CN202004500U - 起重机辅助电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的起重机辅助电源，有蓄电池[E1、E2]其输出电极与直流母线[DB]连接，蓄电池与直流母线之间有电流逆止装置。当电流逆止装置是单向电流逆止装置（如二极管[D]）时，可使蓄电池不仅在外部电网断路时充作备用电源以消除不安全状态或执行其他操作，还可向直流母线提供瞬时大电流。而当电流逆止装置是双向DC/DC变流器[DD]时还可回收制动能量。与现有技术相比，本实用新型中的蓄电池可以具备多种用途，可削弱在起重机作业时直流母线中的电流频繁大幅波动，还可将制动能量回收于蓄电池中。有利于改善电网及电气设备的工作条件，从而提高了设备寿命及用电效率，也提高了能源利用率。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种起重机辅助电源，尤其是垂直升降的起重机的辅助电源，属电学中发电、变电或配电技术领域，也属运输中起重机技术领域。
背景技术
本实用新型所称起重机是各种门式、桥式、臂式、塔式起重机和升降机，是运载人、货的运载装置作垂直升降的机械设备。前四类起重机都有使运载装置作垂直位移的升降电机、和作水平位移的平移电机（包括臂式的臂旋转电机和塔式的塔旋转电机）；升降机则仅有升降电机。目前，随着电机技术的进步，为控制运载装置的升降、平移速度或其他附属操作的速度，所说升降电机、平移电机及其他电机都采用了变频电机。因此，所述各类起重机中主要电源的主要结构是有直流母线，各动力电机经负荷变频器连接在直流母线上，而直流母线又经交直流变换器连接交流电源输入电接头，交流电源输入电接头与外部电网连接，所说外部电网是市电或对市电进行变配后的电力源。
当运载装置垂直下降时，为控制运载装置的下降速度，电机必须处于制动运行状态，在该状态下运载装置的位能将转化为变频电机的电能。以往为转化这些电能都在电机的电源线上安装了负载电阻以消耗吸收电机输出的电能，但很明显地，大量的能量被浪费了。因此，产生了回收这一制动能量为起重机的辅助电源的技术，如中国实用新型专利ZL CN200820121249.8“电梯节能逆变装置”。该专利介绍的是“一种电梯节能逆变装置，包括有一电机；一变频器，用于拖动所述的电机工作，并且该变频器的三相输出端和所述电机的三相输入端相连；其特征在于：还包括有一逆变器，在电机发电状态下产生的电能再生逆变回馈到电网中，所述逆变器包括有三相输出端、接地端以及正、负输入端，其中，该逆变器的三相输出端和所述变频器的三相输入端对应相连，该逆变器的正、负输入端分别对应连接所述变频器直流母线的正、负端。”这一技术实现了回收制动能量，但其所回收的能量重新回流到交流电源中，有可能污染电网，而且交流电源中能量充足时该回收的能量仍然会被浪费。
另一方面，众所周知，电机在有负荷启动时需要吸收瞬时大电流，这使其在工作时造成电网的供电不平稳，容易损害电网及降低交直流变换器的效率，而当电网供电达不到用电要求时又会对电机或场桥上其他电气设备造成不利影响。
另外，起重机在工作时因作业需要或意外情况有可能与外部电网的连接断路，这时最好有备用电源，如场桥（即轮胎式集装箱龙门起重机，也可简称为轮胎吊，是门式起重机中的一种）的转场电源。由于场桥转场时不便连接外部交流电源，所以场桥还需要有一个作为转场电源的辅助电源来为转场电机提供电力。转场电源向场桥上除升降电机和平移电机外的、使整台场桥移动时驱动轮胎转动的转场电机供电。以往使用的场桥车载转场电源是柴油发电机，但随着石油资源的逐渐萎缩和内燃机对环境保护的影响日益突出，于是有了以蓄电池替代柴油发电机的技术方案以克服所述缺陷。如中国实用新型专利ZL200820226349.7“轮胎吊转场过街用静态微型电站”，“所述微型电站设置在轮胎吊上，其电源端子连接轮胎吊的电接头，在所述微型电站中设置有蓄电设备，当轮胎吊在场内通过电接头连接供电轨道时，所述蓄电设备通过电源端子接收来自供电轨道的电能并进行存储；当轮胎吊转场过街时，所述蓄电设备将存储的电能通过电源端子输出至轮胎吊，以驱动其运行。”但其中所说蓄电池仅用于转场，用途单一。
发明内容
