港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统.pdf

本发明属于港口起重机的能量回收装置，特别涉及一种港口起重机变频势能的回收利用系统。港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其包括多个用于控制起重机的工作电机的电机控制器，电机控制器包括整流单元以及与之相连调速单元，调速单元与电机连接，整流单元与电网连接，其特征在于：还包括与多个电机控制器连接的公共直流母线，公共直流母线连接在整流单元和调速单元之间，所述的公共直流母线上还连接有能量管理控制单元，能量管理控制单元连接有储能单元。本发明利用电机控制器建立的具有公共直流母线的势能回收利用系统，成本低且结构紧凑，另外本发明实现了能量回馈和能耗保护的联合控制，实现回馈过程中的公共直流母线电压的稳定。

权利要求书1.  港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其包括多个用于控制起重机的工作电机的电机控制器，电机控制器包括整流单元以及与之相连调速单元，调速单元与电机连接，整流单元与电网连接，其特征在于：还包括与多个电机控制器连接的公共直流母线，公共直流母线连接在整流单元和调速单元之间，所述的公共直流母线上还连接有能量管理控制单元，能量管理控制单元连接有储能单元。2.  根据权利要求1所述的港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其特征在于：所述的公共直流母线上还连接有用于消耗多余能量的安全保护单元。3.  根据权利要求2所述的港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其特征在于：所述的安全保护单元包括与公共直流母线连接的安全控制器，安全控制器连接有耗能器。4.  根据权利要求1所述的港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其特征在于：所述的能量管理控制单元包括对储能单元的能量进行检测的储能监视管理器，以及用于对储能单元进行充电和放电控制的充放电控制器，储能监视管理器与充放电控制器连接，充放电控制器与公共直流母线连接。5.  根据权利要求1所述的港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其特征在于：所述的储能单元为超级电容或者电池。6.  港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、系统进行初始化检测；步骤二、对起重机的工作电机的状态进行检测；并判断其处于能量回馈状态还是耗能状态；步骤三、当起重机的工作电机处于耗能状态时，能量管理单元对储能单元的能量进行检测，当储能器的能量充足时，能量管理单元控制储能单元向公共直流母线放电，为工作电机提供能量；当储能器的能量不足时，能量管理单元 控制储能单元不向公共直流母线放电，工作电机从电网获得能量；步骤四、当起重机的工作电机处于能量回馈状态时，能量管理单元对公共直流母线的电压进行检测，当公共直流母线的电压超过电动状态变频器所需能量时，能量管理控制单元向储能单元进行充电，当公共直流母线的电压大于储能单元的极限值时，能量管理单元控制安全控制器工作，耗能器进行耗能，维持公共直流母线的电压稳定。

说明书港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统
技术领域
本发明属于港口起重机的能量回收装置，特别涉及一种港口起重机变频势能的回收利用系统。
背景技术
起重机械是具有典型位能性负载特征的工程机械，在起重机每一个工作循环中都包含升降机构重物下降环节及平移机构制动环节。此时电机将被拖动而处于发电状态，将会发电产生一定数量的再生能量回馈至变频器直流母线上。传统设备只能通过直流能耗制动单元，将能量已热的形式消耗在电阻上，从而产生能量的浪费。
专利号2013203547482，名称为势能回收再利用装置及起重机，其公开了一种势能回收再利用装置，包括组态直流电机，所述的组态直流电极有同轴的主电机和辅电机组成，在起升机构下降时，主电机不工作，通过电机励磁动态控制器控制辅电机投入工作，对下降的货物进行制动，同时将货物下降时卷筒旋转，带动辅电机的输出轴旋转，进而带动辅电机Ml-2和M2-2发电，并通过充电回路，将电能存储于储能单元中。在起升机构上升时，主电机通过直流调速器控制投入工作，吸收电网电能，同时辅电机投入工作，吸收消耗超级电容储存的电能。即在起升机构工作过程中，下降时通过辅电机将势能转换为电能并储存，上升时辅电机将储存的电能转换为动能与主电机的动能共同驱动起升机构工作，其通过额外增加的辅电极来实现了起重机势能的回收利用，首先是其增加了额外的装置，提高了势能回收装置的成本，势能回收利用带来的效益也会大打折扣，其次，由于辅电机和主电机和同轴的，辅电机处于发电状态，主 电机也必然处于发电状态，整个文件中并没有提及如何实现主电机势能的回收利用。
