基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器及控制方法
【專利摘要】基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器及控制方法，它屬于電機(jī)節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域。它為解決現(xiàn)有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運行效率低，不能有效的實現(xiàn)能量的存儲和再利用的問題。本發(fā)明的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器由雙向DC/DC功率變換器和超級電容儲能模塊構(gòu)成，雙向DC/DC功率變換器的高壓端與交-直-交結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動器的直流母線相連接，低壓端連接超級電容儲能模塊。雙向DC/DC功率變換器采用多重結(jié)構(gòu)，它包括IGBT橋式電路、濾波電感、電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路、超級電容電壓檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP控制器、FPGA。本發(fā)明的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器可用于抽油機(jī)、電梯和提升機(jī)等領(lǐng)域。
【專利說明】基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器及控制方法，屬于電機(jī)節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]變頻器通常采用交-直-交變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由二極管整流橋、直流母線濾波電容和逆變器組成。當(dāng)電機(jī)制動運行時將產(chǎn)生再生電能，為防止再生電能使母線電壓泵升而燒壞器件，母線上通常并聯(lián)斬波電路將電能通過電阻泄放掉，這在電機(jī)處于頻繁制動運行的應(yīng)用中造成了能量的浪費。為此，學(xué)者提出在傳統(tǒng)二極管整流器處反并聯(lián)逆變器拓?fù)涞脑偕芰炕仞亞卧蛘咧苯硬捎肞WM整流器實現(xiàn)整流和再生能量向電網(wǎng)的回饋。然而，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且需要對電機(jī)驅(qū)動器重新進(jìn)行設(shè)計，同時控制不好容易造成電網(wǎng)的污染。
[0003]為實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能，本發(fā)明通過在電機(jī)驅(qū)動器直流母線上并聯(lián)超級電容儲能單元，將電機(jī)的再生能量儲存起來，并當(dāng)電機(jī)電動運行時再將這部分能量回饋給電機(jī)，實現(xiàn)了再生能量的存儲和再利用，提高了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的效率，在抽油機(jī)、電梯、提升機(jī)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價值和前景。另外，本發(fā)明的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器可以直接對現(xiàn)有調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級改造，節(jié)省開發(fā)和設(shè)計成本。
[0004]現(xiàn)有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運行效率低，不能有效的實現(xiàn)能量的存儲和再利用的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運行效率低，不能有效的實現(xiàn)能量的存儲和再利用的問題，而提出了一種基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器及控制方法。
[0006]基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，它包括二極管整流橋、第一直流濾波電容、逆變器、雙向DC/DC功率變`換器和超級電容模塊，
[0007]雙向DC/DC功率變換器包括第二直流濾波電容、η重IGBT橋式電路和η個濾波電感，其中，η個濾波電感包括第一濾波電感L1、第二濾波電感L2…第η濾波電感Ln，n為正整數(shù)，直流母線電壓檢測電路、超級電容電壓檢測電路、電流檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP控制器和FPGA，
