CN101986798B - 用于对ac电动机进行制动的方法和系统 - Google Patents
用于对ac电动机进行制动的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于对电动机进行制动的系统。该系统包括至少一个电阻器和连接到所述至少一个电阻器和电动机的接触器。所述系统还包括电连接到电动机的变频装置，其中所述变频装置包括操作来连接到所述接触器的控制器，其中所述接触器的至少一部分响应于来自控制器的命令闭合所述至少一个电阻器到所述电动机的连接。变频装置被配置为使得随着电动机转矩电流的减小，可以使电动机通量水平保持在相对高的水平，这导致在电动机速度减小时一致地高的电动机通量水平。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年2月21日提交的美国临时专利申请No.61/030,331和2008年2月21日提交的美国临时专利申请No.61/030,342的优先权。
技术领域
本发明公开一种一般且在各种实施例中涉及用于对AC电动机进行制动的方法和系统的发明。更具体而言，本申请涉及用变频装置对AC电动机进行制动。
背景技术
变频装置通常是用来通过控制传送到电动机的电功率的频率来控制交流(AC)电动机的转速的装置。例如，在Rastogi等人的美国专利No.7,327,111中详细地描述了变频装置和随附的控制电路，该专利的公开内容全部通过引用结合到本文中。
图1示出用于向电动机130提供电功率的示例性变频装置100。变频装置100包括控制电路110和电源电路115。控制电路110接收进入的输入命令105。输入命令105可以是增大或减小电动机130的速度的请求，该请求要求变频装置100调整由电源电路115输出并传送到电动机130的电功率。控制电路110监视来自输出的电功率的电流反馈120和电压反馈125以确定是否应对输出进行任何改变以调整或保持电动机130处的状况。对于同步电动机应用而言，变频装置还可以包括现场电源。控制电路控制电源电路的操作，并且对于同步电动机应用而言，还启用/禁用相关现场电源。电源电路可以包括整流器和逆变器，并向连接到变频装置100的电动机130的绕组提供功率。对于同步电动机应用而言，现场电源向用于电动机场电路的励磁器提供功率。
控制电路110通常包括速度调节器、通量调节器、磁化电流调节器、转矩电流调节器、DQ-3Φ变换器、脉宽调制器、和电动机模型。速度调节器提供转矩电流基准，并且通量调节器提供磁化电流基准。控制电路将磁化电流基准与测量的磁化电流相比较，并且磁化电流调节器确定Q轴电压基准。控制电路还将转矩电流基准与测量的转矩电流相比较，并且转矩电流调节器确定D轴电压基准。可以将附加前馈信号添加到D轴电压基准和Q轴电压基准以提供较高的动态响应。DQ-3Φ变换器将Q轴电压基准和D轴电压基准从二相信息变换成三相值。脉宽调制器将该三相值转换成被发送到电源电路的开关命令。电动机模型通常利用测量的电压和/或电流信号来确定诸如电动机转速、电动机通量、电动机通量角等电动机参数。对于低成本是商业要求的应用而言，电动机模型可以仅利用变频装置输出电流或电动机电流来确定电动机参数。电动机模型还将测量的电流转换成磁化电流分量和转矩电流分量供分别在磁化电流调节器和转矩电流调节器中使用。D轴与定子通量对准。
由控制电路110执行的许多功能是在软件中实现的。该软件被写为使得以两种或更多种不同的速率进行计算以便节省处理器执行时间。通常，脉宽调制器以最快的速率进行操作并通常在硬件中实现。通常以1-10千赫的数据速率执行磁化电流调节器、转矩电流调节器、和DQ-3Φ变换块，以便在负载或输出电路的突变的情况下，在限制变频装置的输出电流时实现控件的快速响应。速度调节器和通量调节器通常以100-1000赫兹的较慢速率进行操作，因为电动机速度和电动机通量均以比磁化电流和转矩电流慢得多的速率改变。还通常以该速率来计算电动机模型。从控制电路到外界的通信通常在1-10赫兹的速率，其中该通信包括(从客户端)到外部装置的通信。
在其中要求电动机的不频繁但快速制动的应用中，可以利用连接到电动机的四分驱动来实现制动。然而，对于某些此类应用而言，与四分驱动相关的相对高的成本使得这种方法不可行。
发明内容
在描述本发明法之前，应理解的是本发明不限于所述的特定系统、方法或协议，因为这些可以改变。还有应理解的是本文所使用的术语仅仅出于描述特定实施例的目的，并不意图限制将仅仅由随附权利要求来限制的本公开的范围。
