超级电容节能技术在港口机械中的应用
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超级电容节能技术在港口机械中的应用
杨瑞刘晋川
（交通部水运科学研究院北京１０００８８）
摘要：超级电容器是近年来新兴的一种无机储能元件，本文在分析港Ｕ机械
系统在工作过程中能量流向的基础上，对其能耗问题进行了推导，得出了该系统能
耗合理匹配范围及原则；针对港口典型机械设备轮胎式集装箱门式起重机、港口牵
引车等设备利用超级电容节能系统设计提出了参考方案，并对主要器件的选型做出
了分析和计算。
关键词：超级电容节能技术港Ｌｊ机械１２９
扪¨Ｉ＇白运￡爿Ｈｌｇ－¨・ｃｈ确喇ｔａ¨ｚ・＾，ｒ协Ｔ蛔喀ＩｓｖｂｌⅢｎ・
１．前言
超级电容嚣是一种利用双电层原理的无机电容器，由于其正电荷与负电荷能够产生双电层极短问骧捧列，因此
超级电容嚣电容存储量非常大．超级电容嚣的充放电过程是复杂的物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的．
与利用化学反应的蓄电池是完全不同的工作原理。其单体超级电容嚣的电容量大、充放电寿由长．放电电流大、充
电速度快、工作温度范围宽、任意串并联使用等优静深受用户认可．
当前能源供应日趋紧张，能源价格急尉攀升．环保要求日益提高，节能和环保已成为社会越来越关注的问晨。
也是广大港口科技人员关注及待解决的技术赡夏．轮胎式集装箱门式起重机（ＲＴＧ）是港口曩为瞢追使用的一种典型
流动机械设备，本文就以此为研究对象分析港口机械系统在工作过程中能量流向及推导能耗匹配等技术闯篡．
２．轮胎式集装箱门式起重机提升系统能耗分析
轮胎式集装箱门式起重机采用柴油发电机组作为动力，如何合理她使甩能源。减少浪费．控制柴油机的油耗和
废气捧放．如何充分利用储能元件进行有效地能量存储及转化．是今后港口科技人员的一个重要研究课置．
２．ｔ起升过程能量漉向及能耗
在起升过程中。起重帆提升系统从电罔（成发电机组）吸收电能，克服系统摩擦力及地球引力对负载做功．所
吸收的电能一部分转化为热能．一部分转化为裁荷势能．从而起到提升重物的要求，其起升过程能量流向如圈ｌ所
习《・
寒愚民马＿
圈ｌ起升过程中能量流向豳
田１中ｌＥ；为从电网吸收的总能ｔＩＥｗ为交频暑消耗掉的能量；五为电机损耗掉的能量；毛为机城传动系统援
耗掉的能量；区为系统对负筑做的功．
根据能量流向圈．推出系统效率计算公式如下，氇；鲁：＝——；Ｌ＿玑＝Ｉ＝———————上————一’‘Ｃｔ）Ｅ￡Ｅ哪＋ＥＨ＋ＥＪ＋ＥＬ
假设－变频嚣、电机、机槭传动系统各环节的能量传输效率依次为仇咿、，７ｋ和，ｚ，，到有ｔ
堍＝哳×，‰×玑
变频嚣、电动机及机械传动各环节的能耗依次如下；
鬟３０
盯烈翮敬］ｊ列¨冬从论文囊
‰＝最×（１－‰）
‰；Ｅｚｘ‰ｘ（１一钆）
局＝匪×，妨׉×（Ｉ一巩）
在计算系统总效率时．如果各环节能耗娩直接潮量出来．弗么公式（１）兢是有效而又精确的方法．但在工程实
甚翦在港口起重规援的电气系统中．可供选择的交额嚣品薜以及电机的品髀是多样的．面且枫镶传动形式也各
不相同．但其效率总在一定范匿内变化ｔ
仇彬ｚＯ．９５—０．９８．（兕参考文献１）ｚ
％，＝０．７２５一Ｏ．９５２．（见’考文献２）ｔ
％＝０．８５—０．９２（眈参数取值范圈为工程设计入爱的经验值・见参考文毂３）・
