輪胎式起重機柴油機改電動驅動

彭云輝

(天津港第一港埠有限公司，天津 300451)

1 輪胎式起重機油改電驅動系統

1.1 供電模式

起重機械混合動力系統設計主要以起重機械既有動力模式為前提條件，供電模式即柴油發電機組或網電通過儲能單元供電；發電機組或儲能單元結合供電；網電與儲能單元結合供電；燃料電池與儲能單元結合供電。

1.2 儲能裝置與能量控制系統結構

所謂儲能裝置選擇以超級電容器為主，其屬于新型儲能元件，是一般電容器與電池間交互的儲能元件。電容器獲得高儲能密度的方法包含2種，即基于容量不變，提升耐壓；基于耐壓不變，增加容量，超級電容則是通過增加電容器容量，實現較高儲能密度。利用多孔電極，促使電極單位體積的有效面積最大化，并適度縮小電極間距離，直到納米尺度，以此生成較大電容。

能量控制系統主要由雙向DC/DC變換器組成，其作用體現在銜接直流母線與超級電容器層面。直流母線檢測遇到電能反饋時，其電壓會呈現直線上升趨勢，在達到既定限定狀態時，超級電容器就會面向能量控制系統存儲電能資源，系統運行需要消耗能量時，電機則發揮作用進行能量補充。而直流母線電壓開始下降時，超級電容器便會將儲存的能量釋放出來，這時控制系統就會獲取一定的能量反饋。然后在起重機下放時，超級電容器可為后續上升儲存充足能量，以備使用。

1.3 電驅動系統結構

超級電容器可在很大程度上滿足混合動力系統儲能裝置選擇需要，此部件與起重機上升、下降、啟動、制動等運行條件相符，能夠快速準確吸收與釋放能量，因此超級電容器是最理想，且可在很大程度上滿足需要的儲能裝置。混合動力系統為回收與可循環利用再生制動能量，需要于系統內合理分配超級電容器的具體數量與容量。

柴油發電機和超級電容器作為系統的動力，超級電容器儲存可再生能源，與柴油發電機共同作用，為起重機提供電能。工作電機主要應用在輪胎式起重機起重、變幅、旋轉等動作驅動過程中。變頻器與能量管理體系是基于IGBT模塊生成的，以變頻器為載體可面向起重機工作機構速度進行適度調節，從而實現對超級電容充電與放電過程的有效控制，二者基于DSP控制系統，在很大程度上加強了對于IGBT通斷的科學合理控制，獲得了良好成效。而信號檢測系統包含電壓、電流傳感器，信號放大器、濾波電路等，負責實時全面檢測直流母線電壓、超級電容、工作機構等相關信號，同時面向DSP進行傳輸，以此作為控制系統參考依據，從而給出相應控制動作。DSP控制系統為混合動力系統核心所在，基于信號接收檢測系統進行信號傳輸，以系統供電原理為輔助加以評估決策，并生成控制指令，進而實現對控制變頻器與能量管理系統通斷狀態的有效控制，以獲得良好的調速與充放電控制效果。

2 混合動力輪胎式起重機系統

發電機組與儲能裝置相互串聯而成的混合動力系統，即基于柴油發電機組驅動交流變頻起重機，設計了以超級電容為載體的混合動力系統。系統包含主電路與控制電路，主電路則包含柴油發電機組、超級電容器、雙向DC/DC變換器、三相異步電動機等多元模塊；系統控制部分則主要由超級電容充電放電控制系統與變頻調速系統組成。

柴油發電機的輸出能量主要用于提供整流后的交流異步電動機驅動負載，如果有備用發電，則存儲在超級電容器中。同時，起重機在降低重量、降低幅度或動作機構制動時產生的再生能量也存儲在超級電容器中。在起重機啟動、上升、下降時，發電機所提供電能無法滿足需要的情況下，超級電容器則快速釋放能量，與發電機共同作用，同時為起重機提供能量。

3 混合動力輪胎式起重機系統控制策略

3.1 電動狀態控制

基于節能層面，超級電容器儲能裝置的增設，主要是為了給發動機發電機組提供一定的輔助電源支持，以促使發動機額定功率有所下降。其中，發動機負責提供平均功率，而超級電容提供短期高功率和大電流，以滿足負荷的短期高功率需求。在電壓模式下，超電容器系統的放電目標應保持母線電壓恒定，維持母線的額定電壓。放電電流則基于電壓外圈與電流內圈進行雙重控制。通常情況下，在電壓模式下，放電電流相對偏大。而于功率模式下，發動機轉速到達額定轉速狀態，發電機組則與超級電容器共同發揮作用提供電能資源。這時，超級電容器放電功率應就發動機發電機所供給電能和超電容器的儲能狀態來確定。

3.2 回饋及其等待狀態控制

電動機調速與電力電子裝置可靠性運行，明確指出母線電壓必須保持穩定，且變化范圍需嚴格控制。所以，系統能量反饋時，超級電容器需就能量反饋對吸收功率進行科學合理調整，所謂吸收功率檢測主要基于母線電壓作為重要依據，較高的母線電壓表明反饋功率被及時吸收，較低的母線電壓表明反饋功率吸收過快，應降低吸收功率。

3.3 空閑狀態控制

在怠速狀態下，起重機機構不動，發動機應回到空轉狀態，以節省燃料。當系統處于怠速狀態時，將顯著提高燃油節約率；當系統處于空轉狀態時，發動機能否恢復空轉速度取決于超電容器的儲能是否充足。如果超電容器電壓低于設定值，發動機依舊保持固定速度運轉，且基于發動機發電機組面向超級電容器提供電能，這時轉變充電方式為恒流充電方式。一旦超級電容器的電壓超出設定值，并且工作機構并未配置相應的操作說明，那么發動機將會迅速返回到空閑狀態，保持待機。

3.4 預充電與啟動控制

在起重機運行前，應通過發動機-發電機組和雙向DC/DC變換器對超電容器進行預充電。充電方式采用恒流充電方式。在系統運行過程中，當起重機由空轉到第一個工作狀態時，發動機初始狀態為空轉，需要迅速以固定速度及時開啟發動機。但是此過程會持續大約5s的時間，在發動機提供電壓影響下不斷上升。在此環節，此裝置無法為系統提供電能，為保證起重機系統可準確及時響應操作指令，此階段儲能系統主要以雙向DC/DC變換器為載體來維持總線電壓不變。當檢測到發電機電壓達到額定電壓后，根據上述工作狀態在不同工作狀態下的控制策略，對超電容器儲能裝置的工作模式進行控制。

4 結語

綜上所述，本文詳細分析了交流變頻調速系統、起重機電驅動系統以及雙向DC/DC變換器，設計了交流變頻輪胎式起重機混合動力系統。此系統中，容量配置合理的超級電容可有效吸收系統所生成再生能量，且基于發電機怠速狀態時，供電電動機啟動，同時可與發電機有機結合，構成系統功能能量來源。