CN101065309B - 一种改进的载荷起重机械的能量储存方法 - Google Patents

Abstract

一种载荷起重装置的能量储存和再生的方法，该装置通过由一第一变频器控制的感应起重电机供给动力，且有一双向变频器控制一电容利用剩余电能(诸如当降下载荷时产生的反向电能和小载荷或空载时的未使用电能)为该电容充电，籍此将能量储存在该电容中；并且当提升载荷和消耗电能时，籍由该电容放电，使系统相反为所述起重电机供电。

Description

一种改进的载荷起重机械的能量储存方法

技术领域

本发明涉及对一种供起重机或其它载荷起重机械使用的已获专利的能量储存方法的改进。更具体地说，涉及一种由载荷起重机械驱动电机充电的电容中储存能量方法的改进。当载荷增加和需要更大功率时，储存的能量可再供给系统。

背景技术

本发明涉及一种电力驱动载荷提升起重机的能量储存的方法或系统。本发明尤其可用于由柴油发电机驱动并有载重变化范围的机械。该系统在回动或载荷小时储存能量，在最大或大载荷时供电。从理论上讲，这是一个简单的机械设想，其好处是：主电源只需供应相对恒定的平均电能，而不需要供应高峰电能。但是，直到现在，该设想的实用方面的问题阻碍了它的使用。

组合电池和发电机能量储存系统在过去已被用来实现上述目的，这在理论上很有效。然而，事实上，电池组件带来很多问题，例如：电容量小，电效低，电池体积大，重量重和电池寿命短，由此，使用最新式的电池技术，目前上述系统也不是一种实现能量储存的可行方法。

飞轮式能量储存系统也已被用来实现上述目的。但是，为了使飞轮能够储存能量以产生电能，其必须能够在一个大的速度范围被驱动。为了将能量传递给可变的速度飞轮，采用直流电机最适合，但是直流电机因很多原因已被证明不够理想，其中以下原因是最大的限制：

1.为使飞轮储存能量，能量按1/2xIxω²度量，其中I＝惯性力矩，ω＝旋转角速度。因此，高旋转速度可以在飞轮中储存更多能量，因为能量按转速的平方度量。但是，由于直流电机转子线圈部件的离心强度低，必须与飞轮互连的直流电机的旋转速度有严格的限制；

2.直流电机需要不断维修，例如更换电刷，修理换向器，和保持绝缘完整性；

3.直流电机相对而言体积大、重量重、价格贵。

因为这些和其它原因，使用直流电机的飞轮驱动能量储存式系统同样不是实现上述目的的可行方法。

变频器技术的最近发展已经进步到，使用变频器的交流鼠笼型感应电机正在代替直流电机。变频器将直流电转化成任意频率交流电，反之也将交流电转化成直流电。因为交流电有任意频率的优点，交流鼠笼型感应电机可以以任意旋转速度旋转直到非常高的速度，解决了上面提到的直流电机的一些问题。

图1示出一种起重机械现在使用的柴油发电机电源和变频器控制的感应电机驱动机械的典型例子。柴油引擎11与交流发电机13作机械互连。发电机输出的交流电流由一个二极管15转化成直流电。反之，该直流电被变频器17转化为任意频率交流电。一鼠笼型感应电机19由该交流电驱动，并且随之驱动用来提升或降下载荷23的卷筒21。提升和降下的速度通过变频器产生和控制的交流电频率控制。当载荷降下时，该感应电机产生反向交流电流。该反向交流电流由电阻25消耗，以便让感应电机作为负反馈制动有效地工作。

图2揭示了一个典型例子，其中市政公用电力网27的电流通过电缆盘电源29供给该系统，而不是由图1中的柴油引擎/发电机组合产生的电流。输入电压经变压器31降压。然后，交流电通过直流变流器16转化成直流电，从这点以后的系统与附图1揭示的相同。

在载荷23下降的过程中，反向电流被送回电力网27，在本例中，被其他用电户使用。然而，因为反向电流包括频率波动和偏移，其它用电户不 喜欢用它。预期将来可能会禁止将反向电能返回电力网。在这种情况下，反向电能将由一电阻消耗，就如图1所揭示的一样。

