CN101717044A - 混合动力的轮胎吊节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起重机的电控技术领域，尤其是一种混合动力的轮胎吊节能系统，具有发电机和连接发电机的整流装置，整流装置把交流电源转变为直流电源，通过直流母线将直流电源提供给变频器，直流母线上设置有能量交换装置，能量交换装置包括可编程控制器、设置在直流母线上的升压控制器、连接在升压控制器与变频器之间直流母线上的充放电控制器和连接在充放电控制器上的蓄电池系统，可编程控制器通过现场总线与升压控制器、充放电控制器和蓄电池系统进行数据交换，蓄电池系统包括蓄电池、状态传感器、保护电路、冷却通风装置和蓄电池管理器，节能效果好，减少对大气的污染、降低了发电机噪音，为RTG系统提供了稳定的直流母线电压。

Description

混合动力的轮胎吊节能系统

技术领域

本发明涉及起重机的电控技术领域，尤其是一种混合动力的轮胎吊节能系统。

背景技术

在港口集装箱码头，堆场作业主要依靠轮胎式集装箱龙门起重机(RubberTyre Gantry Crane简称RTG)。由于RTG采用柴油机发电机组作为提供整机系统的动力。不需要电缆线连接到码头电源，因此使用方便，运行灵活，被集装箱码头大量使用。

近年来能源紧张，油价不断攀升，装卸成本居高不下。“如何提高RTG的能效”早已成为节能改造的众矢之的。纵观众多的RTG节能方法，按节能的策略主要分3大类。第一采用“油改电”，可以大幅度降低使用成本，缺点是附加的供电设施给生产带来难度；第二采用混合动力系统，使用储能方式，缺点是节能效果一般；第三采用发动机调速，充分利用发动机低速时的低油耗特性，减少燃料消耗，缺点是节能量小。

现有的电气控制系统，由整流装置把交流电源转变为直流电源，通过直流母线为各机构的变频器提供直流电源。当集装箱和吊具下降时，变频器将势能转变为电能，能量回馈到直流母线。由于回馈能量的积聚，将使直流母线电压升高。原RTG电气系统采用制动单元将电能释放到能耗电阻的方式，把直流母线电压控制在安全的范围内。这样造成能源浪费和环境污染。

由于这部分能量巨大，如果能够把这部分浪费的能源节省下来就能够达到良好的节能效果。显然，巨大的能量就需要有大容量的储能装置，我们已经尝试过了飞轮储能，也尝试过了超级电容储能，这些方法都创造了超乎想像的结果，真正能够用于实际的作业。但对于RTG这种无规律性的作业特性，这些方法仍然力不从心。主要表现在：1、通常只能存储一次下降过程产生的能量，如果连续把集装箱从高处吊下来装车，后续的能量仍然只能通过能耗电阻消耗掉。这些储能装置没有持久力，如果需要增加容量，其高昂的成本、庞大的体积和产生的重量是RTG系统无法接受的；2、由于这些储能装置的固有特性，每次能量释放不能完全耗尽，例如：飞轮系统必须维持一定的基本转速，不能让它运行在低速区。超级电容必须留有足够的电压，太低电压时系统无法正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述存在的缺点与不足，降低混能成本，提供一种混合动力的轮胎吊节能系统，本系统方案中巧妙地利用变频系统的公共直流母线作为能量的混合点，在电气系统上进行能量交换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混合动力的轮胎吊节能系统，具有发电机和连接发电机的整流装置，整流装置把交流电源转变为直流电源，通过直流母线将直流电源提供给变频装置，直流母线上设置有能量交换装置，能量交换装置包括可编程控制器、设置在直流母线上的升压控制器、连接在升压控制器与变频装置之间直流母线上的充放电控制器和连接在充放电控制器上的蓄电池系统，可编程控制器通过现场总线与升压控制器、充放电控制器和蓄电池系统进行数据交换，通过可编程控制器的综合控制和管理，实时了解蓄电池系统的容量和运行状态，正确对蓄电池系统进行充放电控制。

进一步，所述的蓄电池上设置监视电池数据的监视器，方便监视电池容量、电压、温度等数据，将监视的数据传送给可编程控制器，然后进行控制。

为了方便计算蓄电池容量和检测电池温度、电压等信息，蓄电池系统包括蓄电池、状态传感器、保护电路、冷却通风装置和蓄电池管理器。

为了满足RTG系统储能的要求，蓄电池为NiHM电池，具有大容量、高功率、长寿命的性质，电压可高达530伏。

为了将直流电压抬高减小电流，同时可以限制发动机的输出功率，采用升压控制器与回路电抗器组成BOOST电路，将原系统不稳定的直流母线的电压升高，并且稳定在需要的电压值。这样为RTG的各个机构变频器提供了恒定的直流母线电源，使变频器驱动各机构电动机的性能比原来更优越。同时可以控制来自发电机的输出能量。

