专利名称：起重机的自馈式电能回收系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种起重机的自馈式电能回收系统及方法。
背景技术：
起重设备包括车间内的天车、港口用的集装箱吊装用的港机以及建筑施工中用的 卷扬机等等，涉及工业、运输中的方方面面，是众多领域不可缺少的重要设备。起重设备在吊起重物时，需外界(如电网)供给其电能，使电动机转动才能吊起重 物，将重物吊起后，外界提供的电能就转化为重物的重力势能；当重物下降时，其重力势能 将随着重物高度的下降而被逐渐释放。现有的起重设备是通过摩擦片将该势能变成摩擦热 逐渐消耗掉，或者将电机工作在发电状态时发出的电能用大功率电阻消耗掉。这种将势能 白白消耗掉的方式不利于节能。本发明将起重设备重物下降过程中的势能转化为电能，并存储与储能模块中，当 起重设备需要使用电能时在有储能模块输出给起重设备使用，以达到节能的目的。在一些电能回收装置中，将回收的电能直接反馈到电网(简称“馈网式”)，但这种 方式存在以下问题(1)由于能量回收过程时间较短，产生的电流较大，引起电网电压的明 显波动，对电网的冲击较大，有人将其称为垃圾电；(2)目前国家还没有回收电能反馈到电 网的计价政策，所以用户节能却并不省钱；(3)馈网式电能回收系统必须与电网的频率、相 位一致才能与电网并网，造成装置复杂、成本高、可靠性下降。因此本发明采用“自馈式”电 能回收技术即将回收的电能反馈给设备本身使用，从而达到节能、省钱的目的。目前储能器件有一次电池、二次电池、超级电容器等。一次电池不可充电，无法反 复使用，综合使用成本高。二次电池可反复充放电，是目前许多移动用电器的首选储能器 件；目前，常见二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、超级电容器等。铅 酸电池、镍镉电池有铅、镉重金属的污染，正逐步被世界各国限制使用；由于镍的价格不断 上涨，镍氢电池的性价比也在不断下降。锂离子电池和超级电容器是近年来出现的新型储 能器件，具有明显的性能优势。锂离子电池能量密度高，但功率密度较低，寿命较短(1000 次左右)；超级电容器寿命长(可达10万次以上)，功率密度大，很适合高功率、长寿命电能 存储使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种起重机的自馈式电能回收系统及方法，该起重机的自 馈式电能回收系统及方法节能效果良好，易于实施。本发明的技术解决方案如下一种起重机的自馈式电能回收系统，电网、整流模块、逆变模块、控制模块和起吊 重物的电机均与切换模块相接，整流模块和逆变模块均与储能模块相接，逆变模块与电机 相接，储能模块为超级电容器、锂离子电池、混合超级电容器或电容电池。所述的储能模块由多个超级电容器串联而成，所述的起重机的自馈式电能回收系统还包括平衡保护模块，平衡保护模块包括用于检测超级电容器两端电压以及用于控制电 子开关元件的检测控制器、功率电阻和电子开关元件，功率电阻与电子开关元件串联后形 成的串联支路与检测控制器并联，检测控制器与一个超级电容器单体并联，平衡保护模块 为多个，多个平衡保护模块分别与多个超级电容器单体并联；所述的控制模块采用PLC或 单片机。一种起重机的自馈式电能回收方法，采用前述的起重机的自馈式电能回收系统， 具体控制方法为当需要吊起重物且超级电容器储能模块的总电压没有达到设定值时，启用电网供 电模式即由控制模块控制切换模块使得电网为电机供电将重物吊起；当重物下降时，启用充电模式即由控制模块控制切换模块以切断电网与电机的 连接，同时接通电机与整流模块，电机工作在发电状态，发出的电能通过整流模块输送给超 级电容器储能模块；当控制模块检测到超级电容器储能模块的总电压高于设定值，且重物需要吊起 时，启动逆变模式即由控制模块启动逆变模块，将超级电容器储能模块储存的电能通过逆 变模块输出到电机以吊起重物。