图3揭示了对现有技术的一种改进，将改进部分引入该系统以代替在现有技术系统图1中使用的电阻。1999年8月10日授权的美国专利第5,936,375号揭示了一种起重机械能量储存的方法。本发明进一步包括了在该设计上的非显而易见的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种载荷移动系统的能量储存及再生的方法，该机械系统通过由一第一变频器控制的感应电机供给动力。本发明方法的步骤包括驱动载荷移动机械的感应电机作为发电机，当机械使载荷下降或制动时，产生反向电能。当机械处在小载荷或空载时，使产生的反向电能与未使用电能结合起来，该结合的电能作为剩余电能，用来为一个电容充电，以储存潜在的剩余电能。该剩余电能通过双向变频器控制，该变频器为该电容充电或当该电容放电时将电流输回该第一变频器。量度该电容的潜在能量，并且在该第一变频器的电能输入端测定系统电压。该潜在能量值和测得电压被传给一个可编程逻辑控制器(PLC)。该可编程逻辑控制器控制该双向变频器以将交流电转化成直流电，以致使该电容被充电并且使该剩余电能可被储存在该电容中供再使用。然后，根据电容中测得的能量，可以从该电容的潜在能量来补偿电能以驱动感应电机。使该电容放电籍此使该感应电机旋转产生动力将提升载荷。换句话说，也就是当其消耗的电能超过平均电能消耗时，把电能给该感应电机利用。

本发明还包括实施本方法的新装置。载荷移动机械能量储存系统包括一与用来提升和降下载荷的缆线卷筒互连的感应电机。该电机由一第一变频器控制。该能量储存系统包括(a)一储存和释放能量的电容，其由一双向变频器控制；(b)一控制双向变频器的可编程逻辑控制器(PLC)，(c)该第一变频器电能输入端电压和该电容的电压的传感装置，以及(d)将该测 得电压和脉冲发生器的输出与一设定电压值进行比较的PLC的已编程逻辑块。一引擎驱动交流发电机(ACG)为载荷移动机械供电，一二极管控制ACG的交流输出。

因此，本发明的一个重要目的是提供一种感应电机驱动的起重机械工作用能量储存的改进方法，以减少机械工作时的整体电能需求。

本发明的另一个目的在于提供一种感应电机驱动的起重机械工作用能量储存的改进方法，以平衡该机械的电量消耗需求。

本发明的进一步目的是提供一种感应电机驱动的起重机械的操作方法，该方法不需要当载荷下降驱动电机时将电能返回给电源，或者通过电阻或制动来消耗掉电能。

本发明还有一个目的是提供一种感应电机驱动的起重机械工作用能量储存的方法，该方法可以使用飞轮储存电能。

本发明再一个进一步目的是提供一种感应电机驱动的起重机械能量储存系统用装置，该装置使用电容来储存能量。

以下，将结合附图叙述本发明的装置时，这样，本发明的其它目的和优点将更为清楚。

附图说明

图1是自备电的载荷起重机的标准现有技术的驱动机械布置的方框图；

图2是电力网驱动起重机的另一标准现有技术的驱动机械布置的方框图；

图3是载荷起重机械能量储存的现有专利技术方框图；

图4是图3现有技术的一种改型，图中包含本发明的电容能量储存系统；

图5示出了图3-4中频率α和A点电压之间的关系图，所述第二变流器据此控制交流频率；

图6是图5工作的基本关系图；

图7是图5更实际的关系图，其适用于起重机工作中载荷变化复杂的情况；

图8是标准现有技术的载荷移动机械布置的基本电能消耗图；

图9是使用本发明方法的一驱动机械布置的理想电能消耗图；

图10是确定了剩余电能和示出了储存能量的图9的能量消耗图。

具体实施方式

参考附图，对本发明优选实施例进行叙述，其中同样的标号代表相应附图中同样的元件。

图1-3所示为本说明书的背景技术部分中所述的本发明的现有技术。图3所示为已获专利的现有技术装置，其通过以虚线所示的增加部分对图1的装置作了改进。背景技术中对图1的叙述主要在于装置中11、13、15、17、19、21和23的工作。

参见图3，对本发明的设施进行叙述。当载荷23由该系统的起重机械21提升时，现有技术和本发明都是使用来自市政电力网或自备的柴油引擎发动的发电机13的电力来驱动第一感应电机19，该第一感应电机19通过一机械动力传动装置与载荷起重缆线卷筒21连接。该感应电机在起重载荷时消耗电能，而在降下载荷时产生电能。

图3中所示并由虚线围住的已获专利的能量储存系统，由附加的机械组成，其代替了附图1的电阻25，包括：一第二变频器35，一第二感应电机37，一用来测定旋转速度的转速计或脉冲发生器39，一飞轮41和一可编程的逻辑控制器(PLC)43。

当由起重机械19和21降下载荷时，能量以飞轮41的旋转方式储存。以下情况明显出现：在降下载荷23过程中，载荷起重卷筒21反向驱动它的感应电机(系统的第一感应电机19)。该第一感应电机作为发电机产生交流电或反向电能。产生的交流电通过第一变频器17转化为直流电，该直流电在二极管15和第一变频器17之间流动。结果是，A点的电压升高。

