一种电机辅助充放电系统 |
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| 申请号 | CN202410027839.8 | 申请日 | 2024-01-09 | 公开(公告)号 | CN118054507A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院); | 发明人 | 王兆晖; 马逊; 毛凯; 蔡华; 柳伟; 曹斌; 李萍; 毕国龙; 马一文; 付辰丰; 杨浩丰; | ||||
| 摘要 | 本 申请 实施例 提供一种 电机 辅助充放电系统，其特征在于，所述系统包括柜体、 散热 风 机和充放电装置，所述散热风机和充放电装置均置于所述柜体内部，所述散热风机设置在所述柜体的底层，所述充放电装置设置在所述散热风机的上方，且所述散热风机的吹风方向朝向所述充放电装置。本申请实施例的电机辅助充放电系统结构简单，性能可靠，通过 断路器 和 接触 器即可实现工作状态的切换。并且，本申请实施例的电机辅助充放电系统所需的电气元件更少，能够将电抗器、 制动 电阻 的散热方案进行一体化设计，使用同一套散热设备完成两组电气元件的散热，在实现基本充放电功能的 基础 上整体装置占地面积更小，占地面积可减少50％以上，大大减少装置体积。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电机辅助充放电系统，其特征在于，所述系统包括柜体、散热风机和充放电装置，所述散热风机和充放电装置均置于所述柜体内部，所述散热风机设置在所述柜体的底层，所述充放电装置设置在所述散热风机的上方，且所述散热风机的吹风方向朝向所述充放电装置； |
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| 说明书全文 | 一种电机辅助充放电系统技术领域[0001] 本申请涉及电机控制领域，尤其涉及一种电机辅助充放电系统。 背景技术[0002] 飞轮储能电机是一种利用大惯量转子实现“动能”“电能”转换的装置，在实际运行过程中即可作为电动机驱动飞轮转子加速旋转储存电能，又可作为发电机将转子动能转换 为电能输出。根据上述特性，飞轮储能电机被广泛应用于地铁制动能量回收、UPS不间断电 源等领域。 [0003] 随着技术的发展以及市场的需求，飞轮转速不断提高，随之而来的有两个主要问题：一是充电时随着转子转速升高，电机反电势以及所要求的电流频率均升高，而整个电源 系统功率器件开关频率为恒定值，输出的电流波形质量逐渐下降，谐波含量上升，因此功率 模块在进行电能变换时需引入电抗器以改善电流波形质量，降低充电过程中电压波动和电 流谐波的干扰；二是高转速飞轮对于安全性要求提高，一旦出现飞轮转子失稳等严重故障 可造成重大财产损失与人员伤亡，因此在运行过程中需要配备制动电阻与断路器来应对飞 轮工作过程中的突发状况。 [0004] 当前业内主流设计方案通常是采用电抗器与断路器串联进主电路、制动电阻通过一个三相接触器并联加入主电路的方式实现，该方案电路模型如图1所示，该方案通过需要 两套单独的装置(通常为电抗器柜与制动电阻柜)解决上述问题，同时因为制动电阻作为并 联支路连接到主电路中，因此需要加入一个三相接触器作为切换开关，整个方案所需的电 气元件较多且位置较为零散，电路铺设完成后会导致设备整体占用空间较大，同时存在一 定的资源浪费。 发明内容 [0006] 根据本申请实施例提供了一种电机辅助充放电系统，所述系统包括柜体、散热风机和充放电装置，所述散热风机和充放电装置均置于所述柜体内部，所述散热风机设置在 所述柜体的底层，所述充放电装置设置在所述散热风机的上方，且所述散热风机的吹风方 向朝向所述充放电装置； [0007] 所述充放电装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器，所述第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电 路分别串联在三相电机与供电系统的三相连接端之间，所述第一相充放电电路、第二相充 放电电路和第三相充放电电路中均包括电抗器、电阻和断路器，所述电抗器与断路器串联 后与电阻并联，所述第一接触器串联在三相电机的第一相输出与第二相输出之间，所述第 二接触器串联在三相电机的第二相输出与第三相输出之间。 [0008] 采用本申请实施例中提供的电机辅助充放电系统结构简单，性能可靠，通过断路器和接触器即可实现工作状态的切换。并且，本申请实施例的电机辅助充放电系统较现有 充放电方案相比较所需的电气元件更少，能够将电抗器、制动电阻的散热方案进行一体化 设计，使用同一套散热设备完成两组电气元件的散热，在实现基本充放电功能的基础上整 体装置占地面积更小，占地面积可减少50％以上，大大减少装置体积。 