專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置及其能量回收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電機(jī)變頻系統(tǒng)的能量回收裝置，特別是ー種針對(duì)變頻系統(tǒng)直流母線電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡的能量回收裝置及其能量回收方法。
背景技術(shù)：
采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，在對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的制動(dòng)能量，這些能量被送入變頻器的直流母線，當(dāng)能量過(guò)多時(shí)，會(huì)造成母線電壓過(guò)度升高，為保護(hù)變頻器，必須由制動(dòng)單元通過(guò)能耗電阻把這些多余的能量消耗。為回收這部分能量，可以采用雙向變流器，將母線上的直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣骰仞伻腚娋W(wǎng)，也可以通過(guò)雙向DC/DC變換器利用這部分能量對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，在需要的時(shí)候再通過(guò)雙向DC/DC變換器將超級(jí)電容里儲(chǔ)存的能量回饋到直流母線供負(fù)載使用。將交流電回饋到電網(wǎng)的方法，要求回饋裝置附近同ー變壓器范圍內(nèi)在回饋時(shí)有負(fù)載在用電，否則這部分回饋的能量將在對(duì)電網(wǎng)造成一定的影·響，而通過(guò)雙向DC/DC變換器并且利用電容儲(chǔ)能的方法也有很大的弊端，因?yàn)殡娙輩g體的容量有限，并且能量密度較小，所以具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的系統(tǒng)往往需要數(shù)千只電容進(jìn)行串、并聯(lián)，構(gòu)成儲(chǔ)能單元，質(zhì)量一般達(dá)到數(shù)噸，同時(shí)對(duì)電容單體的一致性要求較高，盡管如此,少量電容的故障仍然會(huì)造成整套系統(tǒng)的不正常運(yùn)行，因此這類(lèi)方法大多應(yīng)用在負(fù)載較小的場(chǎng)合，例如垂直電梯等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足之處提供一種基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置及其能量回收方法，改變目前已有的向電網(wǎng)進(jìn)行能量回饋或通過(guò)雙向DC/DC變換器和超級(jí)電容向直流母線進(jìn)行能量回饋的方式，采用雙向DC/AC變換器和真空儲(chǔ)能飛輪構(gòu)成能量回收裝置，在直流母線電壓高于預(yù)設(shè)閾值吋，通過(guò)雙向DC/AC變換器吸收直流母線上的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使其進(jìn)行能量暫存，當(dāng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，通過(guò)雙向DC/AC變換器將真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)電壓調(diào)整和整流后再送入直流母線供負(fù)載使用。本發(fā)明是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置包括雙向DC/AC變換器和真空儲(chǔ)能飛輪，雙向DC/AC變換器分別與變頻系統(tǒng)直流母線及真空儲(chǔ)能飛輪連接。真空儲(chǔ)能飛輪包括飛輪殼體、盤(pán)式交流電機(jī)、飛輪慣性體、真空系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器，飛輪殼體用于安裝飛輪慣性體和盤(pán)式交流電機(jī)，飛輪殼體除提供上述部件的支撐外，還具有維持真空的密封作用和機(jī)械保護(hù)作用，防止飛輪損壞時(shí)破損部件的濺射，盤(pán)式交流電機(jī)在補(bǔ)充能量時(shí)用來(lái)驅(qū)動(dòng)飛輪慣性體高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，在釋放能量時(shí)被飛輪慣性體驅(qū)動(dòng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換；飛輪慣性體是質(zhì)量很大的由金屬加工而成的輪狀物，它的旋轉(zhuǎn)慣量很大，它與盤(pán)式交流電機(jī)共軸安裝在飛輪殼體內(nèi)；真空系統(tǒng)包括真空泵和負(fù)壓開(kāi)關(guān)，它用來(lái)維持飛輪殼體內(nèi)的真空度；潤(rùn)滑系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油泵和油壓開(kāi)關(guān)，它用來(lái)保證飛輪的軸承可以得到充分的潤(rùn)滑，延長(zhǎng)軸承使用壽命；飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器與中央處理單元的輸入端相連，飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器用于保護(hù)系統(tǒng)，包括電機(jī)線圈溫度檢測(cè)傳感器、軸承溫度檢測(cè)傳感器和軸振動(dòng)檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)在溫度或振動(dòng)異常時(shí)對(duì)飛輪進(jìn)行急停，以避免事故；真空儲(chǔ)能飛輪的能量補(bǔ)充和能量釋放均由雙向DC/AC變換器進(jìn)行控制。所述的雙向DC/AC變換器包括中央處理單元和整流/逆變單元以及外圍輔助電路；中央處理單元包括微處理器、直流母線電壓采集電路和真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路，直流母線電壓采集電路的輸入端與變頻系統(tǒng)直流母線相連接，真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸入端與安裝在真空儲(chǔ)能飛輪上的轉(zhuǎn)速傳感器相連接，直流母線電壓采集電路的輸出端以及真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸出端分別與微處理器的輸入端相連，微處理器通過(guò)采集的直流母線電壓判斷變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及真空儲(chǔ)能飛
輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出PWM信號(hào)(脈寬調(diào)制信號(hào))實(shí)現(xiàn)對(duì)真空儲(chǔ)能飛輪的控制。所述工作狀態(tài)包括待機(jī)狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功狀態(tài)以及對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的狀態(tài)。所述的直流母線電壓采集電路由取樣電阻對(duì)母線電壓進(jìn)行取樣，通過(guò)線性光耦隔離，再經(jīng)放大器調(diào)理放大后送入微處理器的AD引腳。所述的線性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。所述的真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路由高速光耦對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離后送入微處理器的GPIO引腳，所述的高速光耦可以采用6N137型光耦。整流/逆變單元包括IGBT開(kāi)關(guān)元件(絕緣柵雙極型晶體管)和硅整流器件，IGBT開(kāi)關(guān)元件在微處理器輸出的PWM信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)逆變輸出，硅整流器件并聯(lián)在IGBT開(kāi)關(guān)元件與變頻系統(tǒng)直流母線之間，用于將真空儲(chǔ)能飛輪釋放的交流電整流并潰入變頻系統(tǒng)直流母線。外圍輔助電路用于系統(tǒng)保護(hù)，包括常用的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等檢測(cè)電路，保護(hù)逆變単元免遭損壞。所述的飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器通過(guò)取樣電阻分別對(duì)整流/逆變單元的輸入輸出電壓進(jìn)行取樣，通過(guò)電流互感器結(jié)合取樣電阻對(duì)整流/逆變單元的輸出電流進(jìn)行變換、取樣，信號(hào)經(jīng)線性光耦隔離，再經(jīng)放大器調(diào)理放大后送入微處理器的AD引腳。所述電流互感器可以采用市售的TA23B71型電流互感器，所述的線性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。整流/逆變單元與中央處理單元、變頻系統(tǒng)直流母線以及真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)相連接；中央處理單元與整流/逆變單元、變頻系統(tǒng)直流母線以及真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部各檢測(cè)電路相連接，用于接收和反饋真空儲(chǔ)能飛輪各參數(shù)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)變頻系統(tǒng)直流母線，并控制整流/逆變單元輸出不同頻率的交流電源用于驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)或?qū)⒄婵諆?chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的交流電整流并回饋母線。所述的真空儲(chǔ)能飛輪可以采用市售的真空儲(chǔ)能飛輪。例如Beacon power公司的Smart Energy 25 系列產(chǎn)品。所述的整流/逆變單元可以采用市售的整流/逆變單元。例如ABB公司的ACS800系列廣品。ー種使用基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置進(jìn)行能量回收的方法，包括如下步驟
1)ー種使用基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置在使用吋，當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值時(shí)，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不超過(guò)變頻系統(tǒng)制動(dòng)単元啟動(dòng)能耗電阻的閾值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪未達(dá)到最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)DC-AC流程，利用變頻系統(tǒng)直流母線上的能量向最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪自變頻系統(tǒng)直流母線吸收能量；
2)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值吋，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不低于電網(wǎng)電源經(jīng)變頻器整流進(jìn)入直流母線的電壓值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪已超過(guò)最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)AC-DC流程，向最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速制動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪向變頻系統(tǒng)直流母線釋放能量，驅(qū)動(dòng)負(fù)載エ 作；