当载荷起重机械处在空载状态、静止、或提升轻载荷时，A点的电压也升高。当载荷起重机械的电能消耗非常小或几乎为零时，由主电源(交流发电机或市政电力网)供给的电力经过二极管15使A点的电压升高。这样产生了未使用电能。当载荷起重机械提升一个重载荷时，电能消耗很大，A点的电压由于电能不足而降低。

当降下载荷时，能量储存系统储存未使用电能和产生的反向电能，该反向电能由第一感应电机19用作发电机被驱动时产生。本文将该未使用电能和反向电能结合在一起作为剩余电能。

该剩余电量通过一第二变频器35控制。一第二感应电机37由该剩余电能驱动，并由该第二变频器控制以使飞轮41旋转。当A点电压高时，该剩余电能以飞轮的旋转能量方式储存。当A点电压低时，系统从飞轮的旋转能量中取回能量并补充电能的不足。

A点的测得电压，和由与飞轮41连接的转速计或脉冲发电机39检测到的转速，都被传递给或被输入可编程逻辑控制器(PLC)43。该PLC控制第二变频器35以将直流电转化为受控的频率交流电。该频率由该PLC的一个已编程逻辑块根据A点的电压和飞轮的转速进行控制。A点的电压与一设定的电压值V₀比较，该设定值可以在已编程逻辑块中手动预设。

再参见图3。本发明取消了图中所示已获专利的现有技术发明中昂贵复杂的装置部分，其包括第二感应电机37、飞轮41和脉冲发生器39。参见图4，图中所示为本发明中增加和变换的装置，其插入到如图1-3所示的现有技术和现在使用的装置中。图3的现有专利技术装置按图4发明技术作改进。一电容45替代了图三中三个元件37、39和41，而且图4中的一双向变频器35代替了图3的第二变频器35。这样大大简化了装置的结构，并降低了整体的成本。

图4所示为本发明装置的一个实施例，其中如果A点的电压比设定或预定值V₀高，则PLC 43命令该双向变频器35将第一变频器的输出转化为直流电，借此使电容45充电，而且电能作为潜在能量储存。如果A点的电压低于设定值V₀，则该双向变频器控制该电容放电，由此产生电能为感应电机19供电，也即从电容中取得能量。

图4中控制电容45的双向变频器35又由PLC 43控制以将电容45的直流输出传送给第一变频器17，直流电通过第一变频器转化为受控的交流电来驱动感应电机19；反之亦然。

参见图5-7以及图3和图4，图5-7所示为A点的电压与交流频率α的关系。附图说明中已叙述了各变量图。频率α依据A点的电压确定。当起重卷筒上的载荷小并且没有大的能量消耗时，或者载荷降下产生反向电能时，A点的电压高于控制器中的接近平均电压的设定值V₀。在这种情况下，频率α成为一个正值并且能量储存在电容中。当载荷很大，电量被消耗时，A点的电压低于设定值V₀，频率α成为一个负值，能量从飞轮旋转中取回。

当A点的电压为设定值V₀时，能量储存系统既不储存也不取回能量。该设定值由平均负载、机械效率和电力效率决定。由该机械的平均载荷、机械效率和电力效率可以确定载荷起重机械操作中是否要减小本发明所允许的柴油引擎和交流电机的功率。

参见图8，其显示了特别适用于本发明的电耗分布图。该图可以用于负载移动机械，其待移动载荷变化范围大或大的惯性变化会由于例如起重机械、起重机、拖拉机、火车等载荷的加速及减速而出现。在起重机械或起重机的情况下，要提升或降下一个重量变化的载荷，如果这样，需要加速或减速载荷。图8所示为在特定负载下这样工作的感应电机的电耗图，其中方块A代表需要将负载加速到提升速度的电耗；方块B代表以恒速移动和提升载荷时的电耗；方块C代表停止载荷移动时的电耗；方块D代表允许载荷加速到下降速度时的反向电能或制动效应；方块E代表允许载荷以恒速下降的反向电量/制动效应；方块F代表停止降下载荷时的反向电能/制动效应。当提升载荷被起时，系统消耗电能。当降下载荷时，电机工作以产生电能和作为制动。

参见图9，其示出应用本发明可以获得的电耗分布图。机械不提升载荷时，例如当空载或静止但未断电时，电量输入恒定且有未使用的电量。图9的斜线区域表示平均电耗，其迭加在图8的电耗图上。

图10示出储存在本发明系统中的剩余电能的分布图。当使用本发明的能量储存系统时，剩余电能(包括反向电能和在小载荷或空载时的未使用电能)作为飞轮旋转能量储存，而且在最大载荷或大载荷状态时，储存的能量被取回。该剩余电能在图10中用反向斜线区域表示。如图9所示，主电源的容量足够提供平均消耗电能。当载荷降下到和提升的相同高度时，平均电量消耗只是机械效率或电力效率的损耗。

