CN113162109A - 船用起重机能量供给及回收系统及基于其的能量回收与再利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用起重机能量供给及回收系统，包括控制单元、电网、调节型接口模块、调节型电源模块，调节型电源模块连接直流母线，直流母线连接有应急单元、稳压单元和日用单元，应急单元包含第一电机模块，第一电机模块连通提升电机和第一电源管理器，第一电源管理器连通第一电池模块、直流母线和应急开关；稳压单元包括第二电机模块，第二电机模块连通变幅电机和超级电容，超级电容经稳压模块连通直流母线；日用单元包括与直流母线连通的第三电机模块，第三电机模块连接回转电机和第二电源管理器，第二电源管理器连接逆变模块和第二电池模块，逆变模块连通船用日用电源。本发明还公开了基于上述系统的能量回收与再利用方法。
Description
技术领域
本发明涉及起重装备领域，具体来说涉及一种船用起重机能量供给及回收系统及基于其的能量回收与再利用方法。
背景技术
目前，单台船用电动起重机的起重吨位可达400吨以上，其在货物下降或制动作业时，相关驱动电机由电动机转变为发电机，向船用电动起重机电控系统输送逆功，目前常用的解决方案为采用耗能电阻将电机产生的电能消耗掉，如专利CN110601207A和CN209134069U均采用此类方案，虽然可以解决逆功对系统的影响，但严重浪费了电机产生的电能，且会造成船用电动起重机内部环境的温升，影响系统安全。而专利CN209305813U和CN209313512U，将多套船用电动起重机供电装置并联且公用一套储能与制动装置，对电机产生能量进行存储满后再通过制动装置进行消耗，其可一定程度上回收电机产生的电能但仍然会有较大浪费，且存储的能量仅反馈回电网无法做到充分利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能回收船用电动起重机电机逆功产生的能量并充分利用的船用起重机能量供给及回收系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：船用起重机能量供给及回收系统，包括连通船舶所有设备的电网，电网通过电缆与调节型接口模块、调节型电源模块依次连接，调节型电源模块直接连接直流母线，调节型接口模块包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，调节型电源模块的作为升压器工作的受控整流与反馈单元用于产生一个受控的直流母线电压；
直流母线的负载端连接有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含带有整流和逆变综合变频模块的第一电机模块，第一电机模块同时连通和提升电机和第一电源管理器，第一电源管理器同时连通第一电池模块、直流母线和应急开关；
稳压单元包括与直流母线直接连通的带有整流和逆变综合变频模块的第二电机模块，第二电机模块同时连通变幅电机和超级电容，超级电容的输出端经过稳压模块连通直流母线；
日用单元包括与直流母线连通的带有整流和逆变综合变频模块的第三电机模块，第三电机模块连接回转电机和第二电源管理器，第二电源管理器同时连接逆变模块和第二电池模块，逆变模块的输出端直接连通船只日用电源；
还包括控制电网、调节型接口模块、调节型电源模块、应急单元、稳压单元和日用单元的控制单元，应急开关使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种基于上述船用起重机能量回收与再利用方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：基于上述船用起重机能量回收与再利用方法，包括以下步骤：
步骤1，能量回馈：当船用电动起重机的提升电机进行制动或货物处于下降状态时，船用电动起重机的提升电机开始进入发电状态，电能由提升电机输出进入第一电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上；
步骤2，能量传输：直流母线电压升高且电压值超过设定的阈值后，控制单元根据目前电网情况选择能量传输方向：
若此时整个电网的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压及频率和电网电压及频率相同，避免浪涌冲击；
若此时整个电网供能状态良好，无需电能补充，则控制单元操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块中；
步骤3，能量存储：应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块的充电顺序为：首先为应急单元的第一电池模块充电，其次为稳压单元超级电容充电，最后为日用单元的第二电池模块充电；充电方式有两类，包括单元内部充电和直流母线充电：
单元内部充电：如果控制单元经步骤1-2后，判断电网无需补充，则开始向直流母线负载端应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块按序充电，具体如下：
若此时操控应急单元正好为需优先充电单元且提升电机处于发电状态，则提升电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第一电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即第一电池模块充电；
若此时操控应急单元不是需优先充电单元但提升电机处于发电状态，或提升电机处于发电状态但操控应急单元的能量存储模块即第一电池模块已经充满，则发电的提升电机产生的电能经过第一电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电；
步骤4，能量释放：三组储能模块分别适用于不同工况条件，由控制单元根据实际工况选择某一储能模块进行放能，具体如下：
(1)应急供电：第一电池模块中存储的电能用于紧急情况下的使用，包括船用电动起重机自身应急使用以及电网中其他用电设备的应急使用：