针对上述不足，本实用新型就是要提供一种新的起重机辅助电源，这种电源以蓄电池为主要元件，并具备回收制动能量和/或提供转场电机动力（作为与外部电网断路时的备用电源），以及补充电机启动时的瞬时大电流需求的能力。
本实用新型提供的起重机辅助电源，有蓄电池其输出电极与直流母线连接，蓄电池与直流母线之间有电流逆止装置，蓄电池的充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，所说蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间还有放电开关，起重机作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态，所说电流逆止装置的导通方向为自蓄电池指向直流母线。
本实用新型提供的起重机辅助电源，在交流电输入电接头与直流母线之间与交直流变换器并联接入蓄电池，蓄电池与直流母线之间及与交流电输入电接头之间都有开关，并且在蓄电池与直流母线之间还有导通方向为自蓄电池指向直流母线的电流逆止装置。如此，本实用新型可以通过开关控制蓄电池在任何时间都可放电且不会使直流母线上的电能向蓄电池回流。使蓄电池不仅在外部电网万一断路时可充作备用电源以消除起重机所处不安全状态，或者在场桥转场时向转场电机提供电力，还可在升降电机或平移电机启动时向直流母线提供瞬时大电流，为此该蓄电池可称作为补偿电源。与现有技术相比，本实用新型中的蓄电池具备无外部电网支持时的运行包括应急备用以及向直流母线输出瞬时大电流等多种用途，并且对起重机来讲还使电机的工作电流因吊装作业时的频繁大幅波动可以被蓄电池削弱，有利于改善电网、起重机上电机及其他电气设备的工作条件，从而提高了设备寿命及用电效率。
基于同一技术构思，另一种本实用新型提供的起重机辅助电源，有蓄电池其输出电极与直流母线连接，蓄电池与直流母线之间有电流逆止装置，所说电流逆止装置为双向DC/DC变流器，双向DC/DC变流器的导通方向为：当直流母线的电位低于双向DC/DC变流器的均衡电压时自蓄电池指向直流母线，当直流母线的电位高于双向DC/DC变流器的均衡电压时自直流母线指向蓄电池；所说蓄电池容量大于连接在直流母线上的升降电机制动能量所转化的最大电量。
本实用新型提供的起重机辅助电源，在交流电输入电接头与直流母线之间与交直流变换器并联接入蓄电池，蓄电池与直流母线之间还有双向DC/DC变流器。并且双向DC/DC变流器的均衡电压值确定的导通方向以直流母线上的电位与均衡电压值的差值为指标，当该差值为正时蓄电池只作充电，当该差值为负时蓄电池只作放电。在运载装置下降使升降电机进行制动运行而将位能转换为电能时，直流母线向蓄电池充电以回收能源。该均衡电压是起重机起吊过程中直流母线上的电流平稳时的电压，当直流母线上电位小于该均衡电压值时，导通方向为自蓄电池指向直流母线；而直流母线上电位大于该均衡电压值时，导通方向自直流母线指向蓄电池。即直流母线的电能向蓄电池回流只能在直流母线有超过起吊过程电流平稳时的电能输入时（起重机的升降电机处于发电状态时）发生，而直流母线电能不足时蓄电池放电，为此该蓄电池可称作为节能蓄电池。与现有技术相比，本实用新型将制动能量回收于蓄电池中，与外部电网无涉，既保障了电网不受污染还保证更高的制动能量回收利用率。同时，依靠双向DC/DC变流器的双向逆止作用，蓄电池还可在与外部电网不连接时向直流母线提供电力，在与外部电网连接时也可向直流母线提供瞬时大电流。
所说蓄电池还经充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间有放电开关，作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态。蓄电池备有充电充电以可以通过充电对蓄电池进行维护，并使蓄电池有一定的电量贮存。
结合上述两种技术方案，本实用新型提供的起重机辅助电源，有两组蓄电池分别以其输出电极与直流母线连接，两组蓄电池与直流母线之间各有电流逆止装置，其中一组蓄电池与直流母线之间的电流逆止装置的导通方向为自蓄电池指向直流母线，另一组蓄电池与直流母线之间的电流逆止装置是双向DC/DC变流器；蓄电池的充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，所说蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间还有放电开关，起重机作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态。