附图说明 [0009] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中： [0010] 图1为现有充放电电路的电路图； [0011] 图2为本申请实施例提供的的一种电机辅助充放电系统的结构示意图； [0012] 图3为本申请实施例提供的充放电装置的结构示意图； [0013] 图4为本申请实施例提供的充放电装置的电路图； [0014] 图5为本申请实施例提供的充放电装置在充放电状态下的等效电路图； [0015] 图6为本申请实施例提供的充放电装置在紧急制动状态下的等效电路图。 [0016] 附图标记： [0017] 1、散热风机，2、电阻，3、电抗器，4、断路器。 具体实施方式[0018] 为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施 例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实 施例中的特征可以相互组合。 [0019] 如图2所示，本实施例提出一种电机辅助充放电系统，该系统包括柜体、散热风机1和充放电装置。散热风机1和充放电装置均置于所述柜体内部。散热风机1设置在所述柜体 的底层。充放电装置设置在散热风机1的上方，且散热风机1的吹风方向朝向充放电装置。 [0020] 具体的，本实施例中，散热风机1设置于机柜底部，风向为自下往上吹风。散热风机1的数量可根据具体功率等级进行调整。充放电装置设置于散热风机1的上方，能够直接接 受到散热风机1的吹风。如图3所示，该充放电装置包括第一相充放电电路、第二相充放电电 路、第三相充放电电路、第一接触器和第二接触器，所述第一相充放电电路、第二相充放电 电路和第三相充放电电路分别串联在三相电机与供电系统的三相连接端之间，所述第一相 充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中均包括电抗器3、电阻2和断路器4， 所述电抗器3与断路器4串联后与电阻2并联，第一接触器和第二接触器则分别串联在其中 两相输出之间。 [0021] 具体的，本实施例中，第一相充放电电路串联在三相电机第一相输出与供电系统第一相输入之间。第二相充放电电路串联在三相电机第二相输出与供电系统第二相输入之 间。第三相充放电电路串联在三相电机第三相输出与供电系统第三相输入之间。在该第一 相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路中均设置有断路器，通过控制该断 路器的通断可以用来控制该第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路的 工作状态。第一接触器串联在三相电机的第一相输出与第二相输出之间。第二接触器串联 在三相电机的第二相输出与第三相输出之间。通过断路器、第一接触器和第二接触器的开 关状态组合形式能够切换当前充放电装置的工作状态。 [0022] 本实施例中，第一相充放电电路、第二相充放电电路和第三相充放电电路的电路组成基本相同，均是由电抗器、电阻以及断路器组成。本实施例中的电抗器与传统常用的电 抗器设计相同，由线圈、铁芯以及端子组成。线圈缠绕并包裹在铁芯上。端子用于将电抗器 连接在三相电机与供电系统之间的线路中。铁芯材质为硅钢片，线圈为铜导线绕制而成。三 相充放电电路中的电阻阻值相同。如图4所示，第一相充放电电路包括第一电抗器、第一电 阻和第一断路器。第一电抗器与第一断路器串联后与第一电阻并联。具体为：第一电抗器的 一端连接三相电机的第一相输出和第一电阻的一端，第一电抗器的另一端连接第一断路器 的固定端；第一断路器的活动端连接第一电阻的另一端和供电系统第一相输入。当第一断 路器断开时，第一电抗器将被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第一断路器闭合时， 第一电抗器将串联在三相电机和供电系统之间。 [0023] 相应的，第二相充放电电路包括第二电抗器、第二电阻和第二断路器。第二电抗器与第二断路器串联后与第二电阻并联。具体为：第二电抗器的一端连接三相电机的第二相 输出和第二电阻的一端，第二电抗器的另一端连接第二断路器的固定端；第二断路器的活 动端连接第二电阻的另一端和供电系统第二相输入。当第二断路器断开时，第二电抗器将 被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第二断路器闭合时，第二电抗器将串联在三相 电机和供电系统之间。 [0024] 相应的，第三相充放电电路包括第三电抗器、第三电阻和第三断路器。第三电抗器与第三断路器串联后与第三电阻并联。