CN1250245A - 交流驱动中产生制动的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种产生与电动机旋转相反的制动转矩的设备和控制方法。转换器提供多个频率的AC功率给该电动机。提供的第一频率是在正常工作频率/转速上。提供不同于正常工作频率的第二频率以产生制动转矩。可以控制制动强度,使得大致耗尽该设备或电动机中部分或全部制动能量。可以采用多个制动频率。此外,保持正常频率与制动频率之间的关系以限制电动机的脉动。

Description

交流驱动中产生制动的设备和方法

本发明涉及电动机的制动及其在交流电动机驱动中相关的负载。至少在交流电动机的部分控制中，电动机驱动采用可调频率控制。它特别适合于非再生型驱动。

往往采用可变频率驱动以改变交流感应电动机的转速(speed)。这种驱动的运行可以从供电局得到固定频率的交流电源，产生可变频率的输出功率给电动机。这种驱动可以利用功率半导体控制的ON或OFF开关，提供可调转速的控制。这些驱动中很多只能供给功率流入电动机。所以，它们不能提供再生制动。在非再生驱动中，许多驱动利用二级功率转换。第一级把交流输入功率转换成中间的直流电源。第二级采用半导体开关作为逆变器，把直流电源转换成可调频率的交流输出。通常是，第二级或输出DC/AC转换级能够在任一方向通过额定功率。然而，用在第一级或输入AC/DC转换级的电路往往只能在一个方向上通过功率，即，从输入AC线路到DC线路输出。

在很多情况下，电动机驱动的应用要求在相反方向上有偶尔的功率通过，例如，制动或减速高惯性负载。在这些情况下，通常的做法是，在动态制动设备中添加功率电阻器或另一个半导体开关。在这种设备中，该开关可以在DC线路电压两端连接电阻器，以吸收从DC/AC转换中返回的能量。动态制动利用存放在电动机和惯性负载中吸收能量的电阻器。来自负载的能量转变成电阻器中的热量。利用电阻器的再生制动需要一个大电流开关，它可以由半导体和足够大的电阻器构成以吸收产生的热量。

在要求电动机制动的另外一些方案中，通过把功率反馈到AC输入线路，可以设计该控制成再生制动功率。在有输入AC/DC转换器的情况下，可以利用附加的半导体开关设计AC/DC转换器，使该转换器可以在两个方向上通过功率。然而，这个方法也是成本高的，因为需要附加的开关来处理大电流。较高功率的驱动一般采用三相电流，以上提供制动的诸方法可能需要大量的开关，因为要求平衡所有的三相。因为需要附加的功率电路元件，这种动态制动或再生制动的成本可能很高。

若反向功率流的要求是偶尔的或适度的，则通过零频率的功率源输出电流，实际是给电动机绕组提供直流功率，某些驱动已经避免高成本。这在电动机的空气隙中产生一个稳定的磁场。当旋转的转子绕组与这个磁场相互作用时，在该绕组中感生一个电压，造成电流流过转子。转子电流反过来与该磁场相互作用，产生负的制动转矩。这一方案有时称之为“DC(直流)注入制动”。在控制功能是由软件指导下的微处理器中完成的驱动中，直流注入不增加另外的元件，所以不给基本的驱动增加成本。然而，直流注入制动有两个具体的缺点。第一个缺点是，在高转速下获得的转矩很小。这是因为电动机中的高滑差，造成每安培获得很小的转矩。例如，若注入的DC电流限制在100％的电动机额定电流(以保护驱动)，则在额定转速下产生的转矩可以低至电动机额定转矩的3％。第二个缺点是，在DC注入发生时，该控制不能估算电动机的转速；所以，若在电动机旋转的同时，需要突然回到正向转矩，则在加速可调频率AC电压可以再次加到电动机终端之前，需要有一个延迟以便重新确定该电动机的转速。所以，在正常运行转速或接近正常运行转速下需要高制动转矩强度时，不需要直流注入制动；在只需把电动机制动到较低的非零运行转速下，也不需要直流注入制动。