[0008]二極管整流橋的三相交流輸入端接三相電網(wǎng)，二極管整流橋的輸出端為直流母線，直流母線兩端并聯(lián)第一直流濾波電容；
[0009]逆變器的直流端掛接在直流母線上，逆變器交流端接電機(jī)的三相繞組輸入端；
[0010]第二直流濾波電容跨接在直流母線上，η重IGBT橋式電路的橋臂上下端接直流母線，構(gòu)成雙向DC/DC變換器的高壓端，η重IGBT橋式電路的每個橋臂中點分別連接η個濾波電感的一端，η個濾波電感的另一端連接到一起,構(gòu)成雙向DC/DC變換器的低壓端,低壓端連接到超級電容模塊的兩端；
[0011 ] 直流母線電壓檢測電路的輸入端掛接在兩條直流母線上，直流母線電壓檢測電路的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的檢測信號輸入端相連；[0012]超級電容電壓檢測電路的輸入端掛接在兩條直流母線上，超級電容電壓檢測電路的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的檢測信號輸入端相連；
[0013]電流檢測電路的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的檢測信號輸入端相連；
[0014]A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出端與DSP控制器的數(shù)字信號輸入端相連，DSP控制器的數(shù)據(jù)信號輸入/輸出端與FPGA的數(shù)據(jù)信號輸出/輸入端相連；
[0015]FPGA的信號輸出端與η重IGBT橋式電路的信號輸入端相連。
[0016]本發(fā)明是基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，在交-直-交電機(jī)驅(qū)動器中的直流母線上并聯(lián)雙向DC/DC功率變換器，雙向DC/DC功率變換器與超級電容模塊連接，超級電容模塊將電機(jī)產(chǎn)生的能量儲存起來，當(dāng)電機(jī)電動運行時再將這部分能量回饋給電機(jī)，有效地實現(xiàn)了能量的存儲和再利用，提高了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的運行效率。它可用于抽油機(jī)、電梯和提升機(jī)等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是【具體實施方式】一所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器的原理框圖，Udc表示直流母線電壓值，Usc表示超級電容電壓值；
[0018]圖2是本發(fā)明中雙向DC/DC功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3是傳統(tǒng)采用斬波器和電阻的再生能量泄放原理圖；
[0020]圖4是傳統(tǒng)采用PWM整流器的電機(jī)四象限運行驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖5是本發(fā)明中載波移相PWM調(diào)制波形圖，m表示Buck降壓狀態(tài),η表示Boost升壓狀態(tài)，f表示三角載波信號。`
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，它包括二極管整流橋1、第一直流濾波電容2、逆變器3、雙向DC/DC功率變換器5和超級電容模塊6，
[0023]雙向DC/DC功率變換器5包括第二直流濾波電容7、η重IGBT橋式電路8和η個濾波電感9，其中，η個濾波電感包括第一濾波電感L1、第二濾波電感L2…第η濾波電感Ln，η為正整數(shù)，直流母線電壓檢測電路IO、超級電容電壓檢測電路11、電流檢測電路12、A/D轉(zhuǎn)換器13、DSP控制器14和FPGAl5,
[0024]二極管整流橋I的三相交流輸入端接三相電網(wǎng)，二極管整流橋I的輸出端為直流母線，直流母線兩端并聯(lián)第一直流濾波電容2 ;
[0025]逆變器3的直流端掛接在直流母線上，逆變器3交流端接電機(jī)4的三相繞組輸入端;
[0026]第二直流濾波電容7跨接在直流母線上，η重IGBT橋式電路8的橋臂上下端接直流母線，構(gòu)成雙向DC/DC變換器5的高壓端，η重IGBT橋式電路8的每個橋臂中點分別連接η個濾波電感9的一端，η個濾波電感9的另一端連接到一起，構(gòu)成雙向DC/DC變換器5的低壓端，低壓端連接到超級電容模塊6的兩端；
[0027]直流母線電壓檢測電路10的輸入端掛接在兩條直流母線上，直流母線電壓檢測電路10的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器13的檢測信號輸入端相連；[0028]超級電容電壓檢測電路11的輸入端掛接在兩條直流母線上，超級電容電壓檢測電路11的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器13的檢測信號輸入端相連；
