势能回收装置线下试验系统的制作方法

本发明涉及势能回收技术领域，具体为一种势能回收装置线下试验系统。

背景技术：

大型起重设备，如港口门机、集装箱龙门起重机，属于高耗能设备，存在较大能量浪费。在全民节能减排的大环境下，这种大型设备节能问题亟待解决，势能回收装置应运而生。

势能回收装置可以将起重设备再生制动状态下产生的电能存储起来，在起重设备起升耗能时释放为起重设备提供能量，完成能量的回收再利用，节能降耗。

目前势能回收装置没有专用的设备方法可对其进行试验检测。势能回收装置只能在现场进行测试调试。需要具有丰富经验的专业设计人员才能够完成，过程繁琐复杂，且因为未能在出厂前进行试验存在调试风险。现场需要通过高压探头、示波器抓取势能回收装置工作波形，手动进行计算，并且需要操作起重人员操作设备配合完成测试调试，配合度要求高，协调诸多不便，费时费力，并且伴有较高风险。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明目的是提供一种针对势能回收装置进行线下测试的试验系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种势能回收装置线下试验系统，包括机械系统和电气系统。

所述机械系统包括底架，所述底架固定安装轨道座，所述轨道座两侧安装两根滑轨，两根滑轨上通过滑块固定支撑有重力模拟承接平台，所述轨道座中部支撑有丝杠，所述丝杠端部通过联轴器与伺服电机输出端连接，所述重力模拟承接平台底面的丝母套装于丝杠上；所述重力模拟承接平台上安装力矩电机、减速箱ⅰ及卷筒ⅰ，所述力矩电机输出端安装扭矩传感器、并通过联轴器与减速箱ⅰ输入端连接，所述减速箱ⅰ输出端通过联轴器与卷筒ⅰ的卷筒轴连接，所述力矩电机上安装制动器及编码器；所述底架通过四根立柱固定支撑起升模拟承接平台，四根立柱与起升模拟承接平台之间设置载荷传感器，所述起升模拟承接平台上安装变频电机、减速箱ⅱ及卷筒ⅱ，所述变频电机输出端安装扭矩传感器、并通过联轴器与减速箱ⅱ输入端连接，所述减速箱ⅱ输出端通过联轴器与卷筒ⅱ的卷筒轴连接，所述变频电机上安装制动器及编码器；所述卷筒ⅰ和卷筒ⅱ之间连接钢丝绳。

所述电气系统包括工控机、变频电源、变频电机控制器、力矩电机控制器、伺服控制器、模拟量采集模块、编码器采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块、载荷采集模块、电压传感器、电流传感器，所述变频电源与变频电机控制器相连接；

电气系统的变频电机控制器与机械系统的变频电机相连接；

电气系统的力矩电机控制器与机械系统的力矩电机相连接；

电气系统的伺服电机控制器与机械系统的伺服电机相连接；

电气系统的载荷采集模块与机械系统的载荷传感器相连接；

电气系统的编码器采集模块与机械系统的编码器相连接；

电气系统的数字量输出模块与机械系统的制动器相连接；

电气系统的变频电机控制器直流母线与被试件变频系统的直流母线相连接；

电气系统的模拟量采集模块、数字量采集模块、数字量输出模块与被试件监控系统相连接；

电气系统的电流传感器、电压传感器与被试件变频系统的直流母线相连接。

应用于上述试验系统的势能回收装置线下试验方法，如下：

一、对势能回收系统进行性能检测

将势能回收系统直流母线与试验系统变频器直流母线相连接，将势能回收系统监控线与试验系统模拟量采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块相连接。

（1）、回收性能测试

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置下降重量、下降速度及模拟下降信号，使得试验系统工作在下降状态，发电，并给与势能回收装置下降信号，同时试验系统自动监测势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线以及势能回收装置内部电容前端的电压电流曲线。

测试项：

1.1、电流方向应为正向，即流入势能回收装置；

1.2、超级电容具备存储能量存储空间，母线电压控制在基准电压至正偏差15v以内；

1.3、势能回收装置存储效率大于97%，

；

1.4、超级电容达到最高电压后停止充电。

（2）、静置功耗

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置下降重量、下降速度及模拟下降信号，使得试验系统工作在下降状态，发电，并给与势能回收装置下降信号，至势能回收装置存储满能量，试验系统停止下降，势能回收装置停止电能转移，稳压10min记录电压值，8小时后再次记录电压值，电压下降小于1%。

