超级电容和IGBT在停电保磁控制装置中的应用研究

李 锋

LI Feng

（岳阳职业技术学院，岳阳 414000）

0 引言

起重电磁铁是钢铁制品的常用搬运工具，以其操作简便和快速灵活，广泛应用于冶金、矿山、机械制造、交通运输等领域，与之配套的起重电磁铁停电保磁控制设备既是起重电磁铁作业的馈电整流设备，又是其作业现场的安全保证系统，当起重电磁铁处于吸料状态而又遇到电网停电时，能自动切换电源，采用备用蓄电池组给电磁铁继续供电，保证起重电磁铁所吊运的被吸物不落下，从而保证作业现场的其他设备及人身安全。

1 国内外停电保磁控制装置应用现状分析

传统的停电保磁控制设备从有触点到无触点控制，在一步一步的改进，但都还存在能耗大、可靠性不高、操作不直观等缺点。国内产品主要有以下三种：

1.1 传统的有触点停电保磁电控设备

电路一般包括整流变压器、二极管整流模块、接触器等。三相交流经变压器降压并经二极管整流模块整流获得直流220V，吸放料操作通过直流接触器切换给起重电磁铁加入正向励磁电流和反向消磁电流，通过板式电阻释放电磁铁储能。

主要缺点是消磁时间长，接触器切换过程中产生电火花、噪音大，触头磨损和熔焊、易粘连造成短路故障，接触器使用寿命短，安全性能低，维护费用高，耗能大效率低、电控柜体积不能小型化。

1.2 无触点停电保磁电控设备

利用智能晶闸管整流模块和PLC控制技术，摒弃主回路中的直流接触器，采用两组反并联晶闸管全控桥方式实现电磁铁取放料操作的励磁和消磁；停电时备用电池的投入仍使用接触器，对电磁铁储能仍使用板式电阻进行释放，可靠性与安全性有了一定的提升，但还没有解决节能降耗的问题。

1.3 无触点有源逆变停电保磁电控设备

是目前国内较先进的产品，它使用相控有源逆变技术；放料时先使励磁回路进入有源逆变状态，将起重电磁铁剩磁能回馈电网，然后再触发消磁回路工作。由于晶闸管是半可控元件，为了防止有源逆变器的颠覆，必须留有充分的换流角裕度，最小逆变角一般不小于30°。该类型设计带来了以下四大缺陷：

1）电压利用率下降；

2）存在脉动环流，为了消除脉动环流，需要在有源逆变回路交流侧加隔离变压器或在直流回路中加无触点隔离开关；

3）电压波形畸变，有源逆变角取值越大，电压波形畸变率越大并引起系统功率因数下降；

4）系统工作可靠性降低：

有源逆变电路中的的晶闸管在截止其间主要处于正向阻断状态，一旦有误触发信号，原截止的晶闸管会立即导通使系统处于颠覆状态，产生很大的短路电流；实际电路中为了保护整流模块，主回路中仍需串入限流电阻，即使采取如此措施，实际应用中仍会有智能模块损坏发生。

目前国外较先进的产品已使用IGBT技术，和国内产品相比，在可靠性、功耗等方面性能显著提升，并大大减小了设备体积，降低了安装调试强度，电磁设备数字化已是必然的发展方向。

2 创新停电保磁控制装置设计的总体思路

通过使用新型的超级电容和IGBT功率器件，利用DSP处理技术，对停电保磁设备的各个环节进行全数字设计，通过IGBT器件对励磁、消磁和备用电池的投入全部实现无触点切换，使用超级电容器组进行电磁铁储能回收和重利用，使停电保磁产品性能更可靠、作业效率更高，设备体积更小。具体原理图如图1所示。

图1 基于IGBT功率模块和超级电容技术的全数字式停电保磁控制装置原理图

3 超级电容器和IGBT模块的应用分析

超级电容器又叫作双电层电容器，是近年来发展起来的一种新型的储能装置，是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置。超级电容器具有以下特性：

