摘 要： 本文給出了超級電容器應(yīng)用在變頻器中的一個(gè)實(shí)例。用超級電容器存儲電動機(jī)再生能量，該法在礦山提升機(jī)變頻器上使用效果良好。已有多臺這樣的設(shè)備在礦山正常運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：超級電容器 再生能量 變頻器 礦山提升機(jī) Abstract: This paper presents a practical example for application of super capacitors in the inverters. The rebirth-energy of motor is saved in super capacitors. With this method a good effect is acquired on the mine-winding shaft. Several this kind of equipments are working well on the mine . keywords: super capacitors rebirth-energy inverter mine-winding shaft 一． 引言 國產(chǎn)超級電容器已有多個(gè)品牌推向市場，不失時(shí)機(jī)地把這種新型優(yōu)異無源儲能元件應(yīng)用到電子、電器設(shè)備中去是整機(jī)廠商責(zé)無旁貸的任務(wù)。 超級電容器（Super capacitor 或 Ultra-capacitor）商業(yè)應(yīng)用在國外已有20多年的歷史。它功率密度極高、充電時(shí)間極短、使用壽命極長等優(yōu)異特性是常規(guī)電容器所無法比擬的，其應(yīng)用前景十分廣闊，尤其在電源業(yè)將會有上佳的表現(xiàn)。 我公司是變頻器專業(yè)生產(chǎn)廠商，對處理電動機(jī)再生能量進(jìn)行過深入研究，研究的目的是把變頻器推廣到礦山提升機(jī)上去。 　　 變頻調(diào)速系統(tǒng)已在泵類、風(fēng)機(jī)類負(fù)載上廣泛應(yīng)用，并且普及勢頭強(qiáng)勁，這是因?yàn)榇蠹覍ψ冾l器調(diào)速性能之優(yōu)良、節(jié)能效果之明顯有了深刻認(rèn)識。變頻調(diào)速系統(tǒng)在提升類負(fù)載上的推廣不象以上兩類負(fù)載那么順利，那么廣泛。其原因卻很簡單，那就是提升機(jī)，特別是大容量提升機(jī)對變頻器要求太高，使得在這個(gè)領(lǐng)域推廣變頻器風(fēng)險(xiǎn)很大，例如礦山提升機(jī)，它是24小時(shí)連續(xù)作業(yè)，哪怕是十分鐘的故障停機(jī)，也會打亂操作秩序，給生產(chǎn)帶來麻煩和損失。從技術(shù)上講，它要求變頻器有兩倍于額定轉(zhuǎn)矩以上的啟動轉(zhuǎn)矩、1.6倍額定轉(zhuǎn)矩以上的低頻轉(zhuǎn)矩、大于額定轉(zhuǎn)矩的制動轉(zhuǎn)矩，有時(shí)還對加速轉(zhuǎn)矩有很高的要求。更有甚之，還要求四象限運(yùn)行。因?yàn)橹匚锵路艜r(shí)，在重力的作用下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能大于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，再生能量使母線電壓升高，此時(shí)必須把這部分能量迅速轉(zhuǎn)移，或回饋電網(wǎng)或用耗能電阻消耗掉。還有，礦山電網(wǎng)波動大、空氣中粉塵含量高，這給變頻器的可靠性帶來很大威脅。以上這些因素使得提升機(jī)變頻調(diào)速化困難較大,進(jìn)展緩慢. 不管礦山提升機(jī)提出了怎樣的要求,變頻器生產(chǎn)廠家都必須想法克服,因?yàn)檫@是一塊非常大的市場,如果問題解決的好,將對我國礦山開采業(yè)的發(fā)展有非常大的影響。當(dāng)前礦用提升機(jī)多用機(jī)械變速或用線繞式異步電動機(jī)調(diào)速。線繞式異步電動機(jī)調(diào)速方法是轉(zhuǎn)子串電阻，這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率大、啟動電流和換檔電流沖擊大、中高速運(yùn)行震動大、制動不安全不可靠、對再生能量處理不力、運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)容易掉道，故障率高?？傊冾l器配套提升機(jī)十分必要，原提升機(jī)進(jìn)行變頻改造，任務(wù)繁重又迫切。 2000年山東風(fēng)光電子公司已經(jīng)把變頻器推廣到了礦山提升機(jī)[1]，已經(jīng)正常運(yùn)行兩年多，用戶們反映良好。當(dāng)時(shí)對再生能量的處理辦法是回饋電網(wǎng)，這當(dāng)然是個(gè)好辦法，但由于電網(wǎng)波動大，再生能量回饋時(shí)對電網(wǎng)有沖擊，或者說對電網(wǎng)有一定程度的污染，處理再生能量的原始辦法是耗能電阻，這部分能量被白白浪費(fèi)掉，該電阻容易燒壞且要求很大的散熱空間。對再生能量還有更好的處理辦法嗎？本文提出用超級電容器儲能的辦法來處理再生能量，實(shí)用效果不錯(cuò)，已有多臺這種設(shè)備正在礦山正常運(yùn)行。 二、處理再生能量的新思路 現(xiàn)在市場上，有一種新型大容量儲能元件——超級電容器。