本发明制动AC电动机涉及这样一种电路装置，提供的制动转矩不是机械制动或摩擦制动。本发明的目的是提供电制动方式，在额定转速下可以有很高的制动转矩强度。本发明的另一个目的是在非再生转换器中提供制动转矩，而不需要采用附加的高成本半导体器件。本发明的另一个目的是提供这样一种装置，它消耗制动能量成热量，而不需要动态(dynamic)制动电阻器。本发明的主题是提供一种高转矩电制动方法，可以偶尔采用该方法作为一种降低电动机转速的手段。

本发明的某些实施例至少利用一个功率转换单元，它有一个输入AC/DC转换器和一个DC/可调频率AC输出转换器。在美国专利5,625,545中描述这样一种类型的驱动；把这个专利合并在此供参考。

在一些现有技术的设备中(例如，Grantham等人；“感应电动机的动态制动”，Journal of Electrical and Electronics EngineeringAustralia，Vol.6，No.3，September 1986)，把多个频率加到AC电动机上以模拟测试期间的负载。这种测试设备并不利用注入的多个频率以控制电动机的转速，例如，制动旋转转子的速度到较低的转速或静止。

其他方面，特别是美国专利5,729,113中Jansen等人利用PWM控制的两个频率作转速传感和计算。

在需要通过来自可变频率驱动加制动转矩以降低AC电动机转速时，通常的方法是利用有电阻器或再生功率电路的动态制动。在需要制动时，本发明包括同时加两个不同的频率到AC电动机，给该电动机提供制动转矩。其结果是，用于制动电动机/负载惯性的能量消耗在该电动机中。不需要外部的制动电阻器，也不需要完全再生的功率电路。在利用非再生功率电路时尤其需要如此。产生的转矩脉动是正常频率与损耗施感(loss-inducing)制动频率之差，但通过适当的控制，这个脉动可以保持在大致恒定的脉动频率上。脉动频率可以选取为非临界的，且可以调整的，以“调谐”制动控制到特定的设备。在有可控输出的驱动中，还可以控制制动量。本发明甚至允许在制动操作期间估算电动机的转速。

图1a表示较高功率电平下模块化可调频率的AC驱动电路，类似于美国专利5,625,545中所描述的。然而，图1a包括给感应电动机提供电制动的控制。图1b表示图1a中电池的细节。

图2表示一般用于较低功率电平典型的非模块化可调频率AC驱动电路，但有电制动控制。

图3表示产生简单正弦波的AC驱动电路负载一侧的等效电路。

图4表示同时产生两个正弦波的AC驱动电路负载一侧的等效电路。

图5是一个曲线图，表示1000马力AC感应电动机中损耗与损耗施感电压的频率之间关系。

图6表示正常电压和损耗施感电压的分配与给出最佳制动性能的转速之间关系。

图7表示根据图6中的电压分配得到正常电流和损耗施感电流与转速之间的关系。

图8表示根据图6中的电压分配得到正常转矩，损耗施感转矩，和总转矩与转速之间的关系。

图9比较本发明和DC注入得到的制动转矩。

图10表示利用本发明电制动方式的一个优选控制实施例电路图。

图11表示利用本发明电制动方式的另一个控制实施例电路图。

图12表示利用本发明电制动方式的另外第二个控制实施例的一个实施例。

图13表示利用本发明电制动方式具有空间矢量调制的另外第三个控制实施例的一个实施例。

图14是命令信号，电动机转速，和电流的实验曲线图。

图15表示图14中诸信号的放大图。

图16表示一种类型控制方式的实施例电路图。

如图1和图2所示，虽然所描述的本发明可以用在特定的驱动布局上；应当明白，本发明的设备和方法可用在其他的AC驱动配置中。图1和图2所示的驱动是非再生型，所以具有利用本发明的某些有利要求。很清楚，本发明可用在其他的布局和配置中。

图1表示有输入变压器2的模块化AC驱动。主绕组1激发若干个次绕组3-11。每个次绕组的输出馈入到分离的电池12-20。这些电池在每条支线上是串联连接，每条支线依次馈入到三相AC感应电动机21中。中央控制系统22通过光纤光路送出命令信号到每个电池的本机控制23。这个布线图似乎类似于专利5,625,545中所示的布线图，但是，提供此处所述电制动的制动控制系统24已经添加到标准控制22中。专利5,625,545描述图1中电源电路的运行。图1所示每个电池中的输入转换器有一条DC线路(二极管整流桥)，它不允许能量流回到电源线。