[0029]電流檢測電路12的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器13的檢測信號輸入端相連；
[0030]A/D轉(zhuǎn)換器13的數(shù)字信號輸出端與DSP控制器14的數(shù)字信號輸入端相連，DSP控制器14的數(shù)據(jù)信號輸入/輸出端與FPGA15的數(shù)據(jù)信號輸出/輸入端相連；
[0031]FPGA15的信號輸出端與η重IGBT橋式電路8的信號輸入端相連。
[0032]本實施方式中，在傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動器的直流母線上并聯(lián)儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)由雙向DC/DC功率變換器和超級電容模塊組成。當(dāng)電機(jī)處于再生制動運行時，再生能量使直流母線電壓升高，通過DC/DC變換器降壓給超級電容模塊充電；當(dāng)電機(jī)電動運行時，超級電容模塊中儲存的能量經(jīng)過DC/DC變換器升壓并提供給直流母線側(cè)，供給電機(jī)運行。
[0033]本實施方式中，多重結(jié)構(gòu)雙向DC/DC功率變換器5采用載波移相PWM調(diào)制技術(shù)，相鄰兩橋臂間的高頻三角載波相位相差360° /η，調(diào)制波形如圖5所示。當(dāng)DC/DC變換器工作在Buck降壓狀態(tài)時，對橋臂的上管進(jìn)行PWM斬波控制，下管關(guān)斷；當(dāng)工作在Boost升壓狀態(tài)時，對橋臂的下管進(jìn)行PWM斬波控制，上管關(guān)斷。圖5中，DIR為升降壓控制信號，當(dāng)DIR=O時為Buck降壓，DIR=I時為Boost升壓；utl、ut2、…Utn為三角載波信號，它們之間的相位依次相差360° /n ；um為調(diào)制信號。
[0034]【具體實施方式】二、本實施方式與【具體實施方式】一所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器的不同點在于，η重IGBT橋式電路8包括2η個全控電路16，η為正整數(shù)，兩個全控電路16相連即構(gòu)成一個橋臂，每個橋臂的中點連接一個濾波電感Lk，其中，k=l~n，k為正整數(shù)；
[0035]所述每個全控電路16包括IGBT T1和二極管D1, IGBT T1的集電極連接二極管D1的陰極，IGBT T1的發(fā)射極連接二極管D1的陽極。
[0036]本實施方式中，每個IGBT與每個二極管反并聯(lián)連接。
[0037]【具體實施方式】三、本實施方式與【具體實施方式】一所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器的不同點在于，超級電容模塊6包括兩組電容組且兩組電容組并聯(lián)連接，所述每組電容組由多個電容串聯(lián)組成。
[0038]【具體實施方式】四、采用【具體實施方式】一所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器實現(xiàn)電機(jī)控制方法，該控制方法為:
[0039]步驟一、將系統(tǒng)接入三相電網(wǎng)，由二極管整流橋1、第一直流濾波電容2和逆變器3構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制電機(jī)運行；
[0040]步驟二、在步驟一敘述的電機(jī)運行過程中，采用電流檢測電路12、超級電容電壓檢測電路11和直流母線電壓檢測電路10分別檢測電感電流、超級電容電壓值Usc和直流母線電壓值Udc，然后采用A/D轉(zhuǎn)換器13將檢測到的電感電流、超級電容電壓值Usc和直流母線電壓值Udc的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸送到DSP控制器14中；
[0041]步驟三、通過步驟二中檢測的超級電容電壓值Use，在DSP控制器14中將超級電容電壓值Usc與設(shè)定的低限值相比較，當(dāng)超級電容電壓值Usc高于低限值時，DSP控制器14以直流母線電壓為控制目標(biāo)，結(jié)合步驟二檢測的直流母線電壓值Udc和電感電流，構(gòu)成電感電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)的閉環(huán)控制，直流母線電壓閉環(huán)的給定值略高于二極管整流橋I整流后得到的直流電壓值，閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出給FPGA15，并在FPGA15中實現(xiàn)PWM調(diào)制，從而產(chǎn)生開關(guān)信號給η重IGBT橋式電路8實現(xiàn)雙向DC/DC變換器5高壓端和低壓端之間的
能量變換；
