超級電容和IGBT在停電保磁控制裝置中的應(yīng)用研究

李 鋒

LI Feng

（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，岳陽 414000）

0 引言

起重電磁鐵是鋼鐵制品的常用搬運工具，以其操作簡便和快速靈活，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、機械制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，與之配套的起重電磁鐵停電保磁控制設(shè)備既是起重電磁鐵作業(yè)的饋電整流設(shè)備，又是其作業(yè)現(xiàn)場的安全保證系統(tǒng)，當(dāng)起重電磁鐵處于吸料狀態(tài)而又遇到電網(wǎng)停電時，能自動切換電源，采用備用蓄電池組給電磁鐵繼續(xù)供電，保證起重電磁鐵所吊運的被吸物不落下，從而保證作業(yè)現(xiàn)場的其他設(shè)備及人身安全。

1 國內(nèi)外停電保磁控制裝置應(yīng)用現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的停電保磁控制設(shè)備從有觸點到無觸點控制，在一步一步的改進，但都還存在能耗大、可靠性不高、操作不直觀等缺點。國內(nèi)產(chǎn)品主要有以下三種：

1.1 傳統(tǒng)的有觸點停電保磁電控設(shè)備

電路一般包括整流變壓器、二極管整流模塊、接觸器等。三相交流經(jīng)變壓器降壓并經(jīng)二極管整流模塊整流獲得直流220V，吸放料操作通過直流接觸器切換給起重電磁鐵加入正向勵磁電流和反向消磁電流，通過板式電阻釋放電磁鐵儲能。

主要缺點是消磁時間長，接觸器切換過程中產(chǎn)生電火花、噪音大，觸頭磨損和熔焊、易粘連造成短路故障，接觸器使用壽命短，安全性能低，維護費用高，耗能大效率低、電控柜體積不能小型化。

1.2 無觸點停電保磁電控設(shè)備

利用智能晶閘管整流模塊和PLC控制技術(shù)，摒棄主回路中的直流接觸器，采用兩組反并聯(lián)晶閘管全控橋方式實現(xiàn)電磁鐵取放料操作的勵磁和消磁；停電時備用電池的投入仍使用接觸器，對電磁鐵儲能仍使用板式電阻進行釋放，可靠性與安全性有了一定的提升，但還沒有解決節(jié)能降耗的問題。

1.3 無觸點有源逆變停電保磁電控設(shè)備

是目前國內(nèi)較先進的產(chǎn)品，它使用相控有源逆變技術(shù)；放料時先使勵磁回路進入有源逆變狀態(tài)，將起重電磁鐵剩磁能回饋電網(wǎng)，然后再觸發(fā)消磁回路工作。由于晶閘管是半可控元件，為了防止有源逆變器的顛覆，必須留有充分的換流角裕度，最小逆變角一般不小于30°。該類型設(shè)計帶來了以下四大缺陷：

1）電壓利用率下降；

2）存在脈動環(huán)流，為了消除脈動環(huán)流，需要在有源逆變回路交流側(cè)加隔離變壓器或在直流回路中加無觸點隔離開關(guān)；

3）電壓波形畸變，有源逆變角取值越大，電壓波形畸變率越大并引起系統(tǒng)功率因數(shù)下降；

4）系統(tǒng)工作可靠性降低：

有源逆變電路中的的晶閘管在截止其間主要處于正向阻斷狀態(tài)，一旦有誤觸發(fā)信號，原截止的晶閘管會立即導(dǎo)通使系統(tǒng)處于顛覆狀態(tài)，產(chǎn)生很大的短路電流；實際電路中為了保護整流模塊，主回路中仍需串入限流電阻，即使采取如此措施，實際應(yīng)用中仍會有智能模塊損壞發(fā)生。

目前國外較先進的產(chǎn)品已使用IGBT技術(shù)，和國內(nèi)產(chǎn)品相比，在可靠性、功耗等方面性能顯著提升，并大大減小了設(shè)備體積，降低了安裝調(diào)試強度，電磁設(shè)備數(shù)字化已是必然的發(fā)展方向。

2 創(chuàng)新停電保磁控制裝置設(shè)計的總體思路

通過使用新型的超級電容和IGBT功率器件，利用DSP處理技術(shù)，對停電保磁設(shè)備的各個環(huán)節(jié)進行全數(shù)字設(shè)計，通過IGBT器件對勵磁、消磁和備用電池的投入全部實現(xiàn)無觸點切換，使用超級電容器組進行電磁鐵儲能回收和重利用，使停電保磁產(chǎn)品性能更可靠、作業(yè)效率更高，設(shè)備體積更小。具體原理圖如圖1所示。

圖1 基于IGBT功率模塊和超級電容技術(shù)的全數(shù)字式停電保磁控制裝置原理圖

3 超級電容器和IGBT模塊的應(yīng)用分析

超級電容器又叫作雙電層電容器，是近年來發(fā)展起來的一種新型的儲能裝置，是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲能裝置。超級電容器具有以下特性：

1）體積小，容量大，目前單體超級電容器的最大電容量可達5000 F ；

2）充電速度快，10秒內(nèi)達到額定容量的95%；

3）失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；

4）超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年。

5）充放電線路簡單，真正免維護；適合大電流放電，如2700 F的超級電容器額定放電電流不低于950 A，放電峰值電流可達1680 A；

6）電壓類型：2.7v～12.0v；溫度范圍寬-40℃～+70℃；價格逐年下降。

7）超級電容器的材料是無毒的，環(huán)保性好，而電池均具有毒性。

目前超級電容的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)仍處于起步階段，國內(nèi)超級電容應(yīng)用于電動汽車或作手持設(shè)備的供電電源等方面已有應(yīng)用實例，但在起重電磁鐵控制設(shè)備上的應(yīng)用還沒有先例。

