CN115378103B - 基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，充电的实现方式为第一三相电机的第一和第二定子绕组串联、第一三相电机的第三定子绕组和第二三相电机的第一定子绕组串联、第二三相电机的第二和第三定子绕组串联，且分别与三相电网的三个接口相连接。第一和第二三相电机的各定子绕组的另一端经双向DC/AC变换器给动力电池充电。本发明电路可实现三相输入快充，大大减小了充电***的体积和重量，具有充电功率大、功率密度高、原理简单、可靠性高、灵活性高、应用范围广的优点。

Description

基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路
技术领域
本发明涉及工程机械充电的技术领域，尤其是指一种基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路。
背景技术
工程机械的驱动电机大多采用三相永磁同步电机或三相感应电机，传统的充电方式主要分为车载充电和车外充电，车载充电的充电器安装在车内，能直接接入电网充电，但体积和重量受到限制，因此存在着充电功率较小、车辆续航短的缺点；车外充电通过充电桩进行充电，充电桩输入直流电至电池。由于不占用车辆体积和重量，因此能设计成大功率充电。但存在着前期规划难、建设成本高的缺点。由于车辆的电机驱动***和车载充电***分时工作，而电路结构和所用器件非常相似，学者们提出利用电机驱动***实现电池充电功能，构造驱动与充电一体化电路。
工程机械一般配有多个电机，用于实现工程机械的特殊工作用途。对于常见的双三相电机的工作方案，一般是一个电机为行走电机，实现车辆的行走；一个电机为液压电机，实现推、挖、抬举等工程机械施工动作。基于双电机的双三相电机驱动充电一体化电路，目前最常见的方案是单相电网两端分别接入两个三相电机的中性点，两个三相电机的另一端分别与两个双向DC/AC变换器相连接，两个双向DC/AC变换器并联后与电池连接。该方案在不另外加入三相整流器的前提下，只能实现单相充电，充电功率不大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种安全可靠、功率密度更高的基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，包括动力电池、双向DC/DC变换器、第一双向DC/AC变换器、第二双向DC/AC变换器、第一三相电机、第二三相电机、第一转换触点开关、第二转换触点开关、第三转换触点开关、第一单触点开关、第二单触点开关、第三单触点开关、第四单触点开关、第五单触点开关、第六单触点开关、第七单触点开关、第八单触点开关和交流接口；
所述第一双向DC/AC变换器交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂；所述第二双向DC/AC变换器交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂；所述第一三相电机和第二三相电机包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点；所述第二转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点；所述第三转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点；所述交流接口有三个端子，分别为第一、二、三端子；
所述双向DC/DC变换器的低压侧正、负极与动力电池的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器的高压侧正、负极分别与第一双向DC/AC变换器和第二双向DC/AC变换器直流侧的正、负极相连接；
所述第一三相电机的第一定子绕组的两端分别与第三单触点开关和交流接口的第一端子相连接，所述第一三相电机的第二定子绕组的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第二桥臂和第一转换触点开关的公共触点相连接，所述第一三相电机的第三定子绕组的两端分别与第五单触点开关和交流接口的第二端子相连接；所述第一三相电机与第三、四、五单触点开关相连接的三个端子为一组同名端，所述第一三相电机的其余三个端子为另一组同名端；
所述第二三相电机的第一定子绕组与第二双向DC/AC变换器的第三桥臂和第二转换触点开关的公共触点相连接，所述第二三相电机的第二定子绕组的两端分别与第七单触点开关和交流接口的第三端子相连接，所述第二三相电机的第三定子绕组的两端分别与第二双向DC/AC变换器的第一桥臂和第三转换触点开关的公共触点相连接；所述第二三相电机与第六、七、八单触点开关相连接的三个端子为一组同名端，所述第二三相电机的其余三个端子为另一组同名端；
