大功率永磁同步电机制动能量回收装置及控制方法与流程

本发明涉及无刷永磁同步电机控制技术领域，更具体地说，本发明涉及一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置及控制方法。

背景技术：

进入21世纪，人类将面临着越来越严重的能源危机，节约能源是我国乃至全世界持续发展的必然手段。为落实《节能中长期专项规划》，国家发改委目前启动了十大重点节能工程。电机系统节能是其中的一种重点工程，节约的目标是实现电机系统运行效率提高2个百分点，形成年节电能力200亿千瓦时。如果能够很好地回收电机制动时的动能就可提高电机系统的运行效率，目前，电机的能量回收技术在我国还处于初期阶段。

永磁同步电机作为一种新型机电一体化产品，因其效率高、功率密度大、调速性能好、控制简单等一系列优点，已广泛应用于工业控制、航空航天、数控机床、微特加工等领域。在实际的许多工业场合都要求永磁同步电机频繁地启动和制动，对于大功率的永磁同步电机来说，由于惯性的存在，制动时将有很大的机械动能，如何成功地利用这些动能很值得我们去研究。交流电机的制动形式通常有三种形式：能耗制动、反接制动、能量回馈制动。目前我国使用较多的方法是采用能耗制动，通过在制动回路中加入制动电阻，让能量白白地消耗掉，造成能量的巨大浪费，并且，对于对于大功率的永磁同步电机来说，由于产生的机械动能过高，可能会导致制动电阻的烧毁。电机制动时产生的能量我们可以采取两种方式来进行处理：一种是通过容量大充放电快的储能元件来储存能量；一种是高速的数字信号处理芯片来实现回馈，使能量回馈到电网，从而达到能量回收的目的。对于能量直接回馈到电网这种方法，适用于位能型负载，因为对于位能型负载要求有很大的储能装置。由于电网对谐波成分要求非常高，这就要求对其控制，且电路比较复杂。

综上所述，提出一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置及控制方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置，针对大功率永磁同步电机采用能耗制动造成能量浪费，并且易烧毁制动电阻的问题，本案从电压控制的角度来有效控制大功率永磁同步电机制动能量的传输，并且将电网电压波动考虑在其中，制动时切断母线，回收制动能量，启动后通过该回收能量对母线电压及时调整，既可有效避免大功率永磁同步电机采用能耗制动造成的能量浪费，保护系统元器件；同时可以保证永磁同步电机启动后母线电压的稳定，防止电网波动对驱动系统造成伤害。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置，包括:

逆变模块，其输入端与电源连接，所述逆变模块的输出端连接永磁同步电机的定子，所述逆变模块的直流母线之间设置有一母线电容；

储能模块，其包括电池储能单元、端电容、第一支路以及第二支路，所述电池储能单元输出正极分别连接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次连接的第一常开继电器、第一常闭继电器以及降压斩波电路组成，所述第二支路由依次连接的第二常开继电器、第二常闭继电器以及升压斩波电路组成，两路并联后输出连接在所述端电容上，所述第一常开继电器和第二常开继电器的输入端分别连接在所述电池储能单元输出正极端上；

整流模块，其输入端通过一功率平滑器连接所述永磁同步电机的定子，所述整流模块的输出端连接所述端电容两端；

母线电压检测模块，其输入端连接所述母线电容和端电容两端；以及

单片机，其输入端连接所述母线电压检测模块的输出端，所述单片机的输出端分别连接所述逆变模块、储能模块和整流模块的控制端；

其中，所述永磁同步电机上设置有编码器，所述编码器输出端与所述单片机输入端连接，所述逆变模块通过一第三常开继电器与所述母线电容连接，所述端电容通过串联的第四常开继电器和限流电阻与所述母线电容两端连接。

优选的，所述逆变模块依次由第一igbt至第六igbt组成的三对igbt桥臂连接而成，所述母线电容两侧通过一桥式整流器连接电网；所述整流模块依次由第七igbt至第十二igbt组成的三对igbt桥臂连接而成；所述单片机输出端连接各个所述igbt的驱动端。

