卷?yè)P(yáng)機(jī)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

趙芳偉，張 翔，林偉青，鄭文鑫

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

工程機(jī)械混合動(dòng)力系統(tǒng)主要是在卷?yè)P(yáng)機(jī)下放負(fù)載時(shí)回收由負(fù)載重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的電能，將這部分電能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)提升或者負(fù)載大時(shí)和發(fā)電機(jī)一起對(duì)系統(tǒng)供電.回收和釋放能量的過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，這就要求儲(chǔ)能元件具有良好的充放電特性，能夠迅速充電和放電.工程機(jī)械工作環(huán)境一般都比較惡劣，濕度、溫度等變化很大，因此作為卷?yè)P(yáng)機(jī)的能量回收系統(tǒng)必須能夠符合卷?yè)P(yáng)機(jī)的工作特性要求.相比蓄電池而言，超級(jí)電容主要有以下特點(diǎn)［1－2］：①電容量大，目前單體超級(jí)電容的最大電容量可達(dá)10 000F；②充放電壽命長(zhǎng)，可達(dá)1 000 000次，或者180 000h；③充電迅速，使用便捷，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作；④無(wú)污染，真正免維護(hù).

基于超級(jí)電容的優(yōu)越特性，超級(jí)電容極其適用于卷?yè)P(yáng)機(jī)的儲(chǔ)能器，設(shè)計(jì)以超級(jí)電容為儲(chǔ)能單元的卷?yè)P(yáng)機(jī)能量回收系統(tǒng)符合工業(yè)上對(duì)機(jī)械的要求.

1 卷?yè)P(yáng)機(jī)能量回收計(jì)算

在以卷?yè)P(yáng)機(jī)為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的起重機(jī)中，可回收的再生能量主要是起升工作機(jī)構(gòu)下降回饋的再生能量，以及各工作機(jī)構(gòu)制動(dòng)形成的再生能量，而由制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量相對(duì)起升機(jī)構(gòu)下降由勢(shì)能變化形成的再生能量要小得多［3－4］，因此在能量回收計(jì)算中通常只計(jì)算起升機(jī)構(gòu)下降產(chǎn)生的重力勢(shì)能，并乘以一定系數(shù).

根據(jù)能量守恒定律，有

式中：m為起重物質(zhì)量，h為起重高度，v為起升速度.

在起重機(jī)械設(shè)備中，起升速度v不能按自由落體計(jì)算.同時(shí)需要說(shuō)明的是，貨物的下降速度是有限制的，起重設(shè)備的貨物加速度一般控制在0.5g以?xún)?nèi)，回收的能量可近似按（g－0.5）／g的百分比計(jì)算，約為95%（這里沒(méi)有按動(dòng)能來(lái)說(shuō)明，是因?yàn)閔不確定，而且當(dāng)加速到設(shè)計(jì)速度后加速度為零，因此實(shí)際可能回收的能量還要大），同時(shí)由于機(jī)械傳動(dòng)部分有一部分動(dòng)能損耗，機(jī)械傳動(dòng)效率和摩擦阻力所產(chǎn)生的能量損耗，再加上回收單元的效率損耗，理論回收與利用效率可在70%以上.該卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)中，高度h＝26m，最大吊重量m＝700kg，g＝9.8m·s－2，代入式（1），則理論回收勢(shì)能

重物下降過(guò)程中加速、減速階段（1～3s）動(dòng)能變化相對(duì)勢(shì)能變化很小，而勻速運(yùn)動(dòng)階段動(dòng)能不變，故最大回收能量取為最大勢(shì)能差.在該交流變頻控制的卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)力裝置中，滑輪組效率ηH＝0.97，卷筒效率ηJ＝0.9，減速齒輪傳動(dòng)效率ηJI＝0.95，異步電動(dòng)機(jī)效率ηY＝0.95，逆變器效率ηNI＝0.95，超級(jí)電容充電效率ηC＝0.9，則超級(jí)電容器在一個(gè)重物下降過(guò)程實(shí)際能回收的最大能量

2 超級(jí)電容選型及控制電路設(shè)計(jì)

2.1 超級(jí)電容選型

常見(jiàn)的超級(jí)電容有三種組合方式：串聯(lián)、并聯(lián)和串并混聯(lián)方式.為滿(mǎn)足應(yīng)用中的電壓需求，串聯(lián)方式需要將多個(gè)單體串聯(lián)，缺點(diǎn)是在串聯(lián)組件上個(gè)體電壓分配不均.在充電過(guò)程中，超級(jí)電容本身固有的充電電阻是一個(gè)動(dòng)態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調(diào)整電阻變化的控制電路極其復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)控制.并聯(lián)超級(jí)電容組件在放電過(guò)程中可以輸出或接受較大的電流，從而獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過(guò)大，保證許可的輸出功率，要適當(dāng)控制組件的儲(chǔ)能量.串并混聯(lián)的超級(jí)電容結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)，避免兩種方式各自的不足，因此電路中的超級(jí)電容選用串并混聯(lián)方式.

