專利名稱：具有磁損耗的電力制動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有磁損耗的電力制動系統(tǒng)，在供電網(wǎng)絡(luò)或其接口非雙向的情況下，用于耗散電動機(jī)械在制動階段期間產(chǎn)生的能量。
背景技術(shù)：
在電動機(jī)械(例如，換向器電動機(jī))由直流電直接供電的情況下并且在電動機(jī)械通過逆變器由交流電供電的情況下，電動機(jī)械在制動階段期間產(chǎn)生的能量通常由連接到直流母線的系統(tǒng)耗散。在多數(shù)情況下，這種耗散由電阻器完成。當(dāng)這些電阻器必須存儲大量的能量并且/或者當(dāng)這些電阻器必須承受大量的工作循環(huán)時，它們變得笨重、龐大而且昂貴。 而且，在這些情況下，難以控制電阻器朝向電阻器被固定到的外殼壁的耗散流。這使得難以應(yīng)用熱量管理。圖1是示出了傳統(tǒng)的電力制動系統(tǒng)的電路圖，其中，在電阻器中耗散由于制動而返回的能量。該電力制動系統(tǒng)布置于電動機(jī)械M的供電電路中。該供電電路包括經(jīng)由保護(hù)二極管向端子連接到電動機(jī)械M的逆變器3供電的直流電壓源1。在保護(hù)二極管Dp的負(fù)極和直流電壓源1的“_”端子之間反向連接有快速恢復(fù)式整流二極管Dl和差模濾波器。該差模濾波器包括繞磁路2纏繞的電感器L、和電容器C。該逆變器3連接到電容器C的端子。 該電力制動系統(tǒng)包括第一支路，該第一支路包括兩個串聯(lián)連接并反向連接到電容器C的兩個端子的二極管D2和D3。第二支路連接到電容器C的兩個端子，第二支路包括與標(biāo)號為 T的晶體管(IGBT等)串聯(lián)的制動電阻器Rf。制動電阻器Rf和晶體管T之間的中點與二極管D2和D3之間的中點連接。在對電動機(jī)械M進(jìn)行制動期間，在電阻器Rf中耗散制動能量。圖1的電路的操作如下所述。當(dāng)電動機(jī)械M提供機(jī)械能時，晶體管T被控制在跟蹤模式，并且電阻器Rf中沒有電流。二極管D2和D3在該階段不工作。當(dāng)該電動機(jī)械接收到機(jī)械能時，逆變器3將電能返回到電容器C。通常通過PWM(脈寬調(diào)制)使晶體管T導(dǎo)通， 然后使得電流通過電阻器Rf，并且使得由電動機(jī)械返回到逆變器的輸入端的電能以熱量形式耗散。二極管D2和D3用作由電阻器Rf和晶體管T構(gòu)成的支路的全部寄生電感器的快速恢復(fù)式整流二極管。文獻(xiàn)US-A-6072291披露了一種電動機(jī)械的電力制動系統(tǒng)，該電動機(jī)械連接到逆變器的輸出端子，而逆變器的輸入端由直流電壓源供電。該系統(tǒng)包括連接在逆變器的輸入端之間的電路，該電路包括串聯(lián)連接的用于耗散電能的裝置，在電動機(jī)械的制動階段期間所述電能由電動機(jī)械返回到逆變器的輸入端，開關(guān)裝置，用于在電動機(jī)械的制動階段期間閉合所述電路，并且用于在電動機(jī)械的非制動階段時斷開該電路。根據(jù)專利US-A-6072291，在制動階段期間返回到逆變器的輸入端的電能主要由制動電阻器耗散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為電動機(jī)械的電力制動提出了一種不同于在電阻器中進(jìn)行耗散的方案。所提出的方案將在電感器磁芯中對在制動階段期間由電動機(jī)械產(chǎn)生的能量進(jìn)行耗散，例如， 該電感器與用于直流電壓源的濾波電感器共享同一磁芯。該磁芯的磁損耗取決于電感變化的頻率和幅度。因此，可在任一時刻通過施加到晶體管T的固定頻率或可變頻率PWM來分析在該磁芯中耗散的能量的量。因此，本發(fā)明涉及一種用于電動機(jī)械的電力制動系統(tǒng)，所述電動機(jī)械連接到逆變器的輸出端，而逆變器的輸入端由直流電壓源供電，該系統(tǒng)包括連接在逆變器的輸入端之間的電路，該電路包括串聯(lián)連接的用于耗散電能的裝置，在電動機(jī)械的制動階段期間所述電能由電動機(jī)械返回到逆變器的輸入端，開關(guān)裝置，用于在電動機(jī)械的制動階段期間閉合所述電路，并且用于在電動機(jī)械的非制動階段時斷開該電路，其特征在于，用于耗散電能的裝置包括繞磁路纏繞的電感器，在制動階段期間，該電感器通過磁路中的磁滯和渦流的損耗來耗散恢復(fù)的能量?？梢圆捎貌钅V波器。該濾波器可以包括繞磁路纏繞且被布置得串聯(lián)在直流電壓源和逆變器之間的濾波電感器、以及布置在逆變器的輸入端之間的濾波電容器。根據(jù)實施例，濾波電感器和耗散電感器可以具有或者可以不具有共享的磁路。