CN201873431U - 基于igbt功率器件和超级电容技术的停电保磁设备 - Google Patents

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黄清华
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杨立军
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Abstract

本实用新型涉及起重电磁铁的控制设备，特别指一种基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备。本实用新型由三相整流回路、DC/DC降压回路、超级电容器组、IGBT桥式励磁/消磁回路和DSP中央控制系统等组成，其中：三相整流回路输出的直流电压，连接DC/DC降压回路变换成电磁铁的励磁/消磁工作电压，并接在DC/DC降压回路输出端的超级电容器组对DC/DC降压回路的输出进行能量缓冲，为电磁铁的励磁和消磁操作回路提供电源。本实用新型具有高频率、高电压、大电流、低压降等优点，能大大提高设备的运行效率，减小设备的体积。

Description

基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备
技术领域
本实用新型涉及起重电磁铁的控制设备，特别指一种基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备。
背景技术
目前，起重电磁铁配套的停电保磁产品主要有三种类型：有触点停电保磁电控设备、无触点停电保磁电控设备、无触点有源逆变停电保磁电控设备。
有触点停电保磁电控设备电路一般包括整流变压器、二极管整流模块、接触器等。三相交流经变压器降压并经二极管整流模块整流获得直流220V，吸放料操作通过直流接触器切换给起重电磁铁加入正向励磁电流和反向消磁电流，通过板式电阻释放电磁铁储能。此类型产品的主要缺点是消磁时间长，接触器切换过程中产生电火花、噪音大，触头磨损和熔焊、易粘连造成短路故障，接触器使用寿命短，安全性能低，维护费用高，耗能大效率低、电控柜体积不能小型化。
无触点停电保磁电控设备引进智能晶闸管整流模块和PLC控制技术，摒弃主回路中的直流接触器，采用两组反并联晶闸管全控桥方式实现取放料操作的励磁和消磁，但停电时备用电池的投入仍使用接触器。对电磁铁储能仍使用板式电阻进行释放，可靠性与安全性有了一定的提升，但还没有解决节能降耗的问题。
无触点有源逆变停电保磁电控设备是目前较先进的产品，它使用相控有源逆变技术，放料时先使励磁回路进入有源逆变状态，将起重电磁铁剩磁能回馈电网，然后再触发消磁回路工作。由于晶闸管是半可控元件，为了防止有源逆变器的颠覆，必须留有充分的换流角裕度，电压波形畸变率大并引起系统功率因数下降，工作可靠性低，实际电路中为了保护整流模块，主回路中仍需串入限流电阻，即使如此，仍偶有智能模块损坏的情况发生。
目前超级电容的应用在世界范围内仍处于起步阶段，国内超级电容应用于电动汽车或作手持设备的供电电源等方面已有应用实例，申请号为200810053540 3540的专利研究了超级电容在轮胎臂架式起重机上的应用，在起重电磁铁控制设备上的应用还没有先例。
目前国外较先进的停电保磁产品已使用IGBT功率器件，国内也有将IGBT应用于电控的尝试，如申请号为200420031708的专利描述了一种无触点电控柜，它只是把IGBT作为一个通断开关，并不能完成励磁和消磁操作；申请号为200 810228218的专利描述了一种利用蓄电池供电的电磁铁掉电保磁系统，利用IGBT作吸磁和放磁操作，但应用IGBT功率器件于起重电磁铁配套的停电保磁产品未见投入市场。
发明内容
本实用新型的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，基于IGBT功率器件和超级电容技术，提供一种操作直观、维护方便、柜体小型化、并从根本上解决其节能降耗问题的的停电保磁设备。
本实用新型由三相整流回路、DC/DC降压回路、超级电容器组、IGBT桥式励磁/消磁回路和DSP中央控制系统等组成，其中：三相整流回路输出的直流电压，连接DC/DC降压回路变换成电磁铁的励磁/消磁工作电压，并接在DC/DC降压回路输出端的超级电容器组对DC/DC降压回路的输出进行能量缓冲，为电磁铁的励磁和消磁操作回路提供电源。
本实用新型的优点及有益效果：
本实用新型中使用的IGBT功率器件是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，作为新一代新型电力电子半导体器件，其集高频率、高电压、大电流、低压降等优点于一身，能大大提高设备的运行效率，减小设备的体积。超级电容器是近年来新能源器件的一个研究热点，它与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数万法拉。作为一种理想的新型能源器件，具有内阻小，充放电电流大，充放电效率高、循环寿命长、无污染等独特的优点。它的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池之间，由于充放电快速，因此在需要短时提供大功率缓冲、混合动力等系统中有着越来越多的应用，在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的缺陷， 这些特性也使它成为电磁铁停电保磁电控设备的电磁铁储能回馈和停电后备电源的最佳选择。
