CN114336698A - 一种基于能量回收的电能源管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于建筑工地施工设备技术领域，提供了一种基于能量回收的电能源管理系统，包括能量回收机构、储能模块、交流电源端、切换开关、检测模块以及电源管理控制器；交流电源端与变频模块相连，用于向负载供电；能量回收机构与储能模块连接，能量回收机构用于将重物下落的下落势能转换成电能，储能模块用于存储转换的电能，并用于向负载供电；检测模块用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据；检测模块电连接电源管理控制器；切换开关用于控制交流电源端或者蓄电池向负载供电；切换开关电连接电源管理控制器；电源管理控制器用于控制切换开关；本系统能够应用于多种场景，以达到错峰用电，节能减排的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工地施工设备技术领域，具体涉及一种基于能量回收的电能源管理系统。
背景技术
塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备，又名“塔式起重机”，用来吊施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料，属于建筑工地上必不可少的施工设备。
为适应施工需求，塔吊的高度一般在百米以上，因此通常被塔吊吊起悬空的重物具有很大的重力势能，如此大的重力势能一方面使如何控制钢丝绳(用于起吊重物用)落下多少米变得困难，另一方面也导致重物难以保持一个平稳缓慢的速度降落；而且还浪费了重物所具有的重力势能。
发明内容
本发明提供一种基于能量回收的电能源管理系统，将该系统用于塔吊可以提供一种能够收集重物的下落势能并作为储备能源，且使重物下落过程更加平稳缓慢的塔吊。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于能量回收的电能源管理系统，所述系统包括能量回收机构、储能模块、交流电源端、切换开关、检测模块以及电源管理控制器；所述储能模块为蓄电池或者超级电容；
所述交流电源端与变频模块相连，用于向负载供电；交流电源端为电网；
所述能量回收机构与储能模块连接，能量回收机构用于将重物下落的下落势能转换成电能，储能模块用于存储转换的电能，并用于向负载供电；
所述检测模块用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据；所述检测模块电连接电源管理控制器；检测模块至少包括两个传感器，两个传感器分别用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据，传感器可以为电压传感器或者电流传感器，电源管理控制器可以为单片机或者电脑；
所述切换开关用于控制交流电源端或者蓄电池向负载供电；所述切换开关电连接电源管理控制器；所述电源管理控制器用于控制切换开关。
当检测模块检测到交流电源端的供电电力电压不足(如用电高峰期，市电的供电电压不足)的信号时，电源管理控制器控制切换开关切换到储能模块供电；当检测模块检测到储能模块内部电压不足时，电源管理控制器切换到交流电源端供电；又或者检测模块检测到储能模块电能充足(如电量在储能模块满电量百分之80以上)时，电源管理控制器优先使用储能模块供电；通过以上操作，可以实现错峰用电，节能减排的目的。
本系统具有多种应用场景，比如建筑施工场所中用到的井字架，又比如用于煤矿的竖井起重机。
进一步地，所述系统用于塔吊，能量回收机构包括能量回收单元、起升电机和收放线组；能量回收单元用于将重物的下放势能或者重物下落过程中减速时的动能转换成电能；
塔吊本体包括塔架与载重小车；
所述塔架上部通过转盘连接有吊臂；
所述吊臂上设有沿其长度方向铺设的轨道；所述载重小车滑动安装在轨道上；
所述收放线组包括绳卷筒与缠绕在绳卷筒上的起重绳，起重绳通常为钢丝绳，所述起升电机的转轴与绳卷筒传动连接，所述起重绳末端设有用于钩挂重物的吊钩；吊臂绕转盘旋转，载重小车沿轨道移动，使吊钩处于重物上方，以便吊钩起升重物。
所述吊臂包括包括相连接的平衡臂和起重臂，且所述平衡臂和所述起重臂分别位于所述塔架的两侧；所述绳卷筒设于平衡臂上，使绳卷筒发挥部分配重作用。
进一步地，所述能量回收单元为连接起升电机的变频器专用型能量回馈单元，变频器专用型能量回馈单元简称能量回馈单元；
当重物落下时，重物通过起重绳带动起升电机转轴转动，起升电机转轴转动产生的电能通过能量回馈单元输入储能单元；节能的同时便于制动。