设定值采用40v，这主要是从电路匹配以及成本方面考虑，如果电压太高，则回收 电能过程中重物下降的速度可能会太快。作为改进，采用平衡保护模块保护超级电容器，平衡保护模块包括用于检测超级 电容器两端电压以及用于控制电子开关元件的检测控制器、功率电阻和电子开关元件，功 率电子与电子开关元件串联后形成串联支路与检测控制器并联，检测控制器与一个超级电 容器单体并联，平衡保护模块为多个，多个平衡保护模块分别与多个超级电容器单体并联; 当平衡保护模块的检测控制器检测到超级电容器单体的电压超过预设上限值，则由检测控 制器开启电子开关元件使得该超级电容器单体通过功率电阻放电；当平衡保护模块的检测 控制器检测到超级电容器单体的电压低于预设下限值，则由检测控制器关闭电子开关元件 使得该超级电容器单体停止通过功率电阻放电。本发明的技术构思为将起重设备吊起的重物下降过程中的势能转化为电能，并存储于储能模块中，当 起重设备需要使用电能时在有储能模块输出给起重设备使用，以达到节能的目的。起重设 备吊起的重物在下降过程中，其电机工作状态切换至发电状态，所发出的电由电能回收系 统回收，并将该电能存储在储能器件中；当所存储的能量达到一定值时通过控制电路将能 量供给起重设备吊起重物使用，以达到节能效果。自馈式电能回收是将回收的电能供给起 重设备自身使用，即实现自馈式电能回收。储能模块可以是超级电容器、锂离子电池、混合 超级电容器、电容电池等构成；优选超级电容器和功率型锂离子电池，更优选的是采用超级 电容器。所述的平衡保护模块用于监控储能器件单体的工作电压，当储能器件的电压超出 正常范围时输出控制信号，启动平衡与保护措施，以保证使储能器件工作在正常的电压范 围内。整流模块用于将电机发出的电进行整流、稳压，并输送到储能模块，使起重设备所 吊起的重物下降时发出的电能被存储到储能器件中。整流模块涉及的技术为成熟技术。
控制模块用于将监控起重设备的工作状态以及储能模块所存储的电能大小；当储 能模块还未存储足够电能时，输出信号，使起重设备使用电网的电；当起重设备吊起的重物 要下降时，将电机的工作状态切换至发电状态。逆变模块将储能模块存储的电能逆变成交流电，并与起重用的电动机用电相匹 配。有益效果相比与传统的起重机，采用将本发明所提出的起重机的自馈式电能回收系统及方 法应用于起重机具有明显的节能效果，其最主要的原因是将重物下降过程中的势能尽最大 可能得到了回收，并将该回收的能量又反馈回电机用于后续的起吊工作，根据起重设备的 型号和工作状态的不同，节能在20 60%之间；如在5吨起重机上测试节能> 33%，10吨 的起重机上测试节能> 41%。采用本发明能克服馈网式电能回收型起重设备的以下缺点 (1)由于能量回收过程时间较短，产生的电流较大，引起电网电压的明显波动，对电网的冲 击较大，有人将其称为垃圾电；(2)目前国家还没有回收电能反馈到电网的计价政策，所以 用户节能却并不省钱；(3)馈网式电能回收系统必须与电网的频率、相位一致才能与电网 并网，造成装置复杂、成本高、可靠性下降。因此本发明采用“自馈式”电能回收技术，将回 收的电能反馈给设备本身使用，从而达到节能、省钱且不对电网造成冲击的目的。
图1为实施例1的总体结构示意图；图2为平衡保护模块工作原理示意图。