当供电的电网出现故障或者直流母线输入端线路发生故障，控制单元直接将起重机提升电机的输出轴以及变幅电机的连接刹车都刹死，并切断起重机提升电机以及变幅电机的供电，以防止船用电动起重机吊装货物时发生意外；然后由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则通过操作使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量，经由直流母线传输至所需用电设备，供其临时工作需要；
当整个电网中其他用船用电动起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器，释放第一电池模块中的能量，经由直流母线，并由控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，以在短时间内维持电网电压的稳定，避免浪涌冲击；
(2)系统稳压：当船用电动起重机系统中用能增加时，控制单元操控稳压模块，将超级电容中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线，维持直流母线电压的稳定，以避免骤增的用电单元使直流母线的电压突然下降而使得各个用电单元受到电压波动的影响；
(3)日用供电：当相应的日用用电设备开启后，控制单元操控第二电源管理器，调用第二电池模块中的电能，经过第二电源管理器，再通过逆变模块将直流电转换成日用电源所需交流电，为日用电源进行供能。
作为一种优选的方案，所述步骤1能量回馈还包括，当船用电动起重机的变幅电机进行制动或吊臂处于下降状态时，船用电动起重机的变幅电机开始进入发电状态，电能由变幅电机输出进入第二电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上。
作为一种优选的方案，所述步骤1能量回馈还包括，当船用电动起重机回转装卸货时由于甲板不水平且塔身向甲板的低方向侧转动时，回转电机进入发电状态，电能由回转电机输出进入第三电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，若此时稳压单元正好为需优先充电单元且变幅电机处于发电状态，则变幅电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第二电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即超级电容充电；
若此时稳压单元不是需优先充电单元但变幅电机处于发电状态，或变幅电机处于发电状态但稳压单元的能量存储模块即超级电容已经充满，则发电的变幅电机产生的电能经过第二电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电。
作为一种优选的方案，所述步骤3中，若此时日用单元正好为需优先充电单元且回转电机处于发电状态，则回转电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第三电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即第二电池模块充电；
若此时日用单元不是需优先充电单元但回转电机处于发电状态，或回转电机处于发电状态但日用单元的能量存储模块即第二电池模块已经充满，则发电的回转电机产生的电能经过第三电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电。
本发明的有益效果是：
1、针对船用电动起重机的应急使用、系统稳压和日用电源耗电，在直流母线负载端设置三种能量存储单元并为其设置优先级，同时根据优先级，按照电机产生能量的多少，分配各个能量存储单元所在支路，使得船用电动起重机逆功产生的能量能被快速回收存储，提高能量回收效率。
2、储能单元的优先级按照船用电动起重机在使用中的紧急程度进行设置，按序为其进行充电，确保船用电动起重机能够在面对突发状况时，能够迅速反应，提高船用电动起重机的使用安全性。
3、充分考虑船用电动起重机使用过程中遇到的各类问题，设置了多种能量再利用方式，使得船用电动起重机回收的能源能够得到充分的使用，提高能源再利用率。
附图说明
图1是本发明的能量回收再利用控制系统框图。
图2是本发明的能量回收再利用系统操作流程图
图中：1-电网，2-调节型接口模块，3-调节型电源模块，4-直流母线，5-第一电机模块，6-提升电机，7-第一电源管理器，8-第一电池模块，9-应急开关，10-第二电机模块，11-变幅电机，12-超级电容，13-稳压模块，14-第三电机模块，15-回转电机，16-第二电源管理器，17-第二电池模块，18-逆变模块，19-日用电源。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1所示，本发明的船用起重机能量供给及回收系统，包括连通船舶所有设备的电网1，电网1通过电缆与调节型接口模块2、调节型电源模块3依次连接，调节型电源模块3直接连接直流母线4，调节型接口模块2包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，调节型电源模块3的作为升压器工作的受控整流与反馈单元用于产生一个受控的直流母线电压；
直流母线4的负载端连接有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含第一电机模块5，第一电机模块5同时连通和提升电机6和第一电源管理器7，第一电源管理器7同时连通第一电池模块8、直流母线4和应急开关9；
稳压单元包括与直流母线4直接连通的第二电机模块10，第二电机模块10同时连通变幅电机11和超级电容12，超级电容12的输出端经过稳压模块13连通直流母线4；
日用单元的第三电机模块14连接回转电机15和第二电源管理器16，第二电源管理器16同时连接逆变模块18和第二电池模块17，逆变模块18的输出端直接连通船只日用电源19；
还包括控制电网1、调节型接口模块2、调节型电源模块3、应急单元、稳压单元和日用单元的控制单元20。
如图2所示，基于上述系统的船用起重机能量回收与再利用方法，包括以下步骤：
步骤1，能量回馈：当船用电动起重机的提升电机6进行制动或货物处于下降状态时，船用电动起重机的提升电机6开始进入发电状态，电能由提升电机6输出进入第一电机模块5进行整流成直流电，然后传输至直流母线4上；
