CN201805396U

CN201805396U - 实现串励电机电子换向和四象限工作的装置

Info

Publication number: CN201805396U
Application number: CN2010202278907U
Authority: CN
Inventors: 周斌欣
Original assignee: YANGZHOU ZHONGLING AUTOMATIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Yangzhou Zhongling Automatic Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2020-06-18

Abstract

实现串励电机电子换向和四象限工作的装置，属于直流有刷电机控制领域，设有一个接于直流母线正极和负极之间的由半导体开关为基本单元的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的上臂为半导体开关元件下臂为二极管的半桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的下臂为半导体开关元件上臂为二极管的另一半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流传感器，可以实现电能回馈电源的四象限工作，对于有大扭矩地频繁正反转要求的运用既能实现快速，也能做到重复利用机械动能而提高系统效率。

Description

实现串励电机电子换向和四象限工作的装置

技术领域

本实用新型属于直流有刷电机控制领域，特别涉及直流串励电机的控制技术领域。

背景技术

串励电机在工民业中因其优良的启动特性和成熟的技术常常被应用于大起始扭矩的场合，如电动叉车，电缆绞线机，豆浆机等。但在大功率的应用中，电机的换向旋转需要电磁式的换向接触器从而不能做到频繁和快速地正反转；同时传统的控制方式受制于电枢绕组与励磁绕组串接的思路限制导致电机的反向电动势总是小于机端电压而不能做到电机的发电运行，无论是反接制动还是电阻制动都实际上是能耗型制动；且电机原则上只工作在第一或第三象限，对于有频繁正反转要求的运用既不能做到快速也不能做到重复利用机械动能提高系统效率。

传统型的串励电机调速系统如图1、2所示。图1为传统型的串励电机接线示意图，直流电压U经过接触器Km可提供+U或-U给电机，同时常闭接点接触器Kz可断开串入制动电阻R_Ω。所对应的速度力矩特性曲线如图2所示。其稳态时力矩与转速在励磁不饱和时理想方程式为R为R_a或为制动时的(R_a+R_Ω)。

由于串励电机的励磁绕组与电枢绕组的电流相等，在电机的转速增加时，电流减小导致励磁磁场减小导致力矩以更快速度减小。在输出力矩接近0时，电流接近0，去平衡电机机端电压，串励电机表现出的是速度接近无穷大，俗称飞车的现象。这种现象导致电机不能穿越第I(III)象限进入第II(IV)象限以负输出力矩对正速度或正输出力矩对负速度的特性来反馈电能给电源。注意图1中加制动电阻导致曲线进入第II和IV象限并非反馈电能给电源，而是电机发电电能加电源电能消耗能量于制动电阻上。普通的因高转速(如车辆下坡)导致高反电动势来使电流反向对于串励电机不会在传统接线中发生，因为转速增高却带来励磁减少，反电动势永不超过电源电压。所以传统上，串励电机被认为是不可被用来进行发电运行的。归根结底，这是由于接线上励磁绕组和电枢绕组的串接方式导致的。若将励磁和电枢绕组分开接线分开控制，如他励式电机，虽然此时电机的反电动势可大于电源，电机原则上可进行四象限操作，但串励电机电刷与集电极间的点火花可能过大导致换向失败的问题也因此可能出现。因此简单他励式接线和控制用于串励电机也不能解决问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供能实现直流串励电机的电子换向和四象限工作的装置。

本实用新型包括：一个接于直流母线正极和负极之间的由半导体开关为基本单元的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的上臂为半导体开关元件下臂为二极管的半桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的下臂为半导体开关元件上臂为二极管的另一半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流传感器。所述两个半桥电路为一个互补的半桥电路，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流传感器的信号输出端分别连接在中央信号处理单元上，所述中央信号处理单元还设有串励电机的速度、力矩信号输入端，所述中央信号处理单元的输出端连接所述门极驱动电路的信号输入端，所述门极驱动电路的输出端分别与所述全桥电路和两个半桥电路连接；在所述全桥电路的另两端设有可与串励电机的一绕组连接的接线端，在所述两个半桥电路的上、下臂之间分别设有可与串励电机的另一绕组连接的接线端。

本实用新型所述全桥电路中的半导体开关元件可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

本实用新型所述半桥电路中的半导体开关元件可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

使用时，可将全桥电路的两端分别连接在励磁绕组的两端，将两个半桥电路的另两端分别连接在电枢绕组的两端；也可将全桥电路的两端分别连接在电枢绕组的两端，将两个半桥电路的两端分别连接在励磁绕组的两端。控制装置在电机绕组接线改变时不变，为同一装置。本实用新型打破了传统直流串励电机的只有两个象限工作的状态，可以实现电能回馈电源的四象限工作，对于有大扭矩地频繁正反转要求的运用既能实现快速，也能做到重复利用机械动能而提高系统效率。本实用新型极大地拓宽了直流串励电机的应用范围。

所述半桥电路中的二极管为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联在一起的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。

