专利名称：一种基于真空飞轮储能的能量回收装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于电机变频系统的能量回收装置，特别是一种针对变频系统直流母线电压进行动态平衡的能量回收装置。
背景技术：
采用变频器驱动的电机拖动系统，在对电机进行制动时会产生大量的制动能量，这些能量被送入变频器的直流母线，当能量过多时，会造成母线电压过度升高，为保护变频器，必须由制动单元通过能耗电阻把这些多余的能量消耗。为回收这部分能量，可以采用双向变流器，将母线上的直流转变为交流回馈入电网，也可以通过双向DC/DC变换器利用这部分能量对超级电容进行充电，在需要的时候再通过双向DC/DC变换器将超级电容里储存的能量回馈到直流母线供负载使用。将交流电回馈到电网的方法，要求回馈装置附近同一变压器范围内在回馈时有负载在用电，否则这部分回馈的能量将在对电网造成一定的影响，而通过双向DC/DC变换器并且利用电容储能的方法也有很大的弊端，因为电容单体的容量有限，并且能量密度较小，所以具有实际应用价值的系统往往需要数千只电容进行串、并联，构成储能单元，质量一般达到数吨，同时对电容单体的一致性要求较高，尽管如此,少量电容的故障仍然会造成整套系统的不正常运行，因此这类方法大多应用在负载较小的场合，例如垂直电梯等。
实用新型内容本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种基于真空飞轮储能的能量回收装置，改变目前已有的向电网进行能量回馈或通过双向DC/DC变换器和超级电容向直流母线进行能量回馈的方式，采用双向DC/AC变换器和真空储能飞轮构成能量回收装置，在直流母线电压高于预设阈值时，通过双向DC/AC变换器吸收直流母线上的能量来驱动真空储能飞轮内部的盘式交流电机，使其进行能量暂存，当直流母线电压低于预设阈值时，通过双向DC/AC变换器将真空储能飞轮内部盘式交流电机发出的交流电经过电压调整和整流后再送入直流母线供负载使用。本实用新型是采取以下技术方案实现的:基于真空飞轮储能的能量回收装置包括双向DC/AC变换器和真空储能飞轮，双向DC/AC变换器分别与变频系统直流母线及真空储能飞轮连接。真空储能飞轮包括飞轮壳体、盘式交流电机、飞轮惯性体、真空系统、润滑系统和飞轮外围辅助检测传感器，飞轮壳体用于安装飞轮惯性体和盘式交流电机，飞轮壳体除提供上述部件的支撑外，还具有维持真空的密封作用和机械保护作用，防止飞轮损坏时破损部件的溅射，盘式交流电机在补充能量时用来驱动飞轮惯性体高速旋转，实现电能到机械能的转换，在释放能量时被飞轮惯性体驱动发电，实现机械能到电能的转换；飞轮惯性体是质量很大的由金属加工而成的轮状物，它的旋转惯量很大，它与盘式交流电机共轴安装在飞轮壳体内；真空系统包括真空泵和负压开关，它用来维持飞轮壳体内的真空度；润滑系统包括润滑油泵和油压开关，它用来保证飞轮的轴承可以得到充分的润滑，延长轴承使用寿命；飞轮外围辅助检测传感器与中央处理单元的输入端相连，飞轮外围辅助检测传感器用于保护系统，包括电机线圈温度检测传感器、轴承温度检测传感器和轴振动检测传感器，实现在温度或振动异常时对飞轮进行急停，以避免事故；真空储能飞轮的能量补充和能量释放均由双向DC/AC变换器进行控制。所述的双向DC/AC变换器包括中央处理单元和整流/逆变单元以及外围辅助电路；中央处理单元包括微处理器、直流母线电压采集电路和真空储能飞轮转速采集电路，直流母线电压采集电路的输入端与变频系统直流母线相连接，真空储能飞轮转速采集电路的输入端与安装在真空储能飞轮上的转速传感器相连接，直流母线电压采集电路的输出端以及真空储能飞轮转速采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相连，微处理器通过采集的直流母线电压判断变频系统的工作状态，同时根据变频系统的工作状态以及真空储能飞轮当前转速，输出PWM信号(脉宽调制信号)实现对真空储能飞轮的控制。