CN107623466A - 一种交直交牵引传动系统的制动装置及制动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种交直交牵引传动系统的交流侧制动装置和制动方法，该交直交牵引传动系统的交流侧制动装置包括：晶闸管相控整流器、电感、电阻、直流电压检测单元、电机电流检测单元和控制器。该方法包括：在逆变模块的三相输出端接入晶闸管相控整流器，晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻；将采样得到的直流侧电压和电机电流发送到控制器，控制器经过控制算法分别给逆变模块和晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，逆变模块控制三相交流电机运行。本发明的装置和方法无需四象限整流器，能够在交流侧实现制动，且交流电机处于可控的制动状态。当应用于级联H桥牵引传动系统时，不必在每个H桥功率单元的直流侧加制动单元，只需在电机输入端加入一个由晶闸管整流器、电感和电阻组成的制动单元即可，能耗制动简单实用。

Description

一种交直交牵引传动系统的制动装置及制动方法
技术领域
本发明涉及电机传动领域和电力电子技术领域，尤其是一种在交直交牵引传动系统中交流电机工作在再生制动工况下的能耗制动装置及制动方法。
背景技术
交直交牵引传动系统在工业中有着广泛的应用，例如钢铁、石油、纺织、轨道交通等领域，其应用的功率范围也很广，从几个千瓦到兆瓦级别。绝大多数的交直交牵引传动系统采用电压型变换器，牵引传动系统的主要结构如图1所示。变压器11原边接电网，副边接整流器12，整流器12将三相交流电变换为直流电，整流器12直流侧接支撑电容15，直流电再经过逆变器13变换，以输出电压和频率可变的交流电，逆变器13的三相输出接交流电机14，通过控制逆变器13实现对交流电机14的控制。
交流电机一般有牵引和制动两种运行工况。当运行在制动工况时，电机发电，能量从电机侧往电网侧方向传输。对再生制动能量的处理，需要根据前端整流器的类型采取不同的制动形式。整流器主要有两种，即二极管不控整流器和四象限整流器。非专利文献“变频器的综合应用(六)—变频调速系统的制动设计”(李方圆，《变频器世界》，2009(6):114-119)对常用的制动方案进行了介绍。
当整流器为二极管不控整流器时，可以采取在直流侧能耗制动的制动方式。因为二极管不控整流器是一种单向整流器，其存在的能量不能继续往电网侧传输，因此制动产生的再生电能传输到直流侧电容上，产生泵升电压，过高的泵升电压有可能损坏开关器件和直流侧电容、甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统的安全工作，因此需要将再生制动产生的能量在直流侧消耗掉。
现在广泛应用的整流器为二极管不控整流器的直流侧能耗制动主要有两种方式：
第一种方式如图2所示，通过在直流侧增加制动电阻，将开关管和制动电阻串联接在直流侧，当直流侧电压超过限制后开关管开始动作，将能量消耗在制动电阻上。图2中21为变压器，22为二极管不控整流器，23为逆变器，24为交流电机，25为支撑电容，26为直流侧制动单元。能量的流动如图2中箭头所示。
第二种方式如图3所示，是共用直流母线的回馈制动方式。图3中311为第一变压器，312为第二变压器，321为第一二极管不控整流器，322为第二二极管不控整流器，331为第一逆变器，332为第二逆变器，341为第一交流电机，342为第二交流电机，351为第一支撑电容，352为第二支撑电容。第一变压器311、第一二极管不控整流器321、第一逆变器331、第一支撑电容351和第一交流电机341构成第一牵引传动系统。第二变压器312、第二二极管不控整流器322、第二逆变器332、第二支撑电容352和第二交流电机342构成第二牵引传动系统。将第一牵引传动系统和第二牵引传动系统的直流侧并联，处于制动工况的交流电机产生的能量消耗在其他处于牵引工况的交流电机上。如图3所示，第一牵引传动系统处于制动工况，第一交流电机341的能量通过第一逆变器331传到直流侧，能量的流动如图3中箭头所示，即能量由第一牵引传动系统流向第二牵引传动系统。共用直流母线的回馈制动方式适用于两套以上牵引传动系统的情形，即可以存在第三牵引传动系统、第四牵引传动系统等。
如图4所示，当整流器采用四象限整流器时，对四象限整流器进行控制，再生制动产生的能量可以通过四象限整流器回馈到电网，使其得到有效利用。同时，直流侧不会产生泵升电压，可将直流侧电压稳定地控制在期望值。图4中41为变压器，42为四象限整流器，43为逆变器，44为交流电机，45为支撑电容。能量的流动如图4中箭头所示。
