專利名稱：鋰離子電站暨交流電動車船的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源技術(shù)中的鋰離子電池和電力電子技術(shù)的直流/交流逆變器與變頻器，特別是采用正弦電壓逆變器將鋰離子電池提供的大功率直流電壓轉(zhuǎn)換成三相或單相交流電壓輸出的鋰離子電站或正弦電壓幅頻同調(diào)變頻電源專供驅(qū)動鼠籠式異步電動機(jī)構(gòu)成的電動車船。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，能源已成為全世界特別關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。風(fēng)靡全球的石油日日攀升的天價和對大氣與海洋的嚴(yán)重污染，已令全人類深感不安；今年3月，日本大地震引發(fā)福島核電站的核輻射危機(jī)，更令各國人士對原子能發(fā)電的安全性產(chǎn)生了不小懷疑；傳統(tǒng)的火力發(fā)電，雖然燃料相對便宜，但其大量排碳排硫釀成地球升溫失衡，也令人類不能容忍；再加它們都離不了輸配電網(wǎng)和變電站，既給地球平添了不少芒刺，又容易引發(fā)雷擊，年年都有多人為之殉難; 太陽能和風(fēng)力發(fā)電則受天候左右，亦非上籌；本發(fā)明正是為克服上述諸能源的弊端而新提出的解決方案；電動船舶現(xiàn)在還是未開墾的處女地，至于電動汽車，目前不是直流電源就是脈寬調(diào)制電源驅(qū)動，電動機(jī)中均離不了碳刷，最易磨損和燒毀，這是它們的致命弱點(diǎn)；本發(fā)明則另辟蹊徑，采用正弦變頻調(diào)幅電壓驅(qū)動鼠籠式異步電動機(jī)來制造電動車船，既經(jīng)濟(jì)耐用，又節(jié)能安全。三、發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明一改全世界的發(fā)電模式，采用數(shù)字式正弦電壓逆變器將鋰離子電池提供的大功率直流電壓轉(zhuǎn)換成50Hz或60Hz標(biāo)準(zhǔn)三相電壓輸出，即構(gòu)成安全環(huán)保新能源鋰離子電站；它們不用鍋爐、汽輪機(jī)，也毋須輸配電網(wǎng)、變電站，家家獨(dú)立供電，天上地下不限，是完美取代原子能發(fā)電和火力發(fā)電的理想能源。方框圖如
圖1示，代表鋰離子電站和鋰離子交流電動車船驅(qū)動電源的電路組成，由開關(guān)Ka倒換區(qū)分。作鋰離子電站用時，Ka倒在上邊，由 +30V穩(wěn)定電壓經(jīng)Rm Rn Ro分壓取得+22. 2V和+26. 52V兩鎖頻電壓，通過Ka和Kb靜觸點(diǎn)后分成兩路一路送Ra 1 進(jìn)行正弦分壓而取得7階電壓；一路送時鐘脈沖電路形成750Hz 或900Hz時鐘脈沖，隨送時序脈沖電路經(jīng)15次分頻而得出15位時序脈沖，并將它們按相位互差10個時序分成① 、⑩和⑥ ⑤三組，分別驅(qū)動集成模擬開關(guān)循環(huán)拾取上述7階電壓而形成三相正弦半波基準(zhǔn)電壓u ν w，其波形如圖2示；再用絕緣柵晶體管IGBT組成的三相橋式電路各自比照本相基準(zhǔn)電壓進(jìn)行開關(guān)穩(wěn)壓，便將鋰離子電池提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成50Hz或60Hz三相交流電壓輸出而制成鋰離子電站；作變頻器用時，由 Wa的滑點(diǎn)取得連續(xù)可調(diào)電壓按前述方式生成寬范圍正弦變頻調(diào)幅電壓驅(qū)動經(jīng)濟(jì)耐用的鼠籠式異步電動機(jī)制成交流電動汽車與電動船舶。7階電壓的確定原則是設(shè)Rg的上端電壓為 E，7 階電壓則為E1 = ESinl2°，E2 = ESin24°，E3 = ESin36°，E4 = ESin48°，E5 =ESin60°，E6 = ESin72°，E7 = ESin84° ；50Hz 時令 Ri = 0，E7 = 14V，這樣即可確定 Ra 1 各阻值；60Hz時調(diào)Ri的大小以取得所需的基準(zhǔn)電壓幅值。