CN103620947B - 开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有多个线圈绕组的电动机或发电机的开关装置，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，开关装置包括配置成耦合至各自的多个线圈绕组的整流器，其中，所述整流器被配置成整流在各自的线圈绕组中流动的交流电且将已整流的AC电流提供至DC输出；以及耦合至整流器DC输出两端的开关，其中所述开关是可操作的以使多个线圈绕组电气地隔离。

Description

开关装置
技术领域
本发明涉及一种开关装置，特别是布置成充当用于电动机或发电机的星形点断开的开关装置。
背景技术
感应电动机和永磁同步电动机通过产生旋转磁场运行，旋转磁场通常通过流经安装在定子上的线圈绕组的电流形成。线圈绕组通常形成一组围绕耦合在一起的定子分布的相绕组。对于三相电动机或发电机，三组相绕组以星形或三角形结构连接在一起。
例如，图1中示出了具有六组相绕组的六相电动机或发电机以星形结构连接，其中每个绕组的一端连接在被称为星形点100的共同点上。
在电动机或发电机运行期间，在每组相绕组两端施加或产生不同电压相位。因此，对于n相电动机或发电机，n相电压被施加在电动机或发电机的各自的相绕组的两端。
包括多个开关的逆变器通常用于操作只有DC电压源可用的n相电动机或发电机。图2示出了耦合到三相电动机210的典型的三相逆变器200，该三相逆变器200具有6个开关Q1至Q6和相应的反向并联二极管D1至D6。逆变器开关通常通过脉冲宽度调制或空间矢量控制来控制以产生比各逆变器开关的开关频率低得多频率的基本AC输出电压。用于操作逆变器开关的控制系统通常基于微处理器但也可以由其他设备实现，例如专用集成电路(ICs)、可编程的逻辑ICs、模拟和数字信号处理电路或这些设备的组合。
然而，如果导致短路发生的故障出现在一个或多个逆变器开关中，电流会经由电动机或发电机的线圈绕组、故障开关和与一些其他的开关相关的反向并联二极管循环。即使在所有剩下的工作中的逆变器开关被关断(即开路或不导电)时也是如此。
图3示出了一个短路情况的例子，其中短路发生在具有6个开关的三相逆变器300的一个桥臂上的其中一个逆变器开关Q5上。如图3所示，即使所有剩下的开关Q1-Q4和Q6都断开，仍然通过开关Q5、D1和D3发生环流，其中D1和D3是分别地与开关Q1和Q3相关的反向并联二极管。
由于不需要的环流由电动机/发电机210内部产生的EMF确定，并且仅受电动机/发电机和相关的逆变器的电路阻抗限制，该不需要的电流会具有异常高的幅值。因此，环流可以导致由电动机/发电机产生的高扭矩。在没有控制激励的电动机/发电机中尤其是这样，例如具有自激励的转子的永磁电机或同步电机。
下面是导致不需要的环流的逆变器开关故障可能产生不良操作后果的情况的例子。
在可以由其他能量或电源驱动的电动机/发电机的驱动系统中，例如在电动汽车或风力涡轮机中的电动机/发电机，环流可能导致线圈绕组过热，并且最终由于烧坏线圈绕组使电动机/发电机的故障。
在具有用作牵引电动机的单个电动机的电动汽车中，不需要的环流可以导致由牵引电动机产生的高的制动扭矩。这种制动扭矩可以导致汽车在毫无警告的情况下迅速地减速。在具有多个独立驱动电动机的汽车中，例如轮毂电动机，一个车轮电动机的逆变器的故障可以导致制动扭矩施加到该车轮，这可能导致该汽车方向的偏差。
需要改善这种情况。
发明内容
根据本发明的一方面，提供用于控制具有多个线圈绕组的电动机或发电机的控制装置，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，所述控制装置包括：
耦合至DC母线的逆变器，其中该逆变器包括配置成产生多个不同的电压相位的多个开关；
开关装置，该开关装置包括配置成耦合至相应的多个线圈绕组的整流器；其中，所述整流器被配置成整流在相应的线圈绕组中流动的交流电且将整流后的AC电流提供至DC输出；耦合至DC输出两端的第一开关，以及耦合至所述DC输出两端与所述第一开关并联的电压箝位装置，其中所述电压箝位装置被配置为将所述第一开关两端电压箝位至比所述DC母线电压更高的值，其中所述第一开关可操作地使所述多个线圈绕组彼此电气地隔离；以及
