专利名称：锂离子电站暨交流电动车船的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源技术中的锂离子电池和电力电子技术的直流/交流逆变器与变频器，特别是采用正弦电压逆变器将锂离子电池提供的大功率直流电压转换成三相或单相交流电压输出的锂离子电站或正弦电压幅频同调变频电源专供驱动鼠笼式异步电动机构成的电动车船。
背景技术：
当前，能源已成为全世界特别关注的产业。风靡全球的石油日日攀升的天价和对大气与海洋的严重污染，已令全人类深感不安；今年3月，日本大地震引发福岛核电站的核辐射危机，更令各国人士对原子能发电的安全性产生了不小怀疑；传统的火力发电，虽然燃料相对便宜，但其大量排碳排硫酿成地球升温失衡，也令人类不能容忍；再加它们都离不了输配电网和变电站，既给地球平添了不少芒刺，又容易引发雷击，年年都有多人为之殉难; 太阳能和风力发电则受天候左右，亦非上筹；本发明正是为克服上述诸能源的弊端而新提出的解决方案；电动船舶现在还是未开垦的处女地，至于电动汽车，目前不是直流电源就是脉宽调制电源驱动，电动机中均离不了碳刷，最易磨损和烧毁，这是它们的致命弱点；本发明则另辟蹊径，采用正弦变频调幅电压驱动鼠笼式异步电动机来制造电动车船，既经济耐用，又节能安全。三、发明的内容本发明一改全世界的发电模式，采用数字式正弦电压逆变器将锂离子电池提供的大功率直流电压转换成50Hz或60Hz标准三相电压输出，即构成安全环保新能源锂离子电站；它们不用锅炉、汽轮机，也毋须输配电网、变电站，家家独立供电，天上地下不限，是完美取代原子能发电和火力发电的理想能源。方框图如
图1示，代表锂离子电站和锂离子交流电动车船驱动电源的电路组成，由开关Ka倒换区分。作锂离子电站用时，Ka倒在上边，由 +30V稳定电压经Rm Rn Ro分压取得+22. 2V和+26. 52V两锁频电压，通过Ka和Kb静触点后分成两路一路送Ra 1 进行正弦分压而取得7阶电压；一路送时钟脉冲电路形成750Hz 或900Hz时钟脉冲，随送时序脉冲电路经15次分频而得出15位时序脉冲，并将它们按相位互差10个时序分成① 、⑩和⑥ ⑤三组，分别驱动集成模拟开关循环拾取上述7阶电压而形成三相正弦半波基准电压u ν w，其波形如图2示；再用绝缘栅晶体管IGBT组成的三相桥式电路各自比照本相基准电压进行开关稳压，便将锂离子电池提供的直流电压转换成50Hz或60Hz三相交流电压输出而制成锂离子电站；作变频器用时，由 Wa的滑点取得连续可调电压按前述方式生成宽范围正弦变频调幅电压驱动经济耐用的鼠笼式异步电动机制成交流电动汽车与电动船舶。7阶电压的确定原则是设Rg的上端电压为 E，7 阶电压则为E1 = ESinl2°，E2 = ESin24°，E3 = ESin36°，E4 = ESin48°，E5 =ESin60°，E6 = ESin72°，E7 = ESin84° ；50Hz 时令 Ri = 0，E7 = 14V，这样即可确定 Ra 1 各阻值；60Hz时调Ri的大小以取得所需的基准电压幅值。显然，压控电压E改变， El E7即随之变化，但始终都能保持它们之间的正弦分压关系，从而取得不同频率与幅值的正弦电压。本发明中的正弦电压逆变器与变频电路，实质上是直流稳压电路的拓展使用。我们在调直流稳压电路的稳定电压时都体验过当调电位器改变基准电压时，输出电压即跟着变化；显然，如果用一个阶梯电压代替人工调整取得的基准电压，功率开关管的输出电压必然也比照它的波形按同一比例变化。这就是本逆变器和变频器的工作原理。为兼顾它们的输出电压尽量逼近正弦波而又不致使电路太过复杂，本发明取基准电压波形为7阶正弦半波电压；同时考虑到按常规，负半周须用负电压，此时作为稳压执行中枢的精密电压比较器，反馈截止电压应当加在同相输入端，其灵敏度会比正半周加在反相输入端大大降低， 从而造成输出电压正负半波严重不对称。为克服此弊，本发明特别采用全波整流电路将输出反馈取样电压的负半波反转为正极性半波电压；这样一来，由正半周和负半周生成的稳压开关脉冲将完全一样，只须用一个半波倒换开关将它们轮流分送到正负半周功率开关即成；藉此还可将控制信号电路的元器件和版面节省一半。四、附图及说明图1为锂离子电站与锂离子交流电动车船驱动电源方框图，前述已详；图2为三相7阶正弦半波基准电压波形图，前面也已说明；图3为锂离子电站与锂离子交流电动车船驱动电源电路图，下面详述。