顯然，壓控電壓E改變， El E7即隨之變化，但始終都能保持它們之間的正弦分壓關(guān)系，從而取得不同頻率與幅值的正弦電壓。本發(fā)明中的正弦電壓逆變器與變頻電路，實(shí)質(zhì)上是直流穩(wěn)壓電路的拓展使用。我們在調(diào)直流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定電壓時都體驗(yàn)過當(dāng)調(diào)電位器改變基準(zhǔn)電壓時，輸出電壓即跟著變化；顯然，如果用一個階梯電壓代替人工調(diào)整取得的基準(zhǔn)電壓，功率開關(guān)管的輸出電壓必然也比照它的波形按同一比例變化。這就是本逆變器和變頻器的工作原理。為兼顧它們的輸出電壓盡量逼近正弦波而又不致使電路太過復(fù)雜，本發(fā)明取基準(zhǔn)電壓波形為7階正弦半波電壓；同時考慮到按常規(guī)，負(fù)半周須用負(fù)電壓，此時作為穩(wěn)壓執(zhí)行中樞的精密電壓比較器，反饋截止電壓應(yīng)當(dāng)加在同相輸入端，其靈敏度會比正半周加在反相輸入端大大降低， 從而造成輸出電壓正負(fù)半波嚴(yán)重不對稱。為克服此弊，本發(fā)明特別采用全波整流電路將輸出反饋取樣電壓的負(fù)半波反轉(zhuǎn)為正極性半波電壓；這樣一來，由正半周和負(fù)半周生成的穩(wěn)壓開關(guān)脈沖將完全一樣，只須用一個半波倒換開關(guān)將它們輪流分送到正負(fù)半周功率開關(guān)即成；藉此還可將控制信號電路的元器件和版面節(jié)省一半。四、附圖及說明圖1為鋰離子電站與鋰離子交流電動車船驅(qū)動電源方框圖，前述已詳；圖2為三相7階正弦半波基準(zhǔn)電壓波形圖，前面也已說明；圖3為鋰離子電站與鋰離子交流電動車船驅(qū)動電源電路圖，下面詳述。
五具體實(shí)施方式
；本發(fā)明的具體電路如圖3示。圖中雙刀雙擲開關(guān)Kla和Klb倒在圖示位置時構(gòu)成鋰離子電站電路；倒在另一位置時為變頻調(diào)速器電路。開關(guān)K2用于鋰離子電站時選擇輸出頻率是50Hz或60Hz ；K3則用于變頻調(diào)速器時分四檔改變時鐘脈沖發(fā)生器中的槽路電容器，以取得寬范圍變頻。電路左上角由鋰離子電池提供的18Va和ISVb電壓經(jīng)7815⑴和 7815(2)穩(wěn)壓提供+15V和+30V穩(wěn)定電壓。R1R2R3構(gòu)成分壓電路，由此提供控制逆變電路產(chǎn)生50Hz或60Hz輸出頻率的鎖定電壓+22. 2V或+26. 52V ；R4和C3構(gòu)成降頻降壓軟起動電路加電之初C3上端電壓由OV經(jīng)3 4分鐘緩緩升到+22. 2V或+26. 52V，逆變器的輸出電壓便由OHz OV慢慢升到50Hz 220V或60Hz IlOV(或120V)。為避免加電之初脈沖在形成過程中可能有先后不齊而引起紊亂，本逆變器/變頻器特別加有由電阻R17 R20和電容器C9與LM393(1) 1、2、3腳所含電壓比較器組成的延時電路來防止在加電1分鐘內(nèi)， C9上的充電電壓低于R17和R18的分壓值，Θ端輸出電壓為+15V，用以封鎖所有相關(guān)電路； 一俟C9上電壓升到等于393(1)的3腳電壓時，Θ端電壓立即跌零，從而解除封鎖，逆變器 /變頻器三相同時起動，保證任何時刻都是輸出完整的三相電壓。為取得正弦電壓輸出，首先就必須生成壓控變頻時鐘脈沖，它由LM324中5、6、7腳和8、9、10腳所含兩個運(yùn)放和比較器LM311與R5 R14及C4組成的單極性壓控方波發(fā)生器來產(chǎn)生。