專利名稱：調(diào)速節(jié)油柴油發(fā)電機(jī)組供電輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，特別涉及一種采用變速運(yùn)行柴油發(fā)電 機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電和超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)能量緩沖和部分回收的節(jié)能環(huán)保新型輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)。
背景技術(shù)：
作為交流供電常用、備用和應(yīng)急發(fā)電用的柴油發(fā)電機(jī)組被廣泛的應(yīng)用于港口、船 舶、通訊等眾多領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，很大一部分柴油發(fā)電機(jī)組是作為移動(dòng)設(shè)備的工作電 源，用以拖動(dòng)可再生發(fā)電類負(fù)載(如在港口領(lǐng)域集裝箱碼頭應(yīng)用非常廣泛的輪胎式門式集 裝箱起重機(jī))。在這些移動(dòng)設(shè)備中，其龐大的柴油發(fā)電機(jī)組不僅耗油高，而且噪音大、黑煙 多。特別是近年來，全球范圍內(nèi)能源供應(yīng)日趨緊張，能源價(jià)格急劇攀升，環(huán)保要求日益提高， 這種“猛喝油” “冒黑煙”現(xiàn)象已經(jīng)直接制約了影響我國(guó)乃至全球交通行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā) 展。常規(guī)的輪胎式門式集裝箱起重機(jī)一般采用300KW 600KW主柴油發(fā)電機(jī)組供電， 只要處于工作狀態(tài)，無論是否起降集裝箱，發(fā)電機(jī)組都處于運(yùn)行狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示場(chǎng)橋平 均每月運(yùn)行400小時(shí)，空載運(yùn)行近200小時(shí)，空載率高達(dá)50%以上，即使在非空載工況下，也 僅在起升過程中需要提供額定功率。另外，輪胎式門式集裝箱起重機(jī)在發(fā)展中還面臨裝機(jī)容量太大的問題，這主要是 由于所選的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足提升瞬間的大量能量需求，這使得其選型越來越困難，也 進(jìn)一步增加了小負(fù)荷工作時(shí)的耗能和排放。下放時(shí)多余的能量釋放到制動(dòng)電阻，也使得整 機(jī)的熱污染進(jìn)一步加重。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決上述問題，本實(shí)用新型的任務(wù)是提供一種新的利用變速運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī) 組實(shí)現(xiàn)供電和超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)能量緩沖和部分回收的節(jié)能環(huán)保新型輪胎式龍門集裝箱起重 機(jī)，通過降低低負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和利用超級(jí)電容組實(shí)現(xiàn)緩沖和部分儲(chǔ)能，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能 和降低排放的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的一種輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，該輪胎式 龍門集裝箱起重機(jī)采用變速運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電，包括起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和大車 機(jī)構(gòu)；其特征在于，所述輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)可以根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)組 的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，還包括電氣系統(tǒng)，該電氣系統(tǒng)包括柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、 電力電子可逆整流裝置、超級(jí)電容組、變頻器、中央控制單元、柴油機(jī)調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器， 設(shè)備運(yùn)行中需要的交流能量由電力電子逆變?cè)O(shè)備實(shí)現(xiàn)；由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其 調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝 置轉(zhuǎn)換為直流電源，直接通過直流供電供給拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)換為 頻率可調(diào)的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)；[0007]所述超級(jí)電容組并聯(lián)在直流側(cè)母線上，用于在負(fù)載增大時(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)提速的緩沖 能量和用于在直流母線功率短時(shí)間內(nèi)增加速率超過閾值時(shí)提供混合動(dòng)力，該超級(jí)電容組由 多臺(tái)電壓等級(jí)為125V以下的超級(jí)電容單體串聯(lián)而成，所述超級(jí)電容單體的電容量為200 法拉以下，由它構(gòu)成的超級(jí)電容組的總電容量在10法拉以下即可滿足工況需求；受限于超 級(jí)電容的制作工藝，現(xiàn)在使用的超級(jí)電容組一般由多臺(tái)電壓等級(jí)為48V的超級(jí)電容單體串 聯(lián)而成，其超級(jí)電容單體的電容量為80法拉，如果將下放過程的能量全部由超級(jí)電容組吸 收，設(shè)下放距離為13米，當(dāng)下放40噸箱時(shí)，不考慮能量損失，則其下放勢(shì)能為5096000J，電 容組工作電壓在逆變器保護(hù)低電壓和高電壓之間，不是一般性設(shè)為600V 800V，則所需要 的電容量為36. 