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1、(10)申请公布号 CN 102931910 A (43)申请公布日 2013.02.13 C N 1 0 2 9 3 1 9 1 0 A *CN102931910A* (21)申请号 201210384957.1 (22)申请日 2012.10.12 H02P 27/08(2006.01) (71)申请人哈尔滨东方报警设备开发有限公司 地址 150090 黑龙江省哈尔滨市南岗区富水 路119号 (72)发明人李宣南 朴顺善 刘维良 (54) 发明名称 T源型变频调速系统 (57) 摘要 本发明涉及一种T源型变频调速系统，属于 电能变换领域。其组成包括直流侧的直流正极输 入端的二极管，变压器，。
2、滤波电容，以及输出侧的 逆变器，用于直流电压的变换和直流到交流的变 换，还包括交流电流检测电路，偏置电路，速度传 感器，电平转换电路，直流电压检测电路，低通滤 波电路，主控制器以及隔离驱动电路，用于实现直 流电压和电机转速的控制。本发明通过在直流侧 加入二极管、变压器和滤波电容，利用逆变器产生 直通状态进而实现直流电压的升压和稳压控制， 并结合电机控制算法实现用较低直流电压驱动较 高额定电压的交流电机运行。本发明采用一级电 路结构和更少的储能元件同时实现了直流电压的 升压、稳压控制以及交流电机的运行控制，具有结 构紧凑、直流电压利用率高以及可靠性高等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1。
3、页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种T源型变频调速系统，其特征在于，其组成包括直流正极输入端的二极管（1）， 变压器（2），滤波电容（3），逆变器（4），速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电 路（7），偏置电路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离 驱动电路（12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器。
4、（2）的第一 输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的输出端与交流电机负载相连；速度传感器（5）的旋转轴与电机轴端 相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的 另一端与主控制器（11）的第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4） 的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的 输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）。
5、的输出端与主 控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流 正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相 连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路 （10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压 中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器 （11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器 （4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作。 。
6、2.根据权利要求1所述的T源型变频调速系统，其特征在于，所述的变压器（2）包括绕 组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合的磁环上，绕组W1和绕组W2 的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端作为所述变压器（2）的第一 输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。 权 利 要 求 书CN 102931910 A 1/4页 3 T 源型变频调速系统 技术领域 0001 本发明涉及一种T源型变频调速系统，属于电能变换领域，用于实现将较低的直 流电压转化为较高的稳定的直流电压并驱动交流电机运行。 背景技术 0002 交流电机作为将电能转化为机械能的装。
7、置，在日常生活和工业生产中获得了广泛 的应用。当今社会，随着可再生能源发电技术以及其他分布式发电技术的发展，供电形式呈 现多样性的特点。交流电机及其调速系统的供电形式也不仅仅局限于只由公共大电网供 电，还需要适应低电压、大波动特性的电源为其供电，例如，在无公共大电网的偏远地区，可 以采用光伏电池作为交流电机调速系统的供电电源，但是由于光伏电池输出的电能形式对 环境变化更加敏感，波动较大，而且通常电压较低，难以直接为电机系统供电，为此需要结 合相应的电能变换技术来获得满足供电要求的电能形式。 0003 在目前的解决方案中，一种方案是采用直流-直流-交流的两级式结构，利用直 流-直流变换实现直流电。
