电动机能量回收

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1、电动机系统能量回收主电路拓扑结构研究新闻来源：戚宏博1蒋志坚2彭冰2 发布时间：2013-2-28 10:48:54摘要：本文通过分析电动机现有供电方式在再生能量回收方面的不足，对具有直流母线特征的电动机 系统进行了能量回收主电路拓扑结构的研究。该主电路能安全有效的进行电池充放电，实现再生能量的回 收和利用。试验验证了拓扑电路的合理性和可靠性。关键词：电动机，能量回收，主电路，拓扑社会生产生活中，60%的电能为电动机所消耗，而我国电动机的电能利用率偏低，因此电动机节能潜力 巨大。当电动机处于制动或者下放位能性负载工况时，会产生大量的电能回馈，如能将这部分可观的电能 及时回收并加以利用，将获得显

2、著的节能效果。本文对具有直流母线特征的电动机系统进行了能量回收主 电路拓扑结构的研究。试验验证该主电路能安全有效的进行电池充放电，实现再生能量的回收利用。1传统方式的电动机能量回收1.1直流电动机能量回收直流电动机工作原理如图1所示：图1直擁电动机匸作示意罔当UaEa时*电动机处于电动状态，电动机从 电源吸收电能此时电幼机可以等效为一个电阻和转 速控制电压源的串联组合.其从电源吸收的电能小部 分被电动机的电枢电阳变対热能所泊耗.大邯分灿被 转化为机械功率输山U如图2所示；图2电动状态当电动机魅于制动状态或者卜旗位能性负战时*U3Ea+电动机感炖电动势高于电源电压，处于能量 回馈状态此时电动机相

3、当于“发陀机=电动机回閒的能竝小部付被电功机的电枢电阴餐化为热能所泊 耗*-Ci泸图m不可控讎漩电路供电hli .i. ii ii - ii i.la? J-an x n s uJ _ h$在直流电动机采用直流电源的供电方式下，如图1。当电动机处于能量回馈状态时，回馈电能的电流会 向电池充电。由于回馈电流一般较大，远超过电池组的最大充电电流，会使蓄电池不适当地充电，损害蓄 电池组，减少电池组的使用寿命。采用交流电源通过整流电路为直流电动机供电，如果采用不可控整流电 路，如图4所示：该方式中功率只能由电源向负载传送，电动机回馈能量除了为功率电容充电无处可去，最终造成主电 路电容器两端电压不断升高

4、，产生“泵升电压”，直至引发过压损坏并联在直流母线上的功率器件。通常 采用直流母线并联电阻的方法来把这部分电能转化为热能，造成无谓的电能浪费。在电能转化为热能的同 时会造成变频器工作温度升高，增加设备的整体故障率。如图5所示：如果采用全控整流电路，即在图4所示电路的流二极管两端反向并联可控型开关，功率可以在电源和 负载之间互相传送，电动机回馈产生的能量可以通过逆变电路返回电网。由于回馈电能品质较差，不能满 足电力部门的技术要求，会造成电网谐波污染。1.2交流电动机能量回收交流电动机是生产生活中最常用的动力设备。随着变频调速技术的研究和发展，变频器尤其交一直一 交变频器驱动异步电动机得到广泛应用

5、，目前使用的交一直一交变频器中，大多数整流电路是不可控的2, 如图6所示：LI图E变-岂-交魚丐控幣就变频器当变频器驱动的异步电动机处于“发电机”状态，变频器中续流二极管将再生能量回馈到变频器直流 母线。由于在AC/DC环节整流桥所采用二极管的单向导电性，使得能量无法回馈电网。电动机回馈能量除 了为功率电容充电无处可去，产生“泵升电压”，造成电容器两端直流母线电压不断升高，损坏功率器件。 通常采用直流母线并联电阻的方法来把这部分电能转化为热能耗散掉，如图7所示：T VD-I VD3 VD5罔丁附裁井殴电闭羚砂回馈电能这种通过电阻散热把回馈电能释放的方法，没有能够实现能量的回收，造成电能的浪费。

6、在交一直一 交变频器AC/DC整流电路环节采用全控整流桥，即在整流二极管两侧反向并联全控型开关后就可以实现回 馈的电能流回电网，如图8所示：图呂iG逆变的籃流电踣采用全控整流桥，实现了电动机回馈能量的回收，提高了能源利用率。但是通过逆变把电动机回馈的 电能反馈回电网，由于回馈电能中携带大量谐波，对电网造成谐波污染等不利影响，这种电能回馈电网的 方法是不允许大规模使用的。使用功率直流电源（如蓄电池组）通过逆变桥路为交流电动机供电也是常见的 一种供电方式，如图9所示：通过在逆变电路中全控型开关两端反方向并联的二极管可实现回馈电能向电池组充电。但是这种充电 也存在与直流电动机能量回馈向蓄电池充电同样