必须注意的是如本文和随附权利要求所使用的单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数参考，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，对“电动机”的提及指的是一个或多个电动机和本领域的技术人员所已知的其等价物等。除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本领域的普通技术人员一般理解的相同的意义。本文所使用的术语“包括”意指“包括但不限于”。
在一个一般方面，实施例公开一种用于对电动机进行制动的系统。根据各种实施例，所述系统包括至少一个电阻器和连接到所述至少一个电阻器和电动机的接触器。所述系统还包括电连接到电动机的变频装置，其中所述变频装置包括操作来连接到所述接触器的控制器，其中所述接触器的至少一部分响应于来自控制器的命令闭合所述至少一个电阻器到所述电动机的连接。
在另一一般方面，实施例公开一种用于对电动机进行制动的方法。根据各种实施例，该方法包括通过变频装置来检测速度需要的减少的步骤，其中该减少发起电动机的减速。所述方法还可以包括由变频装置发出闭合至少一个接触器的命令并且由电阻器组吸收由电动机生成的减速电流的步骤，其中被闭合的接触器将电阻器组连接到所述电动机。
在另一一般方面，实施例公开一种用于对电动机进行制动的系统。根据各种实施例，所述系统包括具有多个相的电阻器组、连接到所述电阻器组和电动机的接触器，所述接触器具有多个相，其中接触器的每相连接到所述电阻器组的一相。所述系统还包括电连接到电动机的变频装置，其中所述变频装置包括操作来连接到所述接触器的控制器，其中所述接触器的至少一部分响应于来自控制器的命令闭合所述至少一个电阻器到所述电动机的连接。
附图说明
在本文中结合附图以示例的方式描述本发明的各种实施例。
图1示出示例性变频装置。
图2示出用于对AC电动机进行制动的系统的各种实施例。
图3示出图1的变频装置的各种实施例。
图4示出用于对AC电动机进行制动的方法的各种实施例。
图5示出在AC电动机的减速期间生成的示例性波形。
图6示出在对应于图5的减速期间通过其中一个相的电阻器电流的图示。
具体实施方式
图2示出用于对AC电动机210进行制动的系统200的各种实施例。系统200包括变频装置220、电阻器组230和连接到变频装置220的三相接触器240。如上文所讨论的，变频装置220可以被配置为通过控制提供给AC电动机的电功率的频率来控制AC电动机210的旋转。变频装置220可以包括连接到接触器240的控制器250。可以使用装配有如在本文中所讨论的电动机控制算法的任何三相AC驱动作为变频装置220。变频装置220可以以低速增加电动机通量以增加电阻器组230中的耗散的能量，从而允许更快的减速。在各种实施例，三相接触器240可以用来在要求制动时将电阻器组220连接到AC电动机210。可以通过变频装置220来建立对接触器240的控制。
图3示出图2的变频装置220的各种实施例。变频装置220可以包括速度调节器300、通量调节器305、磁化电流调节器310、转矩电流调节器315、DQ-3Φ变换器320、脉宽调制器325和电动机模型330。下面将更详细地描述每个部件。
如所示，变频装置220可以接收通量需要340和速度需要345作为输入。在各种实施例中，通量调节器305补偿通量基准与通量反馈之间的差。可以由通量调节器305对通量需要340和由电动机模型330提供的实际电动机通量360进行比较。基于通量需要340和实际电动机通量360的比较所确定的通量调节器305的输出可以是电动机磁化电流基准350。
在各种实施例中，速度调节器300可以将速度需要345与由电动机模型330提供的电动机转速365相比较并提供电动机转矩电流基准355作为输出。在特定实施例中，在速度需要345小于实际电动机转速365，从而指示对AC电动机210进行制动的期望的情况下，速度调节器300可以输出转矩电流基准355，从而指示可以减少被发送到电动机的电压命令以便促进电动机的制动。
在各种实施例中，电动机模型330使用来自变频装置220输出的电压反馈395和电流反馈397来估计电动机通量360、电动机速度365和电动机通量角370。另外，电动机模型330还可以确定磁化电流375和转矩电流380。电动机模型330可以是具有存储器的处理器，该存储器具有存储的指令集。基于接收到的电压反馈395和电流反馈397，电动机模型可以根据存储的指令来处理反馈信息以创建用于AC电动机210的各方面的估计值，具体而言在本示例中，所述各方面为电动机通量360、电动机速度365、电动机通量角370、磁化电流375、和转矩电流380。