8、压的升压和稳压控制，以使直流电压符合交流电机的供电电压要 求，而利用直流-交流变换结合电机控制算法实现交流电机的调速运行。这种结构中直流 侧增加的开关变换器造成系统损耗增加，效率和可靠性均有所下降。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种T源型变频调速系统，以实现用较低的波动的直流电 源驱动较高额定电压的交流电机，并解决现有方案的效率低、结构复杂、成本较高等问题。 0005 一种T源型变频调速系统，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器（2）， 滤波电容（3），逆变器（4），速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电路（7），偏 置电路（8），直流电压检测电路（9），低。
9、通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路 （12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一 输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的输出端与交流电机负载相连；速度传感器（5）的旋转轴与电机轴端 相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的 另一端与主控制器（11）的。
10、第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4） 的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的 输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主 控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流 正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相 连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路 说 明 书CN 102931910 A 2/4页 4 （10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲。
11、，获得逆变器的直流输入电压 中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器 （11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器 （4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作； 所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合 的磁环上，绕组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端 作为所述变压器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。 0006 本发明所具有的优点：现有方案中多采用直流-直流-交流的电能变。
12、换形式，采用 了较多的功率开关器件，本发明通过在逆变器的基础上直流侧加入变压器，并结合电机驱 动控制算法，只采用直流-交流的逆变器和更少的储能元件同时实现了直流电压的升压、 稳压控制以及对交流电机转速的驱动控制，因此具有结构紧凑以及效率高、可靠性高等优 点。 附图说明 0007 图1是本发明的原理图； 图2是本发明的直通状态的原理图，图3是本发明的非直通状态的原理图； 图4是本发明的产生直通状态的正弦波脉宽调制算法的原理图。 0008 具体实施方式 0009 具体实施方式一：下面结合图1至图4具体说明本实施方式。图1为T源型变频 调速系统的原理图，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器。
13、（2），滤波电容（3）， 逆变器（4），速度传感器（5），电平转换电路（6），交流电流检测电路（7），偏置电路（8），直流 电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一 输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的输出端与交流电机负载相连；速度传。
14、感器（5）的旋转轴与电机轴端 相连，速度传感器（5）的信号输出端与电平转换电路（6）的一端相连，电平转换电路（6）的 另一端与主控制器（11）的第一输入端相连；交流电流检测电路（7）的输入端与逆变器（4） 的输出端相连，用于检测交流输出电流，交流电流检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的 输入端相连，将采集到的交流输出电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主 控制器（11）的第二输入端相连；直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流 正极输入端相连，直流电压检测电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相 连，用于检测逆变器（4）的直流输入电压，直流电压检测。