由于回收制动能量的蓄电池组始终是不能满载的，否则对于可能产生的多余的制动能量就会浪费，所以用作回收制动能量的节能蓄电池组的容量要大于实际需要容量。如果以单组蓄电池同时承担节能和补偿任务，则由于两种任务下的工况差异较大，为平稳运行使所需要的蓄电池容量十分巨大。因此将蓄电池组分成两组，将其中以双向DC/DC变流器连接直流母线的蓄电池组通过开关控制成作业时使用，而另一组只作备用（转场）时使用，则有利于降低成本，并可简化控制电路的结构。
所说两组蓄电池是等容量的，且两组蓄电池之间有交叉切换电路，即两组蓄电池在连接电流逆止装置前经切换开关连接，是两个电流逆止装置与蓄电池都各自通过切换开关分别连接于两组蓄电池，两个电流逆止装置前的切换开关联动。使两组蓄电池能交替地承担作业时回收能量和补充瞬时大电流的任务，可减缓作业时使用的那组蓄电池的疲劳，提高和平衡两组蓄电池的工作寿命。
所说蓄电池的充电电路连接在导通方向为自蓄电池指向直流母线的电流逆止装置和切换开关之间，即两组蓄电池通过上述切换开关与充电电路连接，使两组蓄电池同时使用一套充电电路进行充电和维护，以节省硬件投入和简化软硬件结构。
本实用新型提供的起重机辅助电源，所用蓄电池是铅碳电池，是由铅酸蓄电池和超级电容器有机结合而成的，以提高制动能量回收能力。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的电路简图，图中：AD、AD1 -交直流变换器，AS -交流电输入电接头，BP1、BPN-负荷变频器，D-二极管，DB-直流母线，E1 -蓄电池组，M1，MN-变频电机，MC1 -脉冲充电装置，Q、Q1、Q21、QF1、QFN-空气开关；
图2为本实用新型另一实施例的电路简图，图中：AD、AD2-交直流变换器，AS -交流电输入电接头，BP1、BPN-负荷变频器，DB-直流母线，DD-双向DC/DC变流器，E2-蓄电池组，M1，MN-变频电机，MC2-脉冲充电装置，Q、Q2、Q22、QF1、QFN-空气开关；
图3为本实用新型又一实施例的电路简图，图中：AD、AD1、AD2-交直流变换器，AS、AS1-交流电输入电接头，BP1、BPN-负荷变频器，D-二极管，DB-直流母线，DD-双向DC/DC变流器，E1、E2-蓄电池组，M1，MN-变频电机，MC1、MC2-脉冲充电装置，Q1、Q2、Q3、Q4、Q21、Q22、QF1、QFN-空气开关；
图4为本实用新型再一实施例的电路简图，图中：AD、AD1-交直流变换器，AS、AS1-交流电输入电接头，BP1、BPN-负荷变频器，D-二极管，DB-直流母线，DD-双向DC/DC变流器，E1、E2-蓄电池组，M1，MN-变频电机，MC1-脉冲充电装置，Q1、Q2、Q3、Q4、Q21、Q22、QF1、QFN-空气开关。
具体实施方式
1、如图1所示，在起重机电路内有直流母线DB，起重机上各变频电机M1···MN都经各自的负荷变频器BP1···BPN 和空气开关QF1···QFN连接在直流母线上，即各电机工作电力都经负荷变频器获得，且电机转速由变频器控制。而直流母线经交直流变换器AD、空气开关Q后以交流电输入电接头AS与场地所在电网连接。在交流电输入电接头后还经充电开关Q1分出了用以对蓄电池充电的电路，是由交直流变换器AD1和脉冲充电装置MC1组成的。充电电路连接到蓄电池E1，蓄电池又经放电开关Q21连接到直流母线。在蓄电池和直流母线之间还设置有电流逆止装置，该电流逆止装置为二极管D。也可选择晶闸管、可控硅等电子开关元件或其他电子开关电路作为单向的电流逆止装置。
用充电开关控制在起重机停止作业时进行充电，而在作业时充电电路断开。起重机作业时使放电开关导通，则蓄电池处于向直流母线供电状态，当直流母线上需要补充电能时蓄电池便向直流母线放电。因此，当起重机转场时、当直流母线上变频电机带负荷启动或负荷突增时蓄电池同样向直流母线放电。电流逆止装置的设置使在场桥作业时直流母线上的电能不会向蓄电池充电而影响作业用电，即隔离了蓄电池的充放电电路。
