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直流串励电机 电能回馈式无级调速电路

阅读：103发布：2020-05-08

专利汇可以提供直流串励电机电能回馈式无级调速电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种直流串励电机电能回馈式无级调速电路，由辅助电源电路、逆变电路和控制电路三部分组成，通过逆变电路及控制电路无级调节电机励磁电流的大小来实现无级调速并把电能回馈到蓄电池。本电路不改变原电机的结构、绕组连接关系和串励电机转矩大的优良特性，有效避免飞车事故的发生，采用电能回馈调速节约电能，适用于直流电源电压为48V—72V、以串励电机驱动的各种车辆。，下面是直流串励电机电能回馈式无级调速电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：它由辅助电源电路、逆变电路和控制电路三部分组成；所述辅助电源电路是将电机电源（蓄电池）的电压U1转化为15V电压U3，为后续控制电路和逆变电路供电；所述的逆变电路采用半桥式DC-DC逆变转换电路，其输入端并联在串励电机的电枢两端，输入电流流过励磁绕组，其输出端接电源U1（蓄电池）两端，把吸收的电能回馈给电源U1；所述控制电路为半桥式逆变电路上下桥臂的两个开关管VT1、VT2提供两路相位相反的控制脉冲信号，并由调速转把调节脉冲信号的占空比，进行无级调速。
2.根据权利要求1所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是所述的辅助电源电路连接如下：电机电源U1的正极接24V稳压二极管D21（型号P6KE24A）的阴极，D21的阳极接降压型DC-DC转换芯片IC1（型号LM2576HV-15）的输入端1脚，D21其作用是减小IC1的输入电压（因LM2576HV-15的最高允许输入电压为60V）；D21的阳极接电阻R21至地，IC1的
1脚接滤波电容C21的正极，C21的负极接地，IC1的3、5脚接地，输出端2脚续流二极管D22阴极，D22阳极接地，同时IC1的2脚接电感L1一端；L1的另一端接IC1的反馈输入端4脚，同时接滤波电容C22正极，C22负极接地，C22两端又并联高频滤波电容C23。
3.根据权利要求1所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是所述的逆变电路连接如下：由串励电机电枢的S1端子接线，连接二极管D1的阳极，D1的阴极接滤波电容C1的正极、C1的负极接滤波电容C2的正极，C2的负极接电枢的S2端子；开关管VT1的集电极接电压U2的正极，发射极接开关管VT2的集电极，VT2的发射极接电压U2的负极；开关管VT1、VT2的栅极与发射极之间分别并联电阻R5、R6和 15V双向稳压二极管D5、D6（型号均为P6KE15CA）；电阻R7与电容C7串联后与VT1的集电极和发射极并联、电阻R8与电容C8串联后与VT2的集电极和发射极并联；TR1为开关管VT1、VT2的栅极驱动变压器（初、次级匝数N1＝N11＝N12），其初级线圈的首、尾端分别接控制芯片IC2送来的两路反极性脉冲信号，中心抽头接+15V电源，其次级线圈N11的同名端串联电阻R3后接开关管VT1栅极，R3两端并联二极管D3，D3的阳极端接VT1栅极，R3两端又并联电容器C3；其次级线圈N12的异名端串联电阻R4后接开关管VT2栅极，R4两端并联二极管D4，D4的阳极端接VT2栅极，R4两端又并联电容器C4；主变压器TR2初级线圈N2的一端与VT1发射极和VT2集电极的连接点连接，N2的另一端连接导线穿过电流互感器HL的磁环孔后串联电容器C5再连接电容器C1与C2的连接点；电流互感器HL的次级并联电阻R12后一端接地GND，另一端接二极管D9的阳极，D9的阴极接滤波电容C12一端，电容C12的另一端接地；电流互感器HL的次级经半波整流其输出电压作为逆变电路电流采样信号反馈给控制电路；主变压器TR2次级线圈的首、尾端分别接二极管D7、D8的阳极，D7、D8的阴极相连后接电机供电电源（蓄电池）的正极，电阻R10、电容C10串联后与D7并联、电阻R11、电容C11串联后与D8并联；主变压器TR2次级线圈的中间抽头接电机供电电源（蓄电池）的负极。
4.根据权利要求1所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是所述的控制电路连接如下：IC2（型号TL494）供电电源端12脚接+15V电源U3正极，IC2的7脚GND端接地；IC2的5脚和6脚分别接电容CT和RT至地；IC2的9脚和10脚接地，IC2的8脚和11脚接逆变电路中驱动变压器TR1初级首尾端；IC2的2、13和15脚接14脚+5V电压；IC2的4脚接电阻R22至地，另接逆变电路中电流互感器HL输出端整流二极管D9的阴极；电容C24的正极接IC2的
14脚+5V电源，负极接IC2的4脚；市售调速转把的供电端（+5V）接IC2的14脚+5V电源，GND端接地，输出端V0接二极管D23的阳极，D23的阴极接IC2的4脚。
5.根据权利要求1所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：通过无级调节串励电机的励磁电流实现无级调速。
6.根据权利要求1所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：由半桥式逆变电路构成电能回馈式无级调速电路。
7.根据权利要求5所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：由市售霍尔调速转把调节IC2（TL494）的4脚电压来无级调节脉冲的占空比来无级调节逆变电路的初级电流IR及励磁电流IF。
8.根据权利要求4所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：用电流互感器HL对主变压器初级电流（与IR等效）采样并构成负反馈，以稳定励磁电流IF，使转速稳定并对开关管VT1、VT2进行过流保护。
9.根据权利要求4所述的直流串励电机电能回馈式无级调速电路，其特征是：逆变电路输入端正极串联二极管D1；调速转把输出端串联二极管D23；辅助电源输入端串联稳压二极管D21。