所述工作状态包括待机状态、驱动电机做功状态以及对电机进行制动的状态。所述的直流母线电压采集电路由取样电阻对母线电压进行取样，通过线性光耦隔离，再经放大器调理放大后送入微处理器的AD引脚。所述的线性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。所述的真空储能飞轮转速采集电路由高速光耦对转速传感器输出的脉冲信号进行隔离后送入微处理器的GPIO引脚，所述的高速光耦可以采用6N137型光耦。整流/逆变单元包括IGBT开关元件(绝缘栅双极型晶体管)和硅整流器件，IGBT开关元件在微处理器输出的PWM信号的作用下实现逆变输出，硅整流器件并联在IGBT开关元件与变频系统直流母线之间，用于将真空储能飞轮释放的交流电整流并溃入变频系统直流母线。外围辅助电路用于系统保护，包括常用的过流、过压、过载等检测电路，保护逆变单元免遭损坏。所述的飞轮外围辅助检测传感器通过取样电阻分别对整流/逆变单元的输入输出电压进行取样，通过电流互感器结合取样电阻对整流/逆变单元的输出电流进行变换、取样，信号经线性光耦隔离，再经放大器调理放大后送入微处理器的AD引脚。所述电流互感器可以采用市售的TA23B71型电流互感器，所述的线性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。整流/逆变单元与中央处理单元、变频系统直流母线以及真空储能飞轮内部的盘式交流电机相连接；中央处理单元与整流/逆变单元、变频系统直流母线以及真空储能飞轮内部各检测电路相连接，用于接收和反馈真空储能飞轮各参数信号，同时监测变频系统直流母线，并控制整流/逆变单元输出不同频率的交流电源用于驱动真空储能飞轮内部盘式交流电机或将真空储能飞轮内部盘式交流电机发电时产生的交流电整流并回馈母线。所述的真空储能飞轮可以采用市售的真空储能飞轮。例如Beacon power公司的Smart Energy 25 系列产品。所述的整流/逆变单元可以采用市售的整流/逆变单元。例如ABB公司的ACS800系列广品。一种使用基于真空飞轮储能的能量回收装置进行能量回收的方法，包括如下步骤:I) 一种使用基于真空飞轮储能的能量回收装置在使用时，当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压达到预设上限阈值时，即该预设阈值接近但并不超过变频系统制动单元启动能耗电阻的阈值，同时监测真空储能飞轮转速，若真空储能飞轮未达到最高负荷转速，则启动DC-AC流程，利用变频系统直流母线上的能量向最高负荷转速驱动真空储能飞轮内部的盘式交流电机，使真空储能飞轮自变频系统直流母线吸收能量；2)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压低于预设下限阈值时，即该预设阈值接近但并不低于电网电源经变频器整流进入直流母线的电压值，同时监测真空储能飞轮转速，若真空储能飞轮已超过最低负荷转速，则启动AC-DC流程，向最低负荷转速制动真空储能飞轮内部的盘式交流电机，使真空储能飞轮向变频系统直流母线释放能量，驱动负载工作；3)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压达到预设上限阈值且真空储能飞轮转速达到或超过最高负荷转速时，则进入待机状态；4)在步骤3)中，若母线电压继续上升，将由变频系统的制动单元启动能耗电阻，消耗多余能量；5)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压低于预设下限阈值且真空储能飞轮转速低于最低负荷转速，则进入待机状态；6)在步骤5)中，若母线电压继续下降，则经变频器整流后的电网直流进入变频系统，驱动负载工作。