所述第一转换触点开关的第一触点和第二触点分别与第一双向DC/AC变换器的第一桥臂中点和交流接口的第一端子相连接；所述第二转换触点开关的第一触点和第二触点分别与第一双向DC/AC变换器的第三桥臂中点和第二单触点开关相连接；所述第三转换触点开关的第一触点和第二触点分别与第二双向DC/AC变换器的第二桥臂中点和交流接口的第三端子相连接；所述第一单触点开关的两端分别与交流接口的第一端子和第二端子相连接；所述第二单触点开关的两端分别与交流接口的第三端子和第二转换触点开关的第二触点相连接；所述第三单触点开关的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第一桥臂中点和第一三相电机的第一定子绕组相连接；所述第四单触点开关的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第二桥臂中点和第一双向DC/AC变换器的第一桥臂中点相连接；所述第五单触点开关的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第三桥臂中点和第一三相电机的第三定子绕组相连接；所述第六单触点开关的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第三桥臂中点和第二双向DC/AC变换器的第三桥臂中点相连接；所述第七单触点开关的两端分别与第二双向DC/AC变换器的第二桥臂中点和第二三相电机的第二定子绕组相连接；所述第八单触点开关的两端分别与第二双向DC/AC变换器的第二桥臂中点和第二三相电机的第三定子绕组相连接。
进一步，当所述第一转换触点开关的第一触点断开、第二触点闭合，所述第二转换触点开关的第一触点断开、第二触点闭合，所述第三转换触点开关的第一触点断开、第二触点闭合，所述第一单触点开关、第二单触点开关、第三单触点开关、第五单触点开关、第七单触点开关闭合且第四单触点开关、第六单触点开关、第八单触点开关断开时，所述第一三相电机和第二三相电机工作在电机驱动模式；当所述第一转换触点开关的第一触点闭合、第二触点断开，所述第二转换触点开关的第一触点闭合、第二触点断开，所述第三转换触点开关的第一触点闭合、第二触点断开，所述第一单触点开关、第二单触点开关、第三单触点开关、第五单触点开关、第七单触点开关断开且第四单触点开关、第六单触点开关、第八单触点开关闭合时，电路工作在电池充电模式，此时所述第一三相电机的第一定子绕组和第二定子绕组串联，所述第一三相电机的第三定子绕组和第二三相电机的第一定子绕组串联，所述第二三相电机的第二定子绕组和第三定子绕组串联。
进一步，在电池充电模式，当输入源为三相电网，所述交流接口的三个端子与三相电网相连接。
进一步，所述第一三相电机和第二三相电机为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、充电功率大、功率密度高。
相比于传统的单相充电的方案，本发明由于采用了三相充电，充电功率得以提高，而且由于使用了串联拓扑，等效电感增大，适合小电感的电机使用。
2、原理简单、可靠性高。
本发明切换至驱动模式时与传统三相电机驱动电路一致，采用传统电机控制即可；切换至充电模式时与传统三相PWM整流电路一致，只需进行功率因数校正控制即可，两相电机定子绕组同一电流相等，不需额外均流控制即可实现电机转矩消除，可靠性高。
3、灵活性高、应用范围广。
本发明在充电时两个三相电机均不产生转矩，可实现不同轴工作，因此能实现工程机械行走电机和液压电机独立使用的需求。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明工作在电机驱动模式时的等效电路图。
图3为本发明工作在三相输入充电模式时的等效电路图。
图4为本发明工作在三相输入充电模式时的双向DC/AC变换器直流端电压、动力电池端电压及动力电池充电电流图。
图5为本发明工作在三相输入充电模式时的三相输入电流以及a相电网电压图。
图6为本发明工作在三相输入充电模式时的三相输入电流THD图。
图7为本发明工作在三相输入充电模式时流过第一三相电机定子绕组的电流图。
图8为本发明工作在三相输入充电模式时流过第二三相电机定子绕组的电流图。
图9为本发明工作在三相输入充电模式时第一三相电机的电磁转矩图。
图10为本发明工作在三相输入充电模式时第二三相电机的电磁转矩图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明包括电机两相串联的所有充电实现方式，下文以第一三相电机的第一定子绕组和第二定子绕组串联、第一三相电机的第三定子绕组和第二三相电机的第一定子绕组串联、第二三相电机的第二定子绕组和第三定子绕组串联为例进行说明。