说明书全文

直流串励电机 电能回馈式无级调速电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电机的调速电路，具体涉及电动车辆直流串励电机电能回馈式无级调速电路。

背景技术

[0002] 串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流，其转矩与励磁电流（或电枢电流）的平方成正比，因而具有很大的转矩储备，是其它任何种类电机所无法比拟的优点，特别适用于负载阻力波动范围大的场合，如电动工具、电动车辆等。当负载阻力增大（如车辆重载上坡）、引起转速降低时电流增大，转矩以平方倍增大，具有很强的抗过载能力。但是，当负载阻力过小（如车辆下坡）时又因励磁电流小、磁场弱，有发生转速过高（飞车）的危险；由于串励电机的结构原因，调速比较困难，这是它的缺点，是长期以来无法解决的难题。

[0003] 目前一些电动车辆有的采用给励磁绕组加抽头进行有级调速；有的采用调节电源电压无级调速，但这些方法的缺点是转矩冲击大（车辆一跌一撞）、转速稳定性差、车辆下坡时无法避免车速过快的危险。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于：提供一种直流串励电机电能回馈式无级调速电路，该电路应用于直流48—72V蓄电池供电的电动车辆，通过无级调节电机的励磁电流调速，并把电枢的部分电能回馈给电源，在不改变串励电机结构及大转矩优良特性的前提下，转速稳定性好，电能利用率高，不仅实现无级调速，而且能够避免轻载飞车危险。

[0005] 本发明的原理是：在电枢两端（即电刷两端）连接逆变电路，其输入端分流励磁电流，输出端将电能回馈给电机电源（蓄电池），通过调节逆变电路占空比大小，改变励磁电流即磁场强弱实现调速；由于该调速电路能够无级调节逆变占空比，对励磁电流无级调节，因而实现无级调速，同时，本调速电路增大励磁电流，不会使磁场太弱，造成飞车危险。

