不能保证向直流母线电容输送能量的连续性，提出一种逆变器系统及减小逆变器直流母线电容的方法。
[0004]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
[0005]本发明一方面提供一种逆变器系统，所述的逆变器系统包括:交流电源、AC/DC变换器、直流母线电容、单向DC/DC变换器、直流辅助电源及DC/AC变换器；所述单向DC/DC变换器的两个输出端分别连接所述直流母线电容的两端；所述单向DC/DC变换器的输入端连接所述直流辅助电源；所述交流电源与AC/DC变换器连接后与所述直流母线电容并联连接，然后连接所述DC/AC变换器的输入端；当所述直流母线电容两端的电压小于预设的工作电压时，所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。
[0006]在一实施例中，所述系统还包括:一电压采集电路，连接所述直流母线电容两端，用于采集所述直流母线电容两端的电压。
[0007]在一实施例中，所述系统还包括:一触发电路，所述触发电路的输入端与所述电压采集电路输出端连接，所述触发电路的输出端与所述单向DC/DC变换器连接，当所述直流母线电容的电压低于所述预设的工作电压时，所述触发电路触发所述单向DC/DC变换器工作，所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。
[0008]在一实施例中，所述直流辅助电源的输入端连接滤波电容。
[0009]在一实施例中，所述直流辅助电源为反激变换器。
[0010]在一实施例中，所述电压采集电路包括:电阻及电压表。
[0011 ] 在一实施例中，所述单向DC/DC变换器为Buck变换器。
[0012]本发明另一方面提供一种减小逆变器直流母线电容的方法，应用于所述的逆变器系统，所述的方法包括:采集直流母线电容两端的电压；将所述电压与所述预设的工作电压行比较；若所述电压小于所述预设的工作电压，触发单向DC/DC变换器工作，使所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。
[0013]在一实施例中，所述直流辅助电源的输入端连接滤波电容。
[0014]在一实施例中，所述直流辅助电源为反激变换器。
[0015]在一实施例中，所述采集直流母线电容两端的电压，具体包括:在所述直流母线电容两端并联一电阻；测量所述电阻两端的电压，作为所述直流母线电容两端的电压。
[0016]本发明可有效减小直流母线电容，同时提高逆变器系统的效率，而且保证了向直流母线电容回馈能量的连续性。
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为现有技术中传统的减小直流母线电容的逆变器系统拓扑结构示意图；
[0019]图2为本发明实施例逆变器系统拓扑结构示意图；
[0020]图3为本发明实施例单向DC/DC变换器采用Buck变换器、直流辅助电源采用反激变换器的拓扑结构示意图；
[0021]图4为本发明实施例减小直流母线电容的逆变器系统在PLECS仿真软件中的拓扑结构图；
[0022]图5为本发明实施例在连接Buck变换器和不连接Buck变换器时，直流母线电容两端的电压波形图。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]在逆变器系统中，传统的减小直流母线电容的拓扑结构包括一个双向DC/DC变换器104和辅助电容105，双向DC/DC变换器104的一端连接辅助电容105，另一端连接直流母线电容103，如图1所示。当逆变器负载107消耗能量较少时，能量将会在直流母线电容103上储存，但因直流母线电容103容量较小，不能储存较多能量，因此，直流母线电容103通过双向DC/DC变换器104向辅助电容105充电，将多余的能量储存在辅助电容105上；当负载107消耗能量较多时，直流母线电容103由于容量较小，其上储存的能量不足以带动负载，辅助电容105通过双向DC/DC变换器104向直流母线电容103回馈能量。通过上述能量交换的方法，达到减小直流母线电容103的目的。上述传统的逆变器系统拓扑结构中的双向DC/DC变换器104由于一直保持双向导通，使能量在辅助电容105和直流母线电容103之间双向交换，这种能量的双向交换降低了整个逆变器的工作效率，而且要求辅助电容105必须足够大，能够储存直流母线电容103无法储存的能量，否则无法有效减小直流母线电容103，并且辅助电容105本身的放电特性决定了当其向直流母线电容103回馈能量时，不能保证回馈能量的连续性，整个逆变器系统的性能可能受到影响。
[0025]为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种逆变器系统，图2为本发明实施例减小直流母线电容的逆变器系统拓扑结构示意图。该逆变器系统包括:交流电源201、AC/DC变换器202、直流母线电容203、单向DC/DC变换器206、直流辅助电源207、DC/AC变换器208及负载209。单向DC/DC变换器206的输出端连接直流母线电容203，单向DC/DC变换器206的输入端连接直流辅助电源207的输出端。交流电源201与AC/DC变换器202连接后与直流母线电容203并联，然后通过DC/AC变换器208连接负载209。该系统还包括电压采集电路204、触发电路205。其中，电压采集电路204连接在直流母线电容203的两端，用于采集直流母线电容203两端的电压；触发电路205的输入端与电压采集电路204的输出端连接，触发电路205的输出端与单向DC/DC变换器206连接，用于在直流母线电容203两端电压低于预设电压时，触发单向DC/DC变换器206导通。
