CN105790645A - 一种飞轮涡轮储能制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮涡轮储能制动装置，其包括，控制单元、主功率单元、驱动隔离单元以及采样部件，驱动隔离单元与所述控制单元和主功率单元相连接，实现强电信号与弱电信号的光电隔离，避免强电电路的尖峰对弱电控制电路的干扰；采样部件与所述控制单元和主功率单元相连接，包括电流采样部件和电压采样部件，实现对交流电压和交流电流的采样。本发明对变频器带电机运行过程中由于电机发电而引起的能量回馈进行了有效的控制，从而达到抑制了母线电压的升高，进一步避免了母线电压过高而引起变频器过压故障停机的情况。

Description

一种飞轮涡轮储能制动装置

技术领域

本发明属于电机能量回馈控制技术领域，尤其涉及一种飞轮涡轮储能制动装置。

背景技术

在变频器带动电机运行时，有可能运行于电机的发电状态，尤其是在带大惯量负载以及处于快速减速运行状态时，或者在快速加速频率并进行动态调整的过程时，或者在运行过程中负载引起转速波动等场合时，电机都有可能进入发电状态，此时电机相当于一个发电机，电机在发电时产生的能量回馈会流向变频器，引起母线电压剧烈上升。由于变频器前端一般为二极管整流，不具有可控整流的能力，如果此时系统没有配备制动电阻或者能力回馈单元，能量就没有消耗的地方，产生的能量回馈就有可能冲高母线电压，达到变频器的母线电压保护点，引起变频器过压保护而停机，这在工业应用场合是绝对不允许的。而增加制动电阻或者能力回馈单元会大幅增加设备成本和降低系统可靠性，因而变频驱动场合的能量回馈的回避功能必不可少，这在某些时候严重制约了变频器的实际应用效果。

通常情况下电机产生的能量都被以热能的形式通过散热塔散发掉，这种能量处理方式不但产生极大的能源浪费而且在一定程度上也会造成周遭环境的污染，这种情况下，将产生的能量通过逆变装置变为三相交流电，调节频率、相位与电网同步后回馈至电网，一台电机一个小时所节约的能量足够一个家庭一天的生活用电。由此可见，能量回馈可以提高能量的利用率，较好的解决能源浪费问题，在现今社会意义十分重大。国外相应的能量回馈装置已较为成熟，四象限电压型交-直-交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道也较为常见。如日本富士公司的相关产品，以RHR系列、FRENIC系列电源再生单元为例加以说明，它把有源逆变单元直接作为变频器的一个外围装置，从变频器当中分离出来，将其并联到变频器的直流侧，从而将产生的相应能源回馈到电网中。由于二极管不可控整流器具有单向性，产生的再生能量将累计在储能电容上，形成泵升电压，过高的泵升电压可能会威胁到系统的安全。我们通常所采用的方法是接通一个能耗电阻在直流母线之间释放能量。能量回馈控制系统不仅可以使装置获得较快的动态响应，而且还可以把发电机产生的能量回送至电网，在一定程度上缓解了能源的短缺问题。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有飞轮涡轮储能制动装置中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种飞轮涡轮储能制动装置，其解决了现有技术中在控制环路中由于存在大电容的积分环节引起整个环路的振荡调节，使母线电压的振荡超调的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种飞轮涡轮储能制动装置，其包括，控制单元，其包括能够对控制量进行计算的数字处理部件和能够对逻辑信号量进行处理的逻辑处理部件；主功率单元，其包括软启动部件和功率部件，所述软启动部件使电压由零稳定升至额定电流，保证电机系统平滑的运行，所述功率部件完成对飞轮涡轮储能制动装置中各个元件功率的放大；驱动隔离单元，与所述控制单元和主功率单元相连接，实现强电信号与弱电信号的光电隔离，避免强电电路的尖峰对弱电控制电路的干扰；以及，采样部件，与所述控制单元和主功率单元相连接，包括电流采样部件和电压采样部件，实现对交流电压和交流电流的采样。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：还包括，保护部件，与所述控制单元和主功率单元相连接，能够实时检测电压、电流信号，防止过压、过流损坏所述功率部件。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：还包括，供电部件，与所述控制单元相连接，为飞轮涡轮储能制动装置的控制提供稳定的后备电源。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述电流采样部件和电压采样部件的采样数据经由电压跟随部件、滤波部件、反比例放大部件和反比例加法部件最终完成调理输出，其中，所述电压跟随部件能够匹配电流采样部件和电压采样部件的输出阻抗与输入阻抗；所述滤波部件能够将电路中高频毛刺信号消除；所述反比例放大部件对采样得到的电压进行反相与比例调节，将输入信号调整到一定电压范围内，同时通过对运放正相端电位的调节来消除电路的零点漂移；所述反比例加法部件将输入信号调整到特定电压的范围内，满足数字处理部件的转换端口对输入电平的要求。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述飞轮涡轮储能制动装置与所述电机系统相连接，通过电机系统的交流调速从而实现空间矢量脉宽调制，其中，实现空间矢量脉宽调制的方法包括，判断参考电压矢量所在的扇区；计算合成所需的各个空间电压矢量的作用时间；与三角载波进行比较得出三相脉宽调制信号，输入逻辑处理部件进行处理。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述参考电压矢量所在的扇区通过构造三个变量：