进一步地，能量回收单元为发电机，所述收放线组与发电机的转子传动连接；在重物下落过程中，所述发电机能够将重物的下放势能转换成电能；所述发电机与储能模块连接，所述储能模块通过切换开关与塔吊上的负载连接；具体的，发电机可以与起重绳传动连接，起重绳移动带动转子旋转，也可以与绳卷筒传动连接，重物落下时，绳卷筒转动带动转子旋转，还可以与收放线组中的定滑轮(定滑轮用于改动起重绳方向使起重绳垂落，也属于收放线组的一部分)传动连接，重物落下时带动定滑轮转动，进而带动转子旋转，此处不作具体限定；以将重物的下落势能转换成电能，并存储于储能模块供用电设备使用。通常情况下，塔吊上的用电设备与市电连接，储能模块作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能模块为用电设备提供电能。
本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能模块中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线。
进一步地，所述绳卷筒的转轴与发电机的转子传动连接；吊钩上钩挂重物，重物落下的过程中带动绳卷筒的转轴旋转，并带动发电机的转子旋转。
进一步地，所述绳卷筒的转轴通过变速齿轮组与发电机的转子传动连接；变速齿轮组用于将从绳卷筒的转轴传递来的低速大力矩，通过一系列齿轮组合变为高速小力矩，传递给发电机的转子，以起到传递力矩的作用；由于绳卷筒的转轴转速可能达不到发电机转子所需要的转速，因此需要通过变速齿轮组增速。
所述变速齿轮组包括互相啮合的主动齿轮与从动齿轮；主动齿轮齿数大于从动齿轮齿数；所述主动齿轮设于绳卷筒的转轴上，所述从动齿轮设于变速齿轮传动轴上，所述变速齿轮传动轴与发电机的转子传动连接；具体的，变速齿轮传动轴一端镂空，棘轮机构设于变速齿轮传动轴的镂空端，发电机的转子与棘轮传动连接；当吊钩上的重物被拉起时，棘轮不向转子传递力矩，以减少起升电机的能量消耗。
进一步地，所述绳卷筒的转轴通过棘轮机构与发电机的转子传动连接；所述棘轮机构用于使绳卷筒的转轴仅能在重物落下时向发电机的转子传递力矩；棘轮只能向一个方向旋转，而不能倒转，当重物落下时传动棘轮使其旋转，棘轮带动发电机转子转动；当重物提起时，绳卷筒的转轴不传递力矩给发电机，以减少起升电机的能量消耗。
进一步地，切换开关包括第一接触器和第二接触器；
所述第一接触器设于交流电源端与负载之间，用于控制市电与负载之间的通断；
所述第二接触器设于储能模块与负载之间，用于控制储能模块与负载之间的通断；
所述电源管理控制器能够控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。
通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能模块作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能模块为用电设备供电。电源管理控制器可以为单片机，单片机中可以设置定时模块，所述电源管理控制器根据定时模块控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。如某天晚上9点到晚上12点是用电高峰期；晚上6点时，单片机接受定时模块的信号控制第一接触器断开，第二接触器闭合，储能模块供电；12点后，单片机接受定时模块的信号控制第二接触器断开，第一接触器闭合；以达到错峰用电，节能减排的目的。
进一步地，所述发电机与储能模块之间设有变流器DC-DC转换器，储能模块与塔吊上用电设备的供电线路之间设有逆变器；如果该发电机为直流发电机，则变流器为DC-DC转换器；如果为交流发电机，则变流器是AC-DC转换器；
变流器用于将发电机转换的电能电压转换成适合储能模块存储的电能电压；
逆变器用于将储能模块的直流电转换成供用电设备使用的交流电。
进一步地，所述电源管理控制器电连接远程监测平台，所述远程监测平台用于与现场电源管理控制器进行数据通信；该远程控制平台可以为手机或者电脑，以实现远程控制。
本发明的有益效果是：
1、本系统可以应用于多种场景，以达到错峰用电，节能减排的目的；
本系统具有多种应用场景，比如建筑施工场所中用到的井字架，又比如用于煤矿的竖井起重机；
能量回收机构用于将重物下落的下落势能转换成电能，储能模块用于存储转换的电能，并用于向负载供电；
当检测模块检测到交流电源端的供电电力电压不足(如用电高峰期，交流电源端的供电不足)的信号时，电源管理控制器控制切换开关切换到储能模块供电；当检测模块检测到储能模块内部电压不足时，电源管理控制器切换到交流电源端供电；又或者检测模块检测到储能模块电能充足(如电量在储能模块满电量百分之80以上)时，电源管理控制器优先使用储能模块供电；通过以上操作，可以实现错峰用电，节能减排的目的。