本实用新型中两个互补的半桥电路也可由全桥电路替代以减少二极管导通损耗，但从控制通路和络扑角度，双全桥电路技术方案隶属于前述全桥加互补双半桥结构。

本实用新型以上互补的两个半桥电路是指由两组上下臂结构的全桥电路中一组下臂开关为二极管，另一组上臂开关为二极管。也就是说互补的两个半桥电路是指由半导体开关元件组成的全桥电路中一组上下臂结构的下臂开关元件用二极管替代且另一组上下臂结构的上臂开关元件用二极管替代。

本实用新型用全桥电路来单独控制串励电机的某一绕组实现其双向电流控制，用互补的两个半桥电路单独控制此电机的另一绕组的单方向电流，通过电流反馈控制此两绕组的电流大小一致来确保换向暂态过程不因电子换向带来额外的电火花不利因素，当电机在发电象限工作运行时控制电枢绕组所接电路的对应工作象限的供电开关对的导通占空比小于0.5来确保电源接受能量的平均值为正。

附图说明

图1为传统串励电机控制接线原理图。

图2为传统串励电机速度力矩曲线示意图。

图3为本实用新型的第一种四象限工作串励电机控制接线图。

图4为第一种接线I象限电枢回路电气分析图。

图5为第一种接线III象限电枢回路电气分析图。

图6为第一种接线II象限电枢回路电气分析图。

图7为第一种接线IV象限电枢回路电气分析图。

图8为本实用新型的第二种四象限工作串励电机控制接线图。

图9为第二种接线I象限电枢回路电气分析图。

图10为第二种接线III象限电枢回路电气分析图。

图11为第二种接线II象限电枢回路电气分析图。

图12为第二种接线IV象限电枢回路电气分析图。

图13为本实用新型的第三种四象限工作串励电机控制接线图。

具体实施方式

例一：如图3所示，本实用新型设有：

1、一个由半导体开关元件M1、M2、M3和M4构成的接于直流母线正极和负极之间的全桥电路。其中M1、M2、M3和M4可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

2、一个由半导体开关元件M5为上臂、二极管D1为下臂的半桥电路。M5可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

3、一个由半导体开关元件M6为下臂、二极管D2为上臂的半桥电路。M6可以为MOSFET，也可以为IGCT，还可以为IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

4、一个中央信号处理单元。

5、一个门极驱动电路。

6、一个励磁绕组电流传感器CT1；

7、一个电枢绕组电流传感器CT2。

两个互补的半桥电路也可由全桥电路替代以减少二极管导通损耗，但从控制通路和络扑角度，双全桥电路技术方案隶属于前述全桥加互补双半桥结构，亦属于本实用新型的权利保护之内。

全桥电路、两个半桥电路分别接于直流母线正极和负极之间，中央信号处理单元设有串励电机的速度、力矩信号输入端、励磁绕组电流传感器信号输入端和电枢绕组电流传感器的信号输入端，中央信号处理单元的输出端连接门极驱动电路的信号输入端，门极驱动电路的输出端分别与半导体开关元件M1、M2、M3、M4、M5和M6连接。

在半导体开关元件M5和二极管D1之间引出接线端A1，在半导体开关元件M6和二极管D2之间引出接线端A2，在接线端A1和A2之间连接直流串励电机的电枢绕组，并将电枢绕组电流传感器CT2连接在其中的一根线出线上，电枢绕组电流传感器CT2的信号输出端连接中央信号处理单元。

在半导体开关元件M1和M3之间引出接线端F1，半导体开关元件M4和M2之间引出接线端F2，在接线端F1和F2之间连接直流串励电机的励磁绕组，并将励磁绕组电流传感器CT1连接在其中的一根线出线上，励磁绕组电流传感器CT1的信号输出端连接中央信号处理单元。

在励磁绕组和电枢绕组接线上的电流传感器CT1和CT2，分别经过(模数)电路转换此两路电流信号给控制装置内的中央信号处理控制单元，通过控制软件或硬件电路可比较这两个电流再通过斩波来控制协调和实现励磁绕组及电枢绕组的电流大小一致。

如图4、5所示，I、III象限中励磁绕组的电流极性不同，电枢电流极性相同，电机旋转方向不同电枢反电势的极性相同；M1和M2同时导通同时关断，为一对供电开关对；M3、M4同时导通同时关断，为另一对供电开关对；M5、M6同时导通同时关断，为一对供电开关对。M5、M6导通时，电枢绕组电流在(U-E)的正压下上升，电机磁场和机械轴同时接受电源能量；M5、M6关断时，D1、D2导通，电枢电流在(-U-E)的反压下下降，电源和机械轴同时接受电机磁场能量。调节导通与关断占空比可调节电机电枢绕组所见实际电压从而控制电枢电流大小和电磁力矩大小，在其大于负载的制动力矩下使电机加速，在小于负载力矩下使电机减速，在等于负载力矩下使电机匀速，满足工作要求，这和传统的串励电机调压调速控制方式相比特性一样。