图2表示有三相输入线的典型非模块化AC驱动，该三相输入由二极管整流桥51a-51c，52a-52c整流。整流桥输出上的电容器53a和53b提供平滑滤波和存储能量，为的是给逆变器49提供DC电源。该逆变器采用半导体开关元件Q1-Q6。每个开关元件被二极管D1-D6旁路。这个可调频率控制有三相输出54-56。图2表示三相输出，但是，其他的驱动实施例可以利用非三相输出。如图所示，图2的三相输出馈入到感应电动机60。在图2中，制动控制66添加到标准控制器65中。图2所示的输入转换器有DC线路(二极管整流桥)，不允许能量流回到电源线。

图3表示图1或图2中AC驱动负载一侧的等效电路。驱动对电动机的作用相当于一组三相电压源VA1，VB1，和VC1。该电动机对这些电压的响应是产生三相电流IA1，IB1，和IC1。对于正常的电动机运行，这些电流应该是平衡的三相正弦波。然而，图1或图2中的电源电路能够产生其他的波形。

图4表示一组可能的其他波形。驱动可以把电压加到电动机上，该电压相当于两个不同频率分离的正弦波之和。对电动机的作用相当于有一组三相电压源VA1，VB1，和VC1与另一组三相电压源VA2，VB2，和VC2的串联。合成电压的峰值必须不超过驱动电压容量。该电动机产生的电流是每个电源产生的电流分量之和，即，IA1+IA2，IB1+IB2，和IC1+IC2。合成电流的峰值也必须不超过驱动电流容量。

本发明利用该驱动的这个能力，把两个电压同时加上，使制动能量消耗在该电动机中。除了正常电压用于转速控制以外，加第二组三相损耗施感电压到电动机上，在该电动机感生额外的损耗。由于正常电压组返回到DC线路的能量(例如，在图2中的电容器53a-b)用于产生第二组损耗施感电压，所以，该能量消耗在电动机中变成热量。许多现代的驱动在DC/AC转换的逆变器一级中采用脉冲宽度调制(PWM)输出。这些PWM控制能够遵照复杂的电压命令，在利用本发明时没有添加附加功率元件的复杂性。只要对软件作些变化，许多驱动可以利用本发明。把每一相的命令波形给予脉冲宽度调制器，该命令波形是所需正常电压组与损耗施感电压组之和。这些波形之和必须一般不超过输出转换器的峰值电压容量。

应当选取这样的第二组损耗施感电压，使第二组电动机电流与正常组或第一组电动机电流相互作用引起的转矩脉动最小，以及对现有控制运行的干扰最小。在许多应用中，希望选取这样的第二组损耗施感电压，使该电动机中感生的损耗最大，而不超过该驱动的电流容量。一种实现本发明的最好方法是，利用单组较高频率平衡的三相电压以感生损耗，其中相序与旋转方向相反。图5表示这种反向旋转电压组对1,000马力，4,000伏，60Hz，1800rmp正向旋转的4极电动机的效果曲线。这些损耗代表加在该电动机上机械负载的潜在制动。该曲线代表包含高频效应的电动机稳态性能，是根据感应电动机的经验稳态模型得到的，它包括非线性的深鼠笼条效应。图5所示的曲线代表单个反向旋转的电压组，在.1，1，2，10，30，60，120，180，和240 Hz下模拟得到的。在每一情况下，调整幅度以获得额定的RMS安培(约127amps)。图5表示达到额定电流所需的电压幅度，以及由此得到的损耗。很明显，损耗随频率的增大而一致地增大，从0.1Hz下约17.5千瓦增大到240Hz下超过100千瓦。100千瓦大于13％的额定功率。它可以在额定转速下有13％的制动转矩，或在13％转速下有100％的制动转矩。每安培的损耗随频率增大的原因是转子导线的趋肤效应。在较高频率下，电流不是均匀地穿过导体，可以认为是集中在或靠近导体的表面。这就减小了导体的有效横截面，因而增加了该导体的表观电阻。感应电动机的转子是为低电压和大电流绕制的，因此，转子导线比定子导线有较大的横截面。所以，感应电动机中转子导线的趋肤效应比定子导线的趋肤效应严重的多。在相同的电流强度下，较高电阻导致较大的损耗(较好的制动)。通过利用反向旋转的电压组以感生损耗，转子电流的频率甚至增大到所加频率与有效转速频率(rmp乘电极数目除以120)之和。