对比图2、图3和图4三种制动方式。图2的直流侧电阻能耗制动结构最为简单，只需控制与制动电阻串联的开关管即可，但这种方式不能对能量进行有效的利用。图3的共用直流母线回馈制动的方式虽然能对能量进行有效的利用，但是至少需要两套牵引传动系统才能实现，不适用于只有单台电机的牵引传动系统。图4的回馈到电网的制动方式同样能实现能量的回收利用，但是结构上需要四象限整流器，在控制逆变器的同时还需要对四象限整流器进行控制，实现起来较其它两种方式更为复杂，同时也会增大系统的成本。所以在不考虑能量回收利用的前提下，图2的直流侧的电阻能耗制动是一种简单实用的制动方式。
以上分析主是基于逆变器只有一个直流母线的前提下进行的，如通用的两电平逆变器。当采用如图5所示的级联H桥的牵引传动系统时(图5中51为移相变压器，52为H桥功率单元)，多个功率单元具有多个直流母线，此时如果继续采用直流侧电阻能耗制动的方式，那么每一个H桥的直流侧都需要接制动电阻，即每个H桥功率单元52都采用图6所示的结构，并且需要分别对每一个H桥直流侧的直流侧制动单元53的开关管进行斩波制动控制。能量的流动如图6中箭头所示。H桥级数越多，需要的直流侧制动单元53也就越多，也即制动电阻和制动开关管也就越多，这种情况下，直流侧电阻能耗制动就失去了其简单实用的优势。
针对现有技术中存在的上述缺点，CN200920225864.8公开了一种抽油机用永磁同步电机交流侧能耗制动装置，如图7所示。71为永磁同步电动机，72为检测电路，73为主控制电路，74为储能电源，75为触发电路，76为晶闸管组件，77为大功率制动电阻，78为压敏电阻。然而这种交流侧能耗制动装置是用在电机停电状态被拖动旋转而限制定子绕组的发电电压升高的场合，此时电机并不受控制，只是检测电机端电压，从而控制制动电阻的投切。这种制动方式并不能保证电机在连接主回路正常运行时的稳定制动。
因此，研发一种无需四象限整流器，且能在交流侧实现可控制动的交直交牵引传动系统的制动装置及其控制方法是十分必要的。
发明内容
针对现有技术和设备存在的问题，本发明提出了一种在保证控制电机正常运行的同时，在逆变器的交流侧进行电阻能耗制动的装置及其控制方法，适用于各种结构形式的逆变器，能够简单地实现再生制动能量的消耗，抑制直流侧的泵升电压，可以用于不适合在直流侧进行制动的应用场合。
本发明提出了一种交直交牵引传动系统中在逆变器交流侧进行电阻能耗制动的装置及制动方法。与传统的直流侧电阻能耗制动方式不同，本发明的制动电阻在逆变器的交流侧，逆变器的交流侧和制动电阻通过晶闸管相控整流器进行连接。当直流侧出现泵升电压并且到达限制值的时候，控制回路通过晶闸管相控整流器将制动电阻接入，再生制动产生的能量消耗在制动电阻上，从而达到抑制直流侧电压泵升的目的，而且晶闸管相控整流器的控制简单易实现，整个制动过程中电机能够稳定运行。
具体地说，本发明提供了一种交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，包括：变压器、二极管不控整流器、逆变器、交流电机、支撑电容、晶闸管相控整流器、电感、电阻、直流电压检测单元、电机电流检测单元和控制器；其中所述变压器、所述二极管不控整流器、所述逆变器、所述交流电机、所述支撑电容构成所述交直交牵引传动系统的主电路，所述晶闸管整流器、所述电感、所述电阻构成所述交直交牵引传动系统的制动回路，所述直流电压检测单元和所述电机电流检测单元分别对直流侧电压和所述交流电机的电流进行采样，所述交流侧制动装置的控制由所述控制器实现；所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的具体电路连接关系是：所述变压器的原边连接电网，所述变压器的副边接所述二极管不控整流器，所述二极管不控整流器将交流电变换为直流电，所述支撑电容连接在所述二极管不控整流器的直流侧的正负两端，所述逆变器的输入端接到直流侧，所述逆变器将直流电变换为电压和频率可控的交流电，所述逆变器的三相输出接所述交流电机，所述逆变器的三相输出端同时并联接入所述晶闸管相控整流器，所述晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻；所述直流侧电压检测单元检测直流侧电压，所述电机电流检测单元检测所述交流电机的电流；所述直流侧电压检测单元和所述电机电流检测单元将采样得到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器，所述控制器经过控制算法分别给所述逆变器和所述晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，所述逆变器控制所述交流电机运行，所述晶闸管相控整流器、所述电感和所述电阻组成制动回路，进行能耗制动。
