使用超級(jí)電容器為橋式起重機(jī)節(jié)能 摘要 本文提出了在橋式起重機(jī)交流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序 中 使用超級(jí)電容器， 將它 作為輔助存儲(chǔ)設(shè)備與主要電源并聯(lián) ，從而起到節(jié)能的作用 。一 系列 的程序 隨之 提出。該存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是 從理論 著手，使得所有設(shè)備滿足負(fù)荷需要的能力都以評(píng)分的形式得以評(píng)估，這些數(shù)值結(jié)果是為了展 示擬議的技術(shù)解決方案的可行性 以及評(píng)估其節(jié)能效果。 關(guān)鍵詞 ： 超級(jí)電容器，橋式起重機(jī)驅(qū)動(dòng)器，節(jié)能 一 、 引言 近年來(lái)，環(huán)境和能源問(wèn)題正在成為一個(gè)越來(lái)越迫切需要 解決的問(wèn)題 。這種情況導(dǎo)致可再生能源和節(jié)約能源日益 得到關(guān)注 。此外， 油價(jià)上漲也引起了最終用戶對(duì)節(jié)約能源的重視，因?yàn)檫@同時(shí)意味著節(jié)約金錢 ?；谶@個(gè)原因， 能量回收 和 儀器的高效率 ，如今 已成為 許多工程師和技術(shù)人員研究的對(duì)象。 歐洲 組織 ，連同它的會(huì)員國(guó)，已 啟動(dòng) 了一個(gè)節(jié)能 計(jì)劃。在歐盟，從 2005 年到 2020 年約 20的能源 消耗 量 將被節(jié)約 ， 以致于每年可節(jié)省 約 60 億歐元。 這筆 節(jié)省 很可觀 ，特別是有關(guān)工業(yè)驅(qū)動(dòng)器。電氣傳動(dòng)效率的提高可與存儲(chǔ)設(shè)備的使用 聯(lián)系起來(lái) 。 他們的使用帶來(lái)的好處主要是 全球效率的增加 和功率的平滑以及在負(fù)載周期的一些間隔里回收能量的可能性。 不同的存儲(chǔ)設(shè)備都可以使用。從外部特征來(lái)看，它們之間的區(qū)別 在于 具體能量值 的差異 。很顯然，存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案取決于所考慮的應(yīng)用程序。 近年來(lái)新的電化學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)已 在 開(kāi)發(fā)當(dāng)中，超級(jí)電容器正變得越來(lái)越有趣。 當(dāng)短時(shí)間內(nèi)需要高能量時(shí)， 他們的高密度 能量 使他們 很具有 吸引力。 此外，他們的特點(diǎn)是互補(bǔ)的傳統(tǒng)鉛酸電池，因此，可以說(shuō)，對(duì)于許多應(yīng)用中，這兩種技術(shù)的耦合會(huì) 變得 非常有趣。為了顯示上述互補(bǔ)， 見(jiàn)圖 1。 圖 1 電池和電化學(xué)電容器的 作用 范圍 到 現(xiàn)在 ，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 確定， 超級(jí)電容器 和 電化學(xué)電池一起使用減少了 電池 重量 并延長(zhǎng)了 電池的 壽命 ，因?yàn)槌?jí)電容器 具有 提供電流峰值 而 無(wú)老化現(xiàn)象的能力。 除此之外， 因?yàn)?其 內(nèi)阻低，他們 能夠在制動(dòng)操作時(shí) 恢復(fù)電能，效率高于電化學(xué)電池。這兩個(gè)裝置之間的電力能源流動(dòng)的管理用 DC - DC 開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器可以很容易地實(shí)現(xiàn)?；谶@ 個(gè)原因， 能夠獲得 短期復(fù)蘇和峰值功率補(bǔ)償 的超級(jí)電容器在 工業(yè)應(yīng)用 領(lǐng)域 的吸引力大大 增加。 存儲(chǔ)設(shè)備一個(gè)有趣的應(yīng)用是 以起吊裝置為 代表的， 事實(shí)上，這種裝置 理論上需要的能量是零，因?yàn)?起吊一個(gè)重物所需的 引力能量 相當(dāng)于重物降落時(shí)返還的能量 。在這種理想狀態(tài)下，一個(gè) 合適 大小的存儲(chǔ)系統(tǒng)的唯一存在可以確保核電廠 在無(wú)能源消耗情況下工作 。遺憾的是過(guò)程中 有損失， 使得這種理想狀態(tài) 不可能 實(shí)現(xiàn) ， 但 顯然 可以 利用 這種裝置 的存儲(chǔ)系統(tǒng)。 目前， 用來(lái) 移動(dòng)橋式起重機(jī)負(fù)荷 的 傳統(tǒng)電氣機(jī)械 是在 鎮(zhèn)流電阻 器上使用剎車。