（3）、释放性能测试

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置起升重量、起升速度及模拟起升信号，使得试验系统工作在起升状态，耗能，并给与势能回收装置起升信号，同时试验系统自动监测势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线以及势能回收装置内部电容前端的电压电流曲线。

测试项：

3.1、电流方向应为负向，即流出势能回收装置；

3.2、超级电容具备可释放能量，母线电压控制在基准电压至负偏差15v以内；

3.3、势能回收装置释放效率大于97%，

；

3.4、超级电容达到最低电压后停止放电。

（4）、循环性能测试

设置试验系统起升重量、起升速度、下降重量、下降速度、静置时间、偏移摆角曲线、拉力波动曲线及起升循环次数，记录势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线；势能回收装置正常工作，整体效率大于90%。

（5）、急停测试

循环性能测试过程中发出急停信号，被试件主回路接触器强制切断。

二、对势能回收系统进行现场工况复现测试

（1）、将势能回收系统直流母线与试验系统变频器直流母线相连接，将势能回收系统监控线与试验系统模拟量采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块相连接。

（2）、导入现场实录图谱，即现场实测拉力值、现场实测拉力波动、现场实测电机运动起升下降速度、现场实测摆动、升降信号曲线。

（3）、力矩电机依据现场实测拉力以及拉力波动输出扭矩经减速机后输出，变频电机速度依据现场实测电机运动起升下降速度调整，试验系统依据升降信号向被试件发出上升下降信号，伺服电机依据现场实测摆动实现行程正反转运动，带动重力模拟机构摆动，试验系统实时监控记录被试件直流母线侧以及势能回收系统内部超级电容侧电流、电压值，并实时计算系统功率、效率。

（4）、计算势能回收系统在真实工况下的整体效率。

（5）、调节势能回收装置参数设置，重复步骤（3）验证参数设置。

本发明在有限的空间内实现了势能回收装置的试验环境，通过复建起重设备各项实际环境，提供测试输入，对测势能回收装置的各项性能指标进行采集测试标定。

本发明通过科学的试验调试方法对势能回收装置进行线下试验，设备可以按照调试人员设置自动完成试验，可以在势能回收装置实际装机前进行各项指标测试，以确势能回收装置性能达到要求，降低现场安装调试风险。

本发明场地需求低，结构紧凑，解决了起重设备运行高度空间需求问题，安全性高，便于势能回收设备试验调试。

本发明设计合理，具有很好的实际应用与推广价值。

附图说明

图1表示本发明中机械系统的正视图。

图2表示本发明中机械系统的侧视图。

图3表示本发明中机械系统的俯视图。

图4表示本发明中机械系统整体示意图。

图5表示本发明中电气系统、机械系统与被试件连接示意图。

图6表示工控机内设有控制程序图。

图7a表示基准质量绝对拉力值示意图。

图7b表示实际起升下降过程中拉力的拨动示意图。

图7c表示基准值和拉力拨动拟合后确定扭矩输出示意图。

图7d表示起重设备上升下降速度设定示意图。

图7e表示起重设备运行速度和扭矩电机扭矩决定起升电机功率示意图。

图中：1-底架，2-轨道座，3-重力模拟承接平台，4-起升模拟承接平台，5-立柱，6-滑轨，7-滑块，8-丝杠，9-伺服电机，10-力矩电机，11-变频电机，12-减速箱ⅰ，13-减速箱ⅱ，14-卷筒ⅰ，15-卷筒ⅱ，16-钢丝，17-扭矩传感器，18-联轴器，19-制动器，20-编码器，21-载荷传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种线下势能回收装置试验系统，主要由机械系统和电气系统两部分构成。内部附有程序，可以自动完成各项检测。

