[实用新型]实现串励电机电子换向和四象限工作的装置

说明书

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。