如图1所示，本实施例公开了一种基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，包括动力电池1、双向DC/DC变换器2、第一双向DC/AC变换器3、第二双向DC/AC变换器4、第一三相电机5、第二三相电机6、第一转换触点开关7、第二转换触点开关8、第三转换触点开关9、第一单触点开关10、第二单触点开关11、第三单触点开关12、第四单触点开关13、第五单触点开关14、第六单触点开关15、第七单触点开关16、第八单触点开关17和交流接口18；所述第一双向DC/AC变换器3交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂a11、a12、a13；所述第二双向DC/AC变换器4交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂a21、a22、a23；所述第一三相电机5和第二三相电机6包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关7包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点b11、b12；所述第二转换触点开关8包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点b21、b22；所述第三转换触点开关9包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点b31、b32；所述交流接口18有三个端子，分别为第一、二、三端子c1、c2、c3；所述双向DC/DC变换器2的低压侧正、负极与动力电池1的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器2的高压侧正、负极分别与第一双向DC/AC变换器3和第二双向DC/AC变换器4直流侧的正、负极相连接；所述第一三相电机5的第一定子绕组的两端分别与第三单触点开关12和交流接口18的第一端子c1相连接，所述第一三相电机5的第二定子绕组的两端分别与第一双向DC/AC变换器的第二桥臂a12和第一转换触点开关7的公共触点相连接，所述第一三相电机5的第三定子绕组的两端分别与第五单触点开关14和交流接口18的第二端子c2相连接；第一三相电机5与第三、四、五单触点开关12、13、14相连接的三个端子为一组同名端，第一三相电机5的其余三个端子为另一组同名端；所述第二三相电机6的第一定子绕组与第二双向DC/AC变换器4的第三桥臂a23和第二转换触点开关8的公共触点相连接，所述第二三相电机6的第二定子绕组的两端分别与第七单触点开关16和交流接口18的第三端子c3相连接，所述第二三相电机6的第三定子绕组的两端分别与第二双向DC/AC变换器4的第一桥臂a21和第三转换触点开关9的公共触点相连接；第二三相电机6与第六、七、八单触点开关15、16、17相连接的三个端子为一组同名端，第二三相电机6的其余三个端子为另一组同名端；所述第一转换触点开关7的第一触点b11和第二触点b12分别与第一双向DC/AC变换器3的第一桥臂a11中点和交流接口18的第一端子c1相连接；所述第二转换触点开关8的第一触点b21和第二触点b22分别与第一双向DC/AC变换器3的第三桥臂a13中点和第二单触点开关11相连接；所述第三转换触点开关9的第一触点b31和第二触点b32分别与第二双向DC/AC变换器4的第二桥臂a22中点和交流接口18的第三端子c3相连接；所述第一单触点开关10的两端分别与交流接口18的第一端子c1和第二端子c2相连接；所述第二单触点开关11的两端分别与交流接口18的第三端子c3和第二转换触点开关8的第二触点b22相连接；所述第三单触点开关12的两端分别与第一双向DC/AC变换器3的第一桥臂a11中点和第一三相电机5的第一定子绕组相连接；所述第四单触点开关13的两端分别与第一双向DC/AC变换器3的第二桥臂a12中点和第一双向DC/AC变换器3的第一桥臂a11中点相连接；所述第五单触点开关14的两端分别与第一双向DC/AC变换器3的第三桥臂a13中点和第一三相电机5的第三定子绕组相连接；所述第六单触点开关15的两端分别与第一双向DC/AC变换器3的第三桥臂a13中点和第二双向DC/AC变换器4的第三桥臂a23中点相连接；所述第七单触点开关16的两端分别与第二双向DC/AC变换器4的第二桥臂a22中点和第二三相电机6的第二定子绕组相连接；所述第八单触点开关17的两端分别与第二双向DC/AC变换器4的第二桥臂a22中点和第二三相电机6的第三定子绕组相连接。
上述电路的实现方式：当第一转换触点开关7的第一触点b11断开、第二触点b12闭合，第二转换触点开关8的第一触点b21断开、第二触点b22闭合，第三转换触点开关9的第一触点b31断开、第二触点b32闭合，第一单触点开关10、第二单触点开关11、第三单触点开关12、第五单触点开关14、第七单触点开关16闭合且第四单触点开关13、第六单触点开关15、第八单触点开关17断开时，第一三相电机5和第二三相电机6工作在电机驱动模式，如图2所示，为本发明电路工作在电机驱动模式时的等效电路图；当第一转换触点开关7的第一触点b11闭合、第二触点b12断开，第二转换触点开关8的第一触点b21闭合、第二触点b22断开，第三转换触点开关9的第一触点b31闭合、第二触点b32断开，第一单触点开关10、第二单触点开关11、第三单触点开关12、第五单触点开关14、第七单触点开关16断开且第四单触点开关13、第六单触点开关15、第八单触点开关17闭合时，电路工作在电池充电模式，此时第一三相电机5的第一定子绕组和第二定子绕组串联，第一三相电机5的第三定子绕组和第二三相电机6的第一定子绕组串联，第二三相电机6的第二定子绕组和第三定子绕组串联。