专利号2010101948179，名称为：电动轮胎式门式起重机共直流母线装置，带有编码器的电机接在逆变系统上，实现电机闭环控制；逆变系统通过具有保护作用的快速熔断器连接到公共母线上，公共母线接入到整流/回馈系统中；电网电压通过整流/回馈单元中的正桥进行整流，产生可供逆变系统使用的稳定、可靠的直流电压。回馈的电能通过整流/回馈单元中的反桥逆变后通过自稠变压器升压反馈到电网中，从而实现了电能的回馈。由上述内容可知，其将势能回收后经过整流/回馈系统声压反馈给电网，多台设备同时回馈容易造成对电网的巨大冲击，该文件给出了本申请的反向启示。
综上所述，现有的港口起重设备的节能形式主要有两种：一是在变频器侧加装专门的回馈装置，将能量回馈至电网。此种方式造成变频器成本升高，且多台设备同时回馈时造成对电网的巨大冲击，存在安全隐患；二是在设备上配置储能器，对能量进行回收再利用。由于储能器(电池、电容等)都是直流供电，因此需要针对每台电机配置独立的整流和直流回馈单元。各变频器自身所带的整流部分就浪费了。而且现有市场上独立的整流回馈单元价格昂贵，使用成本过高，进一步的，现有技术中并没有提及如何对主电机的势能回收利用。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明对港口起重机的势能回收利用系统进行了改进，利用电机控制器建立的具有公共直流母线的势能回收利用系统，减少了整个势能回收系统元器件的数量，结构更加紧凑，另外本发明实现了能量回馈和能耗保护的联合控制，一方面保证了系统的能量回馈，另一方面在系统回馈能量过多的时候对储能器进行保护，实现回馈过程中的公共直流母线电压 的稳定。
本发明的技术方案如下：
港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其包括多个用于控制起重机的工作电机的电机控制器，电机控制器包括整流单元以及与之相连调速单元，调速单元与电机连接，整流单元与电网连接，其特征在于：还包括与多个电机控制器连接的公共直流母线，公共直流母线连接在整流单元和调速单元之间，所述的公共直流母线上还连接有能量管理控制单元，能量管理控制单元连接有储能单元。
所述的公共直流母线上还连接有用于消耗多余能量的安全保护单元。
所述的安全保护单元包括与公共直流母线连接的安全控制器，安全控制器连接有耗能器。
所述的能量管理控制单元包括对储能单元的能量进行检测的储能监视管理器，以及用于对储能单元进行充电和放电控制的充放电控制器，储能监视管理器与充放电控制器连接，充放电控制器与公共直流母线连接。
所述的储能单元为超级电容或者电池。
港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、系统进行初始化检测；
步骤二、对起重机的工作电机的状态进行检测；并判断其处于能量回馈状态还是耗能状态；
步骤三、当起重机的工作电机处于耗能状态时，能量管理单元对储能单元的能量进行检测，当储能器的能量充足时，能量管理单元控制储能单元向公共直流母线放电，为工作电机提供能量；当储能器的能量不足时，能量管理单元控制储能单元不向公共直流母线放电，工作电机从电网获得能量；
步骤四、当起重机的工作电机处于能量回馈状态时，能量管理单元对公共 直流母线的电压进行检测，当公共直流母线的电压超过电动状态变频器所需能量时，能量管理控制单元向储能单元进行充电，当公共直流母线的电压大于储能单元的极限值时，能量管理单元控制安全控制器工作，耗能器进行耗能，维持公共直流母线的电压稳定。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用了公共直流母线与各个电机控制单元的整流单元来搭建势能回收利用系统，减少了整个势能回收利用系统的元器件的数量，降低了势能回收利用系统的成本，进而元器件的减少也有利于整个势能回收利用系统的稳定性和可靠性，同时整个势能回收利用的结构也更加紧凑，另外本发明通过能量管理控制单元和储能器来对能量进行存储和耗损，不直接反馈给电网，克服了现有技术中势能回收利用系统直接反馈电网时对电网的冲击，避免了直接反馈电网存在的安全隐患，提高了势能回收利用系统的安全性。
2、本发明利用公共直流母线对各个工作电机产生的势能进行统一的管理，由于多个工作电机的工作状态可能分别处于耗能状态和能量回馈状态，采用公共直流母线可以实现各个电机控制器之间的能量交换，充分利用了工作电机产生的势能，即也能减少耗能器上的消耗的能量，也使得耗能器的功率和体积大大减小。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为安全保护单元的框图
