CN114336871B - 一种提升机应急供电减速制动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升机应急供电减速制动控制方法及装置，该方法增加储能控制环节，利用储能元件吸收和补偿直流母线电能，包括：采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；实时计算电机功率，判断电机运行状态；电机运行状态包括电动状态和回馈制动状态；电动状态判断条件是电机功率为正，回馈制动状态判断条件是电机功率为负；根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态。本发明通过增加储能控制环节，降低了对柴油机动态调节能力的需求，提高了应急供电系统稳定性，对柴油发电机的设计无需较大过载倍数，节约了成本。

Description

一种提升机应急供电减速制动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及机电设备传动控制领域，尤其涉及一种提升机应急供电减速制动控制方法及装置。

背景技术

矿井提升机是矿山的关键设备之一，承担着提升物料和人员的任务。为应对突发情况，如自然灾害导致全矿停电，矿井提升机常采用大功率柴油发电机机作为应急电源，以及实现应急提升。柴油发电机只能馈出功率，无法馈入功率，因此当提升机减速制动时，回馈的能量无法馈至电网，导致直流侧电压升高，制动失败。

现有技术电机制动回馈的能量全部以发热的方式消耗在制动电阻上，系统的效率低；负载加减速造成频繁的负荷冲击，影响应急供电网压不稳定，虽然增大柴油发电机容量可以稳定电网，但导致系统损耗加大，成本增加。

发明内容

本发明提供一种提升机应急供电减速制动控制方法及装置，以降低提升机加减速过程对柴油发电机的负荷冲击，并且提高提升机过程控制的能量利用率。

本发明的一方面，提供了一种提升机应急供电减速制动控制方法，增加储能控制环节，利用储能元件吸收和补偿直流母线电能，所述方法包括：采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；实时计算电机功率，判断电机运行状态；所述电机运行状态包括电动状态和回馈制动状态；所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负；根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态；当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量。

优选的，通过充放电电路升降压，使储能元件的工作在放电或充电状态，所述储能元件为超级电容或锂电池组。

优选的，所述若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态，包括：

判断储能元件是否允许释放电荷；所述是否允许释放电荷的判断依据为储能元件的荷电状态；判断直流电压值低于第一设定值；通过控制充放电电路升压使储能元件工作在放电状态；判断直流电压是否高于第二设定值，若高于第二设定值，则停止升压；若不高于，则继续进行升压；

所述第一设定值为交流输入电压×1.414，所述第二设定值为交流输入电压×1.414×1.05。

优选的，所述若电机工作在回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态，包括：判断直流电压值是否高于第三设定值；通过控制充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；若高于，则继续降压；判断直流电压是否低于第四设定值，若低于第四设定值，则停止降压；所述第三设定值为交流输入电压×1.414×1.05，所述第四设定值为交流输入电压×1.414。

优选的，所述储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能的判断方法为：判断直流电压是否处于泵升状态；所述直流电压泵升状态为制动回馈能量大于储能元件吸收的能量；若处于泵升状态则投入斩波制动控制，通过斩波制动消耗制动回馈的能量。

优选的，所述通过斩波制动消耗制动回馈的电能，包括：判断直流电压是否大于斩波区间的高值；若大于启动斩波制动，斩波电阻投入；判断直流电压是否低于斩波区间的低值，若低于切除斩波电阻，停止斩波制动；若不低于，则继续斩波制动；所述斩波区间的高值为斩波制动投入电阻的电压限制值，斩波区间的低值为斩波制动切除电阻的电压限制值。所述斩波制动高值取交流输入电压×1.414×1.2，所述斩波制动低值取交流输入电压×1.414×1.05。

优选的，所述电机运行状态还包括静止状态，所述静止状态判断条件是电机功率等于零，且电机未转动；当电机运行状态为静止状态时，根据储能元件荷电状态进行电量补充。

优选的，所述当电机运行状态为静止状态时，根据储能元件的荷电状态补充电量，具体包括：判断储能元件电荷是否低于第五设定值；所述第五设定值为储能元件额定状态的电压或者荷电状态的40％；通过控制充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；判断储能元件电荷是否高于第六设定值，若高于第六设定值，则停止降压；若低于第六设定值，则继续降压；所述第六设定值为取储能元件额定状态的电压或者荷电状态的70％。

