CN1333504C - 用于多电动机的设备系统 - Google Patents

Abstract

在一个用于依靠一个例如DC电压总线(1，1’)形式的第一DC电压源提供能量的设备中，一个包括几个电动机(5，5’，5”，5’”)的驱动系统(24)被连接到所述DC电压总线(1，1’)。这些电动机被包括在例如许多与一个无梭织造机器中的引纬系统协作的纱线供给设备中，该无梭织造机器用于生产一种具有一种多种颜色图案的机织织物。这些电动机随着能量消耗功能阶段(启动和加速)和能量产生功能阶段(减速或制动)工作。该第一DC电压源经一个可变电压转换器(8)与至少一个第二DC电压源相联系。在电动机工作期间，DC电压和/或电流参数被检测并被用于控制电压转换器来产生一个在一个能量产生功能阶段期间从第一到第二DC电压源，或在一个能量消耗功能阶段期间从第二到第一DC电压源的能流(P’)。通过所述能流实现了在该第一DC电压源处电压变化的平坦。该第二DC电压源包括限定一个激活能量缓冲器的电容(3，3’)。

Description

用于多电动机的设备系统

技术领域

本发明被用在一个用于通过一个第一DC电压源提供能量给一个或几个包括几个电动机并被连接到该第一DC电压的驱动系统的设备中，所述电动机在它们的工作期间处于能量消耗及能量产生(energy comsumptionrespective energy generation)功能阶段，由此所述阶段例如会有一个变化现象。作为驱动情况的一个合适例子，可以提到一个包括多个纱线供给设备的设备，所谓的“喂纱器”，每个喂纱器都装配有它自己的驱动电动机，所述纱线供给器与一个无梭织造机器中的引纬系统协作，该无梭制造机器用于生产一种具有一种多颜色图案的机织织物。

背景技术

在操作电动机的许多情况中，该项“工作”的大部分在于能量消耗加速和能量产生减速。有用的产生能量可以相对地少，但是出现毛条效应(top effects)仍然很明显。在长周期的时间例如几分钟内剧烈减速的情况中，一种已知但是复杂的解决方案是把产生的能量反馈给电力线(mains)。这样情况的例子是在造纸工业，抽丝现象或金属板拉丝车间中滑轮的制动。

另一类型的情况是输入和输出效应很高，但是持续时间如此短而使各自的能量数值保持适中。这样情况的例子是工业机器人和用于织机的纱线供给设备，所谓的纬纱供给设备。

在随着短时期出现的低毛条效应的情况中公知的，直接在电容中存储产生的制动能量和以后使用它用于加速和驱动在正在讨论的驱动系统中的电动机。

一种用于处理在电动机中产生的制动能量的非常普通的方法是把它转换为热量，例如通过电动机的过磁化(over-magnetisation)或通过利用制动电阻器。

此外，也可能通过通常存在于DC中间网络部分(intermediate netsection)的电容器得到一定的电压平坦效果，电动机的控制连接到这些电容器。

当反馈制动能量给电力线时，一个问题就是电动机制动功能在断电时消失。因此，这样的系统常常通过一个制动电阻器或机械制动来完成。为了加速和驱动系统中的电动机，直接在电容器中存储制动能量和在以后时刻使用存储的制动能量的原理只对到目前为止等于100多瓦的实际情况中的小毛条效应经济有利。当有几个电动机在驱动系统中时，通常有一个公用电源部分给这些电动机，例如一个所谓的DC中间部分。输入效应及(respective)产生的制动效应可以在这些情况中达到从像例如在有一个纱线供给设备的系统的情况中的100多瓦到像例如在其他驱动情况的例子中的几十千瓦的值。直到现在，当使用已知的电容器布置时，造成了问题因而需要应用上面提到的通过过磁化和/或制动电阻器把制动能量转换为热量的方法。然而，在此后出现的发热过程(heat development)引起了很大的缺点。如果企图在电动机中吸收热量，这通常必须通过超大尺寸(over-dimensioned)。