充放电控制器是直流母线与蓄电池之间传递能量的桥梁，是混能系统的控制核心。该装置能够根据系统的命令分时控制充电或放电。由于充放电的过程有时非常短暂，因此该装置具有很高的切换速度。

混能控制系统采用一套PLC控制器进行协调管理。PLC与升压控制器、充放电控制器、蓄电池系统采用现场总线进行数据交换，实时了解蓄电池容量和系统运行状态，正确对蓄电池的充放电控制。同时采用人机界面为管理员提供状态信息和故障历史。混能系统中蓄电池的使用寿命是这种方案成败的关键，除本身的优良特性外，需要PLC系统的合理控制才能保证长久使用。因此PLC系统必要随时测量蓄电池的容量，当正常提升或下放集装箱时必须保证充放电可靠执行，在待机状态时必须根据蓄电池的容量适当地给蓄电池补充合适的能量。同时检测充放电电流、各蓄电池模块的电压、各蓄电池模块的温度等，如果超过允许参数将提供报警或作出相应的处理。

本发明的有益效果是，本发明的混合动力的轮胎吊节能系统，有很好的节能效果，同时它减少对大气的污染、降低了柴油机发电机的噪音，为RTG系统提供了稳定的直流母线电压，使系统运行更加可靠。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路连接示意图。

图中1、发电机，2、整流装置，3、变频装置，41、可编程控制器，42、升压控制器，43、充放电控制器，44、蓄电池系统，45、监视器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的最佳实施方式的混合动力的轮胎吊节能系统，具有发电机1和连接发电机1的整流装置2，整流装置2把交流电源转变为直流电源，通过直流母线将直流电源提供给变频装置3，直流母线上设置有能量交换装置，能量交换装置包括可编程控制器41、设置在直流母线上的升压控制器42、连接在升压控制器42与变频装置3之间直流母线上的充放电控制器43和连接在充放电控制器43上的蓄电池系统44，可编程控制器41通过现场总线与升压控制器42、充放电控制器43和蓄电池系统44进行数据交换。

蓄电池系统44上设置监视电池数据的监视器45，蓄电池系统44包括蓄电池、状态传感器、保护电路、冷却通风装置和蓄电池管理器。蓄电池为NiHM电池。

本发明的工作过程，发电机1除了仍然给辅助系统供电外，主电路的电源整流后不再直接传送到直流母线，而是通过BOOST电路升压成稳定的设定电压再接入直流母线，同时可以控制向直流母线提供的能量。当需要提起一个集装箱时，由于发动机的能量可以限制，直流母线系统的总能量将不足以成功完成提升操作。此时PLC系统能够检测到系统能量的不足，启动蓄电池放电功能，由蓄电池和发电机1同时为起升机构提供能量。当需要放下一个集装箱时，发动机的能量仍然可以受到限制，由于下降时势能转变为电能，回馈的能量将使直流母线电压升高，为了防止向能耗电阻放电，浪费能量。此时PLC系统能够及时检测到系统能量过剩，启动蓄电池充电功能，把起升机构回馈的能量和发电机1的少量能量汇合后向蓄电池充电，存储所有由于位能产生的能量。

在RTG上使用的柴油发电机1组一般容量都比较大，考虑了系统的极限工作能力，RTG一般采用的功率在480KW左右。由于在满载和待机工作过程中发动机均恒速为发电机1提供能量，造成在待机和轻载过程的能量过剩，在重载起升加速时发动机冒黑烟的现象，两者无法兼顾，必然只能以牺牲燃油消耗为代价。采用蓄电池储能系统后，由于提供给RTG主电路的能量是混合动力，系统对发动机的能量需求被控制在很小的功率输出，其余的所以能量由蓄电池放电提供，由于蓄电池放电的过程由电子开关控制，所以能够迅速提供充足的能量，响应特性远远胜过发电机1组，大大改善了原供电系统的响应特性。

本系统发动机总容量仅需要120KW，其中50KW提供给辅助系统使用，其余可以提供给主电路使用。因此在轻载或重载时需要发动机提供的能量相差不大，如果原系统采用Detroit S6063HK35：550HP的柴油发动机，将不会产生冒黑烟的过载工作状态，留有很大的富余量。

采用160HP柴油机组发电代替原系统后，发动机运行平稳，当输出功率控制在100KW以内时，RTG的各机构仍然稳定运行，小发电机1组系统对整体节能起到非常重要的作业，使待机时的节能率超过50％。

