大功率永磁同步電機制動能量回收裝置及控制方法與流程

本發明涉及無刷永磁同步電機控制技術領域，更具體地說，本發明涉及一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置及控制方法。

背景技術：

進入21世紀，人類將面臨著越來越嚴重的能源危機，節約能源是我國乃至全世界持續發展的必然手段。為落實《節能中長期專項規劃》，國家發改委目前啟動了十大重點節能工程。電機系統節能是其中的一種重點工程，節約的目標是實現電機系統運行效率提高2個百分點，形成年節電能力200億千瓦時。如果能夠很好地回收電機制動時的動能就可提高電機系統的運行效率，目前，電機的能量回收技術在我國還處于初期階段。

永磁同步電機作為一種新型機電一體化產品，因其效率高、功率密度大、調速性能好、控制簡單等一系列優點，已廣泛應用于工業控制、航空航天、數控機床、微特加工等領域。在實際的許多工業場合都要求永磁同步電機頻繁地啟動和制動，對于大功率的永磁同步電機來說，由于慣性的存在，制動時將有很大的機械動能，如何成功地利用這些動能很值得我們去研究。交流電機的制動形式通常有三種形式：能耗制動、反接制動、能量回饋制動。目前我國使用較多的方法是采用能耗制動，通過在制動回路中加入制動電阻，讓能量白白地消耗掉，造成能量的巨大浪費，并且，對于對于大功率的永磁同步電機來說，由于產生的機械動能過高，可能會導致制動電阻的燒毀。電機制動時產生的能量我們可以采取兩種方式來進行處理：一種是通過容量大充放電快的儲能元件來儲存能量；一種是高速的數字信號處理芯片來實現回饋，使能量回饋到電網，從而達到能量回收的目的。對于能量直接回饋到電網這種方法，適用于位能型負載，因為對于位能型負載要求有很大的儲能裝置。由于電網對諧波成分要求非常高，這就要求對其控制，且電路比較復雜。

綜上所述，提出一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置及控制方法顯得尤為重要。

技術實現要素：

本發明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優點。

本發明還有一個目的是提供一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，針對大功率永磁同步電機采用能耗制動造成能量浪費，并且易燒毀制動電阻的問題，本案從電壓控制的角度來有效控制大功率永磁同步電機制動能量的傳輸，并且將電網電壓波動考慮在其中，制動時切斷母線，回收制動能量，啟動后通過該回收能量對母線電壓及時調整，既可有效避免大功率永磁同步電機采用能耗制動造成的能量浪費，保護系統元器件；同時可以保證永磁同步電機啟動后母線電壓的穩定，防止電網波動對驅動系統造成傷害。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，包括:

逆變模塊，其輸入端與電源連接，所述逆變模塊的輸出端連接永磁同步電機的定子，所述逆變模塊的直流母線之間設置有一母線電容；

儲能模塊，其包括電池儲能單元、端電容、第一支路以及第二支路，所述電池儲能單元輸出正極分別連接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次連接的第一常開繼電器、第一常閉繼電器以及降壓斬波電路組成，所述第二支路由依次連接的第二常開繼電器、第二常閉繼電器以及升壓斬波電路組成，兩路并聯后輸出連接在所述端電容上，所述第一常開繼電器和第二常開繼電器的輸入端分別連接在所述電池儲能單元輸出正極端上；

整流模塊，其輸入端通過一功率平滑器連接所述永磁同步電機的定子，所述整流模塊的輸出端連接所述端電容兩端；

母線電壓檢測模塊，其輸入端連接所述母線電容和端電容兩端；以及

單片機，其輸入端連接所述母線電壓檢測模塊的輸出端，所述單片機的輸出端分別連接所述逆變模塊、儲能模塊和整流模塊的控制端；

其中，所述永磁同步電機上設置有編碼器，所述編碼器輸出端與所述單片機輸入端連接，所述逆變模塊通過一第三常開繼電器與所述母線電容連接，所述端電容通過串聯的第四常開繼電器和限流電阻與所述母線電容兩端連接。

優選的，所述逆變模塊依次由第一igbt至第六igbt組成的三對igbt橋臂連接而成，所述母線電容兩側通過一橋式整流器連接電網；所述整流模塊依次由第七igbt至第十二igbt組成的三對igbt橋臂連接而成；所述單片機輸出端連接各個所述igbt的驅動端。

優選的，所述降壓斬波電路包括依次連接的第十三igbt和第一電感以及陰極端連接在所述第十三igbt和第一電感之間的第一二極管，所述第一二極管的陽極端連接在所述端電容負極端，所述第十三igbt連接所述第一常閉繼電器，所述第一電感連接所述端電容正極端。

