CN104143821A - 一种再生泄放电阻的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保护再生泄放电阻的方法。首先，通过计算校核，选出符合工况的泄放电阻值。其次将泄放电阻接入***，通过设置驱动器参数，对再生泄放电阻保护用变量进行初始化。最后，驱动器运行处理再生制动逻辑，判断是否报警，从而更换符合要求的再生泄放电阻。若发生母线电流过流则中断程序。该方法可以保护泄放电阻，防止硬件损坏，保证***安全稳定运行。

Description

一种再生泄放电阻的保护方法

技术领域

本法发明涉及一种保护再生泄放电阻的方法，解决再生泄放电阻防护问题，属于电力电子范畴。

背景技术

泄放电阻以其简单实用价格低廉等优点在电力电子领域得到广泛的应用。在电机驱动控制中，母线电容的储能有限，若不加以控制会超过直流电容或功率器的最大耐压值，从而导致硬件损坏，泄放电阻补偿在***中起到充放电容的作用，所以泄放电阻对***安全稳定工作起到非常重要的作用。选择不符合工况的泄放电阻，会造成再生能耗制动的异常，但现有文章未能给出泄放电阻的准确选择方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的给出一种保护充电泄放电阻的方法。根据运行时伺服驱动器或变频器***的能量转换关系、功率约束条件、最小电阻约束，选择出符合工况的泄放电阻，将泄放电阻接入***运行，从而达到***最优。

技术方案：本发明通过以下技术方案实现：

一种保护再生泄放电阻的方法，包括如下步骤：

1）通过计算校核，选出符合工况的泄放电阻值；

2）将泄放电阻接入***，***对当前设置状态进行判断；

3）驱动器运行处理再生制动逻辑，判断接入的再生泄放电阻是否符合要求；

4）若发生母线电流过流，则中断程序以保护泄放电阻。

步骤1中选出符合工况的泄放电阻值的步骤如下：

1）通过能量守恒定律，判断***是否需要泄放电阻。

2）通过功率约束条件确定泄放电阻的规格。

3）确定泄放电阻的最小阻值。

***是否需要泄放电阻具体包括如下步骤：

1）计算***的再生能量E_m与母线滤波电容可吸收的能量E_c的大小，

2）比较E_m与E_c的大小，***在单机情况下，若E_m<E_c，则不需泄放电阻，否则需要；***在共母线情况下若则不需要，否则需要泄放电阻；当E_mj<0时，人为强制为0求和；

步骤1中， $E_m=\frac{1}{2}(J_m+J_l){{\mathrm{\&omega;}}_m}^2-{{3I}_m}^2\frac{R_m}{2}{t}_d-\frac{1}{2}{T}_f{\mathrm{\&omega;}}_m{t}_d+E_{\mathrm{\&Delta;f}},$

$E_c=\frac{1}{2}C({U_{\max }}^2-{U_{\mathrm{nom}}}^2),$

J_m为电机自身转子转动惯量，J_l为机械负载折合到电机轴端的转动惯量，ω_m为电机减速之前的角速度，I_m为电机在减速期间的相电流有效值，R_m为电机相相之间线电阻，t_d为减速的时间，单位s，T_f为摩擦转矩，E_△f为***制动过程中的势能变化量，势能增加则符号为负，势能减少则为正，E_c为母线滤波电容可吸收的能量，C为驱动器母线滤波电容，U_max为泄放以前母线可达到的最大电压，即泄放电压，U_nom为母线平均电压，U_ll为整流输入的线电压。

确定泄放电阻的规格包括如下步骤：

1）计算泄放的最大脉冲功率P_{max_regen}、最大再生功率P_max、平均功率P_av；

2）依据公式P_max<P_{max_regen}和确定泄放电阻R_b的最大值；

3）计算泄放电阻的最小值；

4）根据实际工况确定泄放电阻的额定功率；

其中， $P_{\max \_\mathrm{regen}}=\frac{{U_b}^2}{R_b},$ $P_{\max }=\sqrt{3}{\mathrm{EMF}}_b{I}_m,$ $P_{\mathrm{av}}=\frac{E_m-E_c}{t_{\mathrm{cycle}}},$ $R_{b\min }=\frac{U_{\mathrm{ov}}}{I_{\mathrm{bc}}},$