4F。為了滿足需求的工作電壓，需要將電容單體串聯(lián)再并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，則需要將 17個(gè)電容單體串聯(lián)以滿足電壓需求，這使得每一回路電容量為4. 71F，欲全部吸收下放能 量需要136個(gè)電容單體才能實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)用新型的方案中采用一組17個(gè)電容串聯(lián)，可以提供4. 71F電容量，其儲(chǔ)存 的能量為659400J，設(shè)上升速度為20m/min，則可以提供其上升1. 69m折合5. 13s的能量緩 沖時(shí)間，該時(shí)間遠(yuǎn)大于柴油機(jī)組的時(shí)間常數(shù)，從而可以大幅削減成本同時(shí)滿足系統(tǒng)正常運(yùn) 行需求。設(shè)電容單體價(jià)格為5000元，則僅此一項(xiàng)節(jié)約成本60萬左右。一般可以通過電流電壓電流測(cè)量設(shè)備如霍爾原件測(cè)量直流母線電壓電流，進(jìn)而在 該控制環(huán)節(jié)中計(jì)算母線功率，以此母線功率作為調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速依據(jù)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給 定通過1939總線接口給定，為了實(shí)現(xiàn)在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩的匹配，可以通過中央控 制單元給定電力電子可逆整流器交流側(cè)電流進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可提 供的轉(zhuǎn)矩始終大于整流器的轉(zhuǎn)矩值，為了實(shí)現(xiàn)在負(fù)載波動(dòng)加大時(shí)柴油機(jī)組不至于由于轉(zhuǎn)矩 太大而導(dǎo)致熄火，當(dāng)負(fù)載短時(shí)間內(nèi)較大波動(dòng)時(shí)可以快速給出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加命令，與此同 時(shí)由超級(jí)電容組實(shí)現(xiàn)提升工況的能量供給。這樣可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力在較 短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定值，從而確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述的超級(jí)電容單體配有溫度接口，溫度信號(hào)接入 中央控制單元以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容組的監(jiān)控和保護(hù)。作為本實(shí)用新型的另一種改進(jìn)，所述的電力電子可逆整流裝置為三相可逆橋式 PWM整流電路，包括由絕緣柵極雙極型晶體管IGBT和其并聯(lián)的續(xù)流二極管構(gòu)成，通過控制 絕緣柵極雙極型晶體管IGBT開關(guān)的通斷時(shí)機(jī)和調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控制直流側(cè)電壓和電流。對(duì)于由變速發(fā)電機(jī)組發(fā)出的非工頻三相交流電，經(jīng)由電力電子可逆整流設(shè)備實(shí) 現(xiàn)整流運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為直流電后供給直流母線，該電力電子整流裝置包括由絕緣柵極雙極型 晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極管構(gòu)成的PWM橋式全控可逆整流電路，電機(jī)內(nèi)線圈的 電感作為該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須的感性負(fù)載，使其電流不會(huì)隨電壓工作于開關(guān)狀態(tài)，濾除交流測(cè) PWM諧波電流，同時(shí)可以隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)和整流器交流側(cè)電壓，由此構(gòu)成電壓型PWM整流器 (VSR)。該電路即可工作于整流狀態(tài)，又可工作于逆變狀態(tài)，以發(fā)電機(jī)為負(fù)載，則可視為拖動(dòng) 同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)工作于不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(由該電力電子設(shè)備控制)下，可以實(shí)現(xiàn) 再生制動(dòng)工況運(yùn)行，通過二極管向直流側(cè)供電。作為本實(shí)用新型的又一種改進(jìn)，所述的超級(jí)電容組同放電電阻配合使用，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)于電容組的保護(hù)。在該機(jī)構(gòu)中包含放電用晶體管，放電電阻和二極管，放電電阻的接通由放電用晶體管控制，其通斷由電壓檢測(cè)電路完成。電壓檢測(cè)電路直接檢測(cè)電容兩端電壓，當(dāng)被測(cè)值超 過允許值時(shí)，觸發(fā)發(fā)電用晶體管導(dǎo)通，電容上的電荷經(jīng)過放電電阻釋放，使電壓降低。該放 電電壓值依據(jù)逆變用變頻器的不同類型有不同的值，但在設(shè)計(jì)中都小于超級(jí)電容工作的安 全電壓上限，大于正常工況下的超級(jí)電容的工作電壓上限。作為本實(shí)用新型的再一種改進(jìn)，所述的發(fā)電機(jī)組由可變速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)采用工程機(jī)械用柴油機(jī)，針對(duì)不同的負(fù)載需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)行，其 速度將通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車用CAN1939協(xié)議口寫入實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。