本发明的另一方面还提供了一种提升机应急供电减速制动控制装置，包括采集模块、电机状态判断模块、储能模块及斩波制动模块，其中，采集模块，用于采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；电机状态判断模块，用于实时计算电机功率，判断电机运行状态；所述电机运行状态包括电动状态和回馈制动状态；所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负；储能模块，用于根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态；斩波制动模块，用于当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量。

优选的，所述储能模块包括储能元件和充放电电路，所述储能元件为超级电容或锂电池组成，通过充放电电路升降压，使储能元件的工作在放电或充电状态。

本发明有益效果

本发明将电机制动回馈的能量回馈至储能元件，系统的效率得到大幅提到；通过增加储能控制环节稳定了直流电压，将电压波动控制在5％以内，较低的电压波动降低了电机转矩脉动，提高了电机调速精度；通过储能环节的吸收和释放，避免了提升机频繁启动、加减速的能量冲击，柴油发电机无需频繁增负荷、减负荷，电网电压稳定，应急供电品质提高；同时采用储能环节后，降低了对柴油机动态调节能力的需求，提高了应急供电系统稳定性，对柴油发电机的设计无需较大过载倍数，节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例提供的一种提升机应急供电减速制动控制方法流程图；

图2为本发明一实施例提供的电机工作状态判断流程图示意图；

图3为本发明一实施例提供的充放电控制电路图；

图4为本发明一实施例提供的控制储能元件工作在放电状态方法流程图；

图5为本发明一实施例提供的控制储能元件工作在充电状态方法流程图；

图6为斩波制动控制电路图；

图7为本发明一实施例提供的斩波制动控制方法流程图；

图8为本发明又一实施例提供的电机工作状态判断流程图示意图；

图9为本发明一实施例提供的机运行状态为静止状态时，储能元件补充电量方法流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明的技术方案。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术电机制动回馈的能量全部以发热的方式消耗在制动电阻上，系统的效率低；负载加减速造成频繁的负荷冲击，影响应急供电网压不稳定，虽然增大柴油发电机容量可以稳定电网，但导致系统损耗加大，成本增加。

为解决上述问题，本发明一实施例，采用超级电容作为能量缓冲环节，缓冲电机加减速负荷冲击，存储电机减速回馈的电能。即在提升机应急供电控制系统在现有技术的基础上新增储能控制环节，充放电控制模块控制直流母线向超级电容充电，也可控制超级电容向直流母线放电，进而实现能量的缓冲。提供的一种提升机应急供电减速制动控制方法，其流程图如1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S100：采集交流输入电压、直流电压、电机电压、电流；

具体的，所述交流输入电压为整流输入线电压U_L,可通过电压传感器采样获得。所述直流电压为整流器输出侧直流电压，可通过电压传感器采样获得。所述电机电压、电流可通过电压电流传感器获得。

步骤S200：实时计算电机功率，判断电机运行状态；

所述电机实时功率通过如下公式获得：

式中U为电机线电压，I为电机线电流，cosθ为电机相位角余弦值。

所述电机工作状态包括电动状态和回馈制动状态。所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负。

步骤S300:根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；

若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机工作在回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态。所述储能环节充放电控制流程如图2所示，包含如下步骤：

步骤S310：若电机功率值为正值，则电机处于电动状态；若电机功率值为负值，则电机处于回馈制动状态。

步骤S320：若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；

步骤S330：若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态。

进一步，通过充放电电路升降压，使储能元件的工作在放电或充电状态，所述储能元件为超级电容或锂电池。

具体的，所述充放电控制电路与储能元件的连接如图3所示。充放电电路由直流侧电容1，IGBT2，IGBT3和电感4组成，与储能元件5连接。所述直流侧电容连接于整流与逆变之间的直流母线。所述储能元件可以是超级电容或者电池。