五具体实施方式
；本发明的具体电路如图3示。图中双刀双掷开关Kla和Klb倒在图示位置时构成锂离子电站电路；倒在另一位置时为变频调速器电路。开关K2用于锂离子电站时选择输出频率是50Hz或60Hz ；K3则用于变频调速器时分四档改变时钟脉冲发生器中的槽路电容器，以取得宽范围变频。电路左上角由锂离子电池提供的18Va和ISVb电压经7815⑴和 7815(2)稳压提供+15V和+30V稳定电压。R1R2R3构成分压电路，由此提供控制逆变电路产生50Hz或60Hz输出频率的锁定电压+22. 2V或+26. 52V ；R4和C3构成降频降压软起动电路加电之初C3上端电压由OV经3 4分钟缓缓升到+22. 2V或+26. 52V，逆变器的输出电压便由OHz OV慢慢升到50Hz 220V或60Hz IlOV(或120V)。为避免加电之初脉冲在形成过程中可能有先后不齐而引起紊乱，本逆变器/变频器特别加有由电阻R17 R20和电容器C9与LM393(1) 1、2、3脚所含电压比较器组成的延时电路来防止在加电1分钟内， C9上的充电电压低于R17和R18的分压值，Θ端输出电压为+15V，用以封锁所有相关电路； 一俟C9上电压升到等于393(1)的3脚电压时，Θ端电压立即跌零，从而解除封锁，逆变器 /变频器三相同时起动，保证任何时刻都是输出完整的三相电压。为取得正弦电压输出，首先就必须生成压控变频时钟脉冲，它由LM324中5、6、7脚和8、9、10脚所含两个运放和比较器LM311与R5 R14及C4组成的单极性压控方波发生器来产生。其工作原理如下起动瞬间，由于时钟脉冲尚未生成，3 的8脚、因而311的3 脚电压为零，低于2脚，使7脚内部开路，致令324的6脚电压高过5脚，使7脚跌零将9脚电压拉到地，8脚立即输出+30V高电平；此时由于R13左端由Rll与R12分压限定为+15V， 324的10脚电压经R14与R13分压升到+20V，致令311的3脚电压高过2脚，其7脚跌零将电阻R8下端拉到地而使324的6脚电压低于5脚，7脚立即翻转为+30V高电平对C4充电；当充电充到324的9脚电压等于此时10脚上的+20V时，8脚电压跌零，遂令10脚电压立即降为+10V，同时使311的7脚内部开路，从而使324的6脚电压又高过5脚，7脚电平即跌零，C4便通过7脚放电；当放电放到324的9脚电压低于此时10脚的+IOV时，8脚又翻转为高电平，再令311的7脚跌零将R8下端拉到地而使3M的6脚电压低于5脚，7脚又翻转为+30V高电平对C4充电，同时324的10脚又升到+20V ；当C4充电充到3M的9脚
电压等于此时10脚的+20V时，8脚电压又跌零------如此循环往复，便在324的8脚生
成变频时钟脉冲。其变频的机理是由于C4充电电路中的R5电阻很大，故充电电流接近恒流；当R5左端所加压控电压升高时，C4上端电压也升高，充电时其两端起始电位差减小，充电时间便缩短，生成的时钟脉冲频率即变高；当压控电压减小时，C4上端电压也降低，充电时其两端起始电位差增大，充电时间便加长，时钟脉冲的频率即降低；当压控电压固定，频率即被锁定。其计算公式为Vin = 8f。R。C。+Vpn。式中Vin为输入压控电压值，Vpn为集成运放输入PN结的压降，可定为0. 6V ；f。即为生成的时钟脉冲频率，计算时应乘以后面时序脉冲电路的分频次数15 ；图中Dl就是为抵消变频电路中的Vpn而加的补偿硅二极管。 按图3电路，R0 = R5 = 150千欧，C。