CN104779843A - 一种可控制动单元、制动系统及制动方法 - Google Patents

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吴志猛
文熙凯
周党生
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Abstract

一种可控制动单元、制动系统及制动方法，可控制动单元包括一个连接设备直流母线正负极的制动单元和一个控制器，控制器包括控制信号输入端、功率半导体器件驱动信号输出端和制动单元工作状态反馈信号端，并通过其驱动信号输出端与制动单元驱动端连接实现驱动控制；制动系统包括一个主可控制动单元和至少一个从可控制动单元，主单元为A型或C型控制器，从单元为A型或B型控制器，主、从单元的制动单元分别连接直流母线正负极，主单元控制从单元同步动作；制动方法包括步骤：控制制动单元成可控制动单元、设置一主单元和至少一从单元；使主单元控制从单元同步动作。本发明克服制动单元分散性问题，实现并联制动单元同步动作，降低制动单元故障率。

Description

一种可控制动单元、制动系统及制动方法
技术领域
本发明涉及一种用于对变流器、变频器等大功率设备电机进行快速制动的可控制动单元，还涉及由该多个可控制动单元构成的制动系统和使用该制动系统对大功率设备电机进行快速制动的方法。
背景技术
制动单元是实现变流器或者变频器等大功率设备中电机快速制动或位移负载可靠运行的重要部件。当变频器减速停机时，其电机处于发电状态，使系统速度下降时间缩短，能量回馈加快，变频器的直流母线电压快速上升，如果不将回馈的能量快速消耗掉，则可能引起直流母线过压等故障。制动单元的主要功能就是将该回馈能量快速转换为热能消耗掉。
对于大型传动等应用场合，由于电机的回馈能量大，通常采用多个制动单元并联使用的方式，如图1所示。制动单元的控制一般采用变频器触发控制或者各制动单元根据公共母线的电压本地独立控制的方式，在很多应用场合，要求制动单元工作于第二种控制方式。但是，由于各制动单元触发点电压客观上存在差异，可能导致某个触发点电压低的制动单元先动作，当该制动单元峰值制动功率大于或者等于负载的回馈功率时，公共母线电压下降，或者不再上升，从而公共母线上的其他制动单元不会动作。由于该动作的制动单元承担的回馈功率不可持续，最终可能会因为持续制动时间过长而发生过温故障。此后第二个制动单元再独立投入运行，甚至也发生过温故障。如此运行下去，将可能导致所有制动单元因过温故障而损坏。
例如，设制动单元的设计规格为50kW持续功率，250kW峰值功率(15s/每90s)。若用户负载的恶劣回馈工况为(1)45kW持续，则可选择1个制动单元；(2)200kW峰值(10s/1min)，则可选择1个制动单元；(3)90kW长期(1min/5min)，则可选择2个制动单元并联。
对第(3)种情况，若2个制动单元并联时，假设由于参数差异第一个制动单元触发点电压为670V，第二个制动单元触发点电压为675V。电机能量回馈制动单元动作时，第一个制动单元会先动作。第一个制动单元动作后，因其峰值功率(250kW)大于负载的回馈功率(90kW)，公共母线电压会下降或者不再上升，这样，第二个制动单元不会动作。如果制动能量持续时间比较久，可能会造成第一个制动单元最终因持续时间过长而发生过温故障，第一个制动单元退出运行；此后第二个回馈单元再单独投入运行，也有可能会发生过温故障。
因此，在现有并联的各个制动单元根据公共母线独立控制的方式下，制动单元的并联运行并不能达到并联的目的，并不能提高制动单元的峰值制动和持续制动功率，可能会导致制动单元的频繁过温保护，增加单个制动单元的应力，引起单个制动单元的故障率提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种可控制动单元，克服现有制动单元并联使用时在本地独立控制模式下可能发生过温故障的缺陷。
本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种制动系统，采用可控制动单元，克服现有制动单元并联使用时在本地独立控制模式下可能发生过温故障的缺陷。
本发明要解决的技术问题之三在于，提供一种制动方法，克服现有制动单元并联使用时在本地独立控制模式下可能发生过温故障的缺陷。
本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种可控制动单元，包括一个两端分别连接设备直流母线正负极的制动单元，其特征在于，还包括一个控制器，该控制器包括控制信号输入端、可控型功率半导体器件驱动信号输出端和制动单元工作状态反馈信号端；该控制器通过其IGBT驱动信号输出端与该制动单元驱动端连接实现对该制动单元的驱动控制。
在本发明的可控制动单元中，所述控制器为A型控制器，该A型控制器包括控制模式选择电路、逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路、外部触发控制电路和本地控制电路；
所述控制信号输入端包括外部触发控制信号输入端和母线电压信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出IGBT驱动信号；
该控制模式选择电路为跳线、拨码开关或逻辑选择电路；该控制模式选择电路与该逻辑控制电路连接，实现外部触发控制模式和本地控制模式的选择；
该外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与该逻辑控制电路连接；
该本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，该直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。
在本发明的可控制动单元中，所述控制器为B型控制器，该B型控制器包括逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路和外部触发控制电路；
