CN200944575Y - 直流母线供电的起重机动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流母线供电的起重机动力系统，包括发电机组，供配电系统，变频系统，以及调速电机。供配电系统含有大功率整流装置，直流母线和能量管理单元。直流母线上并联有直流储能装置，能同时给变频系统供电。变频系统包括数台连接在直流母线上的逆变器。调速电机为起升电机、大车电机、小车电机等。起升电机在起吊物下降时，转换为发电机模式，再生电能贮存于储能装置中。能量管理单元根据系统负荷变化控制发电机组的运转速度及发电量，实现输出功率与负载功率实时匹配。该系统的优点是发电机组的额定功率约为常规配置的1/2，且发动机组非定速运行，能节省大量燃油，减少废气排放50％以上，降低运行成本。

Description

直流母线供电的起重机动力系统

技术领域

本实用新型涉及起重机技术领域，尤其是涉及起重设备的动力系统的改进。适用于港口、码头等区域的带有发电机组的重型起重机，主要用于大中型港口吊机，特别适用于龙门起重机。

背景技术

目前港口用带有发电机组的移动式重型起重机，一般的动力系统配置是采用大功率内燃发电机组定速(工频)发电模式，发出三相交流电，通过供配电系统传送到各用电负载，供应给不同变频器驱动的提升电机、大车电机和小车电机，以及其它辅助用电设备。其原理如图1所示，变频器通过AC/DC/AC二次转换。

常规起重机的供动力系统，采用工频发电机组发电，并通过交流母线，将电能传输到各个用电设备的输入接口。由于起重机的用电设备多，负载变化大，发电机组的装机容量一定要大于用电设备的总的舜时功率，同时发电机不管负荷轻重一直以恒速运转，因此发电机油耗很高。

由于三相交流电机的起动电流较大，一般为电机正常工作额定电流的3倍。在起重机上，耗电量最大的又是提升电机，其功率甚至高达数百千瓦。因此发电机组装机容量的，往往不小于起重机的所有电动机的功率总和。但电动机的起动时间很短，因此发动机组在正常工作状态，绝大多数时间处于大马拉小车的轻载状态，实际工作效率非常低。发电机组每天的耗油量非常惊人，同时也造成了大量的废气排放和严重的环境污染。

由于工频发电条件限制，即使在负载非常小的情况下，发电机组也要按额定转速运转来维持供电频率的稳定性。见附图3，发电机组随着输出功率的变化，经常处在比较低的燃油效率区间内工作。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，为了弥补现有技术中起重机动力系统的发动机组工作效率低的缺陷，而提供一种运行成本低的起重机动力系统。

本实用新型为解决上述技术问题而采用如下的技术方案：

直流母线供电的起重机动力系统，包括安装在起重机上的发电机组，与发电机组输出端连接的供配电系统，从供配电系统获取电能的变频系统，以及变频系统驱动的调速电机。其主要特点是，所述供配电系统含有将发电机组输出的交流电变换为直流电的大功率整流装置，向变频系统传输电能的直流母线和控制发电机组输出功率的能量管理单元。当起重机负载较小时，能量管理单元自动调整发电机组转速，降低输出功率直至达到平衡状态。所述供配电系统的直流母线上并联有存储电能的直流储能装置；当负荷增加时，能量管理单元自动调整发电机组输出功率与储能装置同时通过直流母线给变频系统供电。

该起重机动力系统用直流母线代替传统起重机上的交流母线，通过大功率整流装置整流，实行直流母线供电。在直流母线上并联储能装置，各负载电动机通过配套的逆变器从直流母线获取电能。并采用能量管理单元根据系统负荷变化控制发电机组的运转速度及发电量，实现输出功率与负载功率实时匹配。

所述直流储能装置为大容量蓄电池组，或超级电容器组。所述发电机组为向供配电系统输出电能的变速变功率不定频的同步或异步交流发电机组，或效率更高的永磁发电机组。所述供配电系统的能量管理单元包含有采集系统参数的信号采样电路，中央控制电路；中央控制电路根据信号采样电路采集的系统参数，按照设定的程序控制发电机组的励磁和转速。所述变频系统包括一台以上直接连接在直流母线上，把从供配电系统获取的电压稳定的直流电转化为电压、频率可调的交流电，满足调速电机平滑调速目的逆变器。所述调速电机为逆变器驱动的起升电机、大车电机和小车电机。

