CN1240607C - 利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，它包括起升机构、小车机构和大车机构，由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置，转换成直流电源DC，DC电源通过交流变频器中的变频装置，将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源AC，用于驱动起升、大车或者小车机构。将超级电容并联在DC电源总线上，利用DC总线监测电压变化范围，在电压上升时充电，在电压下降时放电，随着超级电容不断放电，其端电压下降，DC总线电压跟着下降，当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，柴油发电机组开始参与供电。当工作机构处于再生反馈状态时，机构将能量反馈到DC总线上，使超级电容不断吸收电能。本发明利用大容量超级电容器，可以短周期大电流充电和放电，在起动时能迅速大电流放电，下降时能迅速大电流充电，将能量吸收，起到节能环保的作用。

Description

利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机
技术领域
本发明涉及轮胎式龙门集装箱起重机，特别涉及一种利用超级电容器作为缓冲动力源，能大容量放电和充电的节能环保新型轮胎式龙门集装箱起重机。
背景技术
轮胎式龙门集装箱起重机(Rubber Tyred Gantry Container Crane，简称RTG)作为码头堆场集装箱的主要装卸机械，其主要特点是频繁地将40～50吨重的集装箱上升和下降、起动和制动。在短短2～3秒钟内完成起动和制动，需要很大的功率。如此巨大的负荷变化，给轮胎式龙门集装箱起重机的设计制造和运行维护等方面带来了下列一些不利情况：
1.促使轮胎式龙门集装箱起重机(RTG)装机容量变得很大。由于轮胎式龙门集装箱起重机这种短时间大功率的运行要求，轮胎式龙门集装箱起重机的机组容量需要比整机的静态功率大一倍。举例来说，一台起升满载速度为20米/分钟、空载45米/分钟的轮胎式龙门集装箱起重机，其马达功率为起升160KW，小车25KW，静态功率只有185KW左右，而它为了适应轮胎式龙门集装箱起重机的频繁起动和制动，其动态总功率要求达到285KW，从而使柴油发电机组的功率比轮胎式龙门集装箱起重机大部分时间的运行功率(静态功率)足足大了2/3左右。如果起动时间变短，则机组容量甚至比静态容量大一倍。所以在起动时，柴油机必须加大油门，快速大量供油，由此导致柴油机噪声增大，燃烧不完全，并排放黑烟，造成环境污染，同时增加了油耗，还增加了营运成本。
2.轮胎式龙门集装箱起重机能量不能有效利用。在起升机构下降过程和其他机构的制动过程中，各机构会反馈大量的能量。由于轮胎式龙门集装箱起重机的电力***是独立的，它没有同其他地面***的有效联接，因此机构反馈能量只能白白消耗在RTG必备的大量的能耗电阻上。电阻发热消耗，浪费能源，也增加了整机的热污染。
3.整机运行不够平稳，冲击大。由于整机频繁地起动和制动，对机组的负荷冲击很大，不但会产生严重的冒黑烟现象，整机的电力***也波动很大，容易造成电器设备的损坏，并对机器和附近的通讯***产生一定的干扰。
4.阻碍了轮胎式龙门集装箱起重机的发展。随着轮胎式龙门集装箱起重机的技术指标如额定负荷、速度等技术指标的不断加大，机组的功率变得很大，机组选型也愈发困难，这已经逐渐影响到轮胎式龙门集装箱起重机的进一步发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的任务是提供一种新的利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，它利用一组大容量超级电容器作为缓冲动力源，能快速大电流充电和放电，以达到节能和环保的目的。
本发明的技术方案如下：
一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，它的工作机构有起升机构、小车机构和大车机构，起升机构在起升时耗电，由柴油发电机组供给，下降时其势能转换成电能反馈给轮胎式龙门集装箱起重机，小车机构和大车机构在驱动和运行时耗电，在制动时反馈电能给轮胎式龙门集装箱起重机；
由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置，转换成直流电源DC，DC电源通过交流变频器中的变频装置，将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源AC，用于驱动起升、大车或者小车机构；