所述控制信号输入端为外部触发控制信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出可控型功率半导体器件驱动信号；
该外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与该逻辑控制电路连接。
在本发明的可控制动单元中，所述控制器为C型控制器，该C型控制器包括逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路和本地控制电路；
所述控制信号输入端为母线电压信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出可控型功率半导体器件驱动信号；
该本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，该直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。
本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：构造一种制动系统，其特征在于，包括一个主可控制动单元和至少一个从可控制动单元，该主可控制动单元为所述A型控制器或C型控制器，所述从可控制动单元为所述A型控制器或B型控制器；
所述主可控制动单元和从可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极；
所述主可控制动单元控制所述从可控制动单元同步动作。
在本发明的制动系统中，所述主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端分别连接各所述从可控制动单元的外部触发控制信号输入端。
在本发明的制动系统中，所述主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端连接第一所述从可控制动单元的外部触发控制信号输入端，该第一所述从可控制动单元与其他从可控制动单元按如下方式依次连接：前一所述从可控制动单元的制动单元的工作状态反馈信号端连接后所述从可控制动单元的制动单元的外部触发控制信号输入端。
本发明解决其技术问题之三所采用的技术方案是：提供一种制动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制制动单元按照控制触发条件动作成为可控制动单元，各可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极；
S2、设置一个可控制动单元为主可控制动单元，设置至少一个可控制动单元为从可控制动单元；
S3、使主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作。
在本发明的制动方法中，主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作如下实现：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为其他各从可控制动单元的输入控制信号。
在本发明的制动方法中，主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作如下实现：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为第一个从可控制动单元的输入控制信号，该第一个从可控制动单元作为前一个从可控制动单元将其制动单元工作状态反馈信号作为后一个从可控制动单元的输入控制信号，以此类推。
实施本发明的可控制动单元、制动系统及制动方法，与现有技术比较，其有益效果是：克服了由于制动单元参数差异带来的触发控制分散性问题，可以实现本地独立控制模式下并联的制动单元同步动作，提升制动单元的峰值制动和持续制动功率，减小单个制动单元的应力，使制动单元的故障率明显下降。
附图说明
图1是现有变频器制动单元并联运行示意图。
图2是现有变频器制动单元实施方式一的结构示意图。
图3是现有变频器制动单元实施方式二的结构示意图。
图4是现有变频器制动单元实施方式三的结构示意图。
图5是现有变频器制动单元实施方式四的结构示意图。
图6是本发明可控制动单元的制动原理框图。
图7是本发明可控制动单元的控制器实施例一的原理框图。
图8是本发明可控制动单元的控制器实施例二的原理框图。
图9是本发明可控制动单元的控制器实施例三的原理框图。
图10是本发明制动系统实施例一的原理框图。
图11是本发明制动系统实施例二的原理框图。
具体实施方法
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图2至图5所示是变流器或变频器几种常用制动单元的结构示意图。
图2所示的制动单元包括两个IGBT和一个制动电阻，两个IGBT相串联分别构成制动单元的上下管，制动电阻并接在上管两端。
图3所示的制动单元与图2所示的制动单元的区别是，制动电阻并接在下管两端。
图4所示的制动单元与图2所示的制动单元的区别是，上管的IGBT用一个二极管代替，二极管的正极与下管相连，制动电阻并接在二极管两端。
图5所示的制动单元与图3所示的制动单元的区别是，下管的IGBT用一个二极管代替，二极管的负极与上管相连，制动电阻并接在二极管两端。
图2-图5的IGBT开关管也可用其他可控型功率半导体器件替代，例如：GTO(门极可关断晶闸管)、MOSFET(电力场效应晶体管)。
本发明的可控制动单元、制动系统和制动方法可以使用包括但不限于上述现有的制动单元。(需要说明的是，以下实施例都是以IGBT开关管进行说明。同样的，IGBT开关管也可用其他可控型功率半导体器件替代，例如：GTO(门极可关断晶闸管)、MOSFET(电力场效应晶体管))
可控制动单元实施例一