3)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)最聞負(fù)荷轉(zhuǎn)速時(shí)，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；
4)在步驟3)中，若母線電壓繼續(xù)上升，將由變頻系統(tǒng)的制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻，消耗多余能量；
5)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速低于最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；
6)在步驟5)中，若母線電壓繼續(xù)下降，則經(jīng)變頻器整流后的電網(wǎng)直流進(jìn)入變頻系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。本發(fā)明提供的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置，克服了現(xiàn)有技術(shù)利用雙向變流器將制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)或利用雙向DC/DC及超級(jí)電容進(jìn)行能量回饋的不足，能量回收裝置用于混合動(dòng)カ汽車(chē)、港口起重機(jī)、垂直電梯、抽油機(jī)等采用變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)并且會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)能量的設(shè)備中，通過(guò)真空飛輪的儲(chǔ)能作用，動(dòng)態(tài)地平衡直流母線電壓，將變頻系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量暫存，在變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)工作時(shí)釋放出來(lái)。為實(shí)現(xiàn)更高效率的制動(dòng)能量回饋提供了保障。


以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說(shuō)明
圖I為本發(fā)明基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置的原理具體實(shí)施例方式參照附圖1，本發(fā)明基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置包括雙向DC/AC變換器7和真空儲(chǔ)能飛輪8，雙向DC/AC變換器7分別與變頻系統(tǒng)直流母線9及真空儲(chǔ)能飛輪8連接。真空儲(chǔ)能飛輪8包括飛輪殼體、盤(pán)式交流電機(jī)5、飛輪慣性體6、真空系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器，飛輪殼體用于安裝飛輪慣性體6和盤(pán)式交流電機(jī)5，飛輪殼體除提供上述部件的支撐外，還具有維持真空的密封作用和機(jī)械保護(hù)作用，防止飛輪損壞時(shí)破損部件的濺射，盤(pán)式交流電機(jī)5在補(bǔ)充能量時(shí)用來(lái)驅(qū)動(dòng)飛輪慣性體高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，在釋放能量時(shí)被飛輪慣性體6驅(qū)動(dòng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換；飛輪慣性體6是質(zhì)量很大的由金屬加工而成的輪狀物，它的旋轉(zhuǎn)慣量很大，它與盤(pán)式交流電機(jī)5共軸安裝在飛輪殼體內(nèi)；真空系統(tǒng)包括真空泵和負(fù)壓開(kāi)關(guān)，它用來(lái)維持飛輪殼體內(nèi)的真空度；潤(rùn)滑系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油泵和油壓開(kāi)關(guān)，它用來(lái)保證飛輪的軸承可以得到充分的潤(rùn)滑，延長(zhǎng)軸承使用壽命；飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器用于保護(hù)系統(tǒng)，包括電機(jī)線圈溫度檢測(cè)傳感器、軸承溫度檢測(cè)傳感器和軸振動(dòng)檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)在溫度或振動(dòng)異常時(shí)對(duì)飛輪進(jìn)行急停，以避免事故；真空儲(chǔ)能飛輪8的能量補(bǔ)充和能量釋放均由雙向DC/AC變換器7進(jìn)行控制。所述的電機(jī)線圈溫度檢測(cè)傳感器和軸承溫度檢測(cè)傳感器采用市售的溫度傳感器，所述的軸振動(dòng)檢測(cè)傳感器采用市售的振動(dòng)傳感器。所述的雙向DC/AC變換器7包括中央處理單元3和整流/逆變單元4以及外圍輔助電路；中央處理單元3包括微處理器、直流母線電壓采集電路和真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路，直流母線電壓采集電路的輸入端與變頻系統(tǒng)直流母線9相連接，真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸入端與安裝在真空儲(chǔ)能飛輪上的轉(zhuǎn)速傳感器相連接，直流母線電壓采集電路的輸出端以及真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸出端分別與微處理器的輸入端相連，微處理器通過(guò)采集的直流母線電壓判斷變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及真空儲(chǔ)能飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出P麗信號(hào)(脈寬調(diào)制信號(hào))實(shí)現(xiàn)對(duì)真空儲(chǔ)能飛輪的控制。所述·工作狀態(tài)包括待機(jī)狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功狀態(tài)以及對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的狀態(tài)。