能量守恒

能量守恒定律，物理學(xué)基本定律——能量既不會(huì )憑空產(chǎn)生，也不會(huì )憑空消失。

 

物體（如質(zhì)量）通過(guò)移動(dòng)或旋轉而產(chǎn)生動(dòng)能。在電機系統中，動(dòng)能來(lái)自于為電機供電的電源，電機產(chǎn)生轉矩以加速質(zhì)量運動(dòng)。

 

在電機轉子的慣性和與電機相連的機械系統中都有能量?jì)Υ?。?jiǎn)而言之，可以將機械系統設想為與電機軸耦合的飛輪（見(jiàn)圖1）。

這里可根據公式 ½ Iω2 計算出動(dòng)能，其中 I 為慣性力矩，ω 為角速度。速度越快或慣性越大，則儲存的能量就越多。

 

很明顯，意思是說(shuō)物體的運動(dòng)需要能量。然而，反過(guò)來(lái)，當你想停止運動(dòng)時(shí)會(huì )發(fā)生什么呢？當正在運動(dòng)的質(zhì)量停止或減速時(shí)，它所儲存的能量必然有所去處，那么，這些能量會(huì )去哪兒呢？

當切斷旋轉電機的電源時(shí)，運動(dòng)質(zhì)量中儲存的能量會(huì )消散到系統的機械損失中。由于摩擦力的影響，大部分能量被轉化成了熱能（見(jiàn)圖2）。除非摩擦力很大，不然電機停止的速度也會(huì )很慢。此時(shí)，驅動(dòng)電機由電動(dòng)狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，但由于沒(méi)有電流路徑，便也沒(méi)有電磁轉矩來(lái)幫助停止電機。

 

圖2：電機停止轉動(dòng)時(shí)的摩擦力

 

若能為電流提供電流短路輸出路徑，則電流會(huì )產(chǎn)生與旋轉方向相反的轉矩（見(jiàn)圖3），這樣就可以使電機快速停止。但此種情況下，制動(dòng)產(chǎn)生的能量會(huì )被消耗在被短接電機的繞組電阻和電流路徑中的電阻上，進(jìn)而會(huì )以熱量的形式散發(fā)。

 

圖3：與旋轉方向相反的轉矩

 

此種方法有時(shí)也稱(chēng)作“短路剎車(chē)”。實(shí)際上，短路通常是指通過(guò)打開(kāi)H橋的下管MOSFET來(lái)提供電流路徑。

 

當控制系統想要快速降低電機速度時(shí)，施加在電機上的電流極性會(huì )被反轉，以提供與之轉動(dòng)方向相反的轉矩。然后，儲存的動(dòng)能可通過(guò)電機驅動(dòng)電路返回至電源。

 

如果電源是一塊完美的電池，那么能量就會(huì )回流到電池中并被加以回收。而現實(shí)情況并非如此，電源通常為直流電源，除非該電源經(jīng)過(guò)特殊設計，否則只能產(chǎn)生電流。由于直流電源無(wú)法吸收電流的特性，回流的能量只能進(jìn)入作為電源一部分的電容中。

 

電容器中儲存的能量可通過(guò)公式 ½cv2計算得出，其中c為電容，v為電壓。能量流入電容器后，電容器上的電壓必然會(huì )增加（見(jiàn)圖4）。

 

圖4：能量增加后，電容電壓也隨之增加

 

如果該能量比較?。ㄋ俣嚷驊T性?。?，那么此時(shí)電壓的增加可以忽略不計?？捎袝r(shí)，若能量太多或電容容量不夠，電壓可能會(huì )升至破壞性水平。這將會(huì )損壞電機驅動(dòng)電路或其他接至相同電源的電路。

 

能量耗散

有幾種方法可以處理回流到電源中的能量：一種是在電源處放置大電容器。此種方法有時(shí)會(huì )被采用，但大多數情況下，由于物理或成本的限制，大電容器并不實(shí)用。

 

另一種解決方法是采用半導體鉗位裝置跨接至電源，比如TVS或齊納二極管（見(jiàn)圖5）。當電源電壓超過(guò)正常工作電壓時(shí)，使用鉗位裝置擊穿電壓。當再生能量導致電壓上升時(shí)，鉗位裝置可擊穿電壓以保護系統。返回至電源的能量在鉗位裝置中以熱量的形式消散。

若能量大小適中，此解決方案非常受用。

 

圖5：采用半導體鉗位裝置耗散能量

 

在大型系統中，使用簡(jiǎn)單的鉗位裝置往往效果并不樂(lè )觀(guān)，因為需要耗散的能量過(guò)多。此時(shí)，可以使用有源箝位電路將能量耗散到電阻負載中。

 

圖6：：采用有源電路鉗位裝置耗散能量

 

鉗位電路通過(guò)使用比較器或類(lèi)似電路，監測電源電壓來(lái)工作（見(jiàn)圖6）。如果電壓增加至預設閾值（剛剛超過(guò)正常工作電壓值），可以在電源上跨接一個(gè)負載電阻，以耗散能量。