目前國外較先進的停電保磁產(chǎn)品已使用IGBT功率器件，國內(nèi)也有將IGBT應(yīng)用于電控的嘗試，如申請?zhí)枮?00420031708的專利描述了一種無觸點電控柜，它只是把IGBT作為一個通斷開關(guān)，并不能完成勵磁和消磁操作；申請?zhí)枮?00810228218的專利描述了一種利用蓄電池供電的電磁鐵掉電保磁系統(tǒng)，利用IGBT作吸磁和放磁操作，但應(yīng)用IGBT器件于起重電磁鐵配套的停電保磁產(chǎn)品未見投入市場。

4 研究的技術(shù)路線

本研究按照“DSP模塊設(shè)計→IGBT勵磁和消磁模塊設(shè)計→IGBT能量回饋模塊設(shè)計→充電監(jiān)控模塊設(shè)計→無線數(shù)傳與操作模塊和電磁鐵辨識模塊設(shè)計”這一技術(shù)路線來進行，具體如下：

1）對原有產(chǎn)品進行測試、分析與研究，不改變原有主控設(shè)計，只設(shè)計增加DSP模塊，實現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字化。

2）重新設(shè)計并替換勵磁和消磁主控回路，實現(xiàn)主回路從GTO到IGBT的改造。

3）設(shè)計IGBT能量回饋模塊，實現(xiàn)電磁鐵儲能從板式電阻消耗到回饋電網(wǎng)的改造。

4）重新設(shè)計備用電池充電監(jiān)控模塊，實現(xiàn)備用電池投切的改造。

5）設(shè)計無線數(shù)傳與操作模塊，增加無線操作功能。

6）設(shè)計配套電磁鐵辨識模塊，提高整體產(chǎn)品安全性能。

5 研究的主要內(nèi)容

本研究將目前先進的DSP數(shù)字信號處理器、超級電容技術(shù)和IGBT功率器件引入停電保磁產(chǎn)品，同當(dāng)前現(xiàn)有產(chǎn)品比在技術(shù)上有質(zhì)的飛躍。研究的主要內(nèi)容涉及如下幾個方面：

1）以DSP處理器為核心的停電保磁設(shè)備全數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)電流、電壓、溫度等各工作參量的高精度實時采集，可靠地控制設(shè)備主回路勵磁、電磁鐵儲能回收、消磁操作。

2）基于IGBT器件的勵磁和消磁主回路設(shè)計。電磁鐵的吸料和放料操作要求給電磁鐵加入方向完全相反的大直流電流，設(shè)計簡單可靠的主回路是本項目的關(guān)鍵。

3）基于超級電容對電磁鐵儲能回收利用的研究。超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無可替代的優(yōu)越性，其應(yīng)用正于起步階段，設(shè)計一種專門用于起重電磁鐵儲能回收的超級電容輔助控制系統(tǒng)是本項目的重要部分。

4）配套電磁鐵辨識模塊設(shè)計，辨識模塊利用電脈沖積聚足夠的電能作工作電源，利用電磁鐵的饋電母線作通信介質(zhì)，以獲取配接的電磁鐵標識信息，DSP主控系統(tǒng)在獲取這些數(shù)據(jù)后即可自動選擇最佳的勵磁與消磁電壓、電流等工作參數(shù)。

5）基于互聯(lián)網(wǎng)的停電保磁設(shè)備遠程監(jiān)控功能研究。設(shè)備能基于TCP/IP進行互聯(lián)網(wǎng)接入，在PC機上即可通過WEB瀏覽器查看起重設(shè)備的作業(yè)情況。

新型起重電磁鐵停電保磁控制產(chǎn)品，具有完善的保護功能，提高了可靠性，各種運行參數(shù)指示更直觀、操作更簡便，從根本上解決停電保磁設(shè)備節(jié)能降耗問題。本研究的產(chǎn)業(yè)化實施將顯著提高我國停電保磁產(chǎn)品的檔次與水平，提高它們在國內(nèi)外市場的競爭力，打破國外在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷地位，獲得我國自有知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字式停電保磁技術(shù)，促進我國起重電磁鐵系列產(chǎn)品的發(fā)展，對推動我國起重電磁產(chǎn)品應(yīng)用和節(jié)能減排有重大的意義，還能帶動相關(guān)配套行業(yè)產(chǎn)品的升級與發(fā)展，增加一定的社會就業(yè)，具有較好的社會經(jīng)濟效益。

[1]陳小平,張方華.一種高效率高可靠性的推挽正激直流變換器[J].電源技術(shù)應(yīng)用.

[2]劉剛,劉海江.一種可以用于變頻器再生能量回饋的“斬波—逆變”方法[J].工業(yè)技術(shù).

[3]田立坤,孔治國.超級電容系統(tǒng)在電動汽車中的應(yīng)用[J].微電機.

[4]薛小軍.基于超級電容的車輛制動能量回收系統(tǒng)的仿真研究[J].西南交通大學(xué).

[5]馬銘.基于超級電容的起重機峰值動力與慣性能量回收系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學(xué).

[6]孫飛月.基于IGBT變流技術(shù)的高精度直流電流源的設(shè)計[J].儀表技術(shù),2006.

[7]采用IGBT的斬波調(diào)速裝.專利號：200520039244.