優選的，所述升壓斬波電路包括依次連接的第二電感和第二二極管以及第一端連接在所述第二電感和第二二極管之間的第十四igbt，所述第十四igbt第二端連接所述端電容負極端，所述第二電感連接所述第二常閉繼電器，所述第二二極管陰極連接所述端電容正極端。

優選的，所述第一常開繼電器、第一常閉繼電器、第二常開繼電器、第二常閉繼電器構成互鎖裝置，所述端電容為大容量儲能電容。

優選的，所述端電容兩端還連接有一次穩壓電路，其包括依次連接的第五常開繼電器、可調電感、第三二極管、由四個三極管構成的雙臂電橋和連接在所述雙臂電橋之間的緩充電容，所述第五常開繼電器與所述端電容的正極端連接，所述雙臂電橋的第一端連接所述第三二極管的陰極端，所述雙臂電橋的第二端連接所述端電容的負極端，各個所述三極管的控制端與所述單片機連接。

一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、系統開機時，將連接母線電容與逆變模塊的第三常開繼電器斷開，將連接母線電容與端電容的第四常開繼電器斷開，永磁同步電機未啟動，母線電壓檢測模塊在每個算法周期內檢測一次母線電容間的母線電壓，經過100個周期檢測后，單片機計算平均母線電壓udc1avg；

步驟二、將第三常開繼電器閉合，將第四常開繼電器閉合，單片機給出相應的pwm波，控制整流模塊中所有的igbt處于關斷狀態，永磁同步電機啟動，母線電壓檢測模塊在每個算法周期內檢測一次母線電容間的實時母線電壓udc1，通過單片機判斷母線電容間的實時母線電壓udc1與步驟一中計算的平均母線電壓udc1avg大小，通過儲能模塊中相應的繼電器以及igbt調節永磁同步電機運行期間實時母線電壓udc1的大小，達到永磁同步電機運行期間母線電容間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡，維持母線電壓udc1的穩定；

步驟三、將第三常開繼電器斷開，將第四常開繼電器斷開，單片機給出相應的pwm波，控制整流模塊中所有的igbt處于開通狀態，永磁同步電機制動，通過儲能模塊中相應的繼電器以及igbt調節，將永磁同步電機的制動能量依次經過功率平滑器平滑處理、通過整流模塊整流，傳輸到大容量儲能端電容上，端電容向電池儲能單元充電，直至永磁同步電機停止運轉。

優選的，所述永磁同步電機運行期間通過儲能模塊中相應的繼電器以及igbt調節母線電容間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡的控制方法是：當單片機檢測到udc1＜udc1avg，即驅動系統母線端欠壓時，儲能模塊具有的第二支路的第二常開繼電器閉合，第二常閉繼電器仍處在閉合狀態，升壓斬波電路導通，降壓斬波電路關斷，通過pwm波控制升壓斬波電路中的igbt通斷來提升輸出端端電容間的電壓udc2，此時儲能模塊端電容間的電壓udc2大于母線電容間的電壓udc1，端電容通過電池儲能單元向母線電容放電，電池儲能單元處于放電狀態，直至母線電容間實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡；當單片機檢測到udc1＞udc1avg，即驅動系統母線端過壓時，儲能模塊具有的第一支路的第一常開繼電器閉合，第一常閉繼電器仍處在閉合狀態，降壓斬波電路導通，升壓斬波電路關斷，通過pwm波控制降壓斬波電路中的igbt通斷來降低輸出端端電容間的電壓udc2，此時儲能模塊端電容間的電壓udc2小于母線電容間的電壓udc1，母線電容向端電容充電，能量傳輸到電池儲能單元，電池儲能單元處于充電狀態，直至母線電容間實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡；其中，所述pwm波來自一個閉環輸出：將母線電容間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg作差送入一個pi控制器，pi控制器輸出為控制igbt的pwm波。

優選的，步驟三中，所述永磁同步電機制動能量向電池儲能單元充電的具體控制方法為：儲能模塊具有的第一支路的第一常開繼電器閉合，第一常閉繼電器任處在閉合狀態，降壓斬波電路導通，升壓斬波電路關斷，通過pwm波控制降壓斬波電路中的igbt通斷來降低輸出端端電容間的電壓udc2，永磁同步電機制動能量給端電容充電，進一步傳輸到電池儲能單元，其中，所述pwm波占空比與永磁同步電機制動后的轉速成正比關系。