优选的，所述降压斩波电路包括依次连接的第十三igbt和第一电感以及阴极端连接在所述第十三igbt和第一电感之间的第一二极管，所述第一二极管的阳极端连接在所述端电容负极端，所述第十三igbt连接所述第一常闭继电器，所述第一电感连接所述端电容正极端。

优选的，所述升压斩波电路包括依次连接的第二电感和第二二极管以及第一端连接在所述第二电感和第二二极管之间的第十四igbt，所述第十四igbt第二端连接所述端电容负极端，所述第二电感连接所述第二常闭继电器，所述第二二极管阴极连接所述端电容正极端。

优选的，所述第一常开继电器、第一常闭继电器、第二常开继电器、第二常闭继电器构成互锁装置，所述端电容为大容量储能电容。

优选的，所述端电容两端还连接有一次稳压电路，其包括依次连接的第五常开继电器、可调电感、第三二极管、由四个三极管构成的双臂电桥和连接在所述双臂电桥之间的缓充电容，所述第五常开继电器与所述端电容的正极端连接，所述双臂电桥的第一端连接所述第三二极管的阴极端，所述双臂电桥的第二端连接所述端电容的负极端，各个所述三极管的控制端与所述单片机连接。

一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统开机时，将连接母线电容与逆变模块的第三常开继电器断开，将连接母线电容与端电容的第四常开继电器断开，永磁同步电机未启动，母线电压检测模块在每个算法周期内检测一次母线电容间的母线电压，经过100个周期检测后，单片机计算平均母线电压udc1avg；

步骤二、将第三常开继电器闭合，将第四常开继电器闭合，单片机给出相应的pwm波，控制整流模块中所有的igbt处于关断状态，永磁同步电机启动，母线电压检测模块在每个算法周期内检测一次母线电容间的实时母线电压udc1，通过单片机判断母线电容间的实时母线电压udc1与步骤一中计算的平均母线电压udc1avg大小，通过储能模块中相应的继电器以及igbt调节永磁同步电机运行期间实时母线电压udc1的大小，达到永磁同步电机运行期间母线电容间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡，维持母线电压udc1的稳定；

步骤三、将第三常开继电器断开，将第四常开继电器断开，单片机给出相应的pwm波，控制整流模块中所有的igbt处于开通状态，永磁同步电机制动，通过储能模块中相应的继电器以及igbt调节，将永磁同步电机的制动能量依次经过功率平滑器平滑处理、通过整流模块整流，传输到大容量储能端电容上，端电容向电池储能单元充电，直至永磁同步电机停止运转。

优选的，所述永磁同步电机运行期间通过储能模块中相应的继电器以及igbt调节母线电容间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡的控制方法是：当单片机检测到udc1＜udc1avg，即驱动系统母线端欠压时，储能模块具有的第二支路的第二常开继电器闭合，第二常闭继电器仍处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断，通过pwm波控制升压斩波电路中的igbt通断来提升输出端端电容间的电压udc2，此时储能模块端电容间的电压udc2大于母线电容间的电压udc1，端电容通过电池储能单元向母线电容放电，电池储能单元处于放电状态，直至母线电容间实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡；当单片机检测到udc1＞udc1avg，即驱动系统母线端过压时，储能模块具有的第一支路的第一常开继电器闭合，第一常闭继电器仍处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容间的电压udc2，此时储能模块端电容间的电压udc2小于母线电容间的电压udc1，母线电容向端电容充电，能量传输到电池储能单元，电池储能单元处于充电状态，直至母线电容间实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡；其中，所述pwm波来自一个闭环输出：将母线电容间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg作差送入一个pi控制器，pi控制器输出为控制igbt的pwm波。

优选的，步骤三中，所述永磁同步电机制动能量向电池储能单元充电的具体控制方法为：储能模块具有的第一支路的第一常开继电器闭合，第一常闭继电器任处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容间的电压udc2，永磁同步电机制动能量给端电容充电，进一步传输到电池储能单元，其中，所述pwm波占空比与永磁同步电机制动后的转速成正比关系。

