手提式電動工具的節能助力解決方法

張新嶺+陳巍+陳冬+楊慧靜

（河北化工醫藥職業技術學院.機械系 河北石家莊 050026）

摘 要：根據手提式電動工具有啟動頻繁的特點，直流電機在正向發電制動模式下發電，利用能量回饋裝置，通過升壓模塊，向電容充電，實現能量回收。制動電阻阻值不同，輸出電量也不相同。每次通電時間越短，輸出電流越小，節能效果越明顯。

關鍵詞：手提式電動工具；能量回收；超級電容；節能

手提式電動工具指用手握持或懸掛進行操作的電動工具。比如施工中常用的電鉆，電鎬、電動拋光機等。

現有手提式電動工具有啟動頻繁的特點，工作后關斷電源時，在慣性作用下，電機旋轉一段時間方能停止，造成了這部分能源的浪費。考慮到手提式電動工具啟停頻繁的工作模式，這部分能源是相當可觀的。回收制動時的能量，使之回饋到電源中，可以提高電源的續航能力，從而達到節能的目的。制動能量回收是指回收電動工具掉電時的慣性動能，通過能量轉化將其轉化為電能。這部分能量有兩種處理方法：一種是串聯電阻，以熱量形式散發掉；另一種是用能量回饋裝置，將其產生的電能經過回饋裝置處理返還給電源或電網，這樣就避免了能耗。對于手提式電動工具這種頻繁啟停的工作模式，采用制動能量回收技術節能效果將會非常可觀。利用超級電容瞬時充、放電電流大的特點，制定了超級電容與蓄電池并聯，啟動時超級電容提供助力，斷電時超級電容回收電量的二元電源系統。

能量回收方法是：當電機斷電時，利用直流電機四象限運行時第二象限正向發電制動模式進行發電。電動工具斷電后，在慣性作用下電機轉子繼續正向旋轉。這時將電機正負極與充電電路正負極相連，可以進入發電制動模式，促進電機停轉。同時電機轉速逐漸降低，輸出的電壓也逐漸降低，為了保證向超級電容充電的電壓穩定，可以通過DC/DC升壓模塊將電壓升到12V，然后再向電容充電，電容充不滿部分可由蓄電池續充。

使用該方法回收電量時，制動電阻阻值不同，輸出電量也不相同。采用不同的電阻值，計算輸出電量，得到最優值，這也是可回收的總電量。

設回收能量與消耗能量之比為節能比例，節能比例的變化與電動工具每次持續通電時間、輸出電流大小有關，假設其回收效率為100%，得到其節能比例變化與通電時間、輸出電流大小的關系如圖所示：

由圖示計算結果可知，每次通電時間越短，輸出電流越小，節能效果越明顯。例如額定輸出情況下，通電時間為1s時，節能比例為36%，2s通電時間情況下，0.5A電流輸出時，節能比例高達50%。便攜式電動工具的單次持續通電時間一般在1～5s之間，輸出電流變化也較大，以常規2-3s的單次通電時間計，綜合考慮，回收能量20%以上是可以達到的。

由于蓄電池的充電電路較為復雜，對充電電壓、電流要求較高。用12V直流穩壓電源對超級電容組充電，隨著時間的延長，電容電壓逐漸升高，電壓變化波形呈指數變化。對電容充滿電的時間約為8秒鐘，與蓄電池充電速度相比，超級電容的充電速度非常快，這個充電時間相比于能量回收時電機幾秒鐘的制動時間是吻合的。同時超級電容充電電路簡單，充電電流大，制動能量回收充分，因此在能量回收場合應用廣泛。能量回收電路可采用超級電容回收能量。

而且電動工具啟動時需要較大電流，將使用超級電容組和蓄電池組成二元電源為電機供電，可以提供大扭矩輸出，避免鉛酸電池的過放電，提高鉛酸電池壽命，同時也能為電動工具提供強勁動力；而且還可以回收電機制動時的能量，使之回饋到電源中，提高電源的續航能力，從而達到節能的目的，具有較強的經濟效應。

國手提式電動工具產業仍屬于勞動密集型產業，產品科學技術含量不高，研發具有節能效果，高品質，高技術含量的手提式電動工具，可以提高產品的市場競爭力，具有重要的意義。

參考文獻：

[1]沙欣·費利扎德 著 楊立永 譯 電機及其傳動系統原理、控制、建模和仿真 機械工業出版社

[2] 薛承基.著.張永昌等譯，電機傳動系統控制，機械工業出版社。

[3]谷腰欣司.著.王益全譯，直流電動機實際應用技巧，科學出版社。

[4]王鐵軍.高嵬.饒翔著，電機學要點及典型問題解析，中國電力出版社。

作者簡介：

張新嶺 （1981.10—），男，漢，河北黃驊，講師，碩士，主要電氣儀表方面教學。

（基金項目：河北高等學校技術研究指導項目 手動式電動工具的二元電源系統研究 Z201367）