专利名称：直流电动机发电制动方法及电路的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种直流电动机的发电制动方法及电路，特别是一种用于他励直流电动机的发电制动方法和电路。
背景技术：
直流电动机把电能转化为机械能，在现代工业中有大量的应用。根据直流电动机基本知识，我们知道直流电动机可分为有刷直流电动机和无刷直流电动机，有刷直流电动机可分为永磁有刷直流电动机和电励磁有刷直流电动机，电励磁直流电动机包括他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机，本发明是解决他励直流电动机的发电制动问题。永磁有刷直流电动机由永磁磁极定子和电枢转子构成，永磁磁极定子由永久磁铁构成。电励磁直流电动机由电励磁磁极定子和电枢构成，电励磁磁极定子在磁极上有励磁绕组，励磁绕组中通过直流电形成电磁铁；电枢转子包括电枢铁心和电枢绕组。永磁有刷直流电动机和并励直流电动机可以看作是他励直流电动机的特例。直流电动机，只要适当改变其运行条件，又可以作为直流发电机运行。
直流电动机转动时，要使电动机减速或停车，或限制电动机转速的升高，就需要对电动机进行制动，制动方式有机械制动和电磁制动。他励直流电动机的电磁制动一般有能耗制动、反接制动、发电回馈制动，由于发电回馈制动可以回收利用制动中释放出的大部分能量，是一种高效经济的制动方法。本发明提出了一种新的发电制动方法及电路。
发明内容
本发明针对他励直流电动机的制动问题，提出了一种发电制动的方法及电路。根据直流电动机基本知识，他励直流电动机运行时，若电动机的转速n大于其理想空载
转速n0，电动机电枢电势大于输入直流电压，电动机处于发电状态，将系统的动能转换为电
能回馈到输入电源，产生制动，这种制动就是发电回馈制动。他励直流电动机的发电回馈制动有以下几种情况
1. 降压调速时产生的回馈制动
在降压调速过程中，由于系统惯性的存在，电机的转速来不及变化，就会出现电动机电枢电势大于输入直流电压，发生回馈制动过程。
2. 增磁调速时产生的回馈制动
当他励直流电动机增加磁通减速时，也会使电动机电枢电势大于输入直流电压，发生回馈制动过程。
3. 正向运行时产生的回馈制动
他励直流电动机在电动状态下下放位能性负载时，若电磁转矩和位能性负载产生的转矩均与转速方向相同，则电机转速会迅速上升，当电动机的转速n大于其理想空载转速nO，就会使电动机电枢电势大于输入直流电压，电动机发电回馈制动运行，电机速度稳定在较高的速度。
4.反向运行时产生的回馈制动
他励直流电动机带动位能性负载正向提升时，将电枢电压反接，电机速度迅速降低到0后开始反转，电机反转速度持续增大，当电动机的转速n大于其理想空载转速nO,就会使电动机电枢电势大于输入直流电压，电动机发电回馈制动反向运行，电机速度稳定在较高的速度。
从以上四种他励直流电动机的发电回馈制动情况可以看出，要实现电动机的发电回馈制动，首先要保持有励磁存在，使电动机处于发电状态，电动机要高速转动，电动机的转速n大于其理想空载转速n0，发电状态的电动机电枢电势要大于输入直流电压，才能够实现电动机的发电回馈制动。
如何使他励直流电动机在转速不是很高、或者较低的情况下，也能实现发电制动，或者发电回馈制动，就是本发明要解决的问题。
本发明的技术方案是，当转动的他励直流电动机需要制动时，首先使电动机中保持有磁场存在，使直流电动机处于发电状态；然后断开电动机电枢绕组上的输入电源，将发电状态下的电枢绕组电势电压，经过一个电压变换电路进行电压变换，将电枢电势电压变换后，由电压变换电路输出到一个负载。这样，将电动机发出的电能，通过电压变换电路，传送到负载，实现直流电动机的发电制动，通过控制电压变换电路的输出就可以调节制动力矩的大小。如果将电压变换电路的输出回馈到直流电动机的输入电源，也就是将直流电动机的输入电源作为电压变换电路的负载，就可以实现发电回馈制动。