图3为能量管理控制单元的框图；
图4为本发明的控制方法的流程图；
图中1为电机控制器，2为工作电机，3为安全保护单元，4为能量管理控制单元，5为储能器，6为公共直流母线，11为调速单元，12为整流单元，31为安全控制器，32为耗能器，41为充放电控制器，42为储能监视管理器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
港口起重机一般包括支持/行走变频器、开闭/行走变频器、变幅变频器、第一旋转变频器和第二旋转变频器，此处所述的变频器为本发明申请中的电机控制器，港口起重机在工作过程中，各个变频器对应的电机不一定处于同一工作状态，即有的电机处于耗能状态，有的电机处于发电状态。
如图1所示的港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统，其包括多个用于控制起重机的工作电机2的电机控制器1，电机控制器1包括整流单元12以及与之相连调速单元11，调速单元11与电机2连接，整流单元12与电网连接，其特征在于：还包括与多个电机控制器连接的公共直流母线6，公共直流母线6连接在整流单元12和调速单元11之间，所述的公共直流母线6上还连接有能量管理控制单元4，能量管理控制单元4连接有储能单元5。
本发明通过公共直流母线对各个电机产生的势能进行统一的管理，由于各个电机的工作状态不太，处于能量回馈的电机回馈到公共直流母线上的能量可能有一部分被处于电动状态的电机有效利用，还有部分被储能器吸收进行存储，减少了能源的浪费，提供了势能回收的利用率。
所述的公共直流母线6上还连接有用于消耗多余能量的安全保护单元3，在电机反馈的势能过大时，安全保护单元对多余的能量进行耗损，避免了多余的能量造成的储能器的损伤，有利于设备的平稳运行和安全性。
进一步的，所述的安全保护单元3包括与公共直流母线连接的安全控制器31，安全控制器31连接有耗能器32，安全控制器根据需要来控制耗能器的工作状态，当公共直流母线的能量过大时，安全控制器工作，使耗能器处于工作状态，将多余的能量以发热的方式耗损掉，所述的耗能器为电阻等。
所述的能量管理控制单元包括对储能单元的能量进行检测的储能监视管理器42，以及用于对储能单元5进行充电和放电控制的充放电控制器41，储能监 视管理器42与充放电控制器41连接，充放电控制器41与公共直流母线6连接，同时储能监视管理器也与公共直流母线连接，储能监视管理器42对储能器的能量和公共直流母线的电压进行检测，并根据储能器中的能量和公共直流母线的电压来控制充放电控制器的工作状态，从而来实现对储能器的充电和放电进行控制，即实现了势能的回收和利用。
所述的储能单元5为超级电容或者电池。
港口起重机嵌入式变频势能回收利用系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、系统进行初始化检测；
步骤二、对起重机的工作电机的状态进行检测；并判断其处于能量回馈状态还是耗能状态；
步骤三、当起重机的工作电机处于耗能状态时，能量管理单元对储能单元的能量进行检测，当储能器的能量充足时，能量管理单元控制储能单元向公共直流母线放电，为工作电机提供能量；当储能器的能量不足时，能量管理单元控制储能单元不向公共直流母线放电，工作电机从电网获得能量；
步骤四、当起重机的工作电机处于能量回馈状态时，能量管理单元对公共直流母线的电压进行检测，当公共直流母线的电压超过电动状态变频器所需能量时，能量管理控制单元向储能单元进行充电，当公共直流母线的电压大于储能单元的极限值时，能量管理单元控制安全控制器工作，耗能器进行耗能，维持公共直流母线的电压稳定。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用了公共直流母线与各个电机控制单元的整流单元来搭建势能回收利用系统，减少了整个势能回收利用系统的元器件的数量，降低了势能回收利用系统的成本，进而元器件的减少也有利于整个势能回收利用系统的稳定性和可靠性，同时整个势能回收利用的结构也更加紧凑，另外本发明通过能量 管理控制单元和储能器来对能量进行存储和耗损，不直接反馈给电网，克服了现有技术中势能回收利用系统直接反馈电网时对电网的冲击，避免了直接反馈电网存在的安全隐患，提高了势能回收利用系统的安全性。
2、本发明利用公共直流母线对各个工作电机产生的势能进行统一的管理，由于多个工作电机的工作状态可能分别处于耗能状态和能量回馈状态，采用公共直流母线可以实现各个电机控制器之间的能量交换，充分利用了工作电机产生的势能，即也能减少耗能器上的消耗的能量，也使得耗能器的功率和体积大大减小。