一種基于超級(jí)電容的變頻器低電壓穿越支持裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變頻器低電壓穿越支持設(shè)備，具體地說是一種基于超級(jí)電容的變頻器 低電壓穿越支持裝置，它能保證變頻器在電網(wǎng)電壓暫降的情況下不停機(jī)，確保與其相關(guān)的 整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)際電網(wǎng)中，特高壓交直流線路故障、電網(wǎng)低頻振蕩、大型電機(jī)啟動(dòng)和電網(wǎng)短路故 障等會(huì)引起較大的電壓暫降。這類電網(wǎng)電壓暫降的情況，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致工廠變頻器的停機(jī)，如 果停機(jī)發(fā)生在一些關(guān)鍵設(shè)備上，進(jìn)而會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)停止工作，對(duì)企業(yè)乃至社會(huì)造成嚴(yán) 重的經(jīng)濟(jì)損失。解決此類變頻器低電壓穿越問題的從兩方面著手，一方面是變頻器本身在 低電壓情況下運(yùn)行能力的挖掘，一般變頻器本身可以在低至額定電壓65 %的電壓下維持控 制電路的繼續(xù)工作，但往往由于功率余量的限制，最后還是因過電流而跳機(jī)。另一方面是考 慮在外部給予支持，如早期的串聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR)，交流雙電源切換方案，增加在線 式USP電源，利用電網(wǎng)殘壓升壓電路，以及在變頻器的直流側(cè)加蓄電池或并聯(lián)大電容等方 案。
[0003] 超級(jí)電容單體容量大，可小型化，充放電效率高，充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，真正免維護(hù)， 目前已開始大量投入工業(yè)應(yīng)用。因此，研宄利用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)變頻器低電壓穿越能力的支 持，具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于超級(jí)電容的變頻器低電壓穿越支持裝置，其將超 級(jí)電容儲(chǔ)能單元通過逆止二極管并聯(lián)在普通變頻器電能轉(zhuǎn)換直流環(huán)節(jié)處，使普通變頻器具 備低電壓穿越能力。
[0005] 為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種基于超級(jí)電容的變頻器低電壓穿越支持 裝置，包括超級(jí)電容儲(chǔ)能單元、超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧⒊?jí)電容充電單元和逆止二極管，其特 征在于，
[0006] 所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的 單向?qū)ㄐ裕乐棺冾l器整流單元承擔(dān)額外的超級(jí)電容充電電流，確保超級(jí)電容儲(chǔ)存的能 量?jī)H在電壓跌落期間輸出給主電路；所述超級(jí)電容充電單元的輸入側(cè)與交流電源連接，輸 出側(cè)與超級(jí)電容儲(chǔ)能單元連接；所述的超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧c超級(jí)電容儲(chǔ)能單元連接。
[0007] 本發(fā)明的工作原理是：正常工作時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元處于儲(chǔ)能狀態(tài)，電壓低于變 頻器直流環(huán)節(jié)的電壓；在變頻器的進(jìn)線電壓跌落時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能單元可在一定時(shí)間內(nèi)維 持變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓不變，保證變頻器正常運(yùn)行。
[0008] 進(jìn)一步，所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元由能量法確定電容容量，設(shè)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元 滿充電壓為Un，在電壓跌落的t秒末的電壓為Ut，期間超級(jí)電容釋放的能量表示為：
[0010] 此時(shí)變頻器帶負(fù)載消耗的能量表示為：
[0011] Wm= P Mt,
[0012] 上式中：PM為變頻器帶的電機(jī)功率，C s為超級(jí)電容的容量；
[0013] 不計(jì)變頻器逆變單元本身的損耗，理想情況下超級(jí)電容釋放的能量需與負(fù)載消耗 的能量相等，即：
[0014] Wm= Wc,
[0015] 求得超級(jí)電容的值為：
[0017] 由于單體超級(jí)電容耐壓值較小，實(shí)際超級(jí)電容儲(chǔ)能單元需由若干相同容量的單體 超級(jí)電容串并聯(lián)而成，串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級(jí)電容耐壓確定，設(shè)串聯(lián)的超級(jí)電容數(shù)量為N。，單 體超級(jí)電容耐壓值為Ud，在耐壓上留有余量，則：
[0019] 單體超級(jí)電容的容量C和并聯(lián)數(shù)量Nb與總?cè)萘?^和串聯(lián)數(shù)量N。關(guān)系如下：N bC = NcCsO
