CN101534083A - 电动机系统中的dc母线放电 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动机系统中的DC母线放电，具体而言本发明涉及提供用于使DC母线放电的方法和装置，所述DC母线给逆变器提供功率。电动机系统设置有用于使DC母线放电的改进的放电方法，所述电动机系统包括电动机、给永磁电动机提供电气控制的逆变器、给逆变器提供功率的直流(DC)母线和处理器。处理器产生操作控制信号并且将这些操作控制信号提供给逆变器。响应于检测预定的放电信号，处理器产生用于在电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自DC母线的能量的操作控制信号，被动负载包括电动机的电机绕组。

Description

电动机系统中的DC母线放电
技术领域
[0001]本发明总体上涉及电动机系统，且更具体地涉及用于电动机系统中直流(DC)母线的放电的方法和装置。
背景技术
[0002]电动机系统通常包括电机控制电路，例如逆变器。通过具有连接在DC母线的高电压节点和低电压节点之间的DC母线电容器的直流(DC)母线将功率供应给电机控制电路。当DC母线断电时，存储在DC母线电容器中的能量通常通过将DC母线连接到专用放电电路被放出，所述专用放电电路通常包括用于使DC母线电容器放电的大变阻器或其它耗能设备。仅当希望放电功能时主动连接到DC母线以减少系统功率损耗(即，由耗能设备连续连接到DC母线产生的系统功率损耗)的传统的专用放电电路增加了电机控制电路的大小和成本。
[0003]因此，希望提供应用现有的电路以执行必要的放电功能的DC母线放电方案。另外，希望提供不需要额外信息的可靠的DC母线放电方案。此外，本发明的其它希望的特点和特征将从随后的详细描述和附加的权利要求并结合附图和前述技术领域和背景技术变得显而易见。
发明内容
[0004]电动机系统设置有给逆变器提供功率的DC母线的改进的放电。电动机系统包括电动机、为电动机提供电气控制的逆变器、给逆变器提供功率的直流(DC)母线和处理器。处理器产生操作控制信号并且将这些操作控制信号提供给逆变器。响应于检测到预定的放电信号，处理器产生用于在电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自DC母线的能量的操作控制信号，被动负载包括电动机的电机绕组。
[0005]提供对用于给电动机系统中的电机控制电路提供功率的直流(DC)母线进行放电的方法。所述方法包括步骤：检测预定的放电信号，和响应于检测到预定的放电信号产生用于在电动机系统的电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自DC母线的能量的操作控制信号，其中被动负载包括电动机的电机绕组。所述方法还包括给电机控制电路提供操作控制信号用于通过电机控制电路和电动机的电机绕组使DC母线放电的步骤。
附图说明
[0006]本发明随后将结合下面的附图描述，其中，相同的附图标记标识相同的元件，以及
[0007]图1示出根据本发明实施例的电动机系统的方框图；
[0008]图2示出用于根据本发明实施例的图1的电动机系统的电动机的主动开关向量空间；
[0009]图3示出用于根据本发明实施例的图1的电动机系统的放电操作信号发生器的开关向量方案；
[0010]图4示出根据本发明实施例的图1的电动机系统的放电操作信号发生器的操作的流程图；以及
[0011]图5示出通过根据本发明实施例的图1的电动机系统的放电操作信号发生器使DC母线放电的曲线图。
具体实施方式
[0012]下面的详细描述本质上仅是示范性的并且不是旨在限制本发明或其应用和使用。此外，不是旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容和下面的详细描述中描述的明示或默示的理论所限制。
[0013]参考图1，根据本发明实施例的电动机系统100包括响应于从电机控制电路120(例如逆变器)的信号进行操作的三相电动机110(例如感应式电机或永磁电动机)。为电动机110提供电气控制的逆变器120连接在功率源140的直流(DC)母线线路135之间。逆变器120包括开关122-127并且响应于来自处理器170的操作控制信号操作以给电机110的每一相或电机绕组115提供电压，开关对122/125，123/126和124/127中的每一对形成逆变器120的相脚。除了逆变器120中描述的开关电路外，开关122-127可由晶体管(例如绝缘门双极晶体管(IGBT))替代实施。
[0014]DC母线电容器145连接在DC母线线路135之间用于保护逆变器120和功率源140。解析器160(或者类似的感测设备或虚拟软件等同物)连接到电机110用于测量电机转子位置和检测电机速度。解析器到数字的转换器165将来自解析器160的信号转换为数字信号并且将电机110的转子的角位置和检测的速度的那些数字表示提供给处理器170。
