混合動力rtg電氣系統的製作方法

2023-04-23 11:28:11 2

專利名稱：混合動力rtg電氣系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及起重機的電控技術領域，尤其是一種混合動力RTG電氣系統。
背景技術：
在港口貨櫃碼頭，堆場作業主要依靠輪胎式貨櫃龍門起重機(RubberTyre Gantry Crane簡稱RTG)。由於RTG採用柴油機發電機組作為提供整機系統的動力。不需 要電纜線連接到碼頭電源，因此使用方便，運行靈活，被貨櫃碼頭大量使用。近年來能源緊張，油價不斷攀升，裝卸成本居高不下。「如何提高RTG的能效」早已 成為節能改造的眾矢之的。縱觀眾多的RTG節能方法，按節能的策略主要分3大類。第一 採用「油改電」，可以大幅度降低使用成本，缺點是附加的供電設施給生產帶來難度；第二採 用混合動力系統，使用儲能方式，缺點是節能效果一般；第三採用發動機調速，充分利用發 動機低速時的低油耗特性，減少燃料消耗，缺點是節能量小。現有的電氣控制系統，由整流裝置把交流電源轉變為直流電源，通過直流母線為 各機構的變頻器提供直流電源。當貨櫃和吊具下降時，變頻器將勢能轉變為電能，能量回 饋到直流母線。由於回饋能量的積聚，將使直流母線電壓升高。原RTG電氣系統採用制動 單元將電能釋放到能耗電阻的方式，把直流母線電壓控制在安全的範圍內。這樣造成能源 浪費和環境汙染。由於這部分能量巨大，如果能夠把這部分浪費的能源節省下來就能夠達到良好的 節能效果。顯然，巨大的能量就需要有大容量的儲能裝置，我們已經嘗試過了飛輪儲能，也 嘗試過了超級電容儲能，這些方法都創造了超乎想像的結果，真正能夠用於實際的作業。但 對於RTG這種無規律性的作業特性，這些方法仍然力不從心。主要表現在1、通常只能存儲 一次下降過程產生的能量，如果連續把貨櫃從高處吊下來裝車，後續的能量仍然只能通 過能耗電阻消耗掉。這些儲能裝置沒有持久力，如果需要增加容量，其高昂的成本、龐大的 體積和產生的重量是RTG系統無法接受的；2、由於這些儲能裝置的固有特性，每次能量釋 放不能完全耗盡，例如飛輪系統必須維持一定的基本轉速，不能讓它運行在低速區。超級 電容必須留有足夠的電壓，太低電壓時系統無法正常工作。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是為了解決上述存在的缺點與不足，降低混能成 本，提供一種混合動力RTG電氣系統，本系統方案中巧妙地利用變頻系統的公共直流母線 作為能量的混合點，在電氣系統上進行能量交換。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種混合動力RTG電氣系統， 具有發電機和連接發電機的整流裝置，整流裝置把交流電源轉變為直流電源，通過直流母 線將直流電源提供給變頻裝置，直流母線上設置有能量交換裝置，能量交換裝置包括可編 程控制器、設置在直流母線上的升壓控制器、連接在升壓控制器與變頻裝置之間直流母線 上的充放電控制器和連接在充放電控制器上的蓄電池系統，可編程控制器通過現場總線與