2、如图2所示，在起重机电路内有直流母线DB，起重机上各变频电机M1···MN都经各自的负荷变频器BP1···BPN和空气开关QF1···QFN 连接在直流母线上，即各电机工作电力都经负荷变频器获得，且电机转速由变频器控制。而直流母线经交直流变换器AD、空气开关Q后以交流电输入电接头AS与场地所在电网连接。在交流电输入电接头后还经充电开关Q2分出了用以对蓄电池充电的电路，是由交直流变换器AD2和脉冲充电装置MC2组成的。充电电路连接到蓄电池E2，蓄电池又经放电开关Q22连接到直流母线。在蓄电池和直流母线之间还设置有电流逆止装置，该电流逆止装置为双向DC/DC变流器DD。
用充电开关控制在起重机停止作业时进行维护，而在作业时充电电路断开。起重机作业时使放电开关导通，则蓄电池依靠双向DC/DC变流器，以双向DC/DC变流器上设定的均衡电压值为界处于直流母线电能超值时回收电能和直流母线电能不足时供电的状态。
本例应用于固定的起重机，尤其是仅有垂直升降的港桥、升降机（电梯），作为能量回收的一种技术方案。
3、如图3所示，是一种场桥的电源电路，有直流母线DB，负荷变频电机M1···MN通过各自的负荷变频器BP1···BPN和空气开关QF1···QFN连接在直流母线上。有用于连接场地所在电网连接的交流电输入电接头AS连接在一交直流变换器AD上，该交直流变换器的直流输出线经空气开关Q10连接在直流母线上。作业时电网的交流电源经交直流变换后通过负荷变频器向各电机供电。
场桥上配备了两组蓄电池E1、E2，他们通过各自的脉冲充电装置MC1、MC2和交直流变换器AD1、AD2、空气开关Q1、Q2连接到交流电输入电接头AS1上。当该交流电输入电接头与电网连接时可通过空气开关控制充电对象。交流电输入电接头AS和交流电输入电接头AS1可以是两个插头也可以是同一个插头。
直流母线上经空气开关Q21、二极管D连接到双刀四掷空气开关Q3，同时还空气开关Q22、双向DC/DC变流器DD连接到双刀四掷空气开关Q4，两个双刀四掷空气开关联动，其中二极管安装时以阳极一端与蓄电池的正极连接。而两组蓄电池组也分别连接到前述两个双刀四掷空气开关。即每个双刀四掷空气开关都可在两组蓄电池之间切换，使两组蓄电池之间形成交叉切换，通过联动的两个双刀四掷空气开关可控制两组蓄电池的互换使用。
本例所配备的两组蓄电池容量各是75Ah/12V。当场桥在场进行作业时，第一组蓄电池处于浮充满荷电状态，为转场储备能量。第二组蓄电池则处于可以大电流充放电的半荷电状态，当起吊时能释放出高达300A的瞬态电流，下降时能接收高达150A的稳定电流。在这组电池和直流母线间通过一个100kW的双向DC/DC变流器完成能量的转换。当场桥进行转场工作时，两组电池共同提供所需的全部能量，能满足连续2次转场（每次20min）的要求，在连续两次转场后需要对两组电池进行补充充电，至少充电2小时后能再满足一次转场的要求。出于对电池使用寿命的考虑，两组电池每隔一周互相调换使用。
以手动或利用监控装置自动对电源切换装置进行控制，以达到负载平衡的目的。以E1用作转场电源、E2用作节能电源为例。作业时当吊钩提升集装箱时第二组蓄电池E2通过双向DC/DC变流器作为工作电源向负载提供电流。当吊钩随集装箱下降时，第二组蓄电池也通过双向DC/DC变流器作为储能电源存储能量。按照每月起吊7000只计算，每月最少可节电2100度。同时，作业时蓄电池组也承担了一部分的负荷，既有利于消除后级负载过大给前级变压器所带来的损耗，又能提高电池组的利用率，并可以降低全场电力系统容量设计等级，以达到提高能源使用效率、节能减排的功效。转场时，将空气开关Q21、Q22都闭合，则两组蓄电池同时向转场电机供电，也可以将空气开关Q22断开，仅使用一组蓄电池转场。
本例可实现场桥在正常作业、转场时电源的配置最优化，它一是在完成转场时由蓄电池组通过变频器给转场电机正常供电，并给场桥的控制回路与部分照明电路提供逆变电源的直流输入；二是由蓄电池组提供全部或部分吊具起吊瞬间的工作电流；三是在进行起吊工作时，由蓄电池组以浅放电的形式提供部分的起吊能源；四是在所吊重物下降时，由蓄电池组将势能转化成的电能回收而储存能量。
