手提式电动工具的节能助力解决方法

张新岭+陈巍+陈冬+杨慧静

（河北化工医药职业技术学院.机械系 河北石家庄 050026）

摘 要：根据手提式电动工具有启动频繁的特点，直流电机在正向发电制动模式下发电，利用能量回馈装置，通过升压模块，向电容充电，实现能量回收。制动电阻阻值不同，输出电量也不相同。每次通电时间越短，输出电流越小，节能效果越明显。

关键词：手提式电动工具；能量回收；超级电容；节能

手提式电动工具指用手握持或悬挂进行操作的电动工具。比如施工中常用的电钻，电镐、电动抛光机等。

现有手提式电动工具有启动频繁的特点，工作后关断电源时，在惯性作用下，电机旋转一段时间方能停止，造成了这部分能源的浪费。考虑到手提式电动工具启停频繁的工作模式，这部分能源是相当可观的。回收制动时的能量，使之回馈到电源中，可以提高电源的续航能力，从而达到节能的目的。制动能量回收是指回收电动工具掉电时的惯性动能，通过能量转化将其转化为电能。这部分能量有两种处理方法：一种是串联电阻，以热量形式散发掉；另一种是用能量回馈装置，将其产生的电能经过回馈装置处理返还给电源或电网，这样就避免了能耗。对于手提式电动工具这种频繁启停的工作模式，采用制动能量回收技术节能效果将会非常可观。利用超级电容瞬时充、放电电流大的特点，制定了超级电容与蓄电池并联，启动时超级电容提供助力，断电时超级电容回收电量的二元电源系统。

能量回收方法是：当电机断电时，利用直流电机四象限运行时第二象限正向发电制动模式进行发电。电动工具断电后，在惯性作用下电机转子继续正向旋转。这时将电机正负极与充电电路正负极相连，可以进入发电制动模式，促进电机停转。同时电机转速逐渐降低，输出的电压也逐渐降低，为了保证向超级电容充电的电压稳定，可以通过DC/DC升压模块将电压升到12V，然后再向电容充电，电容充不滿部分可由蓄电池续充。

使用该方法回收电量时，制动电阻阻值不同，输出电量也不相同。采用不同的电阻值，计算输出电量，得到最优值，这也是可回收的总电量。

设回收能量与消耗能量之比为节能比例，节能比例的变化与电动工具每次持续通电时间、输出电流大小有关，假设其回收效率为100%，得到其节能比例变化与通电时间、输出电流大小的关系如图所示：

由图示计算结果可知，每次通电时间越短，输出电流越小，节能效果越明显。例如额定输出情况下，通电时间为1s时，节能比例为36%，2s通电时间情况下，0.5A电流输出时，节能比例高达50%。便携式电动工具的单次持续通电时间一般在1～5s之间，输出电流变化也较大，以常规2-3s的单次通电时间计，综合考虑，回收能量20%以上是可以达到的。

由于蓄电池的充电电路较为复杂，对充电电压、电流要求较高。用12V直流稳压电源对超级电容组充电，随着时间的延长，电容电压逐渐升高，电压变化波形呈指数变化。对电容充满电的时间约为8秒钟，与蓄电池充电速度相比，超级电容的充电速度非常快，这个充电时间相比于能量回收时电机几秒钟的制动时间是吻合的。同时超级电容充电电路简单，充电电流大，制动能量回收充分，因此在能量回收场合应用广泛。能量回收电路可采用超级电容回收能量。

而且电动工具启动时需要较大电流，将使用超级电容组和蓄电池组成二元电源为电机供电，可以提供大扭矩输出，避免铅酸电池的过放电，提高铅酸电池寿命，同时也能为电动工具提供强劲动力；而且还可以回收电机制动时的能量，使之回馈到电源中，提高电源的续航能力，从而达到节能的目的，具有较强的经济效应。

国手提式电动工具产业仍属于劳动密集型产业，产品科学技术含量不高，研发具有节能效果，高品质，高技术含量的手提式电动工具，可以提高产品的市场竞争力，具有重要的意义。

参考文献：

[1]沙欣·费利扎德 著 杨立永 译 电机及其传动系统原理、控制、建模和仿真 机械工业出版社

[2] 薛承基.著.张永昌等译，电机传动系统控制，机械工业出版社。

[3]谷腰欣司.著.王益全译，直流电动机实际应用技巧，科学出版社。

[4]王铁军.高嵬.饶翔著，电机学要点及典型问题解析，中国电力出版社。

作者简介：

张新岭 （1981.10—），男，汉，河北黄骅，讲师，硕士，主要电气仪表方面教学。

（基金项目：河北高等学校技术研究指导项目 手动式电动工具的二元电源系统研究 Z201367）