CN102229410B - 轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置，其由机械机构和控制电路组成，所述机械机构包括起升机构、变幅机构和回转机构三大机构，所述控制电路包括依次相连的主控制器、充/放电切换电路、分段充电控制电路、用电/发电切换电路，以及与充/放电切换电路相连的超级电容组和混合电源控制电路；在控制电路的作用下，将起升机构或变幅机构的势能回收并存储到超级电容中，作为驱动轮胎臂架式起重机回转机构动力电源的辅助能源。本发明既避免了制动时反馈的能量对起重机系统的有害冲击，改善了起重机系统的平稳性，又有效回收了能源，避免了浪费，且减少了环境污染，安全性高、实用性强，易于推广应用。

Description

轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置

技术领域

本发明属于轮胎臂架式起重机，尤其涉及一种回转机构由混合动力装置供能的轮胎臂架式起重机。

背景技术

轮胎臂架式起重机由于其机动灵活性，是港口码头最常用的装卸机械。目前，在工作条件限制外接三相动力电源时，轮胎起重机的动力来源多为内燃——发电机组或三相动力电源提供，来驱动各个机构的电机来进行作业，其工作特点是循环、重复、间歇作业，频繁将数吨到几十吨的货物提升、搬移。有时候要求各机构在短短数秒时间内就要完成起动和制动，这就需要很大的功率，也就是说要配备大功率的发电机，使内燃——发电机组体积很大而增大起重机整机容量，并且在起吊重物时，内燃机需要加大供油量，容易使得燃油燃烧不充分变成黑烟污染环境，同时内燃——发电机组的噪声变大而能耗增加，而起升机构和变幅机构下降时产生的势能只能通过制动装置转化成热耗被浪费掉，并且起动和制动操作容易对起重机整机产生冲击，对其机械系统和电力系统都会产生不良影响。

当前已有采用蓄电池或超级电容器作为能量回收的储能器的做法。蓄电池体积大，充放电缓慢且其过程是化学变化同样会对环境有污染。而超级电容器是20世纪70年代后期出现的一种新型储能元件，具有充/放电速度快、循环寿命长、功率密度大、高低温性能好、环境友好等优点，作为储能元件在脉动性负载的应用方面具有独特的优势。现有把回收势能的超级电容并联在轮胎臂架式起重机动力机构的直流总线上作为总动力辅助源的尝试，这就要求超级电容的容量大，成本高，且回收的势能满足不了大的能源消耗要求。所有动力源的使用非常频繁，影响了超级电容充电过程的有效建立，利用发电机组对超级电容进行充电也违背了能源回收与利用的初衷，而总线工作状况很复杂，各机构对总线的干扰叠加，也使得回收势能的效果欠佳。

因此，一种结构简单、性能好、成本低且运行稳定的装置来解决环境污染和能源浪费的问题，并且减小起重机在频繁起动和制动操作中受到的损害成了一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置，将起升、变幅机构的势能回收，提高能效，将回收能源混合驱动回转系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：由机械机构和控制电路组成，所述机械机构包括起升机构、变幅机构和回转机构三大机构，所述控制电路包括依次相连的主控制器、充/放电切换电路、分段充电控制电路、用电/发电切换电路，以及与充/放电切换电路相连的超级电容组和混合电源控制电路；在控制电路的作用下，将起升机构或变幅机构的势能回收并存储到超级电容中，作为驱动轮胎臂架式起重机回转机构动力电源的辅助能源。

所述起升机构和变幅机构的工作状态由主控制器检测，当起吊重物或向上运作时，起升机构和变幅机构处于用电状态，由动力电源给驱动电机供电；当向下运作或制动状态时，起升机构和变幅机构处于发电状态，回馈势能使电机发电。

所述用电/发电切换电路由主控制器控制，当起升机构和变幅机构处于用电状态时，用电/发电切换电路为用电方向，由动力电源供电；当起升机构和变幅机构处于发电状态时，用电/发电切换电路为发电方向，把电机输出的电量传送给分段充电控制电路。

