电动机能量回收.doc

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：　　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，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—直—交变频器驱动异步电动机得到广泛应用，目前使用的交—直—交变频器中，大多数整流电路是不可控的[2]，如图6 所示：　　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：　　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，造成电能的浪费在交—直—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：　　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：　　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：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方案一的电动机能量回收主电路拓扑结构如图11 虚线框中所示：　　全控型电力电子器件V1 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：　　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：　　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V1 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V1 在PWM 关断期间，电感电流不能突变，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：　　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VT1、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：　　(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：　　(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：　　(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：　　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; 57-62　　[3] 刘恩鹏,贾存良.晶闸管控制异步电动机启动过程的震　　荡现象研究[J].电气传动，2011;48-51.　　[4] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统　　[M].北京：机械工业出版社，2009.　　[5] 秦海鸿,朱德明,严仰光.。