優選的，步驟二中，當永磁同步電機驅動系統出現故障時，將第三常開繼電器斷開，將第四常開繼電器斷開，系統調用儲能模塊和整流模塊，單片機給出相應的pwm波，控制整流模塊中所有的igbt的通斷，通過儲能模塊中的存儲能量繼續保證永磁同步電機的正常運行，整流模塊充當永磁同步電機驅動系統中的逆變模塊。

本發明至少包括以下有益效果：

1、本發明采用的大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，結構簡單，成本低，實用性強，控制方便，降壓斬波電路和升壓斬波電路配合使用，使得電池儲能單元處在合理的充放電狀態，既可以最大限度地利用好具有波動性的電網資源，防止欠壓、過壓等對永磁同步電機驅動系統的破壞，同時可以有效回收永磁同步電機制動生成的能量，在驅動系統欠壓時通過該回收能量及時對其作出補償，并且在驅動系統出現故障時通過該存儲能量可繼續保證永磁同步電機的正常運轉；

2、本發明的大功率永磁同步電機制動能量回收裝置的控制方法，考慮大功率永磁同步電機的特殊性，制動時回收制動能量，啟動后通過該回收能量對母線電壓及時調整，控制方法更加靈活，有效避免大功率永磁同步電機采用能耗制動造成的能量浪費。

本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發明裝置的結構示意圖；

圖2為所述次穩壓電路的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

實施例一

本發明電提供了一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，如圖1所示，包括逆變模塊1、整流模塊2、儲能模塊3、母線電壓檢測模塊4、單片機5以及功率平滑器6。

逆變模塊1輸入端與電源連接，所述逆變模塊1的輸出端連接永磁同步電機7的定子，所述逆變模塊1的直流母線之間設置有一母線電容c1。

儲能模塊3，其包括電池儲能單元、端電容c2、第一支路以及第二支路，所述電池儲能單元輸出正極分別連接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次連接的第一常開繼電器km11、第一常閉繼電器km12以及降壓斬波電路組成，所述第二支路由依次連接的第二常開繼電器km21、第二常閉繼電器km22以及升壓斬波電路組成，兩路并聯后輸出連接在所述端電容c2上，所述第一常開繼電器km11和第二常開繼電器km21的輸入端分別連接在所述電池儲能單元輸出正極端上。

整流模塊2的輸入端通過一功率平滑器6連接所述永磁同步電機7的定子，所述整流模塊2的輸出端連接所述端電容c2兩端，所述功率平滑器用于對大功率永磁同步電機制動能量進行平滑處理，防止過大的能量波動對電池儲能單元造成損害。

母線電壓檢測模塊4的輸入端連接所述母線電容c1和端電容c2兩端；單片機5的輸入端連接所述母線電壓檢測模塊4的輸出端，所述單片機5的輸出端分別連接所述逆變模塊1、儲能模塊3和整流模塊2的控制端。

其中，所述永磁同步電機7上設置有編碼器，所述編碼器輸出端與所述單片機5輸入端連接，所述逆變模塊1通過一第三常開繼電器km3與所述母線電容c1連接，所述端電容c2通過串聯的第四常開繼電器km4和限流電阻r與所述母線電容c1兩端連接。

所述降壓斬波電路用于降低端電容電壓值，使得母線電容或者大功率永磁同步電機制動能量向端電容充電，電池儲能單元處于充電狀態；所述升壓斬波電路用于提升端電容電壓值，使得端電容向母線電容放電，電池儲能單元處于放電狀態。所述單片機用于對所述母線電壓檢測模塊輸入數據進行算法處理，產生相應的pwm波控制對應的igbt通斷。

所述逆變模塊1依次由第一igbt1至第六igbt6組成的三對igbt橋臂連接而成，所述母線電容c1兩側通過一橋式整流器連接電網；所述整流模塊2依次由第七igbt7至第十二igbt12組成的三對igbt橋臂連接而成；所述單片機5輸出端連接各個所述igbt的驅動端。

所述降壓斬波電路包括依次連接的第十三igbt13和第一電感lf1以及陰極端連接在所述第十三igbt13和第一電感lf1之間的第一二極管d1，所述第一二極管d1的陽極端連接在所述端電容c2負極端，所述第十三igbt13連接所述第一常閉繼電器km12，所述第一電感lf1連接所述端電容c2正極端；所述升壓斬波電路包括依次連接的第二電感lf2和第二二極管以及第一端連接在所述第二電感lf2和第二二極管d2之間的第十四igbt14，所述第十四igbt14的第二端連接所述端電容c2負極端，所述第二電感lf2連接所述第二常閉繼電器km22，所述第二二極管d2陰極連接所述端電容c2正極端。