V_sβ，进而根据其正负关系判断扇区，其中，定义三个变量为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref1}=V_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref2}=\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

定义二值函数A、B、C，若V_ref1>0，则A＝1，反之A＝0；若V_ref2>0，则B＝1，反之B＝0；若V_ref3>0，则C＝1，反之C＝0，则sector＝A+2B+4C。

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述计算合成所需的各个空间电压矢量的作用时间，设定各合成矢量的作用时间T_x、T_y，若发生过调制情况，即T_x+T_y>T_s，则

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x=\frac{T_x{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_y=\frac{T_y{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_0=T_s-T_x-T_y\end{array}\right..$

作为本发明所述的飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述与三角载波进行比较得出三相脉宽调制信号，其中，设定t_aon，t_bon，t_con为每相桥臂的上管在开关周期T_s内的导通时间，下管为互补信号，则：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{aon}=\frac{T_s-T_x-T_y}{4}\\ t_{bon}=t_{aon}+\frac{T_x}{2}\\ t_{con}=t_{bon}+\frac{T_y}{2}\end{array}\right..$

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：其能够为伺服转台提供制动，伺服转台的电机系统通过驱动器与交流电源连接，其包括异步电机、飞轮组件和涡轮制动组件；所述异步电机并联于驱动器的直流母线上，异步电机包含电机轴；所述涡轮制动组件包含定子部和转子部，所述转子部与定子部同轴设置，且转子部能相对定子部旋转运动，在定子部通电的情况下，转子部在定子部附近旋转时，转子部会产出电涡流形成阻碍力；所述飞轮组件和涡轮制动组件的转子部与电机轴连接，伺服转台制动过程引起驱动器的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机的电机轴转动，电机轴带动飞轮组件旋转，制动产出的一部分电能便转化为飞轮组件旋转的动能，当伺服转台恢复正常驱动状态时，驱动器的直流母线电压下降，异步电机转速下降，飞轮组件由于惯性作用带动电机轴继续高速旋转，异步电机产生电能并通过驱动器的直流母线提供给电机系统；伺服转台制动过程引起驱动器的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机的电机轴转动，电机轴带动涡轮制动组件的转子部旋转，转子部被转子部产生的电涡流阻碍，制动产出的一部分电能便转化为涡轮制动组件电涡流的热能。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述涡轮制动组件的定子部和转子部之间的距离小于等于3mm，所述定子部设置有与外部电源联通的磁场线圈，所述转子部上设有封闭式的涡流线圈，转子部在定子部附近旋转时，转子部上的涡流线圈切割通电的磁场线圈产生的磁感应线，涡流线圈产出电涡流形成阻碍力，阻碍转子部的旋转趋势。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述飞轮组件包括第一飞轮部、第二飞轮部和活动锁定块，所述第一飞轮部中心设有直径大于等于电机轴直径的第一飞轮孔、设有在第一飞轮部一面与第一飞轮孔同圆心的圆弧形凹槽状的旋转槽以及设置在从旋转槽一端向旋转槽圆弧形法线向外方向延伸的锁定槽；所述第二飞轮部中心设有直径大于等于电机轴直径的第二飞轮孔、设置在第二飞轮部一面凹槽状沿第二飞轮孔法线方向延伸的伸缩槽以及伸缩槽相对于第二飞轮孔外侧的通槽；长条状活动锁定块设有锁定凸起和拨动凸起，第一飞轮部设有旋转槽的一面与第二飞轮部设有伸缩槽的一面贴合，第一飞轮孔与第二飞轮孔同轴设置，相对旋转第一飞轮部和第二飞轮部到某一位置位为飞轮状态(A)，通槽与锁定槽相对，活动锁定块设置在伸缩槽中，活动锁定块底部与伸缩槽底部之间设有弹性部件，受弹性部件弹性作用，活动锁定块在伸缩槽中相对第一飞轮孔方向的最外侧，此时锁定凸起在锁定槽中且远离旋转槽，拨动凸起在通槽中且向外突出于第二飞轮部和第一飞轮部贴合面相对的另一面，此状态下第一飞轮部和第二飞轮部不能相对旋转，外力驱动拨动凸起向第一飞轮孔方向运动，活动锁定块带动锁定凸起沿锁定槽运动至旋转槽，相对旋转第一飞轮部和第二飞轮部锁定凸起沿旋转槽运动至旋转槽另一端，此时为飞轮状态(B)。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：还包含第一固定结构，所述第一固定结构包括设置在飞轮组件上的第一固定锁定部和设置在异步电机的电机轴上的第一固定轨道部，所述飞轮组件通过第一固定锁定部与第一固定轨道部的配合固定在电机轴上。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：还包含第二固定结构，所述第二固定结构包括设置在涡轮制动组件上的第二固定锁定部和设置在异步电机的电机轴上的第二固定轨道部，所述涡轮制动组件通过第二固定锁定部与第二固定轨道部的配合固定在电机轴上。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述第一固定锁定部包括设置在第一飞轮孔内表面的第一飞轮凸起和设置在第二飞轮孔内表面的第二飞轮凸起，在飞轮状态(B)时，第一飞轮凸起和第二飞轮凸起位置对齐，在飞轮状态时，第一飞轮凸起和第二飞轮凸起位置错开一定角度；所述第一固定轨道部包含第一纵向轨道和第一横向轨道，第一纵向轨道为从电机轴最外端外表面向靠近异步电机方向延伸的凹槽，第一横向轨道为电机轴外表面上的凹槽且与第一纵向轨道垂直相交；在飞轮状态时，所述飞轮组件可通过第一飞轮孔和第二飞轮孔套在电机轴上，第一飞轮凸起和第二飞轮凸起落在第一纵向轨道中，当第一飞轮凸起和第二飞轮凸起移动到第一横向轨道时，相对旋转第一飞轮部和第二飞轮部，到达飞轮状态(A)，第一飞轮凸起和第二飞轮凸起落入第一横向轨道中，飞轮组件便于异步电机连接，且电机轴能飞轮组件旋转。