一、机械系统主要由平台支架、重力模拟机构、起升模拟机构三大部分构成。

如图1、2、3、4所示，机械系统包括底架1，底架1固定安装轨道座2，轨道座2两侧安装两根滑轨6，两根滑轨6上通过滑块7固定支撑有重力模拟承接平台3，轨道座2中部支撑有丝杠8，丝杠8端部通过联轴器与伺服电机9输出端连接，重力模拟承接平台3底面的丝母套装于丝杠8上；重力模拟承接平台3上安装力矩电机10、减速箱ⅰ12及卷筒ⅰ14，力矩电机10输出端安装扭矩传感器17、并通过联轴器18与减速箱ⅰ12输入端连接，减速箱ⅰ12输出端通过联轴器与卷筒ⅰ14的卷筒轴连接，力矩电机10上安装制动器19及编码器20；底架1通过四根立柱5固定支撑起升模拟承接平台4，四根立柱5与起升模拟承接平台4之间设置载荷传感器21，起升模拟承接平台4上安装变频电机11、减速箱ⅱ13及卷筒ⅱ15，变频电机11输出端安装扭矩传感器17、并通过联轴器与减速箱ⅱ13输入端连接，减速箱ⅱ13输出端通过联轴器与卷筒ⅱ15的卷筒轴连接，变频电机11上安装制动器19及编码器20；卷筒ⅰ14和卷筒ⅱ15之间连接钢丝16。

具体实施时，1、底架作为平台支架为h型，在四个立柱和上平台（起升模拟承接平台）之间设置有载荷传感器，载荷传感器用来监测重力模拟机构所模拟重力产生的载荷效果。

2、重力模拟机构，主要由力矩电机、联轴器、减速机、扭矩传感器、编码器、卷筒ⅰ、制动器、重力模拟承接平台，伺服电机、滑轨构成。重力模拟机构用于模拟起重机构所载重物的重力效果。

3、起升模拟机构，主要由变频电机、联轴器、减速机、扭矩传感器、编码器、卷筒ⅱ、制动器、起升模拟承接平台构成。起升模拟机构用于复建起重设备起升电气环境。

4、力矩电机力矩可变可以模拟不同重力效果。

5、扭矩传感器可以检测当前的拉力值。

6、编码器可以测定起升，下降距离。

7、减速机变比提供更大的拉力效果。

8、电动推杆配合滑轨可以推动承接平台改变重力模拟机构钢丝牵引拉力的角度。

9、重力模拟机构通过伺服电机机构安装在平台支架下端、起升机构安装在平台支架上端、重力模拟机构和起升模拟机构通过钢丝绳连接。钢丝绳卷绕在起升模拟机构的卷筒和重力模拟机构的卷筒上。

二、电气系统主要由工控机、变频电源、变频电机控制器、力矩电机控制器、伺服控制器、模拟量采集模块、编码器采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块、载荷采集模块、电压传感器、电流传感器构成，如图5所示。

1、电气系统内部工控机与变频电源、变频电机控制器、力矩电机控制器、伺服控制器、模拟量采集模块、编码器采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块、载荷采集模块、电压传感器、电流传感器相连接。变频电源与变频电机控制器相连接。

2、电气系统的变频电机控制器与机械系统的变频电机相连接。

3、电气系统的力矩电机控制器与机械系统的力矩电机相连接。

4、电气系统的伺服控制器与机械系统的电动推杆相连接。

5、电气系统的载荷采集模块与机械系统的载荷传感器相连接。

6、电气系统的编码器采集模块与机械系统的编码器相连接。

7、电气系统的数字量输出模块与机械系统的制动器相连接。

8、电气系统的变频电机控制器直流母线与被试件变频系统相连接。

9、电气系统的模拟量采集模块、数字量采集模块、数字量输出模块与被试件监控系统相连接。

10、电气系统的电流传感器、电压传感器与连接被试件的直流母线相连接。

11、工控机内设有控制程序，如图6所示。

11.1、通过力矩电机实现扭矩输出，通过减速机变比拉力值，可以根据设定改变拉力，实现重物上升下降的拉力变化，通过扭矩监测拉力值，通过编码器监测距离。

11.2、通过伺服电机实现拉力角度变化，实现现实工况在其他外力作用下，被起重物体的摆动效果。

11.3、工控机内设有程序可自动输出起升下降信号，根据设定通过控制力矩电机控制器控制监控载荷传感器，闭环控制拉力，通过控制变频控制器，控制起升或者下降速度，自动检测被试件母线电压、电流，内部电容前端电压、电流，绘制波形、对结果进行计算判断。