蓄电池作为重要的储能元件，能够替代超级电容等储能元件。是因为新型蓄电池满足了RTG系统储能的最基本要求：

第一、蓄电池具有很大的存储容量，可以长时间吸收待机时的能量；

第二、蓄电池具有很大的冲放电能力，可以接受很大的能量在瞬间输入或输出；

第三、蓄电池具有较长的使用寿命，在正常冲放电情况下可以使用5年；

第四、蓄电池具有可回收性能，当蓄电池报废后，材料还能继续利用。

显然与通常的蓄电池产品有很大的区别。本系统采用的蓄电池是NiHM电池，它与铅酸电池、镍镉电池和锂电池的特性比较如图3，在功率和能量密度上，锂电池最优、其次是NiHM电池、然后是铅酸和镍镉电池。没有采用锂电池的原因有两个：

第一、锂电池有爆炸的危险，特别是数量多时的链式反应、需要对锂电池做很完善的防护。

第二、锂电池价格昂贵，通常是NiHM电池价格的3倍。

为了克服超级电容系统的缺陷，提高新系统的储能特性，系统设计的能量存储量足以把十只额定载荷的集装箱从地面提升到最高位置，同时要求蓄电池系统44具有瞬间输出达到280KW功率，满足提升机构正常的加速功率。

在RTG正常搬运集装箱的过程中，蓄电池向直流母线放电的电流经计算需要达到500安培左右，图4是蓄电池在大电流放电时的时间/电压降曲线。完全能够满足5分钟以内大电流连续放电要求。蓄电池的充电特性与电容的特性相似，能够承受大电流持续充电。

蓄电池的寿命通常只能进行1000次左右的完全充放电，如果这个次数用在RTG上，用户就必须天天换电池。通过与蓄电池制造单位共同研究，配备足够容量的专用蓄电池并通过PLC软件严格控制蓄电池容量，就可以达到40万次的不完全充放次数。这样新蓄电池就可以满足作业繁忙码头四年左右的使用。

由于蓄电池的工作电压很高，因此需要很多蓄电池组串联起来。众多的蓄电池组由于环境的影响可能会产生电压、温度等不平衡现象，这对于蓄电池的寿命是有影响的。采用蓄电池管理器(BMS)可以实时测量每个蓄电池组的工作状态，同时可以根据电流输入/输出的累计，精确地计算蓄电池内电能的容量。同时与PLC控制器进行数据交换，使储能系统能够对蓄电池进行智能控制。例如：当蓄电池容量较低时，在待机的情况时开通电池充电命令，让发电机1提供小电流进行充电。这样既可以补充蓄电池能量，又不影响RTG正常操作。

蓄电池储能RTG控制系统综合了两种节能方式，通过混能系统实现了RTG在下降过程中的能量收集，它的大容量特性使系统可以存储多次下降过程中原本需要浪费的能量。

同时可以利用混能系统在大功率需求时可以输出足够能量的特性，达到降低对发动机组功率的依赖，采用小发动机组同样可以满足RTG正常运行。可以节省在待机情况下由于大发动机油耗高而造成的能源浪费。

第一种方式的节能量依赖于RTG本身的机械传递效率，包括：滑轮、齿轮等的传递效率和摩擦等外界因素产生的能量损耗。在理论计算中机械传递效率为0.9。因此位能下降产生的电能理论上是提升该物体功率的81％。可见节能效果是明显的。

第二种方式的节能量依赖于小发电机1组本身的油耗，在替换发电机1组前，需要确定系统确切的功率需求，太大的发电机1组将需要更多的空载油耗，造成浪费。改造后的油耗率还与原发电机1组的容量有关，如果原发电机1组的余量很大，则改用小电动机组后的节能率将非常高。

两种节能特点产生的效果是不同的，第一种方式在RTG越繁忙工作的条件下节能效果越好。因此评判节能效果不能仅比较待机时的节能而忽略操作时的节能；也不能考虑重载是的节能而忽略轻载时的节能。本储能系统同时采用上述2种节能技术后，可以兼顾到繁忙时的节能和待机时的节能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种混合动力的轮胎吊节能系统，具有发电机(1)和连接发电机(1)的整流装置(2)，整流装置(2)把交流电源转变为直流电源，通过直流母线将直流电源提供给变频装置(3)，其特征在于：直流母线上设置有能量交换装置，能量交换装置包括可编程控制器(41)、设置在直流母线上的升压控制器(42)、连接在升压控制器(42)与变频装置(3)之间直流母线上的充放电控制器(43)和连接在充放电控制器(43)上的蓄电池系统(44)，可编程控制器(41)通过现场总线与升压控制器(42)、充放电控制器(43)和蓄电池系统(44)进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的混合动力的轮胎吊节能系统，其特征在于：所述的蓄电池系统(44)上设置监视电池数据的监视器(45)。

3.根据权利要求1所沈的混合动力的轮胎吊节能系统，其特征在于：所述的蓄电池系统(44)包括蓄电池、状态传感器、保护电路、冷却通风装置和蓄电池管理器。

4.根据权利要求3所述的混合动力的轮胎吊节能系统，其特征在于：所述的蓄电池为NiHM电池。