作为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置的一种优选方案，其中：所述第二固定锁定部包括设置在转子部中心直径大于等于电机轴直径的安装孔、设置在安装孔内表面凸起的锁定凸起和固定安装板；所述第二固定轨道部包含第二纵向轨道、第二横向轨道和第三纵向轨道，第二纵向轨道为从电机轴最外端外表面向靠近异步电机方向延伸的凹槽，第二横向轨道为电机轴外表面上的凹槽且与第二纵向轨道垂直相交，第三纵向轨道为电机轴外表面上与第二纵向轨道平行的凹槽且与第二横向轨道相交；所述涡轮制动组件可通过安装孔套在电机轴上，锁定凸起落在第二纵向轨道中，当锁定凸起移动到第二横向轨道时，旋转转子部一定角度使得锁定凸起到第三纵向轨道，移动涡轮制动组件，使得锁定凸起在第三纵向轨道中且远离第二横向轨道，将涡轮制动组件的定子部通过固定安装板与异步电机固定连接，涡轮制动组件便于异步电机连接，且电机轴能驱动转子部旋转。

本发明的有益效果：本发明的提供的飞轮涡轮储能制动装置，对变频器带电机运行过程中由于电机发电而引起的能量回馈进行了有效的控制，从而达到抑制了母线电压的升高，进一步避免了母线电压过高而引起变频器过压故障停机的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例中所述飞轮涡轮储能制动装置的结构示意图；