這樣可以實(shí)現(xiàn)在不同的 運(yùn)轉(zhuǎn)速度下柴油機(jī)的燃燒和排放狀況的更優(yōu)，同時(shí)，工程機(jī)械用柴油機(jī)可實(shí)現(xiàn)良好的在不 同速段的速度控制。驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、大車機(jī)構(gòu)行走電機(jī)和小車機(jī)構(gòu)行走電機(jī)的變頻器直接連接到 直流母線上，工作于直流供電狀態(tài)，可工作于逆變狀態(tài)也可工作于再生制動(dòng)狀態(tài)，逆變狀態(tài) 時(shí)能量由直流母線提供給各負(fù)載，當(dāng)工作于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)將能量反饋到直流母線 上，母線電壓在電壓變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)高于超級(jí)電容組可靠工作電壓范圍時(shí)，可以通過制 動(dòng)電阻釋放能量保護(hù)超級(jí)電容組。所述的變頻器連接到直流母線上，用于提供恒頻恒壓的交流源，實(shí)現(xiàn)RTG設(shè)備運(yùn) 行需要的，主要包括控制系統(tǒng)工作電源，照明電源和交流供電的其他電機(jī)(如轉(zhuǎn)場(chǎng)油泵電 機(jī)等)。本實(shí)用新型的輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)利用變速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組拖動(dòng)，配合 超級(jí)電容來實(shí)現(xiàn)按照功率需求來決定柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行速度的智能變速柴油發(fā)電機(jī)組。對(duì)于一直工作于額定轉(zhuǎn)速的柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)工作于低負(fù)荷狀況下其效率將變得 很低，根據(jù)已有研究結(jié)果，對(duì)于20 %的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載而工作于全速下的柴油機(jī)其效率僅能達(dá)到 11%，而在100%負(fù)載下其效率高達(dá)32%，柴油機(jī)的損失為20%負(fù)載下的80%和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載 下的60%，可見在恒速下柴油機(jī)的效率直接同其負(fù)載相關(guān)?？梢姴裼蜋C(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中在低負(fù)荷 時(shí)穩(wěn)定在較低轉(zhuǎn)速是非常重要的，可以大幅提高經(jīng)濟(jì)性，另外當(dāng)勢(shì)能負(fù)載下放時(shí)所或回饋 的能量也可以通過加裝儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)得到回收利用，但在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)中過多的儲(chǔ)能單元設(shè)置會(huì)增 加投資和設(shè)備自身重量，而使得這樣的節(jié)能方案得不償失，為此在本實(shí)用新型中使用超級(jí) 電容組來實(shí)現(xiàn)起升時(shí)的混合動(dòng)力供給，其目的是為柴油機(jī)組提速提供足夠的時(shí)間。使用該實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是使得柴油發(fā)電機(jī)組可以在不同的負(fù)載情況下依據(jù)能量 需求狀況選擇不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在全程內(nèi)在其節(jié)油的最佳工況運(yùn)行，而 對(duì)于原有的提升瞬間的功率短時(shí)間內(nèi)的迅速增加，通過增加的超級(jí)電容組可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這一 工況的滿足。這使得能夠在不改變現(xiàn)場(chǎng)工況的情況下實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)傳遞，另一方面由于 柴油機(jī)的提速變得平緩可以進(jìn)一步的減少排放。 采用該實(shí)用新型還可以進(jìn)一步減小柴油機(jī)組的裝機(jī)容量，同時(shí)超級(jí)電容組的蓄能 作用使得原來的頻繁通過制動(dòng)電阻發(fā)熱耗能的情況大大減少，減少了整機(jī)的熱污染，大大 改善輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，其環(huán)保效果顯著，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效 益明顯增加。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、減少了機(jī)組的裝機(jī)容量。由于超級(jí)電容在提升瞬間的電能提供，使得原來選型 中影響裝機(jī)容量的“瓶頸”，即起升瞬間的能量提供問題獲得了很好的解決，使得整個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量大幅下降，一方面減少了用戶的裝機(jī)開支，另一方面減少了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗。2、突出的節(jié)能效果。一方面來源于較小裝機(jī)容量帶來的能耗降低，另一方面來源 于按照負(fù)載調(diào)速運(yùn)行帶來的效率的提高，同時(shí)由于超級(jí)電容儲(chǔ)存的重物下方的勢(shì)能和柴油 機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的能量，使得整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果十分突出。3、較少環(huán)境污染。