作为一种优选的方案，在所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置中，电网的交流电经所述变压器接入所述二极管不控整流器，整流输出的直流电经所述逆变器变换为电压和频率可控的交流电，控制所述交流电机，制动回路包括所述晶闸管相控整流器、所述电感和所述电阻，所述直流侧电压检测单元采集直流侧电压，所述电机电流检测单元采集所述交流电机输入端的三相电流，将所述直流侧电压检测单元和所述电机电流检测单元采集到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器；所述控制器经过运算给所述逆变器输出脉冲信号，以控制所述交流电机运行；当所述交流电机运行在牵引工况时，直流侧电压稳定在所述二极管不控整流器的输出值，此时制动回路中的所述晶闸管相控整流器不工作，输出电压为零，所述制动电阻上电流为零，不消耗能量；当所述交流电机运行在制动工况时，所述直流侧电压检测单元检测到直流侧电压升高，并发送给所述控制器，所述控制器向所述晶闸管相控整流器发出相控角信号，使得所述晶闸管相控整流器的输出电压大于零，将所述交流电机制动产生的能量消耗在所述电阻上，从而保证直流侧电压不会上升，而是稳定在所述二极管不控整流器的输出值，所述晶闸管相控整流器的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节所述晶闸管相控整流器的输出，由此，所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置是一种可调节的制动负载。
本发明还提供了一种交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，包括：变压器、多个H桥功率单元、交流电机、晶闸管相控整流器、电感、电阻、直流电压检测单元、电机电流检测单元和控制器；其中所述变压器、所述多个H桥功率单元、所述交流电机构成所述交直交牵引传动系统的主电路，所述晶闸管整流器、所述电感、所述电阻构成所述交直交牵引传动系统的制动回路，所述直流电压检测单元和所述电机电流检测单元分别对直流侧电压和所述交流电机的电流进行采样，所述交流侧制动装置的控制由所述控制器实现；所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的具体电路连接关系是：所述变压器的原边连接电网，所述变压器的副边接多个H桥功率单元，所述多个H桥功率单元将交流电变换为直流电，再变换为电压和频率可控的交流电，所述多个H桥功率单元的输出接所述交流电机，所述多个H桥功率单元的出端同时并联接入所述晶闸管相控整流器，所述晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻；所述直流侧电压检测单元检测每个H桥功率单元的直流侧电压，所述电机电流检测单元检测所述交流电机的电流；所述直流侧电压检测单元和所述电机电流检测单元将采样得到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器，所述控制器经过控制算法分别给所述多个H桥功率单元和所述晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，所述多个H桥功率单元控制所述交流电机运行，所述晶闸管相控整流器、所述电感和所述电阻组成制动回路，进行能耗制动。
作为一种优选的方案，在所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置中，电网的交流电经所述变压器接入所述多个H桥功率单元，所述多个H桥功率单元控制所述交流电机，制动回路包括所述晶闸管相控整流器、所述电感和所述电阻，所述直流侧电压检测单元采集所述多个H桥功率单元的直流侧电压，所述电机电流检测单元采集所述交流电机输入端的三相电流，将所述直流侧电压检测单元和所述电机电流检测单元采集到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器；所述控制器经过运算给所述多个H桥功率单元输出脉冲信号，以控制所述交流电机运行；当所述交流电机运行在牵引工况时，直流侧电压稳定在所述多个H桥功率单元的直流侧电压的输出值，此时制动回路中的所述晶闸管相控整流器不工作，输出电压为零，所述制动电阻上电流为零，不消耗能量；当所述交流电机运行在制动工况时，所述直流侧电压检测单元检测到直流侧电压升高，并发送给所述控制器，所述控制器向所述晶闸管相控整流器发出相控角信号，使得所述晶闸管相控整流器的输出电压大于零，将所述交流电机制动产生的能量消耗在所述电阻上，从而保证直流侧电压不会上升，而是稳定在所述多个H桥功率单元的直流侧电压的输出值，所述晶闸管相控整流器的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节所述晶闸管相控整流器的输出，由此，所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置是一种可调节的制动负载。
