CN115940713B - 一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置，涉及电力电子及电力传动领域，主要应用于控制电励磁电机励磁电流大小的励磁电路中。本发明在电励磁电机需要进行灭磁时，控制励磁电路中的MOS管关断，谐振灭磁电路使励磁绕组与电容进行谐振，励磁电流迅速谐振降低至零，并且二极管阻止励磁电流过零后继续谐振产生反向励磁电流。本发明在原有电路的基础上增加谐振灭磁所需的无源元件，即可实现电励磁电机的高速灭磁，从而提升系统动态响应能力与故障状态下紧急保护能力。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子及电力传动领域，尤其涉及一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置。
背景技术
电励磁电机由于主磁场由励磁绕组提供，因而具有磁场可调、功率因数可调等优点。尤其是在故障状态下可以通过灭磁从而避免持续过大短路电流等危险情况而被广泛应用于工业、民用以及航空航天等领域。
用于控制电励磁电机励磁电流的电路仅需要一个开关管和二极管即可实现，但该电路无法实现励磁电流迅速下降，仅能依靠励磁绕组自身电阻损耗使励磁电流下降，灭磁速度缓慢。为了应对灭磁工况，需要额外增加用于灭磁的开关管和二极管。在灭磁状态下，反向电压施加到励磁绕组上从而实现迅速灭磁。
目前的解决思路是，在励磁绕组上施加反向电压来实现灭磁，比如：通过控制开关管状态在励磁绕组上施加反向电压实现快速灭磁。并且在灭磁过程中将原有的磁场能量直接消耗，没有进行能量收集再利用，长此以往也会造成一定的能源浪费。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置，利用LC谐振的方式来提高实现电励磁电机高速灭磁，从而提升系统动态响应能力，并且在灭磁时的过程中实现电能回馈，从而一定程度上达到了节约能源的目的。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
所述谐振灭磁电路的组成部分包括：励磁功率电路(1)、电励磁电机(2)、电流传感器(3)、信号调理电路(4)、驱动电路(5)、励磁控制器(6)和谐振灭磁电路(7)，其中，励磁功率电路(1)、电励磁电机(2)、电流传感器(3)、信号调理电路(4)、驱动电路(5)和励磁控制器(6)，其中，励磁功率电路(1)连接驱动电路(5)和电励磁电机(2)，电流传感器(3)设置在励磁功率电路(1)和电励磁电机(2)之间，信号调理电路(4)连接电流传感器(3)和励磁控制器(6)，励磁控制器(6)用于向驱动电路(5)输出PWM信号；
谐振灭磁电路(7)的输入端接入直流电源，谐振灭磁电路(7)的输出端接入励磁功率电路(1)，所述的谐振灭磁电路(7)由一个二极管和至少一个电容组成，所述至少一个电容包括谐振电容，二极管的阴极连接在谐振电容的正极，所述谐振电容连接励磁功率电路(1)的两个桥臂；
当需要启动灭磁时，励磁控制器(6)用于向驱动电路(5)发出表示紧急关断的PWM信号，驱动电路(5)触发励磁功率电路(1)中的MOS管关断。
本发明实施例提供的用于电励磁电机的谐振灭磁装置，主要应用于控制电励磁电机励磁电流大小的励磁电路中，当电励磁电机需要进行灭磁时，控制励磁电路中的MOS管关断，谐振灭磁电路使励磁绕组与电容进行谐振，励磁电流迅速谐振降低至零，并且二极管阻止励磁电流过零后继续谐振产生反向励磁电流。即通过谐振的方式来提高实现电励磁电机高速灭磁，从而提升系统动态响应能力，并且在灭磁时的过程中实现电能回馈，从而一定程度上达到了节约能源的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的系统硬件拓扑示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的在常规励磁工况Q1导通时工作模态示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的在常规励磁工况Q1关断时工作模态示意图；