其工作原理如下起動瞬間，由于時鐘脈沖尚未生成，3 的8腳、因而311的3 腳電壓為零，低于2腳，使7腳內(nèi)部開路，致令324的6腳電壓高過5腳，使7腳跌零將9腳電壓拉到地，8腳立即輸出+30V高電平；此時由于R13左端由Rll與R12分壓限定為+15V， 324的10腳電壓經(jīng)R14與R13分壓升到+20V，致令311的3腳電壓高過2腳，其7腳跌零將電阻R8下端拉到地而使324的6腳電壓低于5腳，7腳立即翻轉(zhuǎn)為+30V高電平對C4充電；當(dāng)充電充到324的9腳電壓等于此時10腳上的+20V時，8腳電壓跌零，遂令10腳電壓立即降為+10V，同時使311的7腳內(nèi)部開路，從而使324的6腳電壓又高過5腳，7腳電平即跌零，C4便通過7腳放電；當(dāng)放電放到324的9腳電壓低于此時10腳的+IOV時，8腳又翻轉(zhuǎn)為高電平，再令311的7腳跌零將R8下端拉到地而使3M的6腳電壓低于5腳，7腳又翻轉(zhuǎn)為+30V高電平對C4充電，同時324的10腳又升到+20V ；當(dāng)C4充電充到3M的9腳
電壓等于此時10腳的+20V時，8腳電壓又跌零------如此循環(huán)往復(fù)，便在324的8腳生
成變頻時鐘脈沖。其變頻的機(jī)理是由于C4充電電路中的R5電阻很大，故充電電流接近恒流；當(dāng)R5左端所加壓控電壓升高時，C4上端電壓也升高，充電時其兩端起始電位差減小，充電時間便縮短，生成的時鐘脈沖頻率即變高；當(dāng)壓控電壓減小時，C4上端電壓也降低，充電時其兩端起始電位差增大，充電時間便加長，時鐘脈沖的頻率即降低；當(dāng)壓控電壓固定，頻率即被鎖定。其計算公式為Vin = 8f。R。C。+Vpn。式中Vin為輸入壓控電壓值，Vpn為集成運(yùn)放輸入PN結(jié)的壓降，可定為0. 6V ；f。即為生成的時鐘脈沖頻率，計算時應(yīng)乘以后面時序脈沖電路的分頻次數(shù)15 ；圖中Dl就是為抵消變頻電路中的Vpn而加的補(bǔ)償硅二極管。 按圖3電路，R0 = R5 = 150千歐，C。= C4 = 0. 024微法；輸出50Hz穩(wěn)頻電壓就須輸入壓控電壓+22. 2V ；輸出60Hz穩(wěn)頻電壓，就須輸入壓控電壓+26. 52V ；二者均已標(biāo)注在圖1與圖3中。為保證開機(jī)后4015(1)和(2)能實(shí)現(xiàn)逐一移位，在起動時刻必須有一個正脈沖加到4015(1)的7腳；同時，為保證各半波倒換開關(guān)在開機(jī)瞬間能鎖定在設(shè)定位置，在起動時刻也必須有一個正脈沖電壓。它們均由前述Θ端輸出的起動脈沖充任。其次，為保證各相半波倒換開關(guān)能夠在各相過零時序脈沖的中點(diǎn)倒換，就必須取得一個位于各相過零時序中點(diǎn)的脈沖上升沿。幸由時序脈沖和時鐘脈沖的相對位置可知，各時鐘脈沖的下降沿，剛好位于對應(yīng)時序脈沖的中點(diǎn)，故電路中專門用393(1)的5、6、7腳所含比較器將時鐘脈沖反相，然后將各相的過零時序脈沖 、⑩、⑤分別加到⑶4066(1)的6腳和4066(14)的5、6腳框選出上升沿剛好位于三個過零時序脈沖中點(diǎn)的反相時鐘脈沖；將它們分別加到三個CD4013 的11腳，就能保證各半波倒換開關(guān)準(zhǔn)確地在各相過零時序脈沖的中點(diǎn)倒換。將取得的時鐘脈沖通過R15和DWl限壓，加到移位寄存器4015(1)和⑵進(jìn)行15 次分頻而生成15位時序脈沖，然后將它們按相位互差10個時序分成① 、⑩ 和⑥ ⑤三組，分別依次觸發(fā)4066( (1 分布在各相的集成模擬開關(guān)循環(huán)接通 R45 R52組成的壓控電壓正弦分壓電路的1-2-3-4-5-6-7-7-6-5-4-3-2-1-0各階電壓而取得三相7階正弦半波基準(zhǔn)電壓u ν w;然后將u送精密電壓比較器LM393C3)的同相輸入端，并令其輸出端7腳依次接4066 (13)在正半周受半波倒換開關(guān)4013 (1) 13腳輸出電壓控制連通的10、11腳、4050的5、4腳、光電耦合器OCl及驅(qū)動電路、功率開關(guān)管IGBT1、輸出電壓反饋電阻R62R63和橋式全波整流管D8 