三、上述势能回收装置线下试验系统工作原理。

1、依据试验设定起升质量。

2、依据试验设定偏移摆角曲线，拉力波动曲线。

3、依据试验设定起升距离、速度，下降距离、速度。

4、系统依据起升质量和拉力图谱控制力矩电机输出力矩。

5、系统依据摆角图谱，控制电动缸带动重力模拟机构调整拉力角度。

6、系统依据起升距离、速度，下降距离、速度，控制变频器转动。

7、母线电压变化速度与起升速度成正比，与起升质量成正比。

8、拉力波动会引起母线电压波动。

9、当起升时变频电机与力矩电机输出力的方向相反，变频电机工作在牵引状态，耗电，母线电压被拉低。

10、当下降时变频电机与力矩电机输出力的方向相同，变频电机工作在再生制动状态，发电，母线电压升高。

11、上述因素共同作用决定直流母线电压值，为被试件提供试验需要的直流母线环境。

不考虑损耗理论值为：

。

12、势能回收装置线下试验系统通过电压传感器、电流传感器实时监测直流母线电压。

13、势能回收装置线下试验系统通过模拟量采集模块，数字量采集模块监测被试件超级电容系统电压、超级电容系统前端电流、以及变频系统运转状态。

四、势能回收装置线下试验系统的研究定性试验：四连杆门座式起重机设定工作工况测试。

1、将势能回收系统母线与试验系统变频器直流母线相连接，将势能回收系统监控线与试验系统模拟量采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块相连接。

2、设定抓斗基本重量18t、起升速度50m/min。

3、设置工况：

设定工况一：抓取物重量22t，起升15m，下降5m，释放，下降10m，0.1hz正弦摆动振幅3cm。

设定工况二：抓取物重量20t，起升15m，下降5m，释放，下降11m，0.15hz正弦摆动1cm。

……

设定工况n。

4、开始试验

工况一实现：力矩电机输出扭矩22kn/m经减速机后输出22t，牵引电机速度为50r/min，试验系统向被试件发出上升信号，牵引电机正转3min，带动钢丝移动15m，试验系统向被试件发出下降信号，牵引电机反转1min，带动钢丝移动5m。改变力矩电机输出扭矩18kn/m经减速机后输出18t，牵引电机反转2min，带动钢丝移动10m。电动推杆以0.1hz频率3cm行程正反转运动，带动重力模拟机构循环摆动，循环期间试验系统实时监控记录被试件直流母线侧以及势能回收系统内部超级电容侧电流、电压值，并实时计算系统功率、效率。

工况二实现：力矩电机输出扭矩20kn/m经减速机后输出20t，牵引电机速度为50r/min，试验系统向被试件发出上升信号，牵引电机正转3min，带动钢丝移动15m，试验系统向被试件发出下降信号，牵引电机反转1min，带动钢丝移动5m。改变力矩电机输出扭矩18kn/m经减速机后输出18t，牵引电机反转2min12s，带动钢丝移动11m。电动推杆以0.15hz频率1cm行程正反转运动，带动重力模拟机构循环摆动，循环期间试验系统实时监控记录被试件直流母线侧以及势能回收系统内部超级电容侧电流、电压值，并实时计算系统功率、效率。

……

第n个循环。

5、根据步骤4中记录的被试件直流母线侧以及势能回收系统内部超级电容侧电流、电压值，以及系统功率、效率调节被试件启动、停止电压值，启动电压变化斜率，停止电压变化斜率。

6、重复步骤4验证步骤5的参数设定。

五、势能回收装置线下试验方法

被试件势能回收装置工作原理：当起重设备处于重物下降再生制动状态下，发电，母线电压升高，势能回收装置从母线回收原本被浪费掉的能量。当起重设备处于重物上升牵引状态下，耗电，母线电压降低，势能回收装置释放能量至母线，完成能量回收的再利用。

具体试验方法如下：

ⅰ、对势能回收系统进行性能检测

将势能回收系统直流母线与试验系统变频器直流母线相连接，将势能回收系统监控线与试验系统模拟量采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块相连接。

1、回收性能测试

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置下降重量，下降速度，模拟下降信号，使得试验系统工作在下降状态，发电，并给与势能回收装置下降信号，同时试验系统自动监测势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线以及势能回收装置内部电容前端的电压电流曲线。

测试项：

1.1电流方向应为正向，即流入势能回收装置。

1.2超级电容具备存储能量存储空间，母线电压控制在基准电压至正偏差15v以内。

1.3势能回收装置存储效率大于97%，

。

1.4超级电容达到最高电压后停止充电。

2、静置功耗

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置下降重量，下降速度，模拟下降信号，使得试验系统工作在下降状态，发电，并给与势能回收装置下降信号，至势能回收装置存储满能量，试验系统停止下降，势能回收装置停止电能转移，稳压10min记录电压值，8小时后再次记录电压值，电压下降小于1%。