本发明还提供了一种交直交牵引传动系统的制动方法，在交直交牵引传动系统的逆变模块的三相输出接交流电机，其特征在于：在逆变模块的三相输出端接入晶闸管相控整流器，所述晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻；直流侧电压检测单元检测交直交牵引传动系统的直流侧电压，电机电流检测单元检测交流电机的电流，直流侧电压检测单元和电机电流检测单元将采样得到的直流侧电压和电机电流发送到控制器，控制器经过控制算法分别给逆变模块和晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，逆变模块控制三相交流电机运行，晶闸管相控整流器、电感和电阻组成制动回路，进行能耗制动。
作为一种优选的方案，交直交牵引传动系统包括整流模块和所述逆变模块，整流模块的输出端为所述直流侧，逆变模块的输入端为所述直流侧。
作为一种优选的方案，交直交牵引传动系统包括多个级联的H桥功率单元，每个H桥功率单元都具有整流模块和所述逆变模块，所述直流侧电压检测单元检测每个H桥功率单元的直流侧电压。
作为一种优选的方案，该方法包括如下步骤：当交流电机运行在牵引工况时，直流侧电压稳定，此时制动回路中的晶闸管相控整流器不工作，输出电压为零，电阻上电流为零，不消耗能量；当交流电机运行在制动工况时，直流侧电压检测单元检测到直流侧电压升高，并发送给控制器，控制器向晶闸管相控整流器发出相控角信号，使得晶闸管相控整流器的输出电压大于零，将交流电机制动产生的能量消耗在电阻上，从而保证直流侧电压不会上升，而是保持稳定；其中晶闸管相控整流器的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节晶闸管相控整流器的输出，所以该制动方法是一种可调节的制动方法。
作为一种优选的方案，该方法包括如下步骤：电网侧电压Us恒定时，整流器模块的输出电压Udc_Cmd保持不变，Udc_Cmd作为直流侧电压的指令值；直流侧电压检测单元对直流侧电压Udc_Sample进行采样，电机电流检测单元对电机电流进行采样，在控制器中对电机进行闭环控制，实现电机的变频调速和转矩输出；当控制电机运行在制动工况时，在控制器中对直流侧电压做闭环控制，直流侧电压的指令值为Udc_Cmd，采样得到的Udc_Sample作为闭环系统的反馈值，将电压误差Udc_err输入到PI控制器中，其中Udc_err＝Udc_Cmd-Udc_Sample，PI控制器的输出为晶闸管相控整流器的相控角；电机运行在不同工况下的控制方式如下：电机运行在牵引工况：能量从电网侧向电机侧传输，直流侧电压稳定在指令值，此时制动单元不工作，晶闸管相控整流器86输出电压为零，制动回路不消耗能量。电机运行在制动工况：能量从电机侧向电网侧传输，由于整流模块只能单向传输能量，直流侧电压会升高，Udc_Sample>Udc_Cmd，则Udc_err<0，此时制动单元开始工作，PI控制器输出为晶闸管相控整流器的相控角，此时相控角小于90°，晶闸管相控整流器86输出电压大于0，制动产生的能量消耗在电阻上，从而使得直流侧电压稳定在Udc_Cmd。制动过程中依然可通过采样电流对交流电机进行闭环控制，有效控制交流电机的转矩和加减速，交流电机处于可控的制动状态。
作为一种优选的方案，所述逆变器为两电平逆变器或三电平逆变器。
作为一种优选的方案，所述交流电机为感应电机或永磁同步电机。
作为一种优选的方案，所述控制器为PLC、单片机或DSP。
本发明的交直交牵引传动系统的交流侧制动装置和制动方法的技术效果是：无需四象限整流器，在交流侧实现制动，且交流电机处于可控的制动状态。当应用于级联H桥牵引传动系统时，不必在每个H桥功率单元的直流侧加制动单元，只需在电机输入端加入一个由晶闸管整流器、电感和电阻组成的制动单元即可，能耗制动简单实用。
附图说明
图1是现有技术的牵引传动系统的电路图。
图2是现有技术的直流侧电阻能耗制动电路图。
图3是现有技术的共用直流母线回馈制动电路图。
图4是现有技术的具有四象限整流器的回馈到电网的制动电路图。
图5是现有技术的级联H桥的牵引传动系统的电路图。
图6是图5中的每个H桥功率单元52的电路图。
图7是现有技术的交流侧能耗制动装置。
图8是本发明的交流侧制动装置的主电路图。
图9是本发明的交流侧制动装置应用于级联H桥牵引传动系统的电路图。
图10是本发明的交流侧制动方法的闭环控制示意图。
具体实施方式
以下结合图8对本发明的交直交牵引传动系统的交流侧制动装置进行说明。
交直交牵引传动系统的交流侧制动装置包括变压器81、二极管不控整流器82、逆变器83、交流电机84、支撑电容85、晶闸管相控整流器86、电感87、电阻88、直流电压检测单元89、电机电流检测单元810和控制器811。其中变压器81、二极管不控整流器82、逆变器83、交流电机84、支撑电容85构成交直交牵引传动系统的主电路，晶闸管整流器86、电感87、电阻88构成牵引传动系统的制动回路，直流电压检测单元89和电机电流检测单元810分别对直流侧电压和交流电机84的电流进行采样，交流侧制动装置的控制由控制器811实现。