本实用新型提供的基于真空飞轮储能的能量回收装置，克服了现有技术利用双向变流器将制动能量回馈电网或利用双向DC/DC及超级电容进行能量回馈的不足，能量回收装置用于混合动力汽车、港口起重机、垂直电梯、抽油机等采用变频系统驱动并且会产生制动能量的设备中，通过真空飞轮的储能作用，动态地平衡直流母线电压，将变频系统制动时产生的能量暂存，在变频系统驱动负载电机工作时释放出来。为实现更高效率的制动能量回馈提供了保障。
以下将结合附图对本实用新型作进一步说明:图1为本实用新型基于真空飞轮储能的能量回收装置的原理具体实施方式
参照附图1，本实用新型基于真空飞轮储能的能量回收装置包括双向DC/AC变换器7和真空储能飞轮8，双向DC/AC变换器7分别与变频系统直流母线9及真空储能飞轮8连接。真空储能飞轮8包括飞轮壳体、盘式交流电机5、飞轮惯性体6、真空系统、润滑系统和飞轮外围辅助检测传感器，飞轮壳体用于安装飞轮惯性体6和盘式交流电机5，飞轮壳体除提供上述部件的支撑外，还具有维持真空的密封作用和机械保护作用，防止飞轮损坏时破损部件的溅射，盘式交流电机5在补充能量时用来驱动飞轮惯性体高速旋转，实现电能到机械能的转换，在释放能量时被飞轮惯性体6驱动发电，实现机械能到电能的转换；飞轮惯性体6是质量很大的由金属加工而成的轮状物，它的旋转惯量很大，它与盘式交流电机5共轴安装在飞轮壳体内；真空系统包括真空泵和负压开关，它用来维持飞轮壳体内的真空度；润滑系统包括润滑油泵和油压开关，它用来保证飞轮的轴承可以得到充分的润滑，延长轴承使用寿命；飞轮外围辅助检测传感器用于保护系统，包括电机线圈温度检测传感器、轴承温度检测传感器和轴振动检测传感器，实现在温度或振动异常时对飞轮进行急停，以避免事故；真空储能飞轮8的能量补充和能量释放均由双向DC/AC变换器7进行控制。所述的电机线圈温度检测传感器和轴承温度检测传感器采用市售的温度传感器，所述的轴振动检测传感器采用市售的振动传感器。所述的双向DC/AC变换器7包括中央处理单元3和整流/逆变单元4以及外围辅助电路；中央处理单元3包括微处理器、直流母线电压采集电路和真空储能飞轮转速采集电路，直流母线电压采集电路的输入端与变频系统直流母线9相连接，真空储能飞轮转速采集电路的输入端与安装在真空储能飞轮上的转速传感器相连接，直流母线电压采集电路的输出端以及真空储能飞轮转速采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相连，微处理器通过采集的直流母线电压判断变频系统的工作状态，同时根据变频系统的工作状态以及真空储能飞轮当前转速，输出PWM信号(脉宽调制信号)实现对真空储能飞轮的控制。所述工作状态包括待机状态、驱动电机做功状态以及对电机进行制动的状态。所述的直流母线电压采集电路由取样电阻对母线电压进行取样，通过线性光耦隔离，再经放大器调理放大后送入微处理器的AD引脚。所述的线性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。所述的真空储能飞轮转速采集电路由高速光耦对转速传感器输出的脉冲信号进行隔离后送入微处理器的GPIO引脚，所述的高速光耦可以采用6N137型光耦。整流/逆变单元4包括IGBT开关元件(绝缘栅双极型晶体管)和硅整流器件，IGBT开关元件在微处理器输出的PWM信号的作用下实现逆变输出，硅整流器件并联在IGBT开关元件与变频系统直流母线9之间，用于将真空储能飞轮释放的交流电整流并溃入变频系统直流母线9。外围辅助电路用于系统保护，包括常用的过流、过压、过载等检测电路，保护逆变单元免遭损坏。