輪胎式起重機柴油機改電動驅(qū)動

彭云輝

(天津港第一港埠有限公司，天津 300451)

1 輪胎式起重機油改電驅(qū)動系統(tǒng)

1.1 供電模式

起重機械混合動力系統(tǒng)設(shè)計主要以起重機械既有動力模式為前提條件，供電模式即柴油發(fā)電機組或網(wǎng)電通過儲能單元供電；發(fā)電機組或儲能單元結(jié)合供電；網(wǎng)電與儲能單元結(jié)合供電；燃料電池與儲能單元結(jié)合供電。

1.2 儲能裝置與能量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所謂儲能裝置選擇以超級電容器為主，其屬于新型儲能元件，是一般電容器與電池間交互的儲能元件。電容器獲得高儲能密度的方法包含2種，即基于容量不變，提升耐壓；基于耐壓不變，增加容量，超級電容則是通過增加電容器容量，實現(xiàn)較高儲能密度。利用多孔電極，促使電極單位體積的有效面積最大化，并適度縮小電極間距離，直到納米尺度，以此生成較大電容。

能量控制系統(tǒng)主要由雙向DC/DC變換器組成，其作用體現(xiàn)在銜接直流母線與超級電容器層面。直流母線檢測遇到電能反饋時，其電壓會呈現(xiàn)直線上升趨勢，在達到既定限定狀態(tài)時，超級電容器就會面向能量控制系統(tǒng)存儲電能資源，系統(tǒng)運行需要消耗能量時，電機則發(fā)揮作用進行能量補充。而直流母線電壓開始下降時，超級電容器便會將儲存的能量釋放出來，這時控制系統(tǒng)就會獲取一定的能量反饋。然后在起重機下放時，超級電容器可為后續(xù)上升儲存充足能量，以備使用。

1.3 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超級電容器可在很大程度上滿足混合動力系統(tǒng)儲能裝置選擇需要，此部件與起重機上升、下降、啟動、制動等運行條件相符，能夠快速準確吸收與釋放能量，因此超級電容器是最理想，且可在很大程度上滿足需要的儲能裝置。混合動力系統(tǒng)為回收與可循環(huán)利用再生制動能量，需要于系統(tǒng)內(nèi)合理分配超級電容器的具體數(shù)量與容量。

柴油發(fā)電機和超級電容器作為系統(tǒng)的動力，超級電容器儲存可再生能源，與柴油發(fā)電機共同作用，為起重機提供電能。工作電機主要應(yīng)用在輪胎式起重機起重、變幅、旋轉(zhuǎn)等動作驅(qū)動過程中。變頻器與能量管理體系是基于IGBT模塊生成的，以變頻器為載體可面向起重機工作機構(gòu)速度進行適度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對超級電容充電與放電過程的有效控制，二者基于DSP控制系統(tǒng)，在很大程度上加強了對于IGBT通斷的科學合理控制，獲得了良好成效。而信號檢測系統(tǒng)包含電壓、電流傳感器，信號放大器、濾波電路等，負責實時全面檢測直流母線電壓、超級電容、工作機構(gòu)等相關(guān)信號，同時面向DSP進行傳輸，以此作為控制系統(tǒng)參考依據(jù)，從而給出相應(yīng)控制動作。DSP控制系統(tǒng)為混合動力系統(tǒng)核心所在，基于信號接收檢測系統(tǒng)進行信號傳輸，以系統(tǒng)供電原理為輔助加以評估決策，并生成控制指令，進而實現(xiàn)對控制變頻器與能量管理系統(tǒng)通斷狀態(tài)的有效控制，以獲得良好的調(diào)速與充放電控制效果。

2 混合動力輪胎式起重機系統(tǒng)

發(fā)電機組與儲能裝置相互串聯(lián)而成的混合動力系統(tǒng)，即基于柴油發(fā)電機組驅(qū)動交流變頻起重機，設(shè)計了以超級電容為載體的混合動力系統(tǒng)。系統(tǒng)包含主電路與控制電路，主電路則包含柴油發(fā)電機組、超級電容器、雙向DC/DC變換器、三相異步電動機等多元模塊；系統(tǒng)控制部分則主要由超級電容充電放電控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。

