CN1807219A - 轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种轮胎式龙门集装箱起重机节能控制系统，在起重机空闲时，控制柴油机—发电机组停机，利用一储能装置为起重机的辅助系统供电，其包括：监控单元(10)、充电器(20)、超级电容(30)、电容监控模块(32)和逆变器(40)。监控单元判定起重机处于空闲状态而发出充电信号，电容监控模块接收该充电信号而发出一充电启动信号，控制充电器对超级电容充电；监控单元检测到超级电容电压充足电后控制柴油机—发电机组停机或怠速，使用超级电容为起重机的辅助系统供电，由逆变器将超级电容的直流电转换为交流电供给辅助系统。该节能控制系统使RTG在待机状态可关闭柴油机—发电机组实现间歇式工作，整台RTG节油率可达40％以上。

Description

轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统
技术领域
本发明涉及一种轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统。
背景技术
随着当前世界油价不断攀高，市场燃油供应也呈现日趋紧张的趋势。与此同时，世界市场国际贸易量越来越大，使得从事集装箱货运的港口码头的数量和规模也越来越大，相应地燃油费用在码头的运营成本中所占比重也越来越大，从统计数据来看，轮胎式龙门集装箱起重机(简称RTG)的柴油消耗费用占了相当大的比重。现场统计表明，RTG的工作时间中，在堆场上的有效作业时间不超过50％，其他时间处于待机状态，此时机上的辅助系统，包括司机室的空调、IT、照明和插座，电气房的空调、IT、照明；小车架投光灯、整机步道灯等设备的电源供应必须保持，所以柴油机—发电机组不能停机。但此时柴油机—发电机组负载很小，柴油机—发电机组以很大的功率供应电能需求小的辅助系统，所以很大一部分燃油是浪费的，虽然增加一小型的辅助柴油机—发电机组可以解决待机时辅助系统电源供应，但小柴油机的油耗仍很可观。
发明内容
本发明为解决上述技术问题而提供一种轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其在起重机空闲时，可以控制柴油机—发电机组停机，并利用一储能装置为起重机的辅助系统供电，实现了RTG柴油机—发电机组的间歇式工作。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，包括：
超级电容，当柴油机—发电机组停机时，利用柴油机—发电机组运行期间储存的能量为起重机的辅助系统供电；
逆变器，连接在所述超级电容与所述辅助系统之间，将超级电容的直流电转换为交流电供给所述辅助系统；
电容监控模块，其接收一充电信号或检测到所述超级电容电压低于一第一预设值而发出一充电启动信号；
充电器，由柴油机—发电机组供电，接收所述充电启动信号而对所述超级电容充电；
监控单元，判定所述起重机处于空闲状态而发出所述充电信号给所述电容监控模块，并在检测到超级电容充足电后，控制柴油机—发电机组停机或怠速；当柴油机—发电机组停机或怠速后，所述监控单元在检测到超级电容电压低于所述第一预设值时控制所述柴油机—发电机组启动或全速。
所述监控单元可响应一空闲信号而判定所述起重机处于空闲状态，所述空闲信号由设于所述起重机操控面板上的一节能按钮发出；所述监控单元还可判断所述起重机的操控手柄在一预定时间内无动作而判定所述起重机处于空闲状态。
除了可检测到超级电容电压低于所述第一预设值时控制所述柴油机—发电机组启动或全速外，所述监控单元还可响应一恢复信号而控制柴油机—发电机组启动或全速运行，所述恢复信号由设于所述起重机操控面板上的一恢复按钮发出。
所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统还包括一静态开关，所述超级电容和所述柴油机—发电机组通过所述静态开关与所述逆变器连接，所述静态开关由所述监控单元控制；当超级电容或柴油机—发电机组其中之一不能供电时，所述静态开关切换至柴油机—发电机组或超级电容供电。所述静态开关由一切换继电器和并联在其常闭接点上的一双向可控硅构成，所述切换继电器和双向可控硅由所述监控单元控制。辅助系统由所述超级电容和所述柴油机—发电机组轮换供电，当二者之一出现故障时，切换至另一个供电；所述切换也可由人为操作完成。
所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统还包括一第一接触器，所述超级电容通过所述第一接触器与所述充电器连接，所述第一接触器由所述电容监控模块控制。所述电容监控模块由柴油机—发电机组供电，当所述电容监控模块得到柴油机—发电机组供电时检测超级电容电压高于一第二预设值而使所述第一接触器闭合，所述电容监控模块失去柴油机—发电机组供电时使所述第一接触器断开。通过断开第一接触器，保护超级电容不致放电过低。
所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统还包括一第二接触器，所述超级电容通过所述第二接触器与所述逆变器连接，所述第二接触器由所述第一接触器和一设于所述监控单元内的一自锁开关控制；所述第一接触器和/或自锁开关闭合时，所述第二接触器闭合。所述自锁开关由所述监控单元控制，当所述监控单元检测到所述第二接触器吸合时，使所述自锁开关闭合，当所述监控单元检测到所述超级电容电压低于一第三预设值时，使所述自锁开关断开。
