一种矿井提升机用超级电容UPS电源装置的制作方法

本发明属于矿山矿井提升机设备领域，具体涉及一种矿井提升机用超级电容ups电源装置。

背景技术：

矿井提升机在矿山井工设备中广泛应用，主要担负提升矿物、升降人员、物料和设备等任务，是矿山机电系统的咽喉设备，直接关系着矿山的安全生产。提升机配套的ups电源装置（也就是不间断电源装置）是保障提升机安全运行的关键设备，是矿井提升机在正常使用中因电网停电或供电系统故障造成不能正常供电时，为满足提升机控制系统数据不丢失及能够安全可靠停车，而提供提升机主控系统及安全制动延时电磁阀用的后备电源。按照国家《煤矿安全规程》要求，矿井提升机在遇到停电事故紧急停车时，制动器首先施加第一级制动力矩，使提升系统产生符合《煤矿安全规程》规定的减速度，以确保整个提升系统平稳、可靠减速。然后通过备用电源供电，经过延时一段时间后（2-10秒左右，具体每台不一样，要根据工况进行计算）第二级制动力矩才能全部施加上去，使矿井提升机安全地处于静止停车状态。为保证上述要求，停电后的这延时时间还必须有备用电源提供给提升机主控系统及液压站部分电磁阀系统，保证这部分设备还能正常按照技术要求带电工作。因此，矿井提升机必须要配套一台满足一定容量及延时时间要求的的ups电源装置，也就是说一台提升机必须配备一台ups电源装置。尤其当提升机在斜井使用（特别是用在小倾角的斜井上）向上提升过程中，一旦电源供电系统突然断电，若没有后备电源，提升机控制回路均失电，提升机不能实现二级制动，提升机制动器就会自动发生施加全制动力的一级紧急制动，提升机在该制动力的作用下，迅速停车，而运行中所提升的容器在惯性力作用下，又会继续上行一段距离，提升容器和提升机不同步运动，这样势必造成连接上述两设备的提升钢丝绳的松绳，待提升容器的向上运行的惯性结束后，提升容器又会在其自重的作用下，向下自由运行，提升钢丝绳承受较大的冲击拉力，会使钢丝绳因冲击而受伤，若钢丝绳已有了内伤也可能断绳，从而造成矿井提升机飞车机毁人亡事故的发生。因此安全制动时，若按《煤矿安全规程》规定，将三倍静力距的制动力一次投入，制动减速度很难符合规程规定，在很大程度上，制动减速度过大。对于速度高、惯性大的提升机，会造成很大冲击从而损坏设备。若采用二级制动，第一级制动投入一部分制动力矩，使制动减速度符合《煤矿安全规程》要求，第二级制动经延时后再投入全部的制动力，从而避免上诉可能发生的事故。这样既保证了安全，又符合《煤矿安全规程》要求。ups电源装置就是正常情况下提供矿井提升机保证电磁兼容性指标的220v电源，更重要是保证矿井提升机在断电情况下，能够提供提升机控制系统一定时间及一定容量的后备电能以保证矿井提升机能够断电情况下实施延时二级制动，确保矿井提升机安全运行。

现矿井提升机使用的ups电源装置就是市场上通用的ups电源装置，绝大多数是一种含有铅酸电池储能的装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。当市电输入正常时，ups电源装置将市电稳压后供应给负载使用，此时的ups电源装置就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内铅酸电池充电；当市电中断（事故停电）时，ups电源装置立即将机内铅酸电池储存的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220v交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。目前，不间断电源装置储能元件多采用铅酸电池，然而铅酸电池生产过程及后续回收所造成的污染非常严重，铅酸电池还有记忆效应、储电效能不佳且该储能元件的平均使用寿命也就（2~3）年左右，如用户对该装置做不到及时的维护和更换，提升机的安全运行就得不到有效的保障，另外该电池不能长时间存放，长时间存放应人工定期进行电池的充放电维护，铅酸电池亏电时不能恢复原有性能，废弃时需回收，否则会造成环境污染，同时电池对环境温度也有一定要求。也就是说由于铅酸电池本身所带来的高污染、寿命短、可靠性低等问题，造成铅酸电池ups电源装置已经不适应国家现在绿色、环保、高质、高效、节能及安全生产要求，锂电电池ups电源装置比铅酸电池ups电源装置要好许多，但其高温工作特性不好（容易爆炸）及价格昂贵制约了其在ups电源装置上的使用。因此有必要开发一种绿色、环保、高质、高效、节能及符合安全生产要求的矿井提升机用新型ups电源装置。

