CN117997175A - 用于永磁同步电机的电气制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的永磁同步电机的电气制动方法，包括驱动系统，其中所述驱动系统具有永磁同步电机和变频器，其在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号；或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，来控制该永磁同步电机的相电流。本发明的方法的一个优点在于：实现电气制动不需要单独的开关，而可以纯粹的通过变频器而实现电气制动。这节省了成本和空间。此外，如果组件的数目减少，则系统的总的可靠性也提高。

Description

用于永磁同步电机的电气制动方法

技术领域：

本发明涉及电气制动方法，特别涉及一种用于安全地控制具有永磁同步电机的驱动系统的永磁同步电机的电气制动方法。

背景技术：

随着电梯技术的发展，对电梯的安全性要求越来越高。而在一些使用场景中可能发生溜梯的情形，例如由于电梯的制动器无法完全制动曳引轮而发生溜梯。

为了保障电梯能够有效的减速或限制电梯溜车速度，通常采用短接电机三相输入，利用永磁同步电机(PM电机)永磁体产生的制动力使电梯减速或限制电梯溜车速度(即“封星技术”，安全的电气制动的一种)。

目前电梯控制系统常用的封星方法之一是采用“封星接触器”，在变频器与PM电机之间增加封星接触器，实现短接电机三相输入。但该封星接触器必须选择为承受电动机电流并且能够连接和/或切断这种电流。这些接触器往往很大并且成本高。此外，包括移动部件的接触器具有一定的有限寿命，必须在一些相对较少数量的操作之后进行更换。

常用的封星方法之二是采用“电子封星”，即在变频器封锁上(下)桥臂驱动信号的同时，控制下(上)桥臂的开关管导通，实现短接电机三相输入。

但是永磁同步电机(PM电机)磁钢用量相对较小的情况下，封星制动的最大转矩不足以保证电梯的溜梯速度不超过规定范围。需要将永磁同步电机(PM电机)更换成具有更大磁钢用量的永磁同步电机(PM电机)来限制电梯的溜梯速度，但这将以高昂的经济成本为代价。

中国发明专利申请公布号CN 114835048 A公开了在封星接触器回路串入电容器，利用电容器的容抗对电机电感的感抗有抵消作用，使得改善封星制动回路中的电流滞后于感应电压E的情况，从而提升封星制动转矩。但该方案需要增加额外的成本，且不适用于“电子封星”。

另外，封星技术的制动转矩呈现出随着永磁同步电机(PM电机)转速的增大而先增大后减小的变化特性，导致在高速时，封星的制动转矩很小；另外该转矩只取决于永磁同步电机(PM电机)的设计以及转速，无法进行制动转矩的有效控制，不适用于快速制动或紧急制动的场合。

中国发明专利授权公告号CN101512891B公开了一种用于制动电机的方法和装置，在该方法中，通过利用短脉冲(即斩波)仅断开和闭合频率转换器的逆变器的负变换触点，或者，仅断开和闭合该频率转换器的逆变器的正变换触点，来控制同步电机的制动电流。

该专利是为了让停电时，通过PWM将变频器的母线电压升高，从而可以使得控制系统有电，另外该专利通过测量电机电流进行控制的目的是为了最小化电机的电流。

但是本发明所要求保护的技术方案在上述专利中没有予以公开。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于安全地控制具有永磁同步电机的驱动系统的永磁同步电机的电气制动方法，其能够安全地产生能够受控制的制动力矩，且制动转矩较封星制动转矩更大，可适用于安全地快速制动或紧急制动的场合。

为了实现上述发明目的，本发明的永磁同步电机的电气制动方法，包括驱动系统，其中所述驱动系统具有永磁同步电机和变频器，其在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号；或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，来控制该永磁同步电机的相电流；在这种情况下，同时防止从变频器的中间电路向永磁电机供电。

在本发明的一个优选实施例中，在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，从而改善封星制动回路中的电流滞后于感应电压E的情况，从而提高制动转矩。

在本发明的一个优选实施例中，在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，下桥臂开关管PWM控制时，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，上桥臂开关管PWM控制时，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，从而改善封星制动回路中的电流滞后于感应电压E的情况，从而提高制动转矩。

在本发明的一个优选实施例中，通过制动时，将所述变频器同电网脱离，同时通过中间电路的制动IGBT将母线电压降低，使得在提高制动转矩的同时，降低转矩脉动。

在本发明的一个优选实施例中，所述变频器为采用PAM方式控制的变频器或者采用PWM方式控制的变频器。

在本发明的一个优选实施例中，所述永磁同步电机的相电流提前过零先于封星制动时的电流过零。

在本发明的一个优选实施例中，通过选择驱动信号的时间点来调整制动转矩的大小。

在本发明的一个优选实施例中，所述永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号或者永磁同步电机的相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号依次在相应的反电势正向过零30°时触发导通，导通持续时间为120°；所述永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号或者永磁同步电机的相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号在所述反电势过零前关断。