图3为本发明实施例提供的在谐振灭磁状态时励磁电流回路图；
图4为本发明实施例提供的谐振灭磁与传统灭磁方式效果对比示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例的主要设计目的在于，解决电励磁电机在灭磁状态下励磁电流下降速度慢，且灭磁速度受电路参数影响的问题。所设计的谐振灭磁装置，通过在励磁电路中增加谐振所需的无源元件，利用LC谐振的方式来提高实现电励磁电机高速灭磁，从而提升系统动态响应能力，而动态响应能力的提升也更加有利于进一步提高故障状态紧急保护能力，保证设备与人员的安全。并且灭磁时间可以通过理论计算得到，方便设计研发人员进行器件选型。具体来说：
本发明实施例提供一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置，如图1所示，包括：励磁功率电路(1)、电励磁电机(2)、电流传感器(3)、信号调理电路(4)、驱动电路(5)、励磁控制器(6)和谐振灭磁电路(7)，其中，励磁功率电路(1)、电励磁电机(2)、电流传感器(3)、信号调理电路(4)、驱动电路(5)和励磁控制器(6)，其中，励磁功率电路(1)连接驱动电路(5)和电励磁电机(2)，电流传感器(3)设置在励磁功率电路(1)和电励磁电机(2)之间，信号调理电路(4)连接电流传感器(3)和励磁控制器(6)，励磁控制器(6)用于向驱动电路(5)输出PWM信号；
其中，谐振灭磁电路(7)的输入端接入直流电源，谐振灭磁电路(7)的输出端接入励磁功率电路(1)，谐振灭磁电路(7)与励磁功率电路(1)以级联形式相连，所述的谐振灭磁电路(7)由一个二极管和至少一个电容组成，所述至少一个电容包括谐振电容，二极管的阴极连接在谐振电容的正极，所述谐振电容连接励磁功率电路(1)的两个桥臂；当需要启动灭磁时，励磁控制器(6)向驱动电路(5)发出用于表示紧急关断的PWM信号，驱动电路(5)控制使励磁功率电路(1)中的MOS管关断。
具体的，谐振灭磁电路(7)由二极管D、电容C1和电容C2组成，电容C1的电容值大于电容C2。电容C1作为谐振灭磁电路(7)的输入端的滤波电容；电容C2作为谐振灭磁电路(7)的谐振电容；二极管D的阳极连接在电容C1的正极，二极管D的阴极连接在电容C2的正极。
可选的，若所述直流电源中自带有滤波电容，则谐振灭磁电路(7)由一个二极管D和一个电容C2组成。
本实施例中，在励磁功率电路(1)中，主电路由两个MOS管和两个二极管构成，其中，MOS管Q1与二极管D1构成第一个桥臂，Q1的漏极与电源正极相连，Q1的源极与D1阴极相连，D1阳极与电源负极相连；MOS管Q2与二极管D2构成第二个桥臂，Q2的源极与电源负极相连，Q2的漏极与D2阳极相连，D2阴极与电源正极相连；MOS管Q1和MOS管Q2的栅极均连接驱动电路(5)，两个桥臂的中点作为励磁输出端。两个桥臂中点a与b作为励磁输出端与电励磁电机励磁绕组相连。
电励磁电机(2)的主磁场，由电励磁电机(2)的励磁绕组通入励磁电流后产生，且通入电励磁电机(2)的励磁绕组的励磁电流为直流电；电流传感器(3)串联在电励磁电机(2)的励磁绕组的电流输入端，电流传感器(3)用于采样得到电机励磁绕组的励磁电流If；信号调理电路中(4)用于接收到电流传感器(3)输出的电信号，并对电流传感器(3)输出的电信号进行处理后，输出励磁电流反馈信号If_fdb，其中，信号调理电路中(4)对电信号进行的处理包括：电气隔离、幅值放大或衰减。具体的，可以通过磁耦或光耦的方式实现电气隔离，由运算放大器构成的比例运算电路实现电信号幅值的放大或衰减。在实际应用中，可以根据实际应用需要选择电气隔离、幅值放大或衰减等操作，以通常情况来看，“电气隔离、幅值放大”或“电气隔离、幅值衰减”基本能够应对大部分需求的情况。
