CN101789633B - 基于超级电容的电动卷扬机储能装置 - Google Patents

基于超级电容的电动卷扬机储能装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于吊装设备技术领域，具体涉及一种基于超级电容的电动卷扬机储能装置。由DC/DC变频器、电感、超级电容、I/O输入输出板、OC CARD、光电编码器、电机和驱动电机变频器组成，其特征在于超级电容和电感分别串联在DC/DC变频器的输出端，DC/DC变频器的另一端连接在驱动电机变频器的直流母线上；驱动电机变频器的整流桥与三相交流电源连接，驱动电机变频器的逆变桥连接电机；电机通过联轴器驱动负载；DC/DC变频器和驱动电机变频器的控制端分别与控制板连接，控制板的端口连接I/O输入输出板，输入输出板连接通过OC CARD连接光电编码器，控制板通过USBCAN连接主机。本发明有效地利用了能源，并避免了再生制动回收的能量对电网造成污染。

Description

基于超级电容的电动卷扬机储能装置
技术领域
本发明属于吊装设备技术领域，具体涉及一种基于超级电容的电动卷扬机储能装置。
背景技术
在吊装设备领域，广泛的使用电动卷扬机进行起升和下降。在起升过程中，电动机做功，将电能转化为被吊装结构的势能；但是在下降或者制动过程中，由于负载做功，电动机此时处于发电状态，被吊装结构的势能转化为电能。如果这部分能量反馈到电网中，势必对电网造成污染。目前，一般采用并联制动电阻来消耗多余的能量，将势能转化为热能，这样就会造成能源的浪费。
为了防止或减小大功率脉冲工作时对电网造成的冲击，储能技术和装置得到了很大的重视。传统的储能方式，有飞轮储能，利用飞轮的惯性来进行能量的回收和利用。由于飞轮的动能取决于飞轮的质量和转速，这就使得飞轮的体积很大，并且飞轮储能的方式不利于能量的管理。目前比较前端的应用是采用超级电容来储能。
本发明提供了一种基于超级电容的电动卷扬机高功率能量储存装置，可以适应于吊装设备功率大幅度变化的要求，提高整个装置的能量效率和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能迅速充放电，充放电寿命长，低电压大电流输出的基于超级电容的电动卷扬机储能装置。
本发明提出的基于超级电容的电动卷扬机储能装置，由DC/DC变频器1、电感7、超级电容9、I/O输入输出板10、OC CARD11、光电编码器12、电机13和驱动电机变频器18组成，其中：超级电容9和电感7分别串联在DC/DC变频器1的输出端，DC/DC变频器的另一端连接在驱动电机变频器18的直流母线上；驱动电机变频器18的整流桥与三相交流电源16连接，驱动电机变频器18的逆变桥连接电机13；电机13通过联轴器驱动负载19；DC/DC变频器1和驱动电机变频器18的控制端分别与控制板17连接，控制板17的端口连接I/O输入输出板10，输入输出板10连接通过OC CARD11连接光电编码器12，控制板17通过USBCAN14连接主机15。
本发明中，所述DC/DC变频器1和驱动电机变频器18均由整流桥2、浪涌保护3、整流滤波回路4、逆变桥5、电流传感器6和电压传感器8组成，整流桥2的输出端连接浪涌保护3，浪涌保护3的输出端连接整流滤波回路4，整流滤波回路4的输出端连接逆变桥5，逆变桥5输出端分别连接电流传感器6和电压传感器8；电流传感器6和电压传感器8分别连接I/O输入输出板10。
本发明中，所述控制板17采用PE-PRO/28335控制板。
本发明中，所述电机13采用永磁同步电机。
本发明的工作原理如下：
卷扬机在提升重物时，系统自动切换到驱动电机变频器牵引负载上升状态，经过驱动电机变频器的逆变桥控制电机运行。当卷扬机下放重物的过程中电机处于发电工作状态，电机由于位能或惯性，其转速会超过同步转速，产生再生制动能量，再生能量通过与驱动电机变频器逆变桥关联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于驱动电机变频器的直流母线采用普通二极管整流桥供电，不能向电网回馈电能，使直流母线产生泵升电压，通过DC/DC变频器给超级电容充电。控制DC/DC变换器中SPWM的占空比，来调节超级电容充电的电流，将重物的势能转换为电能；当超级电容电压超出额定值，停止给超级电容充电，回收的电量以热能形式耗散掉；重物上升时，优先使用超级电容中的电能，通过DC/DC变频器使超级电容放电，超级电容释放能量用于提升重物；当超级电容的容量小于安全工作最小值时，系统自动切断超级电容供电系统，采用外接电源供电。
本发明的特点及效果：本发明新型适应于吊装设备功率大幅波动的要求，超级电容的自适应充放电，充放电效率高、使用寿命长(10万次)，从而提高了整个动力系统能量效率和使用寿命。
本发明的超级电容连接在变频器的直流母线上，能够吸收重物下降和制动过程中产生的电能，调节控制器的SPWM信号的占空比来控制超级电容充放电的电流。
本发明由于超级电容自适应充放电，避免了充放电时产生峰值电流，使超级电容工作在安全电压范围之内，从而提高了超级电容的充放电效率和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的储能装置的电路图。
图中标号：1为DC/DC变频器；2为整流桥；3为浪涌保护；4为整流滤波回路；5为逆变桥；6为电流传感器；7为电感；8为电压传感器；9为超级电容；10为I/O输入输出板；11为OCCARD；12为编码器；13为电机；14为USBCAN；15为主机；16：三相交流电源；17为控制板；18为驱动电机变频器19为负载。
具体实施方式
参照附图，将进一步叙述本发明的具体实施方案。
实施例1：DC/DC变频器1和驱动电机变频器18均采用9R144变频器，电机13采用永磁同步电机，控制板17采用PE-PRO/28335控制板，I/O输入输出板10采用MWPE-STK-IO2，电感7采用北京德恩BKI4.0mH。
如图1所示，超级电容9和电感7分别串联在DC/DC变频器1的输出端；DC/DC变频器1的另一端连接在驱动电机变频器18的直流母线上；驱动电机变频器18的整流桥与三相交流电源16连接，整流后的直流电通过驱动电机变频器18的逆变桥驱动电机13；电机13带动联轴器驱动负载19运行。DC/DC变频器1和驱动电机变频器18的控制端分别与控制板17连接；控制板17的端口分别连接I/O输入输出板10、电压传感器8和电流传感器6。输入输出板10连接通过OC CARD11连接光电编码器12，控制板17通过USBCAN14连接主机15。
所述OC CARD11将采集到的光电编码器12的差动信号转化成集电极信号。
所述I/O输入输出板10具有数字输入和输出功能以及2通道模拟输出功能。为控制板17提供输入输出信号，辅助逆变桥控制和电机控制。使用数字输入信号开关可以启动、停止逆变桥，使用模拟量输入信号可以控制电机的回转速度。
所述超级电容9采用的是Kamcap公司提供的产品，一共有120节单体串联使用，实际工作电压范围为200V-300V，最大充电电流为60A，工作电流为20A。
所述控制板17接受I/O输入输出板10发出的开关量、模拟量信号，及电流电压及速度传感器的信号。根据接收到的信号，判断电机处于发电状态还是电动状态，根据实际情况产生SPWM信号，通过调节SPWM信号的占空比控制DC/DC变频器1的电流，即超级电容9的充放电电流。当超级电容9容量小于卷扬机电机容量时，向超级电容9的IGBT控制开关发出指令，切断超级电容9供电，采用卷扬机外接交流电源供电。控制板17还将所检测到的电压传感器8、电流传感器6与光电编码器12数据通过USBCAN 14传输给主机15。
所述DC/DC变频器1和驱动电机变频器18均包括有整流桥2、浪涌保护3、整流滤波回路4、逆变桥5、电流传感器6、电压传感器8。其中整流桥2把交流电源变换为直流电源；整流滤波回路4为了抑制整流后电压波动和逆变后产生的电流波动，采用电组和电容吸收脉动电压(电流)；逆变桥5同整流桥2相反，逆变桥5是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
所述逆变桥5用于驱动电机用变频器18时，电机13需要的能量是以直流方式通过逆变桥5输出。制动时感生能量再生制动是通过改变逆变桥5开关顺序来实现反馈到直流回路。适当的调节IGBT的触发方式可调节电机的电动和发电时的转矩。
所述逆变桥5用于DC/DC变换器1时，采用Buck-Boost电路，控制超级电容9充放电。
本发明的工作过程如下：
1.当卷扬机下放重物电机速度大于30rpm，且超级电容9电压小于300V时，向IGBT开关发出指令使DC/DC变频器1处于Buck状态，给超级电容9充电。
2.当卷扬机拖动重物上升，电机13速度大于5rpm，且超级电容9电压大于200V时，DC/DC变频器1处于Boost状态，超级电容9通过DC/DC变频器1放电，供电机13使用。
3.充放电时，保证超级电容电压9在(200V-300V)之间，保证充电放电电流不能超过20A。这是为了保证超级电容的工作安全、高效。
4.如果超级电容9电压达到300V，则判断超级电容9充电已满，控制板17向IGBT开关发出指令，切换到电阻制动。
5.在卷扬机提升重物过程中，当超级电容9电压小于电动机电压时，控制板17在向IGBT开关发出指令，切断超级电容9供电，采用外接的三相交流电源16供电。