所述的直流母線電壓采集電路由取樣電阻對(duì)母線電壓進(jìn)行取樣，通過(guò)線性光耦隔離，再經(jīng)放大器調(diào)理放大后送入微處理器的AD引腳。所述的線性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。所述的真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路由高速光耦對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離后送入微處理器的GPIO引腳，所述的高速光耦可以采用6N137型光耦。整流/逆變單元4包括IGBT開(kāi)關(guān)元件(絕緣柵雙極型晶體管)和硅整流器件，IGBT開(kāi)關(guān)元件在微處理器輸出的PWM信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)逆變輸出，硅整流器件并聯(lián)在IGBT開(kāi)關(guān)元件與變頻系統(tǒng)直流母線9之間，用于將真空儲(chǔ)能飛輪釋放的交流電整流并潰入變頻系統(tǒng)直流母線9。外圍輔助電路用于系統(tǒng)保護(hù)，包括常用的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等檢測(cè)電路，保護(hù)逆變単元免遭損壞。所述的飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器通過(guò)取樣電阻分別對(duì)整流/逆變單元4的輸入輸出電壓進(jìn)行取樣，通過(guò)電流互感器結(jié)合取樣電阻對(duì)整流/逆變單元4的輸出電流進(jìn)行變換、取樣，信號(hào)經(jīng)線性光耦隔離，再經(jīng)放大器調(diào)理放大后送入微處理器的AD引腳。所述電流互感器可以采用市售的TA23B71型電流互感器，所述的線性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。整流/逆變單元4與中央處理單元3、變頻系統(tǒng)直流母線9以及真空儲(chǔ)能飛輪8內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)5相連接；中央處理單元3與整流/逆變單元4、變頻系統(tǒng)直流母線9以及真空儲(chǔ)能飛輪8內(nèi)部各檢測(cè)電路相連接，用于接收和反饋真空儲(chǔ)能飛輪各參數(shù)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)變頻系統(tǒng)直流母線9，并控制整流/逆變單元4輸出不同頻率的交流電源用于驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)或?qū)⒄婵諆?chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的交流電整流并回饋母線。所述的真空儲(chǔ)能飛輪8可以采用市售的真空儲(chǔ)能飛輪。例如Beacon power公司的Smart Energy 25系列產(chǎn)品。
所述的整流/逆變單元4可以采用市售的整流/逆變單元。例如ABB公司的ACS800系列廣品。ー種使用基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置進(jìn)行能量回收的方法，包括如下步驟
1)ー種使用基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置在使用時(shí)，當(dāng)中央處理單元3監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值時(shí)，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不超過(guò)變頻系統(tǒng)制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻的閾值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪未達(dá)到最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)DC-AC流程，利用變頻系統(tǒng)直流母線上的能量向最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪自變頻系統(tǒng)直流母線吸收能量； 2)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值吋，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不低于電網(wǎng)電源經(jīng)變頻器整流進(jìn)入直流母線的電壓值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪已超過(guò)最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)AC-DC流程，向最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速制動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪向變頻系統(tǒng)直流母線釋放能量，驅(qū)動(dòng)負(fù)載エ作；
3)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)最聞負(fù)荷轉(zhuǎn)速時(shí)，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；
4)在步驟3)中，若母線電壓繼續(xù)上升，將由變頻系統(tǒng)的制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻，消耗多余能量；
5)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速低于最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；
6)在步驟5)中，若母線電壓繼續(xù)下降，則經(jīng)變頻器整流后的電網(wǎng)直流進(jìn)入變頻系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。實(shí)施例