在图5中，在240Hz下达到额定电流所需的电压约为2,080伏。与额定条件(60Hz下4,000伏)下每Hz为67伏比较，这相当于每Hz约为8.7伏。这意味着，电动机中损耗施感电压组产生的磁通量只有额定磁通量的13％，有利于对正常控制的干扰最小和转矩脉动最小的目标。还意味着，额外的电压容量保留在产生正常电压的驱动中。

电动机中存在两个不同频率的两组电流会造成它们之间的相互作用，产生转矩脉动。脉动频率是两个所加频率之差值。由于一个频率是正的，以及另一个频率是负的，这个差值等于两个绝对值之和。例如，若有60Hz的正向顺序(正常的)和240Hz的反向顺序(损耗施感的)，则脉动频率为300Hz。当电动机的转速因制动而变慢时，若损耗施感频率保持恒定而正常频率减小，则脉动频率也减小。高脉动频率往往降低激发驱动负载中转矩共振的概率，虽然这种机械共振在某些结构中可能不是问题。然而，为了限制共振，最好是，当转速(和正常频率)减小时，负的损耗施感频率应该增大，从而维持恒定的脉动频率。在利用大致固定的脉动频率的实施例中，可能需要各个驱动有能力调整恒定的脉动频率(在窄的范围内)，为的是可以调整特定的驱动；所以，通过调谐该驱动到非共振频率，可以避免任何的转矩共振。

图5中的数据是令人乐观的，因为它表现为全部额定电流可用于感生损耗。实际上，一些驱动电流容量必须分配给正常电流。所以，借助于图5中所用相同的稳态感应电动机模型，研究本发明方法的性能限制。所用的模型参量代表与图5中相同的电动机，额定值为1,000马力，4,000伏，60Hz，和1,780 RPM。转矩脉动频率设定在300Hz。所以，损耗施感频率等于脉动频率减去正常频率；例如，静止时为300Hz，额定转速下为240Hz，和两倍额定转速下为180Hz。对于每一种转速，在匹配感生损耗到吸收的制动功率，以及避免总电压和总电流超过100％额定值(4,000伏，127安培)的同时，调整正常电压和损耗施感电压的幅度以得到最大的制动转矩。这个性能限制研究的结果表示在100％额定值下最大总电流的图6，图7和图8中。

图6表示两种电压幅度与转速之间的关系。对于任何大于60％额定值的转速，很明显，总电压总是100％。在60％额定值的转速以下，正常电压随转速变化，保持每Hz额定的伏特比。图7表示由图6中电压得到的两种电流与转速之间的关系。对于所有的转速，很明显，总电流总是100％。在高转速下，即使很小的制动转矩需要很大的损耗，所以，大部分电流分配到损耗施感频率。随着转速的减小，损耗施感电流逐渐地减小和正常电流增大。一旦在电动机中达到额定的通量，该过程继续进行，但具有不同的速率。图8表示两种转矩和总转矩与转速之间的关系。在所有的转速下，大部分转矩是由正常频率产生的，虽然损耗施感频率产生的转矩在高转速下变得很大。可以获得的总制动转矩在200％转速下约为6％，在100％转速下为11％，和在20％转速下为30％。

损耗施感频率下的电动机阻抗主要是漏抗。在高转速下，损耗施感频率下降，因而阻抗也下降，减小了大损耗施感电流所需的电压。随着转速减小，损耗施感频率就增大，但所需的电流变小。这些效应在大部分的转速范围内往往抵消和产生几乎恒定的损耗施感电压。

同样的模型还可以用于预测加DC电流到电动机上产生的制动转矩。图9比较DC注入和本发明双频AC注入产生的转矩，其中两种方法都限制在100％额定的峰值电流。在大部分的转速范围内，双频AC注入产生的制动转矩是DC注入产生的4至5倍。