所述的飞轮外围辅助检测传感器通过取样电阻分别对整流/逆变单元4的输入输出电压进行取样，通过电流互感器结合取样电阻对整流/逆变单元4的输出电流进行变换、取样，信号经线性光耦隔离，再经放大器调理放大后送入微处理器的AD引脚。所述电流互感器可以采用市售的TA23B71型电流互感器，所述的线性光耦可以采用HCNR200型光耦，所述放大器可以采用AD620型放大器。整流/逆变单元4与中央处理单元3、变频系统直流母线9以及真空储能飞轮8内部的盘式交流电机5相连接；中央处理单元3与整流/逆变单元4、变频系统直流母线9以及真空储能飞轮8内部各检测电路相连接，用于接收和反馈真空储能飞轮各参数信号，同时监测变频系统直流母线9，并控制整流/逆变单元4输出不同频率的交流电源用于驱动真空储能飞轮内部盘式交流电机或将真空储能飞轮内部盘式交流电机发电时产生的交流电整流并回馈母线。所述的真空储能飞轮8可以采用市售的真空储能飞轮。例如Beacon power公司的Smart Energy 25系列产品。所述的整流/逆变单元4可以采用市售的整流/逆变单元。例如ABB公司的ACS800系列广品。—种使用基于真空飞轮储能的能量回收装置进行能量回收的方法，包括如下步骤:I) 一种使用基于真空飞轮储能的能量回收装置在使用时，当中央处理单元3监测到变频系统直流母线电压达到预设上限阈值时，即该预设阈值接近但并不超过变频系统制动单元启动能耗电阻的阈值，同时监测真空储能飞轮转速，若真空储能飞轮未达到最高负荷转速，则启动DC-AC流程，利用变频系统直流母线上的能量向最高负荷转速驱动真空储能飞轮内部的盘式交流电机，使真空储能飞轮自变频系统直流母线吸收能量；2)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压低于预设下限阈值时，即该预设阈值接近但并不低于电网电源经变频器整流进入直流母线的电压值，同时监测真空储能飞轮转速，若真空储能飞轮已超过最低负荷转速，则启动AC-DC流程，向最低负荷转速制动真空储能飞轮内部的盘式交流电机，使真空储能飞轮向变频系统直流母线释放能量，驱动负载工作；3)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压达到预设上限阈值且真空储能飞轮转速达到或超过最高负荷转速时，则进入待机状态；4)在步骤3)中，若母线电压继续上升，将由变频系统的制动单元启动能耗电阻，消耗多余能量；5)当中央处理单元监测到变频系统直流母线电压低于预设下限阈值且真空储能飞轮转速低于最低负荷转速，则进入待机状态；6)在步骤5)中，若母线电压继续下降，则经变频器整流后的电网直流进入变频系统，驱动负载工作。实施例:参照图1，以港口起重机起升单元为例，港口起重机电源上电后，电网380V三相交流电经整流进入变频系统直流母线，变频系统直流母线电压为540V (峰值)，制动单元启动能耗电阻电压阈值为700V，真空储能飞轮最低负荷转速5000rpm，最高负荷转速8000rpm，双向DC/AC变换器母线电压上限监测阈值为680V，下限监测阈值为600V。当变频系统直流母线有电时(电网供电)，能量回收装置开始待机，当起重机没有开始工作时，母线电压为540V，真空储能飞轮转速为零，能量回收装置仍处于待机状态；当起重机开始工作，吊钩开始下降时，起重机变频器I为控制下降速度对起升电机2进行制动，直流母线电压会迅速上升，并很快达到680V，中央处理单元3监测到母线电压的变化，启动DC-AC流程，通过整流/逆变单元4自母线吸收能量，并驱动盘式交流电机5开始旋转，盘式交流电机5带动飞轮惯性体6旋转，若真空储能飞轮转速达到8000rpm，装置完成充能，进入待机状态；当起重机吊钩开始上升时，起重机变频器I驱动起升电动机2旋转，直流母线电压会迅速下降，并很快低于600V，中央处理单元3监测到母线电压的变化，启动AC-DC流程，通过整流/逆变单元4对盘式交流电机5进行制动，飞轮惯性体6带动盘式交流电机5发电，向母线释放能量，若真空储能飞轮转速下降到5000rpm，装置完成能量释放，进入待机状态；若真空储能飞轮未完成充能母线电压就下降到600V以下，或真空储能飞轮未完成能量释放母线电压就升高到680V以上，装置都会自动待机，等待下一次的充能或能