本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统工作流程如下：当RTG的柴油机—发电机组启动运行后，电容监控模块得电工作，超级电容的电压超过第二预设值，电容监控模块使第一接触器吸合，从而使第二接触器吸合，逆变器得电后，向RTG的辅助系统在线供电。当RTG处于待机状态时，RTG操作司机可以按下上述的节能开关而使节能控制系统进入节能模式，也可以由节能控制系统判断当前RTG所处的状态，例如判断操控手柄处于若干分钟无动作，从而自动进入节能模式；在节能模式中，监控单元发出充电信号给电容监控模块，电容监控模块再发出充电启动信号给充电器对超级电容充电，监控单元通过检测电压的方式判断超级电容充满电后，监控单元控制柴油发电机至停机或怠速状态。通过逆变器，把超级电容里储存的直流电转换为稳定的交流工作电源，提供给辅助系统使用。
在柴油机—发电机组发电情况下，当超级电容电压低于所述第一预设值，电容监控模块直接发出充电启动信号，使充电器对超级电容充电，直至到超级电容电能充足，电容监控模块停止发出充电启动信号，超级电容继续供电给辅助系统使用，如此循环。
当在节能模式下，当超级电容电压低于所述第一预设值或者当司机需要工作而按下恢复开关时，监控单元自动把柴油机—发电机组启动至正常工作转速，监控单元发出充电信号给电容监控模块，电容监控模块再发充电启动信号给充电器对超级电容充电。
本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统利用超级电容中储存的电能为RTG上的辅助系统电源供电，使RTG在待机状态可以关闭柴油机—发电机组实现间歇式工作，达到节能效果。节能试验统计数据显示，使用本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统后，整台RTG的节油率可达40％以上。
附图说明
以下结合附图说明本发明具体实施方式，其中：
图1是本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统一个实施例的原理图。
图2是本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统一个实施例的操控面板示意图；
图3是图1所示实施例的静态开关结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统的原理图。该节能控制系统包括监控单元10、充电器20、超级电容30、电容监控模块32以及逆变器40。监控单元10与起重机操控面板200以及柴油机—发电机组300连接，它经由输入口IN1、IN2和IN3接收操控面板200(请参阅图2所示)的控制信息，其中IN1(AUTO)是操控手柄210动作信息输入，IN2(MANUAL)是节能按钮220输入，IN3(RESTART)是恢复按钮230输入。监控单元10通过操控面板200判断起重机是否处于空闲状态，经由输出口OUT1(STOP)和OUT3(START)控制柴油机—发电机组300停止和启动，经由输出口OUT2(IDLE/FULL)控制柴油机—发电机组300全速或怠速(全速的一半速度)运行，经由输出口OUT5(CHARGE)发出充电信号给电容监控模块32。虽然在图1示出监控单元10和逆变器40一同设于一电源逆变器400中，但是监控单元10可设于电源逆变器400之外的其他地方。监控单元10可由单片机、PLC(可编程控制器)或其他控制器件构成。
超级电容30作为系统中的储能装置，在绝大部分时间内为起重机的辅助系统500供电，除非逆变器40出现问题，改由柴油机—发电机组300直接为辅助系统500供电。但这并不作为本发明的限制，超级电容30可以仅在柴油机—发电机组停机期间为辅助系统500供电。超级电容(super capacitor，ultracapacitor)是近几年出现的一种新型储能元件，它与电解电容或者电池的结构非常相似，主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容器里采用双层电原理及多孔化活性炭技术，可提供非常大的表面面积。表面面积大且电极间隔仅纳米级，使超级电容具有很高的能量密度。超级电容器的功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、循环寿命长的特点，适合本发明中需要反复快速充放电的场合。在本实施例中，超级电容30由许多个电容串并联组成，单个电容的电容量可达10,0000F。
在供电过程中，超级电容30的电压不应低于一最低电压，在此称之为第二预设值，在本实施例中，该第二预设值是460VDC。当超级电容30的电压高于此第二预设值，就可对辅助系统供电。在一种情况中，当超级电容30放电至电压低于一第一预设值时，就应对其充电以保护超级电容30，该第一预设值比第二预设值高，以便给系统一定的反应时间(柴油机—发电机组的启动时间)。这可以根据具体情形调整，本实施例中第一预设值为500VDC。在另一种情况中，起重机停止工作(例如下班)，柴油机—发电机组300已经关闭，此时如果超级电容30电压低于一第三预设值480VDC，则系统控制超级电容30与充电器20以及逆变器40均断开，以保护超级电容30不再放电，这将在以下说明中描述。