交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的具体电路连接关系是：变压器81原边连接电网，副边接二极管不控整流器82，二极管不控整流器82将交流电变换为直流电，支撑电容85连接在二极管不控整流器82的直流侧的正负两端，逆变器83的输入端接到直流侧，将直流电变换为电压和频率可控的交流电，逆变器83的三相输出接三相交流电机84。逆变器83的三相输出端同时并联接入晶闸管相控整流器86，晶闸管相控整流器86的输出端连接串联连接的电感87和电阻88。直流侧电压检测单元89检测直流侧电压，电机电流检测单元810检测三相电机84的电流。直流侧电压检测单元89和电机电流检测单元810将采样得到的直流侧电压和电机电流发送到控制器811，控制器811经过控制算法分别给逆变器83和晶闸管相控整流器86输出脉冲信号和相控角信号，逆变器83控制交流电机84运行，晶闸管相控整流器86、电感87和电阻88组成制动回路，进行能耗制动。
逆变器83优选为两电平逆变器或三电平逆变器。
三相交流电机84优选为感应电机或永磁同步电机。
控制器811优选为PLC、单片机或DSP。
交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的工作原理如下：电网的交流电经变压器81接入二极管不控整流器82，整流输出的直流电经逆变器83变换为电压和频率可控的交流电，控制交流电机84，制动回路包括晶闸管相控整流器86、电感87和电阻88，直流侧电压检测单元89采集直流侧电压，电机电流检测单元810采集电机输入端的三相电流，将直流侧电压检测单元89和电机电流检测单元810采集到的直流侧电压和电机电流发送到控制器811。控制器811经过运算给逆变器83输出脉冲信号，以控制交流电机84运行。当交流电机84运行在牵引工况时，直流侧电压稳定在二极管不控整流器82的输出值，此时制动回路中的晶闸管相控整流器86不工作，输出电压为零，制动电阻88上电流为零，不消耗能量。当电机84运行在制动工况时，直流侧电压检测单元89检测到直流侧电压升高，并发送给控制器811，控制器811向晶闸管相控整流器86发出相控角信号，使得晶闸管相控整流器86的输出电压大于零，将交流电机84制动产生的能量消耗在电阻88上，从而保证直流侧电压不会上升，而是稳定在二极管整流器82的输出值。晶闸管相控整流器86的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节晶闸管相控整流器86的输出，所以该制动装置是一种可调节的制动负载。
参见图9，图9是本发明的交流侧制动装置应用于级联H桥牵引传动系统的电路图。图9的交直交牵引传动系统的交流侧制动装置包括移相变压器91、H桥功率单元92、交流电机93、晶闸管相控整流器94、电感95和电阻96。需要说明的是，图9中还包含与图8中相同的直流电压检测单元89(未图示)、电机电流检测单元810(未图示)和控制器811(未图示)。图9中，不必在每个H桥功率单元92的直流侧加制动单元，只需在电机输入端加入一个由晶闸管整流器94、电感95和电阻96组成的制动回路即可，按照上述工作原理进行能耗制动，简单实用。
下面对本申请涉及的交直交牵引传动系统的制动方法进行说明。
本发明提供了一种交直交牵引传动系统的制动方法，在交直交牵引传动系统的逆变模块的三相输出接三相交流电机84，并且逆变模块的三相输出端同时并联接入晶闸管相控整流器，晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻。直流侧电压检测单元检测交直交牵引传动系统的直流侧电压，电机电流检测单元检测三相交流电机的电流，直流侧电压检测单元和电机电流检测单元将采样得到的直流侧电压和电机电流发送到控制器，控制器经过控制算法分别给逆变部分和晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，逆变部分控制三相交流电机运行，晶闸管相控整流器、电感和电阻组成制动回路，进行能耗制动。
在一个变形实施例中，交直交牵引传动系统包括整流模块和所述逆变模块，整流模块的输出端为所述直流侧，逆变模块的输入端为所述直流侧。
在一个变形实施例中，交直交牵引传动系统包括多个级联的H桥功率单元92，每个H桥功率单元都具有整流模块和所述逆变模块，直流侧电压检测单元检测每个H桥功率单元92的直流侧电压。
