制動裝置能量泄放尖峰電壓的研究

鐘穎，汪光森，潘啟軍，歐陽斌，易成霖

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

制動裝置能量泄放尖峰電壓的研究

鐘穎，汪光森，潘啟軍，歐陽斌，易成霖

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

大轉動慣量電機實現快速停車需要制動裝置配合，直流母線電纜的寄生電感與制動裝置直流支撐電容匹配不合理時，容易在直流支撐電容上產生尖峰電壓，嚴重影響制動裝置對母線電壓的準確調節。針對一種大功率瞬時耗能的制動裝置，在考慮電路雜散參數基礎上，利用拉普拉斯變換建立系統運算電路模型，通過電路暫態過程分析，推導出直流支撐電容電壓振幅的表達式。改變電路中影響電壓振幅的參數，進行仿真和實驗，驗證了理論分析和仿真計算的正確性。

制動裝置運算電路滯環控制尖峰電壓

0　引言

三相異步電機有多種制動方式，其中常用的電氣制動主要包括反接制動、能耗制動、回饋制動［1-3］。反接制動優點是制動效果強，缺點是能量損耗大，制動準確度差。能耗制動主要用于較大容量要求制動平穩和起制動頻繁的場合。回饋制動時可以將一部分能量反饋儲存在電容上，多余能量通過電阻消耗［4-5］。能量回饋裝置系統具有的優越性遠勝過能耗制動和反接制動。常用的電機電磁制動不需要能量回饋，而且電機轉動慣量較小，電機制動曲線緩慢［6-7］，對瞬時制動性能沒有特殊要求，因此制動單元以及制動電阻一般安裝在逆變器中就能滿足制動需求。

但是對于大轉動慣量高性能電機制動而言，不僅需要對電機制動時反饋的部分能量進行存儲，電機瞬時制動功率也有較高要求，因此需要大功率電阻對多余能量快速釋放。為了滿足極端工況要求，將制動單元以及制動電阻從逆變器中分離出來做成制動裝置。

制動裝置與逆變器之間的直流母線電纜的寄生電感與直流支撐電容會相互作用，而且制動裝置與逆變器的直流支撐電容都會有尖峰電壓產生。本文將研究尖峰電壓產生的原因及其對制動裝置工作的影響，對可能影響制動裝置內電壓電流變化的因素進行研究，歸納出電容電壓振幅變化規律，通過仿真和實驗驗證結論。

1　尖峰電壓產生

1.1制動過程

本文研究的制動裝置原理圖如圖1所示，直流側PO、ON對稱，Q1、Q2為IGBT，D1、D2為二極管，Cb為直流支撐電容。為減小線路雜散電感，采用復合母排［8］連接IGBT、二極管、直流支撐電容，集成為斬波單元。R1、R2為制動電阻。

圖1　制動裝置拓撲原理圖

制動裝置與逆變器通過直流母線電纜連接，逆變器Pinv端到制動裝置P端電纜等效阻抗為RL，L為逆變器到制動裝置之間電纜的寄生電感，等效電路如圖2所示。制動裝置采用滯環控制策略［9］，當制動裝置直流支撐電容電壓Ub高于開通閥值Uup時開通制動。開始制動后，Ub低于關斷閥值Udown時關斷斬波單元。

圖2　逆變器與制動裝置連接示意簡圖

斬波單元導通時，電流從P端流入，經過斬波單元IGBT，通過制動電阻R1，從O端流回。斬波單元導通時，此時忽略連接電纜的電阻和寄生電感，逆變器直流支撐電容Cinv與制動裝置斬波單元內直流支撐電容Cb等效為并聯，并聯后電容等效為C1，此時電路可以簡化為制動電阻R1與C1串聯放電電路。放電時間常數為τ=R1C1。電容上的能量通過制動電阻R1進行泄放。直流支撐電容電壓Ub迅速下降，控制器檢測Ub低于Udown后，斬波單元關斷。

