直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能量回收
發(fā)布時(shí)間:2020-07-01 來源:Pete Millett 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】當(dāng)永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器減速時(shí),存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)里的能量會(huì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)返回至電源。如果無法正確計(jì)算出這部分能量的大小,則會(huì)引起電源電壓升高,從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)其他部件。
本文將探索如何安全地消除此種能量。為簡化操作,我們選用直流有刷電機(jī)為例,當(dāng)然,給出的方案同樣也適用于無刷電機(jī)系統(tǒng)。
能量守恒
能量守恒定律,物理學(xué)基本定律——能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失。
物體(如質(zhì)量)通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生動(dòng)能。在電機(jī)系統(tǒng)中,動(dòng)能來自于為電機(jī)供電的電源,電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以加速質(zhì)量運(yùn)動(dòng)。
在電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性和與電機(jī)相連的機(jī)械系統(tǒng)中都有能量儲(chǔ)存。簡而言之,可以將機(jī)械系統(tǒng)設(shè)想為與電機(jī)軸耦合的飛輪(見圖1)。
圖1:機(jī)械系統(tǒng)中的“飛輪”
這里可根據(jù)公式 ½ Iω2 計(jì)算出動(dòng)能,其中 I 為慣性力矩,ω 為角速度。速度越快或慣性越大,則儲(chǔ)存的能量就越多。
很明顯,意思是說物體的運(yùn)動(dòng)需要能量。然而,反過來,當(dāng)你想停止運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢?當(dāng)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量停止或減速時(shí),它所儲(chǔ)存的能量必然有所去處,那么,這些能量會(huì)去哪兒呢?
當(dāng)切斷旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電源時(shí),運(yùn)動(dòng)質(zhì)量中儲(chǔ)存的能量會(huì)消散到系統(tǒng)的機(jī)械損失中。由于摩擦力的影響,大部分能量被轉(zhuǎn)化成了熱能(見圖2)。除非摩擦力很大,不然電機(jī)停止的速度也會(huì)很慢。此時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài),但由于沒有電流路徑,便也沒有電磁轉(zhuǎn)矩來幫助停止電機(jī)。
圖2:電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力
若能為電流提供電流短路輸出路徑,則電流會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩(見圖3),這樣就可以使電機(jī)快速停止。但此種情況下,制動(dòng)產(chǎn)生的能量會(huì)被消耗在被短接電機(jī)的繞組電阻和電流路徑中的電阻上,進(jìn)而會(huì)以熱量的形式散發(fā)。
圖3:與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩
此種方法有時(shí)也稱作“短路剎車”。實(shí)際上,短路通常是指通過打開H橋的下管MOSFET來提供電流路徑。
當(dāng)控制系統(tǒng)想要快速降低電機(jī)速度時(shí),施加在電機(jī)上的電流極性會(huì)被反轉(zhuǎn),以提供與之轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩。然后,儲(chǔ)存的動(dòng)能可通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路返回至電源。
如果電源是一塊完美的電池,那么能量就會(huì)回流到電池中并被加以回收。而現(xiàn)實(shí)情況并非如此,電源通常為直流電源,除非該電源經(jīng)過特殊設(shè)計(jì),否則只能產(chǎn)生電流。由于直流電源無法吸收電流的特性,回流的能量只能進(jìn)入作為電源一部分的電容中。
電容器中儲(chǔ)存的能量可通過公式 ½cv2計(jì)算得出,其中c為電容,v為電壓。能量流入電容器后,電容器上的電壓必然會(huì)增加(見圖4)。
圖4:能量增加后,電容電壓也隨之增加
如果該能量比較?。ㄋ俣嚷驊T性?。?,那么此時(shí)電壓的增加可以忽略不計(jì)??捎袝r(shí),若能量太多或電容容量不夠,電壓可能會(huì)升至破壞性水平。這將會(huì)損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或其他接至相同電源的電路。
能量耗散
有幾種方法可以處理回流到電源中的能量:一種是在電源處放置大電容器。此種方法有時(shí)會(huì)被采用,但大多數(shù)情況下,由于物理或成本的限制,大電容器并不實(shí)用。
另一種解決方法是采用半導(dǎo)體鉗位裝置跨接至電源,比如TVS或齊納二極管(見圖5)。當(dāng)電源電壓超過正常工作電壓時(shí),使用鉗位裝置擊穿電壓。當(dāng)再生能量導(dǎo)致電壓上升時(shí),鉗位裝置可擊穿電壓以保護(hù)系統(tǒng)。返回至電源的能量在鉗位裝置中以熱量的形式消散。
若能量大小適中,此解決方案非常受用。
圖5:采用半導(dǎo)體鉗位裝置耗散能量
在大型系統(tǒng)中,使用簡單的鉗位裝置往往效果并不樂觀,因?yàn)樾枰纳⒌哪芰窟^多。此時(shí),可以使用有源箝位電路將能量耗散到電阻負(fù)載中。
圖6::采用有源電路鉗位裝置耗散能量
鉗位電路通過使用比較器或類似電路,監(jiān)測電源電壓來工作(見圖6)。如果電壓增加至預(yù)設(shè)閾值(剛剛超過正常工作電壓值),可以在電源上跨接一個(gè)負(fù)載電阻,以耗散能量。
結(jié)論
本文針對如何將能量從電機(jī)反饋回機(jī)械系統(tǒng)的電源,以及如何處理電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備中的此類能量,進(jìn)行了宏觀闡述。文中雖未給出固定系統(tǒng)中元件值所需的數(shù)學(xué)計(jì)算公式,但關(guān)于電容值和鉗位元件的計(jì)算等更多詳細(xì)信息,您可訪問MPS官網(wǎng)之應(yīng)用說明AN132 “輸入電容和過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)” 進(jìn)行參考。
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