优选的，步骤二中，当永磁同步电机驱动系统出现故障时，将第三常开继电器断开，将第四常开继电器断开，系统调用储能模块和整流模块，单片机给出相应的pwm波，控制整流模块中所有的igbt的通断，通过储能模块中的存储能量继续保证永磁同步电机的正常运行，整流模块充当永磁同步电机驱动系统中的逆变模块。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明采用的大功率永磁同步电机制动能量回收装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，防止欠压、过压等对永磁同步电机驱动系统的破坏，同时可以有效回收永磁同步电机制动生成的能量，在驱动系统欠压时通过该回收能量及时对其作出补偿，并且在驱动系统出现故障时通过该存储能量可继续保证永磁同步电机的正常运转；

2、本发明的大功率永磁同步电机制动能量回收装置的控制方法，考虑大功率永磁同步电机的特殊性，制动时回收制动能量，启动后通过该回收能量对母线电压及时调整，控制方法更加灵活，有效避免大功率永磁同步电机采用能耗制动造成的能量浪费。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为所述次稳压电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例一

本发明电提供了一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置，如图1所示，包括逆变模块1、整流模块2、储能模块3、母线电压检测模块4、单片机5以及功率平滑器6。

逆变模块1输入端与电源连接，所述逆变模块1的输出端连接永磁同步电机7的定子，所述逆变模块1的直流母线之间设置有一母线电容c1。

储能模块3，其包括电池储能单元、端电容c2、第一支路以及第二支路，所述电池储能单元输出正极分别连接所述第一支路和第二支路，所述第一支路由依次连接的第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12以及降压斩波电路组成，所述第二支路由依次连接的第二常开继电器km21、第二常闭继电器km22以及升压斩波电路组成，两路并联后输出连接在所述端电容c2上，所述第一常开继电器km11和第二常开继电器km21的输入端分别连接在所述电池储能单元输出正极端上。

整流模块2的输入端通过一功率平滑器6连接所述永磁同步电机7的定子，所述整流模块2的输出端连接所述端电容c2两端，所述功率平滑器用于对大功率永磁同步电机制动能量进行平滑处理，防止过大的能量波动对电池储能单元造成损害。

母线电压检测模块4的输入端连接所述母线电容c1和端电容c2两端；单片机5的输入端连接所述母线电压检测模块4的输出端，所述单片机5的输出端分别连接所述逆变模块1、储能模块3和整流模块2的控制端。

其中，所述永磁同步电机7上设置有编码器，所述编码器输出端与所述单片机5输入端连接，所述逆变模块1通过一第三常开继电器km3与所述母线电容c1连接，所述端电容c2通过串联的第四常开继电器km4和限流电阻r与所述母线电容c1两端连接。

所述降压斩波电路用于降低端电容电压值，使得母线电容或者大功率永磁同步电机制动能量向端电容充电，电池储能单元处于充电状态；所述升压斩波电路用于提升端电容电压值，使得端电容向母线电容放电，电池储能单元处于放电状态。所述单片机用于对所述母线电压检测模块输入数据进行算法处理，产生相应的pwm波控制对应的igbt通断。

所述逆变模块1依次由第一igbt1至第六igbt6组成的三对igbt桥臂连接而成，所述母线电容c1两侧通过一桥式整流器连接电网；所述整流模块2依次由第七igbt7至第十二igbt12组成的三对igbt桥臂连接而成；所述单片机5输出端连接各个所述igbt的驱动端。

所述降压斩波电路包括依次连接的第十三igbt13和第一电感lf1以及阴极端连接在所述第十三igbt13和第一电感lf1之间的第一二极管d1，所述第一二极管d1的阳极端连接在所述端电容c2负极端，所述第十三igbt13连接所述第一常闭继电器km12，所述第一电感lf1连接所述端电容c2正极端；所述升压斩波电路包括依次连接的第二电感lf2和第二二极管以及第一端连接在所述第二电感lf2和第二二极管d2之间的第十四igbt14，所述第十四igbt14的第二端连接所述端电容c2负极端，所述第二电感lf2连接所述第二常闭继电器km22，所述第二二极管d2阴极连接所述端电容c2正极端。