具体为：第三电抗器的一端连接三相电机的第三相 输出和第三电阻的一端，第三电抗器的另一端连接第三断路器的固定端；第三断路器的活 动端连接第三电阻的另一端和供电系统第三相输入。当第三断路器断开时，第三电抗器将 被从三相电机和供电系统之间切出去。而当第三断路器闭合时，第三电抗器将串联在三相 电机和供电系统之间。 [0025] 断路器和接触器是电力系统中重要的开关设备，可用于控制电路的通断。在电力配电系统中，如果只有单个断路器或接触器时，一旦该断路器或接触器故障或需要维修，就 会对电网运行造成很大的影响。因此，本实施例中，为了提高充放电装置可靠性和安全性， 采用了第一断路器、第二断路器和第三断路器三相联动控制，同时，第一接触器和第二接触 器也采用联动控制。由此可以避免单个断路器或接触器故障或需要维修时，仍然能够保障 充放电装置的正常运行。需要说明的是，本实施例中，第一接触器和第二接触器也可以作为 一个整体，即接触器采用2p接触器实现，该2p接触器共分为2路，a、b端子为第一路，c、d端子 为第二路，a端子连接到三相电机的第一相输出端，b、c端子连接到三相电机的第二相输出 端，d端子连接到三相电机的第三相输出端。 [0026] 本实施例以三相电机为飞轮储能电机为例，在飞轮储能系统实际运行过程中，该充放电装置共分为充放电和紧急制动两种工作状态，在该两种工作状态下，第一断路器、第 二断路器、第三断路器、第一接触器和第二接触器的开关状态如表1所示： [0027] 表1断路器与接触器的开关状态与充放电装置工作状态对应关系 [0028] [0029] [0030] 该充放电装置在停机状态下，第一断路器、第二断路器、第三断路器、第一接触器和第二接触器均处于断开状态。 [0031] 该充放电装置在充放电工作状态下，第一断路器、第二断路器和第三断路器为闭合状态，第一接触器和第二接触器为断开状态。此时，该充放电装置可简化为如图5所示的 电路结构。在充电过程中，单相电路中阻抗公式满足： [0032] [0033] 假设图1所示现有的充放电电路单相阻抗为Z0，本实施例中充放电装置的单相电路中加入电阻后，如图3所示，单相阻抗为Z，当Z/Z0大于0.999时可认为两种电路结构相同， 此时电阻与电感间应满足公式如下： [0034] [0035] 该过程可作为本实施例中充放电装置的设计依据，假设一台飞轮储能电机最高转速为5000rpm，对应最高电流频率为250Hz，原电抗器电感值为60μH，则电阻只需要大于0.6 欧即可保证充放电功能不受并联电阻的影响。 [0036] 该充放电装置在紧急制动状态下，第一断路器、第二断路器和第三断路器为断开状态，第一接触器和第二接触器为闭合状态。此时，该充放电装置可简化为如图6所示的电 路结构。在紧急制动状态下，电抗器被切除出去，只有电阻串联在三相电机与供电系统之 间，与三相电机三相绕组直接连接进行放电，直至三相电机转速下降到安全转速之下。 [0037] 进一步的，由于充放电装置中，电阻2仅作为紧急制动状态下使三相电机停机时使用，使用频率较少，因此可将电阻2位于机柜的下方。电抗器3在使用过程中会产生一定热 量，因此位于机柜中间的位置。断路器4和接触器位于机柜最上方。此种布局可利用一套散 热装置完成对传统两组电气元件的散热。 [0038] 本实施例的电机辅助充放电系统结构简单，性能可靠，通过断路器和接触器即可实现工作状态的切换。并且，本申请实施例的充放电装置较现有充放电方案相比较所需的 电气元件更少，能够将电抗器、制动电阻的散热方案进行一体化设计，使用同一套散热设备 完成两组电气元件的散热，在实现基本充放电功能的基础上整体装置占地面积更小，占地 面积可减少50％以上，大大减少装置体积。 [0039] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本申请的限制。 [0040] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。 [0041] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可 以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0042] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。 [0043] 显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围 之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。 |
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