一． 引言

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title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器" title="超級電容器">超級電容器已有多個品牌推向市場，不失時機地把這種新型優(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,，對處理電動機再生能量" title="再生能量">再生能量進行過深入研究,，研究的目的是把變頻器推廣到礦山提升機" title="提升機">提升機上去。
　　
　　變頻調(diào)速系統(tǒng)" title="調(diào)速系統(tǒng)">調(diào)速系統(tǒng)已在泵類,、風(fēng)機類負載上廣泛應(yīng)用,，并且普及勢頭強勁，這是因為大家對變頻器調(diào)速性能之優(yōu)良,、節(jié)能效果之明顯有了深刻認識,。變頻調(diào)速系統(tǒng)在提升類負載上的推廣不象以上兩類負載那么順利，那么廣泛,。其原因卻很簡單,，那就是提升機，特別是大容量提升機對變頻器要求太高,，使得在這個領(lǐng)域推廣變頻器風(fēng)險很大,，例如礦山提升機，它是24小時連續(xù)作業(yè),，哪怕是十分鐘的故障停機,，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,，有時還對加速轉(zhuǎn)矩有很高的要求,。更有甚之，還要求四象限運行,。因為重物下放時,，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,，電動機變成了發(fā)電機,，再生能量使母線電壓升高，此時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變頻調(diào)速化困難較大,進展緩慢.

　　不管礦山提升機提出了怎樣的要求,變頻器生產(chǎn)廠家都必須想法克服,因為這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)前礦用提升機多用機械變速或用線繞式異步電動機調(diào)速,。線繞式異步電動機調(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、中高速運行震動大,、制動不安全不可靠,、對再生能量處理不力,、運行中調(diào)速不連續(xù)容易掉道,，故障率高?？傊冾l器配套提升機十分必要,，原提升機進行變頻改造，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[1>,，已經(jīng)正常運行兩年多，用戶們反映良好,。當(dāng)時對再生能量的處理辦法是回饋電網(wǎng),，這當(dāng)然是個好辦法,，但由于電網(wǎng)波動大，再生能量回饋時對電網(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,，實用效果不錯,，已有多臺這種設(shè)備正在礦山正常運行。

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)文獻介紹,，超級電容器的技術(shù)參數(shù)可達：
??? 容量?0.2～600F
??? 耐壓?14～400V

??? 壽命 十年以上,，而且免維護
??? 若用1F、400V的電容器C,，充滿電時所儲的能量為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,，電機進入發(fā)電狀態(tài)后，母線電壓上升,，這時為電容充電,，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,，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,，我們認為這種思路是可行的,。

三、充電,、放電回路的設(shè)計

　　現(xiàn)將我公司原提升機變頻器的再生能量回饋部分按新思路重新設(shè)計,。主回路如圖1?所示。

圖1?超級電容充,、放電回路

??? 超級電容器以CB表示,，其額定電壓為UCBO,，瞬時電壓為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,。

圖2?斬波驅(qū)動信號的波形

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，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)計采取兩個措施,，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,。
??? CB向母線放電時，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)計中,，希望每次充磁電流的終值基本恒定,，因為UCB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隨時間均勻增長至0.9,。如圖3所示。

圖3 B～UCB關(guān)系

四,、實用效果及討論

第一臺改裝機上的具體運行參數(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獨立于變頻器母線電壓UBUS，UBUS隨再生發(fā)電的強弱而波動,，波動的幅度是通過UBUS 與Uref的比較來衡量的,。
當(dāng)UBUS－Uref≥60時，CB開始充電,；
當(dāng)UBUS－Uref≤30時,，CB停止充電；
當(dāng)UBUS－Uref?<10時,，CB開始放電,；
當(dāng)UCB≥350V時，開啟耗能電阻放電回路,；
當(dāng)UCB<350時,，關(guān)閉耗能電阻放電回路；
當(dāng)UCB<50時,，CB放電停止,。
　　
　　按這樣設(shè)置，設(shè)備一直運行良好,，已經(jīng)正常工作半年多,，提升機每升降一次都會有一次CB的充放電過程。過程進行的十分平穩(wěn),。UBUS的浮動從不超過60V,。耗能電阻放電回路一般不參與運行，它是對CB的一種保護措施,，正常工作時不動作,。
　
　　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),。因為UCB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)報道，愿與有興趣的單位和個人交流經(jīng)驗和信息,。

參考文獻:?
1.?礦山提升機變頻調(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?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,。?

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