= C4 = 0. 024微法；输出50Hz稳频电压就须输入压控电压+22. 2V ；输出60Hz稳频电压，就须输入压控电压+26. 52V ；二者均已标注在图1与图3中。为保证开机后4015(1)和(2)能实现逐一移位，在起动时刻必须有一个正脉冲加到4015(1)的7脚；同时，为保证各半波倒换开关在开机瞬间能锁定在设定位置，在起动时刻也必须有一个正脉冲电压。它们均由前述Θ端输出的起动脉冲充任。其次，为保证各相半波倒换开关能够在各相过零时序脉冲的中点倒换，就必须取得一个位于各相过零时序中点的脉冲上升沿。幸由时序脉冲和时钟脉冲的相对位置可知，各时钟脉冲的下降沿，刚好位于对应时序脉冲的中点，故电路中专门用393(1)的5、6、7脚所含比较器将时钟脉冲反相，然后将各相的过零时序脉冲 、⑩、⑤分别加到⑶4066(1)的6脚和4066(14)的5、6脚框选出上升沿刚好位于三个过零时序脉冲中点的反相时钟脉冲；将它们分别加到三个CD4013 的11脚，就能保证各半波倒换开关准确地在各相过零时序脉冲的中点倒换。将取得的时钟脉冲通过R15和DWl限压，加到移位寄存器4015(1)和⑵进行15 次分频而生成15位时序脉冲，然后将它们按相位互差10个时序分成① 、⑩ 和⑥ ⑤三组，分别依次触发4066( (1 分布在各相的集成模拟开关循环接通 R45 R52组成的压控电压正弦分压电路的1-2-3-4-5-6-7-7-6-5-4-3-2-1-0各阶电压而取得三相7阶正弦半波基准电压u ν w;然后将u送精密电压比较器LM393C3)的同相输入端，并令其输出端7脚依次接4066 (13)在正半周受半波倒换开关4013 (1) 13脚输出电压控制连通的10、11脚、4050的5、4脚、光电耦合器OCl及驱动电路、功率开关管IGBT1、输出电压反馈电阻R62R63和桥式全波整流管D8 D11、最后接到393(3)的反相输入端而构成正半波大环路稳压电路进行正半周比样开关稳压；同时再将393 (3)的7脚依次接4066 (9) 在负半周受4013 (1)1脚输出电压控制连通的11、10脚、4050的3、2脚、0C2及驱动电路、 IGBT2、R62R63和D8 Dl 1、最后也接到393(3)的反相输入端而构成负半波大环路稳压电路进行负半周比样开关稳压；从而在IGBTl和IGBT2的公共连接点便输出正负半波完整的正弦阶梯波电压U;输出电压反馈电阻(R62+R63)/R63的比值即确定了输出电压比基准电压放大的倍数若基准电压幅值为14V，按图3所标数据，输出电压幅值即为311V ；刚好满足50Hz 220V市电要求。V相和W相大环路稳压电路的构成和工作方式与U相一样。对任一相，比如u，在正半周，当7阶正弦半波基准电压电平处在0阶时，因此时比较器的同相与反相输入端的电压均为零，无开关脉冲触发光电耦合器驱动IGBT导通，其输出电压也为零；当基准电压电平升到1阶时，根据稳压电路的工作原理，IGBT输出电压也升高并稳定在 1阶；当基准电压电平升到2、3、4、5、6、7阶，并在7阶上再平移一个时序后又依次降到6、5、 4、3、2、1、0阶时，IGBT输出电压也比照升高、平移、又降低到对应的阶梯上；负半周正弦阶梯电压的形成过程相同。这就是本发明所称的比样稳压工作原理。ν相和w相的工作情况也一样。从而在每相IGBT输出端便得到正负半波完整的三相7阶正弦阶梯波电压UVW; 在三相输出端各加一个0. 1微法电容器稍加平滑，即得标准三相正弦电压输出。本发明采用二极管桥式整流电路获取全波电压，是基于它的死区电压远小于各相过零时序的零电平间隔，因而不影响正弦阶梯电压的形成。各相IGBT由它们右边的四个快恢复二极管U1560 和0. 22微法与2. 2微法两个电容器及一个8欧姆IOW电阻组成的低损耗吸收电路来保证运行安全。还应指出，由图2所示三相基准电压的相对位置可以看出，在起始段，u、w为正半波，ν为负半波，故ν相半波倒换开关的倒换顺序，须和u相与w相相反，如图所标，方能确保输出为标准的三相正弦电压。