3升壓控制器、充放電控制器和蓄電池系統進行數據交換，通過可編程控制器的綜合控制和 管理，實時了解蓄電池系統的容量和運行狀態，正確對蓄電池系統進行充放電控制。進一步，所述的蓄電池上設置監視電池數據的監視器，方便監視電池容量、電壓、 溫度等數據，將監視的數據傳送給可編程控制器，然後進行控制。為了方便計算蓄電池容量和檢測電池溫度、電壓等信息，蓄電池系統包括蓄電池、 狀態傳感器、保護電路、冷卻通風裝置和蓄電池管理器。為了滿足RTG系統儲能的要求，蓄電池為MHM電池，具有大容量、高功率、長壽命 的性質，電壓可高達530伏。為了將直流電壓抬高減小電流，同時可以限制發動機的輸出功率，採用升壓控制 器與迴路電抗器組成BOOST電路，將原系統不穩定的直流母線的電壓升高，並且穩定在需 要的電壓值。這樣為RTG的各個機構變頻器提供了恆定的直流母線電源，使變頻器驅動各 機構電動機的性能比原來更優越。同時可以控制來自發電機的輸出能量。充放電控制器是直流母線與蓄電池之間傳遞能量的橋梁，是混能系統的控制核 心。該裝置能夠根據系統的命令分時控制充電或放電。由於充放電的過程有時非常短暫， 因此該裝置具有很高的切換速度。混能控制系統採用一套PLC控制器進行協調管理。PLC與升壓控制器、充放電控制 器、蓄電池系統採用現場總線進行數據交換，實時了解蓄電池容量和系統運行狀態，正確對 蓄電池的充放電控制。同時採用人機界面為管理員提供狀態信息和故障歷史。混能系統中 蓄電池的使用壽命是這種方案成敗的關鍵，除本身的優良特性外，需要PLC系統的合理控 制才能保證長久使用。因此PLC系統必要隨時測量蓄電池的容量，當正常提升或下放集裝 箱時必須保證充放電可靠執行，在待機狀態時必須根據蓄電池的容量適當地給蓄電池補充 合適的能量。同時檢測充放電電流、各蓄電池模塊的電壓、各蓄電池模塊的溫度等，如果超 過允許參數將提供報警或作出相應的處理。本實用新型的有益效果是，本實用新型的混合動力RTG電氣系統，有很好的節能 效果，同時它減少對大氣的汙染、降低了柴油機發電機的噪音，為RTG系統提供了穩定的直 流母線電壓，使系統運行更加可靠。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的電路連接示意圖。圖中1、發電機，2、整流裝置，3、變頻裝置，41、可編程控制器，42、升壓控制器，43、 充放電控制器，44、蓄電池系統，45、監視器。
具體實施方式
現在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖， 僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。如圖1所示的最佳實施方式的混合動力RTG電氣系統，具有發電機1和連接發電 機1的整流裝置2，整流裝置2把交流電源轉變為直流電源，通過直流母線將直流電源提供 給變頻裝置3，直流母線上設置有能量交換裝置，能量交換裝置包括可編程控制器41、設置
4在直流母線上的升壓控制器42、連接在升壓控制器42與變頻裝置3之間直流母線上的充放 電控制器43和連接在充放電控制器43上的蓄電池系統44，可編程控制器41通過現場總線 與升壓控制器42、充放電控制器43和蓄電池系統44進行數據交換。蓄電池系統44上設置監視電池數據的監視器45，蓄電池系統44包括蓄電池、狀態 傳感器、保護電路、冷卻通風裝置和蓄電池管理器。蓄電池為NiHM電池。本實用新型的工作過程，發電機1除了仍然給輔助系統供電外，主電路的電源整 流後不再直接傳送到直流母線，而是通過BOOST電路升壓成穩定的設定電壓再接入直流母 線，同時可以控制向直流母線提供的能量。當需要提起一個貨櫃時，由於發動機的能量可 以限制，直流母線系統的總能量將不足以成功完成提升操作。此時PLC系統能夠檢測到系 統能量的不足，啟動蓄電池放電功能，由蓄電池和發電機1同時為起升機構提供能量。當需 要放下一個貨櫃時，發動機的能量仍然可以受到限制，由於下降時勢能轉變為電能，回饋 的能量將使直流母線電壓升高，為了防止向能耗電阻放電，浪費能量。此時PLC系統能夠及 時檢測到系統能量過剩，啟動蓄電池充電功能，把起升機構回饋的能量和發電機1的少量 能量匯合後向蓄電池充電，存儲所有由於位能產生的能量。