具体实施例方式以下结合具体实例和附图对本发明作进一步的说明。如图1，一种起重机的自馈式电能回收系统，电网、整流模块、逆变模块、控制模块 和起吊重物的电机均与切换模块相接，整流模块和逆变模块均与储能模块相接，逆变模块 与电机相接，储能模块为超级电容器、锂离子电池、混合超级电容器或电容电池。所述的储能模块由多个超级电容器串联而成，所述的起重机的自馈式电能回收系 统还包括平衡保护模块，平衡保护模块包括用于检测超级电容器两端电压以及用于控制电 子开关元件的检测控制器、功率电阻和电子开关元件，功率电阻与电子开关元件串联后形 成的串联支路与检测控制器并联，检测控制器与一个超级电容器单体并联，平衡保护模块 为多个，多个平衡保护模块分别与多个超级电容器单体并联；所述的控制模块采用PLC或 单片机。一种起重机的自馈式电能回收方法，采用前述的起重机的自馈式电能回收系统， 具体控制方法为当需要吊起重物且超级电容器储能模块的总电压没有达到40V时，启用电网供电 模式即由控制模块控制切换模块使得电网为电机供电将重物吊起；当重物下降时，启用充电模式即由控制模块控制切换模块以切断电网与电机的 连接，同时接通电机与整流模块，电机工作在发电状态，发出的电能通过整流模块输送给超 级电容器储能模块；
当控制模块检测到超级电容器储能模块的总电压高于40V，且重物需要吊起时，启 动逆变模式即由控制模块启动逆变模块，将超级电容器储能模块储存的电能通过逆变模 块输出到电机以吊起重物。作为改进，采用平衡保护模块保护超级电容器，平衡保护模块包括用于检测超级 电容器两端电压以及用于控制电子开关元件的检测控制器、功率电阻和电子开关元件，功 率电子与电子开关元件串联后形成串联支路与检测控制器并联，检测控制器与一个超级电 容器单体并联，平衡保护模块为多个，多个平衡保护模块分别与多个超级电容器单体并联; 当平衡保护模块的检测控制器检测到超级电容器单体的电压超过预设上限值，则由检测控 制器开启电子开关元件使得该超级电容器单体通过功率电阻放电；当平衡保护模块的检测 控制器检测到超级电容器单体的电压低于预设下限值，则由检测控制器关闭电子开关元件 使得该超级电容器单体停止通过功率电阻放电。实施例1 以5吨型起重机为例，在其电网输入端接上电能表，用于观察节能效果。整流模块由整流电路、滤波电路和充电电流信号采集电路组成。整流模块的技术 为现有技术。储能模块采用20只2. 7V 3000F的超级电容器串联组成50V 150F的超级电容器 组件，超级电容器组件两端装有电压检测电路，检测值传至控制模块。平衡保护模块并联于每个超级电容器单体的两端，平衡保护模块的工作原理如图 2所示，图中13为需要保护的超级电容器单体，14为电压检测芯片，15为功率电阻，16为电 子开关元件；平衡保护模块工作过程为由检测控制器14采集超级电容器单体13两端的 电压，当检测到超级电容器单体13电压高于设定值(如2. 7V)时，检测控制器14输出控制 信号给电子开关元件16，电子开关元件16导通，超级电容器单体13通过功率电阻15及电 子开关元件16放电；随着放电过程的进行，超级电容器单体13两端的电压逐渐下降，当电 压下降至低于设定值(如2. 65V)时，检测控制器14关闭输出信号，电子开关元件16关闭， 超级电容器单体13不再继续放电，这样就实现了超级电容器单体13能够工作在所需的电 压范围内，从而有效地保护了超级电容器单体13能够长期稳定正常工作。逆变模块采用功率5KW，输入20 50VDC，输出380V三相交流电的逆变器，逆变模 块采用现有的成熟逆变技术。