轮胎式起重机混合动力系统主电路的研究与设计

摘要

节能与环保既是我国走可持续发展道路的要求，也是工程机械的发展方向。随着能源短缺和环境问题的日益突出，它也逐渐成为了当今科技发展的热点。作为典型的港口起重机械，轮胎式起重机在工作过程中搬运的货物负载质量大，起升高度高，而且要进行频繁的起升和下放操作。传统的轮胎式起重机在货物下放过程中，负载的重力势能无法进行回收，而是由系统的制动电阻消耗掉。如果能够回收起重设备因势能变化形成的再生能量，充分利用回收的再生能量作为动力补给，回收空间巨大。也就是说，轮胎式起重机巨大的能耗带来了良好的节能潜力。轮胎式起重机混合动力系统利用储能器件回收重物负载下降过程中释放的能量，在启动或者提升大负载的情况下储能器件提供辅助能量，这样大大提高了系统的性能。根据起重机系统的工作特点，利用能够快速进行充放电且具有大容量的超级电容作为储能单元，可以很好的克服传统蓄电池充放电速度慢、寿命低和传统电容容量小的缺点，同时也可以能够满足混合动力轮胎式起重机系统的需要。 本文设计的混合动力系统的组成应包括直流发电机组、超级电容、能耗电阻、滤波电容和工作电机，它们之间以相应的电力电子电路连接起来。根据整个系统的控制要求，设计出了用于电机调速的势能回馈型串励电机斩波电路。它是在常用的H桥斩波电路基础上设计出的适用于三个象限的直流串励电机斩波电路。系统主电路的另一个关键部分是用于控制超级电容充放电的双向DC—DC变换器。本文采用的是直接连接型直流斩波电路，并对三重DC—DC变换器的工作进行了分析。在此基础上，本文还根据电力电子器件的有关特点配置了相应的缓冲电路，并对系统的控制策略进行了讨论，从而完成了整个轮胎式起重机混合动力系统主电路的设计。轮胎式起重机混合动力系统的实验分为两个部分。首先，根据实验中的电压电流波形分析了主电路工作过程中各个环节的动态过程，验证了所设计电路的安全可靠性；其次，利用实验的数据分析了系统工作过程中的能量流向，完善了控制策略，并最终得到了能反映系统节能效果的节能比。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1混合动力技术发展概述

1.2轮胎式起重机混合动力系统的分析

1.2.1轮胎式起重机作业特点

1.2.2混合动力起重机系统的可行性分析

1.3国内外研究现状分析

1.3.1国外的研究

1.3.2国内的研究

1.4本文完成的工作

第2章 系统储能器件超级电容的应用

2.1超级电容的概述

2.1.1超级电容的特点和参数

2.1.2超级电容和蓄电池性能比较

2.1.3超级电容应用于轮胎式起重机混合动力系统的优势和前景

2.2超级电容器的充电特性

2.2.1常见的充电储能方式

2.2.2超级电容器充电效率分析

2.3超级电容的放电特性

2.4本章小结

第3章轮胎式起重机混合动力系统的总体设计

3.1系统主电路

3.1.1系统概述

3.1.2混合动力系统主电路的组成

3.2系统控制电路

3.2.1控制系统的组成

3.2.2控制器介绍

3.3系统控制对象

3.4本章小结

第4章 势能回馈型串励电机斩波电路

4.1串励直流电机的特性分析

4.1.1串励直流电机的模型

4.1.2串励直流电机的调速

4.1.3电流瞬时值控制

4.2直流电机作为负载的斩波电路

4.3势能回馈型串励电机斩波电路

4.3.1适合三象限运行的串励电机斩波电路

4.3.2与其他方案的对比

4.4缓冲电路与散热设计

4.4.1功率开关器件IGBT的特性

4.4.2直流斩波器缓冲电路的设计

4.4.3电路散热设计

4.5本章小结

第5章 双向DC-DC变换器的电路设计

5.1双向DC-DC变换器的原理和研究现状

5.1.1双向DC-DC变换器的类别

5.1.2直流斩波电路原理及研究现状

5.2应用于超级电容充放电系统的双向DC-DC转化器

5.2.1双向DC-DC变换器电路拓扑结构

5.2.2双向DC-DC变换器中电感量的计算

5.3双向DC-DC变换器的控制策略

5.3.1双向DC-DC变换器的控制要求

5.3.2电压环逻辑控制

5.3.3电流环PID调节

5.4本章小结

第6章起重设备混合动力系统实验

6.1起重机混合动力系统实验平台的搭建

6.2实验的内容

6.2.1双向DC／DC变换器原理实验

6.2.2大功率串励电机斩波器实验

6.2.3系统节能实验

6.3系统节能实验节能效果分析

6.4本章小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2下一步需进行的工作

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目