此外，393 (3) (4) (5)左边1、2、3脚所含比较器在此处用作过流保护，保护触发电压Vb均由2脚馈入，一旦发生过流，它们的1脚立即将各相开关脉冲切断，从而实现保护。保护触发电压Vb由图3右上角三个输出电流互感器TA1、TA2、TA3 和下部元器件一起构成的过流保护电路给出。为防止开机瞬间较大的冲击电流可能引起保护电路误动作，专门用LM339的8、9、14脚所含比较器和ClO与R34 R37组成加电延时电路来跳过加电之初，ClO未及充电，339的8脚电压低于9脚，14脚输出+15V高电平触发 4066(16)的1、2脚连通，驱动12脚触发10、11脚连通而将保护触发电压Vb箝位到零，保证逆变器或变频器正常运行；此时即或有大的冲击电流也不致改变Vb为低电平；约经四分钟，ClO充满电后，339的8脚电压高过9脚，14脚电压跌零，4066 (16)的1、2脚断开，从而解除对保护电路的封锁；但此时开机冲击电流已过，393( 的7脚输出为高电平，控制4066 的8、9脚连通而维持Vb为低电平；此后，一旦某一相发生过流，339的1、2、13脚必然有一个跌零，从而触发393 (2)的7脚电压跌零，4066 (16)的8、9脚断开，10、11脚跟着断开，致使Vb跳到+15V而起动保护电路，同时由发光二极管LED作出指示。图中还用393(2)的1、 2、3脚所含比较器将Θ端的起动脉冲引入一起实现保护关机；Cll的加入可保证加电延时电路在延时终止时过渡平稳。采用此电路后，只要保护电路一动作，便长久维持关机状态， 须重新开机才能再起动，从而避免酿成振荡开关机的恶果。若将双刀双掷开关Kla、Klb倒在变频器一边，变频压控电压由电位器Wl滑点输入，时钟脉冲发生器中的槽路电容器由C4换成0. 6,0. 115,0. 023和0. 0045微法四档，即可获得0.5 350Hz宽范围变频，并且在升降正弦变频电压频率的同时，变频电压幅值也跟着线性变化，从而实现电动机功率因数自动补偿；再加它们输出的是标准正弦电压，因而可采用鼠笼式异步电动机来制造电动汽车和电动船舶，换档可用手控选择四档电容器的接入， 调速则用脚踏调整电位器Wl的滑点，操作方便，是极臻理想的经济耐用高节能纯环保交通运输工具，运行平稳，噪声极低。锂离子单相交流电源或单相变频驱动电源可用四个IGBT组成桥式电路比照前述三相7阶正弦基准电压中的任一相，比如u，进行比样开关稳压，即可构成；毋须赘述。如果采用蓄电池驱动本发明中的正弦电压逆变器或变频器，即可制成低价位自备电源或交流电动车船，方便用户挑选。
权利要求
1.采用锂离子电池驱动本发明揭示的正弦电压逆变器而制成的三相或单相锂离子交流电源；
2.采用锂离子电池驱动本发明揭示的正弦电压变频器而制成的三相或单相交流电动车船；
3.采用蓄电池驱动本发明揭示的正弦电压逆变器或变频器制成的低价位三相及单相自备电源或交流电动车船。
全文摘要
本发明采用数字式正弦电压逆变器将锂离子电池提供的直流高压变换成交流电压输出而构成锂离子电站，将逆变器改成变频器，即构成交流电动车船驱动电源；电路组成如附图示，Ka倒上构成锂离子电站，Ka倒下构成交流变频驱动电源；由Ka选定的压控电压分成两路一路送正弦分压电路取得7阶电压；一路送时钟脉冲电路形成需要的时钟脉冲，随送时序脉冲电路生成15位时序脉冲，并将它们按相位互差10个时序分成①～～～⑩和⑥～～⑤三组，分别驱动集成模拟开关循环拾取上述7阶电压而形成三相正弦半波基准电压，再用IGBT组成的三相桥式电路各自比照7阶正弦基准电压进行开关稳压，便制成锂离子电站或交流变频调幅驱动电源专供制造异步电机电动车船。
文档编号H02J7/00GK102255351SQ20111013234
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者王先伦 申请人:王先伦