电机能量平衡装置和冲床的制作方法

1.本实用新型涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机能量平衡装置和冲床。


背景技术：

2.电机控制装置在应用于冲床时，由于现场工艺需求，即在打件的过程中存在瞬间加速以及瞬间减速的过程，在这个过程中，控制器需要瞬间提供很大的功率或者瞬间吸收很大的功率。传统冲床控制器系统主要有两种方案，通过使用逆变与整流功率均较大的变频器，或将变频器的母线电容并联大容量电容，使得系统的瞬间大功率由大容量电容提供。
3.由于电抗器的电流也需要满足瞬时功率，同时在发电情况下，需要使用制动电阻来消耗能量，控制器的成本较高。同时由于前级电网变压器的功率容量因素，限制了控制器接入电网的数量。将大容量电容直接并联至控制器母线上时，由于控制器母线电压波动有要求，大容量电容的放电深度得不到最佳利用，即需要选配的大容量电容容量需要非常大，使用成本较高。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种电机能量平衡装置和冲床，以解决现有技术中电机控制装置对电机反馈的能量利用率低，制造成本高的问题。
5.为解决上述问题，本实用新型提供一种电机能量平衡装置，包括：
6.整流电路，与电源连接；
7.dc-dc变换器，通过直流母线与所述整流电路的输出端连接；
8.超级电容，通过所述dc-dc变换器与所述直流母线连接；
9.变频电路，通过所述直流母线与所述整流电路的输出端连接；
10.逆变电路，与所述变频电路的输出端连接，所述逆变电路的输出端与电机连接；
11.其中，所述dc-dc变换器用于将所述电机的能量与所述超级电容的能量进行转换。
12.进一步地，所述dc-dc变换器包括第一场效应管、第二场效应管、第一二极管、第二二极管和第一电感，其中：所述第一场效应管的第一端与所述第一二极管的负极连接，所述第一场效应管的第二端与所述第一二极管的正极连接；所述第二场效应管的第一端连接所述第二二极管的负极和所述第一场效应管的第二端，所述第二场效应管的第二端连接所述第二二极管的正极和所述超级电容的一端；所述第一电感的一端连接至所述第一场效应管的第二端和所述第二场效应管的第一端之间，所述第一电感的另一端与所述超级电容的另一端连接。
13.进一步地，所述第一场效应管断开、所述第二场效应管导通，所述超级电容通过所述第一电感连接至所述直流母线，所述超级电容通过所述第一二极管对所述直流母线放电，以使所述超级电容提供稳定的输入能量至所述电机。
14.进一步地，所述第一场效应管导通、所述第二场效应管断开，所述直流母线通过所述第一电感连接至所述超级电容，所述直流母线通过所述第二二极管对所述超级电容放
电，以使所述超级电容吸收所述电机反馈的能量。
15.为解决上述问题，本实用新型还提供一种冲床，包括电机和电机能量平衡装置，所述电机连接所述电机能量平衡装置，所述电机能量平衡装置为上述电机能量平衡装置。
16.本实用新型所提供的电机能量平衡装置包括：整流电路，与电源连接；dc-dc变换器，通过直流母线与整流电路的输出端连接；超级电容，通过dc-dc变换器与直流母线连接；变频电路，通过直流母线与整流电路的输出端连接；逆变电路，与变频电路的输出端连接，逆变电路的输出端与电机连接；其中，dc-dc变换器用于将电机的能量与超级电容的能量进行转换。通过上述方式，电源对电机供电时只需输入电机所需的平均功率，使用与直流母线连接的dc-dc变换器和超级电容对电机反馈的能量进行二次利用，即可实现电机输入能量的补充与反馈能量的吸收，通过补充电机启动时所需的较大的瞬时功率以及吸收电机运行时反馈的能量，进而提高了装置的能量利用率，同时无需使用制动电阻和大容量电容，进而节约了装置制造成本。
附图说明
17.图1是本实用新型电机能量平衡装置第一实施例的结构示意图；
18.图2是本实用新型电机能量平衡装置第二实施例的结构示意图；
19.图3是本实用新型冲床第一实施例的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.本实用新型中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
22.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