D11、最后接到393(3)的反相輸入端而構(gòu)成正半波大環(huán)路穩(wěn)壓電路進(jìn)行正半周比樣開關(guān)穩(wěn)壓；同時再將393 (3)的7腳依次接4066 (9) 在負(fù)半周受4013 (1)1腳輸出電壓控制連通的11、10腳、4050的3、2腳、0C2及驅(qū)動電路、 IGBT2、R62R63和D8 Dl 1、最后也接到393(3)的反相輸入端而構(gòu)成負(fù)半波大環(huán)路穩(wěn)壓電路進(jìn)行負(fù)半周比樣開關(guān)穩(wěn)壓；從而在IGBTl和IGBT2的公共連接點(diǎn)便輸出正負(fù)半波完整的正弦階梯波電壓U;輸出電壓反饋電阻(R62+R63)/R63的比值即確定了輸出電壓比基準(zhǔn)電壓放大的倍數(shù)若基準(zhǔn)電壓幅值為14V，按圖3所標(biāo)數(shù)據(jù)，輸出電壓幅值即為311V ；剛好滿足50Hz 220V市電要求。V相和W相大環(huán)路穩(wěn)壓電路的構(gòu)成和工作方式與U相一樣。對任一相，比如u，在正半周，當(dāng)7階正弦半波基準(zhǔn)電壓電平處在0階時，因此時比較器的同相與反相輸入端的電壓均為零，無開關(guān)脈沖觸發(fā)光電耦合器驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，其輸出電壓也為零；當(dāng)基準(zhǔn)電壓電平升到1階時，根據(jù)穩(wěn)壓電路的工作原理，IGBT輸出電壓也升高并穩(wěn)定在 1階；當(dāng)基準(zhǔn)電壓電平升到2、3、4、5、6、7階，并在7階上再平移一個時序后又依次降到6、5、 4、3、2、1、0階時，IGBT輸出電壓也比照升高、平移、又降低到對應(yīng)的階梯上；負(fù)半周正弦階梯電壓的形成過程相同。這就是本發(fā)明所稱的比樣穩(wěn)壓工作原理。ν相和w相的工作情況也一樣。從而在每相IGBT輸出端便得到正負(fù)半波完整的三相7階正弦階梯波電壓UVW; 在三相輸出端各加一個0. 1微法電容器稍加平滑，即得標(biāo)準(zhǔn)三相正弦電壓輸出。本發(fā)明采用二極管橋式整流電路獲取全波電壓，是基于它的死區(qū)電壓遠(yuǎn)小于各相過零時序的零電平間隔，因而不影響正弦階梯電壓的形成。各相IGBT由它們右邊的四個快恢復(fù)二極管U1560 和0. 22微法與2. 2微法兩個電容器及一個8歐姆IOW電阻組成的低損耗吸收電路來保證運(yùn)行安全。還應(yīng)指出，由圖2所示三相基準(zhǔn)電壓的相對位置可以看出，在起始段，u、w為正半波，ν為負(fù)半波，故ν相半波倒換開關(guān)的倒換順序，須和u相與w相相反，如圖所標(biāo)，方能確保輸出為標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦電壓。此外，393 (3) (4) (5)左邊1、2、3腳所含比較器在此處用作過流保護(hù)，保護(hù)觸發(fā)電壓Vb均由2腳饋入，一旦發(fā)生過流，它們的1腳立即將各相開關(guān)脈沖切斷，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。保護(hù)觸發(fā)電壓Vb由圖3右上角三個輸出電流互感器TA1、TA2、TA3 和下部元器件一起構(gòu)成的過流保護(hù)電路給出。