专利名称：具有磁损耗的电力制动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有磁损耗的电力制动系统，在供电网络或其接口非双向的情况下，用于耗散电动机械在制动阶段期间产生的能量。
背景技术：
在电动机械(例如，换向器电动机)由直流电直接供电的情况下并且在电动机械通过逆变器由交流电供电的情况下，电动机械在制动阶段期间产生的能量通常由连接到直流母线的系统耗散。在多数情况下，这种耗散由电阻器完成。当这些电阻器必须存储大量的能量并且/或者当这些电阻器必须承受大量的工作循环时，它们变得笨重、庞大而且昂贵。 而且，在这些情况下，难以控制电阻器朝向电阻器被固定到的外壳壁的耗散流。这使得难以应用热量管理。图1是示出了传统的电力制动系统的电路图，其中，在电阻器中耗散由于制动而返回的能量。该电力制动系统布置于电动机械M的供电电路中。该供电电路包括经由保护二极管向端子连接到电动机械M的逆变器3供电的直流电压源1。在保护二极管Dp的负极和直流电压源1的“_”端子之间反向连接有快速恢复式整流二极管Dl和差模滤波器。该差模滤波器包括绕磁路2缠绕的电感器L、和电容器C。该逆变器3连接到电容器C的端子。 该电力制动系统包括第一支路，该第一支路包括两个串联连接并反向连接到电容器C的两个端子的二极管D2和D3。第二支路连接到电容器C的两个端子，第二支路包括与标号为 T的晶体管(IGBT等)串联的制动电阻器Rf。制动电阻器Rf和晶体管T之间的中点与二极管D2和D3之间的中点连接。在对电动机械M进行制动期间，在电阻器Rf中耗散制动能量。图1的电路的操作如下所述。当电动机械M提供机械能时，晶体管T被控制在跟踪模式，并且电阻器Rf中没有电流。二极管D2和D3在该阶段不工作。当该电动机械接收到机械能时，逆变器3将电能返回到电容器C。通常通过PWM(脉宽调制)使晶体管T导通， 然后使得电流通过电阻器Rf，并且使得由电动机械返回到逆变器的输入端的电能以热量形式耗散。二极管D2和D3用作由电阻器Rf和晶体管T构成的支路的全部寄生电感器的快速恢复式整流二极管。文献US-A-6072291披露了一种电动机械的电力制动系统，该电动机械连接到逆变器的输出端子，而逆变器的输入端由直流电压源供电。该系统包括连接在逆变器的输入端之间的电路，该电路包括串联连接的用于耗散电能的装置，在电动机械的制动阶段期间所述电能由电动机械返回到逆变器的输入端，开关装置，用于在电动机械的制动阶段期间闭合所述电路，并且用于在电动机械的非制动阶段时断开该电路。根据专利US-A-6072291，在制动阶段期间返回到逆变器的输入端的电能主要由制动电阻器耗散。
发明内容
本发明为电动机械的电力制动提出了一种不同于在电阻器中进行耗散的方案。所提出的方案将在电感器磁芯中对在制动阶段期间由电动机械产生的能量进行耗散，例如， 该电感器与用于直流电压源的滤波电感器共享同一磁芯。该磁芯的磁损耗取决于电感变化的频率和幅度。因此，可在任一时刻通过施加到晶体管T的固定频率或可变频率PWM来分析在该磁芯中耗散的能量的量。因此，本发明涉及一种用于电动机械的电力制动系统，所述电动机械连接到逆变器的输出端，而逆变器的输入端由直流电压源供电，该系统包括连接在逆变器的输入端之间的电路，该电路包括串联连接的用于耗散电能的装置，在电动机械的制动阶段期间所述电能由电动机械返回到逆变器的输入端，开关装置，用于在电动机械的制动阶段期间闭合所述电路，并且用于在电动机械的非制动阶段时断开该电路，其特征在于，用于耗散电能的装置包括绕磁路缠绕的电感器，在制动阶段期间，该电感器通过磁路中的磁滞和涡流的损耗来耗散恢复的能量。