СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЗА С МАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ
ELECTRIC BRAKE SYSTEM WITH MAGNETIC LOSSES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе электрического тормоза с магнитными потерями, предназначенной для рассеяния энергии, производимой электромеханической машиной во время фазы торможения, если сеть питания или ее интерфейс не являются двунаправленными.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как в случае питания электромеханической машины непосредственно от постоянного напряжения (например, щеточный двигатель), так и в случае, когда на нее подают переменное напряжение через инвертор, как правило, энергию, генерируемую во время фаз торможения машины, рассеивает система, подключенная к шине постоянного тока. В большинстве случаев это рассеяние обеспечивают резисторы. Если эти резисторы должны накапливать большое количество энергии и/или если они должны выдерживать большое число рабочих циклов, они являются тяжелыми, громоздкими и дорогими. Кроме того, поток рассеивания в сторону стенки корпуса, в котором они закреплены, в этом случае практически не поддается контролю. Это затрудняет термическое управление устройством.
На фиг. 1 показана электрическая схема, иллюстрирующая классическую систему электрического тормоза с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении в резисторе. Эта система электрического тормоза расположена в цепи питания электромеханической машины М. Цепь питания содержит источник 1 постоянного напряжения, питающий через защитный диод Dp инвертор 3, к контактам которого подключена электромеханическая машина М. Между катодом защитного диода Dp и контактом (-) источника постоянного напряжения инверсно подключены обратный диод D1 и дифференциальный фильтр. Дифференциальный фильтр содержит катушку индуктивности L, намотанную вокруг магнитной цепи 2, и конденсатор С. Инвертор 3 подключен к контактам конденсатора С. Система электрического тормоза содержит первую ветвь, содержащую два диода D2 и D3, соединенные последовательно и инверсно с контактами конденсатора С. Вторая ветвь, содержащая тормозной резистор Rf, последовательно соединенный с транзистором (биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) или другим), обозначенным Т, соединена с контактами конденсатора С. Средняя точка между тормозным резистором Rf и транзистором Т соединена со средней точкой, находящейся между диодами D2 и D3. Во время торможения электромеханической машины М энергия торможения рассеивается в резисторе Rf.
Схема, показанная на фиг. 1, работает следующим образом.
Когда электромеханическая машина М производит механическую энергию, транзистор Т переводится в закрытый режим, и в резисторе Rf ток не протекает. В этой фазе диоды D2 и D3 не задействованы. Когда электромеханическая машина принимает механическую энергию, инвертор 3 направляет электрическую энергию в конденсатор С. Переводя транзистор Т в проводящее состояние, как правило, при помощи командного сигнала ШИМ (широтно-импульсная модуляция), обеспечивают протекание электрического тока в резистор Rf и рассеяние в тепловом виде электрической энергии, возвращаемой электромеханической машиной на вход инвертора. Диоды D2 и D3 выполняют функцию обратного диода для всех паразитных индуктивностей ветви, образованной резистором Rf и транзистором Т.
В документе US 6072291 раскрыта система электрического тормоза для электромеханической машины, подключенной к выходным контактам инвертора, входные контакты которого получают питание от источника постоянного напряжения. Система содержит электрическую цепь, подключенную между входными контактами инвертора, и содержит последовательно соединенные:
- средства рассеяния электрической энергии, возвращаемой электромеханической машиной на входные контакты инвертора во время фазы торможения электромеханической машины,
- средства переключения, предназначенные для замыкания электрической цепи во время фазы торможения электромеханической машины и размыкания электрической цепи в отсутствие фазы торможения электромеханической машины.
Согласно патенту US 6072291 электрическая энергия, направляемая на входные контакты инвертора во время фазы торможения, в основном рассеивается в тормозном резисторе.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение предлагает решение для электрического торможения электромеханической машины, отличное от рассеяния в электрическом резисторе. Предлагаемое решение состоит в рассеянии энергии, производимой электромеханической машиной во время фазы торможения, в сердечнике катушки индуктивности, причем эта катушка индуктивности использует, например, тот же сердечник, что и фильтрующая катушка индуктивности источника питания постоянным током.