超级电容30通过一接触器C5与充电器20连接，通过一接触器C6与逆变器40连接。接触器C5作为本系统的第一接触器，接触器C6作为本系统的第二接触器。
电容监控模块32由柴油机—发电机组300供电，与超级电容连接，用于检测电容电压，并根据电容电压值发出或停止发出充电启动信号，控制充电器20的充电；电容监控模块32还与监控单元10的OUT5(CHARGE)口连接，用于接收监控单元10发出的充电信号，以发出充电启动信号。电容监控模块32并控制接触器C5的开和闭，以保护超级电容。当柴油机—发电机组300启动或全速时，该电容监控模块32得电，在确保超级电容30电压高于第二预设值时使接触器C5闭合；当柴油机—发电机组300停机或怠速时，该电容监控模块32失电，使接触器C5断开超级电容30与充电器20的连接。该电容监控模块32可由PLC构成。
充电器20包括一变压器21和一恒流充电增压装置22串联构成。充电器20由柴油机—发电机组300供电，其接收电容监控模块32的充电启动信号而对超级电容30充电直至充满，在本实施例中，超级电容30的电压达到760VDC，则认为电容已充满。
逆变器40的直流输入端经过接触器C6与超级电容30的两端连接，该接触器C6受监控单元10的输出口OUT4(SELF CUT)与接触器C5的共同控制，如图1所示。输出口OUT4为自锁开关，当输出口OUT4闭合时，或者接触器C5闭合时，接触器C6得电闭合，以下说明书将会描述这部分工作原理。逆变器40将超级电容30的直流电转换为220V、50Hz的交流电供给辅助系统500。辅助系统500中包括以下负载：司机室的1个空调、IT、照明和插座等；电气房的1个空调、IT、照明；小车架4个投光灯，整机步道灯。
逆变器40、柴油机—发电机组300与辅助系统500之间串联了一静态开关C2。请参阅图3所示，静态开关C2包括一切换继电器JD和一双向可控硅S1。其中双向可控硅S1并联在切换继电器JD的常闭接点上。切换继电器JD由监控单元10发出的JK-CTL信号控制，双向可控硅S1由监控单元10发出的CR-CTL信号控制。柴油机—发电机组300连接在切换继电器JD的常闭接点1上，逆变器40连接在切换继电器JD的常开接点2上。
当监控单元10检测逆变正常后，开启逆变器40，同时柴油机—发电机组300跟踪柴油机—发电机组300提供的交流电的频率、相位、电压。一旦完成锁相等切换条件后即发控制信号JK-CTL，使得切换继电器JD的常闭接点1断开，继而常开接点2接通。由于继电器存在动作时间，因此CR-CTL延时一定时间后才关闭，这样就无间断地实现从“旁路工作状态”(即柴油机—发电机组300供电)到“逆变模式”(即逆变器40供电)的切换动作，这个切换的延迟还远不到1ms。在RTG工作的大部分时间内，监控单元10使常开接点2接通，使逆变器40与辅助系统500连接。当出现逆变器40故障、输出过载情况时，监控单元10发出CR-CTL控制信号，立即使得双向可控硅S1导通，同时发出JK-CTL信号使得切换继电器JD的常开接点2断开，常闭接点1点接通，实现“旁路工作状态”到“逆变模式”的切换，这个切换的延迟小于3ms。
当然，在需要实现以上切换时，也可通过操控面板300上的按钮，发出信号令监控单元10执行。
逆变器40输出端采用工频变压器41隔离，有效提高其抗干扰性能及抗负载冲击能力。逆变器40的输入端可以装接触器BREAK1、BREAK2，需要时将超级电容30与逆变器40隔离开。
以下详细描述本发明轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统的工作流程：
在起重机处于正常工作时，柴油机—发电机组300全速工作，电容监控模块32得电工作，作为保护，其确保超级电容30电压值高于第二预设值(460V)而使接触器C5导通，接触器C6受接触器C5控制而导通；逆变器40得电，监控单元10接触器C6导通自锁开关OUT4导通，使接触器C6处于自锁状态，即使接触器C5断开，接触器C6仍然导通。监控单元10同时控制静态开关C2使逆变器40与辅助系统500连接；因此超级电容30中的直流电经过逆变器40转换后变为稳定可靠的交流电源供给辅助系统500。当电容监控模块32检测到电容30电压值低于第一预设值(500V)时，发出充电启动信号，充电器20对超级电容30充电直至充满后，超级电容30继续放电工作，如此循环。
当司机按下节能按钮220，或者若干分钟不操控手柄210时，监控单元10检测由节能按钮220发出的空闲信号，或者判断操控手柄210处于若干分钟无动作，从而自动进入节能模式；在节能模式中，监控单元10发出充电信号给电容监控模块32，从而电容监控模块32发出充电启动信号使充电器20对超级电容30充电，监控单元10检测到电容充满(即电压达到760V)使柴油机—发电机组300停机。此时，电容监控模块32已失电，接触器C5已断开，但C6通过其自锁开关OUT4(SELF-CUT)还是吸合着，系统通过逆变器40，把超级电容30里储存的直流电转换为稳定的220V、50Hz交流工作电源，提供给辅助系统500使用。