23.请参阅图1，图1是本实用新型电机能量平衡装置1第一实施例的结构示意图。如图1所示，本实用新型电机能量平衡装置1包括整流电路10、dc-dc变换器20、超级电容30、变频电路40和逆变电路50。
24.具体地，电机能量平衡装置1中整流电路10的输入端与电源2连接，用于将电源2输入的交流信号转换为直流信号，整流电路10的输出端将该直流信号输出至直流母线60。其
中，本实施例中电源2为三相交流输入，而在其他实施例中，电源2还可为单相交流输入或直流输入，且当电源2为直流输入时，电机能量平衡装置1中无需设置整流电路10以对输入信号进行整流，以使输入逆变电路50的信号为直流信号。
25.变频电路40通过直流母线60与整流电路10的输出端连接，接收整流电路10输入的直流信号，同时变频电路40的输出端通过直流母线60与逆变电路50连接，将直流母线60输入的直流信号输出至逆变电路50。
26.逆变电路50将接收的直流信号转换为交流信号，逆变电路50的输出端与电机3连接，将转换后的交流信号输出至电机3处，以驱动该电机3运行。
27.需要说明的是，电机能量平衡装置1中通过设置直流母线60承载整流电路10整流后将交流转变为直流以及逆变电路50将直流转变为交流的信号。共用直流母线60可以将现有技术中的变频器分解为两个部分，即将整流电路10与逆变电路50分开，使得逆变电路50反馈的能量可以被利用，逆变电路50驱动电机3运行时其能量不足的部分再由整流电路10补充，即由电源2供电，提高装置的用电效率。同时现有技术中由于电机3运行时存在能量反馈的负载，直流母线60通过一个电阻接地以放电泄压，即在直流母线60中串联上一个制动电阻，电机3反馈的能量就会通过该制动电阻构成回路放电。由制动电阻吸收能量，能够加速直流母线60放电过程，放电时间短，如果不接该制动电阻，那么只能通过串联在直流母线60中的变频电路40来放电，放电过程极为缓慢，对变频电路40本身也会增加击穿可能性。但采用制动电阻时由于电机3反馈能量大，消耗功率较大，通过制动电阻放电泄压造成了能量损耗。
28.本实施例通过使用与直流母线60连接的dc-dc变换器20和超级电容30对电机3反馈的能量进行二次利用，无需设置制动电阻，进而提高了装置的能量利用率。其中，dc-dc变换器20的一端通过直流母线60与整流电路10的输出端连接，同时通过直流母线60、整流电路10与逆变电路50连接，通过该逆变电路50接收电机3反馈的能量，dc-dc变换器20的另一端与超级电容30连接，dc-dc变换器20用于将电机3的能量与超级电容30的能量进行转换。
29.可选地，电源2通过整流电路10与直流母线60连接，输出稳定的交流信号至直流母线60，以对直流母线60提供稳定的输入能量。电机3通过逆变电路50与直流母线60连接，以接收电源2和超级电容30的输入能量，同时电机3通过逆变电路50和直流母线60与dc-dc变换器20连接，以输出电机3反馈的能量至超级电容30。
30.需要说明的是，上述dc-dc变换器20的拓扑可以是buck(降压型)，也可以是boost(升压型)、buck/boost(升降压型)、反激、正激、半桥、全桥、llc等其他拓扑。上述超级电容30作为输出电容，除超级电容外也可以为其他用于存储能量的装置，如电解电容、薄膜电容、电池或电感等。
31.具体地，dc-dc变换器20包括第一场效应管21、第二场效应管22、第一二极管23、第二二极管24和第一电感25。第一场效应管21的第一端与第一二极管23的负极连接，第一场效应管21的第二端与第一二极管23的正极连接；第二场效应管22的第一端连接第二二极管24的负极和第一场效应管21的第二端，第二场效应管22的第二端连接第二二极管24的正极和超级电容30的一端；第一电感25的一端连接至第一场效应管21的第二端和第二场效应管22的第一端之间，第一电感25的另一端与超级电容30的另一端连接。
32.可选地，当电机3启动，电机3处需较大的输入能量，电源2对直流母线60提供稳定
的输入能量。dc-dc变换器20中的第一场效应管21断开、第二场效应管22导通，超级电容30通过第一电感25连接至直流母线60，超级电容30通过第一二极管23对直流母线60放电，以使超级电容30提供稳定的输入能量至直流母线60，直流母线60将电源2输入的能量与超级电容30补充的能量提供至电机3。