斬波單元內IGBT關斷瞬間，根據楞次定律，電纜的寄生電感會產生感應電流，流過電纜千安培級的電流不會立即變為0。可以認為電纜上的電流流向電容Cb，電纜的磁場儲能轉化為電容的電場儲能，從而電容電壓Ub升高。由于Cb較小，Ub迅速上升。

考慮控制器開關頻率［10］，在一個控制周期內，由于電纜寄生電感產生的感應電流流向直流支撐電容，Ub迅速上升，可能會遠遠超過Uup，甚至達到硬件過壓保護閥值，對設備造成嚴重危害。IGBT關斷后最快經過一個周期控制器檢測到Ub超過Uup，斬波單元開通泄能，Ub迅速減小，小于Udown后關斷斬波單元，激勵電纜寄生電感產生的感應電流再次流向制動裝置內直流支撐電容，磁場能量轉化為電場能量后電容電壓Ub升高，當Ub超過Uup時，斬波單元再次開通泄能，如此斬波單元不斷開通關斷，制動裝置直流支撐電容與線路寄生電感不斷互相充放電。

斬波單元關斷瞬間，電纜寄生電感的感應電流流向制動裝置直流支撐電容使得電容電壓升高實質是電纜的磁場能量與電容電場能量相互轉換的過程。由于Cinv較大，因此逆變器直流支撐電容電壓振幅較小，主要研究制動裝置直流支撐電容電壓的變化規律。

1.2尖峰電壓計算

如圖2所示，仿照正弦穩態分析中的相量法，用拉氏變換分析線性非時變電路。由于電纜電阻RL較小，忽略RL的壓降，對于整個電路有：

設I（s）為電路中電流，斬波單元關斷瞬間電感電流為I0，逆變器電容電壓為Uinv（0-），制動裝置電容電壓為Ub（0-），L為電纜寄生電感。

（3）

當三角函數部分取最大值為1時，由于，從而推導出電壓振幅的最大幅值計算公式：

可以用來預估斬波單元關斷后制動裝置直流支撐電容電壓的最大振幅。

2　仿真研究

在Matlab中依照圖2建立模型仿真，將一臺逆變器與一臺制動裝置用直流母線電纜連接，再在直流側加上一臺充電裝置。首先用充電裝置將直流母線充電至480V，充電在0.3s內完成，然后斷開充電裝置。0.5s時給制動裝置發送使能信號，此時由于直流母線電壓為480V，高于制動裝置開通閥值。制動裝置內斬波單元導通，對制動裝置直流支撐電容進行放電。因為電機制動時，會不斷反饋能量到直流母線，制動裝置內斬波單元會不斷重復開通關斷，消耗系統中直流支撐電容上多余的能量。仿真模型可以理解為逆變器已經反饋能量到直流母線上后，裝置的工作情況。

仿真參數設置如表1所示：

表1　仿真模型參數

當制動裝置檢測直流母線電壓穩定低于關斷閥值后，直流支撐電容放電結束。制動裝置電容電壓變化以及局部放大圖如圖3所示，制動裝置直流支撐電容電壓振幅較大。如果尖峰電壓超過設備器件承受范圍，會嚴重危害設備安全。

圖3　仿真制動裝置電容電壓變化

仿真時將逆變器與制動裝置連接電纜取15 m長，改變制動裝置PO側電容進行仿真，對比電壓幅值變化如圖4所示。發現制動裝置直流支撐電容電壓振幅受電容值影響較大。

將制動裝置支撐電容不變，改變制動裝置與逆變器之間電纜長度進而改變電纜寄生電感，觀察不同寄生電感在制動過程中對電壓最大振幅的影響。不同電感值對應的電壓振幅如表2所示。用于計算尖峰電壓的電感L包括逆變器與制動裝置外部連接電纜的寄生電感加上逆變器和制動裝置內直流母排的電感2μH。

