基于超级电容回收利用刹车能量的装置

技术领域

本发明涉及一种抽油机变频电机技术领域，尤其是指一种基于超级电容回收利用刹车能量的装置。

背景技术

节能减排是一种全球趋势，各行各业都再提升能源使用效率，降低能量浪费。

在石油开采行业普遍使用变频器驱动电机来抽取地下的石油，在抽油机做往复运动的时候，电机存在刹车动作。

电机在刹车的时候，它会将机械能转化为电能将变频器的直流母线电压升高。

为了保护系统，系统往往会启动刹车电阻来将直流母线上的电能泄放掉，以此将直流母线上的电压控制在安全范围内。

这种方式就会带来极大的能量浪费，并且带来额外的发热，导致系统不可靠，需要大量的人力去维护。

因此，本发明专利申请中，申请人精心研究了一种基于超级电容回收利用刹车能量的装置来解决上述问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术所存在不足，主要目的在于提供一种基于超级电容回收利用刹车能量的装置，其实现利用超级电容来回收抽油机变频电机刹车能量并当抽油机变频电机需要电能驱动的时候，超级电容的电能可返回到直流母线，给抽油机变频电机供电，实现能量的回收和利用，节能效果较好。

为实现上述之目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于超级电容回收利用刹车能量的装置，包括有直流母线、超级电容、整流桥BD1、超级电容充放电切换模块以及超级电容充电限流控制模块；

所述直流母线通过整流桥BD1连接超级电容，所述超级电容充放电切换模块和超级电容充电限流控制模块分别连接超级电容，整流桥BD1连接超级电容充放电切换模块；

所述超级电容充放电切换模块包括有二极管D5、二极管D6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D7、稳压二极管ZD1、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R22、电阻R23、电阻R24、IGBT管Q1、IGBT管Q2、变压器T1、电流检测电路以及相串联的电感L1和电感L2；

直流母线的一端连接超级电容的正极和二极管D5的阴极，直流母线的另一端同时连接整流桥BD1的引脚2和引脚3，整流桥BD1的引脚2还通过电阻RS2连接电流检测电路；

电感L1的非串联节点同时连接超级电容的负极和整流桥BD1的引脚1，IGBT管Q1的集电极通过电阻R21连接电感L1的非串联节点，电感L2的非串联节点同时连接二极管D5的阳极和变压器T1中主线圈的第一端1，变压器T1中主线圈的第二端2连接IGBT管Q2的集电极，变压器T1中副线圈的第三端4连接二极管D7的阴极和二极管D6的阳极，二极管D6的阳极还通过电阻R25接地，二极管D6的阴极连接超级电容充电限流控制模块，变压器T1中副线圈的第四端3连接稳压二极管ZD1的阴极且接地，稳压二极管ZD1的阳极连接二极管D7的阳极；

IGBT管Q1的发射极、二极管D2的阳极、IGBT管Q2的发射极以及二极管D4的阳极均连接电流检测电路且接地，二极管D2的阴极连接IGBT管Q1的基极，电阻R19和电阻R20相串联，电阻R19的非串联节点和电阻R19的一端连接超级电容充电限流控制模块，电阻R19的另一端连接二极管D1的阴极，电阻R19和电阻R20的串联节点分别连接二极管D1的阳极和IGBT管Q1的基极；

二极管D4的阴极连接IGBT管Q2的基极，电阻R23和电阻R24相串联，电阻R23的非串联节点和电阻R24的一端连接超级电容充电限流控制模块，电阻R23的另一端连接二极管D3的阴极，电阻R23和电阻R24的串联节点分别连接二极管D3的阳极和IGBT管Q2的基极；

还包括有系统控制模块，所述系统控制模块包括有主控电路，所述主控电路分别连接超级电容充放电切换模块以及超级电容充电限流控制模块。

作为一种优选方案，所述电流检测电路包括有电流检测芯片U3、电容C11、电容C10以及电容C12；

电流检测芯片U3的引脚3和引脚4共同通过电阻RS2连接整流桥BD1的引脚3，电流检测芯片U3的引脚1和引脚2共同连接二极管D4的阳极且接地，电流检测芯片U3的引脚5接地，电流检测芯片U3的引脚6通过电容C12连接电流检测芯片U3的引脚5，电流检测芯片U3的引脚7连接超级电容充电限流控制模块，电流检测芯片U3的引脚8用于连接电压端3.3V-MCU，电流检测芯片U3的引脚8通过电容C11连接电流检测芯片U3的引脚5，电容C10并联于电容C11的两端。