当起重机的负载较大，起重机用电设备消耗的舜时功率，大于发电机组向供配电系统输出的功率时，并联在直流母线上的蓄电池组或超级电容器组与发电机组一起通过变频器向负载供电。因此本动力系统配备的发电机组的功率，可以小于起重机负载的总的舜时功率。当起重机的负载较小，储能装置存储的电能接近饱和时，发电机组的输出功率迅速下降，甚至低速或怠速运转。

起升电机在起吊物下降时，起升电机转换为发电机模式，起吊物的势能经起升电机转换为电能。起升电机的逆变器含有的整流回馈单元将发电机模式下的再生电能转换为电压稳定的直流电，提供给直流母线，并贮存于并联在直流母线的储能装置中。

直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的发电、整流装置为系统提供一定功率的直流电能，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统的电机工作在电动状态时，逆变器从直流母线上获取电能。逆变器把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的。当系统的电机工作在发电状态时，逆变器的整流回馈单元通过直流母线将电机的再生电能，直接回馈给供配电系统，或者储存在并联在直流母线上的直流储能装置中。

与现有的起重机的动力系统相比较，实用本实用新型技术方案的优点是：

1.当起重机的负载为大功率状态时，起重机的发电机组和直流储能装置同时为负载提供电能。即发电机组输出功率加上直流储能装置的功率等于起重机的最大输出功率。因此发电机组的额定功率可以配置得很小，减少至常规起重机发电机组功率的1/2，能节省大量燃油，减少废气排放50％以上，降低起重机的运行成本，具有非常显著的经济效益。

2.直流母线技术应用于多电机传动的起重机动力系统中，电机的反馈能量可以被利用，在电机减速、制动过程中产生的再生能源被回馈直流母线，系统用电效率非常高。

3.发电机组工作转速可以根据起重机的负载变化而自动调整，实现输出功率与负载功率实时匹配，当负载比较小时，发电机组处在低速或怠速状态下，如附图3所示，可以在不太低的燃油效率区间内工作，也有利于减少排放，取得好的节能效果。

4.采用直流母线动力系统的起重机，设备结构紧凑，工作稳定。省去制动电阻等外围设备，节约能源，提高设备运行可靠性，节省了设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控制水平。

附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1为现有的起重机动力系统的原理示意图。

图2为本实用新型直流母线供电的起重机动力系统的逻辑方框图。

图3为起重机动力系统的发电机组等效率曲线图和等功率曲线图。

图4为本实用新型直流母线供电的起重机动力系统的原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型的实施例。

图2为本实用新型直流母线供电的起重机动力系统的逻辑方框图，包括安装在起重机上的发电机组2，连接在发电机组输出端的供配电系统3，从供配电系统3获取电能的变频系统4，和变频系统4驱动的调速电机5，以及与供配电系统3双向连接的直流储能装置6。

本实用新型直流母线供电的起重机动力系统，工作原理如图4所示。其中发电机组2由柴油发动机21和异步交流发电机22组成，连接在交流发电机22输出端的供配电系统3含有整流装置31、直流母线32和能量管理单元33。驱动起升电机51、大车电机52、小车电机53和其它负载54的起升逆变器41、大车逆变器42、小车逆变器43和辅助逆变器44。所有逆变器均挂接在直流母线32上，构成一个直流母线调速系统。

直流母线32上并联有可以存储电能的直流储能装置6，该储能装置6为大容量蓄电池组或超级电容器组。发电机组2通过整流装置31，向直接连接在直流母线32上的逆变器供电。逆变器把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足多台电机平滑调速的目的。这些调速电机5均工作在频繁起动和制动状态，且要求具有良好的调速性能。

在起重机的正常实用状态，当起升电机51在起吊物下降时，起升电机51转换为发电模式。起升逆变器41内的整流回馈单元，将发电模式下的再生电能转换为电压稳定的直流电能，回送到直流母线32供其它用电设备实用，或者储存在并联在直流母线32上的储能装置6中。当起重机的负荷增大时，储能装置6贮存的电能就返回到直流母线32上，与发电机组发出的电能共同提供给起重机负载实用。

起重机的多台调速电机始终工作在频繁的启动、制动状态，属于恒力矩负载，并有不规则的负载冲击，制动占空比高，对调速装置提出了较高的制动要求。特别是起升电机在起吊物下降时，负载惯性大，从电机大量反馈回直流环节的能量将抬高直流电压。处理反馈能量的方法有许多中，最理想的是把电机能量反馈回直流母线。这种动力系统不但性能好，运行效率很高，而且经济节能。该系统技术含量高，运行稳定，设备维护量大大减小。

