[发明专利]一种基于真空飞轮储能的能量回收装置及其能量回收方法

说明书

技术领域

本发明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及其能量回收方法。

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。

发明内容

本发明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及其能量回收方法，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。

本发明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。