所述电池储能单元输出正极分成两支路，第一支路包括依次连接的第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12以及降压斩波电路。第二支路包括依次连接的第二常开继电器km21、第二常闭继电器km22以及升压斩波电路，两路并联后输出连接端电容c2，所述端电容c2为大容量储能电容，并且第一常开继电器km11、第一常闭继电器km12、第二常开继电器km21、第二常闭继电器km22构成互锁装置；所述母线电压检测模块4输入连接母线电容c1和端电容c2，输出端连接单片机5，所述单片机5输出端连接各个igbt驱动；所述功率平滑器6输入连接大功率永磁同步电机7；所述母线电容c1和端电容c2通过第四常开继电器km4和限流电阻r两端相互连接。

本实施例的大功率永磁同步电机制动能量回收装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，防止欠压、过压等对永磁同步电机驱动系统的破坏，同时可以有效回收永磁同步电机制动生成的能量，在驱动系统欠压时通过该回收能量及时对其作出补偿。并且在驱动系统出现故障时通过该存储能量可继续保证永磁同步电机的正常运转。

实施例二

在实施例一的基础上，所述端电容c2两端还连接有一次稳压电路，如图2所示，该次稳压电路包括依次连接的第五常开继电器km5、可调电感l3、第三二极管d3、由四个三极管q1-q4构成的双臂电桥和连接在所述双臂电桥之间的缓充电容c3，所述第五常开继电器km5另一端与所述端电容c2的正极端连接，所述双臂电桥的第一端连接所述第三二极管d3的阴极端，所述双臂电桥的第二端连接所述端电容c2的负极端，各个所述三极管的控制端与所述单片机5连接。

本实施例中的次稳压电路，结构简单，成本低，在直流母线上的电压波动较小时，通过控制第五常开继电器和各个三极管的通断来控制缓充电容c3的充放电过程，可有效控制直流母线上电压的稳定。当直流母线上的电压波动超过一定范围时，通过储能模块来稳定直流母线电压，从而形成2种针对性的抑制直流母线电压波动的控制方式。

实施例三

一种大功率永磁同步电机制动能量回收装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、系统开机时，将连接母线电容c1与逆变模块1的第三常开继电器km3断开，将连接母线电容c1与端电容c2的第四常开继电器km4断开，永磁同步电机7未启动，母线电压检测模块4在每个算法周期内检测一次母线电容c1间的母线电压，经过100个周期检测后，单片机5计算平均母线电压udc1avg；

步骤二、将第三常开继电器km3闭合，将第四常开继电器km4闭合，单片机5给出相应的pwm波，控制整流模块2中所有的igbt处于关断状态，永磁同步电机7启动，母线电压检测模块4在每个算法周期内检测一次母线电容c1间的实时母线电压udc1，通过单片机5判断母线电容c1间的实时母线电压udc1与步骤一中计算的平均母线电压udc1avg大小，通过储能模块3中相应的继电器以及igbt调节永磁同步电机7运行期间实时母线电压udc1的大小，达到永磁同步电机7运行期间母线电容c1间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡，维持母线电压udc1的稳定；

步骤三、将第三常开继电器km3断开，将第四常开继电器断开，单片机5给出相应的pwm波，控制整流模块2中所有的igbt处于开通状态，永磁同步电机7制动，通过储能模块3中相应的继电器以及igbt调节，将永磁同步电机7的制动能量依次经过功率平滑器6平滑处理、通过整流模块2整流，传输到大容量储能端电容c2上，端电容c2向电池储能单元充电，直至永磁同步电机7停止运转。