在本发明的一个优选实施例中，所述驱动系统为前端带接触器、中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。

在本发明的一个优选实施例中，所述通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号在一个电周期只给一次。

本发明的方法的一个优点在于：实现电气制动不需要单独的开关，而可以纯粹的通过变频器而实现电气制动。这节省了成本和空间。此外，如果组件的数目减少，则系统的总的可靠性也提高。此外，本发明的方法可以用于快速制动或用于紧急制动。在电梯应用中，可减少抱闸关断延时时电机的失控时间，从而减少制停距离。此外，制动转矩在高速和低速都可控制其大小，在电梯应用中，高速时抱闸失效也能控制电机减速。

附图说明

图1为永磁同步电机的驱动系统(整流部分省略)

图2为封星制动时的等效电路。

图3为封星制动和本发明的制动力矩相对于速度的示例性的曲线。

图4为实施例1的下管驱动信号时序图。

图5为实施例1的反电势、下管驱动信号、电流以及封星制动电流波形图。

图6a至至图6d为实施例1的下管换向工作模式图。

图7为实施例2的下管驱动信号时序图。

图8为中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统电原理示意图。

图9为前端带接触器且中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统电原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。

参考图1，通过将变频器的上桥臂的可控开关管T1、T2、T3(如IGBT)的驱动信号封锁(即无效，可控开关管关断)，而将下桥臂的可控开关管T4、T5、T6(如IGBT)的驱动信号一直有效，或通过将变频器的下桥臂的可控开关管T4、T5、T6(如IGBT)的驱动信号封锁，而将上桥臂的可控开关管T1、T2、T3(如IGBT)的驱动信号一直有效，即可实现现有技术的“电子封星”。由于变频器的某一个桥臂的驱动信号被一直封锁，防止了图1中中间电路的C1、C2(以及电网供电)向PM电机提供驱动的能量，在该情况下，PM电机不能产生除了与制动联合之外的转矩，因此“电子封星”是安全的电气制动。此时的等效电路如图2所示，PM电机的各相绕组电阻R1、R2和R3和各相绕组电感L1、L2和L3以及电机旋转所产生的反电势e1、e2、e3组成一个制动回路。对于该制动回路，其制动转矩呈现出随着PM电机的转速的增大而先增大后减小的变化特性，如图3中的曲线31所示。这是由于随着电机的转速增大，其产生的反电势e增大，该制动回路中流过的电流增大，所产生的制动转矩也增大。但因PM电机的电感的感抗也随着转速的增大而提高，该制动回路中感抗与电阻的比值也随着转速的增大而提高，使得该制动回路中的电流向超前于反电势e90°的方向发展，从而导致制动转矩在PM电机的某一转速后出现下降的情况。

在电梯应用中，曲线32代表因轿厢与对重之间的质量差而产生的不平衡转矩。由于PM电机的磁钢用量相对较小，曲线31所示的该制动回路的制动转矩的峰值可能小于不平衡转矩。该制动回路的制动转矩始终小于不平衡转矩，PM电机的转速得不到控制，越转越快，电梯的溜梯速度无法限制在规定范围内。

下面以上桥臂的可控开关管T1、T2、T3的驱动信号封锁，下桥臂的可控开关管T4、T5、T6进行断开和闭合控制来对本发明作进一步说明，其原理也同样适用于下桥臂的可控开关管T4、T5、T6的驱动信号封锁，上桥臂的可控开关管T1、T2、T3进行断开和闭合控制。即防止了图1中中间电路的C1、C2(以及电网供电)向PM电机提供驱动的能量，在该情况下，PM电机不能产生除了与制动联合之外的转矩。

实施例1：

图4示出了本发明的下桥臂的可控开关管T4、T5、T6驱动信号的时序图，横坐标为在一个电周期中的U相反电势e1的相位，T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ依次在相应反电势正向过零30°时触发有效，有效持续时间为120°。即每经过120°进行换相。

需要说明的是，参考图1，只有当PM电机的相电流为负(PM电机的相电流以流向PM电机为正)，即相电流从PM电机流向变频器时，下桥臂的可控开关管T4、T5、T6才会由对应相电流的相驱动信号控制；当相电流为正时，即使相电流对应的相驱动信号有效，T4、T5、T6也不会开通，其电流通过T4、T5、T6反并联的二极管D4、D5、D6流向电机。