整機(jī)的容量減少必然導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生的油耗、噪音和熱量等的大 為減??；另外系統(tǒng)工作是大部分情況下工作于怠速狀況，使得其排放和熱污染進(jìn)一步減?。?同時(shí)超級(jí)電容的設(shè)置使得系統(tǒng)運(yùn)行平緩，不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)機(jī)組起升機(jī)構(gòu)上升時(shí)的冒黑煙現(xiàn)象。在該方案中，超級(jí)電容將主要作為起升瞬間的能量緩沖，用于解決起升瞬間負(fù)荷 快速增長(zhǎng)帶來的機(jī)械設(shè)備響應(yīng)快速性不夠的問題，這樣實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的不同時(shí)間常數(shù)的匹 配。這一方案同以往的依據(jù)超級(jí)電容來實(shí)現(xiàn)單純的儲(chǔ)能節(jié)能的作用有很大不同，緩沖能量 僅需要提供上升瞬間的額外能量需求，在這一時(shí)刻柴油發(fā)動(dòng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速下，這樣可以 為發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大轉(zhuǎn)矩。相對(duì)于單純的儲(chǔ)能方案，極大的減少了超級(jí)電容組的容量。這可 以有效的節(jié)約一次投入的成本，同時(shí)配置的電容的減少也使得整機(jī)重量下降，減少了行走 時(shí)的損耗。

圖1是本實(shí)用新型的一種利用變速運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電和超級(jí)電容實(shí)現(xiàn) 能量緩沖和部分回收的節(jié)能環(huán)保新型輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)的電氣系統(tǒng)配置示意圖；圖2是柴油機(jī)組的不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩曲線，功率曲線和耗油率曲線；圖3是三相可逆整流PWM電路工作于電容充電模式下的一種電流回路原理圖；圖4是三相可逆整流PWM電路工作于電容放電模式下的一種電流回路原理圖；圖5是中央控制器能量判別控制原理圖；圖6是超級(jí)電容組配合放電電阻的原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一種利用低速運(yùn)行柴油機(jī)組和超級(jí)電容儲(chǔ)能緩沖單元的節(jié)能式輪 胎式龍門集裝箱起重機(jī)，它的主要工作機(jī)構(gòu)有起升機(jī)構(gòu)，小車機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)，由可調(diào)速運(yùn) 行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制 的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，直接通過直流供電供給拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的變頻 器，將直流電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起升、大車和小車機(jī)構(gòu)。用于負(fù)載波 動(dòng)時(shí)能量緩沖的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元并聯(lián)在直流母線上，用于在負(fù)載增大時(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)提速 的緩沖能量和實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行中需要的交流能量由電力電子逆變?cè)O(shè)備實(shí)現(xiàn)。由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過用于柴油 發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，作為全車運(yùn)行的能量來 源，本實(shí)用新型中采用的發(fā)電機(jī)組由可變速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不采用常規(guī)集成 的發(fā)電用兩段速穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)電機(jī)組配套發(fā)動(dòng)機(jī)，而采用工程機(jī)械用柴油機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn) 在不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下柴油機(jī)的燃燒和排放狀況的更優(yōu)，同時(shí)工程機(jī)械用柴油機(jī)可實(shí)現(xiàn)良好 的在不同速段的速度控制，在本實(shí)用新型中其速度將通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車用CAN1939協(xié)議口寫入實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。對(duì)于由變速發(fā)電機(jī)組發(fā)出的非工頻三相交流電，經(jīng)由電力電子可逆整流設(shè)備實(shí) 現(xiàn)整流運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為直流電后供給直流母線，該電力電子整流裝置包括由絕緣柵極雙極型 晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二極管構(gòu)成的PWM橋式全控可逆整流電路，電機(jī)內(nèi)線圈的 電感作為該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須的感性負(fù)載，使其電流不會(huì)隨電壓工作于開關(guān)狀態(tài)，濾除交流測(cè) PWM諧波電流，同時(shí)可以隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)和整流器交流側(cè)電壓，由此構(gòu)成電壓型PWM整流器 (VSR)。