图10表示一个优选实施例，把损耗施感命令加到驱动控制中。它可以用在如图1或图2的驱动上。可以利用硬件或软件实现本发明，但是，大部分近代设计利用软件产生命令信号。此外，大部分驱动还包含电流调节器或其他设备，具有控制加到电动机上电压的功能，迫使电动机电流遵从一组电流命令。图10画出三相AC输入线25，它连到AC/DC转换器26。利用一个或多个电容器27得到平滑滤波和存储能量。该转换器还包含输出部分，它是一个DC/AC的逆变器28。可控AC电流馈入到感应电动机29中。电流传感器30a，30b，30c连到三相/二相转换器34，所以有一个二相的输出。这个输出馈入到静止/旋转转换器35。在正常运行情况下，把第一组或正常组控制电流命令与来自35的电动机电流信号进行比较，其误差馈入到电流调节器36。在图10中，第二组或损耗施感组控制电压命令38加到电流调节器36的输出。然后，组合的电压命令馈入到旋转/静止转换器33，并由转换器32将二相信号转换成三相信号。该三相信号馈入到PWM控制31中，它按照熟知的方式运行，控制图2中的开关Q1-Q6。

电流调节器36通常是这样的结构，如图所示，作用在以电动机变量转速旋转的坐标系统中的二相量。这个方法称之为矢量控制，它允许电流被分成转矩产生分量和通量产生分量。它还允许电流调节器处理零频变量，在合理的增益下有很好的精度。图10中所示的实施例把损耗施感命令加到电流调节器36的电压命令输出中。这是在该信号刚好转变到静止坐标系统和转换成三相形式之前完成的。这个实施例避免了要求电流调节器对较高频率的损耗施感命令给以响应。这个实施例还允许损耗施感命令在给转矩脉动选取的固定频率下加上，因为旋转/静止转换自动地把有效转速频率加到损耗施感频率上。如以上所描述的，当这个有效转速频率在电动机内部被减去时，其结果是在所选取的大致固定的脉动频率值上。例如，该控制可以位于主控制器22或65中。

图10没有画出几个可以有的较高级控制功能。一般说来有一个检测器，指出何时需要损耗施感命令。这个损耗施感命令控制调整特定制动应用中要求的损耗施感命令的幅度。还可以包含电路或软件以限制正常命令，使加到电动机上的峰值总电压或电流不超过功率转换器的容量。可以容易地在基于软件的系统中获得附加的控制功能，只要添加附加的编码来提供这些功能。在其他非基于软件的系统中，可以利用已知的控制元件作为硬件完成这些所需的操作。

图11表示损耗施感命令如何可以添加到不同的控制结构中。图11中的控制结构不采用从三相到二相的转换，也不采用从静止坐标到旋转坐标的转换。

图11中的结构利用电流调节器件39作用在三相AC量上。所以，损耗施感电流命令40只是直接地加到正常组的三相电流命令37中。如在以上已讨论过的，较高级的控制功能，例如，脉动控制，损耗施感命令控制，电动机信号的幅度调整，和峰值电压功能，为了清楚起见，已经从图11所示的方框图中省略。

图12表示一个实施例，其中损耗施感命令可以添加到第三控制结构中。这个控制结构不采用电流调节器，也不采用从三相到二相的转换，也不采用从静止坐标到旋转坐标的转换。在这个结构中，在开路方式下，控制电动机29的电压，而不是控制电流。损耗施感电压命令组38只是直接地添加到正常组电压命令41中，二者之和馈入到PWM控制31。以上描述过的相同较高级控制功能也可以包含在图12的实施例中。

图13表示利用损耗施感命令的另一个实施例。在这个控制结构中，采用空间矢量方法。在图13的结构中，控制电动机的伏特-秒。损耗施感伏特-秒命令43只是直接地添加到正常组伏特-秒命令42中。然后，两组命令之和馈入到矢量调制器44，它控制DC/AC转换器部分28的输出。有关以上描述过的较高级控制也可以添加到图13的结构中。

图16中的控制线路图表示制动控制(块98)的一个优选实施例，类似于图10，但更详细，包含较高级功能和正常电动机运行的控制(块99)。反馈信号是由静止坐标系统中的电动机电压和电动机电流构成。测得的反馈信号借助于图10所示装置从三相量转换成二相量(图16中下标α和β指明的)。按照以下公式，根据电动机的电压和电流导出电动机的伏特-秒(块122)：