交直交牵引传动系统的制动方法包括如下步骤：当交流电机运行在牵引工况时，直流侧电压稳定，此时制动回路中的晶闸管相控整流器不工作，输出电压为零，电阻上电流为零，不消耗能量；当交流电机运行在制动工况时，直流侧电压检测单元检测到直流侧电压升高，并发送给控制器，控制器向晶闸管相控整流器发出相控角信号，使得晶闸管相控整流器的输出电压大于零，将交流电机制动产生的能量消耗在电阻上，从而保证直流侧电压不会上升，而是保持稳定；其中晶闸管相控整流器的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节晶闸管相控整流器的输出，所以该制动方法是一种可调节的制动方法。
以一个具体实施例对本发明的制动方法的具体算法进行说明。
电网侧电压Us恒定，整流器模块的输出电压Udc_Cmd保持不变，Udc_Cmd作为直流侧电压的指令值。直流侧电压检测单元89对直流侧电压Udc_Sample进行采样，电机电流检测单元810对电机电流进行采样，在控制器811中对电机进行闭环控制，实现电机84的变频调速和转矩输出。
当控制电机84运行在制动工况时，在控制器811中对直流侧电压做闭环控制，如图10所示，直流侧电压的指令值为Udc_Cmd，采样得到的Udc_Sample作为闭环系统的反馈值，将电压误差Udc_err输入到PI控制器中，其中Udc_err＝Udc_Cmd-Udc_Sample，PI控制器的输出为晶闸管相控整流器86的相控角。
电机84运行在不同工况下的控制方式如下：
电机84运行在牵引工况：能量从电网侧向电机侧传输，直流侧电压稳定在指令值，此时制动单元不工作，晶闸管相控整流器86输出电压为零，制动回路不消耗能量。
电机84运行在制动工况：能量从电机侧向电网侧传输，由于整流模块只能单向传输能量，直流侧电压会升高，Udc_Sample>Udc_Cmd，则Udc_err<0，此时制动单元开始工作，PI控制器输出为晶闸管相控整流器86的相控角，此时相控角小于90°，晶闸管相控整流器86输出电压大于0，制动产生的能量消耗在电阻88上，从而使得直流侧电压稳定在Udc_Cmd。制动过程中依然可通过采样电流对交流电机84进行闭环控制，有效控制交流电机84的转矩和加减速，交流电机84处于可控的制动状态。

Claims (10)

1.一种交直交牵引传动系统的制动装置，包括：变压器(81)、二极管不控整流器(82)、逆变器(83)、交流电机(84)、支撑电容(85)和直流侧制动单元。
2.一种交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，包括：变压器(81)、二极管不控整流器(82)、逆变器(83)、交流电机(84)、支撑电容(85)、晶闸管相控整流器(86)、电感(87)、电阻(88)、直流电压检测单元(89)、电机电流检测单元(810)和控制器(811)；其中所述变压器(81)、所述二极管不控整流器(82)、所述逆变器(83)、所述交流电机(84)、所述支撑电容(85)构成所述交直交牵引传动系统的主电路，所述晶闸管整流器(86)、所述电感(87)、所述电阻(88)构成所述交直交牵引传动系统的制动回路，所述直流电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)分别对直流侧电压和所述交流电机(84)的电流进行采样，所述交流侧制动装置的控制由所述控制器(811)实现；所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的具体电路连接关系是：所述变压器(81)的原边连接电网，所述变压器(81)的副边接所述二极管不控整流器(82)，所述二极管不控整流器(82)将交流电变换为直流电，所述支撑电容(85)连接在所述二极管不控整流器(82)的直流侧的正负两端，所述逆变器(83)的输入端接到直流侧，所述逆变器(83)将直流电变换为电压和频率可控的交流电，所述逆变器(83)的三相输出接所述交流电机(84)，所述逆变器(83)的三相输出端同时并联接入所述晶闸管相控整流器(86)，所述晶闸管相控整流器(86)的输出端连接串联连接的电感(87)和电阻(88)；所述直流侧电压检测单元(89)检测直流侧电压，所述电机电流检测单元(810)检测所述交流电机(84)的电流；所述直流侧电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)将采样得到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器(811)，所述控制器(811)经过控制算法分别给所述逆变器(83)和所述晶闸管相控整流器(86)输出脉冲信号和相控角信号，所述逆变器(83)控制所述交流电机(84)运行，所述晶闸管相控整流器(86)、所述电感(87)和所述电阻(88)组成制动回路，进行能耗制动。