根据式（２）的推算，提升系统鼍小船量传输效率值ｔ
堍．－２ｑＬｖｖ．＿Ｘ％．＿×协抽＝０．９５ｘ０．７２５ｘ０．８５＝Ｏ．５９
提升系统量大能量传输效率值ｔ
傀．一＝哳．＿×钆一×协．一＝０．９８ｘ０．９５２×０．９２＝Ｏ．８６
起升过程完成后。系统所剩余能量以戴荷势能的形式存储起来，其量小值为ｔ
‰．ｍｉｒａ＝，７ｚ．ａｓｉａ×Ｅｚ＝０．５９Ｅｚ
量大值为ｌ
Ｅ工．脯２瑰．。ｔ×Ｅｚ＝０．８６Ｅｚ
２．２下降过程能量漉向及能耗
在重物下降过程中。电机处于发电状杏．途时电机轴上的转矩变成了锻动转矩。使电机的转遗迅＿逮下降・电机
处于再生捌动状态，囊荷的势能通过电机及变频嚣转变为直漉电娩，经制动单元转化后，经制动电阻清耗掉，这样
电能在鸵耗制动的过程中出现大量耗费瞧潭，基本都以热能的形式消耗．系统下降过程中娃漉向如圈２所示．
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１胖ｋ。．．．．．Ｊ臼ｉ嘴葫｛臼困。万一皿
圈２下降过程中能量流向圈
３１反中各环节娩耗的直接铡量是有困难的．因此．系统总效率的计算通常悬通过能量佶输各环节主要元件的效率估算经验值来计算。即公式＜２）．
７１０
Ｈｉｇｈ－ｔｅｃｈＲｅｖｉｔａｌｉｚｅＰｏｒｔｓＴｈｅｓｉｓＶｏｌｕｍｅ
圈２中ｔＥ。，ｂ．＆、氏含义同图（１），Ｅｌ为通过制动电阻消耗掉的能量．接下来要确定Ｅｌ的大小．
在能量逆向流动的过程中。机械传动系统与变顿嚣这两个环节的鸵ｔ传输效率基本相同・可采用原来的敦强・
仇缈＝０．９５一Ｏ．９８，，ｚ，＝０．８５一Ｏ．９２・但电机的能量传输效率有一定的下降，～般７ｋ取０．７８￣ｏ．８２・
根据公式（２），此时能量传输的总效率量小值为。
琉．曲＝‰．嘲×锄柚×仇．嘶＝０．９５ｘ０．７８ｘ０．８５＝０．６３
最大值为：
绝．Ｍ＝，枷．＿׉脚×协．％＝Ｏ．９８×０．８２ｘ０．９２三Ｏ．７４
那么。最终消耗在制动电阻上的能量为；
Ｅ＾岫＝侥．豳ｘＥＬ．岫＝Ｏ，６３ｘＥ‘．血＝０．６３ｘ０．５８５磁＝Ｏ．３７Ｅｚ
Ｅ胄，％＝玩．ｍＸＥＬ．。＝ｏ．７４ｘＥＬ．Ⅲ＝Ｏ．７４ｘ０．８５８Ｅ￡＝０．６３ＥＩ：
以上分析可知，在以轮胎式集装箱门式起重机为代表的港口提升设备的变频调速系统中．消耗在制动电阻上的
能量占提升机构消耗能量总量的３７％’６３％。从能量转化过程中此消耗掉的娩■是相当可观的，特别是当讽速系统高效
运行时。节娩调速系统的意义就更大了．
３．超级电容港口机械节能改造
从上节的起升、下降过程的能量流向圈来看，Ｊｒｍ吊载下降的过程是一个能量反馈的过程．如果在ＲＴＧ上设置一
套超级电容嚣组（ｓｃ）．将吊载下降反馈的能量和各机构减速锻动蠢消耗的能量储存起来．以供ＲＴＧ耗能高蟪阶段使
用．这样就可以达到显著的节能效果。同时也可以凝少突加载荷对柴油机的冲击，从而提高柴油机的使用寿命．
３．１电器的选择依话
１）在反馈翩动时要求：＾“≥％。。叩即：只＞弓。刀
其中肋ｌ为制动力矩；％一为机械转矩鼍大值；刁为机攘系统传动效率；只为电容功率；弓－一为提升负
载．该限制条件将决定了超级电容功率的大小．
２）在展袭下降的能量反馈过程中必须满足瞧ｔ守恒购蒙尉，卵负簟势能歇转化的电能可以完全钓德存起来。
点：≥彳．该限制条件决定了超级电容容量的大小．