可以采用差模滤波器。该滤波器可以包括绕磁路缠绕且被布置得串联在直流电压源和逆变器之间的滤波电感器、以及布置在逆变器的输入端之间的滤波电容器。根据实施例，滤波电感器和耗散电感器可以具有或者可以不具有共享的磁路。根据一个实施例，滤波电感器和耗散电感器使用同一磁路，但彼此间没有磁耦合。 在此情况下，磁路可以是EI形或EE形磁路，滤波电感器包括两个串联连接的相同的线圈， 每一线圈均缠绕在E字的外柱上，耗散电感器缠绕在E字的中柱上。相反的布局也是可行的，耗散电感器包括两个串联连接的相同的线圈，每一线圈均缠绕在E字的外柱上，滤波电感器绕在E字的中柱上。根据另一实施例，滤波电感器和耗散电感器耦接在一起。在此情况下，磁路可以是具有两个相对的绕组支路的0形磁路，滤波电感器由两个串联连接的线圈构成，每一线圈均绕一个支路缠绕，耗散电感器由两个串联连接的线圈构成，每一线圈也均绕一个支路缠绕。本发明可应用于所有直接或通过变流器连接到直流母线的可逆电动机械。在多数应用中，这将包括通过三相逆变器连接到直流母线的三相同步或异步电动机械。为了简化描述，仅讨论此情况，但是这并不排除其他情况的电动机械/变流器。
通过阅读参照附图并作为非限制性示例提供的以下说明时，本发明可以得到更好地理解，并且其它优点和特点将变得清楚，其中图1(已进行描述)是示出了根据现有技术的电力制动系统的电路图，该电力制动系统布置在电动机械的供电电路中，其中，在电阻器中耗散由于制动而恢复的能量；图2是示出了根据本发明的第一电力制动系统的电路图，该第一电力制动系统布置在电动机械的供电电路中，其中，在绕与滤波电感器的磁路不同的磁路缠绕的电感器中
4耗散由于制动而恢复的能量；图3是示出了根据本发明的第二电力制动系统的电路图，该第二电力制动系统布置在电动机械的供电电路中，其中，在绕与滤波电感器共享的磁路缠绕的电感器中耗散由于制动而恢复的能量；图4是示出了根据本发明的第三电力制动系统的电路图，该第三电力制动系统布置在电动机械的电源电路中，其中，在绕与滤波电感器共享但是没有磁耦合的磁路缠绕的电感器中耗散由于制动而恢复的能量；图5示出了装备有电感器的磁路，该磁路可用于图4中所示的根据本发明的电力制动系统；图6是示出了根据本发明的第四电力制动系统的电路图，该第四电力制动系统布置在电动机械的供电电路中，其中，在绕磁路缠绕的电感器中耗散由于制动而恢复的能量；图7是装备有电感器的磁路的透视图，可用于根据本发明的除图4中所示的电力制动系统以外的电力制动系统；图8示出了如何在容纳电力制动系统的外壳中布置可用于根据本发明的电力制动系统中的磁路。
具体实施例方式在说明书的以下部分中，将以相同的标号表示电路图中与图1的电路图中所示的元件相同的元件。图2是示出了第一电力制动系统的电路图，该第一电力制动系统布置在电动机械 (例如，三相电机)的供电电路中，其中，在使绕磁路缠绕的电感器中耗散由于制动而恢复的能量。图2的电路图与图1的电路图的不同之处在于，用于制动能量的耗散电阻器Rf由绕磁路4缠绕的电感器Lf替代。在该电路图中，在电感器L和Lf之间没有耦合也没有共享的元件。在制动阶段期间，通过磁路4中的磁滞损耗和涡流损耗来耗散由电感器Lf恢复的能量。图3是示出了根据本发明的第二电力制动系统的电路图。在该实施例中，差模滤波器的电感器L和制动能量的耗散电感器Lf共享磁路4。在此情况下，电感器L和Lf的线圈耦合。附图标记Ls表示可饱和的电感器，该可饱和的电感器与电感器Lf串联布置并用于保持滤波质量。图4是示出了根据本发明的第三电力制动系统的电路图。在该实施例中，差模滤波器的电感器L和制动能量的耗散电感器Lf共享磁路4。