Магнитные потери в сердечнике зависят от частоты и амплитуды изменения индукции. Количество энергии, рассеиваемой в сердечнике, можно дозировать при помощи командного сигнала ШИМ с фиксированной или переменной частотой, подаваемого на транзистор Т.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является система электрического тормоза для электромеханической машины, подключенной к выходным контактам инвертора, входные контакты которого получают питание от источника постоянного напряжения, при этом система, содержащая электрическую цепь, подключенную между входными контактами инвертора, и содержащая последовательно соединенные:
- средства рассеяния электрической энергии, возвращаемой электромеханической машиной на входные контакты инвертора во время фазы торможения электромеханической машины,
- средства переключения, предназначенные для замыкания электрической цепи во время фазы торможения электромеханической машины и размыкания электрической цепи в отсутствие фазы торможения электромеханической машины,
отличающаяся тем, что средства рассеяния электрической энергии содержат катушку индуктивности, намотанную вокруг магнитной цепи, при этом энергия, рекуперируемая катушкой индуктивности во время фазы торможения, рассеивается за счет потери на гистерезис и токи Фуко в магнитной цепи.
Можно использовать дифференциальный фильтр. Этот фильтр может содержать фильтрующую катушку индуктивности, намотанную вокруг магнитной цепи и установленную последовательно между источником постоянного напряжения и инвертором, и фильтрующий конденсатор, установленный между входными контактами инвертора. Фильтрующая катушка индуктивности и рассеивающая катушка индуктивности могут иметь или не иметь общую магнитную цепь в зависимости от варианта выполнения.
Согласно варианту выполнения фильтрующая катушка индуктивности и рассеивающая катушка индуктивности используют одну и туже магнитную цепь, но магнитно между собой не связаны. В этом случае магнитная цепь может быть цепью в виде EI или EE, при этом фильтрующая катушка индуктивности содержит две идентичные последовательно соединенные обмотки, при этом каждая обмотка намотана на внешней ножке Е, а рассеивающая катушка индуктивности намотана на центральной ножке Е. Возможно также инверсное рассеяние, при этом рассеивающая катушка индуктивности содержит две идентичные последовательно соединенные обмотки, при этом каждая обмотка намотана на внешней ножке Е, а фильтрующая катушка индуктивности намотана на центральной ножке Е.
Согласно другому варианту выполнения фильтрующая катушка индуктивности и рассеивающая катушка индуктивности связаны между собой. В этом случае магнитная цепь может быть О-образной формы с двумя противоположными ветвями намотки, при этом фильтрующая катушка индуктивности состоит из двух последовательно соединенных обмоток, каждая из которых намотана вокруг одной ветви, и рассеивающая катушка индуктивности состоит из двух последовательно соединенных обмоток, каждая из которых тоже намотана вокруг одной ветви.
Изобретение можно применять для любых реверсивных электромеханических машин, соединенных с шиной постоянного тока напрямую или через преобразователь. В большинстве вариантов применения речь идет о синхронной или асинхронной трехфазной машине, соединенной с шиной постоянного тока через преобразователь. Для упрощения описания будет представлен этот случай, однако это вовсе не исключает других случаев машин/преобразователей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 (уже описана) изображает электрическую схему известной системы электрического тормоза, расположенной в цепи электрического питания электромеханической машины, с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в резисторе;
Фиг. 2 изображает электрическую схему первой заявленной системы электрического тормоза, расположенной в цепи электрического питания электромеханической машины, с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в катушке индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи, отличной от магнитной цепи фильтрующей катушки индуктивности;
Фиг. 3 изображает электрическую схему второй заявленной системы электрического тормоза, расположенной в цепи электрического питания электромеханической машины, с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в катушке индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи, общей с магнитной цепью фильтрующей катушки индуктивности;
Фиг. 4 изображает электрическую схему третьей заявленной системы электрического тормоза, расположенной в цепи электрического питания электромеханической машины, с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в катушке индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи, общей с магнитной цепью фильтрующей катушки индуктивности, но без магнитной связи;
Фиг. 5 изображает магнитную цепь, оснащенную катушками индуктивности, используемую в заявленной системе электрического тормоза, показанной на фиг. 4;
Фиг. 6 изображает электрическую схему четвертой заявленной системы электрического тормоза, расположенной в цепи электрического питания электромеханической машины, с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в катушке индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи;
Фиг. 7 изображает общий вид магнитной цепи, оборудованной катушками индуктивности и используемой в заявленной системе электрического тормоза, кроме системы, показанной на фиг. 4;
Фиг. 8 изображает расположение магнитной цепи, используемой в системе электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением, в корпусе, в котором находится система электрического тормоза.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В описании элементы электрических схем, идентичные с элементами, показанными на электрической схеме на фиг. 1, будут обозначены такими же позициями.
