【制動電阻廠家】揭秘制動電阻泄放控制技術(shù)

      制動電阻由于簡單實(shí)用且成本低，在中小型功率等級電壓源逆變器（VSI）電路的直流母線泵升電壓控制中廣泛使用。提出一種新的制動控制方法，該方法充分考慮了直流母線電壓限制的需求，同時(shí)也考慮了制動電阻的最大功率和沖擊時(shí)間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了制動電阻的優(yōu)化泄放控制。通過基于TMS320F28335的浮點(diǎn)DSP控制平臺，用永磁同步電機(jī)（PMSM）的弱磁失控等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該制動方法的有效性和實(shí)用性。　　

      1、引言　　
      基于VSI的交流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)在現(xiàn)代電氣傳動領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在電機(jī)驅(qū)動控制應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)處于減速制動狀態(tài)時(shí)，VSI的直流母線電壓會升高，若不加以控制，則可能超過直流母線電容或功率器件的最大耐壓，導(dǎo)致硬件損毀。因此，直流母線泵生電壓的抑制對于VSI的可靠工作非常重要。目前，較先進(jìn)但昂貴的方法是采用PWM整流器方式為VSI提供直流方式供電，當(dāng)電機(jī)工作于制動回饋狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓將升高，PWM整流器自動將能量回饋至電網(wǎng)。但由于其成本較高，僅適合于對成本不敏感的高端應(yīng)用場合。在中低端的驅(qū)動控制領(lǐng)域。還有很多驅(qū)動器是基于整流橋方式，可通過降低轉(zhuǎn)矩電流變化率來降低直流母線的泵升電壓，或通過直流母線電壓限制閉環(huán)控制來自適應(yīng)降低轉(zhuǎn)矩電流的方案。這兩種方案雖然可限制直流母線電壓，但卻犧牲了轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制性能，而且對于PMSM在高速弱磁狀態(tài)下發(fā)生失控，反電動勢瞬時(shí)反彈的場合也并不適用。另外一種在中小功率逆變器驅(qū)動中簡單常見的方案是安裝制動電阻。目前大多數(shù)產(chǎn)品的控制方法主要是簡單的硬件滯環(huán)比較控制方式，當(dāng)電壓高于設(shè)定泄放導(dǎo)通電壓時(shí)，通過制動電阻泄放，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定泄放關(guān)閉電壓時(shí)，停止泄放。該控制方法過于簡單，改變硬件參數(shù)復(fù)雜，容易發(fā)生故障并燒壞制動電阻。　　

      針對使用制動電阻的實(shí)際泄放需求，提出一種新的基于軟件方案的制動電阻控制策略。該控制技術(shù)充分考慮了制動電阻的額定功率、使用率、電阻值及最大允許沖擊時(shí)間。通過軟件來配置工作參數(shù)，該技術(shù)可有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的直流母線電壓泄放控制，并在基于TMS320F28335的32位浮點(diǎn)DSP電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用。　　

      2、制動優(yōu)化控制技術(shù)原理　　
      在此根據(jù)制動需求，首先考慮制動電阻參數(shù)和工作參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于最大功率和沖擊時(shí)間限制的優(yōu)化泄放技術(shù)。　　

      2．1 制動泄放控制相關(guān)參數(shù)　　
      為控制直流母線電壓的泵升，將制動電阻本體和制動泄放工作點(diǎn)兩個(gè)方面的參數(shù)作為系統(tǒng)控制參數(shù)輸入。制動電阻本體參數(shù)包括制動電阻阻值、額定功率以及短時(shí)抗沖擊允許時(shí)間。另外，在實(shí)際使用中，為提高可靠性，制動電阻的使用需要考慮降額率，以避免制動電阻過熱而損壞。制動泄放工作點(diǎn)參數(shù)包括直流母線電壓啟動泄放工作點(diǎn)電壓和電壓滯環(huán)值。當(dāng)直流母線電壓大于泄放工作點(diǎn)電壓與電壓滯環(huán)值之和時(shí)，電壓泄放電路工作；當(dāng)直流母線電壓小于泄放工作點(diǎn)電壓與電壓滯環(huán)值之差時(shí)，電壓泄放電路停止工作。通過設(shè)置電壓滯環(huán)，避免制動電路在瀉放工作點(diǎn)反復(fù)跳轉(zhuǎn)。　　
  