Claims (3)

1.一种基于超级电容的电动卷扬机储能装置，由DC/DC变频器(1)、电感(7)、超级电容(9)、I/O输入输出板(10)、OC CARD(11)、光电编码器(12)、电机(13)和驱动电机变频器(18)组成，其特征在于超级电容(9)和电感(7)分别串联在DC/DC变频器(1)的输出端，DC/DC变频器(1)的另一端连接在驱动电机变频器(18)的直流母线上；驱动电机变频器(18)的整流桥与三相交流电源(16)连接，驱动电机变频器(18)的逆变桥连接电机(13)；电机(13)通过联轴器驱动负载(19)；DC/DC变频器(1)和驱动电机变频器(18)的控制端分别与控制板(17)连接，控制板(17)的端口连接I/O输入输出板(10)，输入输出板(10)连接通过OCCARD(11)连接光电编码器(12)，控制板(17)通过USBCAN(14)连接主机(15)；其中：所述DC/DC变频器(1)和驱动电机变频器(18)均由整流桥(2)、浪涌保护(3)、整流滤波回路(4)、逆变桥(5)、电流传感器(6)和电压传感器(8)组成，整流桥(2)的输出端连接浪涌保护(3)，浪涌保护(3)的输出端连接整流滤波回路(4)，整流滤波回路(4)的输出端连接逆变桥(5)，逆变桥(5)输出端分别连接电流传感器(6)和电压传感器(8)；电流传感器(6)和电压传感器(8)分别连接I/O输入输出板(10)，所述DC/DC变频器(1)和驱动电机变频器(18)均采用9R144变频器。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的电动卷扬机储能装置，其特征在于所述控制板(17)采用PE-PRO/28335控制板。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的电动卷扬机储能装置，其特征在于所述电机(13)采用永磁同步电机。
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