图2为本发明图1所示实施例中所述采样部件的采样信号调理输出原理示意图；

图3为本发明图1所示实施例中所述保护部件的电路过流保护原理示意图；

图4为本发明αβ两相静止坐标系中的基本电压空间矢量图；

图5为本发明另一个实施例所述飞轮涡轮储能制动装置的结构示意图；

图6为本发明所述飞轮涡轮储能制动装置与伺服转台连接示意图；

图7为本发明异步电机及其上的第一固定轨道部的结构示意图；

图8为本发明第一飞轮部及其上的第一固定锁定部的结构示意图；

图9为本发明第二飞轮部及其上的第二固定锁定部的结构示意图；

图10为本发明述活动锁定块及弹性部件的结构示意图；

图11为本发明飞轮组件飞轮状态(A)的结构示意图；

图12为本发明飞轮组件飞轮状态(B)的结构示意图；

图13为本发明飞轮组件飞轮状态(B)的剖视结构示意图；

图14为本发明异步电机及其上的第二固定轨道部的结构示意图；

图15为本发明电涡流组件定子部的结构示意图；

图16为本发明电涡流组件转子部的结构示意图；

图17为本发明电涡流组件的剖视结构示意图；

图18为本发明电涡流组件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

如图1所示，图1示出了本发明一个实施例中一种飞轮涡轮储能制动装置的结构示意图。在此实施例中的飞轮涡轮储能制动装置包括，控制单元100、主功率单元200、驱动隔离单元300以及采样部件400。其中，控制单元100包括数字处理部件101和逻辑处理部件102，在这一实施方式中，数字处理部件101可以采用数字信号处理器(DSP，DigitalSignalProcessor)，而逻辑处理部件102采用复杂可编程逻辑器件(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)。数字信号处理器是由大规模或超大规模集成电路心片组成的用来完成某种信号处理任务的处理器，它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大。而复杂可编程逻辑器件主要是由可编程逻辑宏单元(MC，MacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。在此，数字处理部件101负责对控制量的计算，逻辑处理部件102负责各种逻辑信号量处理，如PWM(脉宽调制，PulseWidthModulation)驱动、开关量和保护信号综合。

主功率单元200包括软启动部件201和功率部件202，软启动部件201使电压由零稳定升至额定电流，保证电机系统M平滑的运行，而功率部件202完成对飞轮涡轮储能制动装置中各个元件功率的放大。这里所说的“元件”，包括二极管、晶闸管、IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和滤波电容等功率器件。在这一实施方式中，为降低功率部件202的开关损耗，减少发热量，开关频率选择4.8kHz。功率部件202承受的电压为直流侧输入电压，考虑2倍裕度，功率部件202电压定额为：

V_CEmax＞2U_dc＝2*380*1.414＝1074.64V。

流过功率部件202的电流为逆变桥输出电流，即进网电流，而按10kW满载情况下，进网电流有效值为15A。考虑到电流尖峰以及系统的过载，选择3倍裕度，则功率部件202电流定额为：I_CEmax＞5I_CE＝3*15＝45A。

而驱动隔离单元300与控制单元100和主功率单元200相连接，能够实现强电信号与弱电信号的光电隔离，避免强电电路的尖峰对弱电控制电路的干扰。在这一实施方式中，采样部件400与控制单元100和主功率单元200相连接，包括电流采样部件401和电压采样部件402，能够实现对交流电压和交流电流的采样。参见图2，对电流和电压的采样，可以通过电流传感器和电压传感器来实现，具体的，电压传感器是一种将被测电量参数转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。电压传感器能够用于测量电网中波形畸变较严重的电压或电流信号，也可以测量方波，三角波等非正弦波形；而电流传感器能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。电压传感器与电流传感器都是利用电流霍尔效应实现对电压、电流量的检测，具有采样精度高、零漂小、响应快的特点，同时也能够实现有效的电气隔离。电流采样部件401和电压采样部件402的采样数据经由电压跟随部件403、滤波部件404、反比例放大部件405和反比例加法部件406最终完成调理输出。电压跟随部件403的作用是匹配电流采样部件401和电压采样部件402输出阻抗与输入阻抗；高频毛刺信号通过滤波部件404消除；反比例放大部件405的作用是对采样得到的电压进行反相与比例调节，将输入信号调整到-1.5V～1.5V范围内，同时通过对运放正相端电位的调节来消除电路的零点漂移；反比例加法部件406的作用是将输入信号调整到0V～3V的范围内，满足数字处理部件101的A/D转换端口对输入电平的要求。

为保证飞轮涡轮储能制动装置的安全运行，需通过保护部件500来防止过大的电流损坏功率部件202。在这一实施例中，控制单元100和主功率单元200相连接，为对交流信号的正负半周过流情况都能进行保护动作，交流信号经绝对值电路后再与保护阈值进行比较。利用可调电阻设定比较器的保护阈值，比较输出经过RCD(Resistance-CapacitanceCircuits，相位电路)滤波以消除尖峰干扰引起的误保护。保护信号送入逻辑处理部件102的保护逻辑综合电路的输入端口进行锁存与驱动信号封锁，如图3所示。也即，保护部件500能够实时检测电压、电流信号，防止过压、过流损坏功率部件202。当然，较佳地，在这一实施方式中，飞轮涡轮储能制动装置还包括与控制单元100相连接的供电部件600，其能够为飞轮涡轮储能制动装置的控制提供稳定的后备电源。