[0006] 本发明的技术解决方案是：该直流串励电机电能回馈式无级调速电路由辅助电源电路、逆变电路和控制电路三部分组成；所述辅助电源电路是将电机电源（蓄电池）的电压U1转化为15V电压U3，为后续控制电路和逆变电路供电；所述的逆变电路采用半桥式DC-DC逆变转换电路，其输入端并联在串励电机的电枢两端，输入电流流过励磁绕组，其输出端接电源U1（蓄电池）两端，把吸收的电能回馈给电源U1；所述控制电路为半桥式逆变电路上下桥臂的两个开关管VT1、VT2提供两路相位相反的控制脉冲信号，并由调速转把调节脉冲信号的占空比，进行无级调速。

[0007] 本发明的优点是：无需改变原电机的结构及绕组连接关系，只需将本电路连接电枢的两个接线端子即可；既实现串励电机的无级调速，又不改变串励电机转矩大的优良特性；有效避免飞车事故的发生；采用电能回馈调速，节约电能；适用于直流电源电压为48V—72V、以串励电机驱动的各种车辆；成本低廉。
附图说明

[0008] 图1为通常串励电机的内部接线图；图2为调速原理图；
图3为本发明的调速电路。

具体实施方式

[0009] 下面结合附图进一步说明本发明的技术解决方案，但不能理解为是对技术方案的限制。

[0010] 如图1所示，为通常串励电机的内部接线图，其电枢绕组与励磁绕组串联连接，电枢绕组和励磁绕组的各两个端子引出到电机外部接线板。

[0011] 如图2所示，为调速原理图，固定电阻R串联可变电阻W构成调速电路；图中IF为励磁电流，IS为电枢电流，IR为调速电路分流的电流，IF＝IS＋IR；通过调节可变电阻W的阻值改变励磁电流；当W阻值调小时，IR增大，使IF增大、磁场增强（磁通φ∝IF），电机转速降低（转速与磁通成反比）；反之，当W阻值调大时，IR减小，同时IF减小，转速升高；由于调速电路的分流作用，在不改变电枢电流的情况下，单独调节励磁电流，不会使励磁电流过小、磁场太弱，所以能够避免电机转速过高造成飞车危险；本调速电路因IR较大，电阻R和W上的电能损耗很大，没有实用价值。

[0012] 如图3所示，为本发明的调速电路；是将图2调速原理由逆变电路实现，把电阻R和W消耗的电能回馈给蓄电池，提高电能利用率，适合用在由蓄电池以有限电能供电的电动车辆上。

[0013] 如图3所示，虚线框内电路为本发明的调速电路，由辅助电源电路、逆变电路和控制电路三部分组成。

[0014] 所述辅助电源电路的作用是：将电机电源（蓄电池）的电压U1转化为15V电压U3，为后续控制电路和逆变电路供电。

[0015] 所述辅助电源电路的连接如下：电机电源U1的正极接24V稳压二极管D21（型号P6KE24A）的阴极，D21的阳极接降压型DC-DC转换芯片IC1（型号LM2576HV-15）的输入端1脚，D21其作用是减小IC1的输入电压（因LM2576HV-15的最高允许输入电压为60V）；D21的阳极接电阻R21至地，IC1的1脚接滤波电容C21的正极，C21的负极接地，IC1的3、5脚接地，输出端2脚续流二极管D22阴极，D22阳极接地，同时IC1的2脚接电感L1一端；L1的另一端接IC1的反馈输入端4脚，同时接滤波电容C22正极，C22负极接地，C22两端又并联高频滤波电容C23。

[0016] 所述的逆变电路的作用是：采用半桥式DC-DC逆变转换电路，其输入端并联在串励电机的电枢两端，输入电流流过励磁绕组，其输出端接电源U1（蓄电池）两端，把吸收的电能回馈给电源U1。