7、的问题，即回馈电流的不可控性。回馈电流往往超过电池 组的最大充电电流，会使蓄电池不适当地充电，损害蓄电池组并大大减少电池组的工作寿命。事实上蓄电 池无法迅速吸收电动机回馈的能量，使这种蓄电池组直接供电方式在电动机能量的回收方面仍然存在巨大 困难。综上所述，因此传统供电方式无法实现对回馈电能的有效利用。2. 具有直流母线的电动机能量回收2.1直流母线电动机系统公共直流母线主要应用于电机传动系统中，直流母线采用单独的整流/回馈装置，为系统提供一定功率 的直流电源，逆变器（变频器等）直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取 电能;当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置

8、回馈给电网，将系统的再生能源加以合理利用和 回收，提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。具有直流母线特征的电动机系统，在实现回馈能量回收方面可行性较强。在第一章中所提到的直流电 动机和交流电动机供电方式均可作为具有直流母线特征的电动机系统。本文对这种直流母线特征电动机系 统的能量回收电路进行了分析，能量回收系统的结构示意图如图10所示：图L0电动机呈冋收系统示赢图该电路的优点在于可以非常方便的直接挂在电动机系统的直流母线上，通过把回馈电能存储在蓄电池 组中，可实现对无论是直流电动机还是交流电动机中的任何一种进行回馈能量的回收。该能量回收电路具 有较广泛的使用性，典型应用之一：

9、港口码头场桥的起重机。在目前港口场桥起重机使用的电动机中，再 生电能都是不可回收的。起重机转场过程中，如果使用市电需要很长的电缆，不可行。多数起重机都是在 转场的过程中使用柴油机提供动力，不仅消耗燃料、噪音较大，而且维护麻烦。如果把该能量回收方法应 用在港口起重机中，使用方便，同时还能达到了节能的目的，具有较强的实用价值。该技术的典型应用之 二：电动汽车。电动车的续航性能一直是制约其发展的瓶颈。除了改进蓄能和驱动方式外，回馈能量的回 收也是一大发展方向。把该能量回收方法应用在电动汽车上，在汽车制动或者下坡有回馈能量产生时，通 过能量回收电路，把多余的能量存储在蓄电池中。当汽车加速或者上坡需要加

10、大电能时把蓄电池中的电能 供给电机使用，达到了节能目的。2.2能量回收电路的拓扑结构目前，电动机能量回收系统中能量回收主电路有多种，本文对其中的两种拓扑电路进行了分析比较。全控型电力电子器件VI和V2工作在PWM模式下。在电动机处于能量回馈状态时，V2工作在PWM模 式下，而该时间段左侧V1 一直处于关断状态，此时拓扑电路简化后如图12所示：L F六；亠亠一宀亠亠V&I2-rmn.鬲VIM丨图回協电能向电池充电电动机回馈电能电压一般高于蓄电池充电电压3 ,该电路相当于降压电路。开关V2在PWM导通期间，电感电流线性上升，回馈的电能暂时存在 电感中;V2在PWM关断期间，电感电流不能突变，按原有

11、方向通过电感L、二极管VD3、电池组、VD1形 成电池组充电回路，充电电流从上限值线性的减小到下限值。如此循环完成一个开关周期。用这种PWM方 式为电池组充电，不仅可以完成电动机再生能量的回收存储，而且可以将充电电流控制在安全合理的范围 之内。当电动机处于电动状态时，回收的电能将以电池组放电的形式为电动机提供电能。该过程开关V1处 于PWM模式下工作，而V2则一直处于关断状态。此时拓扑电路简化后如图13所示：图13蓄电池向电动机提供电能电池两端电压一般低于电动机的额定电压。该电路相当于升压电路。开关VI在PWM导通期间，电感电流线性上升，回馈的电能暂时存在电感中；开关VI在PWM关断期间， 电

