CN118017759A - 一种充放电装置及其工作状态切换方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种充放电装置及其工作状态切换方法，该装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器。其中，第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路分别串联在三相电机与供电系统之间的三相输入输出线路上，第一接触器和第二接触器则分别串联在其中两相输出之间。本申请根据断路器、第一接触器和第二接触器的开关组合形式将所述充放电装置的工作状态切换至充放电状态或紧急制动状态。本申请的充放电装置结构简单，性能可靠，通过断路器和接触器即可实现工作状态的切换。并且整体装置占地面积更小，占地面积可减少50％以上，大大减少装置体积。

Description

一种充放电装置及其工作状态切换方法

技术领域

本申请涉及电机控制领域，尤其涉及一种充放电装置及其工作状态切换方法。

背景技术

飞轮储能电机是一种利用大惯量转子实现“动能”“电能”转换的装置，在实际运行过程中即可作为电动机驱动飞轮转子加速旋转储存电能，又可作为发电机将转子动能转换为电能输出。根据上述特性，飞轮储能电机被广泛应用于地铁制动能量回收、UPS不间断电源等领域。

随着技术的发展以及市场的需求，飞轮转速不断提高，随之而来的有两个主要问题：一是充电时随着转子转速升高，电机反电势以及所要求的电流频率均升高，而整个电源系统功率器件开关频率为恒定值，输出的电流波形质量逐渐下降，谐波含量上升，因此功率模块在进行电能变换时需引入电抗器以改善电流波形质量，降低充电过程中电压波动和电流谐波的干扰；二是高转速飞轮对于安全性要求提高，一旦出现飞轮转子失稳等严重故障可造成重大财产损失与人员伤亡，因此在运行过程中需要配备制动电阻与断路器来应对飞轮工作过程中的突发状况。

当前业内主流设计方案通常是采用电抗器与断路器串联进主电路、制动电阻通过一个三相接触器并联加入主电路的方式实现，该方案电路模型如图1所示，该方案通过需要两套单独的装置(通常为电抗器柜与制动电阻柜)解决上述问题，同时因为制动电阻作为并联支路连接到主电路中，因此需要加入一个三相接触器作为切换开关，整个方案所需的电气元件较多且位置较为零散，电路铺设完成后会导致设备整体占用空间较大，同时存在一定的资源浪费。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种充放电装置及其工作状态切换方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种充放电装置，所述装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器；所述第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中均设有用于控制电路通断状态的断路器，所述第一相充放电电路串联在三相电机第一相输出与供电系统第一相输入之间，所述第二相充放电电路串联在三相电机第二相输出与供电系统第二相输入之间，所述第三相充放电电路串联在三相电机第三相输出与供电系统第三相输入之间，所述第一接触器串联在三相电机的第一相输出与第二相输出之间，所述第二接触器串联在三相电机的第二相输出与第三相输出之间。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种充放电装置的工作状态切换方法，所述工作状态切换方法应用于本申请实施例第一个方面所述的充放电装置，所述方法包括：

控制所述断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态；

根据所述断路器、第一接触器和第二接触器的开关组合形式将所述充放电装置的工作状态切换至充放电状态或紧急制动状态。

采用本申请实施例中提供的充放电装置结构简单，性能可靠，通过断路器和接触器即可实现工作状态的切换。并且，本申请实施例的充放电装置较现有充放电方案相比较所需的电气元件更少，实现基本充放电功能的基础上整体装置占地面积更小，占地面积可减少50％以上，大大减少装置体积。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有充放电电路的电路图；

图2为本申请实施例1提供的一种充放电装置的结构示意图；

图3为本申请实施例1提供的一种充放电装置的电路图；

图4为本申请实施例2提供的一种充放电装置的工作状态切换方法的流程图；

图5为充放电装置在充放电状态下的等效电路图；

图6为充放电装置在紧急制动状态下的等效电路图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图2所示，本实施例提出一种充放电装置，该装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器。其中，第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路分别串联在三相电机与供电系统之间的三相输入输出线路上，第一接触器和第二接触器则分别串联在其中两相输出之间。