λ_α＝∫(V_α-R_sI_α)dt

λ_β＝∫(V_β-R_sI_β)dt

其中R_s是电动机的定子电阻。电动机的伏特-秒也称之为定子通量。利用锁相回路或PLL(块100)计算定子通量的大小λds，频率ωs，和角度θs。这是在各种出版物[R1]中描述过的。静止坐标系统中电动机的电流信号被转换到与定子通量同步旋转的坐标系统中(块101)。这个转换是由以下公式描述的： $\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ds}}\\ I_{\mathrm{ds}}\end{array}\right]=\[e^{-j{\mathrm{\θ}}_s}\]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\⇒I_{\mathrm{ds}}=I_{\mathrm{\α}}\cos {\mathrm{\θ}}_s-I_{\mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\θ}}_s$ I_qs＝I_αsinθ_s+I_βcosθ_s

块101的输出代表电动机的磁化电流I_ds和电动机的转矩电流I_qs。这些电流分量是通过调节器102和103独立地受到控制。调节器102的输入是由命令I_ds，ref与测得的磁化电流值之间的差构成。根据开路方式下所需的定子通量计算磁化电流命令(在块104中)，或可以利用控制测得的定子通量到所需值的调节器确定。调节器103作用在命令的(I_ds，ref)与测得的转矩电流分量之差。转矩电流命令是由转速调节器(块105)产生的，它把一组转速命令ω_r，ref与估算转速ω_r进行比较。一个估算定子转速的简单方法可以描述如下(图16中未画出)。

ω_r＝ω_s-ω_slip，ω_slip＝k_tI_qs

其中ω_slip是电动机的滑差转速和k_t是常数。估算电动机转速的其他方法已经公布，其中k_t不是一个常数，而是一个变量，该变量随工作条件而改变[R2]。

在中间性能电动机驱动中，电流调节器(块102和103)的输出构成同步旋转坐标系统中的电压命令。利用下述的逆变换，这些命令被转换到静止坐标系统中。 $\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α},\mathrm{ref}}\\ V_{\mathrm{\β},\mathrm{ref}}\end{array}\right]=\left[e^{-j{\mathrm{\θ}}_s}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ds},\mathrm{ref}}\\ V_{\mathrm{qs},\mathrm{ref}}\end{array}\right]\⇒V_{\mathrm{\α},\mathrm{ref}}=V_{\mathrm{ds},\mathrm{ref}}\cos {\mathrm{\θ}}_s+V_{\mathrm{qs},\mathrm{ref}}\sin {\mathrm{\θ}}_s$

                                                                 V_β，ref＝-V_ds，refsinθ_s+V_qs，refcosθ_s

对于高性能驱动，前馈项可以添加到电流调节器的输出以提高该驱动的瞬态性能。在图16中，前馈项只是在转矩电流调节器的输出中出现，并利用块106与转矩电流调节器的输出相加。

动态制动的控制(块98)利用与正常控制中相同的反馈信号，但是处理这些信号时还提取损耗施感频率下有关电动机的信息。在双频制动期间，测得的信号包含两个频率，即，正常工作频率ω_s和损耗施感频率ω_inj。这些反馈信号变换到同步旋转通量(定子通量)坐标系统中，就把正常频率移到dc和损耗施感频率移到脉动频率，ω_P(＝ω_s-ω_inj)。这意味着，在制动期间，信号λ_dS，ω_S，I_dS和I_qS包含对应于正常工作频率的dc分量和对应于损耗施感频率的脉动频率分量。脉动频率角ω_P的再一次转动把脉动频率分量转换到dc量。这是利用类似于101的块108和109完成的。利用简单的积分器115，根据脉动频率ω_P确定脉动频率角ω_P。注意，ω_P是一个由用户选取的数。

块108的一个输入λ_qs基本上等于零，因为PLL(块100)调整定子通量到与d轴完全一致。滤波器110至113除去输入中的ac量，得到代表损耗施感频率分量的输出(用下标fil指明)。另一方面，滤波器118和119除去损耗施感频率(ac)分量，给出代表正常工作频率分量的输出。这些滤波器可以是低通滤波器或同步滤波器，在脉动频率的一个周期内对数据取平均。