所述起升机构和变幅机构处于发电状态时，机构电机相当于回收势能发电机，势能发电通过用电/发电切换电路传送给分段充电控制电路，主控制器检测比较用电/发电切换电路和超级电容组的端电压后，对分段充电控制电路的升压状态进行分段控制；当用电/发电切换电路的端电压高于超级电容组的端电压时，使充电控制电路不升压；当用电/发电切换电路的端电压接近或低于超级电容组的端电压时，使充电控制电路处于升压状态。

所述超级电容组的电压状态由主控制器检测，当超级电容组端电压达到主控制器设定的安全电压值时，主控制器切断分段充电控制电路中的充电保护电路，超级电容组停止充电，若回转机构不处于工作状态，则势能转化的多余电量由轮胎臂架式起重机的制动系统转换成热量消耗掉。

所述回转机构的工作状态由主控制器检测，当回转机构没有工作时，主控制器控制充/放电切换电路方向为充电方向，当回转机构工作需要供电时，主控制器控制充/放电切换电路方向为放电方向，超级电容组开始放电，若此时起升、变幅机构仍处于发电状态，仍有电量输入至分段充电控制电路，但不再对超级电容组充电，而是和超级电容组所存储电源合为回收能源，与动力电源一起为回转机构供电。

所述混合电源控制电路由主控制器控制，由回收能源和动力电源一起为回转机构供电，且超级电容组所存储电源在回收能源中起决定作用，主控制器根据超级电容组及回收能源的端电压实时调节回收能源对回转机构的供电比例，随着超级电容组不断放电其端电压逐渐减低，回收能源所占供电比例慢慢减小，动力电源所占供电比例慢慢加大，直至超级电容组端电压低于动力电源时由动力电源单独供电。

所述混合电源控制电路由动力电源控制电路、回收能源控制电路、相加电路组成，包括IGBT驱动电路、IGBT模块、功率或门电路；主控制器对回收能源和动力电源的电压进行检测比较，输出两路PWM波，一路给动力电源控制电路中的IGBT驱动电路，另一路给回收能源控制电路中的IGBT驱动电路，回收能源和动力电源分别作为两个IGBT模块的工作电源，两路PWM波的占空比之和为100%，每一路的占空比决定回收能源和动力电源对回转机构供电所占百分比，再通过功率或门电路使两路供电叠加共同供电。

上述功率或门电路可以采用ZP 300A螺旋式整流管，IGBT驱动电路由专用驱动模块M57962和光电耦合器4N25组成，IGBT模块采用BSM400GA120DN2。

所述动力电源可以由轮胎起重机外接的三相动力电源提供，或者由内燃——发电机组提供的自发电电源提供。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.本装置使以前浪费的势能得到了回收和利用，利用率可达50%以上，节约了能源，保护了环境。

2.本装置的回收能量只对轮胎臂架式起重机的回转机构供电，使能源能够得到充分利用，降低了超级电容的容量要求，使成本降低，例如40吨轮胎起重机可配30F/350V超级电容组。

3.本装置的应用使起重机减少了以前频繁的制动操作，也不用在起吊重物时突然加大发电机组的供电量，从而减小了由此带来的有害冲击，增加了起重机系统的平稳性。

4.本装置采用动态控制，根据回收势能的多少来按比例和系统动力电源一起对回转机构进行供电，其中所占比例可在0~100%范围内线性变化，保证了系统运作的平稳性。

5.本装置与起升、变幅、回转机构的动力源是并行结构，即使因为某种原因装置发生故障，也完全不会影响起重机各机构的正常工作，增加了系统的可靠性。

总之，本发明既避免了制动时反馈的能量对起重机系统的有害冲击，改善了起重机系统的平稳性，又有效回收了能源，避免了浪费，且减少了环境污染，安全性高、实用性强，结构简单、体积小、成本低，易于推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的起升机构、变幅机构用电结构示意图。                                 

