CN101594115B - 应用于数控系统中的节能装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于数控系统中的节能装置及方法。所述应用于数控系统中的节能装置包括：用于存储供给给电机控制系统的电能的超级电容器；用于连接到功率系统的直流母线上，并为超级电容器充电的电容隔离充电电路；用于将超级电容器存储的电能供给给电机控制系统的电容放电电路；用于监测功率系统的直流母线电压，并控制电容隔离充电电路为超级电容器充电以及超级电容器为电机控制系统供电的监控电路。本发明是用于数控机床、机器人等工厂自动化设备中的一种节能装置。利用超级电容器将电机制动或减速时回馈的电量储存起来，用以给数控系统供电，这样可以减少整套系统的耗电，达到节能的目的。

Description

应用于数控系统中的节能装置及方法
【技术领域】
本发明涉及一种节能装置及方法，特别涉及一种应用于数控系统中的节能装置及方法。
【背景技术】
利用伺服系统的制动回馈能量的技术是电机控制系统节能的一个重要领域。传统的回馈能量是不被收集的，由能耗电阻消耗掉，浪费了大量能量。目前能量回馈的一般做法是在交直交的变频系统中，将系统的全桥整流电路设计成可控的，因此能量可以在开关管的控制下双向流动，制动能量可以回馈到电网上。还有一种作法是直接采用交交变频技术，电能可以以交流的形式双向流动，而无需经过直流变换。随着超级电容器技术的成熟，已有将超级电容器用于电动车储能中，将回馈能量驱动电机，但由于驱动电机所需能量大，因此超级电容器需容量大，导致电路复杂且成本过高，限制了应用。
无论是可控整流技术还是交交变频技术，都存在一定的不足之处：第一、系统采用大量的开关管，设计复杂，成本高；第二、能量在交直交间变换产生损耗，降低了节能效率；第三、可逆的变频技术一般应用于大功率变频，小功率中应用很不经济；第四、回馈的电能以交流的形式回馈到电网，会对电网造成一定的谐波污染；第五、如回馈的瞬时电功率过大，会造成电网电压波动，影响电网稳定；第六、系统的控制复杂，相关技术还不够成熟。
【发明内容】
为了解决现有可控整流技术和交交变频技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种应用于数控系统中的节能装置及方法。
本发明解决现有可控整流技术和交交变频技术存在的上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述应用于数控系统中的节能装置包括：超级电容器(10)、电容隔离充电电路(20)、电容放电电路(30)和监控电路(40)；所述超级电容器(10)，用于存储供给给电机控制系统的电能；所述电容隔离充电电路(20)，用于连接到伺服驱动系统的直流母线上，并为超级电容器(10)充电；所述电容放电电路(30)，用于将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统；所述监控电路(40)，用于监测伺服驱动系统的直流母线电压，并控制电容隔离充电电路(20)为超级电容器(10)充电以及超级电容器(10)为电机控制系统供电；所述伺服驱动系统的所述直流母线上的电压有一个门限电压值，当所述监控电路(40)监测到电机的能量反馈使得所述直流母线的电压升高高过所述门限电压值时，所述监控电路(40)控制所述电容隔离充电电路(20)为所述超级电容器(10)充电。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述超级电容器的容量由伺服驱动系统功率的大小决定。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述电容隔离充电电路是DC/DC变换器。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述节能装置安装于一套数控系统中。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述节能装置安装于多套数控系统中。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述电容隔离充电电路包括三极管S1、二极管D1和电感L1；所述三极管S1，用于在监控电路的作用下开启或关闭；所述二极管D1和电感L1，用于为超级电容器)充电。
根据本发明应用于数控系统中的节能装置的一优选实施例，所述电容放电电路包括三极管S2、二极管D2、电感L2和电容C1；所述三极管S2，用于在监控电路的作用下开启或关闭；所述二极管D2、电感L2和电容C1，用于将超级电容器存储的电能供给给电机控制系统。