飞轮涡轮储能制动装置与电机系统M相连接，空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)源于电机系统M的交流调速，目的是为了跟踪圆形旋转磁场的磁链，其主要思想是通过组合8个基本的空间电压矢量，合成参考电压矢量通常由相邻的两个空间电压矢量和零矢量来合成，其中零矢量具有等待及减少开关次数等作用。

图4为8个基本空间电压矢量在αβ两相静止坐标系中的空间位置图，幅值均为2U_dc/3，互差60°，其中是有效的空间电压矢量，和是零矢量。

在此实施方式中，实现SVPWM的方法是首先判断参考电压矢量所在的扇区，再计算合成所需的各个空间电压矢量的作用时间，最后与三角载波进行比较得出三相PWM信号，输入逻辑处理部件102进行处理。

本发明通过构造三个变量：

V_sβ，根据其正负关系即可判断扇区。定义三个变量为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref1}=V_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref2}=\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

定义二值函数A、B、C，若V_ref1>0，则A＝1，反之A＝0；若V_ref2>0，则B＝1，反之B＝0；若V_ref3>0，则C＝1，反之C＝0。

sector＝A+2B+4C

而sector与实际扇区之间的关系如表1所示：

表1扇区对应关系

判断参考电压矢量所在扇区之后，需要计算各合成矢量的作用时间。为了降低开关损耗，在合成矢量变化时尽量保证只有一个开关管变动，便于数字处理部件101数字控制的实现，因此在一个开关周期中，合成矢量的选择要尽量对称且零矢量均等分配。为了避免切换扇区时的合成矢量突变，采用零矢量作为开始和结束矢量。本发明采用七段式矢量合成方法，这种合成方法的开关损耗和输出电压的谐波分量都相对较小。

定义X、Y、Z三个变量，分别表示各合成矢量的作用时间。

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{\sqrt{3}{T}_s}{U_{dc}}{V}_{s\mathrm{\β}}\\ Y=\frac{\sqrt{3}{T}_s}{U_{dc}}(\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}})\\ Z=\frac{\sqrt{3}{T}_s}{U_{dc}}(-\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}+\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}})\end{array}\right.$

根据参考电压矢量所在的扇区，各合成矢量的作用时间T_x、T_y如表2所示。

表2各合成矢量作用时间

若发生过调制情况，即T_x+T_y>T_s，则

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x=\frac{T_x{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_y=\frac{T_y{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_0=T_s-T_x-T_y\end{array}\right.$

图5给出了第I扇区内七段式空间矢量合成的开关顺序，作用顺序为 作用时间依次为T₀/4、T₄/2、T₆/2、T₀/2、T₆/2、T₄/2、T₀/4。

t_aon，t_bon，t_con为每相桥臂的上管在开关周期T_s内的导通时间，下管为互补信号：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{aon}=\frac{T_s-T_x-T_y}{4}\\ t_{bon}=t_{aon}+\frac{T_x}{2}\\ t_{con}=t_{bon}+\frac{T_y}{2}\end{array}\right.$

对数字处理部件101中各个扇区进行赋值，然后与三角载波进行比较，即可得三相驱动信号，最终输入逻辑处理部件102进行处理。表3为数字处理部件101中各个扇区的赋值表。

表3全比较寄存器的赋值表

如图5、6所示，一个实施例中飞轮涡轮储能制动装置，包括异步电机700、飞轮组件800、涡轮制动组件900、第一固定结构1000和第二固定结构1100。

如图6所示，异步电机700并联于驱动器S1的直流母线上，异步电机700包含电机轴701，涡轮制动组件900包含定子部901和转子部902，转子部902与定子部901同轴设置，且转子部902能相对定子部901旋转运动，在定子部901通电的情况下，转子部902在定子部901附近旋转时，转子部902会产出电涡流形成阻碍力，飞轮组件800和涡轮制动组件900的转子部902分别通过第一固定结构1000和第二固定结构1100与电机轴701连接。

伺服转台的电机系统M通过驱动器S1与交流电源S2连接，伺服转台制动过程引起驱动器S1的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机700的电机轴701转动，电机轴701带动飞轮组件800旋转，制动产出的一部分电能便转化为飞轮组件800旋转的动能，当伺服转台恢复正常驱动状态时，驱动器S1的直流母线电压下降，异步电机700转速下降，飞轮组件800由于惯性作用带动电机轴701继续高速旋转，异步电机700产生电能并通过驱动器S1的直流母线提供给电机系统M。

伺服转台制动过程引起驱动器S1的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机700的电机轴701转动，电机轴701带动涡轮制动组件900的转子部902旋转，转子部902被转子部902产生的电涡流阻碍，制动产出的一部分电能便转化为涡轮制动组件900电涡流的热能。