根據(jù)一個實施例，濾波電感器和耗散電感器使用同一磁路，但彼此間沒有磁耦合。 在此情況下，磁路可以是EI形或EE形磁路，濾波電感器包括兩個串聯(lián)連接的相同的線圈， 每一線圈均纏繞在E字的外柱上，耗散電感器纏繞在E字的中柱上。相反的布局也是可行的，耗散電感器包括兩個串聯(lián)連接的相同的線圈，每一線圈均纏繞在E字的外柱上，濾波電感器繞在E字的中柱上。根據(jù)另一實施例，濾波電感器和耗散電感器耦接在一起。在此情況下，磁路可以是具有兩個相對的繞組支路的0形磁路，濾波電感器由兩個串聯(lián)連接的線圈構(gòu)成，每一線圈均繞一個支路纏繞，耗散電感器由兩個串聯(lián)連接的線圈構(gòu)成，每一線圈也均繞一個支路纏繞。本發(fā)明可應(yīng)用于所有直接或通過變流器連接到直流母線的可逆電動機(jī)械。在多數(shù)應(yīng)用中，這將包括通過三相逆變器連接到直流母線的三相同步或異步電動機(jī)械。為了簡化描述，僅討論此情況，但是這并不排除其他情況的電動機(jī)械/變流器。


通過閱讀參照附圖并作為非限制性示例提供的以下說明時，本發(fā)明可以得到更好地理解，并且其它優(yōu)點和特點將變得清楚，其中圖1(已進(jìn)行描述)是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電力制動系統(tǒng)的電路圖，該電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械的供電電路中，其中，在電阻器中耗散由于制動而恢復(fù)的能量；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一電力制動系統(tǒng)的電路圖，該第一電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械的供電電路中，其中，在繞與濾波電感器的磁路不同的磁路纏繞的電感器中
4耗散由于制動而恢復(fù)的能量；圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二電力制動系統(tǒng)的電路圖，該第二電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械的供電電路中，其中，在繞與濾波電感器共享的磁路纏繞的電感器中耗散由于制動而恢復(fù)的能量；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三電力制動系統(tǒng)的電路圖，該第三電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械的電源電路中，其中，在繞與濾波電感器共享但是沒有磁耦合的磁路纏繞的電感器中耗散由于制動而恢復(fù)的能量；圖5示出了裝備有電感器的磁路，該磁路可用于圖4中所示的根據(jù)本發(fā)明的電力制動系統(tǒng)；圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四電力制動系統(tǒng)的電路圖，該第四電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械的供電電路中，其中，在繞磁路纏繞的電感器中耗散由于制動而恢復(fù)的能量；圖7是裝備有電感器的磁路的透視圖，可用于根據(jù)本發(fā)明的除圖4中所示的電力制動系統(tǒng)以外的電力制動系統(tǒng)；圖8示出了如何在容納電力制動系統(tǒng)的外殼中布置可用于根據(jù)本發(fā)明的電力制動系統(tǒng)中的磁路。
具體實施例方式在說明書的以下部分中，將以相同的標(biāo)號表示電路圖中與圖1的電路圖中所示的元件相同的元件。圖2是示出了第一電力制動系統(tǒng)的電路圖，該第一電力制動系統(tǒng)布置在電動機(jī)械 (例如，三相電機(jī))的供電電路中，其中，在使繞磁路纏繞的電感器中耗散由于制動而恢復(fù)的能量。圖2的電路圖與圖1的電路圖的不同之處在于，用于制動能量的耗散電阻器Rf由繞磁路4纏繞的電感器Lf替代。在該電路圖中，在電感器L和Lf之間沒有耦合也沒有共享的元件。在制動階段期間，通過磁路4中的磁滯損耗和渦流損耗來耗散由電感器Lf恢復(fù)的能量。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二電力制動系統(tǒng)的電路圖。在該實施例中，差模濾波器的電感器L和制動能量的耗散電感器Lf共享磁路4。在此情況下，電感器L和Lf的線圈耦合。