U_b为母线泄放点电压，P_max为电机制动时可能产生的最大再生功率，I_m为电机在减速期间的相电流有效值，EMF_b为去除损耗部分折算电压的电机反电势，k_b为电机反电势常数，即1000rpm下线反电势有效值，n为在减速之前电机正在运行的转速，EMF_b为去除损耗部分折算电压的电机反电势，t_cycle为电机循环运行的一个周期，即减速时间与非减速时间之和，U_ov为母线过压点电压I_bc为泄放管在散热器为80℃时能够连续运行的直流电流。

步骤4中额定功率确定步骤如下：

1）当***使用内置再生泄放电阻或不用再生泄放电阻，全靠电容吸收时，泄放电阻的额定功率为内置电阻额定功率的50%；

2）当使用外置再生泄放电阻，驱动器判断用户输入的阻值是否小于再生泄放电阻最小值的功能，若小于最小值，则需更换外置泄放电阻；若大于，则判断是否外置冷风设备；

4）若外置冷风设备，泄放电阻能连续承受的功率为内置电阻额定功率的50%，否则泄放电阻能连续承受的功率为内置电阻额定功率的20%。

驱动器运行处理再生制动逻辑具体步骤如下：

1）判断伺服***是否发生故障态、是否使用能耗电阻以及是否发生阻值太小发生警告，如果是，则关掉泄放回路；否，则转入对功率条件的逻辑判断；

2）确定保护点功率是否大于滤波后功率，如果大于则打开泄放电路并计算本次泄放功率大小，如果本次泄放功率大于功率峰值，则将功率峰值定义为功率计算的临时变量；如果小于滤波后功率则关掉泄放回路；

3）判断滤波后功率是否大于保护功率点功率，如果大于则发出过负荷报警，显示再生功率超过再生泄放电阻能够泄放的能力，反之则不需要报警。

步骤2中若交流动力电输入无效的情况下母线电压存在且母线电压大于50V，则依然需要确定保护点功率是否大于滤波后功率。

有益效果：本发明与现有技术相比，是在一个具体***中针对特别工况，只要满足所提出的约束条件，即可选出满足泄放需求的泄放电阻。该方法简单易行，可以广泛用于驱动控制***中。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是电阻保护初始化程序框图。

图3是电阻保护监控程序框图。

图4是硬件过流中断服务程序框图。

图5是电机***运行规律示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：

判断***是否需要泄放电阻，根据需求选择出符合工况的泄放电阻，从而使得泄放电阻接入***运行后，***达到最优。下面用一个具体的例子来说明本发明的技术方案：

1、首先给出驱动器参数，如表1所示。

Ub(V)	Uav(V)	C(uF)	Im(A)	Ibc(A)	Rbmin(Ω)	Rb(Ω)	PRb(W)
								380	420	1680	16.9	11	38	50	40

表1.驱动器参数表

2、以电机完全空载的例子，实验中伺服电机转子转动惯量J_m为1.28×10^-4kg/m²，最高允许转速为6000rpm，转化为角速度ω为628.3rad/s。

由再生能量公式， $E_m=\frac{1}{2}(J_m+J_l){{\mathrm{\&omega;}}_m}^2-{{3I}_m}^2\frac{R_m}{2}{t}_d-\frac{1}{2}{T_f\mathrm{\&omega;}}_m{t}_d+E_{\mathrm{\&Delta;f}},$ 可知在最高转速下制动产生的再生能量为E_m为25.3J。由母线滤波电容可吸收的能量公式可知，电容能够存储的能量E_c为40.6J。因为再生的能量小于能够存储的能量，因此在电机完全空载时制动不需要泄放能量，也就不需要连接泄放电阻。