将超级电容并联在DC电源总线上，利用DC总线监测电压变化范围，在电压上升时充电，在电压下降时放电，随着超级电容不断放电，其端电压下降，DC总线电压跟着下降，当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，柴油发电机组开始参与供电，在制动时反馈电能给超级电容，超级电容不断得到反馈的能量的充电，又不断地释放电能；
当轮胎式龙门集装箱起重机的工作机构处于再生反馈状态时，机构将能量反馈到DC总线上，DC总线电压在电压变化范围内逐步上升，使超级电容不断吸收电能；
当DC电压由工作机构电机再生反馈电能引起上升时，超级电容进入充电状态，随着超级电容不断充电，其端电压上升，DC总线电压跟着上升，所有机构的反馈能量都被超级电容吸收。
本发明的轮胎式龙门集装箱起重机利用一组大容量超级电容器，将它并联在交流变频器的直流母线上，可以快速大电流充电和放电，在轮胎式龙门集装箱起重机驱动耗电时能迅速大电流放电，而在再生反馈发电时能迅速大电流充电，将能量吸收。
从理论上说，各机构需要的能量和反馈给电容的能量是相等的(如果效率不计时)，因此，利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机所配置的柴油发电机组功率可大大减少，油耗减少，经济性好，柴油机组不受冲击，运转平稳，可降低噪声，降低排放，不冒黑烟，达到好的环保效果，故又称作环保型轮胎式龙门集装箱起重机。
在轮胎式龙门集装箱起重机的起升机构上升和下降全过程中以及其他机构的起动和制动过程中，利用超级电容给驱动***大容量充放电，既能够有效储存起升机构下降而反馈的能量以及大车和小车机构的制动能量，又能在起升机构上升和其他机构运行时进行放电，尤其是减小了各机构特别是起升机构频繁加减速给轮胎式龙门集装箱起重机电力***造成的冲击。
采用超级电容的优点是：使传统的轮胎式龙门集装箱起重机的制动电阻失去了存在的意义而将其取消；超级电容保存了所有机构反馈的能量，使超级电容充电，避免了被原有制动电阻的发热消耗，达到了节能的目的。
本发明的节能环保新型轮胎式龙门集装箱起重机能有效减小轮胎式龙门集装箱起重机动力源(柴油发电机组)的装机容量，减少机组造成的“三废”污染和对环境的“热污染”，并能够省去传统轮胎式龙门集装箱起重机必备的能耗电阻，大大改善轮胎式龙门集装箱起重机电力***的平稳运行，其环保效果显著，社会效益和经济效益明显提高。
具体地说，本发明具有如下优点：
1.减小机组对环境的污染，达到环保的目的。具体体现在下列三个方面：
第一，由于使用了超级电容，使得机组容量减小，机组发生的各种油耗、噪声及热量等大为减小。
第二，由于超级电容补偿了起升机构上升时对能量的需求，使得机组能够平稳运行，而不会发生传统轮胎式龙门集装箱起重机在上升起动时的功率调整过程以及在该调整过程中所产生的各种废气、废油和噪声污染，彻底消除了柴油机在上升加速时的冒黑烟现象，并大大降低了柴油机的噪声。
第三，由于超级电容在起升下降时的储能作用，使下降时起升机构的反馈能量得到储存，而不需要制动电阻将大量下降的能量通过电阻发热消耗，因此不会对环境造成热污染。
2.保存了起升机构下降及大车和小车机构制动时的能量，起到了节能的作用。传统的轮胎式龙门集装箱起重机由于不存在储能元件，在起升机构下降或者大车和小车机构制动时，对轮胎式龙门集装箱起重机产生的反馈能量都被安装在起重机上的耗能电阻消耗，由此浪费了能源。采用了超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，就可利用超级电容的大能量存放特点，保存此能量，然后再由轮胎式龙门集装箱起重机驱动时消耗，达到节能的目的。
3.减小了轮胎式龙门集装箱起重机的装机容量。由于超级电容能够在起升机构上升的加速时间内，补充大部分电流给直流电源母排，减小了起升机构对机组的功率要求，从而在设计时可以比传统轮胎式龙门集装箱起重机减小机组功率选择，以节约用户开支。
4.采用节能环保新型的轮胎式龙门集装箱起重机有利于轮胎式龙门集装箱起重机的发展。由于应用了超级电容，因此能够克服轮胎式龙门集装箱起重机发展过程中存在的受机组容量限制这个因素，进而有利于制造商和用户发展更大容量、更高速度的轮胎式龙门集装箱起重机。
附图说明
图1是本发明的一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机的电气***配置示意图。