[0026]当负载209较大，直流母线电容203上储存的能量不足以供应负载时，直流母线电容203两端的电压下降，当电压采集电路204采集到的电压低于预设的工作电压时，触发电路205触发单向DC/DC变换器206导通，此时直流辅助电源207通过单向DC/DC变换器206向直流母线203输出能量，用以供应负载209。当负载209较小时，电压采集电路204采集到的直流母线电容203上的电压不低于预设的工作电压，此时触发电路205不触发单向DC/DC变换器206导通，直流辅助电源207无法通过单向DC/DC变换器206向直流母线电容203提供能量，使直流母线电容203无需储存较多的能量，有效减小直流母线电容203。
[0027]本发明用“单向DC/DC变换器206+直流辅助电源207 ”结构替代传统逆变器系统中的“双向DC/DC变换器104+辅助电容105”结构，有效减小直流母线电容203，并且单向DC/DC变换器206的单向导通特性保证了能量只能从直流辅助电源207向直流母线电容203传输，提高了逆变器系统的工作效率，保证了向直流母线电容203回馈能量的连续性。
[0028]在一实施例中，电压采集电路204包括:电阻及电压表。本发明仅以电阻及电压表进行说明，具体实施时，需要将电阻并联在在直流母线电容203的两端，利用电压表测量上述电阻的电压值，作为直流母线电容的电压。在一实施例中，触发电路205可为电压比较器，本发明仅以电压比较器进行说明，本发明不以此为限。
[0029]具体实施时，若将单向DC/DC变换器206设置为高电平导通，则将上述电压比较器的正相输入端的输入电压设为直流母线电容203的预设工作电压，反相输入端连接电压采集电路204的输出端。当直流母线电容203两端的电压降低，小于其预设的工作电压时，即电压比较器的反相输入端电压小于正相输入端电压时，上述电压比较器输出高电平触发信号，触发单向DC/DC变换器206导通，此时直流辅助电源207通过单向DC/DC变换器206向直流母线电容203提供能量。若将单向DC/DC变换器206设置为低电平导通，则将上述电压比较器的正相输入端连接电压采集电路204的输出端，反相输入端的输入电压设为直流母线电容203的预设工作电压，当直流母线电容203两端的电压降低，小于其预设的工作电压时，即电压比较器的反相输入端电压小于正相输入端电压时，上述电压比较器输出低电平触发信号，触发单向DC/DC变换器206导通，此时直流辅助电源207通过单向DC/DC变换器206向直流母线电容203提供能量。
[0030]在上述实施例中，由于电压比较器正、反相输入端的输入电压均较小，最大为5V，但在逆变器系统中，直流母线电容两端的电压较高，相应的预设工作电压也较高，因此，在将直流母线电容203两端电压、预设工作电压连接到电压比较器的正、反相输入端时，先降压到5V以下，再接入电压比较器进行比较。
[0031]在一实施例中，直流辅助电源207的输出端并联一滤波电容(图2中未不出)，用于对直流辅助电源207输出的直流电进行滤波，使直流辅助电源207输出的电压是一个恒定值，保证了向直流母线电容203输送能量的连续性。
[0032]本发明中单向DC/DC变换器206优选Buck变换器，直流辅助电源207优选反激变换器。如图3所示，为本发明实施例直流辅助电源207采用反激变换器211、单向DC/DC变换器206采用Buck变换器210的拓扑结构示意图。该逆变器系统包括:交流电源201、AC/DC变换器202、直流母线电容203、电压采集电路204、触发电路205、Buck变换器210、反激变换器211、DC/AC变换器208及负载209。Buck变换器210的输出端连接直流母线电容203，Buck变换器210的输入端连接反激变换器211的直流输入端。交流电源201与AC/DC变换器202连接后与直流母线电容203并联，然后通过DC/AC变换器208连接负载209。电压采集电路204连接在直流母线电容203的两端，用于采集直流母线电容203两端的电压。触发电路205的输入端与电压采集电路204的输出端连接，触发电路205的输出端与Buck变换器210连接。当直流母线电容203的电压低于预设的工作电压时，反激变换器211通过Buck变换器210向直流母线电容203输送能量。
[0033]图4为本发明实施例减小直流母线电容的逆变器系统在PLECS仿真软件中的拓扑结构图(图中未示出电压采集电路204及触发电路205)。交流电源201的有效值设为220V，频率设为50Hz ;AC/DC变换器202选用二极管桥式整流电路；直流母线电容203的电容值设为5yF ;单向DC/DC变换器选用Buck变换器210，并设为高电平导通；反激变换器211输出的直流电压为300V ;DC/AC变换器208选用PffM逆变器；负载209选用可变阻性负载，该可变阻性负载最小负载电阻为30Ω，最大为300 Ω，且该可变阻性负载的电阻值随时间变化，变化周期设为20ms，即在一个周期内，负载209从300 Ω均匀减小到30 Ω或者从30 Ω均匀增加到300 Ω ;直流母线电容203的预设工作电压设为100V。
[0034]在连接Buck变换器210和未连接Buck变换器210两种情况下，分别测量图4中AB两点间的电压，即直流母线电容203两端的电压，得到如图5所示电压波形图。曲线I为实线，是仿真电路中连接Buck变换器210的情况下，直流母线电容203两端的电压波形。其中，a点对应的负载209的电阻值为300Ω，此时直流母线电容203两端的电压最高，达到311V ；c点对应的负载209的电阻值为30Ω，此时直流母线电容203两端的电压最低，为OV0在负载209的电阻值从300 Ω减小到30 Ω的过程中，负载消耗的能量逐渐增多，直流母线电容203两端电压逐渐降低，当电压采集电路采集到的电压低于预设工作电压100V时，触发电路触发Buck变换器210导通，图5中的b点代表Buck变换器210导通，反激变换器211通过Buck变换器210向直流母线电容203输送能量。之后，直流母线电容203两端的电压因反激变换器211输送的能量而上升，当电压采集电路采集到的电压高于预设的工作电压100V时，Buck变换器210关断，图5中的d点代表Buck变换器210关断，反激变换器211不能通过Buck变换器210继续向直流母线电容203输出能量。