作为基本要求，以及为了保证几个电动机和通常连接到一个第一DC电压源的电动机控制的良好功能，尤其是为了适中价格的电子器件，同样需要一个相对稳定的电压源。在早期已知的设备中该要求限制了实际可能以通过电容器实现的平坦效果方式被存储的能量数值，该平坦效果出现在电动机控制连接到的DC反馈部分中。为了保持一个相对稳定的电源电压，存储的能量数值相对地被限制了。

发明内容

这样，存在一种需要以能够节约电能，避免发热过程和降低到驱动系统中的输入毛条效应。本发明的首要目的是解决上面提到的综合问题。此外，希望构造一种例如带有几个存储位置的模块系统形式的驱动系统，以及设计该系统以便即使可用空间被限制也可能存储相当大数值的能量，即避免大尺寸昂贵的电容器，并且仍然保持电源电压的相对稳定以使会被严重的电压变化损坏的适中价格的电子器件能被使用。

WO99/52193公开了一种分布式产生能量网络系统的功率控制器，该系统包括一个公用DC电压总线和几个相互连接的能量器件以及一个作为一个主要能量源的功率产生或功率消耗涡轮。在每个包括该涡轮和该DC电压总线的能量器件之间提供一个相应的双向功率转换器以使每个能量器件在任一方向经该相关能量转换器专门与该DC电压总线通信。构成一个公用功率转换控制单元的该功率控制器控制每个能量器件在任何时刻降低或获取能量的方式，以及控制该电压总线的方式。各种能量器件包括能量源，荷载，存储装置和它们的组合。一个存储装置被设计为一个通常包括至少一个超容量电容器。需要所有参与的能量器件的双向转换器用于实现在各种能量器件间的兼容性。该能量网络系统是一个没有任何到一个持久的DC电压源系统的连接的封闭系统。

US6153949A涉及一种无线通信设备的一个电源管理系统。由一个主电源提供的功率由一个处于第一工作状态的DC升压转换器供给一个荷载以及同时供给一个电容器用于能量存储。在另一个工作状态，荷载暂时要求比电源能提供的功率更大的功率时，存储在电容器中的能量就被提供给该转换器以使用存储的能量。在第二种工作状态中，系统从电源断开。

本发明主要特征在于第一DC电压源经一个受控可变电压转换器与至少一个DC电压总线相联系，依靠检测一个或更多在几个电动机工作期间出现的DC电源和/或DC电流参数，该电压转换器产生在电动机的能量产生功能阶段期间从DC电压总线进入DC电压能量存储缓冲器和在电动机的能量消耗功能阶段从DC电压能量存储缓冲器进入DC电压总线的能流。进一步特点包括受控能流导致在该DC电压总线中以及设备中的相应电动机和电动机控制中的电动机的DC电压变化变得平坦，即一种对于允许实施合理价格像效应晶体管那样的对于严重电压变化脆弱的电子器件的极其有利的电压稳定性，并且因为该DC电压能量存储缓冲器被设计来构成并激活用于存储DC能量的缓冲器，所述存储缓冲器被构造为相对小尺寸或仅仅很少用于存储功能的电容器或包括相对小尺寸或仅仅很少用于存储功能的电容器。尤其使可能损坏敏感的电子器件的峰值能量荷载通过引起一个单独的精确的控制能流变得平坦。这两个很重要的优点(在第一DC电压源中只有小电压变化，需要用于存储相当大能量值的电容很少)都通过可变电压转换器在方向和速率上精确控制严重依赖于实际电压/电流状态的相应能流被实现。该可变电压转换器可以是一个受控的，双向的，开关(switched)模式的DC/DC电压转换器。主要经该整流器件和从该公用外部电源为该电动机提供DC电压。该设备通过该激活DC电压能量存储缓冲器实现，其次该设备用于使在电动机的能量消耗功能和/或能量产生功能阶段期间在DC电压总线上出现的显著DC电压变化变得平稳。也就是，在至少一个电动机的一个能量产生功能阶段期间获取的DC电压能量数值被指向DC电压能量存储缓冲器以避免在DC电压总线中不想要的DC电压变化。此外，在至少一个电动机的能量消耗功能阶段期间，为了抑制一个显著的DC电压变化，一个测量的能量数值被指向该DC电压能量存储缓冲器以避免另一个在从公用DC电源单元和一个内部激活DC电压能量存储缓冲器供给DC功率的DC电压中的DC电压变化。该设备构成一个从公用DC电源单元和一个内部激活DC电压能量存储缓冲器供给DC功率的开放系统，公用DC电源单元和一个内部激活DC电压能量存储缓冲器用于使电动机的电压变化变得平坦，以允许在电动机控制和电动机中使用遭受严重DC电压变化而受损的适当价格的电子器件。由于电动机直接并且并行的被连接到该DC电压总线，这些电动机能够以完全畅通无阻的方式与DC电压总线电通信，避免了不期望的能量损失和增强了每个电动机对控制命令的直接立即的响应行为。