磁化电流调节器310可以将磁化电流基准350与由电动机模型330提供的磁化电流375相比较以产生D轴电压基准390。同样地，转矩电流调节器315可以将转矩电流基准355与由电动机模型330输出的转矩电流380相比较以产生Q轴电压基准385。可以在DQ-3Φ变换器320处将D轴电压基准390和Q轴电压基准385两者变换成单相电压信号。DQ-3Φ变换器320可以是在软件中实现的数学算法，被编程为对电动机通量370、磁化电流375和转矩电流380进行运算，将电流信号分解成与电动机通量(D轴)平行和与电动机通量(Q轴)正交的分量。DQ-3Φ变换器320还可以基于电动机通量角370将单相电压信号变换成三相电压信号。可以使用该三相电压信号作为用于脉宽调制器325的基准以生成用于控制电源电路335中的半导体器件的脉宽调制器电压命令。
应注意的是，可以在操作来连接到存储器的单个处理器上实现变频装置220的部件，该存储器用于存储与对电动机进行制动的方法相关的各种指令。具体而言，变频装置可以接收通量需要340和速度需要345作为输入，如上文所讨论地处理该信息以产生三相电压信号，并基于该信号的值从存储器加载适当指令以用于改变AC电动机210的操作。
图4示出用于对AC电动机进行制动的方法400的各种实施例。可以利用图1中的如上文所讨论的系统200和图2中的已详细讨论的变频装置220来实现方法400。方法400的过程流在响应于用户输入可以减少405速度需要345以发起对AC电动机210的减速请求时开始。在速度需要345减少405时，变频装置220可以检测410速度需要的变化作为电动机速度365和速度调节器300的速度需要的比较的结果。该比较可以得到负转矩电流基准355，指示应从存储器产生或加载适当的指令以发起对AC电动机210进行制动。基于速度需要345和电动机速度365的差的幅度，可以产生将从变频装置220发送到接触器240的命令(例如，脉宽调制调制器325的输出)。
在检测到速度需要345的减少410并产生命令之后，变频装置220向三相接触器240发出415命令以将电阻器组230连接到AC电动机210。应注意的是，可以使用近似平衡的电阻器组230来限制跨越多相的电动机转矩的任何波动。在制动期间可接受高水平的潜在电动机转矩波动的某些应用中，可以闭合三相接触器240的两相，从而仅将电阻器组230的一部分连接到AC电动机210。
由于三相接触器240将电阻器组230连接到AC电动机210，所以变频装置220还可以开始将转矩电流380减小至其反向再生极限。应注意的是，在减小转矩电流380且电动机速度365开始下降之后，变频装置220可以将电动机通量360保持在较高的值，直至电动机转矩达到近似于零。在各种实施例中，如果控制器提供驱动电流的快速调节并在减速过程期间保持电动机通量，可以使用其它二分驱动。
在向接触器240发出415将电阻器组230连接到AC电动机210的命令之后，现在操作来连接到AC电动机的电阻器吸收420由AC电动机产生的任何电流，导致AC电动机的减速。虽然变频装置220可以在小值的再生电流下工作，但电阻器230可能能够吸收大量的反向转矩电流并允许AC电动机210快速地减速。由于变频装置220可以在减速过程期间保持电动机通量360，所以电动机电压可以随着速度线性地减小。
图5示出在AC电动机的减速期间产生的示例性波形，具体而言示出图3中的如上文所讨论的电动机通量360、电动机速度365、磁化电流375和转矩电流380。对于该实施方式，AC电动机是4160V、600hp感应电动机，并使用二分变频装置和三相电阻器组来实现减速。电阻器组的尺寸被确定为在额定电动机电压下用90％的电流(例如，67安培)运行，并且在小于九秒内完成从全速到零的减速。尽管有由于电阻器的连接而引起的阻抗变化和转矩电流380的变化，变频装置能够在减速期间保持稳定运行(如用于电动机通量360的稳定值所指示的)。变频装置还能够在电动机通量365和电动机速度370快速减小的同时充分地限制输出电流而不导致单元中的任何过电压跳闸，如磁化电流375和转矩电流380的相对稳定的值所指示的那样，这指示变频装置不吸收任何比其正常能力更多的功率，并且来自电动机的附加制动功率在电阻器中被耗散。