附图说明
图1是本实用新型的方框图。
图2是本实用新型电原理图。
具体实施方式
由图1、2可知，本实用新型由三相整流回路1、DC/DC降压回路2、超级电容器组3、IGBT桥式励磁/消磁回路和DSP中央控制系统4等组成，其中：三相整流回路1输出的直流电压，连接DC/DC降压回路2变换成电磁铁的励磁/消磁工作电压，并接在DC/DC降压回路2输出端的超级电容器组3对DC/DC降压回路2的输出进行能量缓冲，为电磁铁的励磁和消磁操作回路提供电源。
本实用新型所述的电磁铁的励磁/消磁回路由四个IGBT模块6、7、8、9以半桥的方式组成，起重电磁铁5跨接在两个桥臂上，两个桥臂上下的两个IGBT轮流导通，超级电容器组3给电磁铁线圈加入不同方向的电流，以无触点的方式连接电磁铁进行励磁与消磁操作。所述的超级电容器组3直接并接在DC/DC降压回路2的输出端，或者通过另外的DC/DC升降压回路连接电磁铁励磁/消磁回路，作为电能缓冲，或者为设备提供后备工作电源。当进行电磁铁励磁与消磁操作切换时，所述的励磁/消磁回路关断相应导通的IGBT模块，电磁铁中的储能通过对方的IGBT模块的反向恢复二级管回馈至超级电容器组3中，完成电磁铁储能的回收。
本实用新型的原理和工作流程：
三相整流回路1输出的约514V直流电压，经DC/DC降压回路2斩波变换成电磁铁的励磁/消磁工作电压100-220V，并接在DC/DC降压回路2的超级电容器组3对DC/DC降压回路2的输出进行能量缓冲，为电磁铁的励磁和消磁操作回路提供电源。
上述DC/DC降压回路2为BUCK型斩波变换器，由IGBT模块、平波电感L、平波电容C等构成，IGBT控制方式采用PWM调制方式。
上述起重电磁铁的励磁/消磁回路由IGBT模块6、7、8、9构成，4个IGBT模块以半桥的方式进行连接，电磁铁5接在两个桥臂上，当IGBT模块6、9导通时，超级电容组给电磁铁线圈加入正向工作电流，实现电磁铁的励磁操作，当IGBT模块8、7导通时，超级电容组给电磁铁线圈加入反向工作电流，实现电磁铁的消磁操作。
由于电磁铁是一种大的感性设备，在起重电磁铁的励磁/消磁过程中，电磁铁线圈中有很大的储能，怎样释放或利用这些储能一直是个技术难题，本实用新型巧妙地解决了这个问题，在励磁完成时，直接关断IGBT模块6、9，电磁铁线圈中储能通过IGBT模块8、7的反向恢复二极管回馈到超级电容器中，反之当消磁操作完成后直接关断IGBT模块8、7，电磁铁线圈中储能通过IGBT模块6、9的反向恢复二极管回馈到超级电容器中，这和传统的用能耗板式电阻相比，大大提高了设备的运行效率。
上述DC/DC降压回路2的IGBT模块，加上4个用于励磁/消磁的IGBT模块，这些IGBT模块的通/断控制由DSP中央控制系统4完成，为了确保控制的准确可靠，DSP中央控制系统4还实时地采集主回路母线和电磁铁母线上的电压、电流和IGBT模块的温度等，并将这些信息送到显示面板或以无线的方式送到手持式操作盒。
本实用新型所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行的描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备，它由三相整流回路(1)、DC/DC降压回路（2）、超级电容器组（3）、IGBT桥式励磁/消磁回路和DSP中央控制系统（4）等组成，其特征在于：三相整流回路（1）输出的直流电压，连接DC/DC降压回路（2）变换成电磁铁的励磁/消磁工作电压，并接在DC/DC降压回路（2）输出端的超级电容器组（3）对DC/DC降压回路（2）的输出进行能量缓冲，为电磁铁的励磁和消磁操作回路提供电源。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备，其特征在于所述的电磁铁的励磁/消磁回路由四个IGBT模块(6、7、8、9)以半桥的方式组成，起重电磁铁（5）跨接在两个桥臂上，两个桥臂上下的两个IGBT轮流导通，超级电容器组（3）给电磁铁线圈加入不同方向的电流，以无触点的方式连接电磁铁进行励磁与消磁操作。
3.根据权利要求1或2所述的基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备，其特征在于所述的超级电容器组（3）直接并接在DC/DC降压回路（2）的输出端，或者通过另外的DC/DC升降压回路连接电磁铁励磁/消磁回路，作为电能缓冲，或者为设备提供后备工作电源。
4.根据权利要求1所述的基于IGBT功率器件和超级电容技术的停电保磁设备，其特征在于所述的DC/DC降压回路（2）为BUCK型斩波变换器，由IGBT模块、平波电感L、平波电容C等构成，IGBT控制方式采用PWM调制方式。
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