起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)超級(jí)電容模塊化應(yīng)用

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摘要:分析了起重機(jī)節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前超級(jí)電容儲(chǔ)能的復(fù)雜性，提出模塊化控制系統(tǒng)，使節(jié)能改造更簡(jiǎn)單。通過(guò)門(mén)式起重機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)例，測(cè)試了節(jié)能效果，驗(yàn)證了超級(jí)電容模塊化技術(shù)研究的可行性。

關(guān)鍵詞:超級(jí)電容；模塊化；起重機(jī)械；節(jié)能系統(tǒng)

引言

起重機(jī)械屬于高耗能設(shè)備，重物在下降過(guò)程中，釋放大量勢(shì)能，所以節(jié)能空間巨大?；仞侂娋W(wǎng)、蓄電池節(jié)能等技術(shù)存在不足，會(huì)產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，蓄電池功率小、壽命短，不能承受變頻器直流母線(xiàn)上很大的回饋電流。當(dāng)前多采用超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備，由于超級(jí)電容能量密度小的特點(diǎn)，儲(chǔ)能柜體積很大，造成運(yùn)輸安裝不方便［1］。如果要進(jìn)行老舊設(shè)備節(jié)能改造，還需增加變頻器和DC－DC轉(zhuǎn)換器柜，電氣控制室大多空間有限，只能放棄超級(jí)電容節(jié)能方案。針對(duì)現(xiàn)有超級(jí)電容器和DC－DC轉(zhuǎn)換器體積大、不便于安裝的特點(diǎn)，研究模塊化超級(jí)電容器，將儲(chǔ)能設(shè)備與功率轉(zhuǎn)換裝置的體積減小，實(shí)現(xiàn)一體化控制，安裝簡(jiǎn)單。

1用于起重機(jī)械的超級(jí)電容模塊化設(shè)計(jì)

1．1起重機(jī)功率類(lèi)型

起重機(jī)種類(lèi)比較多，包括橋式起重機(jī)、門(mén)式起重機(jī)、門(mén)座式起重機(jī)、塔式起重機(jī)等，起重量大小差距很大。不同起重機(jī)電機(jī)總功率從幾千瓦到幾百千瓦，要配置節(jié)能系統(tǒng)，每次都要單獨(dú)開(kāi)發(fā)。重物下降時(shí)可回收能量為:Q=mgh回收能量大小與起重量和起升高度有關(guān)，考慮機(jī)械效率，大約能儲(chǔ)存80%的勢(shì)能［2］。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)需要根據(jù)起重量大小和電機(jī)功率來(lái)選擇，型號(hào)不同就需要重新配置超級(jí)電容器和直流轉(zhuǎn)換器，不能做到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

1．2超級(jí)電容儲(chǔ)能特性

超級(jí)電容器近年飛速發(fā)展，技術(shù)水平日新月異，其原理是利用雙電層原理直接儲(chǔ)存電能，容量可達(dá)數(shù)萬(wàn)法拉，是介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量E=0．5×C×V2，與容量C和工作電壓V的平方成正比。超級(jí)電容器具有動(dòng)作響應(yīng)快、功率密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有應(yīng)用前景的儲(chǔ)能器件［3］。

1．3超級(jí)電容器模塊化

超級(jí)電容器模塊是由單體通過(guò)金屬連接組成，考慮高電壓和功率效率，為專(zhuān)門(mén)用途而設(shè)計(jì)。其主要參數(shù)主要集中于熱管理、單元組裝、連接、電子產(chǎn)圖1超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)圖品和電路平衡。在高功率用途中，超級(jí)電容的使用可通過(guò)許多元件進(jìn)行串聯(lián)，從而獲得更高的電壓，高電壓的主要優(yōu)勢(shì)是增加能量。超級(jí)電容器模塊化可以適用不同類(lèi)型的起重機(jī)械，根據(jù)功率大小只需要選擇模塊數(shù)量，然后像搭積木一樣串聯(lián)模塊，就可以搭建儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖1。

2超級(jí)電容模塊充放電控制系統(tǒng)