如图7～13所示，飞轮组件800包括第一飞轮部801、第二飞轮部802和活动锁定块803。如图5、7～9所示，第一固定结构1000包括设置在飞轮组件800上的第一固定锁定部1001和设置在异步电机700的电机轴701上的第一固定轨道部1002，飞轮组件800通过第一固定锁定部1001与第一固定轨道部1002的配合固定在电机轴701上。

如图8所示，第一飞轮部801中心设有直径大于等于电机轴701直径的第一飞轮孔801a、设有在第一飞轮部801一面与第一飞轮孔801a同圆心的圆弧形凹槽状的旋转槽801b以及设置在从旋转槽801b一端向旋转槽801b圆弧形法线向外方向延伸的锁定槽801c。

如图9所示，第二飞轮部802中心设有直径大于等于电机轴701直径的第二飞轮孔802a、设置在第二飞轮部802一面凹槽状沿第二飞轮孔802a法线方向延伸的伸缩槽802b以及伸缩槽802b相对于第二飞轮孔802a外侧的通槽802c；

如图10所示，长条状活动锁定块803设有锁定凸起803a和拨动凸起803b，如图11～13所示，第一飞轮部801设有旋转槽801b的一面与第二飞轮部802设有伸缩槽802b的一面贴合，第一飞轮孔801a与第二飞轮孔802a同轴设置，相对旋转第一飞轮部801和第二飞轮部802到某一位置位为飞轮状态(A)，通槽802c与锁定槽801c相对，活动锁定块803设置在伸缩槽802b中，活动锁定块803底部与伸缩槽802b底部之间设有弹性部件804，受弹性部件804弹性作用，活动锁定块803在伸缩槽802b中相对第一飞轮孔801a方向的最外侧，此时锁定凸起803a在锁定槽801c中且远离旋转槽801b，拨动凸起803b在通槽802c中且向外突出于第二飞轮部802和第一飞轮部801贴合面相对的另一面，此状态下第一飞轮部801和第二飞轮部802不能相对旋转，外力驱动拨动凸起803b向第一飞轮孔801a方向运动，活动锁定块803带动锁定凸起803a沿锁定槽801c运动至旋转槽801b，相对旋转第一飞轮部801和第二飞轮部802锁定凸起803a沿旋转槽801b运动至旋转槽801b另一端，此时为飞轮状态(B)。

如图8、11～13所示，第一固定锁定部1001包括设置在第一飞轮孔801a内表面的第一飞轮凸起1001a和设置在第二飞轮孔802a内表面的第二飞轮凸起1001b，在飞轮状态(B)时，第一飞轮凸起1001a和第二飞轮凸起1001b位置对齐，在飞轮状态(A)时，第一飞轮凸起1001a和第二飞轮凸起1001b位置错开一定角度。

如图7所示，第一固定轨道部1002包含第一纵向轨道1002a和第一横向轨道1002b，第一纵向轨道1002a为从电机轴701最外端外表面向靠近异步电机700方向延伸的凹槽，第一横向轨道1002b为电机轴701外表面上的凹槽且与第一纵向轨道1002a垂直相交。

如图5、7～13所示，在飞轮状态(B)时，飞轮组件800可通过第一飞轮孔801a和第二飞轮孔802a套在电机轴701上，第一飞轮凸起1001a和第二飞轮凸起1001b落在第一纵向轨道1002a中，当第一飞轮凸起1001a和第二飞轮凸起1001b移动到第一横向轨道1002b时，相对旋转第一飞轮部801和第二飞轮部802，到达飞轮状态(A)，第一飞轮凸起1001a和第二飞轮凸起1001b落入第一横向轨道1002b中，飞轮组件800便于异步电机700连接，且电机轴701能飞轮组件800旋转，拆除飞轮组件800的过程是安装过程逆过程，从而实现了飞轮组件800便捷安装及拆换。

如图5、6所示，伺服转台的电机系统M通过驱动器S1与交流电源S2连接，伺服转台制动过程引起驱动器S1的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机700的电机轴701转动，电机轴701带动飞轮组件800旋转，制动产出的一部分电能便转化为飞轮组件800旋转的动能，当伺服转台恢复正常驱动状态时，驱动器S1的直流母线电压下降，异步电机700转速下降，飞轮组件800由于惯性作用带动电机轴701继续高速旋转，异步电机700产生电能并通过驱动器S1的直流母线提供给电机系统M。