為防止開機(jī)瞬間較大的沖擊電流可能引起保護(hù)電路誤動作，專門用LM339的8、9、14腳所含比較器和ClO與R34 R37組成加電延時電路來跳過加電之初，ClO未及充電，339的8腳電壓低于9腳，14腳輸出+15V高電平觸發(fā) 4066(16)的1、2腳連通，驅(qū)動12腳觸發(fā)10、11腳連通而將保護(hù)觸發(fā)電壓Vb箝位到零，保證逆變器或變頻器正常運(yùn)行；此時即或有大的沖擊電流也不致改變Vb為低電平；約經(jīng)四分鐘，ClO充滿電后，339的8腳電壓高過9腳，14腳電壓跌零，4066 (16)的1、2腳斷開，從而解除對保護(hù)電路的封鎖；但此時開機(jī)沖擊電流已過，393( 的7腳輸出為高電平，控制4066 的8、9腳連通而維持Vb為低電平；此后，一旦某一相發(fā)生過流，339的1、2、13腳必然有一個跌零，從而觸發(fā)393 (2)的7腳電壓跌零，4066 (16)的8、9腳斷開，10、11腳跟著斷開，致使Vb跳到+15V而起動保護(hù)電路，同時由發(fā)光二極管LED作出指示。圖中還用393(2)的1、 2、3腳所含比較器將Θ端的起動脈沖引入一起實(shí)現(xiàn)保護(hù)關(guān)機(jī)；Cll的加入可保證加電延時電路在延時終止時過渡平穩(wěn)。采用此電路后，只要保護(hù)電路一動作，便長久維持關(guān)機(jī)狀態(tài)， 須重新開機(jī)才能再起動，從而避免釀成振蕩開關(guān)機(jī)的惡果。若將雙刀雙擲開關(guān)Kla、Klb倒在變頻器一邊，變頻壓控電壓由電位器Wl滑點(diǎn)輸入，時鐘脈沖發(fā)生器中的槽路電容器由C4換成0. 6,0. 115,0. 023和0. 0045微法四檔，即可獲得0.5 350Hz寬范圍變頻，并且在升降正弦變頻電壓頻率的同時，變頻電壓幅值也跟著線性變化，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)功率因數(shù)自動補(bǔ)償；再加它們輸出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，因而可采用鼠籠式異步電動機(jī)來制造電動汽車和電動船舶，換檔可用手控選擇四檔電容器的接入， 調(diào)速則用腳踏調(diào)整電位器Wl的滑點(diǎn)，操作方便，是極臻理想的經(jīng)濟(jì)耐用高節(jié)能純環(huán)保交通運(yùn)輸工具，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲極低。鋰離子單相交流電源或單相變頻驅(qū)動電源可用四個IGBT組成橋式電路比照前述三相7階正弦基準(zhǔn)電壓中的任一相，比如u，進(jìn)行比樣開關(guān)穩(wěn)壓，即可構(gòu)成；毋須贅述。如果采用蓄電池驅(qū)動本發(fā)明中的正弦電壓逆變器或變頻器，即可制成低價位自備電源或交流電動車船，方便用戶挑選。
權(quán)利要求
1.采用鋰離子電池驅(qū)動本發(fā)明揭示的正弦電壓逆變器而制成的三相或單相鋰離子交流電源；
2.采用鋰離子電池驅(qū)動本發(fā)明揭示的正弦電壓變頻器而制成的三相或單相交流電動車船；
3.采用蓄電池驅(qū)動本發(fā)明揭示的正弦電壓逆變器或變頻器制成的低價位三相及單相自備電源或交流電動車船。
全文摘要
本發(fā)明采用數(shù)字式正弦電壓逆變器將鋰離子電池提供的直流高壓變換成交流電壓輸出而構(gòu)成鋰離子電站，將逆變器改成變頻器，即構(gòu)成交流電動車船驅(qū)動電源；電路組成如附圖示，Ka倒上構(gòu)成鋰離子電站，Ka倒下構(gòu)成交流變頻驅(qū)動電源；由Ka選定的壓控電壓分成兩路一路送正弦分壓電路取得7階電壓；一路送時鐘脈沖電路形成需要的時鐘脈沖，隨送時序脈沖電路生成15位時序脈沖，并將它們按相位互差10個時序分成①～～～⑩和⑥～～⑤三組，分別驅(qū)動集成模擬開關(guān)循環(huán)拾取上述7階電壓而形成三相正弦半波基準(zhǔn)電壓，再用IGBT組成的三相橋式電路各自比照7階正弦基準(zhǔn)電壓進(jìn)行開關(guān)穩(wěn)壓，便制成鋰離子電站或交流變頻調(diào)幅驅(qū)動電源專供制造異步電機(jī)電動車船。
文檔編號H02J7/00GK102255351SQ20111013234
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者王先倫 申請人:王先倫