[0042]實施步驟三過程中，若電機(jī)4工作在再生制動狀態(tài)，電機(jī)再生能量使得直流母線電壓升高，此時，雙向DC/DC功率變換器5工作在降壓變換狀態(tài)，將能量由高壓端變換到低壓端，并將其存儲到超級電容模塊6中；
[0043]實施步驟三過程中，若電機(jī)4工作在電動狀態(tài)，電機(jī)電動運行所需要的能量由雙向DC/DC功率變換器5將能量由低壓端變換到高壓端的直流母線上來提供，此時超級電容模塊6將存儲的能量釋放出來，雙向DC/DC功率變換器5工作在從超級電容模塊6側(cè)到直流母線側(cè)的升壓變換狀態(tài)；
[0044]實施步驟三過程中，若檢測到的超級電容電壓值Usc低于設(shè)定的低限值，當(dāng)電機(jī)4電動運行時，不再執(zhí)行步驟五，電機(jī)4所需能量由電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流橋I和濾波電容2來提供，當(dāng)電機(jī)4再生制動運行時，能量由雙向DC/DC變換器的高壓端流向低壓端。
[0045]本發(fā)明不同于圖3采用制動電阻的能量泄放原理，圖3采用斬波器17和制動電阻18構(gòu)成再生能量泄放單元。當(dāng)電機(jī)再生制動時，母線電壓泵升到一定值后，斬波器17開始工作，將再生能量通過電阻18泄放掉，造成能源浪費，該系統(tǒng)效率較低。本發(fā)明也不同于圖4采用PWM整流器的四象限功率變換器原理，圖4采用全控器件構(gòu)成三相半橋結(jié)構(gòu)PWM整流器19取代傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動器中的二極管整流器I。當(dāng)電機(jī)再生制動時，再生能量通過PWM整流器19工作在有源逆變狀態(tài)回饋到電網(wǎng)中，該方案效率較高。但是，需要對驅(qū)動器進(jìn)行重新設(shè)計，并且控制不好容易造成對電網(wǎng)的諧波污染。
[0046]本發(fā)明的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器的實現(xiàn)方案如圖1所示，它由雙向DC/DC功率變換器、超級電容模塊、直流母線電壓檢測、超級電容電壓檢測、電流檢測、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP和FPGA等組成。各環(huán)節(jié)的主要功能如下:DSP主要用于完成系統(tǒng)閉環(huán)控制算法，控制策略以直流母線電壓為控制目標(biāo)，采用直流母線電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)外構(gòu)成雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；FPGA主要用于完成載波移相PWM的調(diào)制和系統(tǒng)故障檢測與保護(hù)；直流母線電壓檢測環(huán)節(jié)和超級電容電壓檢測環(huán)節(jié)分別用于實時檢測直流母線電壓和超級電容電壓，以實現(xiàn)直流母線電壓外環(huán)反饋閉環(huán)控制和系統(tǒng)過壓保護(hù)；電流檢測環(huán)節(jié)實時檢測電感電流，用于內(nèi)環(huán)電流反饋閉環(huán)控制和系統(tǒng)過流保護(hù)；A/D轉(zhuǎn)換器將檢測環(huán)節(jié)送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸送到DSP中。
【權(quán)利要求】
1.基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，其特征在于，它包括二極管整流橋(I)、第一直流濾波電容(2)、逆變器(3 )、雙向DC/DC功率變換器(5 )和超級電容模塊(6 )， 雙向DC/DC功率變換器(5)包括第二直流濾波電容(7)、η重IGBT橋式電路(8)和η個濾波電感(9)，其中，η個濾波電感包括第一濾波電感L1、第二濾波電感L2…第η濾波電感Ln，η為正整數(shù)，直流母線電壓檢測電路(10)、超級電容電壓檢測電路(11)、電流檢測電路(12)、A/D 轉(zhuǎn)換器(13)、DSP 控制器(14)和 FPGA (15)， 二極管整流橋(I)的三相交流輸入端接三相電網(wǎng)，二極管整流橋(I)的輸出端為直流母線，直流母線兩端并聯(lián)第一直流濾波電容(2)； 逆變器(3 )的直流端掛接在直流母線上，逆變器(3 )交流端接電機(jī)(4 )的三相繞組輸入端; 第二直流濾波電容(7)跨接在直流母線上，η重IGBT橋式電路(8)的橋臂上下端接直流母線，構(gòu)成雙向DC/DC變換器(5 )的高壓端，η重IGBT橋式電路(8 )的每個橋臂中點分別連接η個濾波電感(9)的一端，η個濾波電感(9)的另一端連接到一起,構(gòu)成雙向DC/DC變換器(5)的低壓端，低壓端連接到超級電容模塊(6)的兩端； 直流母線電壓檢測電路(10 )的輸入端掛接在兩條直流母線上，直流母線電壓檢測電路 (10)的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(13)的檢測信號輸入端相連； 