步骤二中，所述永磁同步电机7运行期间通过储能模块3中相应的继电器以及igbt调节母线电容c1间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡的目的旨在防止永磁同步电机7运行期间电网波动导致过压欠压对驱动系统造成损害，其具体控制方法是：当单片机5检测到udc1＜udc1avg，即驱动系统母线端欠压时，储能模块3具有的第二支路的第二常开继电器闭合，第二常闭继电器仍处在闭合状态，升压斩波电路导通，降压斩波电路关断，通过pwm波控制升压斩波电路中的igbt通断来提升输出端端电容c2间的电压udc2，此时储能模块3端电容c2间的电压udc2大于母线电容c1间的电压udc1，端电容c2通过电池储能单元向母线电容c1放电，电池储能单元处于放电状态，直至母线电容c1间实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡；当单片机5检测到udc1＞udc1avg，即驱动系统母线端过压时，储能模块3具有的第一支路的第一常开继电器km11闭合，第一常开继电器km12仍处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容c2间的电压udc2，此时储能模块3端电容c2间的电压udc2小于母线电容c1间的电压udc1，母线电容c1向端电容c2充电，能量传输到电池储能单元，电池储能单元处于充电状态，直至母线电容c1间实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间动态平衡；其中，所述pwm波来自一个闭环输出：将母线电容c1间的实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg作差送入一个pi控制器，pi控制器输出为控制igbt的pwm波。

步骤三中，所述永磁同步电机7制动能量向电池储能单元充电的具体控制方法为：储能模块3具有的第一支路的第一常开继电器km11闭合，第一常开继电器km12任处在闭合状态，降压斩波电路导通，升压斩波电路关断，通过pwm波控制降压斩波电路中的igbt通断来降低输出端端电容c2间的电压udc2，永磁同步电机7制动能量给端电容c2充电，进一步传输到电池储能单元，其中，所述pwm波占空比与永磁同步电机7制动后的转速成正比关系，即pwm波占空比给定随着制动后永磁同步电机7转速的降低而降低。

进一步的，步骤二中，当永磁同步电机7驱动系统出现故障时，将第三常开继电器km3断开，将第四常开继电器km4断开，系统调用储能模块3和整流模块2，单片机5给出相应的pwm波，控制整流模块2中所有的igbt的通断，通过储能模块3中的存储能量继续保证永磁同步电机7的正常运行，整流模块2充当永磁同步电机7驱动系统中的逆变模块1。

实施例四

在实施例三的基础上，对电网电压的波动进一步细分处理，当单片机6检测到

0.95udc1avg＜udc1＜udc1avg时，第五常开继电器km5闭合，断开第一敞开继电器和第二敞开继电器，控制三极管q2和q4闭合，缓充电容放电，抬高母线直流电压，将实时母线电压udc1提升至达到平均母线电压udc1avg的值，实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡。当udc1＜0.95udc1avg时，断开第五常开继电器km5，采用储能模块1中的升压斩波电路将实时母线电压udc1提升至达到平均母线电压udc1avg的值，实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡。当单片机6检测到1.05udc1avg＞udc1＞udc1avg时，第五常开继电器km5闭合，断开第一敞开继电器和第二敞开继电器，控制三极管q1和q3闭合，缓充电容充电，降低母线直流电压，将实时母线电压udc1下降至平均母线电压udc1avg的值，实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡。当单片机6检测到udc1＞1.05udc1avg时，断开第五常开继电器km5，采用储能模块1中的降压斩波电路将实时母线电压udc1下降至平均母线电压udc1avg的值，实时母线电压udc1与平均母线电压udc1avg间的动态平衡。

由上所述，本发明采用的大功率永磁同步电机制动能量回收装置，结构简单，成本低，实用性强，控制方便，降压斩波电路和升压斩波电路配合使用，使得电池储能单元处在合理的充放电状态，既可以最大限度地利用好具有波动性的电网资源，防止欠压、过压等对永磁同步电机驱动系统的破坏，同时可以有效回收永磁同步电机制动生成的能量，在驱动系统欠压时通过该回收能量及时对其作出补偿。并且在驱动系统出现故障时通过该存储能量可继续保证永磁同步电机的正常运转；同时，本发明的大功率永磁同步电机制动能量回收装置的控制方法，考虑大功率永磁同步电机的特殊性，制动时回收制动能量，启动后通过该回收能量对母线电压及时调整，控制方法更加灵活，有效避免大功率永磁同步电机采用能耗制动造成的能量浪费。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。