利用求和块123计算损耗施感频率ω_inj，两个输入是滤波后正常工作频率值和脉动频率ω_P。利用通量和电流的平均值以及损耗施感频率，计算消耗在电动机中损耗施感频率P_inj下的功率，以及在那个频率下电动机等效电阻R_inj和电抗X_inj(块114)。基于正常工作频率下吸收的功率和损耗施感频率下的电动机等效电路，计算损耗施感电压命令(V_dp，ref和V_qp，ref)。不失普遍性(以及便于计算)，可以使q轴分量V_qp，ref为零，所有计算出的损耗施感电压可以归结为d轴分量。限制损耗施感电压(块116)到不大于预定设置值，例如，额定逆变器电压的50％。这些命令被转换到同步旋转(定子通量)坐标系统中，如块117所示；类似于图10，再与工作频率命令相加，构成电压命令。然后，这些命令在块107中再转换到静止坐标系统中，并送到PWM调制器。

在块120中，利用电动机中消耗的功率建立第一最小制动电流限制命令，该命令加到转速调节器(块105)的输出。当启动制动和损耗施感电压很小时，利用P_inj的值计算第一限制，该值比其计算值大P_delta。这允许该控制开始注入，并达到所需的最大制动。根据转矩电流的逆变器电流容量导出第二制动电流限制。从逆变器额定电流和损耗施感频率下计算的电流确定这个第二限制。从这两个限制中选取最小转矩电流限制(121)，该限制导致最低的逆变器电流。

当在较高转速下需要制动时，可能必须减小电动机通量，以便给损耗施感电压留有余地。这是通过减小磁化电流到一个合适值完成的，该值是制动前转速的函数。一旦完成，减小块102和103中电流调节器的增益，使该调节器不受反馈信号中交流分量的影响。随着转速减小，正常工作电压有了增大的余地，因此就增大磁化电流命令，最理想地利用转换器(块104)。

图14表示在实验测试多频制动操作期间的电动机变量。该驱动和电动机的额定值为460伏特，60Hz下10马力。控制结构遵照图10。曲线图包括第一通道，表示给电动机的电压命令。第二通道表示电动机转速的估算。第三通道表示电动机电流。在启动制动时，图14中画出的电动机工作在45Hz下未加载。这个图表示整个减速过程，从约1350rmp(45Hz的4极电动机)到静止。该电动机连接到大致相同尺寸的直流机，所以，总的惯性至少是电动机惯性的200％。第二通道中的减速从图的左边缘约1/2格(100毫秒)开始，占满代表1.8秒的9格。

图15表示前200毫秒的相同事件，扩大到填充整个图。图15中曲线表示，即使在制动以前，正常电压命令(通道1)不是正弦波，因为它包含来自峰值下降函数的零序列(普通模式)分量。由于三线连接，该电动机对零序列分量不予响应，所以，制动之前的电动机电流是正弦波(通道3)。在制动开始时，损耗施感电压(240Hz下约150伏)叠加到正常电压上(45Hz下约345伏)。这表示在图15的通道1上。这个叠加造成电动机电流在通道3上也显示两个频率。通道2上电动机转速的估算是根据电动机电压得到的。当损耗施感电压叠加到正常驱动电压上时，它干扰了转速的估算，出现约240Hz的波动。然而，在这种类型的装置中，转速估算的平均值仍然是正确的。

如在前面已描述过的，本发明包括一种方法，其中除了正常电压以外，把第二组电压值强加到运转的电动机上，以产生有效的制动转矩，其中能量就消耗在该电动机中。本发明的描述是结合某些实施例和给出的布局。应当明白，利用其他的驱动布局也可以实现本发明，这些布局采用多频制动的电动机控制。说明了这样一些实施例，专业人员就容易认识到，在其他的驱动布局中或除了此处所述的其他控制结构中，也可以利用本发明。还应当明白，描述的电流和电压限制是作为例子；为了采用本方法，驱动容量不必等于电动机的额定值。

Claims (42)

1.一种驱动制动控制，以便在AC电动机中产生相反旋转的转矩，包括：

转换器，提供多个频率的AC功率给所述电动机；

所述控制以第一频率提供正常频率输出给所述电动机；

所述控制同时提供第二损耗施感频率输出给所述电动机，以便给电动机转速产生所需的制动强度；和

所述第二频率不同于所述第一频率。

2.按照权利要求1的驱动，其中第二频率高于所述第一频率。

3.按照权利要求2的驱动，其中所述第二频率是与第一频率相反旋转的。

4.按照权利要求1的驱动，其中所述控制还包括：控制所述第一频率与所述第二频率之差到以前确定的值上。

5.按照权利要求1的驱动，其中来自所述第一频率和第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

6.按照权利要求1的驱动，其中所述控制还包括：控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

7.按照权利要求1的驱动，其中同时采用两个或多个损耗施感频率。

8.按照权利要求1的驱动，其中在制动期间保持连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

9.按照权利要求3的驱动，其中在匹配感生损耗到吸收的能量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

