起重機械節能技術超級電容模塊化應用

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摘要:分析了起重機節能技術特點，針對當前超級電容儲能的復雜性，提出模塊化控制系統，使節能改造更簡單。通過門式起重機節能設計實例，測試了節能效果，驗證了超級電容模塊化技術研究的可行性。

關鍵詞:超級電容；模塊化；起重機械；節能系統

引言

起重機械屬于高耗能設備，重物在下降過程中，釋放大量勢能，所以節能空間巨大。回饋電網、蓄電池節能等技術存在不足，會產生諧波污染電網，蓄電池功率小、壽命短，不能承受變頻器直流母線上很大的回饋電流。當前多采用超級電容儲能設備，由于超級電容能量密度小的特點，儲能柜體積很大，造成運輸安裝不方便［1］。如果要進行老舊設備節能改造，還需增加變頻器和DC－DC轉換器柜，電氣控制室大多空間有限，只能放棄超級電容節能方案。針對現有超級電容器和DC－DC轉換器體積大、不便于安裝的特點，研究模塊化超級電容器，將儲能設備與功率轉換裝置的體積減小，實現一體化控制，安裝簡單。

1用于起重機械的超級電容模塊化設計

1．1起重機功率類型

起重機種類比較多，包括橋式起重機、門式起重機、門座式起重機、塔式起重機等，起重量大小差距很大。不同起重機電機總功率從幾千瓦到幾百千瓦，要配置節能系統，每次都要單獨開發。重物下降時可回收能量為:Q=mgh回收能量大小與起重量和起升高度有關，考慮機械效率，大約能儲存80%的勢能［2］。因此儲能系統需要根據起重量大小和電機功率來選擇，型號不同就需要重新配置超級電容器和直流轉換器，不能做到標準化生產。

1．2超級電容儲能特性

超級電容器近年飛速發展，技術水平日新月異，其原理是利用雙電層原理直接儲存電能，容量可達數萬法拉，是介于蓄電池和傳統電容器之間的一種新型儲能裝置。超級電容器儲存的能量E=0．5×C×V2，與容量C和工作電壓V的平方成正比。超級電容器具有動作響應快、功率密度高、循環使用壽命長、無記憶效應、無污染、免維護等優點，是一種非常有應用前景的儲能器件［3］。

1．3超級電容器模塊化

超級電容器模塊是由單體通過金屬連接組成，考慮高電壓和功率效率，為專門用途而設計。其主要參數主要集中于熱管理、單元組裝、連接、電子產圖1超級電容儲能系統圖品和電路平衡。在高功率用途中，超級電容的使用可通過許多元件進行串聯，從而獲得更高的電壓，高電壓的主要優勢是增加能量。超級電容器模塊化可以適用不同類型的起重機械，根據功率大小只需要選擇模塊數量，然后像搭積木一樣串聯模塊，就可以搭建儲能系統，如圖1。

2超級電容模塊充放電控制系統

起重電機通過逆變器與超級電容器間進行能量傳動，將DCDC變換器與電容器的監測系統集成化，進一步實現模塊化制造。根據電機功率的大小，選擇需要并聯的電容器數量En，通過外圍監測電路，監測母線電壓的變化，決定能量的流動方向。原理就是把逆變器與放大電路集成，實現升降壓，加入反饋信號實現智能控制［4］。電氣原理圖如圖2。充放電控制系統要實現獨立穩定，反饋無延遲，模塊化的接口。在試驗室反復測試，然后方案修改調整，將儲能系統做到安裝簡便靈活。系統根據母線電壓自動調整充放電電流，電流上限與母線電壓的關系見圖3。當負載下降時，勢能轉換為電能，母線電壓開始升高，當母線電壓高于A4．06時，變換器開始對電容充電，充電電流隨著母線電壓上升而上升，下降的發電功率越大，母線電壓越高，充電電流也就越大，充電功率越大。最后負載的發電功率和電容的充電功率相等，達到一個動態平衡。當負載上升時，電能轉換為勢能，由于內阻和線路阻抗等原因，母線電壓會產生一定下降。當母線電壓下降到低于A4．05時，DC/DC控制電容對直流母線放電，放電電流隨著母線電壓下降而上升。上升時的功率越大，母線電壓越高，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載功率，達到平衡。

3起重機械超級電容節能技術應用實例

起重機械是通過電網給三相異步電動機供電后提升重物，變頻器調節電動機的輸入電壓頻率，改變重物上升下降的速度。重物下降帶動電動機發電，反向電流經過變頻器的直流母線，以往是用電阻器發熱消耗發電量，現在用超級電容模塊收集發出的電量。具體實施方案圖如圖4。為了驗證起重機超級電容模塊化技術的節能效果，以中船澄西船舶修造有限公司的一臺50t橋式起重機為樣機進行測試。測試起升高度為10m，下降勢能為W=50×1000×9．8×10=1.36kWh，考慮0.8的機械效率，選擇超級電容的儲能量為1kWh。超級電容模塊的額定電壓為54V，額定容量為178F。選擇20個模塊串并聯后，電容柜額定電壓540V，額定容量為35．6F，最低放電電壓為250V，那么儲存能量E=0．5×35．6×(5402－2502)=1.13kWh。系統搭建后，現場吊50t額定載荷進行測試，測試圖如圖5。用電能表記錄充放電量，反復測試得出下降過程超級電容平均儲能0.9kWh，上升過程起重機耗電量為1.36kWh÷0.8=1.7kWh，節電率超過50%。

4結論

超級電容模塊化生產，便于組裝和調試。研究結果證明，組裝的超級電容節能系統在起重機上應用后，節能效果明顯，系統穩定可靠，使用壽命長。目前存在的問題是，超級電容制造成本較高，對于中小型起重機使用顯得昂貴，唯有改善工藝，提高生產規模，才能降低成本。隨著國家對節能減排越來越重視，新型節能技術率先在大型起重機上應用推廣，國家若能出臺一些鼓勵政策，推動產業發展，就會帶來重大的經濟效益。

參考文獻

［1］高衛華．集裝箱起重機能源回收再生技術的研究［D］．天津:天津大學，2011．

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

［3］張治安．超級電容器:材料、系統及應用［M］．北京:機械工業出版社，2014．

［4］王兆安，黃俊．電力電子技術［M］．北京:機械工業出版社，2012．

作者：胡東明 蘇文勝 王欣仁 單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院