3.如权利要求2所述的交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，其特征在于：在所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置中，电网的交流电经所述变压器(81)接入所述二极管不控整流器(82)，整流输出的直流电经所述逆变器(83)变换为电压和频率可控的交流电，控制所述交流电机(84)，制动回路包括所述晶闸管相控整流器(86)、所述电感(87)和所述电阻(88)，所述直流侧电压检测单元(89)采集直流侧电压，所述电机电流检测单元(810)采集所述交流电机(84)输入端的三相电流，将所述直流侧电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)采集到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器(811)；所述控制器(811)经过运算给所述逆变器(83)输出脉冲信号，以控制所述交流电机(84)运行；当所述交流电机(84)运行在牵引工况时，直流侧电压稳定在所述二极管不控整流器(82)的输出值，此时制动回路中的所述晶闸管相控整流器(86)不工作，输出电压为零，所述制动电阻(88)上电流为零，不消耗能量；当所述交流电机(84)运行在制动工况时，所述直流侧电压检测单元(89)检测到直流侧电压升高，并发送给所述控制器(811)，所述控制器(811)向所述晶闸管相控整流器(86)发出相控角信号，使得所述晶闸管相控整流器(86)的输出电压大于零，将所述交流电机(84)制动产生的能量消耗在所述电阻(88)上，从而保证直流侧电压不会上升，而是稳定在所述二极管不控整流器(82)的输出值，所述晶闸管相控整流器(86)的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节所述晶闸管相控整流器(86)的输出，由此，所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置是一种可调节的制动负载。
4.一种交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，包括：变压器(91)、多个H桥功率单元(92)、交流电机(93)、晶闸管相控整流器(94)、电感(95)、电阻(96)、直流电压检测单元(89)、电机电流检测单元(810)和控制器(811)；其中所述变压器(91)、所述多个H桥功率单元(92)、所述交流电机(93)构成所述交直交牵引传动系统的主电路，所述晶闸管整流器(94)、所述电感(95)、所述电阻(96)构成所述交直交牵引传动系统的制动回路，所述直流电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)分别对直流侧电压和所述交流电机(93)的电流进行采样，所述交流侧制动装置的控制由所述控制器(811)实现；所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置的具体电路连接关系是：所述变压器(91)的原边连接电网，所述变压器(81)的副边接多个H桥功率单元(92)，所述多个H桥功率单元(92)将交流电变换为直流电，再变换为电压和频率可控的交流电，所述多个H桥功率单元(92)的输出接所述交流电机(93)，所述多个H桥功率单元(92)的出端同时并联接入所述晶闸管相控整流器(94)，所述晶闸管相控整流器(94)的输出端连接串联连接的电感(95)和电阻(96)；所述直流侧电压检测单元(89)检测每个H桥功率单元(92)的直流侧电压，所述电机电流检测单元(810)检测所述交流电机(93)的电流；所述直流侧电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)将采样得到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器(811)，所述控制器(811)经过控制算法分别给所述多个H桥功率单元(92)和所述晶闸管相控整流器(94)输出脉冲信号和相控角信号，所述多个H桥功率单元(92)控制所述交流电机(93)运行，所述晶闸管相控整流器(94)、所述电感(95)和所述电阻(96)组成制动回路，进行能耗制动。
