1 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。
2 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。
3 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，此忽略转筒的动能和势能。
(1/2)cbucbo2=(1/2)wg(vmax)2
用户给定:wg=6000kg vmax=4.7m/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。
4 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。
图3 b～ucb关系
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] 李瑞来,韩文昭. 矿山提升机变频调速系统[j]. 变频器世界,2000,9.
[2] 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统[m]. 上海:上海大学出版社。
作者简介
李瑞来 高级工程师 清华大学毕业，致力于电力电子、电气传动与控制的研究，现任山东风光电子有限责任公司总工。
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