一种电梯超级电容试验装置的设计与实现*

2022-06-23林进展代清友

机电工程技术 2022年5期

王葵，林进展，代清友

（广东省特种设备检测研究院，广州 528251）

0 引言

随着我国城市化水平的提升，高楼大厦如雨后春笋般拔地而起，作为高楼非常重要的垂直交通工具，电梯的数量也在飞速的增长。电梯在给人们出行带来巨大便利的同时，其造成的能耗对社会发展也造成了一定的负面影响。

最常用的曳引式电梯有轿厢和对重，两者通过钢丝绳连接，通过曳引轮的旋转实现两者的上下往复运动。由于对重比空载的轿厢重，在运行时，在启动加速、重载上行和轻载下行阶段处于耗电状态，在减速制动、重载下行和轻载上行阶段处于发电状态。在未安装相应节能装置的情况下，电梯发电状态的电能会被制动电阻或者其他方式消耗掉。这不仅增加了电能的浪费，而且消耗掉的电能变成热量，造成机房内温度的升高，影响电梯的使用环境[1]。

超级电容相比于其他储能单元，具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快和效率高的优点[2-5]。超级电容和电梯变频器直流母线连接。当电梯处于发电状态，直流母线的电压超过超级电容的启动电压时，超级电容开始充电，储存电梯所发的电能。当电梯处于耗电状态时，超级电容处于放电状态，为电梯运行提供电能。部分超级电容还可以在停电状态为电梯提供应急电源[6-12]。

超级电容在电梯节能中发挥着越来越重要的作用，然而国内并未发布电梯超级电容相关产品标准，没有专门的试验装置和试验方法，这也影响了超级电容的大规模应用。针对以上问题，本文开发了一种电梯超级电容试验装置，在试验室可以完成超级的所有试验项目，促进电梯超级电容技术的发展。

1 装置的结构

仪器结构如图1 所示，试验装置包括上位机、采集卡、直流电子负载、直流电源、接触器、电信号采集模块。直流电源采用可编程直流电源，通过RS232 通信方式和上位机连接通信，可以输出电压、电流和功率可变的直流电。直流电子负载采用可编程直流电子负载，通过RS232 通信方式和上位机连接通信，可以控制输入的电压、电流和功率。采集卡通过USB 和上位机连接，具有丰富的I∕O 口和模拟输入口。采集卡和电信号采集模块、接触器连接，实现充放电电路电信号的采集和通断控制。

图1 装置结构原理

如图2 所示，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器分别连接到采集卡的两个模拟输入口，采集充放电电路中的电压和电流信号，通过采集卡处理后传输到上位机，上位机对数据进一步处理，从而实现超级电容相关参数的测量。

图2 电信号采集模块

如图3 所示，接触器电路的一端和220 V 的电源连接，一端和光耦输出端的一端连接。光耦输出端的另一端和电源连接，从而电源、接触器和光耦的输出端形成电回路。光耦输入端的一端和采集卡的I∕O 口连接，另一端通过一个电阻和采集卡的地端口连接，从而采集卡和光输入端、电阻形成另一个电回路。

图3 接触器电路

开启电源，当采集卡I∕O 口的输出为高电平时，光耦输入端电路导通，光耦的输出端电路同时导通，接触器处于吸合状态。接触器吸合后，接触器控制的充放电电路也导通，被测超级电容开始充放电。当采集卡I∕O口的输出为低电平时，光耦输入端电路断开，光耦的输出端电路同时断开，接触器处于释放状态。接触器释放后，接触器控制的充放电电路断开，被测超级电容停止充放电。

2 仪器检测原理

2.1 性能指标的检测

2.1.1 充放电效率

超级电容充放电的效率通过下式计算得到：

式中：η为超级电容充放电效率；Eout为超级容器放出的能量；Ein为超级容器充入的能量。

启动试验装置，首先接通放电电路，断开充电电路，采用恒流放电方式将超级电容的电能全部放掉。然后接通充电电路，断开放电电路，超级电容充满后，接通放电电路，断开充电电路，采用恒流放电方式将超级电容的电能全部放掉。采用电信号采集模块记录超级电容充放电过程中的电压和电流，通过计算得到充电过程中的能量和放电过程中的能量，最终得到超级电容的充放电效率。