步骤2，能量传输：直流母线4电压升高且电压值超过设定的阈值后，控制单元根据目前电网1情况选择能量传输方向：
若此时整个电网1的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元将调节型电源模块3切换至逆变状态向电网1回馈电能，调节型接口模块2和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网1电压频率相同，避免浪涌冲击；
若此时整个电网1供能状态良好，无需电能补充，则控制单元操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块中；
步骤3，能量存储：应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块的充电顺序为：首先为应急单元的第一电池模块8充电，其次为稳压单元超级电容12充电，最后为日用单元的第二电池模块17充电；充电方式有两类，包括单元内部充电和直流母线4充电：
单元内部充电：如果控制单元经步骤1-2后，判断电网1无需补充，则开始向直流母线4负载端应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块按序充电；
若此时提升电机6、变幅电机11、回转电机15三个中发电的电机恰好为需优先充电单元内的电机，则电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第一电机模块5或第二电机模块10或第三电机模块14转换成直流电，为该单元内的相对应的能量存储模块即第一电池模块8或超级电容12或第二电池模块17充电；
直流母线4充电：若此时提升电机6、变幅电机11、回转电机15三个中发电的电机并非需优先充电单元内的电机，或发电的电机所在单元的能量存储模块已经充满，则发电的电机产生的电能经过所在单元相应的电机模块转换成直流电先传输至直流母线4上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块5或第二电机模块10或第三电机模块14为其储能模块即第一电池模块8或超级电容12或第二电池模块17进行充电；
步骤4，能量释放：三组储能模块分别适用于不同工况条件，由控制单元根据实际工况选择某一储能模块进行放能，具体如下：
(1)应急供电：第一电池模块8中存储的电能用于紧急情况下的使用，包括船用电动起重机自身应急使用以及电网1中其他用电设备的应急使用：
供电的电网1出现故障或者直流母线4输入端线路发生故障，控制单元直接将起重机提升电机6的输出轴与减速机之间的连接刹车刹死，并切断起重机提升电机6的供电，以防止船用电动起重机吊装货物时发生意外；然后由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则通过操作使得控制单元操控第一电源管理器7释放第一电池模块8的能量，经由直流母线4传输至所需用电设备，供其临时工作需要；
当整个电网1中其他用船用电动起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网1电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器7，释放第一电池模块8中的能量，经由直流母线4，并由控制单元将调节型电源模块3切换至逆变状态向电网1回馈电能，调节型接口模块2和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网1电压频率相同，以在短时间内维持电网1电压的稳定，避免浪涌冲击；
(2)系统稳压：当船用电动起重机系统中用能增加时，控制单元操控稳压模块13，将超级电容12中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线4，维持直流母线4电压的稳定，以避免骤增的用电单元使直流母线4的电压突然下降而使得各个用电单元受到电压波动的影响；
(3)日用供电：当相应的设备开启后，控制单元操控第二电源管理器16，调用第二电池模块17中的电能，经过第二电源管理器16，再通过逆变模块18将直流电转换成日用电源19所需交流电，为日用电源19进行供能。
本发明前述的能量回馈利用方案，不仅可以保护电网1与船用电动起重机的用电稳定与安全，并且经由试验实际测量验证，相较于传统电阻耗能的方式，还可有效节省能源损耗约24％。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.船用起重机能量供给及回收系统，包括连通船舶所有设备的电网，其特征在于：所述电网通过电缆与调节型接口模块、调节型电源模块依次连接，调节型电源模块直接连接直流母线，调节型接口模块包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，调节型电源模块的作为升压器工作的受控整流与反馈单元用于产生一个受控的直流母线电压；
直流母线的负载端连接有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含带有整流和逆变综合变频模块的第一电机模块，第一电机模块同时连通和提升电机和第一电源管理器，第一电源管理器同时连通第一电池模块、直流母线和应急开关；
稳压单元包括与直流母线直接连通的带有整流和逆变综合变频模块的第二电机模块，第二电机模块同时连通变幅电机和超级电容，超级电容的输出端经过稳压模块连通直流母线；
日用单元包括与直流母线连通的带有整流和逆变综合变频模块的第三电机模块，第三电机模块连接回转电机和第二电源管理器，第二电源管理器同时连接逆变模块和第二电池模块，逆变模块的输出端直接连通船只日用电源；
还包括控制电网、调节型接口模块、调节型电源模块、应急单元、稳压单元和日用单元的控制单元，应急开关使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量。
2.基于如权利要求1所述船用起重机能量供给及回收系统的船用起重机能量回收与再利用方法，包括以下步骤：
