應(yīng)用于船用抓斗挖掘機(jī)上的超級電容節(jié)能裝置

摘 要：針對現(xiàn)有的船用抓斗挖掘機(jī)能量浪費(fèi)嚴(yán)重，運(yùn)行成本高等問題，設(shè)計出一套超級電容節(jié)能裝置，介紹超級電容節(jié)能裝置的組成，控制系統(tǒng)硬件及其軟件實現(xiàn)方式。實驗證明，該裝置能夠快速有效的實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，降低整機(jī)的能耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：超級電容 控制系統(tǒng) 節(jié)能

中圖分類號：U674.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-042-02

1 引言

船用抓斗挖掘機(jī)是用于內(nèi)河清淤、港口建設(shè)的船用設(shè)備，它利用船上的柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，供機(jī)器上的電氣設(shè)備使用。船用抓斗挖掘機(jī)通常有三個主要動作機(jī)構(gòu)：提升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)。

典型的船用抓斗挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動技術(shù)，將來自柴油發(fā)電機(jī)組的交流電源通過變頻器的交直流轉(zhuǎn)換裝置整流成為直流電源后掛在直流母排上，再經(jīng)逆變器驅(qū)動電機(jī)工作。但傳統(tǒng)的船用抓斗挖掘機(jī)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。若將超級電容節(jié)能裝置并聯(lián)入變頻器直流母排上，則可有效儲抓斗下降的勢能，以提供抓斗提升加速時使用。圖1為超級電容節(jié)能裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

本系統(tǒng)作為抓斗作業(yè)裝置勢能及其制動能量存儲裝置和抓斗提升時能量來源之一，除了實現(xiàn)整機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，即超級電容節(jié)能裝置的充放電；還要具有顯示、通信及其檢測功能。本論文設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

超級電容節(jié)能裝置主要由以下幾部分組成：

（1）超級電容組：用于能量存儲。

（2）超級電容電源管理模塊：用于實現(xiàn)超級充放電時的均壓、均流管理。與整機(jī)控制系統(tǒng)PLC的通信。

（3）雙向DC/DC裝置，連接于超級電容組與提升變頻器直流母線直接，實現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)的充放電管理。實現(xiàn)信號采集與控制，有電流電壓檢測模塊。有欠壓，過壓保護(hù)電路等保護(hù)電路。

（4）單項DC/DC裝置，連接與超級電容組與回轉(zhuǎn)變頻器直流母線直接，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動時能量的回收。根據(jù)直流母線的電壓值來決定充電電流的大小。裝置也帶有過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)以及控制邏輯硬件保護(hù)電路。

2 節(jié)能原理

節(jié)能裝置設(shè)計的主要工況包括：

（1）抓斗提升時，電機(jī)工作于能耗狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)組輸出的電流超過額定值時，雙向DC/DC工作于升壓模式，超級電容放電與發(fā)電機(jī)組一起供電。

（2）抓斗下降時，電機(jī)工作于再生能量狀態(tài)，雙向DC/DC裝置工作于降壓模式，超級電容進(jìn)入充電狀態(tài)，吸收再生能量。

（3）機(jī)器回轉(zhuǎn)制動時，回轉(zhuǎn)電機(jī)工作于再生能量狀態(tài)，單項DC/DC裝置工作于降壓模式，超級電容進(jìn)入充電狀態(tài)，吸收再生能量。

（4）當(dāng)超級電容節(jié)能裝置故障時，輸出故障信號給整機(jī)控制系統(tǒng)，整機(jī)聯(lián)鎖，停止工作。

超級電容節(jié)能裝置雙向輸出端并聯(lián)入提升變頻器的直流母線，單項輸出端并聯(lián)如回轉(zhuǎn)變頻的直流母線。

當(dāng)抓斗下降或制動處于能量再生狀態(tài)時，電機(jī)反轉(zhuǎn)將再生能量轉(zhuǎn)換成電能，再通過變頻器的逆變器流入直流母線，這時超級電容節(jié)能裝置的DC/DC裝置處于降壓工作模式，再生能力通過DC裝置，由直流母排流入超級電容組存儲起來。

船用抓斗挖掘機(jī)抓斗作業(yè)裝置加速時和抓斗離開水面瞬間，對柴油發(fā)電機(jī)組提出非常高的功率要求，需要提供瞬時大電流。本系統(tǒng)利用超級電容對抓斗作業(yè)裝置下放及其制動時能量存儲后，利用超級電容大電流放電的特性，補(bǔ)充這時所需的瞬時功率，這樣既充分利用了原先通過電阻耗散掉的能量，又可以減少柴油發(fā)電機(jī)組超負(fù)荷運(yùn)行時對環(huán)境的污染及其能耗的消耗。