图l是他励直流电动机发电制动电路原理示意图，图1中，5为给励磁绕组供电的励磁电源，6为励磁绕组，8为给电枢绕组供电的电枢电源，2为电枢绕组，7为制动切换用的双刀双掷开关，3为电压变换电路，31、 32为电压变换电路3的两个输入端子，33， 34为电压变换电路3的两个输出端子，4为电压变换电路的输出负载。图1中，磁场由励磁绕组6和励磁电源5提供，励磁绕组6的两个端子分别和励磁电源5的两个端子连接。双刀双掷开关7打向电枢电源8时，电枢绕组2通过双刀双掷开关7从电枢电源8取电，电动机转动。他励直流电动机制动时，双刀双掷开关7打向直流电压变换器3，将电枢绕组2的两个端子分别与电压变换电路3的两个输入端子31和32连接，将电枢电势接入电压变换电路3，同时双刀双掷开关7断开加在直流电动机电枢绕组2上的的电枢电源8，电压变换电路3的两个输出端子33和34分别与负载4的两个端子连接，保持励磁绕组6中有励磁电流，使直流电动机处于发电状态，励磁绕组由励磁电源5供电。在有磁场存在的情况下，转动的直流电动机处于发电状态，电枢绕组2两端产生电枢电势。在电动机转速不大时，电动机的转速n小于其理想空载转速nO时，电枢电势低于输入电源电压，无法直接实现发电回馈制动，这时，就可以利用电压变换电路3来实现发电制动或发电回馈制动。电压变换电路3将电枢电势电压变换后输出到负载4，当电压变换电路3将电枢中的能量输送到负载4时，实现直流电动 机发电制动，通过控制电压变换电路3的输出功率，就可以控制制动力矩的大小。
电压变换电路3是一个功率变换电路，其输入电压是电枢绕组2的电势电压，电枢绕组 2的电势电压随着电动机的转速变化而变化， 一般电压范围为零到电动机的输入电压或者更 高，这就要求电压变换电路3具有很宽的输入电压范围，直流电压变化电路3的输出，根据 负载4能接受的电功率特性来确定，比如，如果是电阻负载，电压变换电路3的输出可以是 直流，也可以是交流。电压变换电路的输出负载4，是能够吸收或消耗电功率的装置，可以 是电阻，也可以是蓄电池，也可以是能够吸收电功率的电压源。通过控制电压变换电路3的 输出功率，可以调节电动机制动力矩的大小。
如果直流电源变换电路3的输出是交流，电压变换电路3就是直流/交流电压变换电路， 如果电压变换电路3的输出是直流，电压变换电路3就是直流/直流电压变换电路，可以是升 压直流/直流电压变换电路，也可以是降压直流/直流电压变换电路。电压变换电路3的输出 如果是给蓄电池充电，输出电压根据蓄电池充电要求确定，将能量存储备用。电压变换电路 3如果将电枢电势电压升压，回馈到电动机的电枢电源8，就是发电回馈制动，如图2所示， 图2中，电压变换电路的两个输出端子33和34分别和电枢电源8连接。
并励直流电动机是他励直流电动机的特例，因此，本发明的他励直流电动机发电制动方 法，也适用于并励直流电动机。对于永磁有刷直流电动机，励磁由永磁磁铁提供，也是他励 直流电动机的一种，本发明同样适用，电路原理示意图如图3所示。图3中，磁场由永久磁 铁1提供，双刀双掷开关7打向电枢电源8时，电枢绕组2通过双刀双掷开关7从电枢电源 8取电，电动机转动。当需要制动时，双刀双掷开关7打向直流电压变换器3，将电枢绕组2 的两个端子分别与直流电压变换电路3的两个输入端子31和32连接，直流电压变换电路3 的两个输出端子33和34分别与负载4的两个端子连接。