2、本系统应用于塔吊时，可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能模块中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线；
综上所述，本系统能够应用于多种场景，以达到错峰用电，节能减排的目的；将其用于塔吊时，还能使重物下落更加平稳。
附图说明
图1为一种基于能量回收的电能源管理系统应用至塔吊上时的结构示意图；
图2为绳卷筒与发电机部分的结构示意图；
图3为变速齿轮组与变速齿轮传动轴部分的局部放大图；
图4为一种基于能量回收的电能源管理系统的电路原理拓扑图；
图5为变频模块的示意图。
图中：1、塔架；2、绳卷筒；3、吊钩；4、发电机；5、变速齿轮组；6、棘轮机构；7、变速齿轮传动轴；8、第一接触器；9、第二接触器；11、第一开关；12、第二开关；13、滤波单元；14、整流单元；15、逆变单元。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
(一)一种基于能量回收的电能源管理系统
如图1-图4所示，一种基于能量回收的电能源管理系统，所述系统包括能量回收机构、储能模块、交流电源端、切换开关、检测模块以及电源管理控制器；所述储能模块为蓄电池或者超级电容；
所述交流电源端与变频模块相连，用于向负载供电；交流电源端为电网；
所述能量回收机构与储能模块连接，能量回收机构用于将重物下落的下落势能转换成电能，储能模块用于存储转换的电能，并用于向负载供电；
所述检测模块用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据；所述检测模块电连接电源管理控制器；检测模块至少包括两个传感器，两个传感器分别用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据，传感器可以为电压传感器或者电流传感器，电源管理控制器可以为单片机或者电脑；
所述切换开关用于控制交流电源端或者蓄电池向负载供电；所述切换开关电连接电源管理控制器；所述电源管理控制器用于控制切换开关。
当检测模块检测到交流电源端的供电电力电压不足(如用电高峰期，市电的供电电压不足)的信号时，电源管理控制器控制切换开关切换到储能模块供电；当检测模块检测到储能模块内部电压不足时，电源管理控制器切换到交流电源端供电；又或者检测模块检测到储能模块电能充足(如电量在储能模块满电量百分之80以上)时，电源管理控制器优先使用储能模块供电；通过以上操作，可以实现错峰用电，节能减排的目的。
本系统具有多种应用场景，比如建筑施工场所中用到的井字架，又比如用于煤矿的竖井起重机。
进一步地，所述系统用于塔吊，能量回收机构包括能量回收单元、起升电机和收放线组；能量回收单元用于将重物的下放势能或者重物下落过程中减速时的动能转换成电能；
塔吊本体包括塔架1与载重小车；
所述塔架1上部通过转盘连接有吊臂；
所述吊臂上设有沿其长度方向铺设的轨道；所述载重小车滑动安装在轨道上；
所述收放线组包括绳卷筒2与缠绕在绳卷筒2上的起重绳，起重绳通常为钢丝绳，所述起升电机的转轴与绳卷筒2传动连接，所述起重绳末端设有用于钩挂重物的吊钩3；吊臂绕转盘旋转，载重小车沿轨道移动，使吊钩3处于重物上方，以便吊钩3起升重物。
所述吊臂包括包括相连接的平衡臂和起重臂，且所述平衡臂和所述起重臂分别位于所述塔架1的两侧；所述绳卷筒设于平衡臂上，使绳卷筒发挥部分配重作用。
进一步地，所述能量回收单元为连接起升电机的变频器专用型能量回馈单元，变频器专用型能量回馈单元简称能量回馈单元；
当重物落下时，重物通过起重绳带动起升电机转轴转动，起升电机转轴转动产生的电能通过能量回馈单元输入储能单元；节能的同时便于制动。
进一步地，能量回收单元为发电机，所述收放线组与发电机4的转子传动连接；在重物下落过程中，所述发电机4能够将重物的下放势能转换成电能；所述发电机与储能模块连接，所述储能模块通过切换开关与塔吊上的负载连接；具体的，发电机可以与起重绳传动连接，起重绳移动带动转子旋转，也可以与绳卷筒传动连接，重物落下时，绳卷筒转动带动转子旋转，还可以与收放线组中的定滑轮(定滑轮用于改动起重绳方向使起重绳垂落，也属于收放线组的一部分)传动连接，重物落下时带动定滑轮转动，进而带动转子旋转，此处不作具体限定；以将重物的下落势能转换成电能，并存储于储能模块供用电设备使用。通常情况下，塔吊上的用电设备与市电连接，储能模块作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能模块为用电设备提供电能。