3 超級電容節(jié)能裝置硬件

本文所研究的超級電容節(jié)能裝置在硬件設(shè)計方面集信號采樣處理、顯示、通訊和控制等功能為一體，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主回路包括超級電容組及其相關(guān)電路，雙向DC/DC主回路，單項DC/DC主回路。其中超級電容與雙向DC/DC低壓端相連，雙向DC/DC高壓端與提升變頻器母線相連。單項DC/DC裝置低壓側(cè)與超級電容相連，高壓側(cè)與回轉(zhuǎn)變頻器母線相連。除了主回路外，硬件系統(tǒng)中還包括電容均衡及其管理系統(tǒng)，DC/DC及其控制電路和通信電路等。

3.1超級電容器的選擇

要使船用抓斗挖掘機(jī)混合動力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定有效工作，達(dá)到預(yù)期目的，超級電容選配是關(guān)鍵。選擇超級電容器產(chǎn)品應(yīng)綜合考慮等效串聯(lián)電阻（ESR）、漏電流和體積等因素，ESR越小，放電效率越高、放電電流也越高，同時充放電過程產(chǎn)生熱量也越小，有利于散熱；漏電流是超級電容器電荷保持能力的標(biāo)志，需要盡可能低的漏電流；超級電容器的體積越小越好，以便應(yīng)用時盡可能少占用設(shè)備空間。

綜合以上因素我們選擇了如表1技術(shù)要求的超級電容。

3.2 超級電容系統(tǒng)管理系統(tǒng)的選擇

超級電容管理系統(tǒng)的目的主要是實現(xiàn)對超級電容組的監(jiān)控與管理，同時實現(xiàn)與整機(jī)控制系統(tǒng)的通信，在設(shè)計中我們選擇了西門子PLC-200作為超級電容關(guān)系系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)對超級電容首次充電時的均壓管理，充放電時的電壓電流管理。確保超級電容組工作在設(shè)定的范圍。裝置設(shè)有過壓、欠壓報警。實現(xiàn)對充放電電流上限的限制，使電流工作在最大電流值以下，確保裝置的安全與可靠。

3.3 雙向DC/DC性能參數(shù)的確定

（1）正向輸入電壓。Vci =480～340V（電容器輸出，電容電壓變化范圍），當(dāng)Vci ≤340V時，DC/DC自動停止正向輸出。

（2）正向輸出電壓。Vdo變化范圍在513V€？V（根據(jù)變頻器直流母線電壓變化確定，母線電壓變化范圍在500～560V）。

（3）正向輸出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）

（4）反向輸入電壓。Vdi=500～690V（再生能量回饋過程）

（5）反向輸出電壓。Vco=340～480V （向電容器充電），反向輸出為分段恒流限壓充電模式，第一階段充電電流480A，達(dá)到480V時轉(zhuǎn)入第二階段，第二階段電流240A，當(dāng)電容器電壓再次達(dá)到480V時，停止充電。

（6）反向輸出功率。Pco=200kW。

3.4 單項DC/DC性能參數(shù)的選擇

（1）輸出電壓。V=480～340V（電容電壓變化范圍），當(dāng)V≧480V時，DC/DC自動停止輸出。

（2）輸入電壓。V變化范圍在510V～690V（變頻器直流母線電壓變化范圍）。

（3）輸出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

超級電容管理系統(tǒng)PLC主程序主要完成數(shù)據(jù)初始化、故障綜合、電流電壓A/D采樣、手動充放電、重要信息及時通信等功能。系統(tǒng)采用故障信號進(jìn)行冗余判斷的方式，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時增加超級電容故障綜合診斷的設(shè)計。

DC/DC裝置自帶的單片機(jī)控制器，通過編程實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組輸入電流的PID跟蹤功能。通過編程實現(xiàn)對輸入輸出電流電壓的實時跟蹤，確保系統(tǒng)工作在設(shè)定的電壓與電流范圍能，保證系統(tǒng)安全可靠的工作。

其中，DC/DC跟蹤柴油發(fā)電機(jī)輸出電流值來決定超級電容節(jié)能裝置的工作狀態(tài)，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組電流值大于設(shè)定的放電電流值時，超級電容放電。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組輸出電流小于設(shè)定的充電電流值時，超級電容進(jìn)入充電狀態(tài)。如圖3所示。

5 實現(xiàn)結(jié)果

綜上分析，超級電容發(fā)揮了以下的作用：首先是取消了能耗電阻，而更具有意義的是，超級電容保存了所有機(jī)構(gòu)反饋的能量，避免了反饋能量的白白損耗，同時在荷載突增的情況下（起升瞬間）提供補(bǔ)充能量，平穩(wěn)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的目的。

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