具体的，本实施例中，第一相充放电电路串联在三相电机第一相输出与供电系统第一相输入之间。第二相充放电电路串联在三相电机第二相输出与供电系统第二相输入之间。第三相充放电电路串联在三相电机第三相输出与供电系统第三相输入之间。在该第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中均设置有断路器，通过控制该断路器的通断可以用来控制该第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路的工作状态。第一接触器串联在三相电机的第一相输出与第二相输出之间。第二接触器串联在三相电机的第二相输出与第三相输出之间。通过断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态组合形式能够切换当前充放电装置的工作状态。

本实施例中，第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路的电路组成基本相同，均是由电抗器、电阻以及断路器组成。本实施例中的电抗器与传统常用的电抗器设计相同，由线圈、铁芯以及端子组成。铁芯材质为硅钢片，线圈为铜导线绕制而成。三相充放电电路中的电阻阻值相同。如图3所示，第一相充放电电路包括第一电抗器、第一电阻和第一断路器。第一电抗器与第一断路器串联后与第一电阻并联。具体为：第一电抗器的一端连接三相电机的第一相输出和第一电阻的一端，第一电抗器的另一端连接第一断路器的固定端；第一断路器的活动端连接第一电阻的另一端和供电系统第一相输入。当第一断路器断开时，第一电抗器将被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第一断路器闭合时，第一电抗器将串联在三相电机和供电系统之间。

相应的，第二相充放电电路包括第二电抗器、第二电阻和第二断路器。第二电抗器与第二断路器串联后与第二电阻并联。具体为：第二电抗器的一端连接三相电机的第二相输出和第二电阻的一端，第二电抗器的另一端连接第二断路器的固定端；第二断路器的活动端连接第二电阻的另一端和供电系统第二相输入。当第二断路器断开时，第二电抗器将被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第二断路器闭合时，第二电抗器将串联在三相电机和供电系统之间。

相应的，第三相充放电电路包括第三电抗器、第三电阻和第三断路器。第三电抗器与第三断路器串联后与第三电阻并联。具体为：第三电抗器的一端连接三相电机的第三相输出和第三电阻的一端，第三电抗器的另一端连接第三断路器的固定端；第三断路器的活动端连接第三电阻的另一端和供电系统第三相输入。当第三断路器断开时，第三电抗器将被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第三断路器闭合时，第三电抗器将串联在三相电机和供电系统之间。

断路器和接触器是电力系统中重要的开关设备，可用于控制电路的通断。在电力配电系统中，如果只有单个断路器或接触器时，一旦该断路器或接触器故障或需要维修，就会对电网运行造成很大的影响。因此，本实施例中，为了提高充放电装置可靠性和安全性，采用了第一断路器、第二断路器和第三断路器三相联动控制，同时，第一接触器和第二接触器也采用联动控制。由此可以避免单个断路器或接触器故障或需要维修时，仍然能够保障充放电装置的正常运行。需要说明的是，本实施例中，第一接触器和第二接触器也可以作为一个整体，即接触器采用2p接触器实现，该2p接触器共分为2路，a、b端子为第一路，c、d端子为第二路，a端子连接到三相电机的第一相输出端，b、c端子连接到三相电机的第二相输出端，d端子连接到三相电机的第三相输出端。

本实施例的充放电装置结构简单，性能可靠，通过断路器和接触器即可实现工作状态的切换。并且，本申请实施例的充放电装置较现有充放电方案相比较所需的电气元件更少，实现基本充放电功能的基础上整体装置占地面积更小，占地面积可减少50％以上，大大减少装置体积。

实施例2

本实施例提出一种充放电装置的工作状态切换方法，该充放电装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器。其中，第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路分别串联在三相电机与供电系统之间的三相输入输出线路上，第一接触器和第二接触器则分别串联在其中两相输出之间。其中，该充放电装置的具体组成可参照实施例1所记载的内容，本实施例不再进行赘述。如图4所示，该充放电装置的工作状态切换方法具体包括：