На фиг. 2 показана электрическая схема, иллюстрирующая первую систему электрического тормоза, расположенную в цепи питания электромеханической машины (например, трехфазный двигатель), с рассеянием энергии, воспроизводимой при торможении, в катушке индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи.
Схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 тем, что резистор Rf рассеяния энергии торможения заменен катушкой Lf индуктивности, намотанной вокруг магнитной цепи 4. На этой схеме между катушками индуктивности L и Lf нет связи и ни одного общего элемента. Во время фазы торможения энергия, поступающая в катушку индуктивности Lf, рассеивается за счет потерь гистерезиса и токов Фуко в магнитной цепи 4.
На фиг. 3 показана электрическая схема второй системы электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте выполнения магнитная цепь 4 является общей для катушки L индуктивности дифференциального фильтра и для катушки Lf индуктивности, рассеивающей энергию торможения. В этом случае катушки индуктивности L и Lf связаны между собой. Обозначение Ls указывает на насыщаемую катушку индуктивности, последовательно соединенную с катушкой Lf индуктивности и предназначенную для поддержания качества фильтрации.
На фиг. 4 показана электрическая схема третьей системы электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте выполнения магнитная цепь 4 является общей для катушки L индуктивности дифференциального фильтра и для катушки Lf индуктивности, рассеивающей энергию торможения. В отличие от системы электрического тормоза, показанной на схеме на фиг. 3, между обмотками катушек индуктивности L и Lf нет магнитной связи. Для получения этого результата можно, например, использовать магнитную цепь 4 в виде EI, как показано на фиг. 5. В этом случае катушка L индуктивности дифференциального фильтра состоит из двух идентичных обмоток L' и L”, подключенных последовательно и расположенных, каждая, на внешней ножке части магнитной цепи Е-образной формы. Для работы в режиме фильтрации, то есть во время фазы, когда мощность от источника постоянного напряжения направлена в двигатель, в центральной ножке Е нет магнитного потока (см. черные стрелки на фиг. 5). Катушка Lf индуктивности, рассеивающая энергию торможения, намотана на центральной ножке магнитной цепи Е-образной формы. Во время работы в режиме торможения магнитные потоки, циркулирующие во внешних ножках части магнитной цепи Е-образной формы, имеют противоположные направления (см. светлые стрелки на фиг. 5). Таким образом, на контактах катушки L индуктивности дифференциального фильтра электрическое напряжение не генерируется.
На фиг. 6 показана электрическая схема четвертой системы электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте выполнения магнитная цепь 4 является общей для катушки L индуктивности дифференциального фильтра и для катушки Lf индуктивности, рассеивающей энергию торможения. Последовательно с катушкой Lf индуктивности подключен также конденсатор Cf. Значение емкости конденсатора Cf выбирают таким образом, чтобы образовать цепь, резонирующую (при частоте примерно 20 кГц) с катушкой Lf индуктивности. В случае, представленном на фиг. 6, речь идет, таким образом, о последовательной резонирующей цепи, однако можно предусмотреть и параллельную резонирующую цепь. Преимуществом этого варианта является снижение потерь в электронном переключателе тормоза и в уменьшении уровня электромагнитной интерференции (EMI).