仿真計算得到的尖峰電壓數值與式（5）理論計算得到的數值基本吻合。根據仿真結果可以推斷制動裝置斬波單元關斷后，將激勵線路電感與直流支撐電容之間能量的相互轉化。

圖4　仿真取不同支撐電容值的電壓振幅對比

表2　不同距離時電壓振幅

3　實驗驗證

為了驗證理論分析與仿真的正確性，進行了驗證實驗。在其余條件相同情況下，將逆變器與制動裝置的直流母線電纜寄生電感取不同數值進行對比驗證，三根直流母線電纜擺放成品字形并且盡量保持平直以便于準確仿真出電纜寄生電感。

實驗參數可參看表1，用變壓整流器將直流母線充電至480V，為了確保安全，斷開變壓整流供電開關，利用儲存在電容里的電能進行靜態放電實驗。下達制動使能信號可觸發滯環控制，制動裝置開始工作，對電容進行放電。

首先進行電纜寄生電感為10.5 μH實驗，從圖5、圖6的實驗數據中可以觀察到PO端電壓不斷振蕩，同時流過制動電阻R1電流在0至2480 A之間變化。說明了斬波單元在放電過程中開關頻繁，與理論分析以及仿真現象一致。

此時直流母線電纜寄生電感為10.5 μH，加上制動裝置與逆變器柜內直流母排電感2 μH，直流側寄生電感共為12.5 μH，制動裝置直流支撐電容為4 mF，電壓最大幅值相比于初始電壓增加124V。根據式（7）計算理論最大振幅為111.8V。

直流母線電纜寄生電感為2.1 μH時，制動裝置直流支撐電容電壓如圖7所示：PO端初始電壓為460V，開始實驗后電壓最高達到520V，電壓最大增幅為60V，由于電纜寄生電感減小，加上制動裝置與逆變器柜內直流母排電感2 μH，直流側寄生電感共為4.1 μH，此時I0=2000 A，理論電壓最大增幅64V。

圖5　寄生電感為12.5μHPO端電容電壓與電流變化

圖6　寄生電感為12.5 μH時PO端電容電壓

圖7　電纜寄生電感為2.1 μH時制動裝置PO端電壓

直流支撐電容磁場能量不斷與電纜電場能轉換，流過電容的電流方向不斷變化。實驗時測量流過制動電阻R1的電流作為I0用于計算。由于電纜實際擺放原因，仿真中電纜寄生電感取值有偏差。因此實驗數據與理論計算稍微有偏差，但仍在誤差允許范圍內，實驗結果說明推導的尖峰電壓表達式的正確性。

4　結論

本文從高能量瞬態耗能制動裝置的制動過程出發，針對制動裝置的工作過程，建立電路暫態過程分析的運算電路模型，推導了直流支撐電容尖峰電壓幅值的表達式，揭示了制動過程中尖峰電壓出現的原因。通過實驗進行了驗證，并且理論分析、仿真計算與實驗數據相吻合。

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Research on OverVoltage of Braking Device

Zhong Ying，Wang Guangsen，Pan Qijun，Ouyang Bin，Yi Chenglin
（National Key Laboratory ofscience and Technology onVessel Integrated Powersystem，Naval University of Engineering Wuhan 430033，China）

Using the braking device to realize rapid braking of a high rotational inertia engine is a normal method.The parasitic inductance of electric cable and direct currentsustain capacitance may cause the capacitorVoltage too high,which makes itVery difficult for brake device to regulate DCVoltage.Taking into accountsomestray parameters,Laplace transformations is applied to build the operational model of thesystem to analyze the transient process.TheVoltage expression of the capacitor is developed.By changing experimental conditions,thesimulation and experimental resultsValidate the correctness of the theoretical analyses andsimulation calculations.

brake device;operational circuit;bang-bang control;overvoltage

TM561

A

1003-4862（2015）10-0017-05

2015-07-26

國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2013CB035601）；國家自然科學基金資助項目（51407190）；國家自然科學基金資助項目（51477179）

鐘穎（1991-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。