控制器，该控制器被配置成在逆变器开关故障或在检测到所述逆变器或所述第一开关中比预定的阈值大的电流时操作所述第一开关以电气地隔离所述多个线圈绕组。
在根据本发明的实施例中，所述电压箝位装置可以是变阻器、齐纳二极管、电容、缓冲电路或主动受控装置。
在根据本发明的实施例中，所述电压箝位装置可以具有比耦合至所述逆变器的DC母线电压大的箝位电压。
在根据本发明的实施例中，所述控制装置还可包括测定所述多个线圈绕组中电流的装置和/或电动机或发电机中温度的装置和/或由电动机或发电机产生的扭矩的装置，以及基于预定的电流和/或温度和/或扭矩值识别逆变器开关的故障的装置。
在根据本发明的实施例中，所述控制器可被配置成如果逆变器没有产生AC电压，则操作所述第一开关以电气地隔离所述多个线圈绕组。
在根据本发明的实施例中，所述逆变器和开关装置在相同的电源模块上形成以用于操作电动机或发电机。
根据本发明的又一方面，提供了一种包括上述控制装置的电动机或发电机。
在根据本发明的实施例中，该电动机或发电机有多个副电动机，其中每个副电动机具有多个线圈绕组，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，其中每个副电动机具有耦合至各自的副电动机以控制各自的副电动机的操作的上述控制装置。
其优点在于允许单个开关被用于在电动机/发电机的线圈绕组的星形点连接处导致发生开路情况，从而基于开关短路故障阻止在逆变器发生环流。
通过对流进电动机/发电机相绕组的星形点连接的AC电流进行整流，单个开关可以用于非常迅速地在电动机/发电机的线圈绕组中中断电流，从而去除由电机产生的所有扭矩。
附图说明
现在将参考附图通过示例来描述本发明，其中：
图1示出了用于六相电动机或发电机的线圈绕组的星形连接；
图2示出了耦合到三相电动机或发电机的逆变器；
图3示出了耦合到三相电动机或发电机的具有短路情况的逆变器；
图4示出了根据本发明实施例的开关装置；
图5示出了根据本发明实施例的耦合到三相电动机或发电机的开关装置；
图6示出了与根据本发明的实施例的开关装置相关的电流和电压曲线；
图7示出了根据本发明实施例的耦合到三相电动机或发电机的控制系统；
图8示出了具有根据本发明实施例的开关装置的轮毂电动机。
具体实施方式
为了本实施例的目的，对在提及电动机时还意味着包括对发电机的提及。
具有星形连接的相绕组的电动机通常以绕组的端部的永久性连接为特征以形成通常所谓的星形点连接。这种连接通常在电动机内部或在位于电动机的外部的接线盒处形成。
下面描述的开关装置的实施例使得相绕组的这种星形点连接由通过单个开关实现并且通过相同的单个开关断开。
图4示出了根据本发明的实施例的开关装置400。开关装置400被配置为用于n相电动机的单个开关星形点断开电路。电动机可以由包括逆变器的任何AC电源驱动。开关装置包括具有n个二极管桥臂410的n相桥式整流器，在n个二极管桥臂410的每个桥臂中包括2个二极管420以在桥式整流器中总共提供2n个二极管。n相电动机的每相绕组连接到整流器的相应的桥臂，如图5所示，这里n等于3并且Da-Df是桥式整流器二极管。
跨接n相桥式整流器的dc输出连接开关QA。优选地，开关是半导体开关，例如IGBT或MOSFET器件。然而，可以使用能够承载和切断DC电流的其他形式的开关，例如机械开关。为了本实施例的目的，开关QA是IGBT开关。优选地，半导体开关包括反向并联二极管DA以保护IGBT开关不受在星形点断开电路中可能以高速发生的负电压瞬态。
开关QA在开路即断开状态和闭路即导通状态之间是可切换的。在闭路状态下，开关被配置成具有低电阻，从而导致开关两端的电压降相当地低并且允许电流相对畅通地流经开关。在开路状态下，开关被配置成提供开关两端的电气隔离。典型地，在开路位置开关具有大于100k欧姆的有效电阻。然而，在开路状态开关可以具有导致有效地提供开关QA两端的电气隔离的任意电阻。