作为一种优选方案，所述超级电容充电限流控制模块包括有恒流恒压控制电路、用于驱动IGBT管Q1的第一驱动电路以及用于驱动IGBT管Q2的第二驱动电路；

所述电流检测电路的输出端连接恒流恒压控制电路，恒流恒压控制电路的输出端分别连接第一驱动电路和第二驱动电路，所述第一驱动电路的输出端连接通过电阻R18和二级管D1连接IGBT管Q1的基极，所述第二驱动电路的输出端连接通过电阻R22和二级管D3连接IGBT管Q2的基极。

作为一种优选方案，所述恒流恒压控制电路包括有恒流恒压控制芯片U9、电容C25、电阻R33、二极管D9、电阻R34、二极管D8、电阻R32、发光器U7B以及电阻R35；

所述恒流恒压控制芯片U9的引脚8通过电容C23接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚3通过电容C24接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚6连接其引脚3，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚4接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5通过电阻R34连接电流检测电路的输出端，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5还通过电阻R33接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5还通过电容C25连接恒流恒压控制芯片U9的引脚7；

恒流恒压控制芯片U9的引脚7连接二极管D9的阳极，二极管D9的阴极为恒流恒压控制电路的输出端，发光器U7B的引脚4连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端用于连接电压端3.3V-MCU，发光器U7B的引脚3连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接二极管D9的阴极。

作为一种优选方案，所述第一驱动电路包括有MOS管Q3、电阻R37、电容C27、芯片U10以及芯片U11；

芯片U10的引脚1和其引脚8共同连接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的栅极连接恒流恒压控制电路的输出端，芯片U10的引脚8通过电容C26接地，芯片U10的引脚2和其引脚4共同连接电阻R37的一端，电阻R37的另一端用于连接主控电路的PWM2引脚；芯片U10的引脚6用于连接电压端VCC-12V，芯片U10的引脚6还通过电容C34接地，电容C27并联于电容C34接两端，芯片U10的引脚3接地；

芯片U10的引脚7通过电阻R38连接芯片U11的引脚1，芯片U11的引脚3和引脚4均接地，芯片U11的引脚6用于连接电压端VCC-12V-2，芯片U11的引脚6还通过电容C28接地，芯片U11的引脚5通过电阻R18和二级管D1连接IGBT管Q1的基极。

作为一种优选方案，所述第二驱动电路包括有MOS管Q4、二极管D10、电阻R39、电阻R41、电容C29、电容C31、芯片U12以及芯片U13；

MOS管Q4的栅极连接二极管D10的阴极，二极管D10的阳极用于连接主控电路的PWM1引脚，MOS管Q4的源极接地，MOS管Q4的漏极通过电阻R39连接芯片U12的引脚1；

芯片U12的引脚1通过电阻R43接地，电容C31并联于电阻R43的两端，芯片U12的引脚2接地，芯片U12的引脚3通过电阻R40连接二极管D6的阴极，芯片U12的引脚3还通过电阻R42接地，电容C29并联于电阻R42的两端，芯片U12的引脚4通过电阻R41连接芯片U12的引脚8，芯片U12的引脚8通过电容C32接地，芯片U12的引脚4还通过电容C30接地；

芯片U12的引脚7用于连接电压端VCC-12V，芯片U12的引脚7还通过电容C33接地，芯片U12的引脚5接地；

芯片U12的引脚6通过电阻R4连接芯片U13的引脚1，芯片U13的引脚3和引脚4均接地，芯片U13的引脚6用于连接电压端VCC-12V-2，芯片U13的引脚6还通过电容C4接地，芯片U13的引脚5通过电阻R22和二级管D3连接IGBT管Q2的基极。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言：其主要是通过超级电容、超级电容充放电切换模块以及超级电容充电限流控制模块的配合，实现利用超级电容来回收抽油机变频电机刹车能量并当抽油机变频电机需要电能驱动的时候，超级电容的电能可返回到直流母线，给抽油机变频电机供电，实现能量的回收和利用，节能效果较好。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之实施例的大致控制原理框图；

图2是本发明之实施例的超级电容充放电切换模块电路原理图(含直流母线、整流桥BD1和超级电容)；

图3是本发明之实施例的超级电容充电限流控制模块电路原理图；

图4是本发明之实施例的系统控制模块局部电路原理图；

图5是本发明之实施例的系统控制模块另一局部电路原理图(主要显示主控电路)。

附图标号说明：

10、直流母线

12、超级电容

13、超级电容充放电切换模块

131、电流检测电路

14、超级电容充电限流控制模块

141、恒流恒压控制电路

142、第一驱动电路

143、第二驱动电路

21、主控电路。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，一种基于超级电容回收利用刹车能量的装置，包括有直流母线11、超级电容12、整流桥BD1、超级电容充放电切换模块13以及超级电容充电限流控制模块14。在本实施例中，所述超级电容12为图中的超级电容BATT。