[0017] 所述的逆变电路的连接如下：由串励电机电枢的S1端子接线，连接二极管D1的阳极，D1的阴极接滤波电容C1的正极、C1的负极接滤波电容C2的正极，C2的负极接电枢的S2端子；这样在电容C1的正极和电容C2的负极之间得到电压U2（等于电枢电压），电容C1的正极即电压U2的正极，电容C2的负极即电压U2的负极；取C1＝C2，并在电容C1、C2两端分别并联均压电阻R1、R2，则电容C1和C2上的的电压相等，其连接点得到U2一半的电压；二极管D1的作用一是减小电压U2的波动，二是防止电机的电源极性接反而损坏逆变电路；开关管VT1的集电极接电压U2的正极，发射极接开关管VT2的集电极，VT2的发射极接电压U2的负极；开关管VT1、VT2的栅极与发射极之间分别并联电阻R5、R6，以泄放栅极电荷，防止被静电击穿；开关管VT1、VT2的栅极与发射极之间又分别并联15V双向稳压二极管D5、D6，以防因驱动电压过高将栅极击穿；电阻R7与电容C7串联后与VT1的集电极和发射极并联、电阻R8与电容C8串联后与VT2的集电极和发射极并联，以吸收VT1、VT2关断时产生的尖峰电压，保护其不被击穿；TR1为开关管VT1、VT2的栅极驱动变压器（初、次级匝数N1＝N11＝N12），其初级线圈的首、尾端分别接控制芯片IC2送来的两路反极性脉冲信号，中心抽头接+15V电源，其次级线圈N11的同名端串联电阻R3后接开关管VT1栅极，R3两端并联二极管D3，D3的阳极端接VT1栅极，R3两端又并联电容器C3；其次级线圈N12的异名端串联电阻R4后接开关管VT2栅极，R4两端并联二极管D4，D4的阳极端接VT2栅极，R4两端又并联电容器C4；C3、C4以提高VT1、VT2的开通速度，以减少开通损耗；D3、D4以提高VT1、VT2的关断速度，以减少关断损耗；主变压器TR2初级线圈N2的一端与VT1发射极和VT2集电极的连接点连接，N2的另一端连接导线穿过电流互感器HL的磁环孔后串联电容器C5再连接电容器C1与C2的连接点，C5为隔直电容，以防止主变压器TR2磁路饱和；电流互感器HL的次级并联电阻R12后一端接地GND (即蓄电池负极，搭铁)，另一端接二极管D9的阳极，D9的阴极接滤波电容C12一端，电容C12的另一端接地；电流互感器HL的次级经半波整流转化为电压作为逆变电路初级电流采样信号反馈给控制电路；主变压器TR2次级线圈的首、尾端分别接二极管D7、D8的阳极，D7、D8的阴极相连后接电机供电电源（蓄电池）的正极，电阻R10、电容C10串联后与D7并联、电阻R11、电容C11串联后与D8并联，以吸收D7、D8两端的尖峰电压，防止其过压击穿；主变压器TR2次级线圈的中间抽头接电机供电电源（蓄电池）的负极。

[0018] 该逆变电路的原理是：将电机电枢两端电压取出滤波后作为逆变电路的电源，输入电流为IR，使得IF＝IS＋IR；电容C1、C2、开关管VT1、VT2构成半桥式逆变电路，由控制电路产生的两路相位相反的脉冲信号加到驱动变压器TR1的初级，其次级N11、N12感应出相位相反的两路脉冲信号分别加到开关管VT1、VT2的栅极，VT1、VT2轮流导通在主变压器TR2的初级形成交变电流，TR2的次级产生交变电压，经二极管D7、D8全波整流后，将电能回馈给蓄电池；由控制电路调节脉冲的占空比改变逆变电路的输入电流IR，从而改变励磁电流IF；脉冲占空比越大，IR及IF越大，转速越低，反之转速越高，当占空比为0时，IR＝0，IF最小，此时达到最快转速；控制电路所产生脉冲的占空比是连续可调的，即IR是连续可调的，又IF＝IS＋IR，IF就是连续可调的，从而实现了电机的转速的无级调节；又因为该逆变电路是在使IF≥IS的范围内调节，所以不会出现因磁场太弱造成飞车的危险。