３．２电馨的选择
设蓑荷鬟＿，蔫载起升速度ｖ。起升高度ｈ．枫镶系统效率ｏ．９２．ｔ力加速度为‘充菔电电藏Ｉ．．篷级电容容量
Ｃｌ直流母线电压ｕ．在直流母线接入超级电容以维持母线电稳定．
１）根据反馈制动约柬条件，量大负载功率弓。＝ｍｇｖ・魁只≥弓。。，７＝ｍｇｖｑ
郾ＩＵＬ≥ｍｇｖｑ２）根据能量守恒的原尉．电容通过Ｄｃ／Ｄｃ变换嚣并联在直漉母线上．这样可以低电容的工作电压，还可以加大
蓬３２
旷豇１●ｌ』－夕斟１妓厶、“论文善
Ｅ＝寺“旺一圯。）（３）
负载磊。＾＝嗽≥≯憾守恒的麟巨执ｌｐＩ蟛ｓ圭“吃一吒２）蚍籼…孝％ｚ
３．３计算实铡
设一起重机起升机构趋重量＿为帅，５吨，起升速度ｖ为２５米／分。起升高度ｈ为Ｊ８．３米．机城系统效率ｎ为０．９２，
重力加速度ｇ为９．８抽／ｓ，。充放电电漉Ｉ。，超级电容容量为Ｃ．单支电容的额定电压为２－７ｖ；变频嚣宦流母线电
压变化范围４００ｒ＂’６００Ｖ・利用超级电容节能．并确定超级电容大小．
１）根据功睾约柬也丘２朋伊叼．彤幼刀＝４０．５ｘ１０３×９．８×丢×ｏ．９２＝１５２．］４ｓ（ｋｗ）
设定超级电容嚣额定－ｒ作电流小于ｓ００＾，
２）根据能量平衡约柬。虬嘲＝芒＝等铲一Ⅸ功卸Ｌ。＝５００Ａ，所以有：
负象势截ｋｃ≥老鬟＝鼍紫４＝ｍｇｈ＝－４０，５ｘ９．８ｘ１８．３＝７．２６３２７ｘ１０６Ｕ）
同样。依据式（３）电容所能吸收的能量最大值；
此处：瑰。。吊载下降时系统能量传输效率．分析上式可以看出让一和电容大小成反比关系，如果眈。越
大・霸么电容和用率越高。相应的电容组成本也就越低．｜乇处取配一＝６００“那么ｃ～４０．２Ｐ．印一只容重为４０．２Ｆ．
鞭定电压为６００Ｖ的电容就可以满足系统眩量回馈的要求．这样的电容需通过多支电容组合实现．
饲如以单体２４００Ｆ。２．７Ｖ的超级电容囊来组建电容组．则串连个数及并联个敦如下：
‰＝—Ｕ—：—６０—Ｏ：２２３一＝＝一＝
蘑的电容敷量ｔ＿，｜￡＝■。妇׉＝２２３ｘ４＝８９２（只）‰２绝量４０．２ｘ２２３ｃＩ２４００＝３．７取；‰＝４
４．结束语
目前．超级电容簪一批具有节能环保特点的产品在嗣内港口设鲁上的应用技术已得到有关部门的认可。广大港
口科技人员正在研究超级电容在轮胎式集装箱门式起重机，涛口牵引车，集装箱自动导引车等一批港口机械设备上
的实践使用，其技术的成功开发及实殴经验的织暴必将对提毫港口机械设备的性能提供广幅的发展思路和空间。为
港口机械高效率，低鸵耗，清洁生产水平具有重要的作用．
整３３
７Ｉ岳
参考文献
【１］日本安川公司．安川通用变频器样本：１９
［２】电气工程师手册．北京ｔ机械工业出版社，２００３【３】交通部水运司．港口起重运输机械设计手册．北京：人民交通出版社，２００１
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超级电容节能技术在港口机械中的应用
作者：
作者单位：杨瑞， 刘晋川交通部水运科学研究院 北京 100088
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关键词：混合动力；超级电容器；双向DC-DC变换器；软开关；控制策略
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下载时间：2010年11月23日