附圖標(biāo)記Ls表示可飽和的電感器，該可飽和的電感器與電感器Lf串聯(lián)布置并用于保持濾波質(zhì)量。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三電力制動系統(tǒng)的電路圖。在該實施例中，差模濾波器的電感器L和制動能量的耗散電感器Lf共享磁路4。與圖3中的電路圖所示的電力制動系統(tǒng)不同的是，電感器L和Lf的線圈之間不存在磁耦合。為了獲得該結(jié)果，例如可以使用如圖5所示EI形磁路4。然后，差模濾波器的電感器L由兩個相同的線圈L’和L”構(gòu)成， 線圈L’和L”串聯(lián)連接，并且均被布置在磁路的E形部分的外柱上。為了在濾波模式下工作，即，在直流電壓源提供的電力被導(dǎo)向電機(jī)的階段期間，E字的中柱中沒有磁通量(見圖 5的黒箭頭)。耗散制動能量的電感器Lf繞磁路的E形部分的中柱纏繞。在制動模式工作期間，在E形磁路部分的外柱中循環(huán)的磁通量處于相反方向(見圖5中的白箭頭)。因此，
5在差模濾波器電感器L的端子上不會產(chǎn)生電壓。圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的第四電力制動系統(tǒng)的電路圖。在該實施例中，差模濾波器的電感器L和用于耗散制動能量的電感器Lf共享磁路4。添加與電感器Lf串聯(lián)的電容器Cf。選擇電容器Cf的值以與電感器Lf形成諧振電路(頻率大約為20kHz)。在圖6 的情況下，這樣形成了串聯(lián)的諧振電路，但是也可以考慮并聯(lián)的諧振電路。這種替換方式的有利之處在于降低制動器的電子開關(guān)中的損耗并降低電磁干擾(EMI)水平。圖7是裝備有電感器的磁路的透視圖，該磁路可用于根據(jù)本發(fā)明的電力制動系統(tǒng)中。磁路10包括兩個各個端相對的C形部分11和12。在該示例中，磁路的材料是硅占3 % 重量百分比的硅鐵型材料。在相對的部分11和12的端子之間提供由非磁性材料(例如， 空氣、電絕緣體)13制成的氣隙，從而防止飽和。在圖7所示的兩個線圈之中均布置濾波電感器和能量耗散電感器。首先纏繞濾波電感器。濾波電感器包括串聯(lián)連接的第一線圈Ll 和第二線圈L2。然后纏繞耗散電感器。耗散電感器包括串聯(lián)連接的第一線圈Lfl和第二線圈Lf2。作為示例，磁路的尺寸可以如下氣隙13 的寬度，Lgap = 1. 05mm線圈窗的高度，Hw = 14. 7mm線圈窗的寬度，Lw = 11. 5mm磁路的邊長，Sgap= 20. 9mm。差模濾波器的電感器的特征例如240 μ H，50A最大值，IOA交流，電阻匝。耗散電感器的特征例如15μ H，50A平均值，150A峰值，電阻2. 5πιΩ，7匝。裝備有這些電感器的磁路使得可以應(yīng)用于300V、15kW、10kJ的直流母線。這意味著制動功率建立時間為15kW時10 μ s。通過0. 75Τ的峰值電感，可以用23kHz下的控制平均值為50A峰值為150A的300V的PWM(脈寬調(diào)制)指令來耗散15800W功率。如果認(rèn)為3%的硅鐵的比熱容為400J/°C.kg并且假定溫度升高50°C是可容許的， 則磁路能夠以脈沖模式吸收lOkj。如果比熱容不足，則可考慮添加相變材料。在高平均耗散的情況下，易于實現(xiàn)與外殼的良好熱接觸。如果期望外殼的支架沒有熱流，則磁路可裝備有自己的冷卻系統(tǒng)。圖8示出了如何在容納電力制動系統(tǒng)的外殼中布置可用于根據(jù)本發(fā)明的電力制動系統(tǒng)中的磁路。在該應(yīng)用中，目標(biāo)是能夠在很短的時間段內(nèi)吸收大量的能量，然后使其向著外殼壁慢慢地耗散。磁路20包括兩個部分C形部分21和I形部分22。裝配部分21和 22，使磁路在插入了由非磁性材料和絕緣材料制成的氣隙23的情況下閉合。對于圖7所示的結(jié)構(gòu)，濾波電感器具有兩個串聯(lián)連接的線圈Ll和L2，耗散電感器具有兩個串聯(lián)連接的線圈LFl和LF2。通過具有適當(dāng)?shù)臒嶙璧难b置25將所獲得的結(jié)構(gòu)固定到外殼壁M。該結(jié)構(gòu)使得可以在強(qiáng)制動能量脈沖的情況下逐漸向外殼壁耗散產(chǎn)生的熱量。此固定可以通過膠粘來完成。本發(fā)明在重量和體積上獲得了實質(zhì)性的進(jìn)步，尤其是在能夠共享差模濾波電感器的情況下。使用高溫磁材料也可提高此進(jìn)步。由于出色的熱循環(huán)抗性，本發(fā)明還在可靠性和壽命方面取得了實質(zhì)性的進(jìn)步。該方案的主要優(yōu)點在于，相對于電子方式，由于改變磁路的無限可能性，可以非常靈活地管理耗散的能量。更易于實現(xiàn)對組件熱狀況的優(yōu)化。功率和制動能量水平越高，則提出的方案變得越有意義。應(yīng)用本方案的門檻可低至幾十瓦。根據(jù)穩(wěn)定邊際和反應(yīng)時間，對直流母線的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的制動功率的小循環(huán)的性能變得更好。