在RTG上使用的柴油發電機1組一般容量都比較大，考慮了系統的極限工作能力， RTG—般採用的功率在480KW左右。由於在滿載和待機工作過程中發動機均恆速為發電機 1提供能量，造成在待機和輕載過程的能量過剩，在重載起升加速時發動機冒黑煙的現象， 兩者無法兼顧，必然只能以犧牲燃油消耗為代價。採用蓄電池儲能系統後，由於提供給RTG 主電路的能量是混合動力，系統對發動機的能量需求被控制在很小的功率輸出，其餘的所 以能量由蓄電池放電提供，由於蓄電池放電的過程由電子開關控制，所以能夠迅速提供充 足的能量，響應特性遠遠勝過發電機1組，大大改善了原供電系統的響應特性。本系統發動機總容量僅需要120KW，其中50KW提供給輔助系統使用，其餘可以提 供給主電路使用。因此在輕載或重載時需要發動機提供的能量相差不大，如果原系統採用 Detroit S6063HK35 :550HP的柴油發動機，將不會產生冒黑煙的過載工作狀態，留有很大的 _餘裡ο採用160HP柴油機組發電代替原系統後，發動機運行平穩，當輸出功率控制在 IOOKff以內時，RTG的各機構仍然穩定運行，小發電機1組系統對整體節能起到非常重要的 作業，使待機時的節能率超過50 %。蓄電池作為重要的儲能元件，能夠替代超級電容等儲能元件。是因為新型蓄電池 滿足了 RTG系統儲能的最基本要求第一、蓄電池具有很大的存儲容量，可以長時間吸收待機時的能量；第二、蓄電池具有很大的衝放電能力，可以接受很大的能量在瞬間輸入或輸出；第三、蓄電池具有較長的使用壽命，在正常衝放電情況下可以使用5年；第四、蓄電池具有可回收性能，當蓄電池報廢后，材料還能繼續利用。顯然與通常的蓄電池產品有很大的區別。本系統採用的蓄電池是NiHM電池，它與 鉛酸電池、鎳鎘電池和鋰電池的特性比較如圖3，在功率和能量密度上，鋰電池最優、其次是 NiHM電池、然後是鉛酸和鎳鎘電池。沒有採用鋰電池的原因有兩個第一、鋰電池有爆炸的危險，特別是數量多時的鏈式反應、需要對鋰電池做很完善 的防護。[0032]第二、鋰電池價格昂貴，通常是NiHM電池價格的3倍。為了克服超級電容系統的缺陷，提高新系統的儲能特性，系統設計的能量存儲量 足以把十隻額定載荷的貨櫃從地面提升到最高位置，同時要求蓄電池系統44具有瞬間 輸出達到280KW功率，滿足提升機構正常的加速功率。在RTG正常搬運貨櫃的過程中，蓄電池向直流母線放電的電流經計算需要達到 500安培左右，圖4是蓄電池在大電流放電時的時間/電壓降曲線。完全能夠滿足5分鐘以 內大電流連續放電要求。蓄電池的充電特性與電容的特性相似，能夠承受大電流持續充電。蓄電池的壽命通常只能進行1000次左右的完全充放電，如果這個次數用在RTG 上，用戶就必須天天換電池。通過與蓄電池製造單位共同研究，配備足夠容量的專用蓄電池 並通過PLC軟體嚴格控制蓄電池容量，就可以達到40萬次的不完全充放次數。這樣新蓄電 池就可以滿足作業繁忙碼頭四年左右的使用。由於蓄電池的工作電壓很高，因此需要很多蓄電池組串聯起來。眾多的蓄電池組 由於環境的影響可能會產生電壓、溫度等不平衡現象，這對於蓄電池的壽命是有影響的。採 用蓄電池管理器(BMS)可以實時測量每個蓄電池組的工作狀態，同時可以根據電流輸入/ 輸出的累計，精確地計算蓄電池內電能的容量。同時與PLC控制器進行數據交換，使儲能系 統能夠對蓄電池進行智能控制。例如當蓄電池容量較低時，在待機的情況時開通電池充電 命令，讓發電機1提供小電流進行充電。這樣既可以補充蓄電池能量，又不影響RTG正常操 作。蓄電池儲能RTG控制系統綜合了兩種節能方式，通過混能系統實現了 RTG在下降 過程中的能量收集，它的大容量特性使系統可以存儲多次下降過程中原本需要浪費的能量。