应用于船用抓斗挖掘机上的超级电容节能装置

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摘 要：针对现有的船用抓斗挖掘机能量浪费严重，运行成本高等问题，设计出一套超级电容节能装置，介绍超级电容节能装置的组成，控制系统硬件及其软件实现方式。实验证明，该装置能够快速有效的实现能量的转换，降低整机的能耗，提高系统运行效率。

关键词：超级电容 控制系统 节能

中图分类号：U674.31 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-042-02

1 引言

船用抓斗挖掘机是用于内河清淤、港口建设的船用设备，它利用船上的柴油发电机组发电，供机器上的电气设备使用。船用抓斗挖掘机通常有三个主要动作机构：提升机构、回转机构和变幅机构。

典型的船用抓斗挖掘机的控制系统采用变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置整流成为直流电源后挂在直流母排上，再经逆变器驱动电机工作。但传统的船用抓斗挖掘机系统存在严重的能源浪费和环境污染问题。若将超级电容节能装置并联入变频器直流母排上，则可有效储抓斗下降的势能，以提供抓斗提升加速时使用。图1为超级电容节能装置整体结构示意图。

本系统作为抓斗作业装置势能及其制动能量存储装置和抓斗提升时能量来源之一，除了实现整机的节能运行，即超级电容节能装置的充放电；还要具有显示、通信及其检测功能。本论文设计的结构如图1所示。

超级电容节能装置主要由以下几部分组成：

（1）超级电容组：用于能量存储。

（2）超级电容电源管理模块：用于实现超级充放电时的均压、均流管理。与整机控制系统PLC的通信。

（3）双向DC/DC装置，连接于超级电容组与提升变频器直流母线直接，实现提升机构的充放电管理。实现信号采集与控制，有电流电压检测模块。有欠压，过压保护电路等保护电路。

（4）单项DC/DC装置，连接与超级电容组与回转变频器直流母线直接，实现回转制动时能量的回收。根据直流母线的电压值来决定充电电流的大小。装置也带有过电流保护、过电压保护以及控制逻辑硬件保护电路。

2 节能原理

节能装置设计的主要工况包括：

（1）抓斗提升时，电机工作于能耗状态，当发电机组输出的电流超过额定值时，双向DC/DC工作于升压模式，超级电容放电与发电机组一起供电。

（2）抓斗下降时，电机工作于再生能量状态，双向DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。

（3）机器回转制动时，回转电机工作于再生能量状态，单项DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。

（4）当超级电容节能装置故障时，输出故障信号给整机控制系统，整机联锁，停止工作。

超级电容节能装置双向输出端并联入提升变频器的直流母线，单项输出端并联如回转变频的直流母线。

当抓斗下降或制动处于能量再生状态时，电机反转将再生能量转换成电能，再通过变频器的逆变器流入直流母线，这时超级电容节能装置的DC/DC装置处于降压工作模式，再生能力通过DC装置，由直流母排流入超级电容组存储起来。

船用抓斗挖掘机抓斗作业装置加速时和抓斗离开水面瞬间，对柴油发电机组提出非常高的功率要求，需要提供瞬时大电流。本系统利用超级电容对抓斗作业装置下放及其制动时能量存储后，利用超级电容大电流放电的特性，补充这时所需的瞬时功率，这样既充分利用了原先通过电阻耗散掉的能量，又可以减少柴油发电机组超负荷运行时对环境的污染及其能耗的消耗。

3 超级电容节能装置硬件

本文所研究的超级电容节能装置在硬件设计方面集信号采样处理、显示、通讯和控制等功能为一体，系统硬件结构如图2所示。

主回路包括超级电容组及其相关电路，双向DC/DC主回路，单项DC/DC主回路。其中超级电容与双向DC/DC低压端相连，双向DC/DC高压端与提升变频器母线相连。单项DC/DC装置低压侧与超级电容相连，高压侧与回转变频器母线相连。除了主回路外，硬件系统中还包括电容均衡及其管理系统，DC/DC及其控制电路和通信电路等。

3.1超级电容器的选择

要使船用抓斗挖掘机混合动力系统能够安全稳定有效工作，达到预期目的，超级电容选配是关键。选择超级电容器产品应综合考虑等效串联电阻（ESR）、漏电流和体积等因素，ESR越小，放电效率越高、放电电流也越高，同时充放电过程产生热量也越小，有利于散热；漏电流是超级电容器电荷保持能力的标志，需要尽可能低的漏电流；超级电容器的体积越小越好，以便应用时尽可能少占用设备空间。

综合以上因素我们选择了如表1技术要求的超级电容。

3.2 超级电容系统管理系统的选择

超级电容管理系统的目的主要是实现对超级电容组的监控与管理，同时实现与整机控制系统的通信，在设计中我们选择了西门子PLC-200作为超级电容关系系统的控制器，实现对超级电容首次充电时的均压管理，充放电时的电压电流管理。确保超级电容组工作在设定的范围。装置设有过压、欠压报警。实现对充放电电流上限的限制，使电流工作在最大电流值以下，确保装置的安全与可靠。

3.3 双向DC/DC性能参数的确定

（1）正向输入电压。Vci =480～340V（电容器输出，电容电压变化范围），当Vci ≤340V时，DC/DC自动停止正向输出。

（2）正向输出电压。Vdo变化范围在513V（根据变频器直流母线电压变化确定，母线电压变化范围在500～560V）。

（3）正向输出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）

（4）反向输入电压。Vdi=500～690V（再生能量回馈过程）

（5）反向输出电压。Vco=340～480V （向电容器充电），反向输出为分段恒流限压充电模式，第一阶段充电电流480A，达到480V时转入第二阶段，第二阶段电流240A，当电容器电压再次达到480V时，停止充电。

（6）反向输出功率。Pco=200kW。

3.4 单项DC/DC性能参数的选择

（1）输出电压。V=480～340V（电容电压变化范围），当V480V时，DC/DC自动停止输出。

（2）输入电压。V变化范围在510V～690V（变频器直流母线电压变化范围）。

（3）输出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。

4 系统软件实现

超级电容管理系统PLC主程序主要完成数据初始化、故障综合、电流电压A/D采样、手动充放电、重要信息及时通信等功能。系统采用故障信号进行冗余判断的方式，提高了系统运行的可靠性，同时增加超级电容故障综合诊断的设计。

DC/DC装置自带的单片机控制器，通过编程实现对发电机组输入电流的PID跟踪功能。通过编程实现对输入输出电流电压的实时跟踪，确保系统工作在设定的电压与电流范围能，保证系统安全可靠的工作。

其中，DC/DC跟踪柴油发电机输出电流值来决定超级电容节能装置的工作状态，当柴油发电机组电流值大于设定的放电电流值时，超级电容放电。当柴油发电机组输出电流小于设定的充电电流值时，超级电容进入充电状态。如图3所示。

5 实现结果

综上分析，超级电容发挥了以下的作用：首先是取消了能耗电阻，而更具有意义的是，超级电容保存了所有机构反馈的能量，避免了反馈能量的白白损耗，同时在荷载突增的情况下（起升瞬间）提供补充能量，平稳发动机工作状态，达到节能的目的。

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