參照?qǐng)D1，以港口起重機(jī)起升單元為例，港口起重機(jī)電源上電后，電網(wǎng)380V三相交流電經(jīng)整流進(jìn)入變頻系統(tǒng)直流母線，變頻系統(tǒng)直流母線電壓為540V (峰值)，制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻電壓閾值為700V，真空儲(chǔ)能飛輪最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速5000rpm，最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速8000rpm，雙向DC/AC變換器母線電壓上限監(jiān)測(cè)閾值為680V，下限監(jiān)測(cè)閾值為600V。當(dāng)變頻系統(tǒng)直流母線有電時(shí)(電網(wǎng)供電)，能量回收裝置開(kāi)始待機(jī)，當(dāng)起重機(jī)沒(méi)有開(kāi)始工作時(shí)，母線電壓為540V，真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速為零，能量回收裝置仍處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)起重機(jī)開(kāi)始工作，吊鉤開(kāi)始下降時(shí)，起重機(jī)變頻器I為控制下降速度對(duì)起升電機(jī)2進(jìn)行制動(dòng)，直流母線電壓會(huì)迅速上升，并很快達(dá)到680V，中央處理單元3監(jiān)測(cè)到母線電壓的變化，啟動(dòng)DC-AC流程，通過(guò)整流/逆變單元4自母線吸收能量，并驅(qū)動(dòng)盤(pán)式交流電機(jī)5開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，盤(pán)式交流電機(jī)5帶動(dòng)飛輪慣性體6旋轉(zhuǎn)，若真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到8000rpm，裝置完成充能，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)起重機(jī)吊鉤開(kāi)始上升時(shí)，起重機(jī)變頻器I驅(qū)動(dòng)起升電動(dòng)機(jī)2旋轉(zhuǎn)，直流母線電壓會(huì)迅速下降，并很快低于600V，中央處理單元3監(jiān)測(cè)到母線電壓的變化，啟動(dòng)AC-DC流程，通過(guò)整流/逆變單元4對(duì)盤(pán)式交流電機(jī)5進(jìn)行制動(dòng)，飛輪慣性體6帶動(dòng)盤(pán)式交流電機(jī)5發(fā)電，向母線釋放能量，若真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速下降到5000rpm，裝置完成能量釋放，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；若真空儲(chǔ)能飛輪未完成充能母線電壓就下降到600V以下，或真空儲(chǔ)能飛輪未完成能量釋放母線電壓就升高到680V以上，裝置都會(huì)自動(dòng)待機(jī)，等待下一次的充能或能量 釋放。
權(quán)利要求
1.一種基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置，其特征在于包括雙向DC/AC變換器和真空儲(chǔ)能飛輪，雙向DC/AC變換器分別與變頻系統(tǒng)直流母線及真空儲(chǔ)能飛輪連接； 所述的雙向DC/AC變換器包括中央處理單元和整流/逆變單元以及外圍輔助電路；中央處理單元包括微處理器、直流母線電壓采集電路和真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路，直流母線電壓采集電路的輸入端與變頻系統(tǒng)直流母線相連接，真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸入端與安裝在真空儲(chǔ)能飛輪上的轉(zhuǎn)速傳感器相連接，直流母線電壓采集電路的輸出端以及真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路的輸出端分別與微處理器的輸入端相連，微處理器通過(guò)采集的直流母線電壓判斷變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及真空儲(chǔ)能飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)真空儲(chǔ)能飛輪的控制； 整流/逆變單元與中央處理單元、變頻系統(tǒng)直流母線以及真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)相連接；中央處理單元與整流/逆變單元、變頻系統(tǒng)直流母線以及真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部各檢測(cè)電路相連接，用于接收和反饋真空儲(chǔ)能飛輪各參數(shù)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)變頻系統(tǒng)直流母線，并控制整流/逆變單元輸出不同頻率的交流電源用于驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)或?qū)⒄婵諆?chǔ)能飛輪內(nèi)部盤(pán)式交流電機(jī)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的交流電整流并回饋母線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置，其特征在于整流/逆變單元包括IGBT開(kāi)關(guān)元件和硅整流器件，IGBT開(kāi)關(guān)元件在微處理器輸出的PWM信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)逆變輸出，硅整流器件并聯(lián)在IGBT開(kāi)關(guān)元件與變頻系統(tǒng)直流母線之間，用于將真空儲(chǔ)能飛輪釋放的交流電整流并潰入變頻系統(tǒng)直流母線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置，其特征在于所述真空