所述直流母线11通过整流桥BD1连接超级电容12，所述超级电容充放电切换模块13和超级电容充电限流控制模块14分别连接超级电容12，整流桥BD1连接超级电容充放电切换模块13；

所述超级电容充放电切换模块13包括有二极管D5、二极管D6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D7、稳压二极管ZD1、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R22、电阻R23、电阻R24、IGBT管Q1、IGBT管Q2、变压器T1、电流检测电路131以及相串联的电感L1和电感L2；

直流母线11的一端连接超级电容12的正极和二极管D5的阴极，直流母线11的另一端同时连接整流桥BD1的引脚2和引脚3，整流桥BD1的引脚2还通过电阻RS2连接电流检测电路131；

电感L1的非串联节点同时连接超级电容12的负极和整流桥BD1的引脚1，IGBT管Q1的集电极通过电阻R21连接电感L1的非串联节点，电感L2的非串联节点同时连接二极管D5的阳极和变压器T1中主线圈的第一端1，变压器T1中主线圈的第二端2连接IGBT管Q2的集电极，变压器T1中副线圈的第三端4连接二极管D7的阴极和二极管D6的阳极，二极管D6的阳极还通过电阻R25接地，二极管D6的阴极连接超级电容充电限流控制模块14，变压器T1中副线圈的第四端3连接稳压二极管ZD1的阴极且接地，稳压二极管ZD1的阳极连接二极管D7的阳极；

IGBT管Q1的发射极、二极管D2的阳极、IGBT管Q2的发射极以及二极管D4的阳极均连接电流检测电路131且接地，二极管D2的阴极连接IGBT管Q1的基极，电阻R19和电阻R20相串联，电阻R19的非串联节点和电阻R19的一端连接超级电容充电限流控制模块14，电阻R19的另一端连接二极管D1的阴极，电阻R19和电阻R20的串联节点分别连接二极管D1的阳极和IGBT管Q1的基极；

二极管D4的阴极连接IGBT管Q2的基极，电阻R23和电阻R24相串联，电阻R23的非串联节点和电阻R24的一端连接超级电容充电限流控制模块14，电阻R23的另一端连接二极管D3的阴极，电阻R23和电阻R24的串联节点分别连接二极管D3的阳极和IGBT管Q2的基极。

当超级电容BATT的电压低至第一预设值(500V)时，IGBT管Q1导通，直流母线11一端上的电流依次经过超级电容BATT、电阻R21和IGBT管Q1实现对超级电容BATT进行预充。

当超级电容BATT的电压达到一定电压后，IGBT管Q1截止，IGBT管Q2导通，直流母线11一端上的电流依次经过超级电容BATT、电感L2、电感L1、变压器T1中主线圈和IGBT管Q2实现对超级电容BATT进行恒流充电。

当IGBT管Q2导通的时候，通过电感L2和电感L1的电流开始增加。当通过电感L2和电感L1的电流达到设定值，IGBT管Q2会截止，由于电感L2和电感L1有保持电流不变的特性，通过电感L2和电感L1的电流会继续对超级电容BATT进行充电，只是不再经过IGBT管Q2而是流经二极管D5。

IGBT管Q2周期性的开关，那么就实现了对超级电容BATT的快速高效充电，充电效率可以达到98％。从而将直流母线11上过多的电能回收到了超级电容12里面。

当抽油机变频电机需要大量用电的时候，它就会拉低直流母线11的电压，那么超级电容BATT上的电压就会高于直流母线11，这时候整流桥DB1就会自然导通，超级电容BATT就会对直流母线11放电，实现了超级电容BATT的电能利用。

在本实施例中，如图2所示，所述电流检测电路131包括有电流检测芯片U3、电容C11、电容C10以及电容C12；

电流检测芯片U3的引脚3和引脚4共同通过电阻RS2连接整流桥BD1的引脚3，电流检测芯片U3的引脚1和引脚2共同连接二极管D4的阳极且接地，电流检测芯片U3的引脚5接地，电流检测芯片U3的引脚6通过电容C12连接电流检测芯片U3的引脚5，电流检测芯片U3的引脚7连接超级电容充电限流控制模块14，电流检测芯片U3的引脚8用于连接电压端3.3V-MCU，电流检测芯片U3的引脚8通过电容C11连接电流检测芯片U3的引脚5，电容C10并联于电容C11的两端。

在本实施例中，所述超级电容充电限流控制模块14包括有恒流恒压控制电路141、用于驱动IGBT管Q1的第一驱动电路142以及用于驱动IGBT管Q2的第二驱动电路143；

所述电流检测电路131的输出端连接恒流恒压控制电路141，恒流恒压控制电路141的输出端分别连接第一驱动电路142和第二驱动电路143，所述第一驱动电路142的输出端连接通过电阻R18和二级管D1连接IGBT管Q1的基极，所述第二驱动电路143的输出端连接通过电阻R22和二级管D3连接IGBT管Q2的基极。