优选地，电压箝位装置430(例如变阻器、齐纳二极管、电容器、缓冲电路或它们的组合)也连接在整流器DC输出两端与开关QA并联。电压箝位装置430的目的是当电流通过星形点断开操作(即开关装置)被切断时，吸收在电动机线圈绕组中的能量，当开关QA断开时，将开关QA电压箝位至最大值以阻止开关电压上升到比开关QA的额定值大的值；将开关QA两端电压箝位至比逆变器的DC母线电压更高的值以将相电流强制为零。可选地，半导体开关可以被主动地控制以将箝位电压限制到高于逆变器DC母线电压的电平。
作为开关装置，桥式整流器用于只允许DC电流通过开关QA，这允许单个开关在电动机发生故障的情况下被用来隔离电动机中电流。
优选地，开关QA是固态装置，它通常比使用继电器、接触器或断路器更快、更可靠以打开电动机的星形点。在机器的正常操作中开关QA持续地导通，因此它没有开关损耗。
现在将描述开关装置400的操作。
为了创建用于如图5所示三相电动机500的线圈绕组的电气星形点，其中线圈绕组已经连接到如上所述的整流器，开关QA关闭以造成整流器的DC输出的两端短路。这导致线圈绕组以星形结构电气地耦合。由此产生的流经线圈绕组的三相AC电流通过整流器整流，整流后的AC电流(即DC电流)流经开关QA。
由于开关装置400两端的电压降相比于系统电压相当地低，这对电动机500的操作几乎没有影响。
在电动机通过逆变器提供有AC电压的结构中，例如如图2所示，并且逆变器开关的其中一个发生短路，控制器被配置成将开关QA切换到断开状态(即，使开关QA处于开路)，这导致开路相绕组的星形点连接和断开流经电动机线圈绕组的电流。
当持续短路情况，开关QA可以保持开路或断开状态。
电压箝位装置430连接到整流器的DC输出两端与开关QA并联，当开关QA断开时，开关QA两端电压将上升到由电压箝位装置430限定的电平。
优选地，电压箝位装置430将具有比逆变器的DC母线电压高的箝位电压。一旦开关QA被打开，电动机线圈绕组中的能量通过电压箝位装置430被吸收并且电动机相电流被迫快速降低到零。使用变阻器作为电压箝位装置通常将导致开关装置400能够在小于100微秒内断开电动机相电流。
图6示出了用于耦合到开关装置400的三相电动机的电流和电压曲线的例子，其中开关装置400是根据本发明的实施例。图6中的电流和电压曲线示出了一个例子，其中基于在逆变器的一个开关中在之前发生的短路情况，在时刻10.00毫秒使开关QA处于开路。
曲线A对应三相电动机的线圈绕组中的电流，曲线B对应已整流的DC电流，曲线C对应开关QA两端电压。
虽然本实施例示出了耦合至如上所述的三相电动机500的开关装置400，开关装置可以被设计成连接至n相电动机，其中n是大于2的任意值。
如图4或5所示，对于具有n组线圈绕组的n相电动机，各组相绕组耦合至各自的整流桥臂。根据上述实施例，单个开关耦合至整流器的DC输出的两端。
图7示出了根据本发明的实施例的控制装置，其中开关装置400和逆变器300的操作通过控制系统710控制，其中控制装置包括控制系统710、逆变器300和开关装置400。
例如，当正常的逆变器的一部分关闭或如果逆变器开关故障被识别，控制系统710可以被配置成当主逆变器开关断开时同时断开开关QA(即，使开关QA处于开路/不导电)。这样避免了从逆变器开关短路中感测环流的需要。
可选地，控制系统710可以配置成在逆变器700已断开后在线圈绕组中检测到电流流动时，或当检测到大于正常预期的电流值时断开开关QA。可以通过电流互感器、电流感应电阻器、或在逆变器或单个开关星形点断开中的装置电压降来检测这些电流。
开关装置400也可以通过感测电动机的线圈绕组的温度而被激活，如果绕组的温度超过正常操作参数则断开开关QA。
开关装置400也可以通过测定由电动机产生的扭矩而被激活，如果产生的扭矩超过正常操作参数则断开开关QA。
优选地，控制系统710由辅助电源供电，辅助电源也对开关QA的控制或驱动电路供电，使得移除辅助电源将关闭开关QA且开路电动机线圈绕组的星形点连接。这代表安全操作模式，如果逆变器控制系统710断电，星形点将被有效地断开，所以没有电流能够流进电动机500。
断开开关QA将阻止能量从系统中移除、进入或通过耦合到逆变器300的DC母线，并因此由于在线圈绕组中将不会有电流，电动机500将惯性运动而不施加任何反扭矩。这是当在逆变器关闭或逆变器故障情况下采用星形点断开的固有的安全特征，逆变器连接的电动机或驱动系统的动能都不能通过绕组中的电流移除，否则的话绕组中的电流将产生制动扭矩。