如果将串励直流电动机在需要制动时采用他励方式工作，也可以采用本发明的他励直流 电动机发电制动方法，从而实现串励直流电动机的发电制动。电路原理示意图如图4所示。 图4中，当双刀双掷开关7打向电枢电源8时，断开了励磁电源5，电枢电源8为直流电动 机的工作电源，励磁绕组6、电枢电源8和电枢绕组2三个串联连接，直流电动机由电枢电 源8供电，工作于串励方式。当需要制动时，双刀双掷开关7打向直流电压变换器3，断开 电枢电源8，同时，将励磁绕组6的两个端子分别与励磁电源5连接，由励磁电源5给励磁 绕组6供电，获得励磁磁场，电枢绕组2的两个端子分别与直流电压变换电路3的两个输入 端子31和32连接，直流电压变换电路3的两个输出端子33和34分别与负载4的两个端子 连接。
采用本发明的直流电动机发电制动方法，可以实现直流电动机在任何速度下转动时的发 电制动，将制动能量存储在蓄电池中再利用或回馈到输入直流电压源，实现了能量的回收再 利用，具有节能作用。
图1本发明的他励直流电动机发电制动电路原理示意图 图3本发明的永磁直流电动机发电制动电路原理示意图 图4本发明的串励直流电动机发电制动电路原理示意图 图2本发明的他励直流电动机发电回馈制动电路原理示意图 图5本发明的电感升压的电压变换电路原理图 图6本发明的另一种电感升压的电压变换电路原理图 图7本发明的一种变压器升压的电压变换电路原理图 图8本发明的另一种变压器升压的电压变换电路原理图 图9本发明的他励直流电动机发电回馈制动电路原理图
图中l.永久磁铁，2.电枢绕组，3.电压变换电路，4.负载，5.励磁电源，6.励磁绕组， 7.双刀双掷开关，8.电枢电源，9.直流输入电源，35.电感，21、 22、 36.半导体开关，23、 24、 37.二极管，38.变压器
具体实施例方式
本发明中的电压变换电路3，是一个功率变换电路，可以采用多种电源变换电路，图5、 图6、图7、图8是本发明电路中的电压变换电路3的四种电路原理图。
本发明中的半导体开关，是指全控型电力电子器件，包括功率晶体管(GTR)、场效应晶体 管(M0SFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)，带有反并联二极管，如果不带有反并联二极管，在 应用中要外接反并联二极管。为了叙述方便，本发明将半导体开关的引出端子定义如下功 率晶体管(GTR)的集电极、场效应晶体管(MOSFET)的漏极、绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极 或其他全控型电力电子器件的相应功能端子，定义为半导体开关的1极。功率晶体管(GTR) 的发射极、场效应晶体管(MOSFET)的源极、绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极或其他全控型 电力电子器件的相应功能端子，定义为半导体开关的2极。功率晶体管(GTR)的基极、场效应 晶体管(MOSFET)的门极、绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门极或其他全控型电力电子器件的相应 功能端子，定义为半导体开关的3极。
图5电路由电感35、 二极管37、半导体开关36组成。电感35的一端引出为电压变换电 路3的引出端子31， 二极管37的阴极引出为电压变换电路3的引出端子33，电感35的另一 端与二极管37的阳极、半导体开关36的1极连接，半导体开关36的2极引出两个端子分别 作为电压变换电路3的引出端子32和34。
图6电路由电感35、 二极管37、半导体开关36组成。半导体开关36的1极引出两个端 子分别作为电压变换电路3的引出端子31和33，电感35的一端与二极管37的阴极、半导 体开关36的2极连接，电感35的另一端引出为电压变换电路3的引出端子32， 二极管37 的阳极引出为电压变换电路3的引出端子34。
图7电路由变压器38、 二极管37、半导体开关36组成。变压器38有四个端子，原边两