      2．2 制動電阻優(yōu)化泄放控制技術(shù)
　　制動電阻優(yōu)化泄放控制技術(shù)的核心思想是充分利用制動電阻的最大泄放能力，快速、安全地控制直流母線電壓泵升。如圖1所示，直流母線電壓可通過電壓傳感器測量得到，結(jié)合當(dāng)前制動PWM占空比和制動電阻阻值信息，可計(jì)算得到制動電阻的瞬時(shí)功率，通過低通平滑處理，可得到制動電阻的平均功率，作為功率反饋，與設(shè)定的制動電阻允許最大功率比較。當(dāng)平均功率小于最大功率，按Bang-Bang方式控制制動，這樣允許在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大電流放電處理。當(dāng)制動反饋功率達(dá)到設(shè)定的最大功率時(shí)，自動調(diào)節(jié)以占空比方式實(shí)施制動泄放。由于同時(shí)考慮直流母線泵升電壓和制動電阻功率的限制，實(shí)現(xiàn)了制動泄放的優(yōu)化控制。　　

      2．2．1 制動電阻的功率計(jì)算　　
      設(shè)制動電阻為R，PWM制動占空比D∈[0，1]，直流母線電壓測量值為Udc，則R消耗的瞬時(shí)功率P=（UdcD）2／R。R一般具有抗沖擊能力，允許短時(shí)過載運(yùn)行。利用抗沖擊時(shí)間，將P通過時(shí)間常數(shù)為τ的一階低通濾波器（LPF），可近似認(rèn)為該LPF的輸出為R的平均功率。一階LPF的傳遞函數(shù)為：x=u／（τs+1），τ一般可選擇為1／3的制動電阻允許沖擊時(shí)間。　　
 
      2．2．2 電壓因子通道的設(shè)計(jì)　　
      電壓因子通道采用滯環(huán)Bang-Bang控制，以便得到靈敏的響應(yīng)速度。電壓因子占空比初始輸出為零。當(dāng)Udc大于直流母線電壓啟動泄放工作點(diǎn)電壓與制動時(shí)直流母線電壓滯環(huán)值之和時(shí)，電壓因子占空比輸出為1；當(dāng)Udc小于直流母線電壓啟動泄放工作點(diǎn)電壓與制動時(shí)直流母線電壓滯環(huán)值之差時(shí)，電壓因子占空比輸出為零；其余情況則保持上一拍的輸出狀態(tài)。電壓因子通道輸出的響應(yīng)可以在數(shù)字控制器的一拍內(nèi)完成。　　

      2．2．3 功率因子通道的設(shè)計(jì)　　
      以R允許最大功率為參考值，以R的當(dāng)前平均功率為反饋值，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器及限幅處理得到功率因子占空比。PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)如下：G（s）=Kp·[1+1／（TIs）]，其中，Kp為比例增益，TI為積分時(shí)間常數(shù)。在電阻制動動作發(fā)生前，工作占空比為零，R的當(dāng)前平均功率為零，PI調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，功率因子占空比輸出最大值100％。一旦直流母線上泵升電壓超過設(shè)定值，在R允許的沖擊時(shí)間內(nèi)，R的平均功率將緩慢上升，在沒有超過允許的最大制動電阻功率前，功率因子占空比輸出保持最大值100％，從而可以在制動初期以連續(xù)方式實(shí)現(xiàn)泄放，快速降低直流母線上泵升電壓。如果泵升電壓還沒有完全降低下來，但已超過了R允許的沖擊時(shí)間，這時(shí)則不允許連續(xù)制動，將通過PI調(diào)節(jié)器自動進(jìn)入占空比方式制動。在占空比方式下，R上的平均消耗功率將控制在允許最大功率內(nèi)，此時(shí)按最大功率設(shè)定值自動計(jì)算占空比最大值。通過最大占空比限制，同時(shí)保證了制動效果和R的安全。當(dāng)制動成功，直流母線上泵升電壓降低到目標(biāo)電壓以下時(shí)，制動占空比為零，R的平均功率將緩慢歸零。　　