图3是本发明的超级电容充电结构示意图。

图4是本发明的分段充电控制电路示意图。

图5是本发明的回转机构用电结构示意图。

图6是本发明的混合电源控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但并不局限于下面所述或是图示的结构和实施细节。

本发明提供的轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置，由机械机构和控制电路组成，在控制电路的作用下，将机械机构中的起升机构或变幅机构的势能回收并存储到超级电容中，作为驱动轮胎臂架式起重机回转机构的辅助能源，该辅助能源和内燃——发电机组的自发电或三相动力电源一起作为驱动回转机构的混合动力。

本发明提供的轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置，其具体结构如图1所示：所述机械机构包括起升机构、变幅机构和回转机构三大机构。所述控制电路包括依次相连的主控制器、充/放电切换电路、分段充电控制电路、用电/发电切换电路，以及与充/放电切换电路相连的超级电容组和混合电源控制电路。

所述起升机构、变幅机构，其工作状态由主控制器检测，其工作电源由动力电源经用电/发电切换电路提供。当起升机构、变幅机构有势能回收时，该势能由机构中的驱动电机转化成电能，并通过用电/发电切换电路、分段充电控制电路和充/放电切换电路对超级电容组充电。回转机构工作状态由主控制器检测，其工作电源超级电容组经充/放电切换电路传送的电能和动力电源由混合电源控制电路控制共同提供。

所述主控制器可以采用ATMEL公司的AVR系列单片机ATMEGA128。

所述用电/发电切换电路可以是轮胎起重机PLC控制系统里的继电器，通过继电器的通断来改变切换电路的方向。

所述充/放电切换电路可由IXYS公司的两个快恢复二极管MEK250-12DA串联组成，当有势能回收使分段充电控制电路有电能输出时，导通一个二极管对超级电容组充电或作为超级电容组的附加能源导通两个二极管一起对回转机构供电，当分段充电控制电路没有电能输出时一个二极管截止，超级电容组放电时只导通另一个二极管对回转机构供电。

所述超级电容组可以采用2400F/2.7V的单个超级电容器串联达到电压要求，再并联达到电容量要求，所需超级电容器具体个数由轮胎起重机的吨位决定。

所述混合电源控制电路可以由动力电源控制电路、回收能源控制电路、相加电路组成，包括IGBT驱动电路、IGBT模块、功率或门电路，其中功率或门电路选用ZP 300A螺旋式整流管，IGBT驱动电路由专用驱动模块M57962和光电耦合器4N25组成，IGBT模块选用BSM400GA120DN2。主控制器对回收能源和动力电源的电压进行检测比较，输出两路PWM波，一路给动力电源控制电路中的IGBT驱动电路，另一路给回收能源控制电路中的IGBT驱动电路，回收能源和动力电源分别作为两个IGBT模块的工作电源，两路PWM波的占空比之和为100%，每一路的占空比决定回收能源和动力电源对回转机构供电所占百分比，再通过功率或门电路使两路供电叠加共同供电。

所述动力电源是轮胎起重机外接的三相动力电源或内燃——发电机组提供的自发电电源，其经过变压器、整流器传送给各机构电机，由操作人员选择。

所述起升机构、变幅机构的用电结构如图2所示，包括交流发电机/三相动力电源、变压器、整流器、用电切换电路。起升机构、变幅机构的用电过程是：起升机构和变幅机构的状态由主控制器检测，当起吊重物或机构向上运作时，起升机构和变幅机构处于用电状态，主控制器控制用电/发电切换电路方向为用电切换电路，此时由动力电源供电，由操作人员切换选择三相动力电源还是交流发电机的自发电，通过变压器、整流器变换为适合于起升机构和变幅机构的驱动电源，由用电切换电路分别传送给两机构的驱动电机。整个过程动力电源的电压状况和起升、变幅机构的工作状态由主控制器实时监测。