該電路即可工作于整流狀態(tài)，又可工作于逆變狀態(tài)，以發(fā)電機(jī)為負(fù)載，則可視為拖動(dòng) 同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)工作于不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(由該電力電子設(shè)備控制)下，可以實(shí)現(xiàn) 再生制動(dòng)工況運(yùn)行，通過二極管向直流側(cè)供電。直流側(cè)母線并聯(lián)超級(jí)電容組，該超級(jí)電容組同拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)的變頻器內(nèi)的電容組并 聯(lián)構(gòu)成能量?jī)?chǔ)存裝置，通過檢測(cè)該直流母線上的電流電壓，通過中央控制環(huán)節(jié)可以實(shí)時(shí)計(jì) 算其功率狀況，以功率變化狀況作為柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速依據(jù)，通過轉(zhuǎn)速給定實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在 不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，通過轉(zhuǎn)矩控制使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于該轉(zhuǎn)速允許的轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)，通過轉(zhuǎn) 速同轉(zhuǎn)矩的結(jié)合計(jì)算并考慮到一定的能量損失來實(shí)現(xiàn)同需求能量的匹配。超級(jí)電容組的作用主要有以下兩個(gè)方面1、最主要是作為能量緩沖裝置，這是由 RTG設(shè)備的運(yùn)行特性決定的，當(dāng)進(jìn)行提升動(dòng)作時(shí)，需要柴油發(fā)電機(jī)組快速反應(yīng)，在最短時(shí)間 內(nèi)提速到額定轉(zhuǎn)速以提供最大能量，柴油機(jī)組的響應(yīng)特性有較大延遲，為此使用超級(jí)電容 組實(shí)現(xiàn)在非提升工況下的儲(chǔ)能運(yùn)行，在提升時(shí)由超級(jí)電容組實(shí)現(xiàn)提升初期的部分功率供 給，進(jìn)而提供柴油機(jī)組的加速需要時(shí)間。2、當(dāng)工作于提升工況時(shí)由超級(jí)電容組和柴油機(jī)實(shí) 現(xiàn)混合動(dòng)力運(yùn)行，這樣可以有效的減少柴油機(jī)組裝機(jī)容量，減少柴油機(jī)組運(yùn)行時(shí)的損耗。驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、大車行走電機(jī)和小車行走電機(jī)的變頻調(diào)速裝置直接連接到直 流母線上，工作于直流供電狀態(tài)，可工作于逆變狀態(tài)也可工作于再生制動(dòng)狀態(tài)，逆變狀態(tài)時(shí) 能量由直流母線提供給各負(fù)載，當(dāng)工作于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)將能量反饋到直流母線上， 母線電壓在電壓變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)高于超級(jí)電容組可靠工作電壓范圍時(shí)，可以通過制動(dòng) 電阻釋放能量保護(hù)超級(jí)電容組。對(duì)于RTG設(shè)備運(yùn)行需要的交流電源，可以通過連接到直流母線上的逆變裝置提供 恒頻恒壓的交流源來實(shí)現(xiàn)，將主要包括控制系統(tǒng)工作電源，照明電源和交流供電的其他電 機(jī)(如轉(zhuǎn)場(chǎng)油泵電機(jī)等)。中央控制環(huán)節(jié)由智能工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)與柴油機(jī)，同步發(fā)電機(jī)，電力電子 轉(zhuǎn)換裝置連接，它可以檢測(cè)直流回路的電流電壓狀況進(jìn)而計(jì)算其功率狀況，以此為基礎(chǔ)控 制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的設(shè)置將依據(jù)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，使其工作于 最經(jīng)濟(jì)的工況。同時(shí)將作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況的檢測(cè)和啟動(dòng)、 停止等功能。同時(shí)該中央控制環(huán)節(jié)將依據(jù)運(yùn)行工況計(jì)算所需要的勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁給定。 所述的中央控制單元應(yīng)用可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)控制功能。輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)是用于集裝箱碼頭堆場(chǎng)的一種專用集裝箱裝卸設(shè)備，它 是無固定軌道的流動(dòng)機(jī)械，利用本身的柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，供起重機(jī)上的用電設(shè)備使用。輪 胎式龍門集裝箱起重機(jī)的供電系統(tǒng)與碼頭地面電力系統(tǒng)完全隔離。一臺(tái)輪胎式龍門集裝箱 起重機(jī)通常有三個(gè)主要?jiǎng)幼鳈C(jī)構(gòu)，分別是起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)是起重 機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，通常功率在200KW以上，用于提升或下放集裝箱，提升時(shí)起升機(jī)構(gòu)耗電，由柴油發(fā)電機(jī)組供給，下降時(shí)因集裝箱下方，其勢(shì)能將轉(zhuǎn)換成電能反饋給起重機(jī)。小車機(jī)構(gòu)和 大車機(jī)構(gòu)是用于平面移動(dòng)集裝箱的機(jī)構(gòu)，功率相對(duì)較小。