如图17、18所示，涡轮制动组件900的定子部901和转子部902之间的距离小于等于3mm，定子部901设置有与外部电源联通的磁场线圈901a、定子轴孔901b和定子固定孔901c，转子部902上设有封闭式的涡流线圈902a和转子转轴902b，转子部902和定子部901通过转子转轴902b与定子轴孔901b的配合活动链接，转子部902在定子部901附近旋转时，转子部902上的涡流线圈902a切割通电的磁场线圈901a产生的磁感应线，涡流线圈902a产出电涡流形成阻碍力，阻碍转子部902的旋转趋势。

如图14～18所示，第二固定结构1100包括设置在涡轮制动组件900上的第二固定锁定部1101和设置在异步电机700的电机轴701上的第二固定轨道部1102，涡轮制动组件900通过第二固定锁定部1101与第二固定轨道部1102的配合固定在电机轴701上。

如图16所示，第二固定锁定部1101包括设置在转子部902中心直径大于等于电机轴701直径的安装孔1101a、设置在安装孔1101a内表面凸起的锁定凸起1101b和固定安装板1103。

如图14所示，第二固定轨道部1102包含第二纵向轨道1102a、第二横向轨道1102b和第三纵向轨道1102c，第二纵向轨道1102a为从电机轴701最外端外表面向靠近异步电机700方向延伸的凹槽，第二横向轨道1102b为电机轴701外表面上的凹槽且与第二纵向轨道1102a垂直相交，第三纵向轨道1102c为电机轴701外表面上与第二纵向轨道1102a平行的凹槽且与第二横向轨道1102b相交。

如图5、17、18所示，涡轮制动组件900可通过安装孔1101a套在电机轴701上，锁定凸起1101b落在第二纵向轨道1102a中，当锁定凸起1101b移动到第二横向轨道1102b时，旋转转子部902一定角度使得锁定凸起1101b到第三纵向轨道1102c，移动涡轮制动组件900，使得锁定凸起1101b在第三纵向轨道1102c中且远离第二横向轨道1102b，将涡轮制动组件900的定子部901通过定子固定孔901c用螺钉固定在固定安装板1103上，固定安装板1103与异步电机700固定连接，涡轮制动组件900便于异步电机700连接，且电机轴701能驱动转子部902旋转，拆除涡轮制动组件900的过程是安装过程逆过程，从而实现了涡轮制动组件900便捷安装及拆换。

如图5、6、14～18所示，异步电机700并联于驱动器S1的直流母线上，异步电机700包含电机轴701，涡轮制动组件900包含定子部901和转子部902，转子部902与定子部901同轴设置，且转子部902能相对定子部901旋转运动，在定子部901通电的情况下，转子部902在定子部901附近旋转时，转子部902会产出电涡流形成阻碍力，涡轮制动组件900的转子部902通过第二固定结构1100与电机轴701连接。

如图6所示，伺服转台的电机系统M通过驱动器S1与交流电源S2连接，伺服转台制动过程引起驱动器S1的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机700的电机轴701转动，电机轴701带动涡轮制动组件900的转子部902旋转，转子部902被转子部902产生的电涡流阻碍，制动产出的一部分电能便转化为涡轮制动组件900电涡流的热能。本发明对变频器带电机运行过程中由于电机发电而引起的能量回馈进行了有效的控制，从而达到抑制了母线电压的升高，进一步避免了母线电压过高而引起变频器过压故障停机的情况。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：包括，

控制单元(100)，其包括能够对控制量进行计算的数字处理部件(101)和能够对逻辑信号量进行处理的逻辑处理部件(102)；

主功率单元(200)，其包括软启动部件(201)和功率部件(202)，所述软启动部件(201)使电压由零稳定升至额定电流，保证电机系统(M)平滑的运行，所述功率部件(202)完成对飞轮涡轮储能制动装置中各个元件功率的放大；

驱动隔离单元(300)，与所述控制单元(100)和主功率单元(200)相连接，实现强电信号与弱电信号的光电隔离，避免强电电路的尖峰对弱电控制电路的干扰；以及，

采样部件(400)，与所述控制单元(100)和主功率单元(200)相连接，包括电流采样部件(401)和电压采样部件(402)，实现对交流电压和交流电流的采样。

2.如权利要求1所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：还包括，保护部件(500)，与所述控制单元(100)和主功率单元(200)相连接，能够实时检测电压、电流信号，防止过压、过流损坏所述功率部件(202)。

3.如权利要求1或2所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：还包括，供电部件(600)，与所述控制单元(100)相连接，为飞轮涡轮储能制动装置的控制提供稳定的后备电源。

4.如权利要求3所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述电流采样部件(401)和电压采样部件(402)的采样数据经由电压跟随部件(403)、滤波部件(404)、反比例放大部件(405)和反比例加法部件(406)最终完成调理输出，其中，