5.如权利要求4所述的交直交牵引传动系统的交流侧制动装置，其特征在于：在所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置中，电网的交流电经所述变压器(81)接入所述多个H桥功率单元(92)，所述多个H桥功率单元(92)控制所述交流电机(93)，制动回路包括所述晶闸管相控整流器(94)、所述电感(95)和所述电阻(96)，所述直流侧电压检测单元(89)采集所述多个H桥功率单元(92)的直流侧电压，所述电机电流检测单元(810)采集所述交流电机(93)输入端的三相电流，将所述直流侧电压检测单元(89)和所述电机电流检测单元(810)采集到的所述直流侧电压和电机电流发送到所述控制器(811)；所述控制器(811)经过运算给所述多个H桥功率单元(92)输出脉冲信号，以控制所述交流电机(93)运行；当所述交流电机(93)运行在牵引工况时，直流侧电压稳定在所述多个H桥功率单元(92)的直流侧电压的输出值，此时制动回路中的所述晶闸管相控整流器(94)不工作，输出电压为零，所述制动电阻(88)上电流为零，不消耗能量；当所述交流电机(93)运行在制动工况时，所述直流侧电压检测单元(89)检测到直流侧电压升高，并发送给所述控制器(811)，所述控制器(811)向所述晶闸管相控整流器(94)发出相控角信号，使得所述晶闸管相控整流器(94)的输出电压大于零，将所述交流电机(93)制动产生的能量消耗在所述电阻(96)上，从而保证直流侧电压不会上升，而是稳定在所述多个H桥功率单元(92)的直流侧电压的输出值，所述晶闸管相控整流器(86)的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节所述晶闸管相控整流器(86)的输出，由此，所述交直交牵引传动系统的交流侧制动装置是一种可调节的制动负载。
6.一种交直交牵引传动系统的制动方法，在交直交牵引传动系统的逆变模块的三相输出接交流电机，其特征在于：在逆变模块的三相输出端接入晶闸管相控整流器，所述晶闸管相控整流器的输出端连接串联连接的电感和电阻；直流侧电压检测单元检测交直交牵引传动系统的直流侧电压，电机电流检测单元检测交流电机的电流，直流侧电压检测单元和电机电流检测单元将采样得到的直流侧电压和电机电流发送到控制器，控制器经过控制算法分别给逆变模块和晶闸管相控整流器输出脉冲信号和相控角信号，逆变模块控制三相交流电机运行，晶闸管相控整流器、电感和电阻组成制动回路，进行能耗制动。
7.如权利要求6所述的交直交牵引传动系统的制动方法，其特征在于，交直交牵引传动系统包括整流模块和所述逆变模块，整流模块的输出端为所述直流侧，逆变模块的输入端为所述直流侧。
8.如权利要求6所述的交直交牵引传动系统的制动方法，其特征在于，交直交牵引传动系统包括多个级联的H桥功率单元(92)，每个H桥功率单元都具有整流模块和所述逆变模块，所述直流侧电压检测单元检测每个H桥功率单元(92)的直流侧电压。
9.如权利要求6或7或8所述的交直交牵引传动系统的制动方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：当交流电机运行在牵引工况时，直流侧电压稳定，此时制动回路中的晶闸管相控整流器不工作，输出电压为零，电阻上电流为零，不消耗能量；当交流电机运行在制动工况时，直流侧电压检测单元检测到直流侧电压升高，并发送给控制器，控制器向晶闸管相控整流器发出相控角信号，使得晶闸管相控整流器的输出电压大于零，将交流电机制动产生的能量消耗在电阻上，从而保证直流侧电压不会上升，而是保持稳定；其中晶闸管相控整流器的相控角会随着直流侧电压的变化而变化，从而调节晶闸管相控整流器的输出，所以该制动方法是一种可调节的制动方法。
10.如权利要求9所述的交直交牵引传动系统的制动方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：电网侧电压Us恒定时，整流器模块的输出电压Udc_Cmd保持不变，Udc_Cmd作为直流侧电压的指令值；直流侧电压检测单元(89)对直流侧电压Udc_Sample进行采样，电机电流检测单元(810)对电机电流进行采样，在控制器(811)中对电机进行闭环控制，实现电机(84)的变频调速和转矩输出；
当控制电机(84)运行在制动工况时，在控制器(811)中对直流侧电压做闭环控制，直流侧电压的指令值为Udc_Cmd，采样得到的Udc_Sample作为闭环系统的反馈值，将电压误差Udc_err输入到PI控制器中，其中Udc_err＝Udc_Cmd-Udc_Sample，PI控制器的输出为晶闸管相控整流器(86)的相控角；
电机(84)运行在不同工况下的控制方式如下：
电机(84)运行在牵引工况：能量从电网侧向电机侧传输，直流侧电压稳定在指令值，此时制动单元不工作，晶闸管相控整流器(86)输出电压为零，制动回路不消耗能量；
电机(84)运行在制动工况：能量从电机侧向电网侧传输，由于整流模块只能单向传输能量，直流侧电压会升高，Udc_Sample>Udc_Cmd，则Udc_err<0，此时制动单元开始工作，PI控制器输出为晶闸管相控整流器(86)的相控角，此时相控角小于90°，晶闸管相控整流器(86)输出电压大于0，制动产生的能量消耗在电阻(88)上，从而使得直流侧电压稳定在Udc_Cmd；制动过程中依然可通过采样电流对交流电机(84)进行闭环控制，有效控制交流电机(84)的转矩和加减速，交流电机(84)处于可控的制动状态。
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