[0020] 進(jìn)一步，所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元由若干相同容量的單體超級(jí)電容串并聯(lián)而成， 串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級(jí)電容耐壓確定，單體容量與并聯(lián)數(shù)根據(jù)負(fù)載功率和跌落時(shí)間要求確 定。
[0021] 進(jìn)一步，所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容充電單元單獨(dú)充電；超級(jí)電容充電 單元采用恒壓限流的控制方式（降低了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)超級(jí)電容的影響），其輸入電壓為交流 市電，輸出電壓低于正常時(shí)變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓。
[0022] 進(jìn)一步，所述的超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧删鶋弘娙菖c級(jí)聯(lián)電感端口網(wǎng)級(jí)聯(lián)形成，每一 級(jí)均壓電容端口通過開關(guān)分別與串聯(lián)超級(jí)電容并聯(lián)，并通過電感與下一級(jí)均壓電容端口連 接，由此形成串聯(lián)模組電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的均壓電路結(jié)構(gòu)；通過控制并聯(lián)均壓電路中所有并聯(lián) 開關(guān)同步"合"與"開"實(shí)現(xiàn)不均衡電荷的轉(zhuǎn)移，使得儲(chǔ)能單體電壓相等。即所述的超級(jí)電 容均壓?jiǎn)卧ㄟ^并聯(lián)電容進(jìn)行均壓，控制過程不依賴高精度采樣，均壓速度受串聯(lián)儲(chǔ)能單 體數(shù)量影響少。
[0023] 本發(fā)明的基于超級(jí)電容的變頻器低電壓穿越支持裝置并聯(lián)在普通變頻器電能轉(zhuǎn) 換直流環(huán)節(jié)處，可使普通變頻器具備低電壓穿越能力；本發(fā)明充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，真正免維 護(hù)，可滿足各工業(yè)領(lǐng)域變頻器低電壓穿越的支持要求。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明超級(jí)電容充電單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖5為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中電網(wǎng)電壓跌落波形圖。
[0029] 圖6為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中超級(jí)電容端電壓波形圖。
[0030] 圖7為本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中超級(jí)電容輸出電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0032] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明基于超級(jí)電容的變頻器低電壓穿越支持裝置的組成如下：超級(jí) 電容儲(chǔ)能單元、超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧?、超?jí)電容充電單元和逆止二極管。超級(jí)電容充電單元的 輸入側(cè)與交流電源連接，輸出側(cè)與超級(jí)電容儲(chǔ)能單元連接。
[0033] 超級(jí)電容儲(chǔ)能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的單向?qū)?通性，防止變頻器整流單元承擔(dān)額外的超級(jí)電容充電電流，確保超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量?jī)H在 電壓跌落期間輸出給主電路。超級(jí)電容儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容充電單元單獨(dú)充電，采用恒壓 限流的控制方式，其輸入電壓為交流市電，輸出電壓低于正常時(shí)變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓。超 級(jí)電容儲(chǔ)能單元由若干相同容量的單體超級(jí)電容串并聯(lián)而成（圖2)，串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級(jí) 電容耐壓確定，單體容量與并聯(lián)數(shù)根據(jù)負(fù)載功率和跌落時(shí)間要求確定。超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧?與超級(jí)電容儲(chǔ)能單元連接，超級(jí)電容均壓?jiǎn)卧删鶋弘娙菖c級(jí)聯(lián)電感端口網(wǎng)級(jí)聯(lián)形成，每 一級(jí)均壓電容端口通過開關(guān)分別與串聯(lián)超級(jí)電容并聯(lián)，并通過電感與下一級(jí)均壓電容端口 連接，由此形成串聯(lián)模組電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的均壓電路結(jié)構(gòu)。通過控制并聯(lián)均壓電路中所有并 聯(lián)開關(guān)Si~S2n同步"合"與"開"可以實(shí)現(xiàn)不均衡電荷的轉(zhuǎn)移，使得儲(chǔ)能單體電壓相等（圖 3)