控制断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态；

根据断路器、第一接触器和第二接触器的开关组合形式将所述充放电装置的工作状态切换至充放电状态或紧急制动状态。

具体的，本实施例以三相电机为飞轮储能电机为例，在飞轮储能系统实际运行过程中，该充放电装置共分为充放电和紧急制动两种工作状态，在该两种工作状态下，第一断路器、第二断路器、第三断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态如表1所示：

表1断路器与接触器的开关状态与充放电装置工作状态对应关系

工作状态	第一断路器	第二断路器	第三断路器	第一接触器	第二接触器
						停机	关断	关断	关断	关断	关断
充电	闭合	闭合	闭合	关断	关断
						放电	闭合	闭合	闭合	关断	关断
紧急制动	关断	关断	关断	闭合	闭合

该充放电装置在停机状态下，第一断路器、第二断路器、第三断路器、第一接触器和第二接触器均处于断开状态。

该充放电装置在充放电工作状态下，第一断路器、第二断路器和第三断路器为闭合状态，第一接触器和第二接触器为断开状态。此时，该充放电装置可简化为如图5所示的电路结构。在充电过程中，单相电路中阻抗公式满足：

假设图1所示现有的充放电电路单相阻抗为Z₀，本实施例中充放电装置的单相电路中加入电阻后，如图2所示，单相阻抗为Z，当Z/Z₀大于0.999时可认为两种电路结构相同，此时电阻与电感间应满足公式如下：

该过程可作为本实施例中充放电装置的设计依据，假设一台飞轮储能电机最高转速为5000rpm，对应最高电流频率为250Hz，原电抗器电感值为60μH，则电阻只需要大于0.6欧即可保证充放电功能不受并联电阻的影响。

该充放电装置在紧急制动状态下，第一断路器、第二断路器和第三断路器为断开状态，第一接触器和第二接触器为闭合状态。此时，该充放电装置可简化为如图6所示的电路结构。在紧急制动状态下，电抗器被切除出去，只有电阻串联在三相电机与供电系统之间，与三相电机三相绕组直接连接进行放电，直至三相电机转速下降到安全转速之下。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种充放电装置，其特征在于，所述装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器；所述第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中均设有用于控制电路通断状态的断路器，所述第一相充放电电路串联在三相电机第一相输出与供电系统第一相输入之间，所述第二相充放电电路串联在三相电机第二相输出与供电系统第二相输入之间，所述第三相充放电电路串联在三相电机第三相输出与供电系统第三相输入之间，所述第一接触器串联在三相电机的第一相输出与第二相输出之间，所述第二接触器串联在三相电机的第二相输出与第三相输出之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中的断路器为联动控制。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一接触器和第二接触器为联动控制。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一相充放电电路包括第一电抗器、第一电阻和第一断路器，所述第一电抗器的一端连接三相电机的第一相输出和第一电阻的一端，所述第一电抗器的另一端连接第一断路器的固定端；所述第一断路器的活动端连接第一电阻的另一端和供电系统第一相输入。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二相充放电电路包括第二电抗器、第二电阻和第二断路器，所述第二电抗器的一端连接三相电机的第二相输出和第二电阻的一端，所述第二电抗器的另一端连接第二断路器的固定端；所述第二断路器的活动端连接第二电阻的另一端和供电系统第二相输入。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三相充放电电路包括第三电抗器、第三电阻和第三断路器，所述第三电抗器的一端连接三相电机的第三相输出和第三电阻的一端，所述第三电抗器的另一端连接第三断路器的固定端；所述第三断路器的活动端连接第三电阻的另一端和供电系统第三相输入。

7.如权利要求1至6任一项所述的充放电装置的工作状态切换方法，其特征在于，所述方法包括：

控制所述断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态；

根据所述断路器、第一接触器和第二接触器的开关组合形式将所述充放电装置的工作状态切换至充放电状态或紧急制动状态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述充放电装置的工作状态为充放电状态时，所述断路器为闭合状态，所述第一接触器和第二接触器均为断开状态。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述充放电装置的工作状态为紧急制动状态时，所述断路器为断开状态，所述第一接触器和第二接触器均为闭合状态。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述充放电装置的工作状态还包括停机状态，当所述充放电装置的工作状态为停机状态时，所述断路器、第一接触器和第二接触器均为断开状态。