所述电压跟随部件(403)能够匹配电流采样部件(401)和电压采样部件(402)的输出阻抗与输入阻抗；

所述滤波部件(404)能够将电路中高频毛刺信号消除；

所述反比例放大部件(405)对采样得到的电压进行反相与比例调节，将输入信号调整到一定电压范围内，同时通过对运放正相端电位的调节来消除电路的零点漂移；

所述反比例加法部件(406)将输入信号调整到特定电压的范围内，满足数字处理部件(101)的转换端口对输入电平的要求。

5.如权利要求1、2或4任一所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述飞轮涡轮储能制动装置与所述电机系统(M)相连接，通过电机系统(M)的交流调速从而实现空间矢量脉宽调制，其中，实现空间矢量脉宽调制的方法包括，

判断参考电压矢量所在的扇区；

计算合成所需的各个空间电压矢量的作用时间；

与三角载波进行比较得出三相脉宽调制信号，输入逻辑处理部件(102)进行处理。

6.如权利要求5所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述参考电压矢量所在的扇区通过构造三个变量：

V_sβ，进而根据其正负关系判断扇区，其中，定义三个变量为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref1}=V_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref2}=\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\\ V_{ref3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}{V}_{s\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}{V}_{s\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

定义二值函数A、B、C，若V_ref1>0，则A＝1，反之A＝0；若V_ref2>0，则B＝1，反之B＝0；若V_ref3>0，则C＝1，反之C＝0，则sector＝A+2B+4C。

7.如权利要求5或6所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述计算合成所需的各个空间电压矢量的作用时间，设定各合成矢量的作用时间T_x、T_y，若发生过调制情况，即T_x+T_y>T_s，则

$\left\{\begin{array}{c}{T}_x=\frac{T_x{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_y=\frac{T_y{T}_s}{T_x+T_y}\\ T_0=T_s-T_x-T_y\end{array}\right..$

8.如权利要求7所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述与三角载波进行比较得出三相脉宽调制信号，其中，设定t_aon，t_bon，t_con为每相桥臂的上管在开关周期T_s内的导通时间，下管为互补信号，则：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{aon}=\frac{T_s-T_x-T_y}{4}\\ t_{bon}=t_{aon}+\frac{T_x}{2}\\ t_{con}=t_{bon}+\frac{T_y}{2}\end{array}\right..$

9.如权利要求1所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述电机系统(M)通过驱动器(S1)与交流电源(S2)连接，其包括异步电机(700)、飞轮组件(800)和涡轮制动组件(900)；

所述异步电机(700)并联于驱动器(S1)的直流母线上，异步电机(700)包含电机轴(701)；

所述涡轮制动组件(900)包含定子部(901)和转子部(902)，所述转子部(902)与定子部(901)同轴设置，且转子部(902)能相对定子部(901)旋转运动，在定子部(901)通电的情况下，转子部(902)在定子部(901)附近旋转时，转子部(902)会产出电涡流形成阻碍力；

所述飞轮组件(800)和涡轮制动组件(900)的转子部(902)与电机轴(701)连接，伺服转台制动过程引起驱动器(S1)的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机(700)的电机轴(701)转动，电机轴(701)带动飞轮组件(800)旋转，制动产出的一部分电能便转化为飞轮组件(800)旋转的动能，当伺服转台恢复正常驱动状态时，驱动器(S1)的直流母线电压下降，异步电机(700)转速下降，飞轮组件(800)由于惯性作用带动电机轴(701)继续高速旋转，异步电机(700)产生电能并通过驱动器(S1)的直流母线提供给电机系统(M)；

伺服转台制动过程引起驱动器(S1)的直流母线电压上升，上升的电压驱动异步电机(700)的电机轴(701)转动，电机轴(701)带动涡轮制动组件(900)的转子部(902)旋转，转子部(902)被转子部(902)产生的电涡流阻碍，制动产出的一部分电能便转化为涡轮制动组件(900)电涡流的热能。

10.如权利要求9所述的飞轮涡轮储能制动装置，其特征在于：所述涡轮制动组件(900)的定子部(901)和转子部(902)之间的距离小于等于3mm，所述定子部(901)设置有与外部电源联通的磁场线圈(901a)，所述转子部(902)上设有封闭式的涡流线圈(902a)，转子部(902)在定子部(901)附近旋转时，转子部(902)上的涡流线圈(902a)切割通电的磁场线圈(901a)产生的磁感应线，涡流线圈(902a)产出电涡流形成阻碍力，阻碍转子部(902)的旋转趋势。