矿井提升机变频器工作原理如图1所示。矿井提升机负载是恒转矩特性负载。重车上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩檫力矩，电机处于电动工作状态，工作于第一象限。在重车减速时，电机会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外，有占总运行时间约10%的时候单独运送工具或器材到井下时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。用能耗制动方式必将消耗大量的电能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。但是，回馈制动的能量属于污染电源，供电部门一般不允许这么做。为此提升机多选用价格低廉的能耗制动单元加能耗电阻的制动方案。图1所示变频器带制动单元方式就是矿井提升机变频调速使用最多的模式。也就是说提升机运行过程就是电能与机械能转换的过程，当提升机重载上行或轻载下行时，需要给提升机提供能量使机械势能增加，提升机将电能转换为机械势能，提升机处于电动耗电状态，三相交流电源通过变频器整流单元1变成直流电，又通过变频器逆变器2转换成频率和电压均可调节的三相交流电带动电动机运行；当提升机轻载上行或重载下行时，运行过程需要使机械势能减少，提升机机械势转换为电能，电机处于发电状态。另外提升机在从高速运行到制动停止的过程，是机械动能消耗的过程，其中一部分动能则通过提升机转换为电能，电机处于发电过程。这两种情况都会使电机发电过程产生的电能通过变频器的三相逆变桥反向回到变频的直流端，提升机电机6发电能量通过变频器逆变器2回到滤波电容12两端，存储到直流滤波电容c里面，而直流电容的容量有限，当电机产生的电能足够大，超过直流电容的容量，将造成直流电容损坏，所以多出的电能部分必须消耗掉。常规的变频提升机处理此部分电能的方法是在直流电容端加装包括制动电阻的制动单元4，当电容两端的电压到达一定值，制动单元4动作，多余的电能通过制动电阻转换为热能散发到空中。矿井提升机每天运行约300次左右，而每运行一次，都会产生不少的发电能量，通过制动单元白白的放掉了。

基于上述原因，需要提出研发一种非铅酸电池类化学变化储能器件的同时具备节能效果的ups电源装置。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种既节能又绿色环保的矿井提升机用超级电容ups电源装置，提升矿井提升机安全制动系统的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，包括变频器整流单元、变频器双向逆变单元、单向直流电压转换单元、第一负载转换开关、第二负载转换开关、超级电容组单元、超级电容逆变单元和检测控制模块，外接电源经变频器整流单元、变频器逆变单元后与矿井提升机电机连接，所述单向直流电压转换单元的输入端与矿井提升机变频器直流母线端连接，输出端与所述超级电容组单元的输入端连接，所述超级电容组单元的输出端与所述超级电容逆变单元的输入端连接，所述超级电容逆变单元的输出端通过所述第一负载转换开关单元与提升机控制回路连接，通过第二负载转换开关与提升机房照明设备以及检修起重设备连接；所述单相直流电压转换单元用于将直流母线端的直流电压进行转换后为所述超级电容组单元充电，所述超级电容逆变单元用于将所述超级电容组单元输出的直流电源转换为220v交流电后给所述提升机控制回路和提升机房照明设备以及检修起重设备供电；所述超级电容组单元的数据输出端与所述检测控制模块的输入端连接，用于给所述检测控制模块提供电压数据；所述检测控制模块的第一输出端与单向直流电压转换单元的控制端连接，所述检测控制模块的第二输出端与超级电容逆变单元的控制端连接，所述检测控制模块的第三输出端和第四输出端分别与第一负载转换开关和第二负载转换开关的控制端连接，所述检测控制模块内设置有充电控制程序和放电控制程序，所述检测控制模块用于通过充电控制程序和放电控制程序来控制所述单向直流电压转换单元和超级电容逆变单元的工作状态，以及控制第一负载转换开关和第二负载转换开关的连接状态，进而控制所述超级电容组单元的充放电状态。