3、同样考察上例电机，以电机轴端带惯量负载的例子，且已知反电势系数k_b=33V_rms/krpm，轴端带50倍转子转动惯量的负载，周期运行规律如图4所示，电机以最大3倍过载转矩制动，假设摩擦转矩为0。具体步骤如下：

（1）根据具体情况进行确定符合工况下的泄放电阻阻值。

①通过能量守恒定律，判断***是否需要泄放电阻。

根据再生能量公式 $E_m=\frac{1}{2}(J_m+J_l){{\mathrm{\&omega;}}_m}^2-{{3I}_m}^2\frac{R_m}{2}{t}_d-\frac{1}{2}{T_f\mathrm{\&omega;}}_m{t}_d+E_{\mathrm{\&Delta;f}},$ 已知J_l=50，J_m=64×10^-4kgm²，ω_m=314rad/s，I_m=16.5Arms，R_m=1Ω，t_d=0.286s，其余为0。通过计算可得E_m=205J，可见再生能量大于电容能够存储的容量，需要再生泄放能量，否则必然过压。

②通过功率约束条件确定泄放电阻的规格。

A、计算峰值功率：

依据已知k_b=33V_rms/krpm，n=3krpm，I_m=16.5A_rms，R_m=1Ω，则算得EMF_b=84.7V。

依据 $P_{\max }=\sqrt{3}{\mathrm{EMF}}_b{I}_m,$ 算得P_max=2421W。

B、计算平均功率：

依据公式已知E_m=205J，E_c=40.6J，t_cycle=1.2s，则算得P_av=137W。

确定泄放电阻规格范围：

依据公式P_max<P_{max_regen}和已知U_b=380V，P_max=2421W，则可确定泄放电阻R_b需小于59.6Ω。

依据P_av<P_{av_regen}并考虑不同工况的降额，已知P_av=137W，风冷情况降额50%，自然冷却降额20%。

则针对风冷情况，泄放电阻的额定功率应大于274W，针对自然冷却情况，泄放电阻的额定功率应大于685W。

③确定泄放电阻的最小阻值。

依据公式已知U_ov=420V，I_bc=11A，则算得R_bmin=38.2Ω，因此泄放电阻需大于38.2Ω。

综上，泄放电阻阻值需选在38.2～59.6Ω之间，额定功率需大于274W（风冷）/685W（自然冷却），选择40Ω、300W（风冷）/700W（自然冷却）的泄放电阻是合适的。

（2）、初始化再生泄放电阻保护用变量。

将泄放电阻接入伺服***中，驱动器对用户信息进行判断。使用外置再生泄放电阻，驱动器判断用户输入的阻值大于最小值的功能。自然冷却，泄放电阻能连续承受的功率为137W。

（3）、驱动器运行处理再生制动逻辑。

首先判断伺服***未发生故障态、不使用能耗电阻以及未发生阻值太小发生警告。转入对功率条件的逻辑判断。确定保护点功率大于滤波后功率，大于泄放电压点电压，打开泄放电路，计算可得本次泄放功率小于功率峰值，不报警。

其次判断若交流动力电输入无效的情况下母线电压存在，则转入对功率条件的逻辑判断。判断保护点功率且母线电压大于滤波后功率且大于50V，打开泄放电路，计算可得本次泄放功率小于功率峰值，不报警。

（4）、当母线硬件过流时中断程序。

程序运行过程中，母线硬件电流不超过最大三相短路电流18A，不执行中断运行程序。

Claims (7)

1.一种保护再生泄放电阻的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）通过计算校核，选出符合工况的泄放电阻值； 