[0015]处理器170包括取决于扭矩的操作信号发生器172，所述取决于扭矩的操作信号发生器172接收角位置和检测的转子速度以及来自电动机110的每一相115的电流信号(Ia，Ib，Ic)的数字表示。取决于扭矩指令的操作信号发生器172响应于扭矩控制信号(扭矩指令T*)修正相电流(Ia，Ib，Ic)以产生用于提供给逆变器120的操作控制信号，该扭矩控制信号接收自更高层的控制器。操作控制信号是用于控制逆变器120的每一周期平均值、输出电压幅值、相位和频率的高频脉冲宽度调制(PWM)信号。通常地，逆变器120的开关122，123，124，125，126，127操作在恒定开关频率处，同时开关占空比调制成以产生期望幅值、相位和频率的三相电压从而提供给电机110的相115。
[0016]根据本发明实施例的处理器170还包括放电操作信号发生器174，所述放电操作信号发生器174用于当DC母线135断电时通过被动负载使DC母线电容器145放电，所述被动负载包括电机110的电机绕组115和逆变器120的能量损耗。响应于接收来自更高水平控制器的预定放电信号，放电操作信号发生器174产生被动负载放电操作控制信号以在电机绕组115中产生纹波电流从而响应于检测到预定放电信号通过被动负载耗散来自DC母线135的能量。被动负载放电操作控制信号从放电操作信号发生器174提供到输出处理机176。
[0017]取决于扭矩指令的操作信号发生器172还提供操作控制信号给输出处理机176。输出处理机通常将来自取决于扭矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号提供给处理器170的输出。响应于接收预定放电信号，放电操作信号发生器174将线路178上的信号提供给输出处理机176以阻止来自取决于扭矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号，并且取代之以将来自放电操作信号发生器174的被动负载放电操作控制信号提供给处理器170的输出。
[0018]通过由放电操作信号发生器174产生的被动负载放电操作控制信号将电动机110的相电流控制到调节的幅值，来自DC母线135的能量被耗散在电动机110的电机绕组115和电机控制电路120的逆变器损耗中。因为电机绕组115中的调节的相电流(即，由放电操作控制信号调节的相电流)的目的是使DC母线135放电，所以电动机110如同其作为被动负载而不在其中产生扭矩一样被控制。在这种方式下，现有的电路(即，处理器170)被应用以执行DC母线135(包括DC母线电容器145)的放电。
[0019]参考图2，根据本发明实施例的电动机110的主动开关向量空间被表述为六边形200，其中以每一周期平均值为基础，通过开关空间向量的组合能够产生落入六边形200边界内的任意参考输出电压向量。8个开关状态向量202，204，206，208，210，212，214和216表示逆变器开关122，123，124，125，126，127的状态的8种可能的组合，其中三个相对中性点的电压之和为零。开关状态向量202，204，206，208，210和212是由六边形200的顶点表示的主动状态，而且开关状态214和216为零状态。在主动状态期间，净电压应用到电机110；在零状态期间，电机110被有效地短路。调节主动状态和零状态的占空比能够将希望的输出电压应用到负载。
[0020]根据本发明实施例，当检测到预定放电信号时，放电操作信号发生器174应用基于纹波电流的放电方法用于将DC母线135放电。放电操作信号发生器174将纹波电流引入到逆变器120中以借助于对电压向量对202/208，204/210，206/212，214/216的操作通过电机110的电机绕组115使DC母线135放电。
[0021]通过响应于向量对202/208，204/210，206/212，214/216产生放电操作控制信号，放电操作信号发生器174将纹波电流有益地引入到逆变器中以使DC母线135放电，而不需要有关电机110的负载的转子位置的任何信息(即，不需要感测电流Ia，Ib，Ic或来自解析器到数字的转换器165的信号的任何信息(例如θr或ωr))。
[0022]图3示出根据本发明实施例的用于由放电操作信号发生器174产生的放电操作控制信号的开关向量方案300。如上所述，调节主动状态和零状态的占空比能够将希望的输出电压应用到被动负载(即，电机110)。适当的开关序列将从主动开关向量的组合生成零向量。例如，使用具有相同占空比的向量V1202和向量V4208的序列在电机110中生成纹波电流的同时在开关周期上将生成零平均值电压，因为应用到电机110的电压在瞬时基础上不为零。对于永磁电机110来说，根据本发明实施例通过产生具有预定开关序列和预定占空比的放电操作控制信号引入纹波电流很好地工作在零速度和低速；对于感应电机110来说，通过产生这样的放电操作控制信号引入纹波电流工作在感应电机110的整个速度范围。