所述步骤S320所述若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态，图4所示，具体步骤如下：

步骤S321：判断储能元件是否允许释放电荷；

所述是否允许释放电荷的判断依据为储能元件的荷电状态。

当本发明一实施例，储能元件为超级电容时，判断是否允许释放电荷的标准为储能元件电压高于40％额定电压。

步骤S322：判断直流电压值低于第一设定值；

具体的，所述直流电压为直流母线电压值，第一设定值为低于交流输入电压×1.414的某一值，本实施例为了最大限度使用储能元件抵消负载电动态的能量冲击，取第一设定值为交流输入电压×1.414。

步骤323：通过充放电电路升压使储能元件工作在放电状态；

所述充放电电路如图3所示，为半桥式电流可逆斩波电路，可控制升压和降压，以实现直流母线对储能元件的充电或者储能元件对直流母线放电。其控制方法是IGBT2处于关断，IGBT3施以PWM信号，IGBT3导通时储能元件对电感4续流储能，IGBT3关断时储能元件5与电感串联相加，产生电流对直流侧电容1进行充电，该电路工作于升压状态。

步骤324：判断直流电压是否高于第二设定值，若高于第二设定值，则停止升压；若低于第二设定值，则继续执行步骤323。

本发明一实施例中，所述第二设定值为电动态升压放电时直流电压上限，当直流电压超过此值，说明储能元件馈到直流侧的能量大于电机电动态消耗的能量，继续升高会影响直流侧元器件的安全。本实施例第二设定值取交流输入电压×1.414×1.05。

所述步骤S330中回馈制动态降压充电控制流程图如图5所示，具体步骤如下：

步骤S331：判断直流电压值高于第三设定值；

本发明一实施例中，所述直流电压为直流母线电压值，第三设定值为高于交流输入电压×1.414的某一值，本实施例为了最大限度使用储能元件吸收负载回馈制动态的能量冲击，取第三设定值为交流输入电压×1.414×1.05。

步骤332：通过控制充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；

所述充放电电路如图3所示，为半桥式电流可逆斩波电路，可控制升压和降压，以实现直流母线对储能元件的充电或者储能元件对直流母线放电。其控制方法是IGBT3处于关断，IGBT2施以PWM信号，IGBT2导通时直流母线对电感4及储能元件5充电储能，IGBT2关断时电感对储能元件5续流充电储能，此时该电路工作于降压状态。

步骤333：判断直流电压是否低于第四设定值，若低于第四设定值，则停止降压，若高于第四设定值，则继续执行步骤332。

本发明一实施例中，所述第四设定值为制动回馈态降压充电时直流电压下限，当直流电压低过此值，说明直流侧馈到储能元件的能量大于电机制动回馈态产生的能量，继续降高会造成储能元件从应急电源侧吸收电能。本实施例第四设定值取交流输入电压×1.414。

步骤S400:当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量。

进一步，储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能的判断方法为：判断直流电压是否处于泵升状态；所述直流电压泵升状态为制动回馈能量大于储能元件吸收的能量。

当直流电压是否处于泵升状态时，储能环节无法完全消耗电机制动时回馈的电能，投入斩波制动控制，将回馈的电能消耗在制动电阻。

所述直流电压泵升状态是当回馈能量大于储能环节吸收的能量，则直流侧电压会持续升高，即直流电压泵升状态，此时储能元件无法继续吸收制动回馈的电能，必须通过斩波控制环节消耗制动回馈的电能。

在采集直流电压过程中，可在发现回馈的电能大于储能元件吸收的电能时，及时配合投入斩波制动控制，通过制动电阻的投入以消耗电能，直至电机完成减速制动过程。斩波制动控制电路的结构如图6所示，包括直流侧支撑电容6，续流二极管7，斩波IGBT8，制动电阻9。所述斩波制动控制方法流程图如图7所示，包含如下步骤：