超級電容電壓檢測電路(11)的輸入端掛接在兩條直流母線上，超級電容電壓檢測電路(II)的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(13)的檢測信號輸入端相連； 電流檢測電路(12)的檢測信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(13)的檢測信號輸入端相連；A/D轉(zhuǎn)換器(13)的數(shù)字信號輸出端與DSP控制器(14)的數(shù)字信號輸入端相連，DSP控制器(14)的數(shù)據(jù)信號輸入/輸出端與FPGA (15)的數(shù)據(jù)信號輸出/輸入端相連； FPGA (15)的信號輸出端與η重IGBT橋式電路(8)的信號輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，其特征在于，η重IGBT橋式電路(8)包括2η個全控電路(16)，η為正整數(shù)，兩個全控電路(16)相連即構(gòu)成一個橋臂，每個橋臂的中點連接一個濾波電感Lk，其中，k=l~n，k為正整數(shù)； 所述每個全控電路(16)包括IGBT T1和二極管D1, IGBT T1的集電極連接二極管D1的陰極，IGBT T1的發(fā)射極連接二極管D1的陽極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器，其特征在于，超級電容模塊(6 )包括兩組電容組且兩組電容組并聯(lián)連接，所述每組電容組由多個電容串聯(lián)組成。
4.采用權(quán)利要求1所述的基于超級電容儲能的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制器實現(xiàn)電機(jī)控制方法，其特征在于，該控制方法為: 步驟一、將系統(tǒng)接入三相電網(wǎng)，由二極管整流橋(I)、第一直流濾波電容(2)和逆變器(3)構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制電機(jī)運行； 步驟二、在步驟一敘述的電機(jī)運行過程中，采用電流檢測電路(12 )、超級電容電壓檢測電路(11)和直流母線電壓檢測電路(10 )分別檢測電感電流、超級電容電壓值Usc和直流母線電壓值Udc，然后采用A/D轉(zhuǎn)換器(13)將檢測到的電感電流、超級電容電壓值Usc和直流母線電壓值Udc的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸送到DSP控制器(14)中； 步驟三、通過步驟二中檢測的超級電容電壓值Usc，在DSP控制器(14 )中將超級電容電壓值Usc與設(shè)定的低限值相比較，當(dāng)超級電容電壓值Usc高于低限值時，DSP控制器(14)以直流母線電壓為控制目標(biāo)，結(jié)合步驟二檢測的直流母線電壓值Udc和電感電流，構(gòu)成電感電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)的閉環(huán)控制，直流母線電壓閉環(huán)的給定值略高于二極管整流橋(I)整流后得到的直流電壓值，閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出給FPGA (15)，并在FPGA (15)中實現(xiàn)PWM調(diào)制，從而產(chǎn)生開關(guān)信號給η重IGBT橋式電路(8)實現(xiàn)雙向DC/DC變換器(5)高壓端和低壓端之間的能量變換； 實施步驟三過程中，若電機(jī)(4)工作在再生制動狀態(tài)，電機(jī)再生能量使得直流母線電壓升高，此時，雙向DC/DC功率變換器(5)工作在降壓變換狀態(tài)，將能量由高壓端變換到低壓端，并將其存儲到超級電容模塊(6)中； 實施步驟三過程中，若電機(jī)(4)工作在電動狀態(tài)，電機(jī)電動運行所需要的能量由雙向DC/DC功率變換器(5)將能量由低壓端變換到高壓端的直流母線上來提供，此時超級電容模塊(6 )將存儲的能量釋放出來，雙向DC/DC功率變換器(5 )工作在從超級電容模塊(6 )側(cè)到直流母線側(cè)的升壓變換狀態(tài)； 實施步驟三過程中，若檢測到的超級電容電壓值Usc低于設(shè)定的低限值，當(dāng)電機(jī)(4)電`動運行時，不再執(zhí)行步驟五，電機(jī)(4)所需能量由電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流橋(I)和濾波電容(2)來提供，當(dāng)電機(jī)(4)再生制動運行時，能量由雙向DC/DC變換器的高壓端流向低壓端。
【文檔編號】H02J3/28GK103647500SQ201310750646
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】安群濤, 孫力, 趙克, 魏鑫, 劉瑞博 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)