驱动电路(5)用于在接收到励磁控制器(6)发出的PWM信号后，进行电气隔离；并驱动MOS管使其工作在高频开关状态，开关频率为数kHz至几十kHz，即1kHz～99kHz的范围内；励磁控制器(6)采用数字微控制单元；励磁控制器(6)采样得到信号调理电路(4)输出的励磁电流反馈信号If_fdb；之后励磁控制器(6)将If_fdb与后励磁控制器(6)中设定的励磁电流基准值If_ref进行比较计算，最终输出PWM信号控制MOS管的开通关断。
实际应用中，当励磁功率电路(1)正常工作时，MOS管Q1工作在PWM开关模式且MOS管Q2持续导通，其中，通过控制Q1管占空比调节电励磁电机(2)的励磁电流大小；
当励磁功率电路(1)需要灭磁时，磁功率电路(1)中的MOS管受到驱动电路(5)的控制关断，其中，二极管D1和二极管D2导通，同时电励磁电机(2)的励磁电感与电容C2进行谐振，以便于电励磁电机(2)励磁绕组中的励磁电流回馈进电容C2直至励磁电流降为零。
本实施例所设计的谐振灭磁，可以理解为：励磁电路正常工作时，Q1管斩波，Q2管持续导通，通过控制Q1管占空比调节电励磁电机(2)的励磁电流大小；当发生故障需要灭磁时，励磁控制器(6)发出紧急关断信号，驱动电路(5)使两个MOS管迅速关断，由于励磁绕组中电流不能突变，二极管D1与D2导通，励磁电感与电容C2进行谐振，励磁绕组中的励磁电流回馈进电容C2中，励磁电流迅速降为零；二极管D1与D2阻止电路继续反向谐振，二极管D决定了励磁电感仅与电容C2进行谐振，而不与滤波电容C1谐振。
例如：励磁电路正常工作时，Q1管斩波，Q2管持续导通。当Q1管与Q2管均导通时，如图2(a)所示，输入电压施加到电机励磁绕组上，励磁电流上升；当Q1管关断、Q2管导通时，如图2(b)所示，电机励磁绕组被D1与Q2短路进入续流状态，由于绕组电阻的存在使励磁电流下降；通过控制每个开关周期内励磁电流的上升下降调节励磁电流平均值。当发生故障需要灭磁时，励磁控制器(6)发出紧急关断信号，驱动电路(5)使两个MOS管紧急关断，由于励磁绕组中电流不能突变，二极管D1与D2导通，励磁电感与电容C2进行谐振，励磁绕组中的励磁电流回馈进电容C2中，如图3所示，励磁电流迅速降为零。电容C2上电压升高，二极管D处于截止状态，二极管D决定了励磁电感仅与电容C2进行谐振，而不与滤波电容C1谐振。在励磁电流谐振过零点后，谐振过程被二极管D1与D2阻断，防止电路继续反向谐振。
进一步的，本实施例中，所述励磁电感与电容C2按照励磁电流谐振模型进行谐振，谐振电容C2由设计人员选定，励磁绕组电感L由电机参数表或说明书得到，输入侧直流电压为u，灭磁时刻励磁电流为i，；L表示所述励磁电感的电感值，C表示谐振电容C2的电容值；所述励磁电流谐振模型为：
其中，可以进一步计算得到从灭磁动作开始到励磁电流降为0所需的时间t为：
由此可见，本实施例中仅仅改变谐振电容C2的大小即可对灭磁时间进行调整。例如：如图4所示为本发明所提供的谐振灭磁电路与传统灭磁方式的灭磁效果对比，在0.1s时开始灭磁，采用谐振灭磁比传统灭磁时间缩短了70％，大幅提升了系统的动态响应能力。
总的来说，本实施例的方案中，当励磁电路正常工作时，Q1管斩波，Q2管持续导通，通过控制Q1管占空比调节电机励磁电流大小；当发生故障需要灭磁时，励磁控制器(6)发出紧急关断信号，驱动电路(5)使两个MOS管紧急关断，由于励磁绕组中电流不能突变，二极管D1与D2导通，励磁电感与电容C2进行谐振，励磁绕组中的励磁电流回馈进电容C2中，励磁电流迅速降为零；二极管D1与D2阻止电路继续反向谐振，二极管D决定了励磁电感仅与电容C2进行谐振，而不与滤波电容C1谐振。因此，本实施例的主要优点在于：1、本发明实现电励磁电机在故障状态下的的高速灭磁，保证人员与设备安全；2、本发明实现灭磁时的电能回馈，节约能源且不对输入侧产生不利影响；3、本发明仅对硬件电路稍加改动即可实现，便于理论计算，操作性强。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种用于电励磁电机的谐振灭磁装置，其特征在于，所述谐振灭磁装置的组成部分包括：励磁功率电路(1)、电励磁电机(2)、电流传感器(3)、信号调理电路(4)、驱动电路(5)、励磁控制器(6)和谐振灭磁电路(7)，其中，励磁功率电路(1)连接驱动电路(5)和电励磁电机(2)，电流传感器(3)设置在励磁功率电路(1)和电励磁电机(2)之间，信号调理电路(4)连接电流传感器(3)和励磁控制器(6)，励磁控制器(6)用于向驱动电路(5)输出PWM信号；