33.可选地，当电机3运行，反馈能量至电机能量平衡装置1，与电机3连接的逆变电路50将电机3反馈的能量传输至直流母线60。dc-dc变换器20中的第一场效应管21导通、第二场效应管22断开，直流母线60通过第一电感25连接至超级电容30，直流母线60通过第二二极管24对超级电容30放电，以使超级电容30吸收电机3反馈的能量。
34.区别于现有技术，本实施例电机能量平衡装置1包括：整流电路10，与电源2连接；dc-dc变换器20，通过直流母线60与整流电路10的输出端连接；超级电容30，通过dc-dc变换器20与直流母线60连接；变频电路40，通过直流母线60与整流电路10的输出端连接；逆变电路50，与变频电路40的输出端连接，逆变电路50的输出端与电机3连接；其中，dc-dc变换器20用于将电机3的能量与超级电容30的能量进行转换。基于上述电机能量平衡装置1，电源2对电机3供电时只需输入电机3所需的平均功率，使用与直流母线60连接的dc-dc变换器20和超级电容30对电机3反馈的能量进行二次利用，即可实现电机3输入能量的补充与反馈能量的吸收，通过补充电机3启动时所需的较大的瞬时功率以及吸收电机3运行时反馈的能量，进而提高了装置的能量利用率，同时无需使用制动电阻和大容量电容，进而节约了装置制造成本。
35.请参阅图2，图2是本实用新型电机能量平衡装置1第二实施例的结构示意图。如图2所示，本实用新型电机能量平衡装置1包括整流电路10、dc-dc变换器20、超级电容30、变频电路40和逆变电路50。
36.具体地，整流电路10包括第一整流桥臂11、第二整流桥臂12和第三整流桥臂13，分别连接电源2的r相、s相和t相，以接收电源2输入的交流信号。其中，第一整流桥臂11包括串联连接的第三二极管111和第四二极管112，第三二极管111的正极与第四二极管112的负极之间连接至电源2的r相；第二整流桥臂12包括串联连接的第五二极管121和第六二极管122，第五二极管121的正极和第六二极管122的负极之间连接至电源2的s相，第三整流桥臂13包括串联连接的第七二极管131和第八二极管132，第七二极管131的正极和第八二极管132的负极之间连接至电源2的t相。
37.进一步地，第一整流桥臂11中第三二极管111的负极连接至直流母线60的一端，第三二极管111的正极连接第四二极管112的负极，第四二极管112的正极连接至直流母线60的另一端；第二整流桥臂12中第五二极管121的负极连接至直流母线60的一端，第五二极管121的正极连接第六二极管122的负极，第六二极管122的正极连接至直流母线60的另一端；第三整流桥臂13中第七二极管131的负极连接至直流母线60的一端，第七二极管131的正极连接第八二极管132的负极，第八二极管132的正极连接至直流母线60的另一端。
38.需要说明的是，整流电路10是指能将交流电能转换为直流电能的电路，其在电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域都具有广泛的应用。整流电路10设置与否视具体情况而定，在其它实施例中，若电源2输入为直流信号时，则无需在电机能量平衡装置1中设置整流电路10。整流电路10的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这也就是交流电的整流过程。经过整流电路10之后的电压已经不
是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。
39.本实施例中基于电源2输入信号为三相交流信号，其负载容量较大，要求输入直流信号电压脉冲较小，容易滤波，进而使用三相整流电路。三相整流电路有三相半波可控整流电路、三相半控桥式整流电路和三相全控桥式整流电路。由于三相整流电路的三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉冲小，对电网影响小，且控制滞后时间短。而在其他实施例中，当电源2输入为单向交流输入时，整流电路10为单相整流电路，且单相整流电路分为半波整流，全波整流，桥式整流及倍压整流电路等。