本实施例的工作过程为当吊起重物时，输出控制信号接通电网的电供给电机，使 重物吊起；当重物下降时，输出控制信号，切断电网与电机的连接，同时接通电机与整流模 块，电机工作在发电状态，发出的电通过整流模块供给超级电容器储能模块；当控制模块 检测到超级电容器储能模块的总电压高于40V后，在重物需要吊起时，控制模块就将超级 电容器储能模块与逆变模块的输入连通，逆变模块的输出与电机连通，电机工作，将重物吊 起。检测以吊起3吨重物进行测试，吊起高度为4米，吊起、放下次数为100次；对比 电能回收模块开启及关闭的能耗，当电能回收模块关闭时消耗电能为6. 9度，当电能模块 开启时消耗电能为4. 6度，节能33. 3%。
权利要求
一种起重机的自馈式电能回收系统，其特征在于，电网、整流模块、逆变模块、控制模块和起吊重物的电机均与切换模块相接，整流模块和逆变模块均与储能模块相接，逆变模块与电机相接，储能模块为超级电容器、锂离子电池、混合超级电容器或电容电池。
2.根据权利要求1所述的起重机的自馈式电能回收系统，其特征在于，所述的储能模 块由多个超级电容器串联而成，所述的起重机的自馈式电能回收系统还包括平衡保护模 块，平衡保护模块包括用于检测超级电容器两端电压以及用于控制电子开关元件的检测控 制器、功率电阻和电子开关元件，功率电阻与电子开关元件串联后形成的串联支路与检测 控制器并联，检测控制器与一个超级电容器单体并联，平衡保护模块为多个，多个平衡保护 模块分别与多个超级电容器单体并联；所述的控制模块采用PLC或单片机。
3.—种起重机的自馈式电能回收方法，其特征在于，采用权利要求1所述的起重机的 自馈式电能回收系统，具体控制方法为当需要吊起重物且超级电容器储能模块的总电压没有达到设定值时，启用电网供电模 式即由控制模块控制切换模块使得电网为电机供电将重物吊起；当重物下降时，启用充电模式即由控制模块控制切换模块以切断电网与电机的连接， 同时接通电机与整流模块，电机工作在发电状态，发出的电能通过整流模块输送给超级电 容器储能模块；当控制模块检测到超级电容器储能模块的总电压高于设定值，且重物需要吊起时，启 动逆变模式即由控制模块启动逆变模块，将超级电容器储能模块储存的电能通过逆变模 块输出到电机以吊起重物。
4.根据权利要求1所述的起重机的自馈式电能回收方法，其特征在于，采用平衡保护 模块保护超级电容器，平衡保护模块包括用于检测超级电容器两端电压以及用于控制电子 开关元件的检测控制器、功率电阻和电子开关元件，功率电子与电子开关元件串联后形成 串联支路与检测控制器并联，检测控制器与一个超级电容器单体并联，平衡保护模块为多 个，多个平衡保护模块分别与多个超级电容器单体并联；当平衡保护模块的检测控制器检 测到超级电容器单体的电压超过预设上限值，则由检测控制器开启电子开关元件使得该超 级电容器单体通过功率电阻放电；当平衡保护模块的检测控制器检测到超级电容器单体的 电压低于预设下限值，则由检测控制器关闭电子开关元件使得该超级电容器单体停止通过 功率电阻放电。
全文摘要
本发明公开了一种起重机的自馈式电能回收系统及方法，该系统为电网、整流模块、逆变模块、控制模块和起吊重物的电机均与切换模块相接，整流模块和逆变模块均与储能模块相接，逆变模块与电机相接，储能模块为超级电容器、锂离子电池、混合超级电容器或电容电池。所述的起重机的自馈式电能回收系统还包括平衡保护模块。该方法为在上述系统的基础上，根据不同情况确定不同的系统工作模式电网供电模式、启用充电模式以及逆变模式。本发明具有明显的节能效果。
文档编号H02J7/00GK101888107SQ20101020907
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者李荐 申请人:长沙巨力电子科技有限公司