[0023]开关向量方案300是示范性方案，其应用开关序列302，304，306以从主动开关向量V1 202，V2 204，V3 206，V4 208，V5 210，V6 212的组合202/208，210/204，206/212生成零向量从而在电机110中引入纹波电流。当使用开关向量方案300产生放电操作控制信号时没有平均扭矩由电机110产生。电机110中的不产生扭矩的纹波电流在电机绕组115中和在逆变器120中产生系统损耗，该系统损耗使得DC母线电容器145能够放电而不需要阻抗元件。
[0024]因此，开关向量方案300具有包括预定的开关序列302，304，306的预定的占空比。6个主动开关向量V1 202，V2 204，V3 206，V4208，V5 210，V6 212被分为每对2个主动开关向量的3个向量对202/208，210/204，206/212，其中，所述3个向量对中的每一个向量对的2个主动开关向量在预定的开关序列302，304，306中的每一个中相加为零。开关序列302，304和306可以以任意顺序或者其组合被应用。
[0025]由开关向量方案300产生的纹波电流的幅值取决于占空比302，304，306的频率以及在纹波频率处DC母线135的电压和电动机110的电感。电动机110的电感通常在高频时非常小，因此可以使用在10和12千赫(10kHz和12kHz)之间的激励频率(即，预定的占空比频率)。
[0026]参考图4，描述了根据本发明实施例的电动机系统100的放电操作信号发生器174的操作的流程图400。如上讨论的，当来自更高水平控制器的预定的放电信号被检测到402时，响应于向量对202/208，204/210，206/212，214/216放电操作信号被产生404以将纹波电流引入到电机绕组115中。因此，在由更高水平的控制器启动的关闭序列期间，放电操作信号发生器174应用纹波电流以使DC母线135主动放电，所述较高水平的控制器将预定的放电信号提供给放电操作信号发生器174。
[0027]放电操作信号和线路178上的信号408一起被提供406给输出处理机176以给输出处理机176发信号从而阻止来自取决于扭矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号流，并且取代之以将来自放电操作信号发生器174的放电操作信号提供给处理器170的输出。在步骤408处在提供给输出处理机的信号的控制下连续提供来自处理器170输出的放电操作信号，直到放电操作信号发生器174不再检测到402预定的放电信号为止。当不再检测到402预定的放电信号时，放电操作信号发生器174停止410提供线路178上的信号给输出处理机，因此允许处理器170在处理器170的输出处提供来自取决于扭矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号。
[0028]参考图5，根据本发明实施例的通过放电操作信号发生器174对DC母线135放电的曲线图500示出了在电机110(例如内部永磁电机)低速时的放电时间502。所测量的放电时间大约是45毫秒(45ms)，放电时间稍微比大多数主动放电方法慢，所述主动放电方法例如为使带有专用电路(包括相当大的电阻器和其它阻抗元件)的DC母线135放电。然而，虽然提供了可能比典型主动放电方法慢的放电方案，但是根据本发明实施例的放电方法的实施有益地提供了用于使DC母线135放电的设备，而不需要单独的放电电路、不需要单独的阻抗元件以及不需要了解解析器160的位置或速度信息或电机110的相电流。
[0029]虽然在前面的详细描述中描述了至少一个示范性实施例，但是应当知道存在大量的变形。还应当知道一个示范性实施例或多个示范性实施例仅仅是例子，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供方便的指引以实施一个示范性实施例或多个示范性实施例。应当理解在不偏离由附加的权利要求及其合法等同方案阐明的本发明的范围下可以做出元件的功能和布置的各种变化。

Claims (20)

1.一种用于对给电动机系统中的电机控制电路提供功率的直流(DC)母线放电的方法，所述方法包括下述步骤：
检测预定的放电信号；
响应于检测到所述预定的放电信号而产生用于在电动机系统的电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自DC母线的能量的操作控制信号，其中所述被动负载包括电动机的电机绕组；以及