本實(shí)用新型由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng) 過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，直接通過直流 供電供給拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起 升、大車和小車機(jī)構(gòu)。用于負(fù)載波動(dòng)時(shí)能量緩沖的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元并聯(lián)在直流母線上，用 于在負(fù)載增大時(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)提速的緩沖能量和實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行中需要的交流 能量由電力電子逆變?cè)O(shè)備實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng) 過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，作為全車運(yùn)行 的能量來源，其速度將通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車用CAN1939協(xié)議口寫入實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，事實(shí)上 工程機(jī)械用柴油機(jī)在其轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，調(diào)速器依據(jù)外接負(fù)載的變化狀況改變其供油量。通過 CAN總線指定其轉(zhuǎn)速后，柴油機(jī)將在較小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)需要控制可逆整 流裝置施加給發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩，以避免由于轉(zhuǎn)矩大于柴油機(jī)組在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)距限制值 導(dǎo)致的柴油機(jī)滅火和電力拖動(dòng)反轉(zhuǎn)的狀況。其轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)依據(jù)為如圖2所示的轉(zhuǎn)矩曲線圖。 在某一固定速度下其轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)處于轉(zhuǎn)矩曲線下方且需考慮到系統(tǒng)能量傳遞過程中的損耗 而保有一定裕量。PWM可逆整流裝置主要包括由絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)和其并聯(lián)的續(xù)流二 極管構(gòu)成的PWM橋式全控可逆整流電路，三相電壓型PWM整流控制器共有8種開關(guān)模式，圖 3、圖4給出了其三相網(wǎng)側(cè)電流為ia > 0，ib < 0，i。> 0時(shí)工作于模式1和模式2的電流狀 況，當(dāng)工作于模式1時(shí)，通過PWM整流裝置向直流母線充電，而當(dāng)工作于模式2時(shí)，直流母線 可以拖動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行方向不變，通過改變IGBT開關(guān)狀況的占空比可以實(shí)現(xiàn)直 流側(cè)電流和電壓的調(diào)節(jié)。直流側(cè)母線并聯(lián)超級(jí)電容組，驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、大車行走電機(jī)和小車行走電機(jī) 的變頻調(diào)速裝置直接連接到直流母線上，工作于直流供電狀態(tài)，可工作于逆變狀態(tài)也可工 作于再生制動(dòng)狀態(tài)，逆變狀態(tài)時(shí)能量由直流母線提供給各負(fù)載，當(dāng)工作于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí) 機(jī)構(gòu)將能量反饋到直流母線上，母線電壓在電壓變化范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)高于超級(jí)電容組可靠 工作電壓范圍時(shí)，可以通過制動(dòng)電阻釋放能量保護(hù)超級(jí)電容組。超級(jí)電容組用作緩沖而不是完全的用作能量?jī)?chǔ)存使得超級(jí)電容組的電容量可以 大幅下降，選用的超級(jí)電容組電壓等級(jí)為48V，故需要多臺(tái)串聯(lián)以滿足電壓需求，對(duì)于本系 統(tǒng)采用17臺(tái)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，單臺(tái)超級(jí)電容參數(shù)如下電壓等級(jí)48V電容量80法拉等效內(nèi)阻(直流)12.3毫歐漏電電流3毫安 電容組配置計(jì)算過程如下如果采用電容組吸收所有下放能量(該方案在國(guó)內(nèi)已有運(yùn)用)，則需要的電容量 計(jì)算過程如下設(shè)下放距離為13米，當(dāng)下放40噸箱時(shí)，不考慮能量損失，其下放過程產(chǎn)生的勢(shì)能可計(jì)算如下E = mgh = 40000 X 9. 8 X 13 = 5. 096 X IO6J將該勢(shì)能全部吸收到超級(jí)電容組，且電容組工作電壓范圍(受限于逆變器工作電 壓范圍)設(shè)為600V 800V，則需求電容量為 單體電容選用常用的48V，80F電容，則為滿足電壓需求，每一分組需串聯(lián)電容為 800V/48V約為17個(gè)，此時(shí)每一回路電容量為80F/17 = 4. 71F。為此為了實(shí)現(xiàn)需要的電容 量需要并聯(lián)36. 4F/4.71F約8組電容組，所需電容單體數(shù)量為17X8 = 136個(gè)。在本實(shí)用新型方案中電容作為緩存能量裝置使用，不需要吸收全部下放能量，節(jié) 能主要依靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降速實(shí)現(xiàn)，為此使用17個(gè)電容單體串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，其電容量為4. 