图2是图1起重机的超级电容供电原理图。
图3是图1起重机的超级电容储能原理图。
图4是图1起重机的超级电容监测回路示意图。
具体实施方式
轮胎式龙门集装箱起重机是用于集装箱码头堆场的一种专用集装箱装卸设备，它是无固定轨道的流动机械，利用本身的柴油发电机组发电，供起重机上的用电设备使用。轮胎式龙门集装箱起重机的供电***与码头地面电力***完全隔离。一台轮胎式龙门集装箱起重机通常有三个主要动作机构，分别是起升机构、小车机构和大车机构。起升机构是起重机的主要机构，功率通常在200KW以上，用于提升或者下放集装箱，提升时起升机构耗电，由柴油发电机组供给，下降时因集装箱下放，其势能将转换成电能反馈给起重机，通常此能量在200KW左右。小车机构和大车机构是用于平面移动(前后或者左右)集装箱的机构，功率相对较小，在驱动和运行时耗电，但在制动时也反馈电能给起重机。在实际工作中，轮胎式龙门集装箱起重机工作基本上可分两种状态：驱动状态——此时各机构消耗柴油发电机组能量，再生反馈状态——此时各机构反馈给起重机能量，传统的轮胎式龙门集装箱起重机都由制动电阻消耗此能量。
本发明的一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机的主要工作机构有起升机构、小车机构和大车机构。起升机构在起升时耗电，由柴油发电机组供给，下降时其势能转换成电能反馈给轮胎式龙门集装箱起重机，小车机构和大车机构在驱动和运行时耗电，在制动时反馈电能给轮胎式龙门集装箱起重机。
参看图1，本发明的轮胎式龙门集装箱起重机采用交流变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置，整流成直流电源DC，挂在DC母排上，并将一组超级电容并联在DC母排上。
由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置，转换成直流电源DC，此电源电压在450～715V范围内变化。DC电源通过交流变频器中的变频装置(6个IGBT组合桥)，将DC电源转换成频率和电压可控的AC电源，用于驱动起升、大车或者小车机构。
如图1所示，将超级电容并联在DC电源总线上，利用DC总线监测电压变化范围，在电压上升时充电，在电压下降时放电，这样就利用了超级电容的大电流充放电的特性。超级电容并联在DC总线上，能随时自动检测轮胎式龙门集装箱起重机的能量使用情况。当机构处于驱动状态，从DC总线上汲取功率时，DC总线电压产生下降趋势。因为超级电容的内阻远小于发电机内阻，故超级电容会首先供电给DC总线，以维持总线电压。当驱动机构继续工作时，随着超级电容的不断放电，其端电压逐步下降，表现为DC总线电压下降。只有当此DC电压下降到小于发电机组电源的整流电压后，才会逐步用到柴油发电机组的电能。也就是说，当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，柴油发电机组才开始参与供电。
参看图2，超级电容并联在DC总线上，自动监测DC电压。如果DC电压不发生变化，则超级电容处于准备状态，不工作。当发现DC电压下降时(由驱动电机耗电引起)，超级电容进行供电，此时其供电电流大小自动根据负荷电流大小决定。随着超级电容不断放电，其端电压会下降，DC总线电压跟着下降。当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，机组也开始参与供电。如此这般，超级电容储存能量越多，则释放越多，机组的耗能也就越小，从而减小由于起重机突然增加负荷而对机组产生的影响，并在负荷稳定的情况下参与供电，减小了机组的负荷。
参看图3，当轮胎式龙门集装箱起重机的工作机构处于再生反馈状态时，机构会将能量反馈到DC总线上，此刻DC总线电压会在变化范围内逐步上升，超级电容将发挥短时间大功率储存能量的特性，使超级电容不断地吸收电能。
超级电容并联在DC总线上，自动监测DC电压。如果DC电压不发生变化，则超级电容处于准备状态，不工作。当发现DC电压上升时(由工作机构电机再生反馈电能引起)，超级电容进入充电状态，此时其充电电流大小自动根据反馈能量大小决定。随着超级电容不断充电，其端电压会上升，DC总线电压跟着上升。由于轮胎式龙门集装箱起重机配置的超级电容容量很大，故所有机构的反馈能量都将被超级电容吸收。
为了使超级电容稳定可靠运行，本发明的轮胎式龙门集装箱起重机的电气***配置中，还设置了超级电容的监测回路。
