[发明专利]一种磁悬浮储能飞轮能量制动保护系统

摘要

一种磁悬浮储能飞轮能量制动保护系统，用于完成磁悬浮储能飞轮任意转速下的快速制动和能量释放，在各子系统出现故障时均可实现飞轮能量的可靠制动，保证系统运行的安全性和可靠性，同时为磁悬浮储能飞轮的维护停机提供可靠的能量制动方案。飞轮能量制动保护系统组成：储能飞轮电机系统、变流器系统、磁轴承控制器、主监控器、制动继电器、制动电阻、继电器驱动板、紧急制动按钮等。其中，磁轴承控制器、变流器系统、主监控器和紧急制动按钮分别通过I/O干接点与继电器驱动电路板连接，继电器驱动电路板驱动制动继电器动作，用于将储能飞轮电机系统与制动电阻进行串联，以此飞轮转子的动能通过制动电阻转化为热能消耗，完成飞轮快速制动过程。本发明用于磁悬浮储能飞轮能量可靠制动保护控制。

主权项

1.一种磁悬浮储能飞轮能量制动保护系统，其特征是：本发明的系统结构包括：主监控器(1)、变流器(2)、飞轮电机(3)、磁轴承控制器(4)、继电器驱动板(5)、制动继电器(6)、制动电阻(7)、急停按钮(8)、温度监测系统(9)及真空系统(10)。其中，温度监测系统(9)通过485总线与主监控器(1)连接，用于采集飞轮本体系统温度信息并传送给主监控器；真空系统(10)通过485总线与主监控器连接，用于采集飞轮本体系统真空度信息并传送给主监控器(1)。主监控器(1)输出一路I/O干接点，变流器(2)输出一路I/O干接点，磁轴承控制器(4)输出一路I/O干接点，外部急停按钮(8)输出一路I/O干接点，这四路I/O干接点分别与继电器驱动板(5)连接，用于提供紧急制动信号。继电器驱动板输出一路24V有源信号，用于驱动制动继电器(6)闭合；同时，继电器驱动板输出一路I/O干接点，与变流器的一路输入I/O点连接，用于与变流器(2)传送制动信息，之后触发变流器无条件停机。在四路制动信号控制下，制动继电器(6)闭合，制动电阻(7)通过制动继电器(6)的主触点接入飞轮电机(3)系统回路中，用于将飞轮储存的动能量以制动电阻热能形式消耗，完成飞轮制动过程。本发明的飞轮能量制动保护系统分为四种保护模式：变流器制动保护模式、磁悬浮控制器制动保护模式、主监控器制动保护模式、急停按钮制动保护模式。具体控制逻辑和实施步骤如下：(1)变流器制动保护模式：变流器在运行过程中存在四种工作状态，充电状态、放电状态、保持状态和保护状态。当系统正常时，变流器处于前三种工作状态，一旦系统出现故障，包括过压、欠压、过流、短路、断路、通信中断、功率组件过热等故障信号，则变流器立即停机并进入保护状态，此时变流器无法继续对飞轮电机进行有效控制，直至故障清除。为保证系统运行安全性，变流器通过一路输出干接点与继电器驱动板进行连接(图中I/O‑1)，默认情况下该路干接点为常开状态，一旦变流器输出常闭干接点信息，继电器驱动板即输出24V电压信号驱动制动继电器闭合(图中24V‑1)。同时，继电器驱动板输出一路干接点与主监控器和变流器连接(图中I/O‑2)，默认情况下该路干接点为常开状态，当继电器驱动板输出24V电压后，该路干接点转化为常闭状态，主监控器通过查询该路干接点状态用于制动界面显示，变流器通过查询该路干接点用于再次触发停机功能。当继电器驱动板输出24V电压信号，制动继电器处于闭合状态，飞轮电机三相信号U/V/W接入制动电阻回路，制动电阻采用三相星型接法，飞轮转子切割定子磁感线产生的反电势电压作用在制动电阻中生成反向电流，形成制动力矩用以强制飞轮转子降速。其中，制动电阻的相电阻阻值可选择与电机定子相电阻阻值接近，而且制动电阻功率可略小于电机功率。下文所述内容中有关制动电阻、制动继电器动作和继电器驱动板逻辑控制部分均与上文一致。(2)磁悬浮控制器制动保护模式：磁悬浮控制器的作用是保持飞轮转子在任意转速下与壳体之间的完全悬浮、无接触，而根据陀螺常识可知，飞轮转子在高速旋转过程中会产生较强的陀螺效应、章动效应，加剧磁悬浮控制器的悬浮难度和控制精度，一旦由于转子干扰而引起悬浮失控，或者磁悬浮系统故障而导致控制系统失效，均会造成飞轮转子失稳，严重时转子与保护轴承、磁轴承产生高速摩擦而造成飞轮本体损坏，因此必须进行飞轮转子的制动保护。磁悬浮控制器通过采集位移传感器数据获取飞轮转子的悬浮位移量，并对位移量进行处理得到飞轮转子的悬浮状态，一旦飞轮转子失稳，则磁悬浮控制器的悬浮状态从正常切换为失稳，并通过一路干接点与继电器驱动板连接(图中I/O‑5)。默认情况下该路干接点为常开状态，当控制器判断出飞轮转子失稳后，磁悬浮控制器将该路干接点转化为常闭状态，用于完成继电器驱动板到制动继电器的保护动作，完成飞轮电机与制动电阻的投切过程。同时，当继电器驱动板输出24V电压后，继电器输出干接点I/O‑2转化为常闭状态，主监控器通过查询该路干接点状态用于制动界面显示，变流器系统通过查询该路干接点用于触发变流器停机功能。(3)主监控器制动保护模式：飞轮本体配置温度监测系统和真空系统，温度监测系统和真空系统都具备标准RS485接口，主监控器通过485总线分别与温度监测系统和真空系统连接，用于实时获取飞轮本体内部温度和真空度信息。其中，温度信息包括电机温度、磁轴承温度、机械轴承温度、飞轮转子温度等，真空度为飞轮转子所在密封腔体的真空值。主监控器设置温度阈值和真空度阈值，一旦飞轮本体任意一组温度超过设定阈值，或者真空度超过设定阈值，主监控器均通过一路干接点与继电器驱动板连接，并将干接点默认的常开状态切换为常闭状态，则继电器驱动板输出24V电压信号用于驱动制动继电器闭合。同时，当继电器驱动板输出24V电压后，继电器输出干接点I/O‑2转化为常闭状态，变流器系统通过查询该路干接点用于触发变流器停机功能。(4)急停按钮制动保护模式：在变流器系统、磁悬浮系统和主监控系统均正常工作情况下，在某些条件下需要多设备进行维护、保养，可以通过外部急停按钮进行飞轮转子的制动停机。急停按钮通过一路干接点与继电器驱动板连接(图中I/O‑4)，默认情况下该路干接点为常开状态，一旦急停按钮按下，该干接点切换为常闭状态，则继电器驱动板输出24V电压信号用于驱动制动继电器闭合。同时，当继电器驱动板输出24V电压后，继电器输出干接点I/O‑2转化为常闭状态，主监控器通过查询该路干接点状态用于制动界面显示，变流器系统通过查询该路干接点用于触发变流器停机功能。