电动机能量回收.docx

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：2013-2-2810:48:54

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。

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直就电动机「作不意倨

当UaEa时，超动机处于电动状态，电动机从电源吸收电能，此时电动机可以等效为一个电闭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核电动机的旭枢电阳变为热能所消柱.大部分则戡转化为机械功率输出瓦如图2所示*

图2电劾状态

与电动机处于制动状态或者F放位能性负栽时,

UaEat电动机感.应电动势高于电源电压，处于能量回馈状态，此时电动机相当于“发电机二电砌机回馈的能最小部分般电幼机的电枢电成转化为热能所消耗，大部分将反向流入电源，如图3所

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：

图■!不Hl■控都流电路■供电

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，变频器尤其交一直一交变频器驱动异步电动机得到广泛应用，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：

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：

图T域统井原电阻秤放回愦泡能

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。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：

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：

图9直流电源逆变供旭

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。

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