所述的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，还包括母线端电压检测单元，所述母线端电压检测单元的输出端与检测控制模块连接，用于检测矿井提升机变频器直流母线端的电压并发送给所述检测控制模块，所述充电控制程序包括以下步骤：

s101、根据母线端电压检测单元的检测信号，判断矿井提升机电机是否处于再生发电状态；若是，进入步骤s102；若不是，重复步骤s101；

s102、判断所述超级电容组单元的电压大小是否小于第一设定值u1，若小于，则进入步骤s103，若不小于，重复步骤s102；

s103、控制所述单向直流电压转换单元7工作，对所述超级电容组单元8进行充电，并进入步骤s104；

s104、判断超级电容组单元电压是否达到额定电压时，若是，延时10s后控制所述单向直流电压转换单元7停止工作，若否，重复进入步骤s103。

所述第一设定值u1为超级电容组单元的额定电压的0.95倍。

所述的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，还包括预充电单元，所述超级电容组单元的输入端还通过预充电单元与外接电源连接，所述预充电单元用于将外接电源电压转换为超级电容组单元所需电压并对超级电容组进行充电，所述检测控制模块的输出端与所述预充电单元的控制端连接，所述检测控制模块用于在所述超级电容组单元的电压值低于第四设定值时，控制所述预充电单元工作，直接对所述超级电容组单元进行充电。

所述第四设定值为超级电容组单元额定电压的0.1倍。

所述放电控制程序包括以下步骤：

s201、判断外接电源是否有突发故障，若有，控制所述超级电容逆变单元工作，同时控制所述第一负载开关切换到使提升机控制回路连接超级电容逆变单元，控制所述第二负载开关切断提升机房照明设备以及检修起重设备与所述超级电容逆变单元的连接，若无，进入步骤s202；

s202、判断所述超级电容组单元的电压大小与第二设定值u2和第三设定值u3的关系，若小于第二设定值u2，控制所述超级电容逆变单元停止工作，同时将所述第二负载开关切换到使提升机房照明设备以及检修起重设备连接外部电源；同时返回步骤s201；若大于等于第二设定值u2，小于等于第三设定值u3，不动作，同时返回步骤s1；若大于第三设定值，控制所述超级电容逆变单元工作，同时将所述第二负载开关切换到使提升机房照明设备以及检修起重设备连接超级电容组单元，并返回步骤s201。

所述第二设定值u2对应的超级电容组单元的电量为矿井提升机控制回路延时5分钟所需能量的1.5倍；所述第三设定值u3为超级电容组单元额定电压的0.8倍。

所述的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，还包括制动单元，所述制动单元与提升机变频器直流母线端连接，所述检测控制模块的输出端与所述制动单元的控制端连接，用于在矿井提升机电机处于再生发电状态，且超级电容组单元电量达到满值时，控制所述制动单元工作。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过在提升机变频器母线端设置单向直流电压转换单元和超级电容组单元，在超级电容组单元与负载之间设置超级电容逆变单元和负载转换开关，当提升机电机处于再生发电装置时，控制单向直流电压转换单元对超级电容组单元进行充电；当超级电容组单元的电压达到一定值时，控制第二负载开关转换单元使超级电容组单元对机房照明设备以及检修起重设备的供电；当出现外接电源故障时，控制第一负载开关转换到备用电源端，使所述超级电容组单元放电对提升机控制回路进行供电，一方面，使得超级电容组单元储存的能量还可以用于提升机房照明设备以及检修起重设备的供电，提高了提升机负载势能以及减速制动回馈的能量的利用率，实现了节能的目的，同时避免了回馈制动能量对电网的污染，另一方面，满足了矿井提升机对停电时的备用电源的需求。此外，检测控制模块的设置，使得该超级电容ups电源装置的充放电过程可以进行实时自动控制，大大增加了矿井提升机运行的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中矿井提升机变频器工作原理图；

图2为本发明实施例提供的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中充电控制程序的流程示意图；

图4为本发明实施例中放电控制程序的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置的工作原理图；

图6为本发明另一实施例中放电控制程序的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供了一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，包括变频器整流单元1、变频器双向逆变单元2、单向直流电压转换单元7、第一负载转换开关11、第二负载转换开关12、超级电容组单元8、超级电容逆变单元9、和检测控制模块3，外接电源经变频器整流单元1、变频器双向逆变单元2后与矿井提升机电机6连接，所述单向直流电压转换单元7的输入端与矿井提升机变频器直流母线端10连接，输出端与所述超级电容组单元8的输入端连接，所述超级电容组单元8的输出端与所述超级电容逆变单元9的输入端连接，所述超级电容逆变单元9的输出端通过所述第一负载转换开关11与提升机控制回路13连接，通过第二负载转换开关12与提升机房照明设备以及检修起重设备14连接，此外，所述提升机控制回路13还通过第一负载转换开元11与外接电源连接，提升机房照明设备以及检修起重设备14还通过第二负载转换开关12与外接电源连接；所述单相直流电压转换单元7用于将直流母线端10的直流电压进行转换后为所述超级电容组单元8充电，所述超级电容逆变单元9用于将所述超级电容组单元8输出的直流电源转换为220v交流电后给所述提升机控制回路和提升机房照明设备以及检修起重设备14供电。其中，单向直流电压转换单元为单向dc/dc模块。