據(jù)文獻(xiàn)介紹，超級電容器的技術(shù)參數(shù)可達(dá)： 容量 0.2～600F 耐壓 14～400V 壽命 十年以上，而且免維護(hù) 若用1F、400V的電容器C，充滿電時(shí)所儲的能量為 WC=（1/2）CUC2=1/2（400）2=80000=80（KJ） 式中UC為電容上的電壓。 由此可見，所儲能量十分可觀。我們擬將這種器件用來處理再生能量。 選用合適容量、合適耐壓的超級電容器作為再生能量的存儲器，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，母線電壓上升，這時(shí)為電容充電，使母線電壓下降。當(dāng)再生發(fā)電過程結(jié)束、母線電壓回落到安全值時(shí)，讓大電容向母線放電，將存儲在電容上的電能再回饋到母線上去，我們認(rèn)為這種思路是可行的。 三、充電、放電回路的設(shè)計(jì) 現(xiàn)將我公司原提升機(jī)變頻器的再生能量回饋部分按新思路重新設(shè)計(jì)。主回路如圖1 所示。 [align=center] 圖1 超級電容充、放電回路[/align] 超級電容器以CB表示，其額定電壓為UCBO，瞬時(shí)電壓為UCB， 母線電壓為UBUS ，所允許的最大值為Umax ， L為能量轉(zhuǎn)換電感, BT3為耗能支路的通/斷控制開關(guān)。 斬波驅(qū)動信號的波形如圖2所示。 [align=center] 圖2 斬波驅(qū)動信號的波形[/align] 1、 CB容量的選擇 現(xiàn)有超級電容的額定電壓最高為400V，只可取這種電容器，為安全起見，取UCBO=350V，設(shè)提升重量為WG（kg），重物最大速度限定為Vmax（m/s）。 當(dāng)WG以Vmax速度下滑時(shí)，使用電動制動（例如直流制動），讓速度降為零，動能將全部轉(zhuǎn)化成再生電能。現(xiàn)要把這部分能量儲存在CB上， （1/2）CBUCBO2=（1/2）WG（Vmax）2 用戶給定：WG=6000 kg Vmax=4.7 m/s CB= [WG（Vmax）2]/ UCBO2=[6000＊（4.7）2]/3502=1.07（F） 市場上400V的超級電容，單支最大容量為0.58F，所以要用兩支并聯(lián)使用，實(shí)取數(shù)值為： CB=0.58＊2=1.16F 2、 充電斬波信號占空比B的考慮 為確保CB的安全，一定不能讓CB充電超過UCBO。本設(shè)計(jì)采取兩個(gè)措施，其一是控制充電速度。讓占空比隨UBUS 的升高而下降。 第二個(gè)措施是增設(shè)耗能電阻放電回路。 3、 耗能電阻放電回路 耗能電阻放電回路見圖1，它是否啟動由BT3來控制。如果發(fā)電狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長，UCB升至UCBO后還有再生電流流入，就開啟耗能電阻放電回路。 4、超級電容器向母線回送電能的設(shè)計(jì)。 CB向母線放電時(shí)，先讓 CB通過L和放電支路到地放電，使L充磁。然后，L和CB通過充電支路向母線回送電流。在本設(shè)計(jì)中，希望每次充磁電流的終值基本恒定，因?yàn)閁CB是逐漸下降的，所以讓占空比B隨UCB的下降而變大，B由0.1隨時(shí)間均勻增長至0.9。如圖3所示。 [align=center] 圖3 B～UCB關(guān)系[/align] 四、實(shí)用效果及討論 第一臺改裝機(jī)上的具體運(yùn)行參數(shù)是這樣設(shè)定的： 從電網(wǎng)上另取一條支路經(jīng)整流濾波后的電壓作為參考電壓Uref，Uref獨(dú)立于變頻器母線電壓UBUS，UBUS隨再生發(fā)電的強(qiáng)弱而波動，波動的幅度是通過UBUS 與Uref的比較來衡量的。 當(dāng)UBUS－Uref≥60時(shí)，CB開始充電； 當(dāng)UBUS－Uref≤30時(shí)，CB停止充電； 當(dāng)UBUS－Uref <10時(shí)，CB開始放電； 當(dāng)UCB≥350V時(shí)，開啟耗能電阻放電回路； 當(dāng)UCB<350時(shí)，關(guān)閉耗能電阻放電回路； 當(dāng)UCB<50時(shí)，CB放電停止。 　　 按這樣設(shè)置，設(shè)備一直運(yùn)行良好，已經(jīng)正常工作半年多，提升機(jī)每升降一次都會有一次CB的充放電過程。過程進(jìn)行的十分平穩(wěn)。UBUS的浮動從不超過60V。耗能電阻放電回路一般不參與運(yùn)行，它是對CB的一種保護(hù)措施，正常工作時(shí)不動作。 　 用這種儲能法處理再生能量，對電網(wǎng)毫無影響，能量又被再利用，使得變頻器節(jié)能的優(yōu)勢更加突出。 如果提升機(jī)功率很大，工況又使發(fā)電效應(yīng)十分突出，這種情況仍可繼續(xù)采用儲能方案，但不用耗能電阻，而把CB上儲不下的能量經(jīng)二次逆變回饋電網(wǎng)。因?yàn)閁CB比UBUS穩(wěn)定的多，所以逆變回饋會容易的多。 超級電容器是介于普通電容器和蓄電池之間的優(yōu)異儲能元件，第一次被用到變頻器中，在此以前未見有相關(guān)報(bào)道，愿與有興趣的單位和個(gè)人交流經(jīng)驗(yàn)和信息。 參考文獻(xiàn): 1. 礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，《變頻器世界》，2000年第9期 李瑞來、韓文昭 2. 交流調(diào)速系統(tǒng) 陳伯時(shí) 陳敏遜 作者簡介: 李瑞來 ——清華大學(xué)畢業(yè), 致力于電力電子、電氣傳動與控制的研究，高級工程師，現(xiàn)任山東風(fēng)光電子有限責(zé)任公司總工。