起重電機(jī)通過(guò)逆變器與超級(jí)電容器間進(jìn)行能量傳動(dòng)，將DCDC變換器與電容器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模塊化制造。根據(jù)電機(jī)功率的大小，選擇需要并聯(lián)的電容器數(shù)量En，通過(guò)外圍監(jiān)測(cè)電路，監(jiān)測(cè)母線(xiàn)電壓的變化，決定能量的流動(dòng)方向。原理就是把逆變器與放大電路集成，實(shí)現(xiàn)升降壓，加入反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)智能控制［4］。電氣原理圖如圖2。充放電控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立穩(wěn)定，反饋無(wú)延遲，模塊化的接口。在試驗(yàn)室反復(fù)測(cè)試，然后方案修改調(diào)整，將儲(chǔ)能系統(tǒng)做到安裝簡(jiǎn)便靈活。系統(tǒng)根據(jù)母線(xiàn)電壓自動(dòng)調(diào)整充放電電流，電流上限與母線(xiàn)電壓的關(guān)系見(jiàn)圖3。當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，母線(xiàn)電壓開(kāi)始升高，當(dāng)母線(xiàn)電壓高于A4．06時(shí)，變換器開(kāi)始對(duì)電容充電，充電電流隨著母線(xiàn)電壓上升而上升，下降的發(fā)電功率越大，母線(xiàn)電壓越高，充電電流也就越大，充電功率越大。最后負(fù)載的發(fā)電功率和電容的充電功率相等，達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)負(fù)載上升時(shí)，電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，由于內(nèi)阻和線(xiàn)路阻抗等原因，母線(xiàn)電壓會(huì)產(chǎn)生一定下降。當(dāng)母線(xiàn)電壓下降到低于A4．05時(shí)，DC/DC控制電容對(duì)直流母線(xiàn)放電，放電電流隨著母線(xiàn)電壓下降而上升。上升時(shí)的功率越大，母線(xiàn)電壓越高，放電電流也就越大，放電功率越大。最后放電功率和變壓器輸入功率之和等于負(fù)載功率，達(dá)到平衡。

3起重機(jī)械超級(jí)電容節(jié)能技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

起重機(jī)械是通過(guò)電網(wǎng)給三相異步電動(dòng)機(jī)供電后提升重物，變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓頻率，改變重物上升下降的速度。重物下降帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，反向電流經(jīng)過(guò)變頻器的直流母線(xiàn)，以往是用電阻器發(fā)熱消耗發(fā)電量，現(xiàn)在用超級(jí)電容模塊收集發(fā)出的電量。具體實(shí)施方案圖如圖4。為了驗(yàn)證起重機(jī)超級(jí)電容模塊化技術(shù)的節(jié)能效果，以中船澄西船舶修造有限公司的一臺(tái)50t橋式起重機(jī)為樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試起升高度為10m，下降勢(shì)能為W=50×1000×9．8×10=1.36kWh，考慮0.8的機(jī)械效率，選擇超級(jí)電容的儲(chǔ)能量為1kWh。超級(jí)電容模塊的額定電壓為54V，額定容量為178F。選擇20個(gè)模塊串并聯(lián)后，電容柜額定電壓540V，額定容量為35．6F，最低放電電壓為250V，那么儲(chǔ)存能量E=0．5×35．6×(5402－2502)=1.13kWh。系統(tǒng)搭建后，現(xiàn)場(chǎng)吊50t額定載荷進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試圖如圖5。用電能表記錄充放電量，反復(fù)測(cè)試得出下降過(guò)程超級(jí)電容平均儲(chǔ)能0.9kWh，上升過(guò)程起重機(jī)耗電量為1.36kWh÷0.8=1.7kWh，節(jié)電率超過(guò)50%。

4結(jié)論

超級(jí)電容模塊化生產(chǎn)，便于組裝和調(diào)試。研究結(jié)果證明，組裝的超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)在起重機(jī)上應(yīng)用后，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。目前存在的問(wèn)題是，超級(jí)電容制造成本較高，對(duì)于中小型起重機(jī)使用顯得昂貴，唯有改善工藝，提高生產(chǎn)規(guī)模，才能降低成本。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排越來(lái)越重視，新型節(jié)能技術(shù)率先在大型起重機(jī)上應(yīng)用推廣，國(guó)家若能出臺(tái)一些鼓勵(lì)政策，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

［1］高衛(wèi)華．集裝箱起重機(jī)能源回收再生技術(shù)的研究［D］．天津:天津大學(xué)，2011．

［2］黃曉菲．輪胎式起重機(jī)的位能回收及其應(yīng)用研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2013．

［3］張治安．超級(jí)電容器:材料、系統(tǒng)及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014．

［4］王兆安，黃俊．電力電子技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

作者：胡東明 蘇文勝 王欣仁 單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院