最火电容器在矿山提升机变频器中的应用高温电线阿拉尔钻头组套水果刀五金厨具
发布时间:2022-08-17 03:45:36
电容器在矿山提升机变频器中的应用
摘要:本文给出了超级电容器应用在变频器中的一个实例。用超级电容器存储电动机再生能量,该法在矿山提升机变频器上使用效果良好。已有多台这样的设备在矿山正常运行。
关键词:超级电容器再生能量变频器矿山提升机
一.引言
国产超级电容器已有多个品牌推向市场,不失时机地把这种新型优异无源储能元件应用到电子、黄油枪电器设备中去是整机厂商责无旁贷的任务。
超级电容器(Supercapacitor或Ultra-capacitor)商业应用在国外已有20多年的历史。它功率密度极高、充电时间极短、使用寿命极长等优异特性是常规电容器所无法比拟的,其应用前景十分广阔,尤其在电源业将会有上佳的表现。
我公司是变频器专业生产厂商,对处理电动机再生能量进行过深入研究,研究的目的是把变频器推广到矿山提升机上去。
变频调速系统已在泵类、风机类负载上广泛应用,并且普及势头强劲,这是因为大家对变频器调速性能之优良、节能效果之明显有了深刻认识。变频调速系统在提升类负载上的推广不象以上两类负载那么顺利,那么广泛。其原因却很简单,那就是提升机,特别是大容量提升机对变频器要求太高,使得在这个领域推广变频器风险很大,例如矿山提升机,它是24小时连续作业,哪怕是十分钟的故障停机,也会打乱操作秩序,给生产带来麻烦和损失。从技术上讲,它要求变频器有两倍于额定转矩以上的启动转矩、1.6倍额定转矩以上的低频转矩、大于额定转矩的制动转矩,有时还对加速转矩有很高的要求。更有甚之,还要求四象限运行。因为重物下放时,在重力的作用下,转子的转速可能大于定子旋转磁场的转速,电动机变成了发电机,再生能量使母线电压升高,此时必须把这部美国东北京大学学的研究者们认识到了这个问题分能量迅速转移,或回馈电或用耗能电阻消耗掉。还有,矿山电波动大、空气中粉尘含量高,这给变频器的可靠性带来很大威胁。以上这些因素使得提升机变频调速化困难较大,进展缓慢.
不管矿山提升机提出了怎样的要求,变频器生产厂家都必须想法克服,因为这是一块非常大的市场,如果问题解决的好,将对我国矿山开采业的发展有非常大的影响。当前矿用提升机多用机械变速或用线绕式异步电动机调速。线绕式异步电动机调速方法是转子串电阻,这种系统属于有级调速,转差功率大、启动电流和换档电流冲击大、中高速运行震动大、制动不安全不可靠、对再生能量处理不力、运行中调速不连续容易掉道,故障率高。总之变频器配套提升机十分必要,原提升机进行变频改造,任务繁重又迫切。
2000年山东风光电子公司已经把变频器推广到了矿山提升机[1],已经正常运行两年多,用户们反映良好。当时对再生能量的处理办法是回馈电,这当然是个好办法,但由于电波动大,再生能量回馈时对电有冲击,或者说对电有一定程度的污染,处理再生能量的原始办法是耗能电阻,这部分能量被白白浪费掉,该电阻容易烧坏且要求很大的散热空间。对再生能量还有更好的处理办法吗?本文提出用超级电容器储能的办法来处理再生能量,实用效果不错,已有多台这种设备正在矿山正常运行。
二、处理再生能量的新思路
现在市场上,有一种新型大容量储能元件--超级电容器。据文献介绍,超级电容器的技术参数可达:
容量0.2~600F
耐压14~400V
寿命十年以上从而进1步下降渗透率,而且免维护
若用1F、400V的电容器C,充满电时所储的能量为
WC=(1/2)CUC2=1/2(400)2=80000=80(KJ)
式中UC为电容上的电压。
由此可见,所储能量十分可观。我们拟将这种器件用来处理再生能量。选用合适容量、合适耐压的超级电容器作为再生能量的存储器,电机进入发电状态后,母线电压上升,这时为电容充电,使母线电压下降。当再生发电过程结束、母线电压回落到安全值时,让大电容向母线放电,将存储在电容上的电能再回馈到母线上去,我们认为这种思路是可行的。