如图6所示，本发明的可控制动单元包括一个两端分别连接设备(如变流器、变频器等)的直流母线正负极的制动单元和一个控制器。制动单元如上所述，控制器包括控制信号输入端、IGBT驱动信号输出端和制动单元工作状态反馈信号端，控制信号输入端包括外部触发控制信号输入端和母线电压信号输入端。控制器通过其IGBT驱动信号输出端与制动单元驱动端连接实现对该制动单元的驱动控制。
在本实施例的可控制动单元中，控制器采用如图7所示的A型控制器。该A型控制器包括控制模式选择电路、逻辑控制电路、IGBT驱动隔离电路、外部触发控制电路和本地控制电路。
逻辑控制电路用于信号的逻辑选择处理以及产生与IGBT驱动信号同步的状态反馈信号，可反映制动单元的工作状态。制动单元工作状态反馈信号端连接逻辑控制电路输出端。
IGBT驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经IGBT驱动信号输出端外输出IGBT驱动信号。IGBT驱动隔离电路用于实现IGBT的驱动隔离及保护。
控制模式选择电路用于制动单元控制模式的选择，可采用跳线、拨码开关等器件或逻辑选择电路等实现。控制模式选择电路与逻辑控制电路连接，实现外部触发控制模式和本地控制模式的选择。根据设置的状态不同，制动单元可工作于外部触发模式，即制动单元接受外部触发命令，直接控制制动单元的启停动作。制动单元也可工作于本地独立控制模式，即制动单元不接受外部触发命令，控制器自身根据采样到的母线电压情况控制制动单元的启停动作。
外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与该逻辑控制电路连接。
本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，该直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。本地控制电路用于母线电压采样，以及将采样到的母线电压和基准电压比较产生IGBT的驱动信号。
可控制动单元实施例二
如图6、图8所示，本实施例的可控制动单元与可控制动单元实施例一基本相同，区别是：可控制动单元的控制器采用如下结构：
控制器采用B型控制器，该B型控制器包括逻辑控制电路、IGBT驱动隔离电路和外部触发控制电路。
控制信号输入端为外部触发控制信号输入端，制动单元工作状态反馈信号端连接逻辑控制电路输出端。
IGBT驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经IGBT驱动信号输出端外输出IGBT驱动信号。
外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与逻辑控制电路连接。
可控制动单元实施例三
如图6、图9所示，本实施例的可控制动单元与可控制动单元实施例一基本相同，区别是：可控制动单元的控制器采用如下结构：
控制器为C型控制器，该C型控制器包括逻辑控制电路、IGBT驱动隔离电路和本地控制电路。
控制信号输入端为母线电压信号输入端，制动单元工作状态反馈信号端连接逻辑控制电路输出端。
IGBT驱动隔离电路与逻辑控制电路连接，并经IGBT驱动信号输出端外输出IGBT驱动信号。
本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。
制动系统实施例一
如图10所示，本发明的制动系统包括一个主可控制动单元(其控制器为控制器1)和至少一个从可控制动单元(其控制器为控制器2、3……)，本实施例以两个从可控制动单元为例进行说明。图中仅示出了可控制动单元的控制器部分，制动单元部分未示出。
主可控制动单元可以采用A型控制器或C型控制器，从可控制动单元可以采用A型控制器或B型控制器。主可控制动单元和从可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极。
主可控制动单元采用如下结构控制各从可控制动单元同步动作：主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端分别连接各从可控制动单元的外部触发控制信号输入端。
当主可控制动单元采用A型控制器时，制动系统可以在外部触发控制模式或本地独立控制模式下工作。当主可控制动单元采用C型控制器时，制动系统在本地独立控制模式下工作。
主可控制动单元处于本地独立控制模式，其他从可控制动单元可处于上位机直接控制模式。当主控制制动单元动作后，所有从控制制动单元都会动作。
制动系统实施例二
如图11所示，本实施例的制动系统包括一个主可控制动单元(其控制器为控制器1)和至少一个从可控制动单元(其控制器为控制器2、3……)，本实施例以两个从可控制动单元为例进行说明。图中仅示出了可控制动单元的控制器部分，制动单元部分未示出。
主可控制动单元可以采用A型控制器或C型控制器，从可控制动单元可以采用A型控制器或B型控制器。主可控制动单元和从可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极。
主可控制动单元采用如下结构控制各从可控制动单元同步动作：主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端连接第一从可控制动单元的外部触发控制信号输入端，该第一从可控制动单元与其他从可控制动单元按如下方式依次连接：前一从可控制动单元的制动单元的工作状态反馈信号端连接后从可控制动单元的制动单元的外部触发控制信号输入端。
当主可控制动单元采用A型控制器时，制动系统可以在外部触发控制模式或本地独立控制模式下工作。当主可控制动单元采用C型控制器时，制动系统在本地独立控制模式下工作。
制动方法实施例一
本发明的制动方法包括以下步骤：
1、控制制动单元按照控制触发条件动作成为可控制动单元，各可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极。
2、设置一个可控制动单元为主可控制动单元，设置至少一个可控制动单元为从可控制动单元。