對(duì)于超級(jí)電容容量的大小，在現(xiàn)有的應(yīng)用中，計(jì)算超級(jí)電容的參數(shù)主要采用的是能量約束法.設(shè)超級(jí)電容額定工作電壓為UW，最低工作電壓為Umin.放電電流為ic（t）時(shí)，若滿(mǎn)足Umin?UW，則可以忽略等效串聯(lián)電阻RES的存在，超級(jí)電容等效為理想電容.對(duì)于額定電容量為CF的超級(jí)電容，其可釋放的儲(chǔ)能量WC可表示為

假設(shè)儲(chǔ)能單元由m個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，n組超級(jí)電容并聯(lián)，理想情況超級(jí)電容儲(chǔ)能陣列存儲(chǔ)的能量WS滿(mǎn)足下式：

通過(guò)式（3）確定陣列所需超級(jí)電容的個(gè)數(shù)為

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)中完全靠超級(jí)電容供電提供重物提升時(shí)，超級(jí)電容可釋放的儲(chǔ)能量WC至少為

由式（2）可得，超級(jí)電容最小的容量值

選擇超級(jí)電容組額定電壓VW＝300V，考慮安全因素單體電壓取VC＝2.5V，則單組應(yīng)串聯(lián)的超級(jí)電容單體個(gè)數(shù)為

單組串聯(lián)電容容量值為

電容組數(shù)為

因此，該方案中采用的是三組由120個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)后并聯(lián)而成的超級(jí)電容組，其總?cè)萘恐禐?.99F，額定工作電壓為300V.超級(jí)電容的設(shè)計(jì)計(jì)算中充分考慮了回收時(shí)的能量損耗，保證了超級(jí)電容容量具有充分的盈余.

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

超級(jí)電容控制系統(tǒng)Simulink［5］框圖如圖1所示，包括超級(jí)電容、電感、單相橋、充電控制模塊和放電控制模塊等.根據(jù)當(dāng)前超級(jí)電容兩端的電壓值和電動(dòng)機(jī)的工作模式?jīng)Q定是否對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電、放電或關(guān)閉的操作.當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若超級(jí)電容兩端的電壓高于200V，則超級(jí)電容對(duì)外放電，提供電機(jī)部分電流；當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，若超級(jí)電容兩端電壓低于320V，則對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，回收再生制動(dòng)能量；其他情況下超級(jí)電容DC／DC電路關(guān)閉，由電源系統(tǒng)提供電機(jī)所需的功率.

圖1 超級(jí)電容控制系統(tǒng)模塊Fig.1 Control system module of super－capacitor

3 Simulink仿真

3.1 Simulink仿真建模

卷?yè)P(yáng)機(jī)下放重物時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)由于位能或慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生再生制動(dòng)能量.再生能量通過(guò)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器逆變橋關(guān)聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)產(chǎn)生泵升電壓，通過(guò)DC／DC變換器給超級(jí)電容充電.當(dāng)超級(jí)電容電壓超出額定值，電容充電停止，多余能量以熱能耗散掉.重物上升時(shí)，優(yōu)先使用超級(jí)電容中的電能，超級(jí)電容放電.當(dāng)超級(jí)電容的容量小于安全工作最小值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷超級(jí)電容供電系統(tǒng)，采用外接電源供電.基于超級(jí)電容的卷?yè)P(yáng)機(jī)能量回收系統(tǒng) Matlab／Simulink仿真如圖2所示.

圖2 混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)整體模型Fig.2 Hybrid－driving energy－recovery system model

電機(jī)電路采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度調(diào)節(jié)采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）.逆變器產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖信號(hào)給電機(jī)，速度的控制環(huán)使用一個(gè)PI控制器產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩作為直接轉(zhuǎn)矩控制塊參考值.直接轉(zhuǎn)矩控制塊計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈大小，并與它們各自的參考值比較，然后轉(zhuǎn)矩和磁鏈由獨(dú)立的PI控制器控制，計(jì)算出圓周率參考電壓矢量.電壓源逆變器通過(guò)空間矢量調(diào)制方法輸出所需的參考電壓.電氣系統(tǒng)中包含一個(gè)DC／DC變換器，用于連接超級(jí)電容與DC母線(xiàn).DC／DC變換器根據(jù)超級(jí)電容端電壓和永磁同步電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，可工作在升壓和降壓狀態(tài).

3.2 Simulink仿真結(jié)果分析

開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為1 500r·min－1，運(yùn)行20s后電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為－1 500r·min－1，施加大小為11kN·m的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載.相應(yīng)地，當(dāng)重物被提升時(shí)，超級(jí)電容放電；重物被下放時(shí)，超級(jí)電容充電.通過(guò)仿真，得到的超級(jí)電容信號(hào)（電壓和電流），如圖3所示.設(shè)定超級(jí)電容充放電電流為10A，超級(jí)電容端電壓從250V下降到200V，并保持在200V大小，直到永磁同步電機(jī)反轉(zhuǎn).重物下降時(shí)，超級(jí)電容充電電流接近10A，電壓開(kāi)始上升，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為40s的時(shí)候達(dá)到244V.

圖3 超級(jí)電容電流Fig.3 Current of super capacitor

圖4 超級(jí)電容電壓Fig.3 Voltage of super capacitor

4 結(jié)論

從卷?yè)P(yáng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示，卷?yè)P(yáng)機(jī)提升和下放重物過(guò)程中，超級(jí)電容充放電電流和電壓變化極小，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，電壓值始終介于超級(jí)電容的合理工作電壓區(qū)間.結(jié)果表明，以超級(jí)電容為儲(chǔ)能單元的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元適用于以卷?yè)P(yáng)機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)的起重工程機(jī)械，理論上能夠回收一定的能量，并且在同樣的負(fù)載和運(yùn)行條件下，超級(jí)電容的充放電電流越大，回收的能量就越多.

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