与图3中的电路图所示的电力制动系统不同的是，电感器L和Lf的线圈之间不存在磁耦合。为了获得该结果，例如可以使用如图5所示EI形磁路4。然后，差模滤波器的电感器L由两个相同的线圈L’和L”构成， 线圈L’和L”串联连接，并且均被布置在磁路的E形部分的外柱上。为了在滤波模式下工作，即，在直流电压源提供的电力被导向电机的阶段期间，E字的中柱中没有磁通量(见图 5的黒箭头)。耗散制动能量的电感器Lf绕磁路的E形部分的中柱缠绕。在制动模式工作期间，在E形磁路部分的外柱中循环的磁通量处于相反方向(见图5中的白箭头)。因此，
5在差模滤波器电感器L的端子上不会产生电压。图6是示出了根据本发明的第四电力制动系统的电路图。在该实施例中，差模滤波器的电感器L和用于耗散制动能量的电感器Lf共享磁路4。添加与电感器Lf串联的电容器Cf。选择电容器Cf的值以与电感器Lf形成谐振电路(频率大约为20kHz)。在图6 的情况下，这样形成了串联的谐振电路，但是也可以考虑并联的谐振电路。这种替换方式的有利之处在于降低制动器的电子开关中的损耗并降低电磁干扰(EMI)水平。图7是装备有电感器的磁路的透视图，该磁路可用于根据本发明的电力制动系统中。磁路10包括两个各个端相对的C形部分11和12。在该示例中，磁路的材料是硅占3 % 重量百分比的硅铁型材料。在相对的部分11和12的端子之间提供由非磁性材料(例如， 空气、电绝缘体)13制成的气隙，从而防止饱和。在图7所示的两个线圈之中均布置滤波电感器和能量耗散电感器。首先缠绕滤波电感器。滤波电感器包括串联连接的第一线圈Ll 和第二线圈L2。然后缠绕耗散电感器。耗散电感器包括串联连接的第一线圈Lfl和第二线圈Lf2。作为示例，磁路的尺寸可以如下气隙13 的宽度，Lgap = 1. 05mm线圈窗的高度，Hw = 14. 7mm线圈窗的宽度，Lw = 11. 5mm磁路的边长，Sgap= 20. 9mm。差模滤波器的电感器的特征例如240 μ H，50A最大值，IOA交流，电阻匝。耗散电感器的特征例如15μ H，50A平均值，150A峰值，电阻2. 5πιΩ，7匝。装备有这些电感器的磁路使得可以应用于300V、15kW、10kJ的直流母线。这意味着制动功率建立时间为15kW时10 μ s。通过0. 75Τ的峰值电感，可以用23kHz下的控制平均值为50A峰值为150A的300V的PWM(脉宽调制)指令来耗散15800W功率。如果认为3%的硅铁的比热容为400J/°C.kg并且假定温度升高50°C是可容许的， 则磁路能够以脉冲模式吸收lOkj。如果比热容不足，则可考虑添加相变材料。在高平均耗散的情况下，易于实现与外壳的良好热接触。如果期望外壳的支架没有热流，则磁路可装备有自己的冷却系统。图8示出了如何在容纳电力制动系统的外壳中布置可用于根据本发明的电力制动系统中的磁路。在该应用中，目标是能够在很短的时间段内吸收大量的能量，然后使其向着外壳壁慢慢地耗散。磁路20包括两个部分C形部分21和I形部分22。装配部分21和 22，使磁路在插入了由非磁性材料和绝缘材料制成的气隙23的情况下闭合。对于图7所示的结构，滤波电感器具有两个串联连接的线圈Ll和L2，耗散电感器具有两个串联连接的线圈LFl和LF2。通过具有适当的热阻的装置25将所获得的结构固定到外壳壁M。该结构使得可以在强制动能量脉冲的情况下逐渐向外壳壁耗散产生的热量。此固定可以通过胶粘来完成。本发明在重量和体积上获得了实质性的进步，尤其是在能够共享差模滤波电感器的情况下。使用高温磁材料也可提高此进步。由于出色的热循环抗性，本发明还在可靠性和寿命方面取得了实质性的进步。该方案的主要优点在于，相对于电子方式，由于改变磁路的无限可能性，可以非常灵活地管理耗散的能量。更易于实现对组件热状况的优化。功率和制动能量水平越高，则提出的方案变得越有意义。应用本方案的门槛可低至几十瓦。根据稳定边际和反应时间，对直流母线的电压进行调节的制动功率的小循环的性能变得更好。