該負(fù)荷 移動(dòng)的動(dòng)能 可 被部分回收在 存儲(chǔ)設(shè)備 內(nèi) ，而不 是消退。這種能量可 在下次橋式起重機(jī)提升中被 再次使用 ，從而減少了所需的能量 。 本文介紹了在橋式起重機(jī) 上 應(yīng)用的超級(jí)電容器 的 尺寸。作為輸入所需要的 功率來(lái)設(shè)置 該設(shè)備的尺寸，以便最大程度地 獲得 系統(tǒng)的整體效率。 尺寸設(shè)置 過(guò)程說(shuō)明了如何選擇超級(jí)電容器電容和 DC - DC 電源轉(zhuǎn)換器的 等級(jí) 。 二 、 體系及建模 本文分析 的 系統(tǒng)是一個(gè)橋式起重機(jī)。 實(shí)際 上，在驅(qū)動(dòng)橋 式 起重機(jī)時(shí) 可能的配置如下： 1、將 馬達(dá)通過(guò)接觸器和斷路器的手段直接連接到電網(wǎng) ； 2、在馬達(dá)上使用逆變器 在第一個(gè)解決方案 中 ，示意圖 如 圖 2，通常使用 一個(gè) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。兩種不同的 速度 是 由兩個(gè)不同數(shù)量繞組的對(duì)極定子 來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 通過(guò)接觸器使得兩個(gè)方向 工作 的可能性得以實(shí)現(xiàn)。 開(kāi)始 時(shí) 總是發(fā)生在額定電壓，初始電流非常高，加速貨物不能得到控制，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中 得到定義。一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以平行于主網(wǎng)添加， 用于 積極連接前端逆變器。存儲(chǔ)系統(tǒng) 可以減少啟動(dòng)階段的耗能，并且可以節(jié)約減速時(shí)的耗能。 圖 2 平行于有接觸器的橋式起重機(jī)插入超級(jí)電容器 在第二個(gè)解決方案中，如圖 3， 配有一個(gè)逆變器和異步電動(dòng)機(jī)。使用 逆變器可以輕松 地獲得 速度調(diào)節(jié) 及 運(yùn)動(dòng)方向 的轉(zhuǎn)變 。此外，轉(zhuǎn)矩和電流 得 到控制，隨之而來(lái)的優(yōu)點(diǎn)還有 機(jī)械應(yīng)力和系統(tǒng)效率。存儲(chǔ)系統(tǒng)可以連接上逆變器 的 直流母線，并允許能源節(jié)約和調(diào)峰。 圖 3 平行于變頻驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)插入超級(jí)電容器 在 南波 費(fèi)德里科 大學(xué)機(jī)電工程系的實(shí)驗(yàn)室里 ， 一項(xiàng) 測(cè)試系統(tǒng) 正在啟動(dòng) 。該測(cè)試實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī) 沒(méi)有 從傳統(tǒng)的變頻 來(lái) 啟動(dòng) ，鑒于 這個(gè)原因， 圖 2 的配置 被選中。該超級(jí)電容器是通過(guò)一個(gè)雙級(jí)轉(zhuǎn)換器的方法耦合到網(wǎng)絡(luò) 上 。 這個(gè)過(guò)程 是一個(gè)傳統(tǒng)的逆變器鎖相環(huán)算法，同時(shí) 運(yùn)行 DC - DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)控制功率交換的超級(jí)電容器。目前，該系統(tǒng)正在建設(shè)， 基于這個(gè)原因，只有數(shù)值 結(jié)果被公布。 DC - DC 轉(zhuǎn)換器 的 使用見(jiàn)圖 4。 圖 4 DC - DC 轉(zhuǎn)換器連接的超級(jí)電容器 這種配置被選中是因?yàn)槌?jí)電容器電壓比直流母線電壓低，如下面的 報(bào)告 。該轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器使用時(shí)， 接通 S2 和 D1， 能量 從超級(jí)電容器和 驅(qū)動(dòng)器 流出 ， 而當(dāng) 它作為一個(gè) 降壓轉(zhuǎn)換器 使用時(shí)，接通 S1 和 D2， 超級(jí)電容器吸取電網(wǎng) 能量進(jìn)行 充電。 