图5示出了本发明U相的反电势e1、U相下桥臂开关管T4驱动信号SX、U相制动电流52以及现有技术的封星制动U相电流51的波形图，V相和W相的波形同U相一致，仅相位相差120°和240°。

参考图2，在现有技术的封星制动下，由于该制动回路中感抗与电阻的比值随着转速的增大而提高，且由于PM电机的磁钢用量相对较小，在封星峰值制动转矩时，如图5其U相反电势e1和U相电流51的相位差为180°-Ψ(Ψ为电机的内功率因数角)，即U相电流51在t4时刻负向过零，在t6时刻正向过零。其制动转矩同cos(180°-Ψ)正相关，因此提高U相反电势e1同相电流的功率因数，即可提高制动转矩。

参考图4和图5，由于驱动信号SX在t0时刻触发(即U相反电势正向过零点延迟30°)，在t1时刻关断(即U相反电势相位角150°时，提前于反电势过零时刻t2)，同时V相下桥臂开关管T5驱动信号SY在t1时刻触发有效(即V相反电势正向过零点延迟30°，同U相下桥臂开关T4驱动信号SX的触发有效延迟120°)，使得U相电流52较封星制动时的电流51的过零点t6提前了，其在t5时刻过零，从而提高了U相反电势e1同U相电流的功率因数，从而提高了制动转矩，如图3的曲线33。因此，本发明的方法可以用于快速制动或用于紧急制动。在电梯应用中，可减少抱闸关断延时时电机的失控时间，从而减少制停距离。

图6示出了从U相下桥臂开关管T4导通(即闭合)切换为V相下桥臂开关管T5导通的换向过程。在t1换向前，T4导通，PM电机通过T4、D5、D6形成封星制动回路，即U相电流为负，V相和W相电流为正，如图6(a)。

在t1时刻，U相下桥臂开关管T4驱动信号SX断开(即无效)，T4截止，U相电流52因电感L1的存在而不能突变，从T4换流至上桥臂的D1；V相下桥臂开关管T5驱动信号SY触发有效，但因此时V相电流为正(波形如图5t0时刻)，T6并不能导通，电流仍流经D5，如图6(b)。由于D1导通，中间电路的电压Ud即施加到PM电机上，使得U相电流52以及V相电流快速下降。

在V相电流下降到零(波形如图5t3时刻)时，T6开始导通，而U相电流52仍通过D1进行续流，如图6(c)，由于中间电路的电压Ud仍施加到PM电机上，使得U相电流52继续下降，而V相电流快速上升。

在t5时刻，U相电流52下降到0，D1截止，完成了U相T4切换为V相T6的过程，如图6(d)。

在上述过程中，中间电路的电压Ud越大，U相电流52下降得越快，过零时刻t5超前t6越多，e1和U相电流52的功率因数改善越明显。

需要说明的是，当电机的转速较低或电机本体设计引起内功率因数角较小，在t1时刻，V相电流为0，此时的换向过程无图6(b)所示的过程。

上述反电势的相位可以通过电机的编码器获取，或者通过已有技术的反电势过零侦测技术获取，或者根据电机的模型和/或获取的相电流等信息获取。

实施例2

图7示出了本发明的下桥臂的可控开关管T4、T5、T6驱动信号的时序图，横坐标为在一个电周期中的U相反电势e1的相位，T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ依次在相应反电势正向过零时触发导通，导通持续时间为180°。其工作原理类似实施例一，参考图5，因为封星制动时U相电流51为负，且在t6过零，而U相反电势e1在t2过零，因此在t2时刻关断T4后，U相电流52也通过D1导通进行续流，中间电路的电压Ud施加到PM电机上，使得U相电流52快速下降至零，从而提高了功率因数和制动转矩。相比于实施例一，由于T4导通时间较多，其U相电流52在T4关断时换流较平稳，转矩脉动较小，降低电流急剧变化引起的噪音。

由上通过提前关断永磁电机相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，可改善相电流与相应相反电势的功率因数，从而提高制动转矩。通过改变提前关断驱动信号时的相位角，即可对制动电流进行控制，从而控制制动转矩的大小。

因为只有当PM电机的相电流为负(PM电机的相电流以流向PM电机为正)，即相电流从PM电机流向变频器时，下桥臂的可控开关管T4、T5、T6才会由对应相电流的相驱动信号控制；当相电流为正时，即使相电流对应的相驱动信号有效，T4、T5、T6也不会开通，其电流通过T4、T5、T6反并联的二极管D4、D5、D6流向电机。为了取得较大制动转矩，T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ的关断时刻不晚于相应相反电势相位180°+内功率因数角Ψ。为了取得较大制动转矩，宜不早于相应反电势相位90°。T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ在各自相电流流向变频器时被提前关断之后，可以在相电流为正之后的任意时刻进行触发有效，为了得到较大的制动转矩，其触发有效时刻不晚于相应的相反电势相位30°和内功率因数角Ψ的较大值。所述的反电势的相位可以通过电机的编码器获取，或者通过已有技术的反电势过零侦测技术获取，或者根据电机的模型和/或获取的相电流等信息获取。T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ的提前关断和触发有效也可以根据相电流的相位或端电压的相位获取。