儲(chǔ)能飛輪包括飛輪殼體、盤(pán)式交流電機(jī)、飛輪慣性體、真空系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器，飛輪慣性體與盤(pán)式交流電機(jī)共軸安裝在飛輪殼體內(nèi)；真空系統(tǒng)包括真空泵和負(fù)壓開(kāi)關(guān)；潤(rùn)滑系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油泵和油壓開(kāi)關(guān)；飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器與中央處理單元的輸入端相連，飛輪外圍輔助檢測(cè)傳感器包括電機(jī)線圈溫度檢測(cè)傳感器、軸承溫度檢測(cè)傳感器和軸振動(dòng)檢測(cè)傳感器；真空儲(chǔ)能飛輪的能量補(bǔ)充和能量釋放均由雙向DC/AC變換器進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置，其特征在于所述變頻系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括待機(jī)狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功狀態(tài)以及對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的狀態(tài)。
5.一種使用權(quán)利要求I所述的基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置進(jìn)行能量回收的方法，其特征在于，包括如下步驟 1)一種使用基于真空飛輪儲(chǔ)能的能量回收裝置在使用時(shí)，當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值時(shí)，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不超過(guò)變頻系統(tǒng)制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻的閾值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪未達(dá)到最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)DC-AC流程，利用變頻系統(tǒng)直流母線上的能量向最高負(fù)荷轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪自變頻系統(tǒng)直流母線吸收能量； 2)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值時(shí)，即該預(yù)設(shè)閾值接近但并不低于電網(wǎng)電源經(jīng)變頻器整流進(jìn)入直流母線的電壓值，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，若真空儲(chǔ)能飛輪已超過(guò)最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則啟動(dòng)AC-DC流程，向最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速制動(dòng)真空儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部的盤(pán)式交流電機(jī)，使真空儲(chǔ)能飛輪向變頻系統(tǒng)直流母線釋放能量，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作；3)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)上限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)最聞負(fù)荷轉(zhuǎn)速時(shí)，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)； 4)在步驟3)中，若母線電壓繼續(xù)上升，將由變頻系統(tǒng)的制動(dòng)單元啟動(dòng)能耗電阻，消耗多余能量； 5)當(dāng)中央處理單元監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)下限閾值且真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速低于最低負(fù)荷轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)； 6)在步驟5)中，若母線電壓繼續(xù)下降，則經(jīng)變頻器整流后的電網(wǎng)直流進(jìn)入變頻系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電機(jī)變頻系統(tǒng)的能量回收裝置，特別是一種針對(duì)變頻系統(tǒng)直流母線電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡的能量回收裝置及其能量回收方法。包括雙向DC/AC變換器和真空儲(chǔ)能飛輪，雙向DC/AC變換器分別與變頻系統(tǒng)直流母線及真空儲(chǔ)能飛輪連接；雙向DC/AC變換器包括中央處理單元和整流/逆變單元以及外圍輔助電路；中央處理單元包括微處理器、直流母線電壓采集電路和真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速采集電路，進(jìn)行能量回收的方法為當(dāng)中央處理單元根據(jù)監(jiān)測(cè)到變頻系統(tǒng)直流母線電壓與預(yù)設(shè)上限閾值的差別，同時(shí)監(jiān)測(cè)真空儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速，從而確定是否啟動(dòng)DC-AC流程，以使真空儲(chǔ)能飛輪自變頻系統(tǒng)直流母線吸收或釋放能量。
文檔編號(hào)H02J3/30GK102957159SQ20121051866
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者王勤, 施剛, 施增偉 申請(qǐng)人:江蘇交科能源科技發(fā)展有限公司