如图3所示，在本实施例中，所述恒流恒压控制电路141包括有恒流恒压控制芯片U9、电容C25、电阻R33、二极管D9、电阻R34、二极管D8、电阻R32、发光器U7B以及电阻R35；

所述恒流恒压控制芯片U9的引脚8通过电容C23接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚3通过电容C24接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚6连接其引脚3，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚4接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5通过电阻R34连接电流检测电路131的输出端，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5还通过电阻R33接地，所述恒流恒压控制芯片U9的引脚5还通过电容C25连接恒流恒压控制芯片U9的引脚7；

恒流恒压控制芯片U9的引脚7连接二极管D9的阳极，二极管D9的阴极为恒流恒压控制电路141的输出端，发光器U7B的引脚4连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端用于连接电压端3.3V-MCU，发光器U7B的引脚3连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接二极管D9的阴极。

如图3所示，在本实施例中，所述第一驱动电路142包括有MOS管Q3、电阻R37、电容C27、芯片U10以及芯片U11；

芯片U10的引脚1和其引脚8共同连接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的栅极连接恒流恒压控制电路141的输出端，芯片U10的引脚8通过电容C26接地，芯片U10的引脚2和其引脚4共同连接电阻R37的一端，电阻R37的另一端用于连接主控电路21的PWM2引脚；芯片U10的引脚6用于连接电压端VCC-12V，芯片U10的引脚6还通过电容C34接地，电容C27并联于电容C34接两端，芯片U10的引脚3接地；

芯片U10的引脚7通过电阻R38连接芯片U11的引脚1，芯片U11的引脚3和引脚4均接地，芯片U11的引脚6用于连接电压端VCC-12V-2，芯片U11的引脚6还通过电容C28接地，芯片U11的引脚5通过电阻R18和二级管D1连接IGBT管Q1的基极。

下述芯片U14输出PWM2信号通过电阻R37传给芯片U10，芯片U10放大信号后，通过电阻R38将放大的信号传给芯片U11，芯片U11再去驱动IGBT管Q1。

如图3所示，在本实施例中，所述第二驱动电路143包括有MOS管Q4、二极管D10、电阻R39、电阻R41、电容C29、电容C31、芯片U12以及芯片U13；

MOS管Q4的栅极连接二极管D10的阴极，二极管D10的阳极用于连接主控电路21的PWM1引脚，MOS管Q4的源极接地，MOS管Q4的漏极通过电阻R39连接芯片U12的引脚1；

芯片U12的引脚1通过电阻R43接地，电容C31并联于电阻R43的两端，芯片U12的引脚2接地，芯片U12的引脚3通过电阻R40连接二极管D6的阴极，芯片U12的引脚3还通过电阻R42接地，电容C29并联于电阻R42的两端，芯片U12的引脚4通过电阻R41连接芯片U12的引脚8，芯片U12的引脚8通过电容C32接地，芯片U12的引脚4还通过电容C30接地；

芯片U12的引脚7用于连接电压端VCC-12V，芯片U12的引脚7还通过电容C33接地，芯片U12的引脚5接地；

芯片U12的引脚6通过电阻R4连接芯片U13的引脚1，芯片U13的引脚3和引脚4均接地，芯片U13的引脚6用于连接电压端VCC-12V-2，芯片U13的引脚6还通过电容C4接地，芯片U13的引脚5通过电阻R22和二级管D3连接IGBT管Q2的基极。

芯片U12是PWM芯片，它会周期性的发出驱动信号。通过电阻R4把驱动信号传给芯片U13，芯片U13再驱动IGBT管Q2。

在本实施例中，还包括有系统控制模块，所述系统控制模块包括有主控电路21，所述主控电路分别连接超级电容充放电切换模块以及超级电容充电限流控制模块。

所述主控电路21是由型号为STM32G431CBT6的芯片U14及其外围电路组成。芯片U14的引脚31为主控电路21的PWM1引脚，芯片U14的引脚32为主控电路21的PWM2引脚，芯片U14的引脚11通过电阻R1连接芯片U3的引脚7。芯片U14通过电阻R1去采样芯片U3的引脚7的电平信号，从而获得电流大小信息，如果电流过大就采取保护动作。

本发明设计要点在于，其主要是通过超级电容、超级电容充放电切换模块以及超级电容充电限流控制模块的配合，实现利用超级电容来回收抽油机变频电机刹车能量并当抽油机变频电机需要电能驱动的时候，超级电容的电能可返回到直流母线，给抽油机变频电机供电，实现能量的回收和利用，节能效果较好。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。