在一个实施例中该可变电压转换器被连接到与该第一DC电压源相联系的该DC电压总线上，所述电动机通常被连接到或能经他们的电动机控制连接到该DC电压总线上。该可变电压转换器也连接到该第二DC电压源。为了从该DC电压总线和该第二DC电压源检测与电压/电流有关的参数信息，可以连接一个控制单元。所述信息也可以是与两个DC电压源之间的能流的方向和/或数值或速率的  “实际值”及(respective)“目标值”有关。在一个实施例中，提到的该控制单元另外可以被安排以使它可从一个上级控制系统控制，例如一个第一控制系统，该上级控制系统控制正在讨论的电动机。可替换的，提到的该控制单元可以是与提到的该第一控制系统通信的一个第二控制系统控制。

在能量变化期间，当系统中一个或几个电动机被驱动时，在该第一和该第二DC电压源之间发生能量传送，例如在电动机减速时，反过来例如在电动机启动或加速时。此外，该第二DC电压源可以被安排来在一个或更多电动机启动前被再充电。这样一个再充电可以从一个单独的DC电流源或一个单独的DC电流网中实现。在一个优选实施例中，在该第一DC电压源的该DC电压电平实质上被保持在一个恒定值，例如具有该DC电压的额定值的±10％的精确度。另一方面，该第二DC电压源随着一个强烈变化的DC电压电平工作，该电平例如可以在60-310V之间的范围内变化。包括在该第二电压源中的该电容器被安排为实质上能通过所述能流以最大方式充电和放电。该电容器随着一组低于可能的最大充电电平的工作能量充电电平工作，例如被设置为大约75％，这样该电容器即使已经达到该组充电电平也能够进一步存储能量，并且当该充电电平已经掉到该组充电电平时能够进一步放电能量。

电动机例如能包括在一个纱线供给机，工业机器人和/或纺织机中。本发明在纺织机中应用的例子可以是用于生产一种图案织物的提花机，该提花机具有一个用于以一种最好的常规方式驱动该织机本身的第一电动机(“主电动机”)，和一个驱动该提花机构(“提花电动机”)的第二电动机(单独的)，作为选择可以是相应于经线/综丝数量的许多小的电动机，对于在纺织过程中产生想要的图案的流水线系统(shed system)的构成，每个这样的小电动机被安排来经它相应的综丝负责它相应的经线的升高/降低。该第一电动机(“主电动机”)和第二电动机(“提花电动机”)，作为选择可以是第一电动机(“主电动机”)和所述小电动机(“通丝电动机”)，以这两种可供选择的方案中的一个形成该驱动系统，为了实现能量的平坦，根据本发明的设备与驱动系统被安排协作。更进一步的，在提花机情况中的第三种供选择的方案可以是只有这些(很大数目)“通丝电动机”(小电动机)形成该驱动系统(电动机的)，为了得到能量的平坦，根据本发明的设备与该驱动系统被安排协作。

包括在根据本发明的系统中的可变电压转换器可以包括一个经效应晶体管连接到该第一电压源的电感，变压器或相应的器件，其控制输入端口被连接到上面提到的该控制单元，依靠DC电流和/或DC电压参数，转换器激励及(respectively)退动(de-actuate)该晶体管用于在开关模式控制在第一和第二DC电压源之间的能流的方向和/或数值。该电动机可以方便地包括具有高效率的PM(永磁)电动机或由具有高效率的PM(永磁)电动机组成。