所述電池儲能單元輸出正極分成兩支路，第一支路包括依次連接的第一常開繼電器km11、第一常閉繼電器km12以及降壓斬波電路。第二支路包括依次連接的第二常開繼電器km21、第二常閉繼電器km22以及升壓斬波電路，兩路并聯后輸出連接端電容c2，所述端電容c2為大容量儲能電容，并且第一常開繼電器km11、第一常閉繼電器km12、第二常開繼電器km21、第二常閉繼電器km22構成互鎖裝置；所述母線電壓檢測模塊4輸入連接母線電容c1和端電容c2，輸出端連接單片機5，所述單片機5輸出端連接各個igbt驅動；所述功率平滑器6輸入連接大功率永磁同步電機7；所述母線電容c1和端電容c2通過第四常開繼電器km4和限流電阻r兩端相互連接。

本實施例的大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，結構簡單，成本低，實用性強，控制方便，降壓斬波電路和升壓斬波電路配合使用，使得電池儲能單元處在合理的充放電狀態，既可以最大限度地利用好具有波動性的電網資源，防止欠壓、過壓等對永磁同步電機驅動系統的破壞，同時可以有效回收永磁同步電機制動生成的能量，在驅動系統欠壓時通過該回收能量及時對其作出補償。并且在驅動系統出現故障時通過該存儲能量可繼續保證永磁同步電機的正常運轉。

實施例二

在實施例一的基礎上，所述端電容c2兩端還連接有一次穩壓電路，如圖2所示，該次穩壓電路包括依次連接的第五常開繼電器km5、可調電感l3、第三二極管d3、由四個三極管q1-q4構成的雙臂電橋和連接在所述雙臂電橋之間的緩充電容c3，所述第五常開繼電器km5另一端與所述端電容c2的正極端連接，所述雙臂電橋的第一端連接所述第三二極管d3的陰極端，所述雙臂電橋的第二端連接所述端電容c2的負極端，各個所述三極管的控制端與所述單片機5連接。

本實施例中的次穩壓電路，結構簡單，成本低，在直流母線上的電壓波動較小時，通過控制第五常開繼電器和各個三極管的通斷來控制緩充電容c3的充放電過程，可有效控制直流母線上電壓的穩定。當直流母線上的電壓波動超過一定范圍時，通過儲能模塊來穩定直流母線電壓，從而形成2種針對性的抑制直流母線電壓波動的控制方式。

實施例三

一種大功率永磁同步電機制動能量回收裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、系統開機時，將連接母線電容c1與逆變模塊1的第三常開繼電器km3斷開，將連接母線電容c1與端電容c2的第四常開繼電器km4斷開，永磁同步電機7未啟動，母線電壓檢測模塊4在每個算法周期內檢測一次母線電容c1間的母線電壓，經過100個周期檢測后，單片機5計算平均母線電壓udc1avg；

步驟二、將第三常開繼電器km3閉合，將第四常開繼電器km4閉合，單片機5給出相應的pwm波，控制整流模塊2中所有的igbt處于關斷狀態，永磁同步電機7啟動，母線電壓檢測模塊4在每個算法周期內檢測一次母線電容c1間的實時母線電壓udc1，通過單片機5判斷母線電容c1間的實時母線電壓udc1與步驟一中計算的平均母線電壓udc1avg大小，通過儲能模塊3中相應的繼電器以及igbt調節永磁同步電機7運行期間實時母線電壓udc1的大小，達到永磁同步電機7運行期間母線電容c1間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡，維持母線電壓udc1的穩定；

步驟三、將第三常開繼電器km3斷開，將第四常開繼電器斷開，單片機5給出相應的pwm波，控制整流模塊2中所有的igbt處于開通狀態，永磁同步電機7制動，通過儲能模塊3中相應的繼電器以及igbt調節，將永磁同步電機7的制動能量依次經過功率平滑器6平滑處理、通過整流模塊2整流，傳輸到大容量儲能端電容c2上，端電容c2向電池儲能單元充電，直至永磁同步電機7停止運轉。