10.按照权利要求1的驱动，其中损耗施感命令引入到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以保持正常频率与损耗施感频率之差，大致等于所需的转矩脉动频率。

11.按照权利要求3的驱动，其中控制还包括：控制所述第一频率与所述第二频率之差到以前确定的值上。

12.按照权利要求3的驱动，其中来自所述第一频率和第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

13.按照权利要求3的驱动，其中控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

14.按照权利要求3的驱动，其中在制动期间保持连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

15.按照权利要求4的驱动，其中在匹配感生损耗到吸收的能量以及大致不超过该驱动的电流和电压容量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

16.按照权利要求3的驱动，其中损耗施感命令引入到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以保持正常频率与损耗施感频率之差，大致等于所需的转矩脉动频率。

17.按照权利要求4的驱动，其中来自所述第一频率和第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

18.按照权利要求17的驱动，其中控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

19.按照权利要求6的驱动，其中在制动期间保持连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

20.按照权利要求19的驱动，其中在大致匹配感生损耗到吸收的能量以及大致不超过该驱动的电流和电压容量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

21.按照权利要求19的驱动，其中损耗施感命令引入到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以保持正常频率与损耗施感频率之差，大致等于所需的转矩脉动频率。

22.一种制动方法，以便在AC电动机中产生相反旋转的转矩，包括：

以第一频率提供正常频率输出给所述电动机；

同时提供第二损耗施感频率给所述电动机，以便产生制动电动机的转矩；和

提供的所述第二频率不同于所述第一频率。

23.按照权利要求22的驱动，其中第二频率高于所述第一频率。

24.按照权利要求23的驱动，其中提供的所述第二频率是与所述第一频率相反旋转的。

25.按照权利要求22的驱动，还包括：控制所述第一频率与所述第二频率之差到以前确定的值上。

26.按照权利要求22的驱动，还包括：来自所述第一频率和第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

27.按照权利要求22的驱动，还包括：控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

28.按照权利要求22的驱动，还包括：同时采用两个或多个损耗施感频率。

29.按照权利要求22的驱动，还包括：在制动期间连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

30.按照权利要求25的驱动，还包括：在匹配感生损耗和吸收能量到这样一个值，大致不超过该驱动的电流和电压容量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

31.按照权利要求22的驱动，还包括：引入损耗施感命令到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以保持正常频率与损耗施感频率之差，大致等于所需的转矩脉动频率。

32.按照权利要求24的驱动，还包括∷控制所述第一频率与所述第二频率之差到以前确定的值上。

33.按照权利要求24的驱动，其中来自所述第一频率和第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

34.按照权利要求24的驱动，还包括：控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

35.按照权利要求24的驱动，还包括：在制动期间连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

36.按照权利要求25的驱动，还包括：在大致匹配感生损耗到吸收的能量以及大致不超过该驱动的电流和电压容量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

37.按照权利要求24的驱动，还包括：引入损耗施感命令到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以保持正常频率与损耗施感频率之差，等于所需的转矩脉动频率。

38.按照权利要求25的驱动，还包括：来自所述第一频率与第二频率的组合输出电压和电流保持在预先设置的限制以下。

39.按照权利要求38的驱动，还包括：控制第二频率的幅度，使得大致耗尽制动期间吸收的能量。

40.按照权利要求27的驱动，还包括：在制动期间保持连续地估算电动机转速，以便可以即时回到产生正转矩。

41.按照权利要求40的驱动，还包括：在大致匹配感生损耗到吸收的能量以及大致不超过该驱动的电流和电压容量的同时，控制第一频率和第二频率的电压幅度，使相反旋转的转矩最大。

42.按照权利要求40的驱动，还包括：引入损耗施感命令到旋转坐标系统中，利用大致对应于给定转矩脉动所需的转矩脉动频率，所以，实际加到电动机上的损耗施感频率自动地随该电动机转速而变化，以大致保持正常频率与损耗施感频率之差，大致等于所需的转矩脉动频率。

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