三、充电、放电回路的设计
现将我公司原提升机变频器的再生能量回馈部分按新思路重新设计。主回路如图1所示。
图1超级电容充、放电回路
超级电容器以CB表示,其额定电压为UCBO,瞬时电压为UCB,
市场需求或将有所增加母线电压为UBUS,所允许的最大值为Umax,
L为能量转换电感,
BT3为耗能支路的通/断控制开关。
斩波驱动信号的波形如图2所示。
图2斩波驱动信号的波形
1、CB容量的选择
现有超级电容的额定电压最高为400V,只可取这种电容器,为安全起见,取UCBO=350V,设提升重量为WG(kg),重物最大速度限定为Vmax(m/s)。
当WG以Vmax速度下滑时,使用电动制动(例如直流制动),让速度降为零,动能将全部转化成再生电能。现要把这部分能量储存在CB上,
(1/2)CBUCBO2=(1/2)WG(Vmax)2
用户给定:WG=6000k阀芯gVmax=4.7m/s
CB=[WG(Vmax)2]/UCBO2=[6000*(4.7)2]/3502=1.07(F)
市场上400V的超级电容,单支最大容量为0.58F,所以要用两支并联使用,实取数值为:
CB=0.58*2=1.16F
2、充电斩波信号占空比B的考虑
为确保CB的安全,一定不能让CB充电超过UCBO。本设计采取两个措施,其一是控制充电速度。让占空比随UBUS的升高而下降。
第二个措施是增设耗能电阻放电回路这类材料还具有1定的“记忆性”。
光探测器3、耗能电阻放电回路
耗能电阻放电回路见图1,它是否启动由BT3来控制。如果发电状态持续时间较长,UCB升至UCBO后还有再生电流流入,就开启耗能电阻放电回路。
4、超级电容器向母线回送电能的设计。
CB向母线放电时,先让CB通过L和放电支路到地放电,使L充磁。然后,L和CB通过充电支路向母线回送电流。在本设计中,希望每次充磁电流的终值基本恒定,因为UCB是逐渐下降的,所以让占空比B随UCB的下降而变大,B由0.1随时间均匀增长至0.9。如图3所示。
图3B~UCB关系
四、实用效果及讨论
第一台改装机上的具体运行参数是这样设定的:
从电上另取一条支路经整流滤波后的电压作为参考电压Uref,Uref独立于变频器母线电压UBUS,UBUS随再生发电的强弱而波动,波动的幅度是通过UBUS与Uref的比较来衡量的。
当UBUS-Uref≥60时,CB开始充电;
当UBUS-Uref≤30时,CB停止充电;
当UBUS-Uref 10时,CB开始放电;
当UCB≥350V时,开启耗能电阻放电回路;
当UCB 350时,关闭耗能电阻放电回路;
当UCB 50时,CB放电停止。
按这样设置,设备一直运行良好,已经正常除渣设备工作半年多,提升机每升降一次都会有一次CB的充放电过程。过程进行的十分平稳。UBUS的浮动从不超过60V。耗能电阻放电回路一般不参与运行,它是对CB的一种保护措施,正常工作时不动作。
用这种储能法处理再生能量,对电毫无影响,能量又被再利用,使得变频器节能的优势更加突出。
如果提升机功率很大,工况又使发电效应十分突出,这种情况仍可继续采用储能方案,但不用耗能电阻,而把CB上储不下的能量经二次逆变回馈电。因为UCB比UBUS稳定的多,所以逆变回馈会容易的多。
超级电容器是介于普通电容器和蓄电池之间的优异储能元件,第一次被用到变频器中,在此以前未见有相关报道,愿与有兴趣的单位和个人交流经验和信息。
参考文献:1.矿山提升机变频调速系统,《变频器世界》,2000年第9期
李瑞来、韩文昭
2.交流调速系统陈伯时陈敏逊
作者简介:李瑞来——清华大学毕业,致力于电力电子、电气传动与控制的研究,高级工程师,现任山东风光电子有限公司总工。
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