使用根据上面建议的一个解决方案，在系统中将可能在以后时刻从该电动机重新使用存储的制动能量以及由此能节约能量并降低以热量形式的能量损失。此外，通过使用存储的制动能量用于电动机的加速，从电源获取的能量数量可以被减少，这意味着电源可以被制作的更小。使用电容器的优点是本质上的，因为电容器中的内能是电压变化的平方函数，这就意味着可以在实际中使用电容器作为在一个相对的非常大范围内的缓冲器。例如几个其他DC电压源的使用使得进一步提高存储在电容器中的能量水平成为可能。具有高效率和小尺寸的PM电动机的广泛使用已经成为可能，在其中很难烧掉该电动机/这些电动机中的制动能量。例如在电动机中相对便宜的效应晶体管和高能量价格使得根据本发明的解决方案特别专注于实际中使用。

附图说明

附图中示出了本发明的实施例，其中：

图1以示例性原理形式说明了根据本发明一个设备的一个第一实施例，以及

图2以示例性原理形式说明了图1的设备的一个改进说明。

具体实施方式

在图1中，一个第一DC电压源包括一个DC电压总线1和一个第二DC电压源包括一个带有电容器3的能量存储缓冲器2。几个电动机5，5’，5”，5，通常经电动机控制4，4’，4”，4被连接到该DC总线1。一个滤波电容器6和一个例如以一个整流功能7a形式或包括一个整流功能7a的DC电压馈送(voltage supply)单元7，也被连接到该DC电压总线1。

在该第一和该第二DC电压源1和2之间安排了一个可变电压转换器，在目前情况下其由一个控制单元9控制处于开关模式。该电压转换器控制在该第一和第二DC电压源1，2之间的双向交变的能流P和P’。

该第一DC电压源1，7，还有它的滤波电容器6，电动机控制和电动机可以被认为是一个能量消耗的位置，而第二DC电压源和它的存储缓冲器2，开关模式控制的可变DC/DC电压转换器8和至少控制单元9可以被认为是一个用于存储能量的位置，其被标在一个框10内。存储位置10可以被认为是一个激活能量缓冲器。

如在图1中点线标出的，可以有一个或更多另外存储位置10’，它们每一个都经它自己的电压转换器8’和上面提到的其他必要设备连接到该DC电压总线1上。

在一个更加高级的控制系统中，系统单元9从一个上级控制系统11被控制。上级控制系统可以具有一个单独的控制功能或可以与电动机5，5’，5”，5的控制系统协作，所述协作由箭头12，12’，12”，12标出。

该第一DC电压源或该DC电压总线1随着一个本质上保持恒定的电压Sp1工作，因为在一个或更多设备中的电动机的减速期间，产生的制动能量从消耗位置向存储位置运动，而在一个或更多电动机的加速期间，能量从存储位置向消耗位置运动。该第二DC电压源随着一个在宽范围内变化的DC电压Sp2工作。该控制单元9经连接15和16检测该第一和第二DC电压源的实际电压值。该控制单元9经一个控制导线18在该电压转换器8的控制端口上引起一个开关模式控制。如果提供，该上级控制系统经控制导线20在控制单元9的控制输入端口19控制该控制单元。

电容器3随着一组低于最大充电电平的目标工作能量充电电平工作，例如被设置为大约75％。本发明的一个实施例中在电动机被允许启动之前，在存储位置10的电容器3可以由一个没有被专门示出的单独电压源预充电，预充电甚至高于目标电平，一旦存储的能量能在电动机启动时使用，该能量使用就减小从电源7，7a’受到的影响或部分地释放电源7，7a’。由于电容器3的预先充电和由于内部产生的能量甚至在启动阶段后的正常工作期间在装置内被存储和重新使用，电源的尺寸和性能可以被降低。