步骤S401：判断直流电压是否大于斩波区间高值；

步骤S402：若大于启动斩波制动，斩波电阻投入；

斩波电阻投入，目的为了维持直流电压在斩波区间高低值之间。

步骤S403：判断直流电压是否低于斩波区间低值，若不低于斩波区间低值，则继续进行步骤S402。

所述斩波区间高值为斩波制动投入电阻的电压限制值，斩波区间低值为斩波制动切除电阻的电压限制值。当直流电压高于斩波区间高值，导通IGBT,则斩波电阻投入电路，消耗制动回馈的能量；当直流电压低于斩波区间高值，关断IGBT,则斩波电阻从电路中切除，不再消耗能量。本发明实施例中所述斩波制动高值取交流输入电压×1.414×1.2，所述斩波制动低值取交流输入电压×1.414×1.05。

进一步，电机运行状态还包括静止状态，所述静止状态判断条件是电机功率等于零，且电机未转动。当电机处于静止态时，根据储能元件荷电状态进行电量补充。

针对上述改进，本发明又一实施例提供了一种提升机应急供电减速制动控制方法，其流程图如8所示，该方法在步骤S310-S330的基础上，对步骤S310进行了改进增加了步骤S340，对于静止状态的电机，根据储能元件荷电状态补充电量。即当储能环节电量过低，且电机处于停止态的状况下，有选择的对储能环节补充电量，使得电机在电动状态，储能环节有足够的电量向电机馈入能量，以缓解电机在加速过程中对应急电源的负荷冲击。如流程图9所示，所述当电机运行状态为静止状态时，可根据储能元件的荷电状态补充电量，具体步骤包括：

步骤S431：判断储能元件电荷低于第五设定值；

本发明实施例，所述储能元件不局限于超级电容或者电池，第五设定值为判断储能元件是否电量不足，储能元件电荷低于第五设定值，无法满足电机在下一次电动状态时释放电荷的需求。本实施例中第五设定值为储能元件额定状态的电压或者荷电状态的40％。

步骤432：通过控制充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；

所述充放电电路如图4所示，其控制方法是IGBT3处于关断，IGBT2施以PWM信号，IGBT2导通时直流母线对电感304及储能元件充电储能，IGBT2关断时电感对储能元件5续流充电储能，此时该电路工作于降压状态。

步骤433：判断储能元件电荷是否高于第六设定值，若高于第六设定值，则停止降压，若低于第六设定值，则继续执行步骤432。

所述第六设定值为电机至少满足下一次电动状态时释放电荷的电荷量，本实施例第六设定值取储能元件额定状态的电压或者荷电状态的70％。储能元件留有一定储能空间，以满足制动回馈能量的存储。

采用本发明实施例提供的提升机应急供电减速制动控制方法，电机制动回馈的能量回馈至储能环节，系统的效率大幅提到。通过储能环节稳定直流电压，电压波动控制在5％以内，较低的电压波动降低了电机转矩脉动，提高了电机调速精度。通过储能环节吸收和释放提升机频繁启动、加减速的能量冲击，柴油发电机无需频繁增负荷、减负荷，电网电压稳定，应急供电品质提高。通过采用储能环节后，降低了对柴油机动态调节能力的需求，提高了应急供电系统稳定性，对柴油发电机的设计无需较大过载倍数，节约了成本。

为了执行上述控制方法，下述为本发明一实施例提供的一种提升机应急供电减速制动控制装置，装置包括：采集模块、电机状态判断模块、储能模块及斩波制动模块，其中，

采集模块，用于采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；

电机状态判断模块，用于实时计算电机功率，判断电机运行状态；所述电机运行状态包括电动状态和回馈制动状态；所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负；