本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能模块中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线。
进一步地，所述绳卷筒的转轴与发电机的转子传动连接；吊钩上钩挂重物，重物落下的过程中带动绳卷筒的转轴旋转，并带动发电机的转子旋转。
进一步地，所述绳卷筒的转轴通过变速齿轮组5与发电机的转子传动连接；变速齿轮组5用于将从绳卷筒的转轴传递来的低速大力矩，通过一系列齿轮组合变为高速小力矩，传递给发电机的转子，以起到传递力矩的作用；由于绳卷筒的转轴转速可能达不到发电机转子所需要的转速，因此需要通过变速齿轮组5增速。
所述变速齿轮组包括互相啮合的主动齿轮与从动齿轮；主动齿轮齿数大于从动齿轮齿数；所述主动齿轮设于绳卷筒的转轴上，所述从动齿轮设于变速齿轮传动轴7上，所述变速齿轮传动轴7与发电机的转子传动连接；具体的，变速齿轮传动轴7一端镂空，棘轮机构设于变速齿轮传动轴的镂空端，发电机的转子与棘轮传动连接；当吊钩上的重物被拉起时，棘轮不向转子传递力矩，以减少起升电机的能量消耗。
进一步地，所述绳卷筒的转轴通过棘轮机构6与发电机的转子传动连接；所述棘轮机构6用于使绳卷筒的转轴仅能在重物落下时向发电机的转子传递力矩；棘轮只能向一个方向旋转，而不能倒转，当重物落下时传动棘轮使其旋转；当重物提起时，绳卷筒的转轴不传递力矩给发电机，以减少起升电机的能量消耗。
进一步地，切换开关包括第一接触器8和第二接触器9；
所述第一接触器8设于交流电源端与负载之间，用于控制市电与负载之间的通断；
所述第二接触器9设于储能模块与负载之间，用于控制储能模块与负载之间的通断；
所述电源管理控制器能够控制第一接触器8和第二接触器9的断开及闭合。
通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能模块作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能模块为用电设备供电。电源管理控制器可以为单片机，单片机中可以设置定时模块，所述电源管理控制器根据定时模块控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。如某天晚上9点到晚上12点是用电高峰期；晚上6点时，单片机接受定时模块的信号控制第一接触器断开，第二接触器闭合，储能模块供电；12点后，单片机接受定时模块的信号控制第二接触器断开，第一接触器闭合；以达到错峰用电，节能减排的目的。
进一步地，所述发电机与储能模块之间设有变流器DC-DC转换器，储能模块与塔吊上用电设备的供电线路之间设有逆变器；如果该发电机为直流发电机，则变流器为DC-DC转换器；如果为交流发电机，则变流器是AC-DC转换器；
变流器用于将发电机转换的电能电压转换成适合储能模块存储的电能电压；
逆变器用于将储能模块的直流电转换成供用电设备使用的交流电。
进一步地，所述电源管理控制器电连接远程监测平台，所述远程监测平台用于与现场电源管理控制器进行数据通信；该远程控制平台可以为手机或者电脑，以实现远程控制。
本发明的具体工作原理：本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能模块中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线。
(二)变频模块
如图5所示，所述变频模块包括整流单元，所述整流单元的输入端与交流电源端相连；用于接收交流电源端输出的交流电，并将所述交流电整流后输出直流电；整流单元可以为三相整流模块或单相整流模块；整流单元的数量可以为一个或者多个，但任意整流单元均通过正、负直流母线连接逆变单元的输入端；整流单元的整流部分可选用三相桥式不可控整流器，也可以选用三相桥式PWM整流器；
逆变单元，所述逆变单元的三相交流输出端用于与负载的三相输入端对应连接，输入端通过正、负直流母线与整流单元输出端连接，用于将直流电逆变向负载输出交流电；同样，逆变单元的数量可以为一个或者多个，且任意逆变单元均通过正、负直流母线连接整流单元的输入端；逆变单元可采用输出为PWM波形的IGBT或IPM三相桥式逆变器的电路结构等；集合整流单元与逆变单元并将两者电连接在一起属于现有技术；
所述整流单元与逆变单元分设于两处，且整流单元与逆变单元通过电缆连接，整流单元位于交流电源端处，逆变单元位于负载处。