      2．2．4 制動占空比及其PWM控制實(shí)現(xiàn)　　
      制動電路的工作占空比可由電壓因子占空比與功率因子占空比的乘積得到，從而兼顧了Udc限制需求和R功率限制需求，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化制動泄放效果。制動電路的工作占空比范圍為[0，1]，可由數(shù)字電路的三角波發(fā)生器和數(shù)字比較器構(gòu)成PWM單元，控制占空比的生成，此功能在TM S320F28335型DSP Epwm外設(shè)上很容易實(shí)現(xiàn)。　　

      3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)用　　
      基于最大功率的泄放電阻制動技術(shù)已經(jīng)在32位浮點(diǎn)TMS320F28335型DSP驅(qū)動控制系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用的4對極PMSM的各項(xiàng)參數(shù)如下所示：額定輸出功率5．5kW，額定轉(zhuǎn)速1500r·min-1，額定轉(zhuǎn)矩35N·m，電勢系數(shù)1．026V·s／rad，轉(zhuǎn)矩系數(shù)2．18N·m／A，相繞組電阻0．35Ω，Ld=7．3mH，Lq=7．8mH。制動電阻平均功率計(jì)算的一階LPF時(shí)間常數(shù)τ為0．33倍電阻允許沖擊時(shí)間。Udc的測量通過系統(tǒng)的DAC輸出監(jiān)控，R流過的電流IR通過電流鉗接示波器測量。R=32Ω，制動電阻功率1000kW，R的使用降額率設(shè)置為50％，R的短時(shí)抗沖擊允許時(shí)間設(shè)置為3s；功率因子通道PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)：Kp=0．8，TI=0．3；電壓滯環(huán)寬度設(shè)置為5V。
　　
      圖2a為PMSM弱磁失控情況下Udc和IR波形。PMSM在交流220V整流為310V直流供電條件下，制動電壓工作點(diǎn)電壓Ubrake設(shè)置為325V，在PMSM工作于空載速度控制模式，并已進(jìn)入弱磁控制狀態(tài)，關(guān)閉控制使能，出現(xiàn)弱磁失控狀態(tài)，Udc在PMSM弱磁失控后電壓迅速泵升，并觸發(fā)制動電路以100％，的占空比工作，約0．5s后（小于R的短時(shí)抗沖擊允許時(shí)間），將R限制在允許的范圍內(nèi)，期間在R上產(chǎn)生連續(xù)的制動電流。圖2b為Udc與Ubrake（設(shè)置為305V）比較接近時(shí)Udc和IR波形。圖2c為Udc長期大于Ubrake（設(shè)置為285v）條件下的Udc和IR波形。R處于占空比工作方式，有效地以電阻可承受的最大功率能力實(shí)現(xiàn)泄放。　　

      4、結(jié)論　　
      直流母線泵生電壓的抑制對于電壓源逆變器的可靠工作非常重要，電阻制動由于方案簡單、成本低，在中小功率電壓源逆變器電路的直流母線泵升電壓控制中仍大量使用。在此針對使用制動電阻的實(shí)際瀉放需求，提出一種新的基于軟件方案的制動電阻控制策略，該控制技術(shù)充分考慮了制動電阻的額定功率、使用率、電阻值以及最大允許沖擊時(shí)間，并可通過軟件靈活地配置工作參數(shù)。該控制方法充分考慮了直流母線電壓限制的需求，同時(shí)也考慮了制動電阻的最大功率和沖擊時(shí)間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了制動電阻的優(yōu)化泄放控制。通過基于TMS320F28335型浮點(diǎn)DSP控制平臺，用永磁同步電機(jī)的弱磁失控等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該制動方法的有效性和實(shí)用性。
 
      5、延伸閱讀
      常州博邦電氣是專業(yè)研發(fā)制造電抗器、串聯(lián)電抗器、進(jìn)線電抗器、鋁殼電阻、制動電阻、制動單元、變壓器、濾波器的大型生產(chǎn)廠家。依托德國技術(shù),專注于為全球變頻器產(chǎn)業(yè)提供專業(yè)而人性化的產(chǎn)品、服務(wù)和一站式綜合解決方案。