参看图4，在超级电容两端连接监测模块，监测模块对超级电容的电压和电容电流进行监测。在超级电容两端还并联开关K1、K2和充电电阻，组成超级电容充放电限制回路。当轮胎式龙门集装箱起重机由于停机过长或其他原因等使超级电容电压过低、充放电电流过小时，将接通开关K1，关闭开关K2，使超级电容通过柴油发电机组的整流装置进行充电。为了避免充电电流过大而造成对柴油发电机组的冲击，开关K1回路串联了限流电阻R，使充电电流得到限制。当监测模块监测到超级电容电压正常，充电电流在正常范围时，K1断开，同时K2闭合，使超级电容进入正常工作状态。
本发明所利用的超级电容在轮胎式龙门集装箱起重机的全部工作过程中是不断地进行快速充电和快速放电。超级电容的充放电是物理变化，而不是化学变化，因而它不同于蓄电池，对环境无污染，其寿命也相当长。
考虑到超级电容的不同特性，本发明的轮胎式龙门集装箱起重机混用了下列两种不同特性的超级电容：
第一种是牵引型电容，其特点是充放电电流较小，但电流稳定。典型的牵引型电容数据如下：
1.组件，采用每10个单体为一组件，组件指标如下：
    静电容量：                100000F
    允许最高充电电压：        17V
    工作电压范围内的储存能量：266Wh
    内阻：                    5mΩ
2.450个组件组合：
    容量：                    222F
    工作电压范围：            720～360V
    允许最高充电电压：        760V
    工作电压范围内的储存能量：12KWh
    内阻：                    0.225Ω
第二种是启动型超级电容，其特点是充放电电流特别大，时间短，但持续力较小，负荷时间长，其充放电的能力就很小。典型的启动型电容数据如下：
1.组件
    静电容量：                2600F
    工作电压：                28V
2. 450个组件组合
    容量：                    100F
    工作电压范围：            720～460V
    允许最高充电电压：        840V
    工作电压范围内的储存能量：3.5KWh
    内阻：                    0.1Ω

Claims (3)

1.一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，它的工作机构有起升机构、小车机构和大车机构，起升机构在起升时耗电，由柴油发电机组供给，下降时其势能转换成电能反馈给轮胎式龙门集装箱起重机，小车机构和大车机构在驱动和运行时耗电，在制动时反馈电能给轮胎式龙门集装箱起重机；
其特征在于，由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置，转换成直流电源DC，DC电源通过交流变频器中的变频装置，将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源AC，用于驱动起升、大车或者小车机构；
将超级电容并联在DC电源总线上，利用DC总线监测电压变化范围，在电压上升时充电，在电压下降时放电，随着超级电容不断放电，其端电压下降，DC总线电压跟着下降，当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时，柴油发电机组开始参与供电，在制动时反馈电能给超级电容，超级电容不断得到反馈的能量的充电，又不断地释放电能；
当轮胎式龙门集装箱起重机的工作机构处于再生反馈状态时，机构将能量反馈到DC总线上，DC总线电压在电压变化范围内逐步上升，使超级电容不断吸收电能；
当DC电压由工作机构电机再生反馈电能引起上升时，超级电容进入充电状态，随着超级电容不断充电，其端电压上升，DC总线电压跟着上升，所有机构的反馈能量都被超级电容吸收。
2.根据权利要求1所述的利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，其特征在于，在超级电容两端连接监测模块，监测模块对超级电容的电压和电容电流进行监测；在超级电容两端还并联开关K1、K2和充电电阻，组成超级电容充放电限制回路。
3.根据权利要求2所述的利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机，其特征在于，所述开关K1回路串联限流电阻R，使充电电流得到限制。
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