4、如图4所示，还是一场桥电源电路，有直流母线DB，负荷变频电机M1···MN通过各自的负荷变频器BP1···BPN和空气开关QF1···QFN连接在直流母线上。有用于连接场地所在电网连接的交流电输入电接头AS连接在一交直流变换器AD上，该交直流变换器的直流输出线连接在直流母线上。作业时电网的交流电源经交直流变换后通过负荷变频器向各电机供电。
场桥直流母线经双刀双掷空气开关Q21和二极管D连接双刀四掷空气开关Q3，其中二极管安装时以阳极一端与蓄电池的正极连接。二极管与该双刀四掷空气开关之间还经充电电路和空气开关Q1连接到交流电输入电接头AS1上，充电电路由脉冲充电装置MC1和交直流变换器AD1组成。场桥直流母线还经双刀双掷空气开关Q22经双向DC/DC变流器DD连接双刀四掷空气开关Q4。所说两个双刀四掷空气开关联动。
场桥上配备了两组蓄电池E1、E2，各为48只75Ah/12V铅碳电池。两个蓄电池都分别连接到两个双刀四掷空气开关，使两组蓄电池电极可经双刀四掷空气开关互换使用。
本例双向DC/DC变流器的电池侧输入电压为500-715V，电池侧输出电压为450-750V，母线侧输入电压为450~750V，母线侧输出电压为500~715V。两组蓄电池可定期切换，而充电及维护总是对转场放电导线连接的一组蓄电池进行，或节省一套充电装置并简化电路和控制。
Claims (7)
1.一种起重机辅助电源，有蓄电池其输出电极与直流母线连接，其特征是蓄电池与直流母线之间有电流逆止装置，蓄电池的充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，所说蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间还有放电开关，起重机作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态，所说电流逆止装置的导通方向为自蓄电池指向直流母线。
2.一种起重机辅助电源，有蓄电池其输出电极与直流母线连接，其特征是蓄电池与直流母线之间有电流逆止装置，所说电流逆止装置为双向DC/DC变流器，双向DC/DC变流器的导通方向为：当直流母线的电位低于双向DC/DC变流器的均衡电压时自蓄电池指向直流母线，当直流母线的电位高于双向DC/DC变流器的均衡电压时自直流母线指向蓄电池；所说蓄电池容量大于连接在直流母线上的升降电机制动能量所转化的最大电量。
3.如权利要求2所述的起重机辅助电源，其特征是所说蓄电池还经充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间有放电开关，作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态。
4.一种起重机辅助电源，其特征是有两组蓄电池分别以其输出电极与直流母线连接，两组蓄电池与直流母线之间各有电流逆止装置，其中一组蓄电池与直流母线之间的电流逆止装置的导通方向为自蓄电池指向直流母线，另一组蓄电池与直流母线之间的电流逆止装置是双向DC/DC变流器；蓄电池的充电电路与起重机交流电源输入电接头连接，所说蓄电池的充电电路与交流电源输入电接头之间有充电开关，蓄电池与直流母线之间还有放电开关，起重机作业时充电开关为断开状态，充电时放电开关为断开状态。
5.如权利要求4所述的起重机辅助电源，其特征是所说两组蓄电池是等容量的，且两组蓄电池之间有交叉切换电路，即两组蓄电池在连接电流逆止装置前经切换开关连接，是两个电流逆止装置与蓄电池都各自通过切换开关分别连接于两组蓄电池，两个电流逆止装置前的切换开关联动。
6.如权利要求5所述的起重机辅助电源，其特征是所说蓄电池的充电电路连接在导通方向为自蓄电池指向直流母线的电流逆止装置和切换开关之间。
7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的起重机辅助电源，其特征是所用蓄电池是铅碳电池。
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