在它最简单的实施例中根据本发明的设备，控制单元9收集有关电压电平Sp1和Sp2的信息，通过可变电压转换器8的开关模式控制，该信息被用于确定能流P，P’将在第一和第二电压源1和2之间如何运动(各自能流的方向和速率或数值)。如果，例如由于至少一个电动机减速，电压Sp1趋向于快速升高，第二DC电压源的电容器3的充电就通过能流P’充电，如果，相反的，在至少一个DC电动机加速期间，电压Sp1趋向于迅速降低或电流消耗增加，在第二DC电压源2中的电容器就放电而能流P被控制朝向第一DC电压源。

在一个根据本发明的更复杂的设备中，有关能流P或P’的期望方向和它的数值或速率的信息从一个上级控制系统中得到。(by the term)上级控制系统指例如控制该电动机的控制系统或一个与控制该电动机的该控制系统通信的控制系统。

在一个根据本发明的甚至更复杂的设备中，有关该DC电压总线1上的电流E1的信息也能被收集，例如，如果它企图保持电压电平Sp1更恒定(以及不打算在例如能量缓冲器释放能量之前等待一个触发电压降落)。

随着该第一和第二DC电压面(surfaces)之间的可变电压转换器和它的开关模式工作，可能大大改变电容器3上的电压。由于电容器3的响应内能依赖于电压变化的一个平方函数，所以在一个相对宽的能量范围内得到一个缓冲器功能。在优选实施例中，电容器随着至少一个电动机产生的制动能量被充电，随后被存储的能量在后来的瞬间用来驱动或加速至少设备中一个其它的电动机，或可选择的，正是同样的电动机。这样，能量缓冲器使随着时间过去(over time)的任何能流变得平坦，即在起双向能流通路作用的受控电压转换器的帮助下，保持DC电压总线1上的电压变化较弱。该能量缓冲器需要相对小的尺寸或相对少的电容器，因为可变电压转换器的影响允许运行具有相对小电容的设备。

在图2中，提供至少一个电感21作为第一和第二DC电压源1’和2’之间的电压转换元件。该第二电压源2’包括电容器3’。一个控制单元9’经连接15’和16’检测在DC电压总线上和第二DC电压源2’中的实际电压值。对于开关模式控制有两个效应晶体管18’，18“。通过用控制单元9的控制信号激励一个效应晶体管，在方向和速率上控制在第一和第二DC电压源1’，2’之间的能流。电容器3’经效应管23’充电。电容器3’经效应管22进行放电。使用电感允许对一个更高电压进行放电。在这种情况中也提供一个滤波电容器6’。

如电动机5，5’，5“，5’”，可以有利地使用永磁(PM)电动机。在一个实施例中，电动机可以是用于纺织机的纱线供给设备(喂纱器)。额定的电源电压Sp1可以例如被选择为190伏特。在电动机减速期间，可以例如有一个大约75焦耳的能量存储需求。加速和减速可以有大约400ms的持续时间。根据本发明，激励能量缓冲器可以在电容器3，3’上随着第二电压源2’中的电压变化在50V和300V之间的一个范围内工作。这意味着在这种情况中，将只需要一个大约1750F的电容。

该实施例可以与一个根据现有技术的常规解决方案相比较，其中只使用了直接的充电和放电。如果在例如一个30％电压波动发生的情况中，将需要至少一个定做的7100的电容。需要这样一个相当大的电容不仅意味着工艺上不方便解决，而且用于该解决方案的电容器的空间将会过大而不适合该设备。根据本发明的建议实施例也可以与一个常规情况相比较，其中利用高性能的制动电阻器和电源装置。制动电阻器和更强大的电源装置将会需要超大尺寸器件而导致相当高费用的结果。

在图1中驱动系统用24表示。一个或更多这样相应的设备系统可以也被连接到第一DC电压源1’。

本发明的一个核心就是提供至少一个与一个能量缓冲器相联系的DC总线，该缓冲器包括一个和几个通常连接到该电压总线的电动机协作的智能激活开关模式控制的电压转换器。该电压转换器的影响和该能量缓冲器会显著的使总线电压变化变得平坦，抑制对于设备中的某些电子器件危险的高能量峰值，通过一个存储制动能量的受控重定向(re-direciton)有助于节约能量，以及仅用改进的存储电容总体地减少设备的能量需求。