所述超级电容组单元8的数据输出端与所述检测控制模块3的输入端连接，用于给所述检测控制模块3提供电压数据；所述检测控制模块3的第一输出端与单向直流电压转换单元7的控制端连接，所述检测控制模块3的第二输出端与超级电容逆变单元9的控制端连接，所述检测控制模块3的第三输出端和第四输出端分别与第一负载转换开关11和第二负载转换开关12的控制端连接，所述检测控制模块3用于通过控制所述单向直流电压转换单元7和超级电容逆变单元9的工作状态，以及控制第一负载转换开关11和第二负载转换开关12的连接状态，来控制所述超级电容组单元的充放电状态。

具体地，所述检测控制模块3用于在矿井提升机电机6处于再生发电状态，且超级电容组单元电压值较低时，控制所述单向直流电压转换单元7工作，对所述超级电容组单元3进行充电直至所述超级电容组单元电压达到额定电压时，控制所述单向直流电压转换单元7停止工作；所述检测控制模块3还用于在所述超级电容组单元电容量充足时，控制所述超级电容逆变单元9工作，控制所述第二负载转换开关，使提升机房照明设备以及检修起重设备14切换到与超级电容逆变单元9连接获得电能；此外，所述检测控制模块3还用于在突发电源故障时，控制所述超级电容逆变单元9工作，以及控制所述第一负载转换开关11，使提升机控制回路13切换到与超级电容组逆变单元9连接获得电能，使所述超级电容组单元8放电对提升机控制回路13进行供电。

进一步地，所述的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置，还包括与矿井提升机变频器直流母线端连接的母线端电压检测单元15，所述母线端电压检测单元15的输出端与检测控制模块3连接，用于检测矿井提升机变频器直流母线端的电压并发送给所述检测控制模块；所述检测控制模块3内设置有充电控制程序和放电控制程序，如图3所示，所述充电控制程序包括以下步骤：

s101、根据母线端电压检测单元的检测信号，判断矿井提升机电机是否处于再生发电状态；若是，进入步骤s102；若不是，重复步骤s101；

s102、判断所述超级电容组单元的电压大小是否小于第一设定值u1，若小于，则进入步骤s103，若不小于，重复步骤s102；

s103、控制所述单向直流电压转换单元7工作，对所述超级电容组单元8进行充电，并进入步骤s104；

s104、判断超级电容组单元电压是否达到额定电压时，若是，延时10s后控制所述单向直流电压转换单元7停止工作，若否，重复步骤s103。

其中，所述第一设定值u1可以为超级电容组单元的额定电压的0.95倍，由于超级电容的充电时间极短，通过以上充电控制程序，使超级电容组单元只有在电压低于第一设定值u1时才会进行充电，并且可以一旦充电就直接充满，可以避免对单向直流电压转换单元7的频繁操作，降低装置的故障率。

如图4所示，所述放电控制程序包括以下步骤：

s201、判断外接电源是否有突发故障，若有，控制所述超级电容逆变单元工作，同时控制所述第一负载开关切换到使提升机控制回路连接超级电容逆变单元，控制所述第二负载开关切断提升机房照明设备以及检修起重设备与所述超级电容逆变单元的连接，若无，进入步骤s202。

s202、判断所述超级电容组单元的电压大小与第二设定值u2和第三设定值u3的关系，若小于第二设定值u2，控制所述超级电容逆变单元停止工作，同时将所述第二负载开关切换到使提升机房照明设备以及检修起重设备连接外部电源；同时返回步骤s1；若大于等于第二设定值u2，小于等于第三设定值u3，不动作，同时返回步骤s1；若大于第三设定值，控制所述超级电容逆变单元工作，同时将所述第二负载开关切换到使提升机房照明设备以及检修起重设备连接超级电容组单元，并返回步骤s201。

其中，检测控制单元可以与外接电源的监控装置连接，以便于随时监控外接电源的工作状态，以便于在突发故障时切换超级电容组单元放电对提升机控制回路进行延时供电，以保障提升机安全。