71F，可 以吸收的能量為 該部分能量轉(zhuǎn)化為勢(shì)能可以使設(shè)備上升距離為 設(shè)設(shè)備上升運(yùn)行最高速度為20m/min，不考慮上升起始階段的加速過程，僅依靠電 容組儲(chǔ)存的能量能夠提供的運(yùn)行時(shí)間為 這一時(shí)間足以為使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)加速到額定速度，從而使得在這一時(shí)間之后，柴油 機(jī)組可以具備最大的轉(zhuǎn)矩輸出能力。超級(jí)電容單體配有溫度接口，溫度信號(hào)接入中央控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容組的監(jiān) 控和保護(hù)。如圖6所示，在該機(jī)構(gòu)中包含放電用晶體管Vb，放電電阻R1, R2和二極管VDb，放電 電阻的接通由放電用晶體管Vb控制，其通斷由電壓檢測(cè)電路完成。電壓檢測(cè)電路直接檢測(cè) 超級(jí)電容C兩端電壓，當(dāng)被測(cè)值超過允許值時(shí)，觸發(fā)發(fā)電用晶體管導(dǎo)通，電容上的電荷經(jīng)過 放電電阻釋放，使電壓降低。該放電電壓值依據(jù)逆變用變頻器的不同類型有不同的值，但 在設(shè)計(jì)中都小于超級(jí)電容工作的安全電壓上限，大于正常工況下的超級(jí)電容的工作電壓上 限。該制動(dòng)電路在逆變器中作為通用配置，僅需在使用時(shí)將超級(jí)電容組并聯(lián)在直流母線上 并且依據(jù)保護(hù)要求選擇放電電阻值即可。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行中需要的交流電源由單獨(dú)的外加逆變裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置可提供恒頻 恒壓的三相交流電。中央控制環(huán)節(jié)可由PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓電流采集，功率計(jì)算和 勵(lì)磁給定等功能，而且系統(tǒng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值由該中央控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)控制，控制原理， 如圖5所示。中央控制單元根據(jù)需求功率(由直流母線側(cè)的功率)和可提供功率進(jìn)行比較， 當(dāng)功率缺口較小時(shí)，逐步提升轉(zhuǎn)速水平，而當(dāng)提升機(jī)構(gòu)提升動(dòng)作時(shí)，判斷其需求功率大于設(shè) 定預(yù)置轉(zhuǎn)速值可以提供的最大功率，則柴油機(jī)迅速加速到額定轉(zhuǎn)速，使設(shè)備能夠盡快提供CN 201619963 U
說明書
8/8頁
最大功率，這一判斷過程和柴油機(jī)的響應(yīng)延遲由超級(jí)電容組提供能量彌補(bǔ)。通過測(cè)量直流母線電壓電流，進(jìn)而在該控制單元中計(jì)算直流母線功率，并以此直 流母線功率作為調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的依據(jù)。且可以給定柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，給定電力電子可逆 整流器交流側(cè)電流，當(dāng)負(fù)載短時(shí)間內(nèi)較大波動(dòng)時(shí)可以快速給出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加命令。本例中，可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組不使用普通發(fā)電用柴油機(jī)組配套柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 實(shí)現(xiàn)調(diào)速，而采用工程機(jī)械用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種機(jī)組配有全程調(diào)速設(shè)備，可使系統(tǒng) 在全程內(nèi)提供優(yōu)化的運(yùn)行特性。該機(jī)組可以通過外部智能控制單元給定轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速信 號(hào)給定通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所自帶的車用CAN1939協(xié)議總線接口給定，在該轉(zhuǎn)速信號(hào)下該柴油 發(fā)電機(jī)組可以穩(wěn)定的運(yùn)行于不同的設(shè)定轉(zhuǎn)速值(大于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速小于其額定轉(zhuǎn) 速)，該機(jī)構(gòu)使用在輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)上，實(shí)現(xiàn)其各機(jī)構(gòu)供電。所述的可逆整流裝置可以拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，在運(yùn)行過程中運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，即同步 發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)電流可調(diào)節(jié)，該電力電子裝置可以工作于整流狀態(tài)也可工作于再生制動(dòng)狀態(tài)， 可以將發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的低壓低頻電源轉(zhuǎn)換為直流電源，且直流母線電壓可以通過該裝置配 合中央控制環(huán)節(jié)和柴油機(jī)組調(diào)節(jié)。當(dāng)輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)處于下放或大車小車不在運(yùn) 行狀態(tài)時(shí)，可以由超級(jí)電容組提供的直流電能通過該裝置拖動(dòng)柴油機(jī)組運(yùn)行，在這一階段 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)停止供油，實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。所述的可逆整流裝置可以控制柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩，在實(shí)際轉(zhuǎn)矩設(shè)定時(shí)該轉(zhuǎn)矩值依 據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線確定，保證該轉(zhuǎn)矩值小于對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩最大值，以確保柴油機(jī) 組不會(huì)因?yàn)橥D(zhuǎn)速反向的阻力矩太大而停機(jī)。