所述起升机构和变幅机构发电、超级电容充电过程如图3所示。当起升机构、变幅机构向下运作或制动状态时，起升机构或变幅机构处于发电状态，回馈势能使电机发电。当主控制器检测到起升、变幅机构处于发电状态时，就控制用电/发电切换电路方向变为发电切换电路，充电/放电切换电路方向为充电切换电路。此时起升机构或变幅机构的驱动电机相当于发电机，把势能转化为电能，经过发电切换电路、分段充电控制电路和充电切换电路对超级电容组进行充电。主控制器根据发电切换电路和超级电容组的端电压状况来实时控制分段充电控制电路。

所述分段充电控制电路结构如图4所示，包括回收势能发电机、主控制器、宽范围DC/DC升压控制器、IGBT驱动电路、IGBT、超级电容组、充电保护电路。其工作过程是：起升机构或变幅机构的驱动电机相当于回收势能发电机，其电压由主控制器检测并和超级电容组的端电压进行比较，若发电机电压高于超级电容组端电压，则主控制器输出一路PWM波通过IGBT驱动电路驱动IGBT，由发电机输出电量直接通过IGBT对超级电容充电；若发电机电压低于超级电容组端电压，则主控制器输出另一路PWM波通过IGBT驱动电路驱动IGBT，由发电机输出电量经过宽范围DC/DC升压控制电路升到高于超级电容端电压后通过IGBT对超级电容充电，其中宽范围DC/DC升压控制电路的升压程度由主控制器控制。当超级电容组端电压达到主控制器设定的安全电压值时，主控制器切断分段充电控制电路中的充电保护电路，超级电容组停止充电，若回转机构没工作，则势能转化的多余电量由起重机的制动系统转换成热量消耗掉。

所述的回转机构的用电结构如图5所示，包括回收势能发电机、超级电容组、主控制器、交流发电机/三相动力电源、变压器、整流器、放电切换电路、混合电源控制电路、回转机构。其工作过程是：当回转机构需要供电时，超级电容组开始放电。由主控制器切换充/放电切换电路方向为放电切换电路，起升、变幅机构若仍仍处于发电状态有电量传输进放电切换电路，则和超级电容组存储的电量合为回收能源，经过放电切换电路与动力电源一起在混合电源控制电路中相叠加后一起驱动回转机构。整个过程回收势能发电机的端电压，超级电容组的端电压，以及交流发电机/三相动力电源经过变压器、整流器的电压状况均由主控制器检测，以此来决定各电源在驱动回转电机中所占比重，当超级电容组端电压低于动力电源时，主控制器切换充电/放电切换电路方向为充电切换电路，超级电容组准备充电，回转机构由动力电源单独供电。

所述混合电源控制电路结构如图6所示，包括交流发电机/三相动力电源、变压器、整流器、主控制器、回收势能发电机、超级电容组、回收能源控制电路、动力电源控制电路、相加电路、回转机构。其工作过程是：主控制器实时检测超级电容组端电压、回收势能发电机端电压和动力电源电压，回收势能发电机输出电量和超级电容组存储电量二者合为回收能源，比较回收能源和动力电源的电压状况来控制回收能源控制电路和动力电源控制电路，相加电路的端电压也经检测送给主控制器，由主控制器控制使相加电路的输出叠加电压正好达到回转机构的驱动电压，其中控制比例以回收能源端电压为主要考虑对象，回收能源的端电压高时，所占供电比例大，回收能源的端电压降低时，供电比例减小，动力电源供电比例增大，直至超级电容组端电压低于动力电源电压时，回转机构完全由动力电源供电。由主控制器控制充/放电切换电路方向为放电切换电路方向变为充电方向，超级电容组在有回收势能后再次开始充电。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的结构作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.轮胎臂架式起重机回转机构的混合动力装置，其特征是由机械机构和控制电路组成，所述机械机构包括起升机构、变幅机构和回转机构三大机构，所述控制电路包括依次相连的主控制器、充/放电切换电路、分段充电控制电路、用电/发电切换电路，以及与充/放电切换电路相连的超级电容组和混合电源控制电路；在控制电路的作用下，将起升机构或变幅机构的势能回收并存储到超级电容中，作为驱动轮胎臂架式起重机回转机构动力电源的辅助能源。