在电池充电模式，当输入源为三相电网，交流接口12的三个端子与三相电网相连接。
优选的，所述第一三相电机5和第二三相电机6为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
下面分析三相输入充电模式的转矩消除原理，其等效电路如图3所示。
三相电网电流为：
iga＝Imcosωt
其中，Im为电网电流幅值，ωt为电网电流相位。
根据电路连接方式，可得第一三相电机5和第二三相电机6的三个定子绕组的电流为：
ia1＝ib1＝Imcosωt
对式进行clark等功率变换，可得：
其中，iα1和iβ1分别是第一三相电机5定子绕组电流的α方向分量和β方向分量，iα2和iβ2分别是第二三相电机6定子绕组电流的α方向分量和β方向分量且
若三相电机为感应电机，由于定子绕组电流在αβ平面的夹角为定值，产生的磁场为脉动磁场，因此转子无法切割磁感线产生电流，也就无法产生转矩。
若三相电机为永磁同步电机，对于第一三相电机5，进行Park变换：
其中θ为转子d轴与定子d轴的夹角。
令Iq＝0，得到
同理，对第二三相电机6进行Park变换可知，当第二三相电机θ为0时，Iq＝0。
以表贴式永磁同步电机为例，其转矩为：
Te＝npψfiq
其中，np为转子极对数，ψf为转子磁链，iq为Park变换后的q轴电流。对于第一三相电机5，当θ为时，Te＝0，没有启动转矩产生；同理，对于第二三相电机6，当θ为0时，Te＝0，没有启动转矩产生。
在MATLAB/Simulink中对三相输入充电模式进行仿真测试，结果如图4～图10所示。设置双向DC/AC变换器的直流端电压为800V，动力电池1的端电压为400V，动力电池1的充电电流为100A，从图4可以看出双向DC/AC变换器的直流端电压Udc稳定在800V，动力电池1的端电压Ub稳定在400V，动力电池1的充电电流Ib稳定在100A，跟踪效果良好；从图5可以看出电路实现了单位功率因数；图6为三相输入电流的THD值，电流畸变小；从图7和图8可以看出第一三相电机5和第二三相电机6的三个定子绕组电流的幅值和相位与理论分析一致；从图9和图10可以看出充电过程中第一三相电机5和第二三相电机6的电磁转矩为0，实现了转矩消除。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化(如改变三相电机或逆变桥臂的相序等)，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，其特征在于：包括动力电池(1)、双向DC/DC变换器(2)、第一双向DC/AC变换器(3)、第二双向DC/AC变换器(4)、第一三相电机(5)、第二三相电机(6)、第一转换触点开关(7)、第二转换触点开关(8)、第三转换触点开关(9)、第一单触点开关(10)、第二单触点开关(11)、第三单触点开关(12)、第四单触点开关(13)、第五单触点开关(14)、第六单触点开关(15)、第七单触点开关(16)、第八单触点开关(17)和交流接口(18)；
所述第一双向DC/AC变换器(3)交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂(a11)、(a12)、(a13)；所述第二双向DC/AC变换器(4)交流侧有三个桥臂，分别为第一、第二、第三桥臂(a21)、(a22)、(a23)；所述第一三相电机(5)和第二三相电机(6)包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关(7)包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点(b11)、(b12)；所述第二转换触点开关(8)包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点(b21)、(b22)；所述第三转换触点开关(9)包含一个公共触点和两个转换触点，该两个转换触点分别为第一、二触点(b31)、(b32)；所述交流接口(18)有三个端子，分别为第一、二、三端子(c1)、(c2)、(c3)；
所述双向DC/DC变换器(2)的低压侧正、负极与动力电池(1)的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器(2)的高压侧正、负极分别与第一双向DC/AC变换器(3)和第二双向DC/AC变换器(4)直流侧的正、负极相连接；
所述第一三相电机(5)的第一定子绕组的两端分别与第三单触点开关(12)和交流接口(18)的第一端子(c1)相连接，所述第一三相电机(5)的第二定子绕组的两端分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第二桥臂(a12)和第一转换触点开关(7)的公共触点相连接，所述第一三相电机(5)的第三定子绕组的两端分别与第五单触点开关(14)和交流接口(18)的第二端子(c2)相连接；所述第一三相电机(5)与第三、四、五单触点开关(12)、(13)、(14)相连接的三个端子为一组同名端，所述第一三相电机(5)的其余三个端子为另一组同名端；