当监控单元10检测到超级电容30的电压低于第一预设值(500V)时，自动把柴油机—发电机组300启动至全速，同时当电容监控模块32检测到电容30电压值低于第一预设值(500V)或接收到监控单元10发出的OUT5(CHARGE)信号时，发出充电启动信号，通过充电器20给超级电容30充电，监控单元10检测到电容充满(即电压达到760V)使柴油机—发电机组300停机，如此循环。当监控单元10接收到由恢复按钮230发出的恢复信号时，控制柴油机—发电机组300快速启动全速运行，或者由怠速进入全速运行，回到正常模式工作。
通过上述的过程，可以使柴油机—发电机组300间歇工作，达到节能效果。
在工作过程中，还会出现由于操作人员关闭起重机而强制使柴油机—发电机组300停止工作，此时，由于柴油机—发电机组300停机，所以电容监控模块32失电断开接触器C5，而此时接触器C6仍闭合，超级电容30可能仍处于继续放电状态。因此当监控单元10检测到电容电压值低于第三预设值(480V)时使自锁开关OUT4断开，接触器C6断开，使超级电容30与逆变器40断开，保护超级电容30不致放电过低。在下次初始化时，由于超级电容30电压仍然高于第二预设值(460V)，因此可使接触器C5闭合，重新工作。

Claims (10)

1.一种轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，在起重机空闲时，控制柴油机-发电机组停机，并利用一储能装置为起重机的辅助系统做在线供电，所述节能控制系统包括：
超级电容，当柴油机-发电机组停机时，利用柴油机-发电机组运行期间储存的能量为起重机的辅助系统供电；
逆变器，连接在所述超级电容与所述辅助系统之间，将超级电容的直流电转换为交流电供给所述辅助系统；
电容监控模块，其接收一充电信号或检测到所述超级电容电压低于一第一预设值而发出一充电启动信号；
充电器，由柴油机-发电机组供电，接收所述充电启动信号而对所述超级电容充电；
监控单元，判定所述起重机处于空闲状态而发出所述充电信号给所述电容监控模块，并在检测到超级电容充足电后，控制柴油机-发电机组停机或怠速；当柴油机-发电机组停机或怠速后，所述监控单元在检测到超级电容电压低于所述第一预设值时控制所述柴油机-发电机组启动或全速。
2.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述监控单元响应一空闲信号而判定所述起重机处于空闲状态，所述空闲信号由设于所述起重机操控面板上的一节能按钮发出。
3.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述监控单元判断所述起重机的操控手柄在一预定时间内无动作而判定所述起重机处于空闲状态，发出所述充电信号。
4.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述监控单元响应一恢复信号而控制柴油机-发电机组启动或全速运行，所述恢复信号由设于所述起重机操控面板上的一恢复按钮发出。
5.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，还包括一静态开关，所述超级电容和所述柴油机-发电机组通过所述静态开关与所述逆变器连接，所述静态开关由所述监控单元控制；当超级电容或柴油机-发电机组其中之一不能供电时，所述静态开关切换至柴油机-发电机组或超级电容供电。
6.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述静态开关由一切换继电器和并联在其常闭接点上的一双向可控硅构成，所述切换继电器和双向可控硅由所述监控单元控制。
7.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，还包括一第一接触器，所述超级电容通过所述第一接触器与所述充电器连接，所述第一接触器由所述电容监控模块控制。
8.如权利要求7所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述电容监控模块由柴油机-发电机组供电；所述电容监控模块得到供电时检测超级电容电压高于一第二预设值而使所述第一接触器闭合，所述电容监控模块失去供电时使所述第一接触器断开。
9.如权利要求1所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，还包括一第二接触器，所述超级电容通过所述第二接触器与所述逆变器连接，所述第二接触器由所述第一接触器和一设于所述监控单元内的一自锁开关控制；所述第一接触器和/或自锁开关闭合时，所述第二接触器闭合。
10.如权利要求9所述的轮胎式龙门集装箱起重机的节能控制系统，其特征在于，所述监控单元检测到所述第二接触器吸合而使所述自锁开关闭合，所述监控单元检测到所述超级电容电压低于一第三预设值而使所述自锁开关断开。
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