步骤1，能量回馈：当船用电动起重机的提升电机进行制动或货物处于下降状态时，船用电动起重机的提升电机开始进入发电状态，电能由提升电机输出进入第一电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上；
步骤2，能量传输：直流母线电压升高且电压值超过设定的阈值后，控制单元根据目前电网情况选择能量传输方向：
若此时整个电网的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压及频率和电网电压及频率相同，避免浪涌冲击；
若此时整个电网供能状态良好，无需电能补充，则控制单元操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块中；
步骤3，能量存储：应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块的充电顺序为：首先为应急单元的第一电池模块充电，其次为稳压单元超级电容充电，最后为日用单元的第二电池模块充电；充电方式有两类，包括单元内部充电和直流母线充电：
单元内部充电：如果控制单元经步骤1-2后，判断电网无需补充，则开始向直流母线负载端应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块按序充电，具体如下：
若此时操控应急单元正好为需优先充电单元且提升电机处于发电状态，则提升电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第一电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即第一电池模块充电；
若此时操控应急单元不是需优先充电单元但提升电机处于发电状态，或提升电机处于发电状态但操控应急单元的能量存储模块即第一电池模块已经充满，则发电的提升电机产生的电能经过第一电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电；
步骤4，能量释放：三组储能模块分别适用于不同工况条件，由控制单元根据实际工况选择某一储能模块进行放能，具体如下：
(1)应急供电：第一电池模块中存储的电能用于紧急情况下的使用，包括船用电动起重机自身应急使用以及电网中其他用电设备的应急使用：
当供电的电网出现故障或者直流母线输入端线路发生故障，控制单元直接将起重机提升电机的输出轴以及变幅电机的连接刹车都刹死，并切断起重机提升电机以及变幅电机的供电，以防止船用电动起重机吊装货物时发生意外；然后由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则通过操作使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量，经由直流母线传输至所需用电设备，供其临时工作需要；
当整个电网中其他用船用电动起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器，释放第一电池模块中的能量，经由直流母线，并由控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，以在短时间内维持电网电压的稳定，避免浪涌冲击；
(2)系统稳压：当船用电动起重机系统中用能增加时，控制单元操控稳压模块，将超级电容中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线，维持直流母线电压的稳定，以避免骤增的用电单元使直流母线的电压突然下降而使得各个用电单元受到电压波动的影响；
(3)日用供电：当相应的日用用电设备开启后，控制单元操控第二电源管理器，调用第二电池模块中的电能，经过第二电源管理器，再通过逆变模块将直流电转换成日用电源所需交流电，为日用电源进行供能。
3.如权利要求2所述船用电动起重机的能量回收与再利用方法，其特征在于：所述步骤1能量回馈还包括，当船用电动起重机的变幅电机进行制动或吊臂处于下降状态时，船用电动起重机的变幅电机开始进入发电状态，电能由变幅电机输出进入第二电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上。
4.如权利要求3所述船用电动起重机的能量回收与再利用方法，其特征在于：所述步骤1能量回馈还包括，当船用电动起重机回转装卸货时由于甲板不水平且塔身向甲板的低方向侧转动时，回转电机进入发电状态，电能由回转电机输出进入第三电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上。
5.如权利要求3所述船用电动起重机的能量回收与再利用方法，其特征在于：所述步骤3中，若此时稳压单元正好为需优先充电单元且变幅电机处于发电状态，则变幅电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第二电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即超级电容充电；
若此时稳压单元不是需优先充电单元但变幅电机处于发电状态，或变幅电机处于发电状态但稳压单元的能量存储模块即超级电容已经充满，则发电的变幅电机产生的电能经过第二电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电。
6.如权利要求4所述船用电动起重机的能量回收与再利用方法，其特征在于：所述步骤3中，若此时日用单元正好为需优先充电单元且回转电机处于发电状态，则回转电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第三电机模块转换成直流电，为该需优先充电单元内的相对应的能量存储模块即第二电池模块充电；
若此时日用单元不是需优先充电单元但回转电机处于发电状态，或回转电机处于发电状态但日用单元的能量存储模块即第二电池模块已充满，则发电的回转电机产生的电能经过第三电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电。
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