上述例子的T4、T5、T6的驱动信号SX、SY、SZ为PAM模式(即占空比为100％的PWM)，而当采用占空比为非100％的PWM模式时，其PM电机的相电流随占空比变化而变化，其制动转矩也随之变化，即通过控制占空比的大小，也可以控制制动转矩，如图3中的曲线34为占空比为95％时。

提前关断永磁电机相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，可以使得在关断时引入中间电路的电压Ud施加到PM电机上，从而将电流快速到零，从而可改善相电流与相应相反电势的功率因数。关断也可以通过PWM模式来替代，只要其占空比够小，在PWM OFF期间引入的中间电路的电压Ud施加到PM电机上，使得相电流较封星制动时电流下降到零的时刻提前。

如图3，最大的制动转矩随着转速的变化而变化，因此制动转矩的控制也受转速的影响。

实施例3

从上述图6的切换过程中可知，当变频器的某相电流为负，对应下桥臂的开关管导通时，处于封星制动状态，电机反电势给电机的储能元件(电感)进行储能，当下桥臂的开关管关断时，储能元件的能量释放到中间电路中，使得中间电路电压升高。图8为中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统，通过Rb和开关管Sb可以将多余的能量作为热量而被消耗。一般采用滞环电压控制，即当Ud大于阈值A时，Sb导通，而小于阈值B时，Sb关断。阈值A、B同电网电压相关和开关管的耐压相关，即既防止在正常电网电压波动时，Sb导通引起Rb过载，也防止开关管过压，如三相380V系统，阈值A可为640V，阈值B可为620V。

图9为前端带接触器、且中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统，通过合理的配置Rb，C1和C2，在制动时，通过切断前端的接触器KM1，使得电网同变频器分离，即中间电路的电压不再取决于电网电压，因此针对制动可以根据需要来设置中间电路的电压大小。由此，存在以下可能性：针对制动以最优的方式在中间电路上设置中间电路直流电压，使得能够以高度灵活的方式实现所期望的制动效果(所期望的制动转矩、较小的制动转矩波动、较小的因电流急剧变化引起的噪音)。通过合理的设定Sb的开启关断电压(该电压小于常规制动开启电压，如可设置为10V，关断电压为0V)，当下桥臂的开关管关断时，储能元件的能量释放到中间电路中的C1、C2和Rb中，使得中间电路电压升高，而在下桥臂的开关管导通时，中间电路的C1、C2对Rb进行放电，使得中间电路电压降低，从而既有利于功率因数的改善，又减少了换向过程中的转矩脉动和噪音。

Claims (10)

1.永磁同步电机的电气制动方法，包括驱动系统，其中所述驱动系统具有永磁同步电机和变频器，其在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号；或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，来控制该永磁同步电机的相电流。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，从而改善相电流与相应相反电势的功率因数，从而提高制动转矩。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，在变频器的上桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，下桥臂开关管PWM控制时，通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，或者，在变频器的下桥臂开关管的驱动信号封锁的前提下，上桥臂开关管PWM控制时，通过提前关断永磁同步电机相电流流出变频器时的对应的上桥臂开关管的驱动信号，使得永磁同步电机的相电流提前过零，从而改善相电流与相应相反电势的功率因数，从而提高制动转矩。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，电气制动时，在将所述变频器与电网脱离的前提下，通过变频器的制动单元将母线电压降低，使得在提高制动转矩的同时，降低转矩脉动。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，所述变频器为采用PAM方式控制的变频器或者采用PWM方式控制的变频器。

6.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，所述永磁同步电机的相电流提前过零先于封星制动时的电流过零。

7.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，通过选择驱动信号的时间点来调整制动转矩的大小。

8.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，所述永磁同步电机的相电流流向(出)变频器时的对应的下(上)桥臂开关管的驱动信号依次在相应的反电势正向过零到之后30°区间内触发导通；所述永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下(上)桥臂开关管的驱动信号在所述反电势过零前关断。

9.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，所述驱动系统为前端带接触器、中间电路带制动单元和制动电阻的永磁同步电机的驱动系统。

10.如权利要求1所述的永磁同步电机的电气制动方法，其特征在于，所述通过提前关断永磁同步电机的相电流流向变频器时的对应的下桥臂开关管的驱动信号只给一次。