煞車是指一種令交通工具從前進中停止下來的制動系統,透過使車輛車輪的轉動減慢來停車;煞車制動除了要遵守交通規則,還有能量守恆規則。
如圖1所示,當電機驅動器進行反接制動減速,在制動過程的①階段内,存儲在電機內的動能會通過電機驅動器以電能的形式返回至電源,給母線電容進行充電,這將會導致母線電壓的升高,一旦機電系統無法正確地處理這一部分的能量,那麼節能減排的好事將會變成破壞性的傷害--因為這個升高的電壓可能會擊穿驅動或者其他接至相同電源的電路。
Q: 因此，如何解決這一問題，化解過壓損害呢？
A: 少年,我看你天資聰穎是塊練武材料,就決定把這本制動中的“踏雪無痕”傳授於你。這一次,為了方便敘述,我們還是以直流電機系統為例,但該分析和應用方法同樣適用於無刷直流電機系統,以信接物,童叟無欺。
圖1：直流電機系統反接制動圖
踏雪無痕~
對於處理制動回流的能量,一共有三招:
- 第一招是吸收——增加母線電容的容值,該方法比較適用於小功率的場合。
- 第二招是耗散——採用有源鉗位的方式,將回流的能量通過熱的形式散發出去。
- 第三招是轉換——這一招變化多端,可以將能量回饋到電池端或者逆便入電網，當然也可以將多個負載母線並聯,使得回流的能量供给其他負載使用。
以下就是分別針對這三招做的詳細說明,請各位看倌不要著急,讓我們繼續看下去~
- 吸收——增加母線容值
這一招彷彿吸星大法般,將回流的能量通過母線電容進行吸收。但是,有一個最重要的問題就是,多大的電容是合適的？（土豪可以不管那麼多~）這裡我們用一個比較簡化的方法進行求解。制動回流的能量是從電機軸端通過電機到驅動器,最後在回到到母線上的,所以制動回流的最大功率可表示為：
Pmax = PmotorMBRŋdriverŋmotor（1）
其中Pmotor是電機運行的功率；MBR是電機制動瞬間的功率放大系數，這是考慮到制動瞬間的功率很大,所以在電機運行功率的基礎上進行放大，通常可選取160%；ŋdriver是驅動器的效率,通常為98%；ŋmotor是電機的效率,通常為90%。
在母線端,電容吸收能量的能力肯定是要强過制動回流能量的,這樣才能夠將電壓穩在安全等級之下,所以根據電容功率公式可得：
0.5C(Uclamp - UBSB)2 ≧ Pmax（2）
其中C為電容容值；Uclamp為所需的鉗位電壓,母線電壓不能超過該鉗為；UBSB為電機正常工作時的母線電壓。將公式（2）進行變換可得所需電容的容值選擇範圍：
C ≧ 2Pmax / (Uclamp - UBSB)2 （3）
- 耗散——有源鉗位
鉗位電路是將開關電源在工作時產生的尖峰電壓鉗制在一定的範圍之內,從而對功率開關管起到保護的作用。鉗位電路分為有源鉗位和無源鉗位。
對於大功率系統,由於制動時會回流的能量更多,導致制動瞬間母線電壓會被升高更多,因此即時地將回流的能量消耗掉才是較為有利於系統的解決方法。如圖2,可以採用有源鉗位電路將制動回流能量的消耗,從而達到降低母線電壓的作用,這種方法在伺服系統中經常被使用到。
當母線電壓上升使得採樣電壓超過参考值Ref時.有源鉗位電路中的MOSFET開通並將能量消耗在煞車電阻上。對於煞車電阻的選取,一般要考慮兩點:
- 在制動瞬間,回流能量所帶來的母線電壓升高是否能夠被快速的抑制掉,這和電阻的阻值有關,通常為幾歐姆至幾十歐姆。
- 由於制動回流的能量是通過煞車電阻轉換為熱能散發出去的,所以煞車電阻的額定功率要符合散熱的要求。對於實際的選擇,可能還得結合整個系統的應用工況和功率大小。
圖2：有源鉗位電路耗散能量
3. 轉換——回饋能量
這一招有幾種變招,可以根據實際的情況來使用：如果整個系統中是採用電池進行供電的,那麼回流的能量將會被饋入電池端；如果整個系統是一個電網的系統,可以以通過通逆變將能量饋入電網；如果整個系統是母線上並聯了多個負載的系統,如圖3所示(此處是電機負載)並且多個電機進行工作時不會同時運行在制動狀態,那麼回流的能量就能夠被其餘正在運行的負載利用起來,簡單實惠。
圖3：母線並聯系統
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