其中，所述第二设定值u2可以根据超级电容组单元的电容值和矿井提升机控制回路延时5分钟所需能量的值来进行设定，前提是，第二设定值u2对应的超级电容组单元内存储的能量应该能满足矿井提升机控制回路延时5分钟所需能量，以保证任何情况下突发电源故障都能保证矿井提升机控制回路能延时工作5分钟以上，第三设定值u3应大于第二设定值u2，从而使超级电容组单元在电量充足的情况下对提升机房照明设备以及检修起重设备供电，以提高提升机负载势能以及减速制动回馈的能量的利用率。优选地，所述第二设定值u2对应的超级电容组单元的电量为矿井提升机控制回路延时5分钟所需能量的1.5倍，超级电容组单元的电量可以通过公式e=cu²/2来计算，式中，c为电容值，u为电压值，e为电量；所述第三设定值u3可以设定为超级电容组单元额定电压u0的0.8倍。

进一步地，本发明实施例的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置还可以包括制动单元4，所述制动单元4与提升机变频器直流母线端10连接，所述检测控制模块3的输出端还与所述制动单元4的控制端连接，用于在矿井提升机电机6处于再生发电状态，且超级电容组单元8电容量达到满值时，控制所述制动单元4工作，以消耗掉多余的回馈电能。其中，制动单元内设置有制动电阻，当超级电容组单元充满电，而矿井提升机电机6仍处于再生发电状态时，说明提升机负载势能及减速制动回馈的能量通过提升机电机6转换成三相交流电能较多，通过超级电容组单元难以完全存储，此时，检测控制模块3控制制动单元4动作，多余的电能可以通过制动电阻转换为热能散发到空气中，从而消耗掉，避免对电网的污染。

如图5所示，本发明的一种矿井提升机用超级电容ups电源装置的工作原理如下：提升机运行时，提升机负载势能及减速制动回馈的能量通过提升机电机6转换成三相交流电能，再通过变频器双向逆变单元回路2转换成直流电回收到变频器直流母线端，单向直流电压转换单元7的输入端与直流母线端相连，输出端与超级电容组单元8连接，因此在检测控制模块3的控制下，单向直流电压转换单元7对超级电容组单元8充电；此外，超级电容组单元8的输出端与超级电容逆变单元9相连，在检测控制模块的控制下，超级电容逆变单元9可以将超级电容输出的直流电源转化为220v标准交流电源，220v交流电源再经负载转换开关与提升机控制回路连接，给提升机控制回路供电。

进一步地，作为本发明的另一实施例，该矿井提升机用超级电容ups电源装置还可以包括预充电单元5，所述超级电容组单元8的输入端还通过预充电单元5与外接电源连接，所述检测控制模块3的输出端还与所述预充电单元5的控制端连接，所述预充电单元5用于将外接电源电压转换为超级电容组单元8所需电压并对超级电容组单元8进行充电，所述检测控制模块3用于在所述超级电容组单元8的电压值低于第四设定值u4时，控制所述预充电单元5工作，对所述超级电容组单元8进行充电。通过设置预充电单元，可以在超级电容组单元首次通电使用或长时间存放等原因导致储存电荷为零的状态下，给超级电容组单元预充电，防止损坏变频器。

具体地，本实施例中充电控制程序的流程图如图6所示，所述充电控制程序包括以下步骤：

s301、判断所述超级电容组的电压是否小于第四设定值u4，若小于，则进入步骤s301，若不小于，进入步骤s304；

s302、控制所述预充电单元5工作，对所述超级电容组单元8进行充电，并进入步骤s303；

s303、判断超级电容组单元电压是否达到额定电压时，若否，重复步骤s302，若是，延时10s后控制所述预充电单元5停止工作；

s304、根据母线端电压检测单元的检测信号，判断矿井提升机电机是否处于再生发电状态，且超级电容组单元的电压大小是否小于第一设定值u1；若是，进入步骤s305；若不是，重复步骤s304；

s305、控制所述单向直流电压转换单元7工作，对所述超级电容组单元8进行充电，并进入步骤s306；

s306、判断超级电容组单元电压是否达到额定电压时，若否，重复步骤s305，若是，延时10s后控制所述单向直流电压转换单元7停止工作。

具体地，所述第四设定值u4可以设定为超级电容组单元额定电压的10%。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。