本发明还提供了一种应用于数控系统中的节能方法，其特征在于：所述应用于数控系统中的节能方法包括以下步骤；a.监控电路(40)监测伺服驱动系统的直流母线电压，所述直流母线电压有一个门限电压值，当所述监控电路(40)监测到电机的能量反馈使得所述直流母线电压升高高过所述门限电压值时，所述监控电路(40)控制所述电容隔离充电电路(20)为所述超级电容器(10)充电；b.电容隔离充电电路(20)为超级电容器(10)充电；c.电容放电电路(30)将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统。
根据本发明应用于数控系统中的节能方法的一优选实施例，所述第三步中电容放电电路将超级电容器存储的电能供给给电机控制系统的DC电源上，使DC电源轻载。
采用上述装置及方法时，没有将电机制动或减速时产生的电能回馈到电网上，而是通过超级电容器将能量存储起来，用来给电机控制电路的直流电源供电，使整套系统减少了对电网的用电，达到了节能的目的；且本发明的节能装置结构简单，成本较低；本发明的节能装置可作为一套单独的节能设备安装，同时供多套自动化设备使用，更加优化效率和成本；本发明的节能装置几乎无需改动原有系统，可用于对旧自动化设备的节能改造。
【附图说明】
图1是本发明应用于数控系统中的节能装置的结构示意图；
图2是本发明应用于数控系统中的节能装置的电路拓扑图；
图3是本发明应用于数控系统中的节能装置的应用示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1本发明应用于数控系统中的节能装置的结构示意图。如图1所示，所述应用于数控系统中的节能装置包括：超级电容器10、电容隔离充电电路20、电容放电电路30和监控电路40。所述超级电容器10，用于存储供给给电机控制系统的电能，所述超级电容器10的容量由伺服驱动系统功率的大小决定，因为存储的能量被转换到电机控制系统的电源端，为弱电电路供电，所以所需超级电容的容量较小，当伺服驱动系统的功率端回馈能量过大超过其极限值时，超级电容器10的充电电路无法完全吸收，则由耗能电阻将多余电能转换为热能释放掉。所述电容隔离充电电路20，用于连接到伺服驱动系统的直流母线上，并为超级电容器10充电，所述电容隔离充电电路20是DC/DC变换器，使高低压电路两端隔离，以保证系统安全。所述电容放电电路30，用于将超级电容器10存储的电能供给给电机控制系统。所述监控电路40，用于监测伺服驱动系统的直流母线电压，并控制电容隔离充电电路20为超级电容器10充电以及超级电容器10为电机控制系统供电。所述节能装置可以安装于一套数控系统中或者多套数控系统中。
请参阅图2，图2是本发明应用于数控系统中的节能装置的电路拓扑图。所述电容隔离充电电路20包括三极管S1、二极管D1和电感L1；所述三极管S1，用于在监控电路40的作用下开启或关闭；所述二极管D1和电感L1，用于为超级电容器10充电。三极管S1、二极管D1、电感L1与超级电容器10构成一个Buck电路，将高压直流电变换到低压直流电并为超级电容器10充电。监控电路40根据检测的电压电流值，控制开关管S1的开启与关闭，通过电感L1和D1为超级电容器充电。所述电容放电电路30包括三极管S2、二极管D2、电感L2和电容C1；所述三极管S2，用于在监控电路40的作用下开启或关闭；所述二极管D2、电感L2和电容C1，用于将超级电容器10存储的电能供给给电机控制系统。三极管S2、二极管D2、电感L2与电容C1构成一个Buck-Boost电路，将超级电容器10的电压变换到电机控制系统的电源端，无论超级电容器10的电压高于或低于电机控制系统电源电压，都可通过电路提供能量。
在本实施中，结合图1，应用于数控系统中的节能方法包括以下步骤：
步骤一、监控电路40监测伺服驱动系统的直流母线电压，并控制电容隔离充电电路20为超级电容器10充电。
所述步骤一中伺服驱动系统的直流母线电压有一个门限电压值，当监控电路40监测到电机的能量反馈使得母线电压升高高过门限电压时，控制电容隔离充电电路20为超级电容器10充电。
步骤二、电容隔离充电电路20为超级电容器10充电。
步骤三、电容放电电路30将超级电容器10存储的电能供给给电机控制系统的DC电源上，使DC电源轻载。
所述步骤三中电容放电电路30将超级电容器10存储的电能供给给电机控制系统的DC电源上，使DC电源轻载，不再从电网获取电能。当超级电容器10中的电能用完后，电机控制系统才再用电网电能。