量释放。
权利要求1.一种基于真空飞轮储能的能量回收装置，其特征在于:包括双向DC/AC变换器和真空储能飞轮，双向DC/AC变换器分别与变频系统直流母线及真空储能飞轮连接； 所述的双向DC/AC变换器包括中央处理单元和整流/逆变单元以及外围辅助电路；中央处理单元包括微处理器、直流母线电压采集电路和真空储能飞轮转速采集电路，直流母线电压采集电路的输入端与变频系统直流母线相连接，真空储能飞轮转速采集电路的输入端与安装在真空储能飞轮上的转速传感器相连接，直流母线电压采集电路的输出端以及真空储能飞轮转速采集电路的输出端分别与微处理器的输入端相连，微处理器通过采集的直流母线电压判断变频系统的工作状态，同时根据变频系统的工作状态以及真空储能飞轮当前转速，输出PWM信号实现对真空储能飞轮的控制； 整流/逆变单元与中央处理单元、变频系统直流母线以及真空储能飞轮内部的盘式交流电机相连接；中央处理单元与整流/逆变单元、变频系统直流母线以及真空储能飞轮内部各检测电路相连接，用于接收和反馈真空储能飞轮各参数信号，同时监测变频系统直流母线，并控制整流/逆变单元输出不同频率的交流电源用于驱动真空储能飞轮内部盘式交流电机或将真空储能飞轮内部盘式交流电机发电时产生的交流电整流并回馈母线。
2.根据权利要求1所述的基于真空飞轮储能的能量回收装置，其特征在于:整流/逆变单元包括IGBT开关元件和硅整流器件，IGBT开关元件在微处理器输出的PWM信号的作用下实现逆变输出，硅整流器件并联在IGBT开关元件与变频系统直流母线之间，用于将真空储能飞轮释放的交流电整流并溃入变频系统直流母线。
3.根据权利要求1所述的基于真空飞轮储能的能量回收装置，其特征在于:所述真空储能飞轮包括飞轮壳体、盘式交流电机、飞轮惯性体、真空系统、润滑系统和飞轮外围辅助检测传感器，飞轮惯性体与盘式交流电机共轴安装在飞轮壳体内；真空系统包括真空泵和负压开关；润滑系统包括润滑油泵和油压开关；飞轮外围辅助检测传感器与中央处理单元的输入端相连，飞轮外围辅助检测传感器包括电机线圈温度检测传感器、轴承温度检测传感器和轴振动检测传感器；真空储能飞轮的能量补充和能量释放均由双向DC/AC变换器进行控制。
4.根据权利要求1所述的基于真空飞轮储能的能量回收装置，其特征在于:所述变频系统的工作状态包括待机状态、驱动电机做功状态以及对电机进行制动的状态。
专利摘要本实用新型涉及一种用于电机变频系统的能量回收装置，特别是一种基于真空飞轮储能的能量回收装置。包括双向DC/AC变换器和真空储能飞轮，双向DC/AC变换器分别与变频系统直流母线及真空储能飞轮连接；双向DC/AC变换器包括中央处理单元和整流/逆变单元以及外围辅助电路；中央处理单元包括微处理器、直流母线电压采集电路和真空储能飞轮转速采集电路。克服了现有技术利用双向变流器将制动能量回馈电网或利用双向DC/DC及超级电容进行能量回馈的不足，通过真空飞轮的储能作用，动态地平衡直流母线电压，将变频系统制动时产生的能量暂存，在变频系统驱动负载电机工作时释放出来。
文档编号H02J3/30GK203014391SQ201220665899
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者王勤, 施刚, 施增伟 申请人:江苏交科能源科技发展有限公司