Claims (5)

1.用于一组可选择的工作在电动机启动和电动机加速功能阶段表示的能量消耗功能阶段和由电动机停止或电动机减速功能阶段表示的能量产生功能阶段的电动机(5，5’，5)的能量供给设备，

包括一个被连接到该电动机并经一个双向可变电压转换器(8，8’)连接到至少一个具有至少一个电容器(3，3’)的激活DC电压能量存储缓冲器(2，2’)的公用DC电压总线(1，1’)，

一个被插入在该DC电压总线(1，1’)和该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)之间用于选择性地控制在该DC电压总线(1，1’)和该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)之间的能流(P，P’)来分别在至少一个电动机的一个能量消耗功能阶段期间从该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)向该DC电压总线(1，1’)传送能量或在至少一个电动机的一个能量产生功能阶段期间从该DC电压总线(1，1’)向该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)传送能量的电压转换控制单元(9，9’)，其特征在于，

所有电动机(5，5’，5)经各自的电动机控制(4，4’，4)直接连接到该DC电压总线(1，1’)，

该DC电压总线(1，1’)经一个整流功能器件(7a)连接到一个用于经该DC电压总线(1，1’)提供能量给至少在能量消耗功能阶段中的每个电动机的DC电压电源单元(7)，以及

该电压转换控制单元(9，9’)被安排用于分别检测在该DC电压总线(1，1’)和在该DC电压能量存储缓冲器处的变化的DC电压和/或电流参数，并且，为了在设定的范围间的该DC电压总线(1，1’)中的电压变化变得平坦，来控制该双向可变电压转换器(8，8’)以指示一个电压能流在至少一个电动机的能量产生功能阶段从DC电压总线进入该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)，或者指示一个电压能流在至少一个电动机的能量消耗功能阶段从该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)进入DC电压总线(1，1’)，

如由该整流器件(7a)提供的那样，该DC电压总线的电压变化范围限定了一个该DC电压总线(1，1’)的额定值电压的大约正负10％的范围，

该DC电压能量存储缓冲器电压变化的范围限定了50V和300V间的一个范围，

在一个纱线供给系统的纱线供给机中，或在一个纺织机中，或在一个或几个工业机器人中提供这些电动机(5，5’，5”，5)，

双向可变电压转换器(8，8’)是至少一个经两个效应晶体管(22，23)连接到该DC电压总线(1，1’)的电感(21)，两个效应晶体管(22，23)的控制输入(17’，17)被连接到用于选择性地指示相应的DC电压能流(P，P’)的电压转换控制单元(9’)，该控制单元(9，9’)经一个参数导线(15’)连接到该DC电压总线(1’)以及经一个参数导线(16’)连接到一个在该电感(21)和至少一个电容器(3’)间延伸的DC电压能量存储缓冲器导线，该电容器(3’)和效应晶体管(22，23)被连接到地，提供一个平行于该DC电压总线(1’)和地之间的两个效应晶体管(22，23)的滤波电容器(6’)。

2.如权利要求1中的设备，其特征在于，该电压转换控制单元(9，9’)被连接到一个上级控制系统(11)，该上级系统是一个控制该电动机组的这些电动机的第一控制系统，或是一个与所述第一控制系统通信的第二控制系统。

3.如权利要求1中的设备，其特征在于，该DC电压总线(1，1’)与两个或更多DC电压能量存储缓冲器(2，2’)经每个DC电压能量存储缓冲器(2，2’)的一个双向可变电压转换器(8，8’)连接。

4.如权利要求1中的设备，其特征在于，该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)由该电压转换控制单元(9，9’)控制来随着一个低于一个可能的最大能量充电电平的预定工作能量充电电平工作，该DC电压能量存储缓冲器(2，2’)是从外部仅充电到该预定的工作能量充电电平。

5.如权利要求1中的设备，其特征在于，这些电动机(5，5’，5”，5)是永磁电动机。

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