柴油發(fā)電機的輸出能量主要用于提供整流后的交流異步電動機驅(qū)動負載，如果有備用發(fā)電，則存儲在超級電容器中。同時，起重機在降低重量、降低幅度或動作機構(gòu)制動時產(chǎn)生的再生能量也存儲在超級電容器中。在起重機啟動、上升、下降時，發(fā)電機所提供電能無法滿足需要的情況下，超級電容器則快速釋放能量，與發(fā)電機共同作用，同時為起重機提供能量。

3 混合動力輪胎式起重機系統(tǒng)控制策略

3.1 電動狀態(tài)控制

基于節(jié)能層面，超級電容器儲能裝置的增設(shè)，主要是為了給發(fā)動機發(fā)電機組提供一定的輔助電源支持，以促使發(fā)動機額定功率有所下降。其中，發(fā)動機負責提供平均功率，而超級電容提供短期高功率和大電流，以滿足負荷的短期高功率需求。在電壓模式下，超電容器系統(tǒng)的放電目標應(yīng)保持母線電壓恒定，維持母線的額定電壓。放電電流則基于電壓外圈與電流內(nèi)圈進行雙重控制。通常情況下，在電壓模式下，放電電流相對偏大。而于功率模式下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，發(fā)電機組則與超級電容器共同發(fā)揮作用提供電能資源。這時，超級電容器放電功率應(yīng)就發(fā)動機發(fā)電機所供給電能和超電容器的儲能狀態(tài)來確定。

3.2 回饋及其等待狀態(tài)控制

電動機調(diào)速與電力電子裝置可靠性運行，明確指出母線電壓必須保持穩(wěn)定，且變化范圍需嚴格控制。所以，系統(tǒng)能量反饋時，超級電容器需就能量反饋對吸收功率進行科學合理調(diào)整，所謂吸收功率檢測主要基于母線電壓作為重要依據(jù)，較高的母線電壓表明反饋功率被及時吸收，較低的母線電壓表明反饋功率吸收過快，應(yīng)降低吸收功率。

3.3 空閑狀態(tài)控制

在怠速狀態(tài)下，起重機機構(gòu)不動，發(fā)動機應(yīng)回到空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以節(jié)省燃料。當系統(tǒng)處于怠速狀態(tài)時，將顯著提高燃油節(jié)約率；當系統(tǒng)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時，發(fā)動機能否恢復空轉(zhuǎn)速度取決于超電容器的儲能是否充足。如果超電容器電壓低于設(shè)定值，發(fā)動機依舊保持固定速度運轉(zhuǎn)，且基于發(fā)動機發(fā)電機組面向超級電容器提供電能，這時轉(zhuǎn)變充電方式為恒流充電方式。一旦超級電容器的電壓超出設(shè)定值，并且工作機構(gòu)并未配置相應(yīng)的操作說明，那么發(fā)動機將會迅速返回到空閑狀態(tài)，保持待機。

3.4 預充電與啟動控制

在起重機運行前，應(yīng)通過發(fā)動機-發(fā)電機組和雙向DC/DC變換器對超電容器進行預充電。充電方式采用恒流充電方式。在系統(tǒng)運行過程中，當起重機由空轉(zhuǎn)到第一個工作狀態(tài)時，發(fā)動機初始狀態(tài)為空轉(zhuǎn)，需要迅速以固定速度及時開啟發(fā)動機。但是此過程會持續(xù)大約5s的時間，在發(fā)動機提供電壓影響下不斷上升。在此環(huán)節(jié)，此裝置無法為系統(tǒng)提供電能，為保證起重機系統(tǒng)可準確及時響應(yīng)操作指令，此階段儲能系統(tǒng)主要以雙向DC/DC變換器為載體來維持總線電壓不變。當檢測到發(fā)電機電壓達到額定電壓后，根據(jù)上述工作狀態(tài)在不同工作狀態(tài)下的控制策略，對超電容器儲能裝置的工作模式進行控制。

4 結(jié)語

綜上所述，本文詳細分析了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、起重機電驅(qū)動系統(tǒng)以及雙向DC/DC變換器，設(shè)計了交流變頻輪胎式起重機混合動力系統(tǒng)。此系統(tǒng)中，容量配置合理的超級電容可有效吸收系統(tǒng)所生成再生能量，且基于發(fā)電機怠速狀態(tài)時，供電電動機啟動，同時可與發(fā)電機有機結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)功能能量來源。