2.1.2 容量

超级电容容量通过下式计算得到：

式中：C为超级电容的容量；i为充放电电流；t为充放电时间；Umax为试验最高电压；Umin为试验最低电压。

首先，对超级电容进行放电，使其电压达到试验最低电压Umin，然后以电流值i进行恒电流充电。当超级电容电压达到Umax时，停止充电10 s。然后再以电流值i进行恒电流放电，直到超级电容电压达到Umin时，停止放电10 s。完成以上5个充放电循环，读取后面3次充放电循环的数据。通过计算每一次充电或者放电过程中的超级电容容量值，进一步得到平均值，即为超级电容的容量。

2.1.3 能量密度

质量能量密度通过下式计算得到：

式中：ρM为超级电容的质量能量密度；Emax为超级电容最大储存能量；M为电容器的质量。

体积能量密度通过下式计算得到：

式中：ρM为超级电容的体积能量密度；Emax为超级电容最大储存能量；V为超级电容的体积。

在进行充放电效率试验中，测得的Eout即为超级电容的最大储存能量Emax，通过查找超级电容的参数，得到超级电容的质量和体积数据，计算得到超级电容的能量密度。

2.2 性能功能

启动试验装置，被测超级电容正常工作，通过模拟相应的工况和故障状态，测试超级电容的性能。

（1）循环寿命

通过模拟超级电容在电梯运行中的不同温度、不同充电状态及其他压力条件的工况下，对超级电容进行长期往复的充放电试验，测试超级电容的性能变化。

（2）温度特性

将超级电容置于温度试验箱内，在不同的温度下试验超级电容的稳定性。.

（3）短路保护

将超级电容进行短路，然后开启试验装置，观察超级电容是否停止工作，并且不损坏。

（4）断路保护

将超级电容进行短断路，然后开启试验装置，观察超级电容是否停止工作，并且不损坏。

3 测量仪器技术方案

在进行电梯超级电容进行充电时，需要向超级电容提供恒压、恒流、恒功率或者模拟电梯运行过程中变频器直流母线变化的直流电源装置，用以完成超级电容充电过程中相关参数和性能的检测。

通过对市场上装配超级电容的电梯进行调研，考虑到超高速和超大载重的电梯销量比较少，市场上装配超级电容的电梯的功率一般不超过20 kW。本文设计的超级电容试验装置安装在实验室内，考虑试验室的供电容量，试验的超级电容的最大功率设定为20 kW。

如图4 所示，直流电源采用艾德克斯电子公司的型号为IT6036D-1500-80 型大功率可编程直流电子负载。最大功率达到36 kW，额定电压为1 500 V，额定电流为80 A，电压分辨率达到0.1 V，电流分辨率达到0.01 A，内置RS232接口。

图4 可编程直流电源

在进行超级电容充电的试验过程中，根据试验要求，设置恒压、恒流或者恒功率充电模式，设定试验要求的电压、电流和功率参数。试验开始后，直流电源输出的电能逐步达到试验要求的参数。当输出电能充电电压达到超级电容的启动电压后，超级电容开始启动，直到达到设定的参数后，超级电容进行试验要求的充电过程。

直流电子负载用于电梯超级电容的放电过程，通过恒流、恒功率或者模拟电梯运行过程中发电工况等模式消耗超级电容储存的电能，用以完成超级电容放电过程中相关参数和性能的检测。

如图5 所示，直流电源采用艾德克斯电子公司的型号为IT8924A-1200-960 型大功率可编程直流电源。最大功率达到24 kW，最大电压为1 200 V，最大电流为960 A，电压分辨率达到1 mV，电流分辨率达到1 mA，内置RS232接口。

图5 可编程直流电子负载

在进行超级电容放电试验中，根据试验要求，设置恒压、恒流或者恒功率放电模式，设定试验要求的电压、电流和功率参数。试验开始后，超级电容按照直流电子负载设置的参数进行放电，直到试验结束。

采集卡采集2 路霍尔电压传感器和2 路霍尔传感器的电压模拟信号，并且通过控制接触器电路的通断实现超级电容充放电电路的通断。这就需要采集卡具有多路模拟输入通道和数字I∕O 通道，能够通过常用的通信接口和上位机进行通信。

如图6 所示，采集卡采用NI公司的型号为NI USB-6001 型数据采集卡。该型号采集卡拥有8通道14位模拟输入通道，并可作为4 位差分输入；其采样频率达到20 kS∕s，保证了在超级电容充放电过程中能够准确地采集电路中各电信号模拟量。采集卡还有13 双向I∕O 通道，能够输出数字信号，控制测试电路中接触器动作。采集卡通过USB 接口形式和上位机通信，通用性强。