6个端子，副边两个端子。变压器38原边的一端引出为电压变换电路3的引出端子31， 二极 管37的阴极引出为电压变换电路3的引出端子33，变压器38原边的另一端与半导体开关36 的1极连接，变压器38副边的一端与二极管37的阳极连接，变压器38副边的另一端引出为 电压变换电路3的引出端子34，半导体开关36的2极引出为电压变换电路3的引出端子32。 引出为31的变压器38原边端子与引出为34的变压器38副边端子为变压器同名端，连接半 导体开关36的1极的变压器38原边端子与连接二极管37的阳极的变压器38副边端子为变 压器同名端。
图8电路由变压器38、 二极管37、半导体开关36组成，变压器38有四个端子，原边两 个端子，副边两个端子。变压器38原边的一端引出为电压变换电路3的引出端子32， 二极 管37的阳极引出为电压变换电路3的引出端子34，变压器38原边的另一端与半导体开关36 的2极连接，变压器38副边的一端与二极管37的阴极连接，变压器38副边的另一端引出为 电压变换电路3的引出端子33，半导体开关36的1极引出为电压变换电路3的引出端子31。 引出为32的变压器38原边端子与引出为33的变压器38副边端子为变压器同名端，连接半 导体开关36的2极的变压器38原边端子与连接二极管37的阴极的变压器38副边端子为变 压器同名端。
图5电路、图6电路的输入端子31和32与输出端子33和34不隔离，图7电路、图8 电路的输入端子31和32与输出端子33和34通过变压器38隔离，可用在需要将电压变换电 路3的输出与直流电压1隔离的情况下。图6电路和图5电路互为镜像电路，电路功能完全 相同。图8电路与图7电路互为镜像电路，电路功能完全相同。
本发明中的电压变换电路3还可以釆用其他电压变换电路，只要能够将直流电动机电枢 电压经过变换，将发电状态下的电枢电能输出到负载4的电路，都可以作为本发明中的电压 变换电路3，本说明书只列出图5、图6、图7、图8四种电压变换电路3的示意图。
本发明电路中的负载4,可以是电阻，也可以是蓄电池，还可以是直流电动机的输入电 源，只要是能够消耗或吸收存储电能的元件或设备，都可以作为本发明的负载4。
在本发明电路原理示意图1、图2、图3、图4中，采用不同的电压变换电路3和不同的 负载4，本发明电路可以有多种形式。
图9是本发明的采用图2的他励直流电动机发电回馈制动电路原理的一种具体实施电路， 图9中，励磁绕组6的一端与半导体开关22的2极、二极管23的阴极连接，半导体开关22 的1极、直流输入电源9的正极、半导体开关21的1极、二极管37的阴极相互连接，半导 体开关21的2极、二极管24的阴极、电枢绕组2的一端、电感35的一端相互连接，电感 35的另一端、二极管37的阳极、半导体开关36的1极相互连接，励磁绕组的另一端、二极 管23的阳极、直流输入电源9的负极、二极管24的阳极、电枢绕组2的另一端、半导体开 关36的2极相互连接。励磁电源5是利用直流输入电源9，通过半导体开关22， 二极管23 构成的斩波电路来提供的，二极管23是励磁绕组6的续流二极管。电枢电源8是利用直流输入电源9，通过半导体开关21, 二极管24构成的斩波电路来提供的，二极管24是电枢绕组 2的续流二极管。电压变换电路3采用图5电路，由电感35、半导体开关36和二极管37组 成。电机启动运转时，保持半导体开关36处于关断状态，通过控制半导体开关22来调节励 磁电流的大小，半导体开关22工作在开关状态，通过调节半导体开关22在每个开关周期的 导通时间，也就是导通时间占开关周期的比例(占空比)，就可以调节励磁电流的大小，从而 调节励磁磁场的大小。