起重机的直流母线动力系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，发电机组2和直流储能装置6保证了直流母线32电压的稳定供给。逆变器的整流回馈单元又将电机5再生能量回馈给直流母线32，实现了再生能源的合理利用。

本实用新型的实施例可以直接选用大规模生产价格低廉的客车用欧3排放发动机，选用的交流发电机的额定功率约为300千瓦。起升高度20米，起升速度23米/秒。起升电机220千瓦，大车电机50千瓦，小车电机50千瓦，其他负载累计不足50千瓦。消耗电功率最大的是起升电机51，当起吊的货柜往下放时，起升电机51转为发电模式，货柜的势能经起吊电机转换为电能，经整流回馈单元转为直流电能贮存在储能装置6中；当起吊货柜时，储能装置6与发电机组2同时供电给起升电机51。

在有能量反馈的负载一般实用逆变器驱动都需增加反馈装置或制动电阻，否则无法顺利实用。采用反馈交流母线的方式，其投入成本高。采用制动电阻因为反馈能量大，消耗功率很大，是较不经济的方法。把负载惯量产生的电能再生利用，也是本系统关键技术。

利用本实用新型专利技术，最大的特点是，系统所采用的内燃机的输出功率，一般要比同级别采用交流母线的起重机动力系统的发电机组的内燃机输出功率小50％以上，加之发动机的运行工况非定速，即发电机组不必工作在固定的频率下，是一种变频发电装置，能让内燃机在比较高的燃油效率的转速区间，故排放显著降低。可以将常规吊装机的油耗减少50％，同时能大幅度地减少发动机的废气排放，可以减少80％的废气污染。大幅度地降低运行费用，降低了生产成本和维修费用，经济效益非常显著，因此具有很高的推广价值。

Claims (10)

1.直流母线供电的起重机动力系统，包括安装在起重机上的发电机组(2)，与发电机组(2)输出端连接的供配电系统(3)，从供配电系统(3)获取电能的变频系统(4)，以及变频系统(4)驱动的调速电机(5)；其特征在于：所述供配电系统(3)含有将发电机组(2)输出的交流电变换为直流电的大功率整流装置(31)，向变频系统(4)传输电能的直流母线(32)和控制发电机组(2)输出功率的能量管理单元(33)。

2.根据权利要求1所述的起重机动力系统，其特征在于：所述供配电系统(3)的直流母线(32)上并联有存储电能的并可与发电机组(2)同时通过直流母线(32)给变频系统(4)供电的直流储能装置(6)。

3.根据权利要求2所述的起重机动力系统，其特征在于：所述直流储能装置(6)为大容量蓄电池组或超级电容器组。

4.根据权利要求2所述的起重机动力系统，其特征在于：所述发电机组(2)为向供配电系统(3)提供电能的不定频的同步或异步交流发电机组或永磁发电机组。

5.根据权利要求2所述的起重机动力系统，其特征在于：所述供配电系统(3)的能量管理单元(33)包含有采集系统参数的信号采样电路，根据信号采样电路采集的系统参数按照设定程序控制发电机组(2)的励磁和转速的中央控制电路。

6.根据权利要求2所述的起重机动力系统，其特征在于：所述变频系统(4)包括一台以上连接在直流母线(32)上，把从供配电系统(3)获取的电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，满足调速电机(5)平滑调速目的的逆变器。

7.根据权利要求6所述的起重机动力系统，其特征在于：所述调速电机(5)为逆变器驱动的起升电机(51)、大车电机(52)和小车电机(53)。

8.根据权利要求7所述的起重机动力系统，其特征在于：所述起升电机(51)为工作在降落起吊物状态时能转换为发电机模式的电机。

9.根据权利要求8所述的起重机动力系统，其特征在于：所述变频系统(4)的逆变器包含有将发电机模式下的再生电能转换为电压稳定的直流电，通过直流母线(32)贮存于并联在直流母线(32)上的储能装置(6)的整流回馈单元。

10.根据权利要求6所述的起重机动力系统，其特征在于：变频系统(4)还包括连接在直流母线(32)上，为其他负载(54)提供工频交流电的辅助逆变器(44)。

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