权利要求
1.一种用于电动机械(M)的电力制动系统，所述电动机械连接到逆变器C3)的输出端， 所述逆变器的输入端由直流电压源(1)供电，所述电力制动系统包括连接在逆变器(3)的输入端之间的电路，该电路包括串联连接的用于耗散电能的装置，在所述电动机械(M)的制动阶段期间所述电能由所述电动机械返回到逆变器(3)的输入端，开关装置(T)，用于在电动机械的制动阶段期间闭合所述电路，并且用于在电动机械的非制动阶段期间断开该电路，其特征在于，所述用于耗散电能的装置包括绕磁路(4)缠绕的电感器(Lf)，通过磁路 (4)中的磁滞损耗和涡流损耗在制动阶段期间耗散由所述电感器(Lf)恢复的能量。
2.根据权利要求1所述的电力制动系统，其中，差模滤波器包括绕磁路( 缠绕且被布置得串联在直流电压源(1)和逆变器C3)之间的滤波电感器(L)、以及布置在逆变器(3) 的输入端之间的滤波电容器(C)，所述滤波电感器(L)和所述耗散电感器(Lf)具有共享的磁路⑷。
3.根据权利要求2所述的电力制动系统，其中，所述滤波电感器(L)和所述耗散电感器 (Lf)彼此间没有磁耦合。
4.根据权利要求3所述的电力制动系统，其中，所述磁路(4)是EI形或EE形磁路，所述滤波电感器包括两个串联连接的相同的线圈(L’，L”)，每一线圈均缠绕在E字的外柱上， 所述耗散电感器缠绕在该E字的中柱上。
5.根据权利要求3所述的电力制动系统，其中，磁路(4)是EI形或EE形磁路，所述耗散电感器包括两个串联连接的相同的线圈，每一线圈均缠绕在E字的外柱上，所述滤波电感器缠绕在该E字的中柱上。
6.根据权利要求2所述的电力制动系统，其中，滤波电感器(L)和耗散电感器(Lf)耦合在一起。
7.根据权利要求6所述的电力制动系统，其中，所述磁路(10)是具有两个相对的绕组支路的0形磁路，所述滤波电感器由两个串联连接的线圈(L1，L2)构成，每一线圈均绕一个支路缠绕，所述耗散电感器由两个串联连接的线圈(Lfl，Lf2)构成，每一线圈也均绕一个支路缠绕。
8.根据权利要求7所述的电力制动系统，其中，所述0形磁路(10)由两个C形部分 (11,12)构成，通过由非磁性材料制造的气隙(1 将所述两个C形部分固定到彼此上。
9.根据上述任一权利要求所述的电力制动系统，其中，为耗散电感器的磁路提供绝热装置，使得能够控制朝向该耗散电感器被固定到的外壳壁的热流水平。
全文摘要
用于电动机械(M)的电力制动系统，所述电动机械连接到逆变器(3)的输出端，逆变器(3)的输入端由直流电压源(1)供电，所述电力制动系统包括连接在逆变器的输入端之间的电路，该电路包括串联连接的用于耗散电能的装置，所述耗散电能的装置包括绕磁路(4)缠绕的电感器(Lf)，在电动机械的制动阶段期间所述电能由所述电动机械返回到逆变器的输入端；开关装置(T)，用于在所述电动机械的制动阶段期间闭合所述电路，并且用于在电动机械的非制动阶段期间断开该电路。
文档编号H02P3/18GK102217188SQ200980145756
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月12日 优先权日2008年11月14日
发明者艾瑞克·德沃吉福斯 申请人:伊斯帕诺-絮扎公司