起重機械節(jié)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(jié)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(tǒng)，使節(jié)能改造更簡單。通過門式起重機節(jié)能設計實例，測試了節(jié)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(jié)能系統(tǒng)
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(jié)能空間巨大?；仞侂娋W(wǎng)、蓄電池節(jié)能等技術存在不足，會產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，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(jié)能改造，還需增加變頻器和DC－DC轉(zhuǎn)換器柜，電氣控制室大多空間有限，只能放棄超級電容節(jié)能方案。針對現(xiàn)有超級電容器和DC－DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換裝置的體積減小，實現(xiàn)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(jié)能系統(tǒng)，每次都要單獨開發(fā)。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(tǒng)需要根據(jù)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(zhuǎn)換器，不能做到標準化生產(chǎn)。
1．2超級電容儲能特性
超級電容器近年飛速發(fā)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(shù)萬法拉，是介于蓄電池和傳統(tǒng)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(huán)使用壽命長、無記憶效應、無污染、免維護等優(yōu)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(shù)主要集中于熱管理、單元組裝、連接、電子產(chǎn)圖1超級電容儲能系統(tǒng)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(lián)，從而獲得更高的電壓，高電壓的主要優(yōu)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(jù)功率大小只需要選擇模塊數(shù)量，然后像搭積木一樣串聯(lián)模塊，就可以搭建儲能系統(tǒng)，如圖1。
2超級電容模塊充放電控制系統(tǒng)
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(jiān)測系統(tǒng)集成化，進一步實現(xiàn)模塊化制造。根據(jù)電機功率的大小，選擇需要并聯(lián)的電容器數(shù)量En，通過外圍監(jiān)測電路，監(jiān)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(xiàn)升降壓，加入反饋信號實現(xiàn)智能控制［4］。電氣原理圖如圖2。充放電控制系統(tǒng)要實現(xiàn)獨立穩(wěn)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(diào)整，將儲能系統(tǒng)做到安裝簡便靈活。系統(tǒng)根據(jù)母線電壓自動調(diào)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(zhuǎn)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(fā)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(fā)電功率和電容的充電功率相等，達到一個動態(tài)平衡。當負載上升時，電能轉(zhuǎn)換為勢能，由于內(nèi)阻和線路阻抗等原因，母線電壓會產(chǎn)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(jié)能技術應用實例
起重機械是通過電網(wǎng)給三相異步電動機供電后提升重物，變頻器調(diào)節(jié)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(fā)電，反向電流經(jīng)過變頻器的直流母線，以往是用電阻器發(fā)熱消耗發(fā)電量，現(xiàn)在用超級電容模塊收集發(fā)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(jié)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(lián)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(tǒng)搭建后，現(xiàn)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(jié)電率超過50%。
4結(jié)論
超級電容模塊化生產(chǎn)，便于組裝和調(diào)試。研究結(jié)果證明，組裝的超級電容節(jié)能系統(tǒng)在起重機上應用后，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)穩(wěn)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(chǎn)規(guī)模，才能降低成本。隨著國家對節(jié)能減排越來越重視，新型節(jié)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，就會帶來重大的經(jīng)濟效益。
參考文獻
［1］高衛(wèi)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(tǒng)及應用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2014．
［4］王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g［M］．北京:機械工業(yè)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(jiān)督檢驗研究院