同時可以利用混能系統在大功率需求時可以輸出足夠能量的特性，達到降低對發 動機組功率的依賴，採用小發動機組同樣可以滿足RTG正常運行。可以節省在待機情況下 由於大發動機油耗高而造成的能源浪費。第一種方式的節能量依賴於RTG本身的機械傳遞效率，包括滑輪、齒輪等的傳遞 效率和摩擦等外界因素產生的能量損耗。在理論計算中機械傳遞效率為0.9。因此位能下 降產生的電能理論上是提升該物體功率的81%。可見節能效果是明顯的。第二種方式的節能量依賴於小發電機1組本身的油耗，在替換發電機1組前，需要 確定系統確切的功率需求，太大的發電機1組將需要更多的空載油耗，造成浪費。改造後的 油耗率還與原發電機1組的容量有關，如果原發電機1組的餘量很大，則改用小電動機組後 的節能率將非常高。兩種節能特點產生的效果是不同的，第一種方式在RTG越繁忙工作的條件下節能 效果越好。因此評判節能效果不能僅比較待機時的節能而忽略操作時的節能；也不能考慮 重載是的節能而忽略輕載時的節能。本儲能系統同時採用上述2種節能技術後，可以兼顧 到繁忙時的節能和待機時的節能。以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人 員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實 用新型的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術 性範圍。
權利要求一種混合動力RTG電氣系統，具有發電機(1)和連接發電機(1)的整流裝置(2)，整流裝置(2)把交流電源轉變為直流電源，通過直流母線將直流電源提供給變頻裝置(3)，其特徵在於直流母線上設置有能量交換裝置，能量交換裝置包括可編程控制器(41)、設置在直流母線上的升壓控制器(42)、連接在升壓控制器(42)與變頻裝置(3)之間直流母線上的充放電控制器(43)和連接在充放電控制器(43)上的蓄電池系統(44)，可編程控制器(41)通過現場總線與升壓控制器(42)、充放電控制器(43)和蓄電池系統(44)進行數據交換。
2.根據權利要求1所述的混合動力RTG電氣系統，其特徵在於所述的蓄電池系統 (44)上設置監視電池數據的監視器(45)。
3.根據權利要求1所述的混合動力RTG電氣系統，其特徵在於所述的蓄電池系統 (44)包括蓄電池、狀態傳感器、保護電路、冷卻通風裝置和蓄電池管理器。
4.根據權利要求3所述的混合動力RTG電氣系統，其特徵在於所述的蓄電池為MHM 電池。
專利摘要本實用新型涉及起重機的電控技術領域，尤其是一種混合動力RTG電氣系統，具有發電機和連接發電機的整流裝置，整流裝置把交流電源轉變為直流電源，通過直流母線將直流電源提供給變頻器，直流母線上設置有能量交換裝置，能量交換裝置包括可編程控制器、設置在直流母線上的升壓控制器、連接在升壓控制器與變頻器之間直流母線上的充放電控制器和連接在充放電控制器上的蓄電池系統，可編程控制器通過現場總線與升壓控制器、充放電控制器和蓄電池系統進行數據交換，蓄電池系統包括蓄電池、狀態傳感器、保護電路、冷卻通風裝置和蓄電池管理器，節能效果好，減少對大氣的汙染、降低了發電機噪音，為RTG系統提供了穩定的直流母線電壓。
文檔編號B66C13/12GK201647835SQ200920255738
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月26日 優先權日2009年11月26日
發明者吳強, 張盤生, 趙雲鵬, 顧文溢 申請人:常州基騰電氣有限公司