所述第二三相电机(6)的第一定子绕组与第二双向DC/AC变换器(4)的第三桥臂(a23)和第二转换触点开关(8)的公共触点相连接，所述第二三相电机(6)的第二定子绕组的两端分别与第七单触点开关(16)和交流接口(18)的第三端子(c3)相连接，所述第二三相电机(6)的第三定子绕组的两端分别与第二双向DC/AC变换器(4)的第一桥臂(a21)和第三转换触点开关(9)的公共触点相连接；所述第二三相电机(6)与第六、七、八单触点开关(15)、(16)、(17)相连接的三个端子为一组同名端，所述第二三相电机(6)的其余三个端子为另一组同名端；
所述第一转换触点开关(7)的第一触点(b11)和第二触点(b12)分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第一桥臂(a11)中点和交流接口(18)的第一端子(c1)相连接；所述第二转换触点开关(8)的第一触点(b21)和第二触点(b22)分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第三桥臂(a13)中点和第二单触点开关(11)相连接；所述第三转换触点开关(9)的第一触点(b31)和第二触点(b32)分别与第二双向DC/AC变换器(4)的第二桥臂(a22)中点和交流接口(18)的第三端子(c3)相连接；所述第一单触点开关(10)的两端分别与交流接口(18)的第一端子(c1)和第二端子(c2)相连接；所述第二单触点开关(11)的两端分别与交流接口(18)的第三端子(c3)和第二转换触点开关(8)的第二触点(b22)相连接；所述第三单触点开关(12)的两端分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第一桥臂(a11)中点和第一三相电机(5)的第一定子绕组相连接；所述第四单触点开关(13)的两端分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第二桥臂(a12)中点和第一双向DC/AC变换器(3)的第一桥臂(a11)中点相连接；所述第五单触点开关(14)的两端分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第三桥臂(a13)中点和第一三相电机(5)的第三定子绕组相连接；所述第六单触点开关(15)的两端分别与第一双向DC/AC变换器(3)的第三桥臂(a13)中点和第二双向DC/AC变换器(4)的第三桥臂(a23)中点相连接；所述第七单触点开关(16)的两端分别与第二双向DC/AC变换器(4)的第二桥臂(a22)中点和第二三相电机(6)的第二定子绕组相连接；所述第八单触点开关(17)的两端分别与第二双向DC/AC变换器(4)的第二桥臂(a22)中点和第二三相电机(6)的第三定子绕组相连接。
2.根据权利要求1所述的基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，其特征在于，当所述第一转换触点开关(7)的第一触点(b11)断开、第二触点(b12)闭合，所述第二转换触点开关(8)的第一触点(b21)断开、第二触点(b22)闭合，所述第三转换触点开关(9)的第一触点(b31)断开、第二触点(b32)闭合，所述第一单触点开关(10)、第二单触点开关(11)、第三单触点开关(12)、第五单触点开关(14)、第七单触点开关(16)闭合且第四单触点开关(13)、第六单触点开关(15)、第八单触点开关(17)断开时，所述第一三相电机(5)和第二三相电机(6)工作在电机驱动模式；当所述第一转换触点开关(7)的第一触点(b11)闭合、第二触点(b12)断开，所述第二转换触点开关(8)的第一触点(b21)闭合、第二触点(b22)断开，所述第三转换触点开关(9)的第一触点(b31)闭合、第二触点(b32)断开，所述第一单触点开关(10)、第二单触点开关(11)、第三单触点开关(12)、第五单触点开关(14)、第七单触点开关(16)断开且第四单触点开关(13)、第六单触点开关(15)、第八单触点开关(17)闭合时，电路工作在电池充电模式，此时所述第一三相电机(5)的第一定子绕组和第二定子绕组串联，所述第一三相电机(5)的第三定子绕组和第二三相电机(6)的第一定子绕组串联，所述第二三相电机(6)的第二定子绕组和第三定子绕组串联。
3.根据权利要求2所述的基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，其特征在于，在电池充电模式，当输入源为三相电网，所述交流接口(18)的三个端子与三相电网相连接。
4.根据权利要求1所述的基于双三相电机的工程机械驱动与充电一体化电路，其特征在于，所述第一三相电机(5)和第二三相电机(6)为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
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