這個(gè) 過(guò)程 通常是 由發(fā)電機(jī)組發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過(guò)交流變頻器的整流裝置，轉(zhuǎn)換成直流電源 DC， DC 電源通過(guò)交流變頻器中的變頻裝置，將 DC 電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可控的交流電 源 AC，用于驅(qū)動(dòng)起升、大車或者小車機(jī)構(gòu)；將超級(jí)電容并聯(lián)在 DC 電源總線上，利用DC 總線監(jiān)測(cè)電壓變化范圍，在電壓上升時(shí)充電，在電壓下降時(shí)放電，隨著超級(jí)電容不斷放電，其端電壓下降， DC 總線電壓跟著下降，當(dāng)檢測(cè)到此電壓低于發(fā)電機(jī)組的電源整流電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)組開(kāi)始參與供電，在制動(dòng)時(shí)反饋電能給超級(jí)電容，超級(jí)電容不斷得到反饋的能量的充電，又不斷地釋放電能 。 三、 數(shù)值模擬 為 橋式起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)器 配備 超級(jí)電容 器的設(shè)想 已經(jīng)由以前的仿真數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬，電機(jī)從靜止開(kāi)始， 然后加速 到 150 弧度 /秒， 持續(xù) 8 秒， 然后 停止（ K1 和 K2 打開(kāi)）， 直 到重物 達(dá)到 2.2 米的高度 ，然后接觸器 K2 閉合 ，開(kāi)始下坡的開(kāi)銷， 事實(shí)上， 線性位置 降低， 角度速度 改變， 這一階段的特點(diǎn)是再生制動(dòng)，其實(shí) 當(dāng) 電力變?yōu)樨?fù)數(shù) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 變?yōu)?同符號(hào)。 速度，位置和轉(zhuǎn)矩圖都顯示在 圖 5 和 6 中。 圖 5 馬達(dá)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷線性位置 圖 6 電磁轉(zhuǎn)矩的異步電機(jī) 根據(jù)前幾節(jié)中給出的考慮，該參考線有功功率等于 3.4 千瓦。 DC DC 轉(zhuǎn)換器 控制 超級(jí)電容器 放電， 保持 能量 接近其參考值（圖 7）。經(jīng)過(guò) 9s 后電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置將過(guò)量的 動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能， 正如所看到的， PLoad 是 負(fù)值 。在 電機(jī)制動(dòng) 階段，超級(jí)電容器存儲(chǔ) 能量進(jìn)行 充電。這個(gè)效果 明顯顯示，當(dāng)制動(dòng)開(kāi)始時(shí)， 超級(jí)電容器電壓增加，如圖 8。如果發(fā)動(dòng)機(jī)是由線直接供應(yīng)能量，則 PLine 將等于 PLoad。由于 PLoad 峰值約為 50 千瓦， 則 Line 能量峰值將減少 90。 圖 7 電氣負(fù)載和線路瞬時(shí)有功功率 圖 8 超級(jí)電容器和直流電壓鏈接 在 裝有 超級(jí) 電容器 的情況下，提供的能量線性增加，由于 PLine幾乎不變。在 提升結(jié)束時(shí) ，總輸入能量為 21.7Wh，其 中 超級(jí)電容器提供 了 12Wh， E（ SC） dis，交流電源 提供了 9.7Wh， E（ S） dis。在這一階段的機(jī)械和電氣 能量損耗 分別為 5.14Wh 和 4.76Wh。 作為負(fù)載勢(shì)能存儲(chǔ)的 能 量 等于 11.86 瓦。在 能量轉(zhuǎn)化的最后 ，起重電機(jī) 停止 ，超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ) 為 6Wh， 由 交流電源 提供的能量為 10Wh。 在貨物降落的最后 ，總輸入能量等于 19.86 瓦，其 中 11.86Wh 是 由 負(fù)載的勢(shì)能 提供的， 交流電源供應(yīng) 8Wh。 這一階段的機(jī)械和 電氣 能源損失分別 為5.86Wh 和 2WH。因此，在超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量實(shí)際上等于 12Wh，這意味著他們正在重新充電到他們的啟動(dòng)電壓。 四、結(jié)論 這篇文章的重點(diǎn)是存儲(chǔ)系統(tǒng)在提升機(jī)械的應(yīng)用。 特別 是 分析了使用超級(jí)電容器 的循環(huán)模