3、主可控制动单元按如下方法控制从可控制动单元同步动作：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为其他各从可控制动单元的输入控制信号。
制动方法实施例二
本实施例的制动方法包括以下步骤：
1、控制制动单元按照控制触发条件动作成为可控制动单元，各可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极。
2、设置一个可控制动单元为主可控制动单元，设置至少一个可控制动单元为从可控制动单元。
3、主可控制动单元按如下方法控制从可控制动单元同步动作：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为第一个从可控制动单元的输入控制信号，该第一个从可控制动单元作为前一个从可控制动单元将其制动单元工作状态反馈信号作为后一个从可控制动单元的输入控制信号，以此类推。

Claims (10)

1.一种可控制动单元，包括一个两端分别连接设备直流母线正负极的制动单元，其特征在于，还包括一个控制器，该控制器包括控制信号输入端、可控型功率半导体器件驱动信号输出端和制动单元工作状态反馈信号端；该控制器通过其可控型功率半导体器件驱动信号输出端与该制动单元驱动端连接实现对该制动单元的驱动控制。
2.如权利要求1所述的可控制动单元，其特征在于，所述控制器为A型控制器，该A型控制器包括控制模式选择电路、逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路、外部触发控制电路和本地控制电路；
所述控制信号输入端包括外部触发控制信号输入端和母线电压信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出可控型功率半导体器件驱动信号；
该控制模式选择电路为跳线、拨码开关或逻辑选择电路；该控制模式选择电路与该逻辑控制电路连接，实现外部触发控制模式和本地控制模式的选择；
该外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与该逻辑控制电路连接；
该本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，该直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。
3.如权利要求1所述的可控制动单元，其特征在于，所述控制器为B型控制器，该B型控制器包括逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路和外部触发控制电路；
所述控制信号输入端为外部触发控制信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出可控型功率半导体器件驱动信号；
该外部触发控制电路包括信号转换电路，该信号转换电路一端与该外部触发控制信号输入端连接，另一端与该逻辑控制电路连接。
4.如权利要求1所述的可控制动单元，其特征在于，所述控制器为C型控制器，该C型控制器包括逻辑控制电路、可控型功率半导体器件驱动隔离电路和本地控制电路；
所述控制信号输入端为母线电压信号输入端；所述制动单元工作状态反馈信号端连接所述逻辑控制电路输出端；
该可控型功率半导体器件驱动隔离电路与该逻辑控制电路连接，并经所述可控型功率半导体器件驱动信号输出端外输出可控型功率半导体器件驱动信号；
该本地控制电路包括直流母线电压采样电路和滞环比较电路，该直流母线电压采样电路一端连接该母线电压信号输入端、另一端连接该滞环比较电路，该滞环比较电路与该逻辑控制电路连接。
5.一种制动系统，其特征在于，包括一个主可控制动单元和至少一个从可控制动单元，该主可控制动单元为所述A型控制器或C型控制器，所述从可控制动单元为所述A型控制器或B型控制器；
所述主可控制动单元和从可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极；
所述主可控制动单元控制所述从可控制动单元同步动作。
6.如权利要求5所述的制动系统，其特征在于，所述主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端分别连接各所述从可控制动单元的外部触发控制信号输入端。
7.如权利要求5所述的制动系统，其特征在于，所述主可控制动单元的制动单元工作状态反馈信号端连接第一所述从可控制动单元的外部触发控制信号输入端，该第一所述从可控制动单元与其他从可控制动单元按如下方式依次连接：前一所述从可控制动单元的制动单元的工作状态反馈信号端连接后所述从可控制动单元的制动单元的外部触发控制信号输入端。
8.一种制动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制制动单元按照控制触发条件动作成为可控制动单元，各可控制动单元的制动单元分别连接设备的直流母线正负极；
S2、设置一个可控制动单元为主可控制动单元，设置至少一个可控制动单元为从可控制动单元；
S3、使主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作。
9.如权利要求8所述的制动方法，其特征在于，主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作如下实现：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为其他各从可控制动单元的输入控制信号。
10.如权利要求8所述的制动方法，其特征在于，主可控制动单元控制从可控制动单元同步动作如下实现：主可控制动单元输出其制动单元工作状态反馈信号作为第一个从可控制动单元的输入控制信号，该第一个从可控制动单元作为前一个从可控制动单元将其制动单元工作状态反馈信号作为后一个从可控制动单元的输入控制信号，以此类推。
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