40.进一步地，本实施例中电机能量平衡装置1的变频电路40包括滤波电容41、第九二极管42和第三场效应管43。其中，滤波电容41连接于直流母线60的一端和另一端之间，第九二极管42的负极与直流母线60的一端连接，第九二极管42的正极与第三场效应管43的第一端连接，第三场效应管43的第二端与直流母线60的另一端连接。基于整流电路10输出的至直流母线60中的直流信号具有交流分量，通过与直流母线60连接的变频电路40，能够将叠加在直流信号上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并可以抑制变流装置产生的谐波，同时无需在电机能量平衡装置1中设置直流变抗器。
41.需要说明的是，本实施例中dc-dc变换器20、变频电路40和逆变电路50中的场效应管作为开关管，具有完成电路断路和接通的作用，除场效应管外，还可以为igbt(双极型晶体管)、功率晶体管等开关管。
42.进一步地，本实施例中电机能量平衡装置1的逆变电路50包括第一逆变桥臂51、第二逆变桥臂52和第三逆变桥臂53。
43.第一逆变桥臂51包括第四场效应管511、第五场效应管512、第十二极管513和第十一二极管514，第四场效应管511和第十二极管513串联连接，第五场效应管512和第十一二极管514串联连接。第四场效应管511的第一端连接至直流母线60的一端，第四场效应管511的第二端与第十二极管513的负极连接，第十二极管513的正极连接至直流母线60的另一端，第十一二极管514的负极连接至直流母线60的一端，第十一二极管514的正极与第五场效应管512的第一端和第十二极管513的负极连接，第五场效应管512的第二端连接至直流母线60的另一端，第四场效应管511的第二端和第五场效应管512的第一端之间为第一逆变桥臂51的输出端。
44.第二逆变桥臂52包括第六场效应管521、第七场效应管522、第十二二极管523和第十三二极管524，第六场效应管521和第十二二极管523串联连接，第七场效应管522和第十三二极管524串联连接。第六场效应管521的第一端连接至直流母线60的一端，第六场效应管521的第二端与第十二二极管523的负极连接，第十二二极管523的正极连接至直流母线60的另一端，第十三二极管524的负极连接至直流母线60的一端，第十三二极管524的正极与第七场效应管522的第一端和第十二二极管523的负极连接，第七场效应管522的第二端连接至直流母线60的另一端，第六场效应管521的第二端和第七场效应管522的第一端之间为第二逆变桥臂52的输出端。
45.第三逆变桥臂53包括第八场效应管531、第九场效应管532、第十四极管533和第十五二极管534，第八场效应管531和第十四极管533串联连接，第九场效应管532和第十五二极管534串联连接。第八场效应管531的第一端连接至直流母线60的一端，第八场效应管531
的第二端与第十四极管533的负极连接，第十四极管533的正极连接至直流母线60的另一端，第十五二极管534的负极连接至直流母线60的一端，第十五二极管534的正极与第九场效应管532的第一端和第十四极管533的负极连接，第九场效应管532的第二端连接至直流母线60的另一端，第八场效应管531的第二端和第九场效应管532的第一端之间为第三逆变桥臂53的输出端。
46.区别于现有技术，本实施例电机能量平衡装置1包括：整流电路10，与电源2连接；dc-dc变换器20，通过直流母线60与整流电路10的输出端连接；超级电容30，通过dc-dc变换器20与直流母线60连接；变频电路40，通过直流母线60与整流电路10的输出端连接；逆变电路50，与变频电路40的输出端连接，逆变电路50的输出端与电机3连接；其中，dc-dc变换器20用于将电机3的能量与超级电容30的能量进行转换。基于上述电机能量平衡装置1，使用与直流母线60连接的dc-dc变换器20和超级电容30对电机3反馈的能量进行二次利用，提高装置的能量利用率，同时通过与直流母线60连接的变频电路40，能够将叠加在直流信号上的交流分量限定在某一规定值，无需在电机能量平衡装置1中设置直流变抗器，进而节约了装置制造成本。
47.请参阅图3，图3是本实用新型冲床4第一实施例的结构示意图。如图3所示，本实用新型的冲床4包括电机3和电机能量平衡装置1。其中，电机3连接电机能量平衡装置1，电源2对电机3平衡装置提供稳定的输入能量，电机能量平衡装置1能够对电源2输入的能量以及电机3运行时反馈的能量进行调节，该电机能量平衡装置1为上述实施例所描述的电机能量平衡装置1，在此不再对其进行阐述。
48.以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。