图6示出在对应于图5的减速期间通过其中一个相的电阻器电流的图示。根据各种实施例，随着电动机减速，电动机端子两端的电压也可能减小，从而减小通过电阻器的电流并减小制动转矩。由于变频装置在减速过程期间连接到电动机，可以控制变频装置随着电动机的速度减小而向该电动机施加额外电压。例如，典型的电动机在额定速度下可以容忍10％以上的电压。如果在额定值以下以全速施加10％以上的电压，则电动机可以提供21％(或1.12＝1.21)以上的制动转矩。在较低速度下，与铜损相比，电动机芯损相对较低。同样地，电动机通量可以增加典型值的10％以上，从而可以产生较高的制动转矩。较高的制动转矩可以导致使电动机停止所需的总时间的显著减少。应注意的是，当在不频繁制动期间使用上述示例时，可以在没有电动机过热的情况下显著地提高用于制动间隔期间的电动机通量。
虽然本文已举例描述了本发明的若干实施例，但本领域的技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实现对所述实施例的各种修改、变更和适应。例如，虽然参照特定次序描述了方法400，但本领域的技术人员应认识到某些步骤可以按照不同次序发生，某些步骤可以与其它步骤同时发生，并且某些步骤可以周期性地或连续地发生。
Claims (16)
1.一种用于对电动机进行制动的系统，包括：
至少一个电阻器(230)；
连接到所述至少一个电阻器和电动机(210)的接触器(240)；以及
电连接到电动机的变频装置(220)，其中所述变频装置包括操作来连接到所述接触器的控制器(250)，其中所述接触器的至少一部分响应于来自控制器的命令闭合所述至少一个电阻器到所述电动机的连接，并且其中变频装置被配置为在电动机速度减小时保持一致地高的电动机通量水平，直至电动机输出为零的电动机转矩水平为止。
2.权利要求1的系统，其中所述变频装置还包括电动机模型(330)，该电动机模型(330)从所述变频装置接收电压反馈(395)和电流反馈(397)，处理该电压反馈和电流反馈，并输出电动机通量(360)、电动机速度(365)、磁化电流(375)、转矩电流和电动机通量角(370)。
3.权利要求2的系统，其中所述变频装置还包括被配置为处理电动机速度并产生基准转矩电流(355)的速度调节器(300)。
4.权利要求3的系统，其中所述变频装置还包括被配置为处理电动机通量并产生基准磁化电流(350)的通量调节器(305)。
5.权利要求4的系统，其中所述变频装置还包括被配置为处理基准转矩电流和转矩电流(380)两者并产生基准Q轴电压(385)的转矩电流调节器(315)以及被配置为处理基准磁化电流和磁化电流(375)两者并产生基准D轴电压(390)的磁化电流调节器(310)。
6.权利要求5的系统，其中所述变频装置还包括被配置为处理基准Q轴电压和基准D轴电压以产生三相电输出的DQ-3Φ变换器(320)，其中DQ-3Φ变换器将Q轴电压基准和D轴电压基准从二相信息变换成三相值。
7.权利要求6的系统，其中所述变频装置还包括被配置为产生脉宽调制电压命令的脉宽调制调制器(325)。
8.权利要求1的系统，其中所述接触器是三相接触器。
9.权利要求8的系统，其中所述至少一个电阻器是三相电阻器组。
10.权利要求9的系统，其中控制器命令指示所述接触器闭合，从而将所述电阻器组连接到所述电动机。
11.一种用于对电动机(210)进行制动的方法，该方法包括：
由变频装置(220)检测速度需要(345)的减少，其中该减少发起电动机的减速；
由变频装置发出闭合至少一个接触器(240)的命令，其中被闭合的接触器将电阻器组(230)连接到所述电动机；
由变频装置发出命令以在电动机速度减小时保持一致地高的电动机通量水平，直至电动机输出的电动机转矩水平为零为止；以及
由所述电阻器组吸收由电动机产生的减速电流。
12.权利要求11的方法，其中所述发出命令包括由所述变频装置发出闭合三相接触器(240)的至少两相的命令，其中所述三相接触器的至少两个闭合的相将电阻器组(230)的至少两相连接到所述电动机。
13.权利要求12的方法，其中由所述变频装置基于所检测的速度需要的减少来进行对闭合所述三相接触器的判断。
14.一种用于对电动机(210)进行制动的系统，该系统包括：
具有多个相的电阻器组(230)；
连接到所述电阻器组和电动机(210)的接触器，所述接触器具有多个相，其中所述接触器的每相被连接到所述电阻器组的一相；以及
电连接到电动机的变频装置(220)，其中所述变频装置包括操作来连接到所述接触器的控制器(250)，其中所述接触器的至少一部分响应于来自控制器的命令闭合所述至少一个电阻器到所述电动机的连接，并且其中变频装置被配置为在电动机速度减小时保持一致地高的电动机通量水平，直至电动机输出为零的电动机转矩水平为止。
15.权利要求14的系统，其中所述接触器是三相接触器。
16.权利要求15的系统，其中所述电阻器组是三相电阻器组。
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