如图6、7所示，II象限中励磁绕组的电流极性与I象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相反；IV象限励磁绕组电流极性与III象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相反，但反电势极性与II象限相同。M5、M6导通时，电枢绕组电流在(U+E)的正压下上升，电机磁场同时接受电源和机械轴输入能量；M5、M6关断时，D1、D2导通，电枢电流在(E-U)的压差下变化，电源接受机械轴能量。在0-0.5范围内调节导通与关断占空比可使电源平均受电为正。在E大于U时，电机磁场受能，否则电机磁场也释放能量，电枢电流下降。电流大小决定电磁制动力矩大小和速度一起决定发电功率。在电磁力矩小于负载轴驱动力矩下使电机加速，在大于负载驱动力矩下使电机减速，等于时使电机匀速。在无负载驱动力矩时可控制电机平滑减速至0、力矩为0工作点而驻动。这对于电动车辆应用而言可以在城市交通需频繁停车时每次都回收其机械储能而增加电池的巡航里程数。这样的串励电机操作模式不是传统的调压调速控制能给予的。

例二：如图8所示，本实用新型设有：

4、一个中央信号处理单元。

5、一个门极驱动电路。

6、一个励磁绕组电流传感器CT2；

7、一个电枢绕组电流传感器CT1。

与例一不同的是：

在半导体开关元件M5和二极管D1之间引出接线端F1，在半导体开关元件M6和二极管D2之间引出接线端F2，在接线端F1和F2之间连接直流串励电机的励磁绕组，并将励磁绕组电流传感器CT2连接在其中的一根线出线上。

在半导体开关元件M1和M3之间引出接线端A1，半导体开关元件M4和M2之间引出接线端A2，在接线端A1和A2之间连接直流串励电机的电枢绕组，并将电枢绕组电流传感器CT1连接在其中的一根线出线上。

如图9、10所示，I、III象限中电枢绕组的电流极性不同，励磁绕组电流极性相同，电机旋转方向不同电枢反电势的极性相反；M1和M2同时导通同时关断，为一对供电开关对，与I象限对应；M3、M4同时导通同时关断，为另一对供电开关对，与III象限对应；M5、M6同时导通同时关断，为一对供电开关对。在与象限对应的供电开关对导通时，电枢绕组电流在(U-E)的正压下上升，电机磁场和机械轴同时接受电源能量；在与象限对应的供电开关对关断时，另一供电开关对所含的逆导二极管导通，电枢电流在(-U-E)的反压下下降，电源和机械轴同时接受电机磁场能量。调节导通与关断占空比可条件电机电枢绕组所见实际电压从而控制电枢电流大小和电磁力矩大小，在其大于负载的制动力矩下使电机加速，在小于负载力矩下使电机减速，在等于负载力矩下使电机匀速，满足工作要求，这和传统的串励电机调压调速控制方式原理一样。

如图11、12所示，II象限中电枢绕组的电流极性与I象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势极性相同；IV象限励磁绕组电流极性与III象限极性不同，电机旋转方向相同，电枢反电势相同，但反电势极性与II象限相反。与运行象限对应的供电开关对导通时，电枢绕组电流在(U+E)的正压下上升，电机磁场同时接受电源和机械轴输入能量；与运行象限对应的供电开关对关断时，另一供电开关对所含的逆导二极管导通，电枢电流在(E-U)的压差下变化，电源接受机械轴能量。在0-0.5范围内调节导通与关断占空比可使电源平均受电为正。在E大于U时，电机磁场受能，否则电机磁场也释放能量，电枢电流下降。电流大小决定电磁制动力矩大小和速度一起决定发电功率。在电磁力矩小于负载轴驱动力矩下使电机加速，在大于负载驱动力矩下使电机减速，等于时使电机匀速。在无负载驱动力矩时可控制电机平滑减速至0速0力矩工作点而驻动。这对于电动车辆应用而言可以在城市交通需频繁停车时每次都回收其机械储能而增加电池的巡航里程数。这样的串励电机操作模式不是传统的调压调速控制能给予的。

如图13所示，本实用新型的两个半桥电路中的二极管可分别为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联在一起的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。

Claims

1.实现串励电机电子换向和四象限工作的装置，其特征在于包括一个接于直流母线正极和负极之间的由半导体开关为基本单元的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的上臂为半导体开关元件下臂为二极管的半桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的下臂为半导体开关元件上臂为二极管的另一半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流传感器，所述两个半桥电路为一个互补的半桥电路，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流传感器的信号输出端分别连接在中央信号处理单元上，所述中央信号处理单元还设有串励电机的速度、力矩信号输入端，所述中央信号处理单元的输出端连接所述门极驱动电路的信号输入端，所述门极驱动电路的输出端分别与所述全桥电路和两个半桥电路连接；在所述全桥电路的另两端设有可与串励电机的一绕组连接的接线端，在所述两个半桥电路的上、下臂之间分别设有可与串励电机的另一绕组连接的接线端。

2.根据权利要求1所述实现串励电机电子换向和四象限工作的装置，其特征在于所述全桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述实现串励电机电子换向和四象限工作的装置，其特征在于所述半桥电路中的半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或IGBT、BJT、GTO、MCT中的任意一种。

4.根据权利要求3所述实现串励电机电子换向和四象限工作的装置，其特征在于所述半桥电路中的二极管为分离式二极管，或半导体开关MOSFET或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO或MCT中的任意一种。