步驟二中，所述永磁同步電機7運行期間通過儲能模塊3中相應的繼電器以及igbt調節母線電容c1間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡的目的旨在防止永磁同步電機7運行期間電網波動導致過壓欠壓對驅動系統造成損害，其具體控制方法是：當單片機5檢測到udc1＜udc1avg，即驅動系統母線端欠壓時，儲能模塊3具有的第二支路的第二常開繼電器閉合，第二常閉繼電器仍處在閉合狀態，升壓斬波電路導通，降壓斬波電路關斷，通過pwm波控制升壓斬波電路中的igbt通斷來提升輸出端端電容c2間的電壓udc2，此時儲能模塊3端電容c2間的電壓udc2大于母線電容c1間的電壓udc1，端電容c2通過電池儲能單元向母線電容c1放電，電池儲能單元處于放電狀態，直至母線電容c1間實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡；當單片機5檢測到udc1＞udc1avg，即驅動系統母線端過壓時，儲能模塊3具有的第一支路的第一常開繼電器km11閉合，第一常開繼電器km12仍處在閉合狀態，降壓斬波電路導通，升壓斬波電路關斷，通過pwm波控制降壓斬波電路中的igbt通斷來降低輸出端端電容c2間的電壓udc2，此時儲能模塊3端電容c2間的電壓udc2小于母線電容c1間的電壓udc1，母線電容c1向端電容c2充電，能量傳輸到電池儲能單元，電池儲能單元處于充電狀態，直至母線電容c1間實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間動態平衡；其中，所述pwm波來自一個閉環輸出：將母線電容c1間的實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg作差送入一個pi控制器，pi控制器輸出為控制igbt的pwm波。

步驟三中，所述永磁同步電機7制動能量向電池儲能單元充電的具體控制方法為：儲能模塊3具有的第一支路的第一常開繼電器km11閉合，第一常開繼電器km12任處在閉合狀態，降壓斬波電路導通，升壓斬波電路關斷，通過pwm波控制降壓斬波電路中的igbt通斷來降低輸出端端電容c2間的電壓udc2，永磁同步電機7制動能量給端電容c2充電，進一步傳輸到電池儲能單元，其中，所述pwm波占空比與永磁同步電機7制動后的轉速成正比關系，即pwm波占空比給定隨著制動后永磁同步電機7轉速的降低而降低。

進一步的，步驟二中，當永磁同步電機7驅動系統出現故障時，將第三常開繼電器km3斷開，將第四常開繼電器km4斷開，系統調用儲能模塊3和整流模塊2，單片機5給出相應的pwm波，控制整流模塊2中所有的igbt的通斷，通過儲能模塊3中的存儲能量繼續保證永磁同步電機7的正常運行，整流模塊2充當永磁同步電機7驅動系統中的逆變模塊1。

實施例四

在實施例三的基礎上，對電網電壓的波動進一步細分處理，當單片機6檢測到

0.95udc1avg＜udc1＜udc1avg時，第五常開繼電器km5閉合，斷開第一敞開繼電器和第二敞開繼電器，控制三極管q2和q4閉合，緩充電容放電，抬高母線直流電壓，將實時母線電壓udc1提升至達到平均母線電壓udc1avg的值，實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡。當udc1＜0.95udc1avg時，斷開第五常開繼電器km5，采用儲能模塊1中的升壓斬波電路將實時母線電壓udc1提升至達到平均母線電壓udc1avg的值，實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡。當單片機6檢測到1.05udc1avg＞udc1＞udc1avg時，第五常開繼電器km5閉合，斷開第一敞開繼電器和第二敞開繼電器，控制三極管q1和q3閉合，緩充電容充電，降低母線直流電壓，將實時母線電壓udc1下降至平均母線電壓udc1avg的值，實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡。當單片機6檢測到udc1＞1.05udc1avg時，斷開第五常開繼電器km5，采用儲能模塊1中的降壓斬波電路將實時母線電壓udc1下降至平均母線電壓udc1avg的值，實時母線電壓udc1與平均母線電壓udc1avg間的動態平衡。

由上所述，本發明采用的大功率永磁同步電機制動能量回收裝置，結構簡單，成本低，實用性強，控制方便，降壓斬波電路和升壓斬波電路配合使用，使得電池儲能單元處在合理的充放電狀態，既可以最大限度地利用好具有波動性的電網資源，防止欠壓、過壓等對永磁同步電機驅動系統的破壞，同時可以有效回收永磁同步電機制動生成的能量，在驅動系統欠壓時通過該回收能量及時對其作出補償。并且在驅動系統出現故障時通過該存儲能量可繼續保證永磁同步電機的正常運轉；同時，本發明的大功率永磁同步電機制動能量回收裝置的控制方法，考慮大功率永磁同步電機的特殊性，制動時回收制動能量，啟動后通過該回收能量對母線電壓及時調整，控制方法更加靈活，有效避免大功率永磁同步電機采用能耗制動造成的能量浪費。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。