12、感电流不能突变，按原有方向通过电感L、二极管VD2、负载（直流母线）、VD4形成电池组充电回路，充 电电流从上限值线性的减小到下限值。如此循环完成一个个开关周期。用这种PWM方式实现电池组放电， 不仅可以完成电动机再生能量的再生利用，而且可以有效地将放电电流控制在安全合理的范围之内。方案二是在方案一主电路的基础上，对电动机系统能量回收拓扑主电路进行了优化，拓扑主电路如图 14虚线框内所示：箱|；熾； I山肌必甲|c 药甌图4能址回收拓扑电路拓扑结构主电路是通过改变其主电路的四个IGBT管占空比来控制蓄电池组的充电或放电。PWM信号驱动IGBT, 控制主电路使得变换器完成升降压变换。功率开关管V

13、T1、VT2、VT3、VT4组成桥的四臂,C为滤波电容, 以获得平稳的输出电压，并能防止合闸浪涌电流。主电路的工作状态有四种：（1）蓄电池组工作在放电方式下，其电压小于负载（电动机）的额定电压，主电路需进行升压变换，向 负载提供合适的电压。此时VT1完全导通，VT3斩波，VT2, VT4关断。蓄电池组和电动机分别依次作为直流电源和负载，主电路拓扑简化为一个升压斩波电路，如图15所示：I1BLVIE II（2）蓄电池组工作在放电方式下，其电压大于负载（电动机）要求的额定电压，主电路需进行降压变换, 向负载提供合适的电压。此时VT1斩波，VT2、VT3、VT4关断。蓄电池组和电动机分别依次作为直流

14、电 源及负载使用，主电路拓扑简化为一个降压斩波电路。如图16所示：丄VIH*?PVDIVD2 IzsJL16电动隆出商化电賂(3) 蓄电池组工作在充电方式下，其要求的额定电压大于直流母线电压，主电路需进行升压变换，向蓄 电池组充电。此时VT2完全导通，VT4斩波;VT1、VT3关断。蓄电池组和电动机分别依次作为负载及直流 电源使用，主电路拓扑简化为一个升压斩波电路。如图17所示：图1T制动升丿七简化电路(4) 蓄电池组工作在充电方式下，其要求的额定电压小于负载(电动机)供给的电压，主电路需进行降压 变换，向蓄电池组充电。此时VT2斩波，VT1、VT3、VT4关断。蓄电池组和电动机分别依次作为负

15、载和直 流电源使用，主电路拓扑简化为一个降压斩波电路。如图18所示：2.3能量回收拓扑主电路方案对比方案一能量回收拓扑主电路，能够较好的实现电动机回馈能量的回收，达到了比较显著地节能效果。 但是该电路只考虑了回馈状态时回馈电压高于蓄电池电压和电池给电动机提供电能时蓄电池电压低于电动 机额定电压的情况。这两种工况是能量回收系统的主要工况，但是对于回馈状态母线电压低于蓄电池充电 电压和蓄电池提供电能时电池电压高于电动机额定电压的情况，就无法回收电能或者无法实现有效控制。 方案二能量回收主电路能够实现电动升压、电动降压、制动升压和制动降压这四种电动机在运行过程中的 工况，对方案一不能够控制的电动降压

16、和制动升压也能够实现控制，因此方案二具有更加广泛的应用性。3. 能量回收方法的试验为了验证本文能量回馈控制方案，对该回馈能量回收方法进行了试验。试验采用方案二的能量回收电路。由于电能回馈时会造成直流母线产生泵升电压现象，因此要实现电 动机能量的有效回收，就要对泵升电压进行有效控制。图19是当电动机制动或位能性负载下放时，用示波器记录了泵升电压变化波形，如图19所示:揣宽限誌I图均用回收电蹄抑制泵升电除从实验结果可以看出，本文采用的能量回收电路可以有效的抑制泵升电压，证实该方案正确性，表明 了所采用的电路性能良好。4. 结论本文对具有直流母线特征的电动机系统进行了能量回收主电路拓扑结构的研究。主

17、电路的控制系统利 用全控型高速电力电子开关在PWM方式下工作，在实现电动机回馈电能有效回收与释放的同时，可以对充 放电电流有效控制。试验的结果表明，该电路能有效地抑制电动机制动或位能性负载下放时，由于电能 回馈而造成的直流母线泵升电压现象，能够及时将再生电能回收并在需要时及时释放，能量回收效率高、 效果好、运行可靠、节能效果显著。参考文献1 刘建伟，林少伯,韩民晓多重化双向DC/DC在电动汽车快速充电中应用电力电子技术J 2011，47-53.2 陈英杰，田联房，王孝洪,梁东明，贾宇辉.基于直接电流控制的PWM整流器的研究.电气传动J 2011; 57-623 刘恩鹏，贾存良.晶闸管控制异步电

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