[0035]曲线2为虚线，是在仿真电路中未连接Buck变换器210电路情况下，直流母线电容203两端的电压波形。在负载209的电阻值从300 Ω减小到30 Ω的过程中(即曲线2上的ab段)，负载209消耗的能量逐渐增多，直流母线电容203两端电压逐渐降低，由于未连接Buck变换器210，反激变换器211无法向直流母线电容203输送能量，因此直流母线电容203两端的电压在低于预设工作电压100V之后继续降低，直至负载209的电阻值达到30 Ω时，直流母线电容203两端电压减小为0V，如曲线2上的be段。之后，当负载209的电阻值从30 Ω逐渐增大时，负载209消耗的能量减少，直流母线电容203两端的电压逐渐回升到100V，如曲线2上的Cd段，之后直流母线电容203两端的电压随着负载209的电阻值的增大而回升。
[0036]从仿真波形中可以看出，逆变器系统连接了 Buck变换器210，在直流母线电容203两端电压低于100V时，可通过Buck变换器210的导通使反激变换器211向直流母线电容203输送能量，从而使直流母线电容203两端电压升高，随着负载209的电阻值的增大，所消耗的能量逐渐减少，以及反激变换器211持续供应的能量，直流母线电容203两端的电压逐渐回升，但这段时间内(即曲线I上的bd段)的电压不超过直流母线电容203电压的峰值(即31IV)，因此直流母线电容203上承受的电压应力不会增加。如果逆变器系统未连接Buck变换器210，而要得到与曲线I完全一样的电压波形，只有通过加大直流母线电容203的方法，如连接Buck变换器210的情况下，直流母线电容203只有5 yF即可，而如果不连接Buck变换器210，则直流母线电容203至少为150 μ F，才能得到与曲线I所示的电压波形一样的曲线。
[0037]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1.一种逆变器系统，其特征在于，所述系统包括:交流电源、AC/DC变换器、直流母线电容、单向DC/DC变换器、直流辅助电源及DC/AC变换器； 所述单向DC/DC变换器的两个输出端分别连接所述直流母线电容的两端；所述单向DC/DC变换器的输入端连接所述直流辅助电源；所述交流电源与AC/DC变换器连接后与所述直流母线电容并联连接，然后连接所述DC/AC变换器的输入端； 当所述直流母线电容两端的电压小于预设的工作电压时，所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。2.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述系统还包括:一电压采集电路，连接所述直流母线电容两端，用于采集所述直流母线电容两端的电压。3.根据权利要求2所述的逆变器系统，其特征在于，所述系统还包括:一触发电路，所述触发电路的输入端与所述电压采集电路输出端连接，所述触发电路的输出端与所述单向DC/DC变换器连接，当所述直流母线电容的电压低于所述预设的工作电压时，所述触发电路触发所述单向DC/DC变换器工作，所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。4.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述直流辅助电源的输入端连接滤波电容。5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的逆变器系统，其特征在于，所述直流辅助电源为反激变换器。6.根据权利要求5所述的逆变器系统，其特征在于，所述电压采集电路包括:电阻及电压表。7.根据权利要求6所述的逆变器系统，其特征在于，所述单向DC/DC变换器为Buck变换器。8.一种减小逆变器直流母线电容的方法，应用于权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述的方法包括: 采集直流母线电容两端的电压； 将所述电压与所述预设的工作电压行比较； 若所述电压小于所述预设的工作电压，触发单向DC/DC变换器工作，使所述直流辅助电源通过所述单向DC/DC变换器向所述直流母线电容输出能量。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述直流辅助电源的输入端连接滤波电容。10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述直流辅助电源为反激变换器。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述采集直流母线电容两端的电压，具体包括: 在所述直流母线电容两端并联一电阻； 测量所述电阻两端的电压，作为所述直流母线电容两端的电压。
【文档编号】H02P27/08GK105991059SQ201510046729
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】曹伟杰
【申请人】乐金电子研发中心(上海)有限公司