储能模块，用于根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态；

斩波制动模块，用于当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量。

进一步，所述储能模块包括储能元件和充放电电路，所述储能元件为超级电容或锂电池组成；通过充放电电路升降压，使储能元件的工作在放电或充电状态。

进一步，所述电机状态判断模块，还用于根据电机功率等于零，且电机未转动，判断电机为静止状态。

本实施例提供的装置能够用于执行上述实施例所示的方法，其执行方式和有益效果类似，在此不再赘述。

本发明实施例中的各个功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或者两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块可以采用硬件的形式实现也可以采用软件功能模块的方式实现。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (6)

1.一种提升机应急供电减速制动控制方法，其特征在于，增加储能控制环节，利用储能元件吸收和补偿直流母线电能，所述方法包括：

采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；

实时计算电机功率，判断电机运行状态；所述电机运行状态包括电动状态和

回馈制动状态；所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负；

根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态；

当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量；

所述若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态，包括：

判断储能元件是否允许释放电荷；所述是否允许释放电荷的判断依据为储能元件的荷电状态；

判断直流电压值低于第一设定值；

通过充放电电路升压使储能元件工作在放电状态；

判断直流电压是否高于第二设定值，若高于第二设定值，则停止升压；

所述第一设定值为交流输入电压*1.414，所述第二设定值为交流输入电压*1.414*1.05；

所述若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态，包括：

判断直流电压值是否高于第三设定值；

通过充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；

判断直流电压是否低于第四设定值，若低于第四设定值，则停止降压；

所述第三设定值为交流输入电压*1.414*1.05，所述第四设定值为交流输入电压*1.414；

所述电机运行状态还包括静止状态，所述静止状态判断条件是电机功率等于零，且电机未转动；当电机运行状态为静止状态时，根据储能元件荷电状态进行电量补充；

所述当电机运行状态为静止状态时，根据储能元件的荷电状态补充电量，具体包括：

判断储能元件电荷是否低于第五设定值；所述第五设定值为储能元件额定状态的电压或者荷电状态的40%；

通过充放电电路降压使储能元件工作在充电状态；

判断储能元件电荷是否高于第六设定值，若高于第六设定值，则停止降压；所述第六设定值为储能元件额定状态的电压或者荷电状态的70%。

2.根据权利要求1所述的提升机应急供电减速制动控制方法，其特征在于，

通过充放电电路升降压，使储能元件工作在放电或充电状态，所述储能元件为超级电容或锂电池。

3.根据权利要求1所述的提升机应急供电减速制动控制方法，其特征在于，

所述储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能的判断方法为：

判断直流电压是否处于泵升状态；所述直流电压泵升状态为制动回馈能量大于储能元件吸收的能量。

4.根据权利要求1所述的提升机应急供电减速制动控制方法，其特征在于，

所述通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量，包括：

判断直流电压是否大于斩波区间的高值；

若大于启动斩波制动，斩波电阻投入；

直流电压低于斩波区间的低值，切除斩波电阻，停止斩波制动；

所述斩波区间的高值为斩波制动投入电阻的电压限制值，斩波区间的低值为斩波制动切除电阻的电压限制值；

所述斩波区间高值取交流输入电压*1.414*1.2，所述斩波区间低值取交流输入电压*1.414*1.05。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的提升机应急供电减速制动控制方法的控制装置，其特征在于：包括，采集模块、电机状态判断模块、储能模块及斩波制动模块，其中，

采集模块，用于采集交流输入电压、直流电压、电机线电压和电流；

电机状态判断模块，用于实时计算电机功率，判断电机运行状态；所述电机运行状态包括电动状态和回馈制动状态；所述电动状态判断条件是电机功率为正，所述回馈制动状态判断条件是电机功率为负；

储能模块，用于根据电机运行状态，控制储能元件的工作状态；若电机处于电动状态，控制储能元件工作在放电状态；若电机处于回馈制动状态，控制储能元件工作在充电状态；

斩波制动模块，用于当储能元件无法完全消耗电机制动回馈的电能时，通过斩波制动控制消耗制动回馈的能量。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于：

所述储能模块包括储能元件和充放电电路，所述储能元件为超级电容或锂电池；通过充放电电路升降压，使储能元件工作在放电或充电状态。