这种变频模块可以代替变频器；以塔吊施工为例，原本电网在地表，变频器安装在塔吊上方，从地表电网延伸到上方的变频器之间有R、S、T、零线，PE线五根电缆，以及变频器外壳接地的地线。应用这种变频模块后，从地表整流单元延伸到上方的逆变单元之间只有正、负线两根电缆外加一根地线，相比之前少了两根电缆，所以降低了两根长电缆的成本；另外原本从地面电网延伸到塔吊上方变频器之间的是交流电缆，现在从地面上整流单元连接到塔吊上逆变单元之间的是直流电缆，因为三相交流电整流转成直流电压后会升压，因此在功率相同的情况下直流电缆上通过的电流更小，直流电缆需要的线径更小，因此，之前的三相五线可以变成两相三线，使用中可以缩小电缆线径的型号，进一步降低了电缆成本，并且本系统适用于任何电压等级。
进一步地，所述正、负直流母线上设有用于控制正、负直流母线通断的第一开关11；所述整流单元的三相电源输入线上设有用于控制其通断的第二开关12。
进一步地，还包括滤波单元13，所述滤波单元13设于整流单元与逆变单元之间；用于对整流单元输出的电压进行平滑滤波；滤波单元13为滤波电容。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述系统包括能量回收机构、储能模块、交流电源端、切换开关、检测模块以及电源管理控制器；
所述交流电源端与变频模块相连，用于向负载供电；
所述能量回收机构与储能模块连接，能量回收机构用于将重物下落的下落势能转换成电能，储能模块用于存储转换的电能，并用于向负载供电；
所述检测模块用于检测交流电源端的供电电压数据以及储能模块的的电量数据；所述检测模块电连接电源管理控制器；
所述切换开关用于控制交流电源端或者蓄电池向负载供电；所述切换开关电连接电源管理控制器；所述电源管理控制器用于控制切换开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，能量回收机构包括能量回收单元、起升电机和收放线组；能量回收单元用于将重物的下放势能或者重物下落过程中减速时的动能转换成电能；
所述收放线组包括绳卷筒(2)与缠绕在绳卷筒(2)上的起重绳，所述起升电机的转轴与绳卷筒(2)传动连接，所述起重绳末端设有用于钩挂重物的吊钩(3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述能量回收单元为连接起升电机的能量回馈单元；当重物落下时，重物通过起重绳带动起升电机转轴转动，起升电机转轴转动产生的电能通过能量回馈单元输入储能单元。
4.根据权利要求2所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，能量回收单元为发电机，所述收放线组与发电机(4)的转子传动连接；在重物下落过程中，所述发电机(4)能够将重物的下放势能转换成电能；所述发电机(4)与储能模块连接，所述储能模块通过切换开关与塔吊上的负载连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述绳卷筒(2)的转轴与发电机(4)的转子传动连接；吊钩(3)上钩挂重物，重物落下的过程中带动绳卷筒(2)的转轴旋转，并带动发电机(4)的转子旋转。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述绳卷筒(2)的转轴通过变速齿轮组(5)与发电机(4)的转子传动连接；变速齿轮组(5)用于将从绳卷筒(2)的转轴传递来的低速大力矩，通过一系列齿轮组合变为高速小力矩，传递给发电机(4)的转子。
7.根据权利要求5所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述绳卷筒(2)的转轴通过棘轮机构(6)与发电机(4)的转子传动连接；所述棘轮机构(6)用于使绳卷筒(2)的转轴仅能在重物落下时向发电机(4)的转子传递力矩。
8.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，切换开关包括第一接触器(8)和第二接触器(9)；
所述第一接触器(8)设于交流电源端与负载之间，用于控制交流电源端与负载之间的通断；
所述第二接触器(9)设于储能模块与负载之间，用于控制储能模块与负载之间的通断；
所述电源管理控制器能够控制第一接触器(8)和第二接触器(9)的断开及闭合。
9.根据权利要求4所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述发电机(4)与储能模块之间设有变流器，储能模块与塔吊上用电设备的供电线路之间设有逆变器。
10.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的电能源管理系统，其特征在于，所述电源管理控制器电连接远程监测平台，所述远程监测平台用于与现场电源管理控制器进行数据通信。
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