起重机械节能技术超级电容模块化应用

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摘要:分析了起重机节能技术特点，针对当前超级电容储能的复杂性，提出模块化控制系统，使节能改造更简单。通过门式起重机节能设计实例，测试了节能效果，验证了超级电容模块化技术研究的可行性。

关键词:超级电容；模块化；起重机械；节能系统

引言

起重机械属于高耗能设备，重物在下降过程中，释放大量势能，所以节能空间巨大。回馈电网、蓄电池节能等技术存在不足，会产生谐波污染电网，蓄电池功率小、寿命短，不能承受变频器直流母线上很大的回馈电流。当前多采用超级电容储能设备，由于超级电容能量密度小的特点，储能柜体积很大，造成运输安装不方便［1］。如果要进行老旧设备节能改造，还需增加变频器和DC－DC转换器柜，电气控制室大多空间有限，只能放弃超级电容节能方案。针对现有超级电容器和DC－DC转换器体积大、不便于安装的特点，研究模块化超级电容器，将储能设备与功率转换装置的体积减小，实现一体化控制，安装简单。

1用于起重机械的超级电容模块化设计

1．1起重机功率类型

起重机种类比较多，包括桥式起重机、门式起重机、门座式起重机、塔式起重机等，起重量大小差距很大。不同起重机电机总功率从几千瓦到几百千瓦，要配置节能系统，每次都要单独开发。重物下降时可回收能量为:Q=mgh回收能量大小与起重量和起升高度有关，考虑机械效率，大约能储存80%的势能［2］。因此储能系统需要根据起重量大小和电机功率来选择，型号不同就需要重新配置超级电容器和直流转换器，不能做到标准化生产。

1．2超级电容储能特性

超级电容器近年飞速发展，技术水平日新月异，其原理是利用双电层原理直接储存电能，容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器储存的能量E=0．5×C×V2，与容量C和工作电压V的平方成正比。超级电容器具有动作响应快、功率密度高、循环使用寿命长、无记忆效应、无污染、免维护等优点，是一种非常有应用前景的储能器件［3］。

1．3超级电容器模块化

超级电容器模块是由单体通过金属连接组成，考虑高电压和功率效率，为专门用途而设计。其主要参数主要集中于热管理、单元组装、连接、电子产图1超级电容储能系统图品和电路平衡。在高功率用途中，超级电容的使用可通过许多元件进行串联，从而获得更高的电压，高电压的主要优势是增加能量。超级电容器模块化可以适用不同类型的起重机械，根据功率大小只需要选择模块数量，然后像搭积木一样串联模块，就可以搭建储能系统，如图1。

2超级电容模块充放电控制系统

起重电机通过逆变器与超级电容器间进行能量传动，将DCDC变换器与电容器的监测系统集成化，进一步实现模块化制造。根据电机功率的大小，选择需要并联的电容器数量En，通过外围监测电路，监测母线电压的变化，决定能量的流动方向。原理就是把逆变器与放大电路集成，实现升降压，加入反馈信号实现智能控制［4］。电气原理图如图2。充放电控制系统要实现独立稳定，反馈无延迟，模块化的接口。在试验室反复测试，然后方案修改调整，将储能系统做到安装简便灵活。系统根据母线电压自动调整充放电电流，电流上限与母线电压的关系见图3。当负载下降时，势能转换为电能，母线电压开始升高，当母线电压高于A4．06时，变换器开始对电容充电，充电电流随着母线电压上升而上升，下降的发电功率越大，母线电压越高，充电电流也就越大，充电功率越大。最后负载的发电功率和电容的充电功率相等，达到一个动态平衡。当负载上升时，电能转换为势能，由于内阻和线路阻抗等原因，母线电压会产生一定下降。当母线电压下降到低于A4．05时，DC/DC控制电容对直流母线放电，放电电流随着母线电压下降而上升。上升时的功率越大，母线电压越高，放电电流也就越大，放电功率越大。最后放电功率和变压器输入功率之和等于负载功率，达到平衡。

3起重机械超级电容节能技术应用实例

起重机械是通过电网给三相异步电动机供电后提升重物，变频器调节电动机的输入电压频率，改变重物上升下降的速度。重物下降带动电动机发电，反向电流经过变频器的直流母线，以往是用电阻器发热消耗发电量，现在用超级电容模块收集发出的电量。具体实施方案图如图4。为了验证起重机超级电容模块化技术的节能效果，以中船澄西船舶修造有限公司的一台50t桥式起重机为样机进行测试。测试起升高度为10m，下降势能为W=50×1000×9．8×10=1.36kWh，考虑0.8的机械效率，选择超级电容的储能量为1kWh。超级电容模块的额定电压为54V，额定容量为178F。选择20个模块串并联后，电容柜额定电压540V，额定容量为35．6F，最低放电电压为250V，那么储存能量E=0．5×35．6×(5402－2502)=1.13kWh。系统搭建后，现场吊50t额定载荷进行测试，测试图如图5。用电能表记录充放电量，反复测试得出下降过程超级电容平均储能0.9kWh，上升过程起重机耗电量为1.36kWh÷0.8=1.7kWh，节电率超过50%。

4结论

超级电容模块化生产，便于组装和调试。研究结果证明，组装的超级电容节能系统在起重机上应用后，节能效果明显，系统稳定可靠，使用寿命长。目前存在的问题是，超级电容制造成本较高，对于中小型起重机使用显得昂贵，唯有改善工艺，提高生产规模，才能降低成本。随着国家对节能减排越来越重视，新型节能技术率先在大型起重机上应用推广，国家若能出台一些鼓励政策，推动产业发展，就会带来重大的经济效益。

参考文献

［1］高卫华．集装箱起重机能源回收再生技术的研究［D］．天津:天津大学，2011．

［2］黄晓菲．轮胎式起重机的位能回收及其应用研究［D］．武汉:武汉理工大学，2013．

［3］张治安．超级电容器:材料、系统及应用［M］．北京:机械工业出版社，2014．

［4］王兆安，黄俊．电力电子技术［M］．北京:机械工业出版社，2012．

作者：胡东明 苏文胜 王欣仁 单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院