请参阅图3，图3是本发明应用于数控系统中的节能装置的应用示意图。所述节能装置的左侧是伺服驱动系统电路，整流器将电网供给的电量整流至高压直流母线上，通过逆变器驱动电机运行。当电机制动或减速时，能量通过逆变器回馈到高压直流母线上。所述节能装置的右侧是电机控制系统，由开关电源提供24V直流电压，电机控制系统是电源的负载。所述节能装置将超出门限电压的高压直流母线部分的电量通过节能装置中的电容隔离充电电路20为超级电容器10充电，然后再通过节能装置中的电容放电电路30，将电能传输到电机控制系统电源母线上，代替开关电源的工作。
采用上述装置及方法时，没有将电机制动或减速时产生的电能回馈到电网上，而是通过超级电容器将能量存储起来，用来给电机控制电路的直流电源供电，使整套系统减少了对电网的用电，达到了节能的目的；且本发明的节能装置结构简单，成本较低；本发明的节能装置可作为一套单独的节能设备安装，同时供多套自动化设备使用，更加优化效率和成本；本发明的节能装置几乎无需改动原有系统，可用于对旧自动化设备的节能改造。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述应用于数控系统中的节能装置包括：超级电容器(10)、电容隔离充电电路(20)、电容放电电路(30)和监控电路(40)；
所述超级电容器(10)，用于存储供给给电机控制系统的电能；
所述电容隔离充电电路(20)，用于连接到伺服驱动系统的直流母线上，并为超级电容器(10)充电；
所述电容放电电路(30)，用于将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统；
所述监控电路(40)，用于监测伺服驱动系统的直流母线电压，并控制电容隔离充电电路(20)为超级电容器(10)充电以及超级电容器(10)为电机控制系统供电；
所述伺服驱动系统的所述直流母线上的电压有一个门限电压值，当所述监控电路(40)监测到电机的能量反馈使得所述直流母线的电压升高高过所述门限电压值时，所述监控电路(40)控制所述电容隔离充电电路(20)为所述超级电容器(10)充电。
2.根据权利要求1所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述超级电容器(10)的容量由伺服驱动系统功率的大小决定。
3.根据权利要求1所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述电容隔离充电电路(20)是DC/DC变换器。
4.根据权利要求1所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述节能装置安装于一套数控系统中。
5.根据权利要求1所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述节能装置安装于多套数控系统中。
6.根据权利要求1至5任一所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述电容隔离充电电路(20)包括三极管S1、二极管D1和电感L1；
所述三极管S1，用于在监控电路(40)的作用下开启或关闭；
所述二极管D1和电感L1，用于为超级电容器(10)充电。
7.根据权利要求1至5任一所述的应用于数控系统中的节能装置，其特征在于：所述电容放电电路(30)包括三极管S2、二极管D2、电感L2和电容C1；
所述三极管S2，用于在监控电路(40)的作用下开启或关闭；
所述二极管D2、电感L2和电容C1，用于将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统。
8.一种应用于数控系统中的节能方法，其特征在于：所述应用于数控系统中的节能方法包括以下步骤；
a.监控电路(40)监测伺服驱动系统的直流母线电压，所述直流母线电压有一个门限电压值，当所述监控电路(40)监测到电机的能量反馈使得所述直流母线电压升高高过所述门限电压值时，所述监控电路(40)控制所述电容隔离充电电路(20)为所述超级电容器(10)充电；
b.电容隔离充电电路(20)为超级电容器(10)充电；
c.电容放电电路(30)将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统。
9.根据权利要求8所述的应用于数控系统中的节能方法，其特征在于：所述步骤c中电容放电电路(30)将超级电容器(10)存储的电能供给给电机控制系统的DC电源上，使DC电源轻载。
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