你的位置:首頁(yè) > 電路保護(hù) > 正文

回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量

發(fā)布時(shí)間:2023-02-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】當(dāng)使永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減速時(shí),存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)中的能量可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器返回到電源。如果沒(méi)有正確考慮這種能量,它可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓升高,從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)的其余部分。


當(dāng)使永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減速時(shí),存儲(chǔ)在機(jī)械系統(tǒng)中的能量可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器返回到電源。如果沒(méi)有正確考慮這種能量,它可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓升高,從而損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)的其余部分。

在本文中,我們將研究安全消散這種能量的方法。為了簡(jiǎn)化示例,顯示了直流有刷電機(jī)。這也適用于無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)。

能量守恒

能量守恒是物理學(xué)的一個(gè)基本原理——能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。

當(dāng)某物(例如質(zhì)量塊)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí),它會(huì)積累動(dòng)能。在電機(jī)系統(tǒng)中,動(dòng)能來(lái)自為電機(jī)提供電能的電源,電機(jī)產(chǎn)生扭矩以加速質(zhì)量。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性以及與電機(jī)相連的機(jī)械系統(tǒng)中都存儲(chǔ)有能量。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),將機(jī)械系統(tǒng)設(shè)想為耦合到電機(jī)軸的飛輪(圖 1)。


回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量
圖 1機(jī)械系統(tǒng)的飛輪示例


動(dòng)能可以用 Iω2 計(jì)算,其中 I 是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω 是角速度。速度越高或慣性越大,儲(chǔ)存的能量就越多。

這是一個(gè)非常明顯的概念——需要能量才能使某物移動(dòng)。不太明顯的是當(dāng)你想停止運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么。要停止或減慢運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,必須將儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)移到某個(gè)地方。但是哪里?

當(dāng)您斷開(kāi)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電源時(shí),存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量中的能量會(huì)耗散到系統(tǒng)的機(jī)械損耗中。由于摩擦,大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量(圖 2)。除非有很大的摩擦力,否則電機(jī)會(huì)非常緩慢地滑行停止。電機(jī)變成發(fā)電機(jī),但由于沒(méi)有電流流過(guò)的路徑,因此沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)幫助停止電機(jī)。


回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量
圖 2停止電機(jī)中的摩擦


如果通過(guò)短路電機(jī)的輸出為電流從該發(fā)電機(jī)流出提供路徑,則電流會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩(圖 3)。這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)快速停止。在這種情況下,能量大部分以熱量的形式在電機(jī)的繞組電阻和電流路徑中的任何電阻中耗散,從而使電機(jī)短路。


回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量
圖 3扭矩與旋轉(zhuǎn)相反


這有時(shí)被稱為“短剎車”。實(shí)際上,短路通常是通過(guò)打開(kāi) H 橋的低側(cè) MOSFET 來(lái)提供電流路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)控制系統(tǒng)想要快速降低電機(jī)速度時(shí),施加到電機(jī)的電流極性會(huì)反轉(zhuǎn)以提供與運(yùn)動(dòng)相反的扭矩。完成后,存儲(chǔ)的動(dòng)能可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)回電源。

如果電源是一塊完美的電池,那么能量就會(huì)流回電池并被回收利用。然而,在現(xiàn)實(shí)世界中,電源通常是直流電源,除非專門設(shè)計(jì)這種電源,否則直流電源只能提供電流。因?yàn)樗荒芪针娏鳎阅芰勘仨毩飨虻牡胤绞沁M(jìn)入作為電源一部分的電容。

電容器中存儲(chǔ)的能量可以用 CV2 計(jì)算,其中 C 是電容,V 是電壓。隨著能量流入電容器,電容器兩端的電壓必須增加(圖 4)。


回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量
圖 4 隨著能量的增加而增加電容器電壓


如果能量很?。ㄒ此俣鹊停磻T性?。?,那么電壓增加可能足夠小,不會(huì)引起任何問(wèn)題。但是,在某些情況下,如果能量過(guò)多或電容不足,電壓可能會(huì)上升到破壞性水平。這可能會(huì)損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或連接到同一電源的其他電路。

消散能量

有幾種方法可以處理回收回電源的能量。一種是在電源上放置大量電容。在某些情況下,這可能就是所需要的全部,但在大多數(shù)情況下,由于物理或成本限制,大電容器并不實(shí)用。

另一種處理能量的方法是在電源兩端使用半導(dǎo)體鉗位器件,例如 TVS 或齊納二極管(圖 5)。鉗位設(shè)計(jì)為在剛好高于電源的正常工作電壓時(shí)發(fā)生故障。當(dāng)回收能量導(dǎo)致電壓升高時(shí),鉗位器會(huì)發(fā)生故障并保護(hù)系統(tǒng)。返回電源的能量在鉗位裝置中以熱量的形式消散。

如果能量適中,則此解決方案簡(jiǎn)單易行。


回收直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的能量
圖5 用于耗散能量的半導(dǎo)體鉗位


在較大的系統(tǒng)中,使用簡(jiǎn)單的鉗位通常是不切實(shí)際的,因?yàn)樾枰纳⒌哪芰刻?。在這些情況下,可以使用有源鉗位電路將能量耗散到電阻負(fù)載中。


4-5.jpg
圖6 用于耗散能量的有源電路鉗位


鉗位電路通過(guò)使用比較器或類似電路監(jiān)控電源電壓來(lái)工作(圖 6)。如果電壓超過(guò)預(yù)設(shè)閾值(剛好高于正常工作電壓),負(fù)載電阻器會(huì)在電源兩端切換以耗散能量。


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:

應(yīng)用工程師解讀:電流反饋放大器

滿足10BASE-T1S規(guī)范的共模扼流圈及片狀壓敏電阻

25倍產(chǎn)能提升,羅姆開(kāi)啟十年SiC擴(kuò)張之路

應(yīng)對(duì)電磁干擾和電磁兼容的挑戰(zhàn)

用于有源電源管理的 PMBus 兼容 PoL 穩(wěn)壓器


特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