轮胎式起重机柴油机改电动驱动

彭云辉

(天津港第一港埠有限公司，天津 300451)

1 轮胎式起重机油改电驱动系统

1.1 供电模式

起重机械混合动力系统设计主要以起重机械既有动力模式为前提条件，供电模式即柴油发电机组或网电通过储能单元供电；发电机组或储能单元结合供电；网电与储能单元结合供电；燃料电池与储能单元结合供电。

1.2 储能装置与能量控制系统结构

所谓储能装置选择以超级电容器为主，其属于新型储能元件，是一般电容器与电池间交互的储能元件。电容器获得高储能密度的方法包含2种，即基于容量不变，提升耐压；基于耐压不变，增加容量，超级电容则是通过增加电容器容量，实现较高储能密度。利用多孔电极，促使电极单位体积的有效面积最大化，并适度缩小电极间距离，直到纳米尺度，以此生成较大电容。

能量控制系统主要由双向DC/DC变换器组成，其作用体现在衔接直流母线与超级电容器层面。直流母线检测遇到电能反馈时，其电压会呈现直线上升趋势，在达到既定限定状态时，超级电容器就会面向能量控制系统存储电能资源，系统运行需要消耗能量时，电机则发挥作用进行能量补充。而直流母线电压开始下降时，超级电容器便会将储存的能量释放出来，这时控制系统就会获取一定的能量反馈。然后在起重机下放时，超级电容器可为后续上升储存充足能量，以备使用。

1.3 电驱动系统结构

超级电容器可在很大程度上满足混合动力系统储能装置选择需要，此部件与起重机上升、下降、启动、制动等运行条件相符，能够快速准确吸收与释放能量，因此超级电容器是最理想，且可在很大程度上满足需要的储能装置。混合动力系统为回收与可循环利用再生制动能量，需要于系统内合理分配超级电容器的具体数量与容量。

柴油发电机和超级电容器作为系统的动力，超级电容器储存可再生能源，与柴油发电机共同作用，为起重机提供电能。工作电机主要应用在轮胎式起重机起重、变幅、旋转等动作驱动过程中。变频器与能量管理体系是基于IGBT模块生成的，以变频器为载体可面向起重机工作机构速度进行适度调节，从而实现对超级电容充电与放电过程的有效控制，二者基于DSP控制系统，在很大程度上加强了对于IGBT通断的科学合理控制，获得了良好成效。而信号检测系统包含电压、电流传感器，信号放大器、滤波电路等，负责实时全面检测直流母线电压、超级电容、工作机构等相关信号，同时面向DSP进行传输，以此作为控制系统参考依据，从而给出相应控制动作。DSP控制系统为混合动力系统核心所在，基于信号接收检测系统进行信号传输，以系统供电原理为辅助加以评估决策，并生成控制指令，进而实现对控制变频器与能量管理系统通断状态的有效控制，以获得良好的调速与充放电控制效果。

2 混合动力轮胎式起重机系统

发电机组与储能装置相互串联而成的混合动力系统，即基于柴油发电机组驱动交流变频起重机，设计了以超级电容为载体的混合动力系统。系统包含主电路与控制电路，主电路则包含柴油发电机组、超级电容器、双向DC/DC变换器、三相异步电动机等多元模块；系统控制部分则主要由超级电容充电放电控制系统与变频调速系统组成。

柴油发电机的输出能量主要用于提供整流后的交流异步电动机驱动负载，如果有备用发电，则存储在超级电容器中。同时，起重机在降低重量、降低幅度或动作机构制动时产生的再生能量也存储在超级电容器中。在起重机启动、上升、下降时，发电机所提供电能无法满足需要的情况下，超级电容器则快速释放能量，与发电机共同作用，同时为起重机提供能量。

3 混合动力轮胎式起重机系统控制策略

3.1 电动状态控制

基于节能层面，超级电容器储能装置的增设，主要是为了给发动机发电机组提供一定的辅助电源支持，以促使发动机额定功率有所下降。其中，发动机负责提供平均功率，而超级电容提供短期高功率和大电流，以满足负荷的短期高功率需求。在电压模式下，超电容器系统的放电目标应保持母线电压恒定，维持母线的额定电压。放电电流则基于电压外圈与电流内圈进行双重控制。通常情况下，在电压模式下，放电电流相对偏大。而于功率模式下，发动机转速到达额定转速状态，发电机组则与超级电容器共同发挥作用提供电能资源。这时，超级电容器放电功率应就发动机发电机所供给电能和超电容器的储能状态来确定。

3.2 回馈及其等待状态控制

电动机调速与电力电子装置可靠性运行，明确指出母线电压必须保持稳定，且变化范围需严格控制。所以，系统能量反馈时，超级电容器需就能量反馈对吸收功率进行科学合理调整，所谓吸收功率检测主要基于母线电压作为重要依据，较高的母线电压表明反馈功率被及时吸收，较低的母线电压表明反馈功率吸收过快，应降低吸收功率。

3.3 空闲状态控制

在怠速状态下，起重机机构不动，发动机应回到空转状态，以节省燃料。当系统处于怠速状态时，将显著提高燃油节约率；当系统处于空转状态时，发动机能否恢复空转速度取决于超电容器的储能是否充足。如果超电容器电压低于设定值，发动机依旧保持固定速度运转，且基于发动机发电机组面向超级电容器提供电能，这时转变充电方式为恒流充电方式。一旦超级电容器的电压超出设定值，并且工作机构并未配置相应的操作说明，那么发动机将会迅速返回到空闲状态，保持待机。

3.4 预充电与启动控制

在起重机运行前，应通过发动机-发电机组和双向DC/DC变换器对超电容器进行预充电。充电方式采用恒流充电方式。在系统运行过程中，当起重机由空转到第一个工作状态时，发动机初始状态为空转，需要迅速以固定速度及时开启发动机。但是此过程会持续大约5s的时间，在发动机提供电压影响下不断上升。在此环节，此装置无法为系统提供电能，为保证起重机系统可准确及时响应操作指令，此阶段储能系统主要以双向DC/DC变换器为载体来维持总线电压不变。当检测到发电机电压达到额定电压后，根据上述工作状态在不同工作状态下的控制策略，对超电容器储能装置的工作模式进行控制。

4 结语

综上所述，本文详细分析了交流变频调速系统、起重机电驱动系统以及双向DC/DC变换器，设计了交流变频轮胎式起重机混合动力系统。此系统中，容量配置合理的超级电容可有效吸收系统所生成再生能量，且基于发电机怠速状态时，供电电动机启动，同时可与发电机有机结合，构成系统功能能量来源。