给电机控制电路提供所述操作控制信号用于通过电机控制电路和电动机的电机绕组使DC母线放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，产生用于产生所述纹波电流的操作控制信号的步骤包括产生具有预定的开关序列和预定的占空比的操作控制信号的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定的占空比包括具有大于10千赫的频率的占空比。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定的占空比包括具有大于10千赫且小于12千赫的频率的占空比。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定的开关序列包括用于切换电动机的主动开关向量的一系列预定的信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，用于切换电动机的主动开关向量的所述一系列预定的信号包括这样的信号，所述信号在所述一系列预定的信号中的任一点处以预定的方式切换两个或更多个主动开关向量的信号使得在所述一系列预定的信号中的所述点处所述主动开关向量相加为零。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述主动开关向量包括六个主动开关向量，所述六个主动开关向量包括每对两个主动开关向量的三个向量对，所述三个向量对中的每一个向量对的两个主动开关向量相加为零，并且其中用于切换主动开关向量的所述一系列预定的信号包括这样的信号，所述信号在所述一系列预定的信号的任一点处以预定的方式切换所述三个向量对中的其中一个向量对的所述两个主动开关向量以相加为零。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述操作控制信号的步骤包括响应于电动机的电压向量对产生用于产生纹波电流的操作控制信号的步骤。
9.一种用于为电动机系统中的电机控制电路提供操作信号的处理器，所述电机控制电路从直流母线接收功率，所述处理器包括：
第一操作信号发生器，所述第一操作信号发生器用于接收扭矩指令并且响应于扭矩指令产生第一操作控制信号；
第二操作信号发生器，所述第二操作信号发生器响应于检测到预定的放电信号产生用于在电动机系统的电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自直流母线的能量的第二操作控制信号，所述被动负载包括电动机的电机绕组；以及
连接到所述第一和第二操作信号发生器的输出处理机，所述输出处理机响应于未接收第二操作控制信号而提供第一操作控制信号给所述处理器的输出并且响应于接收第二操作控制信号而提供第二操作控制信号给所述处理器的输出。
10.根据权利要求9所述的处理器，其中，第二操作控制信号发生器产生具有预定的开关序列和预定的占空比的第二操作控制信号。
11.根据权利要求10所述的处理器，其中，所述预定的占空比包括具有大于10千赫的频率的占空比。
12.根据权利要求10所述的处理器，其中，所述预定的开关序列包括用于切换电动机的主动开关向量的一系列预定的信号。
13.根据权利要求9所述的处理器，其中，第二操作信号发生器响应于电动机的电压向量对产生用于在电动机的电机绕组中产生纹波电流的第二操作控制信号。
14.一种电动机系统，所述电动机系统包括：
电动机；
逆变器，所述逆变器连接到所述电动机并且为所述电动机提供电气控制；
直流母线，所述直流母线连接到逆变器用于为所述逆变器提供功率；以及
处理器，所述处理器连接到所述逆变器用于产生操作控制信号并且给所述逆变器提供这些操作控制信号，其中，所述处理器响应于检测到预定的放电信号产生用于在电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自直流母线的能量的操作控制信号，其中所述被动负载包括电动机的电机绕组。
15.根据权利要求14所述的电动机系统，其中，所述处理器产生第一操作控制信号和第二操作控制信号，所述第一操作控制信号响应于接收到的扭矩指令产生并且包括用于提供给控制电动机的所述逆变器的相电流，所述第二操作控制信号响应于检测到预定的放电信号产生并且包括用于在电动机的电机绕组中产生纹波电流从而通过被动负载耗散来自直流母线的能量的操作控制信号。
16.根据权利要求15所述的电动机系统，其中，所述处理器产生具有预定的开关序列和预定的占空比的所述第二操作控制信号。
17.根据权利要求16所述的电动机系统，其中，所述预定的占空比包括具有大于10千赫的频率的占空比。
18.根据权利要求16所述的电动机系统，其中，所述预定的开关序列包括用于切换电动机的主动开关向量的一系列预定的信号。
19.根据权利要求14所述的电动机系统，其中，所述电动机是交流同步电动机。
20.根据权利要求14所述的电动机系统，其中，所述逆变器包括多个绝缘门双极晶体管，所述绝缘门双极晶体管具有连接到处理器以从所述处理器接收所述操作控制信号的门，所述多个绝缘门双极晶体管控制所述电动机的操作。
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