一． 引言

    国产超级电容器已有多个品牌推向市场，不失时机地把这种新型优异无源储能元件应用到电子、电器设备中去是整机厂商责无旁贷的任务。

    超级电容器（Super capacitor 或 Ultra-capacitor）商业应用在国外已有20多年的历史。它功率密度极高、充电时间极短、使用寿命极长等优异特性是常规电容器所无法比拟的，其应用前景十分广阔，尤其在电源业将会有上佳的表现。

    我公司是变频器专业生产厂商，对处理电动机再生能量进行过深入研究，研究的目的是把变频器推广到矿山提升机上去。
　　
    变频调速系统已在泵类、风机类负载上广泛应用，并且普及势头强劲，这是因为大家对变频器调速性能之优良、节能效果之明显有了深刻认识。变频调速系统在提升类负载上的推广不象以上两类负载那么顺利，那么广泛。其原因却很简单，那就是提升机，特别是大容量提升机对变频器要求太高，使得在这个领域推广变频器风险很大，例如矿山提升机，它是24小时连续作业，哪怕是十分钟的故障停机，也会打乱操作秩序，给生产带来麻烦和损失。从技术上讲，它要求变频器有两倍于额定转矩以上的启动转矩、1.6倍额定转矩以上的低频转矩、大于额定转矩的制动转矩，有时还对加速转矩有很高的要求。更有甚之，还要求四象限运行。因为重物下放时，在重力的作用下，转子的转速可能大于定子旋转磁场的转速，电动机变成了发电机，再生能量使母线电压升高，此时必须把这部分能量迅速转移，或回馈电网或用耗能电阻消耗掉。还有，矿山电网波动大、空气中粉尘含量高，这给变频器的可靠性带来很大威胁。以上这些因素使得提升机变频调速化困难较大,进展缓慢.

    不管矿山提升机提出了怎样的要求,变频器生产厂家都必须想法克服,因为这是一块非常大的市场,如果问题解决的好,将对我国矿山开采业的发展有非常大的影响。当前矿用提升机多用机械变速或用线绕式异步电动机调速。线绕式异步电动机调速方法是转子串电阻，这种系统属于有级调速，转差功率大、启动电流和换档电流冲击大、中高速运行震动大、制动不安全不可靠、对再生能量处理不力、运行中调速不连续容易掉道，故障率高。总之变频器配套提升机十分必要，原提升机进行变频改造，任务繁重又迫切。

    2000年山东风光电子公司已经把变频器推广到了矿山提升机[1]，已经正常运行两年多，用户们反映良好。当时对再生能量的处理办法是回馈电网，这当然是个好办法，但由于电网波动大，再生能量回馈时对电网有冲击，或者说对电网有一定程度的污染，处理再生能量的原始办法是耗能电阻，这部分能量被白白浪费掉，该电阻容易烧坏且要求很大的散热空间。对再生能量还有更好的处理办法吗？本文提出用超级电容器储能的办法来处理再生能量，实用效果不错，已有多台这种设备正在矿山正常运行。

二、处理再生能量的新思路

    现在市场上，有一种新型大容量储能元件——超级电容器。据文献介绍，超级电容器的技术参数可达：
    容量 0.2～600F
    耐压 14～400V
    寿命 十年以上，而且免维护
    若用1F、400V的电容器C，充满电时所储的能量为
    WC=（1/2）CUC2=1/2（400）2=80000=80（KJ）
    式中UC为电容上的电压。

    由此可见，所储能量十分可观。我们拟将这种器件用来处理再生能量。 选用合适容量、合适耐压的超级电容器作为再生能量的存储器，电机进入发电状态后，母线电压上升，这时为电容充电，使母线电压下降。当再生发电过程结束、母线电压回落到安全值时，让大电容向母线放电，将存储在电容上的电能再回馈到母线上去，我们认为这种思路是可行的。