15、电路（9）的输出端与低通滤波电路 （10）的输入端相连，滤除逆变器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压 中的直流分量，低通滤波电路（10）的输出端与主控制器（11）的第三输入端相连，主控制器 （11）的输出端与隔离驱动电路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器 说 明 书CN 102931910 A 3/4页 5 （4）的信号输入端相连，用于驱动逆变器（4）的各个功率器件工作； 所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合 的磁环上，绕组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端 作为所述变压。
16、器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。 0010 所述的逆变器由三个桥臂组成，每个桥臂由两个功率开关器件串联组成。 0011 本发明的基本原理是在直流侧加入直流变压器和滤波电容，通过逆变器的同一桥 臂的两个开关管同时导通，产生直通状态，进而使能量存储在直流变压器中，而在非直通状 态释放出去，进而实现直流电压的升压。下面分析其直流电压和直流供电电源之间的关系， 即直流升压比。 0012 各个公式中变量的物理含义为，为变压器（2）的绕组W1两端电压，为变压 器（2）的绕组W2两端电压，为变压器（2）的匝数比，为滤波电容（3）的电压，为直 流正极输入端的二极管（1）。
17、的电压，为直流输入电源电压，为逆变器的直通占空比。 0013 在直通状态下，对应的等效电路如图2所示，变压器的绕组电压方程为 (1) 二极管两端电压为 (2) 上式说明此时二极管承受反压，在直通状态下直流电源同样不输出电流。 0014 在非直通状态下，对应的等效电路如图3所示，其电压为 (3) ,根据一个开关周期内的绕组平均电压为零，即 (4) 解得直流电容电压与直流电源的关系为 (5) 进一步求得在非直通状态下直流输出电压和直流电源电压的关系即直流升压比为 (6) 由上式可知，直流升压比由直通占空比和变压器匝比共同决定，并有。通过 控制直流占空比，即可控制直流输出电压。 说 明 书CN 10。
18、2931910 A 4/4页 6 0015 由上述分析可知，通过控制逆变器各个桥臂的直通占空比即可控制直流输出电 压，即逆变器的输入电压，为了实现交流电机的变频调速控制，要求逆变器的输入电压一方 面要大于交流电机额定电压的幅值，另一方面要求逆变器的输入电压尽量保持稳定，因此 需要引入直流输出电压的闭环控制。下面分析其工作原理。首先设定一个直流输出电压的 给定值，再用直流电压检测电路（9）检测直流输出电压，由于逆变器存在直通状态，因此直 流输出电压带有高频脉冲，通过低通滤波电路（10）可以滤除高频成分，获得直流输出电压 的平均值，再用直流输出电压的给定值减去其平均值，获得的差值输入到比例-积分调。
19、节 器，获得直通占空比的给定值，可以用来控制逆变器各个桥臂的直通时间。 0016 用于电机转速控制的变频调速算法采用现有方案中的转速控制算法即可，包括变 压变频调速算法，矢量控制算法以及直接转矩控制算法等。上述算法均可以生成逆变器三 个桥臂的输出电压的给定值，用于对逆变器的各个功率开关器件进行控制。 0017 本发明中，需要同时实现逆变器各个功率开关器件的正常逆变控制和产生直通状 态，本实施方式以现有方案中的正弦波脉宽调制策略（SPWM）为基础，由于SPWM方法中的每 相桥臂的两个功率开关器件处于互补导通模式，在每一个载波周期里均会切换两次开关状 态，因此在每一相桥臂的两个功率开关器件的状态发。
20、生切换时，强制让两个功率开关器件 同时导通，其导通时间等于直通占空比与载波周期的乘积。图4给出采用上述方法的产生 一个桥臂的控制信号的原理图，其中两路信号的全“1”状态会使同一个桥臂的两个开关管 均导通，即产生直通状态，对于另外两个桥臂，产生控制信号的原理与其相同，所不同的是 需要使用各自的桥臂输出电压的给定值。为了同时实现直通状态和各个桥臂的正常控制 信号，设置一个三角载波，同时用逆变电压的三个桥臂电压的给定值和同一个三角载波比 较，若逆变电压给定值大于三角载波，输出“1”，若逆变电压给定值小于或等于三角载波，则 输出“0”，形成第一路方波信号，将所述的第一路方波信号进行逻辑取反，获得第二路。
21、方波 信号，对所获得的第一路方波信号进行判断，若由“1”跳变到“0”，或由“0”跳变到“1”，则 以所述的步骤一所获得的第一路方波信号的电平跳变点为起点，在所获得的两路方波信号 中，同时加入一段时间的全“1”状态，这段全“1”状态的时间等于直通占空比与所设定的三 角载波的周期的乘积，由此获得的两路方波信号，第一路用于控制桥臂的上管，另一路用于 控制桥臂的下管。 0018 上述的直流输出电压闭环控制、用于电机转速控制的变频调速算法以及用于 控制逆变器带有直通状态的SPWM方法均在主控制器（11）中通过软件加以实现，主控制器 需为带有模数转换器，脉宽调制模块等外设的单片机，数字信号处理器等控制器。 0019 通过上述系统及其控制方法，即可实现利用较低直流电压驱动较高额定电压的交 流电机运行，若使用矢量控制或直接转矩控制等高性能电机控制算法，即可实现性能优良 的电机运行性能，在一些无大电网供电的偏远地区，利用本系统可以实现用光伏电池驱动 交流电机运行，由于本系统无需外加额外的功率开关器件，因此成本较低，效率较高。 说 明 书CN 102931910 A 1/2页 7 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102931910 A 2/2页 8 图4 说 明 书 附 图CN 102931910 A 。