2.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是所述起升机构和变幅机构的工作状态由主控制器检测，当起吊重物或向上运作时，起升机构和变幅机构处于用电状态，由动力电源给驱动电机供电；当向下运作或制动状态时，起升机构和变幅机构处于发电状态，回馈势能使驱动电机发电。

3.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是：所述用电/发电切换电路由主控制器控制，当起升机构和变幅机构处于用电状态时，用电/发电切换电路为用电方向，由动力电源供电；当起升机构和变幅机构处于发电状态时，用电/发电切换电路为发电方向，把驱动电机输出的电量传送给分段充电控制电路。

4.根据权利要求3所述的混合动力装置，其特征是：所述起升机构和变幅机构处于发电状态时，机构的驱动电机相当于回收势能发电机，势能所发电通过用电/发电切换电路传送给分段充电控制电路，主控制器检测比较用电/发电切换电路和超级电容组的端电压后，对分段充电控制电路的升压状态进行分段控制；当用电/发电切换电路的端电压高于超级电容组的端电压时，使充电控制电路不升压；当用电/发电切换电路的端电压接近或低于超级电容组的端电压时，使充电控制电路处于升压状态。

5.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是：所述超级电容组的电压状态由主控制器检测，当超级电容组端电压达到主控制器设定的安全电压值时，主控制器切断分段充电控制电路，超级电容组停止充电，若回转机构不处于工作状态，则势能转化的多余电量由轮胎臂架式起重机的制动系统转换成热量消耗掉。

6.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是：所述回转机构的工作状态由主控制器检测，当回转机构没有工作时，主控制器控制充/放电切换电路方向为充电方向，当回转机构工作需要供电时，主控制器控制充/放电切换电路方向为放电方向，超级电容组开始放电，若此时起升、变幅机构仍处于发电状态，仍有电量输入至分段充电控制电路，但不再对超级电容组充电，而是和超级电容组所存储电源合为回收能源，与动力电源一起为回转机构供电。

7.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是：所述混合电源控制电路由主控制器控制，由回收能源和动力电源一起为回转机构供电，且超级电容组所存储电源在回收能源中起决定作用；主控制器根据超级电容组及回收能源的端电压实时调节回收能源对回转机构的供电比例，随着超级电容组不断放电其端电压逐渐减低，回收能源所占供电比例慢慢减小，动力电源所占供电比例慢慢加大，直至超级电容组端电压低于动力电源时由动力电源单独供电。

8.根据权利要求7所述的混合动力装置，其特征是：所述混合电源控制电路由动力电源控制电路、回收能源控制电路、相加电路组成，包括IGBT驱动电路、IGBT模块、功率或门电路；主控制器对回收能源和动力电源的电压进行检测比较，输出两路PWM波，一路给动力电源控制电路中的IGBT驱动电路，另一路给回收能源控制电路中的IGBT驱动电路，回收能源和动力电源分别作为两个IGBT模块的工作电源，两路PWM波的占空比之和为100%，每一路的占空比决定回收能源和动力电源对回转机构供电所占百分比，再通过功率或门电路使两路供电叠加共同供电。

9.根据权利要求8所述的混合动力装置，其特征是：所述功率或门电路采用ZP 300A螺旋式整流管，IGBT驱动电路由专用驱动模块M57962和光电耦合器4N25组成，IGBT模块采用BSM400GA120DN2。

10.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征是：所述动力电源由轮胎起重机外接的三相动力电源提供，或者由内燃——发电机组提供的自发电电源提供。

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