控制系统710、逆变器300和开关装置400可以位于电动机内部，这将避免将电动机线圈绕组放在电动机500的外部的需要。
可选地，电动机可以仅仅包括具有其自己的控制系统的开关装置400，并且逆变器300被固定在具有它自己独立的控制系统的电动机500的外部。例如，图8示出了包括连接到相绕组的开关装置400的轮毂电动机。控制系统可以自动操作，并且可选地从电动机500接收它的电源。
其中电动机具有多个副电动机，每个副电动机的电压通过它自己的逆变器300控制，单独的开关装置400可以与各自的逆变器300相关。
开关装置400可以通过任何合适的电源供电，例如主电压源、本地电源和/或电动机本身。
如上所述的开关装置400的使用可以被用于阻止电压出现在作为驱动连接至电动机500的逆变器300的DC母线上，例如当电动机产生反电动势(EMF)且逆变器断开时会发生。
通过允许开关装置400阻止线圈绕组周围不需要的电流，这允许防止不需要的扭矩。
开关装置400允许安全关闭电动机。
可选地，开关装置400被配置成在移除电源时处于开路。因此，如果没有电源应用于控制开关装置400的系统，则开关处于开路，也就是说，在没有施加电能的情况下开关断开。

Claims (10)

1.一种用于控制具有多个线圈绕组的电动机或发电机的控制装置，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，所述控制装置包括：
耦合至DC母线的逆变器，其中该逆变器包括配置成产生多个不同的电压相位的多个开关；
开关装置，该开关装置包括配置成耦合至相应的多个线圈绕组的整流器；其中，所述整流器被配置成整流在相应的线圈绕组中流动的交流电且将整流后的AC电流提供至DC输出；耦合至DC输出两端的第一开关，以及耦合至所述DC输出两端与所述第一开关并联的电压箝位装置，其中所述电压箝位装置被配置为将所述第一开关两端电压箝位至比所述DC母线电压更高的值，其中所述第一开关可操作地使所述多个线圈绕组彼此电气地隔离；以及
控制器，该控制器被配置成在逆变器开关故障或在检测到所述逆变器或所述第一开关中比预定的阈值大的电流时操作所述第一开关以电气地隔离所述多个线圈绕组。
2.根据权利要求1的控制装置，其中所述电压箝位装置是变阻器、齐纳二极管、电容、缓冲电路或主动受控装置。
3.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述电压箝位装置具有比耦合至所述逆变器的DC母线电压大的箝位电压。
4.根据权利要求1或2的控制装置，还包括测定所述多个线圈绕组中电流的装置和/或电动机或发电机中温度的装置和/或由电动机或发电机产生的扭矩的装置，以及基于预定的电流和/或温度和/或扭矩值识别逆变器开关的故障的装置。
5.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述控制器被配置成如果逆变器没有产生AC电压，则操作所述第一开关以电气地隔离所述多个线圈绕组。
6.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述逆变器和开关装置在相同的电源模块上形成以用于操作电动机或发电机。
7.一种包括根据权利要求1-6中任一项的控制装置的电动机。
8.一种包括根据权利要求1-6中任一项的控制装置的发电机。
9.根据权利要求7的电动机，具有多个副电动机，其中每个副电动机具有多个线圈绕组，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，其中每个副电动机具有根据权利要求1至6中任一项的耦合至各自的副电动机以控制各自的副电动机的操作的控制装置。
10.根据权利要求8的发电机，具有多个副电动机，其中每个副电动机具有多个线圈绕组，在所述电动机或发电机操作期间所述多个线圈绕组电气地耦合形成星形点连接并且被配置成具有施加到各自的线圈绕组两端的不同的电压相位，其中每个副电动机具有根据权利要求1至6中任一项的耦合至各自的副电动机以控制各自的副电动机的操作的控制装置。
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