權(quán)利要求
1.一種用于電動機(jī)械(M)的電力制動系統(tǒng)，所述電動機(jī)械連接到逆變器C3)的輸出端， 所述逆變器的輸入端由直流電壓源(1)供電，所述電力制動系統(tǒng)包括連接在逆變器(3)的輸入端之間的電路，該電路包括串聯(lián)連接的用于耗散電能的裝置，在所述電動機(jī)械(M)的制動階段期間所述電能由所述電動機(jī)械返回到逆變器(3)的輸入端，開關(guān)裝置(T)，用于在電動機(jī)械的制動階段期間閉合所述電路，并且用于在電動機(jī)械的非制動階段期間斷開該電路，其特征在于，所述用于耗散電能的裝置包括繞磁路(4)纏繞的電感器(Lf)，通過磁路 (4)中的磁滯損耗和渦流損耗在制動階段期間耗散由所述電感器(Lf)恢復(fù)的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力制動系統(tǒng)，其中，差模濾波器包括繞磁路( 纏繞且被布置得串聯(lián)在直流電壓源(1)和逆變器C3)之間的濾波電感器(L)、以及布置在逆變器(3) 的輸入端之間的濾波電容器(C)，所述濾波電感器(L)和所述耗散電感器(Lf)具有共享的磁路⑷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力制動系統(tǒng)，其中，所述濾波電感器(L)和所述耗散電感器 (Lf)彼此間沒有磁耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力制動系統(tǒng)，其中，所述磁路(4)是EI形或EE形磁路，所述濾波電感器包括兩個串聯(lián)連接的相同的線圈(L’，L”)，每一線圈均纏繞在E字的外柱上， 所述耗散電感器纏繞在該E字的中柱上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力制動系統(tǒng)，其中，磁路(4)是EI形或EE形磁路，所述耗散電感器包括兩個串聯(lián)連接的相同的線圈，每一線圈均纏繞在E字的外柱上，所述濾波電感器纏繞在該E字的中柱上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力制動系統(tǒng)，其中，濾波電感器(L)和耗散電感器(Lf)耦合在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力制動系統(tǒng)，其中，所述磁路(10)是具有兩個相對的繞組支路的0形磁路，所述濾波電感器由兩個串聯(lián)連接的線圈(L1，L2)構(gòu)成，每一線圈均繞一個支路纏繞，所述耗散電感器由兩個串聯(lián)連接的線圈(Lfl，Lf2)構(gòu)成，每一線圈也均繞一個支路纏繞。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力制動系統(tǒng)，其中，所述0形磁路(10)由兩個C形部分 (11,12)構(gòu)成，通過由非磁性材料制造的氣隙(1 將所述兩個C形部分固定到彼此上。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的電力制動系統(tǒng)，其中，為耗散電感器的磁路提供絕熱裝置，使得能夠控制朝向該耗散電感器被固定到的外殼壁的熱流水平。
全文摘要
用于電動機(jī)械(M)的電力制動系統(tǒng)，所述電動機(jī)械連接到逆變器(3)的輸出端，逆變器(3)的輸入端由直流電壓源(1)供電，所述電力制動系統(tǒng)包括連接在逆變器的輸入端之間的電路，該電路包括串聯(lián)連接的用于耗散電能的裝置，所述耗散電能的裝置包括繞磁路(4)纏繞的電感器(Lf)，在電動機(jī)械的制動階段期間所述電能由所述電動機(jī)械返回到逆變器的輸入端；開關(guān)裝置(T)，用于在所述電動機(jī)械的制動階段期間閉合所述電路，并且用于在電動機(jī)械的非制動階段期間斷開該電路。
文檔編號H02P3/18GK102217188SQ200980145756
公開日2011年10月12日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者艾瑞克·德沃吉福斯 申請人:伊斯帕諾-絮扎公司