三、充电、放电回路的设计

    现将我公司原提升机变频器的再生能量回馈部分按新思路重新设计。主回路如图1 所示。

图1 超级电容充、放电回路

超级电容器以CB表示，其额定电压为UCBO，瞬时电压为UCB，
母线电压为UBUS ，所允许的最大值为Umax ，
L为能量转换电感,
BT3为耗能支路的通/断控制开关。
斩波驱动信号的波形如图2所示。

图2 斩波驱动信号的波形

1、 CB容量的选择

    现有超级电容的额定电压最高为400V，只可取这种电容器，为安全起见，取UCBO=350V，设提升重量为WG（kg），重物最大速度限定为Vmax（m/s）。
当WG以Vmax速度下滑时，使用电动制动（例如直流制动），让速度降为零，动能将全部转化成再生电能。现要把这部分能量储存在CB上，
（1/2）CBUCBO2=（1/2）WG（Vmax）2
用户给定：WG=6000 kg Vmax=4.7 m/s
CB= [WG（Vmax）2]/ UCBO2=[6000＊（4.7）2]/3502=1.07（F）

    市场上400V的超级电容，单支最大容量为0.58F，所以要用两支并联使用，实取数值为：
    CB=0.58＊2=1.16F

 2、 充电斩波信号占空比B的考虑

    为确保CB的安全，一定不能让CB充电超过UCBO。本设计采取两个措施，其一是控制充电速度。让占空比随UBUS 的升高而下降。
第二个措施是增设耗能电阻放电回路。

3、 耗能电阻放电回路

    耗能电阻放电回路见图1，它是否启动由BT3来控制。如果发电状态持续时间较长，UCB升至UCBO后还有再生电流流入，就开启耗能电阻放电回路。

4、超级电容器向母线回送电能的设计。

    CB向母线放电时，先让 CB通过L和放电支路到地放电，使L充磁。然后，L和CB通过充电支路向母线回送电流。在本设计中，希望每次充磁电流的终值基本恒定，因为UCB是逐渐下降的，所以让占空比B随UCB的下降而变大，B由0.1随时间均匀增长至0.9。如图3所示。

图3 B～UCB关系

四、实用效果及讨论

第一台改装机上的具体运行参数是这样设定的：
从电网上另取一条支路经整流滤波后的电压作为参考电压Uref，Uref独立于变频器母线电压UBUS，UBUS随再生发电的强弱而波动，波动的幅度是通过UBUS 与Uref的比较来衡量的。
当UBUS－Uref≥60时，CB开始充电；
当UBUS－Uref≤30时，CB停止充电；
当UBUS－Uref <10时，CB开始放电；
当UCB≥350V时，开启耗能电阻放电回路；
当UCB<350时，关闭耗能电阻放电回路；
当UCB<50时，CB放电停止。
　　
    按这样设置，设备一直运行良好，已经正常工作半年多，提升机每升降一次都会有一次CB的充放电过程。过程进行的十分平稳。UBUS的浮动从不超过60V。耗能电阻放电回路一般不参与运行，它是对CB的一种保护措施，正常工作时不动作。
　
    用这种储能法处理再生能量，对电网毫无影响，能量又被再利用，使得变频器节能的优势更加突出。

    如果提升机功率很大，工况又使发电效应十分突出，这种情况仍可继续采用储能方案，但不用耗能电阻，而把CB上储不下的能量经二次逆变回馈电网。因为UCB比UBUS稳定的多，所以逆变回馈会容易的多。

    超级电容器是介于普通电容器和蓄电池之间的优异储能元件，第一次被用到变频器中，在此以前未见有相关报道，愿与有兴趣的单位和个人交流经验和信息。

参考文献: 
1. 矿山提升机变频调速系统，《变频器世界》，2000年第9期 
李瑞来、韩文昭
2. 交流调速系统 陈伯时 陈敏逊

作者简介: 李瑞来 ——清华大学毕业, 致力于电力电子、电气传动与控制的研究，高级工程师，现任山东风光电子有限责任公司总工。