通过控制半导体开关21来调节电枢电压，从而实现电机的启动和调速， 半导体开关21工作在开关状态，通过调节半导体开关21在每个开关周期的导通时间，也就 是导通时间占开关周期的比例(占空比)，就可以调节加在电枢绕组2两端平均电枢电压的大 小，从而控制调节电动机的启动运转。当需要制动电动机时，控制半导体开关22，使励磁绕 组6中有励磁电流，关断半导体开关21，通过控制半导体开关36来实现电动机的发电回馈 制动，半导体开关36工作在开关状态，通过调节半导体开关36在每个开关周期的导通时间， 也就是导通时间占开关周期的比例(占空比)，就可以调节回馈到直流输入电源9的电功率的 大小，从而可以调节制动力矩的大小。通过这种方式，电路可以在电动机任意转速下，实现 他励直流电动机的发电回馈制动，将制动时的机械能转换为电能回馈到直流输入电源9。
采用图9电路制作的48V5KW他励直流电动机驱动器，电路中半导体开关21采用四只 100V140A场效应晶体管(M0SFET) IRFB4310并联使用，半导体开关22、半导体开关36同样 为四只100V140A场效应晶体管(M0SFET) IRFB4310并联使用，二极管23采用6只100V40A 肖特基二极管40CPQ100并联使用，二极管24、 二极管37同样采用6只100V40A肖特基二极 管40CPQ100并联使用，电感35为200uH电感，可通过100A电流，直流输入电源9为48V330AH 铅酸电池组。
本发明的直流电动机驱动器，实现了直流电动机在任何速度下的发电制动，制动平稳， 制动力矩可控，而且可以将制动能量回馈到直流输入电源，具有节能作用。
权利要求
1. 他励直流电动机发电制动方法及电路，是通过使他励直流电动机发电来对直流电动机进行制动，其特征在于当转动的直流电动机需要制动时，使电动机中保持有磁场存在，使直流电动机处于发电状态，断开电动机电枢绕组(2)上的输入电源，将发电状态下的电枢绕组(2)的电势电压，经过一个电压变换电路(3)，将电枢电势电压变换后，输出到一个负载(4)，将电动机的发出的电能，通过电压变换电路(3)，传送到负载(4)，由负载(4)吸收存储或消耗，实现他励直流电动机的发电制动，通过控制电压变换电路(3)的输出来调节制动力矩的大小。
2. 根据权利要求l所述的直流电动机发电制动方法及电路，直流电动机是他励直流电动机， 包括永磁直流电动机和并励直流电动机，也包括制动时采用他励方式工作的串励直流电动 机。
3. 根据权利要求l所述的直流电动机发电制动方法及电路，电压变换电路(3)是一个功率 变换电路，其输入是电枢绕组(2)电势电压，输出是负载(4)，能够通过电压变换，将 电枢绕组(2)中的电能传送到负载(4)，直流电压变化电路(3)的输出可以是直流电， 也可以是交流电。
4. 根据权利要求1所述的直流电动机发电制动方法及电路，直流电压变换电路(3)的输出 负载(4)，是能够吸收、存储或消耗电功率的器件或装置，可以是电阻，也可以是蓄电 池，也可以是能够吸收电功率的电压源，可以是励磁电源(5)，可以是电枢电源(8)， 可以是直流输入电源(9)。
全文摘要
直流电动机发电制动方法及电路，涉及他励直流电动机的发电制动问题。当转动的他励直流电动机需要制动时，使电动机中保持有磁场存在，使直流电动机处于发电状态，断开电动机电枢绕组(2)上的输入电源，将发电状态下的电枢绕组(2)的电势电压，经过一个电压变换电路(3)，将电枢电势电压变换后，输出到一个负载(4)，将电动机发出的电能，通过电压变换电路(3)，传送到负载(4)，由负载(4)吸收存储或消耗，实现直流电动机的发电制动，通过控制直流电压变换电路(3)的输出来调节制动力矩的大小。
文档编号H02P3/08GK101505123SQ200910105770
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者王创社 申请人:王创社