[0019] 所述控制电路的作用是：为半桥式逆变电路上下桥臂的两个开关管VT1、VT2提供两路相位相反的控制脉冲信号，并由调速转把调节脉冲信号的占空比，进行无级调速。

[0020] 所述控制电路的连接如下：IC2（型号TL494）供电电源端12脚接+15V电源U3正极，7脚GND端接地；5脚和6脚接内部振荡电路，外部分别接电容CT和RT至地；IC2内部两路双极性输出三极管的发射极9脚和10脚接地，集电极8脚和11脚接逆变电路中驱动变压器TR1初级首尾端；14脚输出+5V基准电压；IC2内部两个误差比较器不用，但为了防止干扰，它们的反相输入端2脚和15脚接14脚+5V电压；IC2的13脚接14脚+5V电压，以选择两路输出为推挽式双极性输出；IC2的4脚接电阻R22至地，另接逆变电路中电流互感器HL输出端整流二极管D9的阴极；电容器C24的正极接IC2的14脚+5V电源，负极接IC2的4脚；市售调速转把的供电端（+5V）接IC2的14脚+5V电源，GND端接地，输出端V0接二极管D23的阳极，D23的阴极接IC2的4脚。

[0021] 所述控制电路的工作原理是：当IC2的12脚得电（+15V）后，内部振荡电路开始振荡，产生幅度为0—3.3V锯齿波，振荡频率由CT、RT决定(本发明取20kHz)，IC2的8脚和11脚轮流输出低电平，即驱动变压器TR1的初级线圈的首尾端轮流接低电平，因TR1初级线圈的中心抽头接+15V电源，于是其初级的每半个线圈便得到正负对称的脉冲电压，TR1的次级线圈N11、N12分别产生脉宽相同、但相位相反的+15V脉冲，这两路脉冲分别加到开关管VT1、VT2栅极，使其轮流导通，逆变电路开始工作；IC2的4脚为其内部锯齿波比较器的同相输入端，其电压的高低决定其输出的脉冲宽度，该脚电压越低，输出脉宽越宽，电压越高输出脉宽越窄；该脉冲宽度决定了逆变电路中两个开关管VT1、VT2的导通的占空比，脉宽越宽占空比越大，平均电流IR越大，励磁电流IF越大，磁场越强，电机转速越低；反之脉宽越窄，占空比越小，平均电流IR越小，励磁电流IF越小，磁场越弱，电机转速越低；IC2的4脚所接的电容C24为软启动电路，IC2上电后给其4脚加一短时的高电平，使脉宽由0开始慢慢增大，防止对逆变电路的开关管VT1、VT2造成电流冲击；市售霍尔调速转把由IC2输出的+5V供电，其输出端电压V0与转把转角成正比，转角为0时输出电压为1V，转角最大时输出电压为4.2V，其输出端经二极管D23降低0.7V（二极管正向导通压降）电压后的电压变化范围为0.3—3.5V，该电压加到IC2的4脚，正好与IC2内部锯齿波的幅度（0—3.3V）相吻合，当4脚电压为0.3V时为死区电压（以防止逆变电路开关管VT1、VT2同时导通造成短路），对应每路脉冲的占空比为91%，此时IR、IF最大，转速最低；当4脚电压为3.5V时占空比为0，此时IR＝0、IF最小，转速最高；因转把输出电压V0连续调节，所以转速连续无级调节；同时逆变电路的电流经电流互感器HL采样，转化为电压信号后连接到IC2的4脚构成负反馈，以稳定电流IR及I（F IR发生变化时，反馈到IC2的4脚电压随之同向变化，IC2输出脉冲的占空比随之发生反向变化，以减小IR及IF的变化），使转速稳定；另外当逆变电路电流过大，反馈到IC2的4脚电压超过3.3V时，占空比变为0，关断开关管VT1、VT2，对开关管起到保护作用。

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