1）体积小，容量大，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000 F ；

2）充电速度快，10秒内达到额定容量的95%；

3）失效开路，过电压不击穿，安全可靠；

4）超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

5）充放电线路简单，真正免维护；适合大电流放电，如2700 F的超级电容器额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1680 A；

6）电压类型：2.7v～12.0v；温度范围宽-40℃～+70℃；价格逐年下降。

7）超级电容器的材料是无毒的，环保性好，而电池均具有毒性。

目前超级电容的应用在世界范围内仍处于起步阶段，国内超级电容应用于电动汽车或作手持设备的供电电源等方面已有应用实例，但在起重电磁铁控制设备上的应用还没有先例。

目前国外较先进的停电保磁产品已使用IGBT功率器件，国内也有将IGBT应用于电控的尝试，如申请号为200420031708的专利描述了一种无触点电控柜，它只是把IGBT作为一个通断开关，并不能完成励磁和消磁操作；申请号为200810228218的专利描述了一种利用蓄电池供电的电磁铁掉电保磁系统，利用IGBT作吸磁和放磁操作，但应用IGBT器件于起重电磁铁配套的停电保磁产品未见投入市场。

4 研究的技术路线

本研究按照“DSP模块设计→IGBT励磁和消磁模块设计→IGBT能量回馈模块设计→充电监控模块设计→无线数传与操作模块和电磁铁辨识模块设计”这一技术路线来进行，具体如下：

1）对原有产品进行测试、分析与研究，不改变原有主控设计，只设计增加DSP模块，实现现有产品的数字化。

2）重新设计并替换励磁和消磁主控回路，实现主回路从GTO到IGBT的改造。

3）设计IGBT能量回馈模块，实现电磁铁储能从板式电阻消耗到回馈电网的改造。

4）重新设计备用电池充电监控模块，实现备用电池投切的改造。

5）设计无线数传与操作模块，增加无线操作功能。

6）设计配套电磁铁辨识模块，提高整体产品安全性能。

5 研究的主要内容

本研究将目前先进的DSP数字信号处理器、超级电容技术和IGBT功率器件引入停电保磁产品，同当前现有产品比在技术上有质的飞跃。研究的主要内容涉及如下几个方面：

1）以DSP处理器为核心的停电保磁设备全数字监控系统。实现电流、电压、温度等各工作参量的高精度实时采集，可靠地控制设备主回路励磁、电磁铁储能回收、消磁操作。

2）基于IGBT器件的励磁和消磁主回路设计。电磁铁的吸料和放料操作要求给电磁铁加入方向完全相反的大直流电流，设计简单可靠的主回路是本项目的关键。

3）基于超级电容对电磁铁储能回收利用的研究。超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，其应用正于起步阶段，设计一种专门用于起重电磁铁储能回收的超级电容辅助控制系统是本项目的重要部分。

4）配套电磁铁辨识模块设计，辨识模块利用电脉冲积聚足够的电能作工作电源，利用电磁铁的馈电母线作通信介质，以获取配接的电磁铁标识信息，DSP主控系统在获取这些数据后即可自动选择最佳的励磁与消磁电压、电流等工作参数。

5）基于互联网的停电保磁设备远程监控功能研究。设备能基于TCP/IP进行互联网接入，在PC机上即可通过WEB浏览器查看起重设备的作业情况。

新型起重电磁铁停电保磁控制产品，具有完善的保护功能，提高了可靠性，各种运行参数指示更直观、操作更简便，从根本上解决停电保磁设备节能降耗问题。本研究的产业化实施将显著提高我国停电保磁产品的档次与水平，提高它们在国内外市场的竞争力，打破国外在这一领域的技术垄断地位，获得我国自有知识产权的数字式停电保磁技术，促进我国起重电磁铁系列产品的发展，对推动我国起重电磁产品应用和节能减排有重大的意义，还能带动相关配套行业产品的升级与发展，增加一定的社会就业，具有较好的社会经济效益。

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