本发明包括一种能量储存和再生的方法，用于由第一变频器控制的感应电机提供动力的载荷移动机械。该方法的步骤包括驱动感应电机作为发电机，并当降下或制动一载荷时产生反向电能。当载荷移动机械在小载荷或空载时，该反向电能和未使用电能结合在一起，作为剩余电能。该剩余电能用来对由一双向变频器控制的电容充电。当电机消耗的电能超过平均电耗时，该电容放电为该感应电机供电。

本发明方法的步骤还包括检测电容中储存的能量(电压)和控制感应电机的第一变频器电能输入端的电压。将该电容能量检测结果和变频器输入端的测得电压传给一个可编程逻辑控制器。在控制器中测得电压与预定值比较以决定电容应该充电还是放电来驱动感应电机或被感应电机驱动。该方法进一步包括：如果控制器确定第一变频器电能输入端的测得电压高于设定值，该双向变频器将第一变流器的输出转换成为电容充电，借此能量被储存在电容中。相反，如果测得电压比设定值低，该双向变频器转换和控制传给第一变频器的电容输出，用电容释放的电能为第一感应电机供电。

因此，本发明的能量储存系统能非常有效地减少柴油引擎和交流发电机的容量，或者减少从电源汲取的电能，由此本发明不但提供一种更便宜的载荷起重设备，还有助于有效利用能量，本发明的能量储存系统能非常有效地允许降低柴油引擎和交流发电机的功率，或者减少从电源汲取的电能，由此有助于能量的有效使用和节约。并且，在电压不稳定和波动的情况下，本发明的能量储存系统可以用作电源稳压器。

本发明还包括一种实施本发明方法的新型装置。该载荷移动机械能量储 存系统包括一与用来提升和降下载荷的一缆线卷筒互连的感应电机。该电机由第一变频器控制。该能量储存系统包括(a)一用于储存和释放能量的电容，其由一双向变频器控制；(b)一控制双向变频器的可编程控制器(PLC)；(c)第一变频器电能输入端的电压和该电容中电压的传感装置；以及(d)用于将感测得的电压以及该脉冲发生器的输出与一设定电压值进行比较的PLC的已编程逻辑块。该能量储存系统还包括一为载荷移动机械发电的引擎驱动的交流发电机(ACG)和一控制ACG的交流电输出的二极管。

因此，通过前面对本发明较佳实施例的描述，可以明显地看到，本发明将实现所有与此相关的目的和优点。虽然本文已对本发明作了相当详细的阐述和说明，本发明并不仅仅限于上述描述，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种能量储存和再生的方法，用于由一第一变频器控制的感应电机供电的载荷移动机械，该方法的步骤包括：

驱动上述感应电机作为发电机，并当降下或制动载荷时产生反向电能，当所述载荷移动机械处在小载荷状态或空载时，所述反向电能与未使用的电能结合在一起，所述结合在一起的反向电能与未使用的电能作为剩余电能；

利用所述剩余电能为一电容充电；

通过一双向变频器控制所述剩余电能；以及

当所述感应电机消耗的电能超过其平均电耗时，所述电容放电为所述感应电机供电。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法的步骤还包括：

检测储存于所述电容的能量；

检测所述第一变频器电能输入端的电压；

将所述电容储存的能量的值和在所述第一变频器电能输入端测得的电压传送给一可编程的逻辑控制器；以及

在所述可编程的逻辑控制器中，将所述电压与一预定值进行比较以决定所述电容应该充电还是放电。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可编程的逻辑控制器确定：若在所述第一变频器电能输入端测得的电压高于所述预定值，则所述双向变频器转化所述第一变频器的输出对所述电容充电，若所述电压低于所述预定值，则所述双向变频器控制所述电容放电，并将所述电容的放电电能传给所述第一变频器，用所述电容的电能供给所述感应电机。

4.一种载荷移动机械能量储存系统，该系统包括：

一与一用来提升或降下载荷的缆线卷筒互连的感应电机，所述感应电机由

一第一变频器控制，

一能量储存系统，其包括：

一电容，用来储存和释放能量，所述电容由一双向变频器控制；

一可编程逻辑控制器，其控制所述双向变频器；

一传感装置，用来感测所述第一变频器电能输入端的电压以及所述电容的电压；

一所述可编程逻辑控制器的已编程逻辑块，用来将由所述传感装置感测得到的所述第一变频器电能输入端的电压以及所述电容的电压与一设定电压值进行比较，

一引擎驱动的交流发电机，为所述载荷移动机械发电，以及

一控制所述引擎驱动的交流发电机的交流输出的二极管。

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