2）将泄放电阻接入***，***对当前设置状态进行判断； 

3）驱动器运行处理再生制动逻辑，判断接入的再生泄放电阻是否符合要求； 

4）若发生母线电流过流，则中断程序以保护泄放电阻。 

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于：步骤1中选出符合工况的泄放电阻值的步骤如下： 

1）通过能量守恒定律，判断***是否需要泄放电阻。 

2）通过功率约束条件确定泄放电阻的规格。 

3）确定泄放电阻的最小阻值。 

3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于：***是否需要泄放电阻，具体包括如下步骤： 

1）计算***的再生能量E_m与母线滤波电容可吸收的能量E_c的大小。 

2）比较E_m与E_c的大小，***在单机情况下，若E_m<E_c，则不需泄放电阻，否则需要；***在共母线情况下若则不需要，否则需要泄放电阻；当E_mj<0时，人为强制为0求和； 

步骤1中，

J_m为电机自身转子转动惯量，J_l为机械负载折合到电机轴端的转动惯量，ω_m为电机减速之前的角速度，I_m为电机在减速期间的相电流有效值，R_m为电机相相之间线电阻，t_d为减速的时间，单位s，T_f为摩擦转矩，E_△f为***制动过程中的势能变化量，势能增加则符号为负，势能减少则为正，E_c为母线滤波电容可吸收的能量，C为驱动器母线滤波电容，U_max为泄放以前母线可达到的最大电压，即泄放电压，U_nom为母线平均电压，U_ll为整流输入的线电压。 

4.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于：确定泄放电阻的规格包括如下步骤： 

1）计算泄放的最大脉冲功率P_{max_regen}、最大再生功率P_max、平均功率P_av； 

2）依据公式P_max<P_{max_regen}和确定泄放电阻R_b的最大值； 

3）计算泄放电阻的最小值； 

4）根据实际工况确定泄放电阻的额定功率； 

其中，

U_b为母线泄放点电压，P_max为电机制动时可能产生的最大再生功率，I_m为电机在减速期间的相电流有效值，EMF_b为去除损耗部分折算电压的电机反电势，k_b为电机反电势常数，即1000rpm下线反电势有效值，n为在减速之前电机正在运行的转速，EMF_b为去除损耗部分折算电压的电机反电势， t_cycle为电机循环运行的一个周期，即减速时间与非减速时间之和，U_ov为母线过压点电压，I_bc为泄放管在散热器为80℃时能够连续运行的直流电流。 

5.根据权利要求4所述一种再生泄放电阻的保护方法，其特征在于：步骤4中额定功率确定步骤如下： 

1）当***使用内置再生泄放电阻或不用再生泄放电阻，全靠电容吸收时，泄放电阻的额定功率为内置电阻额定功率的50%； 

2）当使用外置再生泄放电阻，驱动器判断用户输入的阻值是否小于再生泄放电阻最小值的功能，若小于最小值，则需更换外置泄放电阻；若大于，则判断是否外置冷风设备； 

3）若外置冷风设备，泄放电阻能连续承受的功率为内置电阻额定功率的50%，否则泄放电阻能连续承受的功率为内置电阻额定功率的20%。 

6.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于：驱动器运行处理再生制动逻辑具体步骤如下： 

1）判断伺服***是否发生故障态、是否使用能耗电阻以及是否发生阻值太小发生警告，如果是，则关掉泄放回路；否，则转入对功率条件的逻辑判断； 

2）确定保护点功率是否大于滤波后功率，如果大于则打开泄放电路并计算本次泄放功率大小，如果本次泄放功率大于功率峰值，则将功率峰值定义为功率计算的临时变量；如果小于滤波后功率则关掉泄放回路； 

3）判断滤波后功率是否大于保护功率点功率，如果大于则发出过负荷报警，显示再生功率超过再生泄放电阻能够泄放的能力，反之则不需要报警。 

7.根据权利要求6所述的保护方法，其特征在于：步骤2中若交流动力电输入无效的情况下母线电压存在且母线电压大于50V，则依然需要确定保护点功率是否大于滤波后功率。