На фиг. 7 показан общий вид магнитной цепи, оснащенной катушкой индуктивности и используемой в системе электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением. Магнитная цепь 10 содержит две части 11 и 12 С-образной формы с расположенными друг против друга соответствующими концами. В этом примере для магнитной цепи используют материал типа FeSi из расчета 3 мас.% Si. Между находящимися друг против друга концами частей 11 и 12 предусмотрен рабочий зазор 13 из немагнитного материала (например, воздух, электрический изолятор), чтобы исключить насыщение. Фильтрующая катушка индуктивности и катушка рассеяния энергии распределены, каждая, по двум обмоткам, как показано на фиг. 7. Сначала намотана фильтрующая катушка индуктивности. Она содержит последовательно соединенные первую обмотку L1 и вторую обмотку L2. Затем намотана рассеивающая катушка индуктивности. Она содержит последовательно соединенные первую обмотку Lf1 и вторую обмотку Lf2. Магнитная цепь может иметь, например, следующие размеры:
- ширина рабочего зазора 13, Lgap=1,05 мм,
- высота окна для размещения обмотки, Hw=14,7 мм,
- ширина окна для размещения обмотки, Lw=11,5 мм,
- длина сторон магнитной цепи, Sgap=20,9 мм.
Катушка индуктивности дифференциального фильтра имеет, например, следующие характеристики: 240 мкГн, 50 А максимальный ток, 10 А постоянный ток, сопротивление 40 мОм, 28 витков. Рассеивающая катушка индуктивности имеет, например, следующие характеристики: 15 мкГн, 50 А средний ток, 150 А пиковый ток, сопротивление 2,5 мОм, 7 витков.
Эту магнитную цепь, оснащенную такими катушками индуктивности, можно применять на шине постоянного тока 300 В, 15 кВт, 10 кДж. Это значит, что время подъема мощности торможения составляет 15 кВт за 10 мкс. При пиковой индукции 0,75 Тл можно рассеивать 15800 Вт при помощи командного сигнала ШИМ (широтно-импульсная модуляция) 300 В на 23 кГц с контролем пикового тока 150 А при среднем токе 50 А.
Если для FeSi 3% учитывать удельную теплоемкость 400 Дж/°С·кг и предположить допустимым повышение температуры на 50°С, магнитная цепь способна поглощать 10 кДж в импульсном режиме.
Если теплоемкость оказывается недостаточной, можно предусмотреть материалы с изменением фазы.
В случае повышенного среднего рассеяния можно легко реализовать нормальный тепловой контакт с корпусом.
Если для остальной части корпуса тепловой поток нежелателен, магнитную цепь можно оборудовать собственной системой охлаждения.
На фиг. 8 показано расположение магнитной цепи, используемой в системе электрического тормоза в соответствии с настоящим изобретением, в корпусе, где находится система электрического тормоза. В этом варианте применения речь идет о возможности поглощения большого количества энергии за очень короткое время и о ее последующем медленном рассеянии в направлении стенки корпуса. Магнитная цепь 20 содержит две части: часть 21 С-образной формы и часть 22 I-образной формы. Части 21 и 22 соединены, замыкая магнитную цепь, через рабочий зазор 23 из немагнитного и непроводящего материала. Как и в конструкции, показанной на фиг. 7, фильтрующая катушка индуктивности содержит две последовательно соединенные обмотки L1 и L2, и рассеивающая катушка индуктивности содержит две последовательно соединенные обмотки LF1 и LF2. Полученную конструкцию крепят на стенке 24 корпуса при помощи средств, обладающих соответствующим тепловым сопротивлением. В случае сильного импульса энергии торможения это расположение позволяет постепенно рассеивать выделяемое тепло в направлении стенки корпуса. Крепление можно производить при помощи клея.
Изобретение позволяет получить большой выигрыш в массе и объеме, в частности, если возможно совместное использование магнитной цепи с катушкой дифференциальной фильтрации. Использование термостойкого магнитного материала позволяет еще больше увеличить этот выигрыш.
Изобретение обеспечивает также высокую надежность и увеличение срока службы благодаря высокой стойкости к термическим циклам.
Основным преимуществом решения является гибкость управления рассеиваемой энергией благодаря многочисленным возможностям адаптации магнитной цепи относительно электронного блока. При этом облегчается оптимизация термических условий.
Чем выше уровень мощности и энергии торможения, тем больший интерес представляет предложенное решение. Нижний предел использования может находиться в области нескольких десятков ватт.
Контур автоматического регулирования мощности торможения, регулирующий напряжение шины постоянного тока, становится более эффективным с точки зрения запаса стабильности и времени реагирования.