谐振灭磁电路(7)的输入端接入直流电源，谐振灭磁电路(7)的输出端接入励磁功率电路(1)，所述的谐振灭磁电路(7)由一个二极管和至少一个电容组成，所述至少一个电容包括谐振电容，二极管的阴极连接在谐振电容的正极，所述谐振电容连接励磁功率电路(1)的两个桥臂；
励磁控制器(6)用于向驱动电路(5)发出表示紧急关断的PWM信号，驱动电路(5)触发励磁功率电路(1)中的MOS管关断；
谐振灭磁电路(7)由二极管D、电容C1和电容C2组成，电容C1的电容值大于电容C2；
其中，电容C1作为谐振灭磁电路(7)的输入端的滤波电容；
电容C2作为谐振灭磁电路(7)的谐振电容；
二极管D的阳极连接在电容C1的正极，二极管D的阴极连接在电容C2的正极；
当需要启动灭磁时，励磁控制器(6)向驱动电路(5)发出用于表示紧急关断的PWM信号，驱动电路(5)控制使励磁功率电路(1)中的MOS管关断；
其中，在励磁功率电路(1)中，主电路由两个MOS管和两个二极管构成，其中，MOS管Q1与二极管D1构成第一个桥臂，Q1的漏极与电源正极相连，Q1的源极与D1阴极相连，D1阳极与电源负极相连；MOS管Q2与二极管D2构成第二个桥臂，Q2的源极与电源负极相连，Q2的漏极与D2阳极相连，D2阴极与电源正极相连；MOS管Q1和MOS管Q2的栅极均连接驱动电路(5)，两个桥臂的中点作为励磁输出端；
当励磁功率电路(1)正常工作时，MOS管Q1工作在PWM开关模式且MOS管Q2持续导通，其中，通过控制Q1管占空比调节电励磁电机(2)的励磁电流大小；
当励磁功率电路(1)需要灭磁时，磁功率电路(1)中的MOS管受到驱动电路(5)的控制关断，其中，二极管D1和二极管D2导通，同时电励磁电机(2)的励磁电感与电容C2进行谐振，以便于电励磁电机(2)励磁绕组中的励磁电流回馈进电容C2直至励磁电流降为零。
2.根据权利要求1所述的用于电励磁电机的谐振灭磁装置，其特征在于，若所述直流电源中自带有滤波电容，则谐振灭磁电路(7)由一个二极管D和一个电容C2组成。
3.根据权利要求1所述的用于电励磁电机的谐振灭磁装置，其特征在于，所述励磁电感与电容C2进行谐振包括：
按照励磁电流谐振模型进行谐振，所述励磁电流谐振模型为：
其中，输入侧直流电压为u，灭磁时刻励磁电流为i；L表示所述励磁电感的电感值，C表示谐振电容C2的电容值，并记录每次灭磁动作开始到励磁电流降为0所需的时间t，
4.根据权利要求1所述的用于电励磁电机的谐振灭磁装置，其特征在于，电励磁电机(2)的主磁场，由电励磁电机(2)的励磁绕组通入励磁电流后产生，且通入电励磁电机(2)的励磁绕组的励磁电流为直流电；
电流传感器(3)串联在电励磁电机(2)的励磁绕组的电流输入端，电流传感器(3)用于采样得到电机励磁绕组的励磁电流If；
信号调理电路中(4)用于接收到电流传感器(3)输出的电信号，并对电流传感器(3)输出的电信号进行处理后，输出励磁电流反馈信号If_fdb。
5.根据权利要求4所述的用于电励磁电机的谐振灭磁装置，其特征在于，驱动电路(5)用于在接收到励磁控制器(6)发出的PWM信号后，进行电气隔离；并驱动MOS管使其工作在高频开关状态，高频开关的频率为kHz级别；
励磁控制器(6)采用数字微控制单元；励磁控制器(6)采样得到信号调理电路(4)输出的励磁电流反馈信号If_fdb；之后励磁控制器(6)将If_fdb与后励磁控制器(6)中设定的励磁电流基准值If_ref进行比较计算，最终输出PWM信号控制MOS管的开通关断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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