3、释放性能测试

设置试验系统对应被试件最大势能回收功率对应设置起升重量，起升速度，模拟起升信号，使得试验系统工作在起升状态，耗能，并给与势能税收装置起升信号，同时试验系统自动监测势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线以及势能回收装置内部电容前端的电压电流曲线。

测试项：

3.1电流方向应为负向，即流出势能回收装置。

3.2超级电容具备可释放能量，母线电压控制在基准电压至负偏差15v以内。

3.3势能回收装置释放效率大于97%。

。

3.4超级电容达到最低电压后停止放电。

4、循环性能测试

设置试验系统起升重量，起升速度，下降重量，下降速度，静置时间，偏移摆角曲线，拉力波动曲线，起升循环次数，记录势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线。势能回收装置正常工作，整体效率大于90%。

5、急停测试

发出急停信号，被试件主回路接触器强制切断。

6、以下为势能回收装置性能检测的具体实施例：

出厂定量试验，以功率520v/150kw，0.45kwh储能系统35t门机应用为例。

主要参数：直流母线电压520v。

最大功率150kw

最大存储能量0.45kwh

电容侧最高电压470v

电容侧最低电压70v

6.1、力矩电机输出扭矩35kn/m经减速机后输出35t，牵引电机速度为50r/min，试验系统向被试件发出下降信号，牵引电机反转，带动钢丝向下移动。

电流方向为正向合格，否则判定为不合格停止试验。

母线电压低于始终小于等于535v为合格，大于535v判定为不合格停止试验。

电容侧电压逐渐升高至470v被试件不再充电为合格，电容侧电压大于470v判定为不合格停止试验。

牵引电机停止转动，制动器制动抱死。

整体存储效率大于97%。为合格，否则判定为不合格停止试验。

6.2、稳压10min系统记录当前电容侧电压值468v，静置8h，电压大于463v为合格，小于463v判定为不合格停止试验。

6.3、力矩电机输出扭矩35kn/m经减速机后输出35t，牵引电机速度为50r/min，试验系统向被试件发出上升信号，牵引电机正转，带动钢丝向上移动。

电流方向为负向合格，否则判定为不合格停止试验。

母线电压低于始终大于等于505v为合格，小于505v判定为不合格。

电容侧电压逐渐降低至70v被试件不再放电为合格，电容侧电压小70v判定为不合格。

牵引电机停止转动，制动器制动抱死。

整体释放效率大于97%。为合格，否则判定为不合格停止试验。

6.4、力矩电机输出扭矩35kn/m经减速机后输出35t，牵引电机速度为50r/min，起升3min，静置时间1min，下降3min，循环50次，偏移摆角振幅为0，拉力波动曲线为0，记录势能回收装置与试验系统连接的直流电压电流曲线。势能回收装置正常工作，整体效率大于90%为合格，否则为不合格。

6.5、重复步骤6.4在循环过程中强制发出急停信号，被试件主回路接触器强制分断为合格，否则为不合格。

ⅱ、针对势能回收系统进行现场工况复现测试

（1）、将势能回收系统直流母线与试验系统变频器直流母线相连接，将势能回收系统监控线与试验系统模拟量采集模块、数字量输出模块、数字量采集模块相连接。

（2）、导入现场实录图谱，即现场实测拉力值、现场实测拉力波动、现场实测电机运动起升下降速度、现场实测摆动、升降信号曲线。

（3）、力矩电机依据现场实测拉力以及拉力波动输出扭矩经减速机后输出，牵引电机速度依据现场实测电机运动起升下降速度调整，试验系统依据升降信号向被试件发出上升下降信号，电动推杆依据现场实测摆动实现行程正反转运动，带动重力模拟机构摆动，试验系统实时监控记录被试件直流母线侧以及势能回收系统内部超级电容侧电流、电压值，并实时计算系统功率、效率。

（4）、计算系统在真实工况下的整体效率。

（5）、调节势能回收装置参数设置，重复步骤（3）验证参数设置。

本发明提出了一种新的机械结构、可以在有限高度空间内，完成了远长于该高度的起重设备的起升下降距离。

六、本发明提出了一种新的机械结构，可以实现被起升物体在外界因素作用下摆动，拉力的振荡效果。

本发明提出了一种新的电气系统，实现了自动化符合测试需要的信号模拟，环境建立，同时对势能回收系统的主要参数指标进行监测。

本发明提出了一种新的测试方法，辅助势能回收设备进行线下调试，自动试验运算测试结果，判定设备性能是否合格。

以上具体实施例仅对本发明做示例性的说明，该实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。