權(quán)利要求一種調(diào)速節(jié)油柴油發(fā)電機(jī)組供電輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，該輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)采用變速運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電，包括起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和大車機(jī)構(gòu)；其特征在于，所述輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)還包括電氣系統(tǒng)，該電氣系統(tǒng)包括柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、電力電子可逆整流裝置、超級(jí)電容組、變頻器、中央控制單元、柴油機(jī)調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，設(shè)備運(yùn)行中需要的交流能量由電力電子逆變?cè)O(shè)備實(shí)現(xiàn)；由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，直接通過直流供電供給拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)；所述超級(jí)電容組并聯(lián)在直流側(cè)母線上，該超級(jí)電容組由多臺(tái)電壓等級(jí)為125V以下的超級(jí)電容單體串聯(lián)而成，所述超級(jí)電容單體的電容量為200法拉以下，由它構(gòu)成的超級(jí)電容組的總電容量在10法拉以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，所述的超級(jí)電容單 體配有溫度接口，溫度信號(hào)接入中央控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，所述的電力電子可 逆整流裝置為三相可逆橋式PWM整流電路，包括由絕緣柵極雙極型晶體管IGBT和其并聯(lián)的 續(xù)流二極管構(gòu)成，通過控制絕緣柵極雙極型晶體管IGBT開關(guān)的通斷時(shí)機(jī)和調(diào)節(jié)占空比實(shí) 現(xiàn)控制直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，所述的超級(jí)電容組 同放電電阻配合使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，所述的中央控制單 元應(yīng)用可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)控制功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，所述的發(fā)電機(jī)組由 可變速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用工程機(jī)械用柴油機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，其特征在于，驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、 大車機(jī)構(gòu)行走電機(jī)和小車機(jī)構(gòu)行走電機(jī)的變頻器直接連接到直流母線上，工作于直流供電 狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所 述的變頻器連接到直流母線上，用于提供恒頻恒壓的交流源，實(shí)現(xiàn)RTG設(shè)備。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種調(diào)速節(jié)油柴油發(fā)電機(jī)組供電輪胎式龍門集裝箱起重機(jī)，所述起重機(jī)還包括電氣系統(tǒng)，由可調(diào)速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備發(fā)出的三相交流電源經(jīng)過用于柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電量控制的電力電子可逆整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電源，直接通過直流供電供給拖動(dòng)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行的變頻器，將直流電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)；所述超級(jí)電容組并聯(lián)在直流側(cè)母線上，所述超級(jí)電容組的總電容量為10法拉以下；所述中央控制環(huán)節(jié)由智能工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成，用于檢測(cè)直流母線上的電流電壓狀況進(jìn)而實(shí)時(shí)計(jì)算其功率狀況，并以此為基礎(chǔ)作為柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速依據(jù)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。本實(shí)用新型成本低，節(jié)能環(huán)保。
文檔編號(hào)F02D29/06GK201619963SQ20092010818
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者李方軍, 楊林昌, 梁克, 王永鋼, 谷盛 申請(qǐng)人:北京運(yùn)達(dá)偉業(yè)科貿(mào)有限責(zé)任公司