混合动力起重机系统的研究

论文摘要

随着能源短缺和环境问题的日益突出,节能与环保成为当前起重机械发展的主要方向。轮胎式集装箱龙门起重机在工作过程中搬运的重物负载质量大,起升高度高,而且要频繁的进行起升和下放操作。另一方面,在下放过程中重物负载的重力势能无法进行回收,由系统的制动电阻消耗掉。由此可以看出轮胎式集装箱龙门起重机存在巨大的能耗并且具有良好的节能潜力。混合动力轮胎式集装箱龙门起重机系统利用超级电容回收重物负载下放过程中释放的能量,在启动或者提升大负载的情况下超级电容提供辅助能量。这样不但达到了回收反馈能量的目的,而且可以解决直流发电机瞬时功率不足的问题,大大提高了系统的性能。本文采用目前在汽车领域得到广泛应用的混合动力设计方案。针对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;采用精度高、稳定性好、响应快速的DSP单元来实现超级电容充放电的控制,可以满足系统对于实时性的要求。正文首先介绍了超级电容的基本特性、参数、充放电特性和超级电容阵列的参数配置方法。其次,分析了适用于大功率场合的移相全桥隔离型双向DC-DC变换器各个周期的工作情况和实现软开关所需要具备的条件。再次,给出了系统的具体控制策略,这是本文的关键部分。在这一部分中,分析了轮胎式集装箱龙门起重机起升和下放重物负载过程中的能量流向并计算了各个部分的能耗,然后给出了系统原理示意图和控制策略。在充电过程中,采用恒流方式,即保持充电电流为恒定值;在放电过程中,采用恒压方式,即保持直流母线电压为恒定值。采用这种控制策略,可以保证起重机的正常工作和超级电容阵列的安全。最后,对直流变换电路进行了仿真,得到了仿真波形图。由仿真波形图可以看出,该变换器有稳定的双向输出和良好的开关特性,能够满足混合动力轮胎式集装箱龙门起重机系统的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 起重机系统的发展现状
• 1.2 混合动力起重机控制系统的分析
• 1.2.1 港口机械作业特点
• 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 本文研究的重点和难点
• 第2章 超级电容性能分析
• 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 超级电容应用于混合动力起重机系统的优势
• 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 超级电容的参数确定
• 2.4.1 能量约束法
• 2.4.2 功率约束法
• 2.5 本章小结
• 第3章 全桥隔离型双向DC-DC变换器
• 3.1 双向DC-DC变换器的原理和研究现状
• 3.2 全桥隔离型双向DC-DC变换器的分析
• 3.2.1 全桥隔离型双向DC-DC变换器拓扑结构
• 3.2.2 降压电路原理分析
• 3.2.3 升压电路原理分析
• 3.3 全桥隔离型DC-DC变换器的建模
• 3.4 软开关技术的应用
• 3.4.1 软开关技术的应用背景和基本特性
• 3.4.2 实现软开关的条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 混合动力起重机系统的控制策略
• 4.1 轮胎式集装箱龙门起重机的系统分析
• 4.1.1 传统轮胎式集装箱龙门起重机能量利用分析
• 4.1.2 混合动力轮胎式集装箱龙门起重机的能量利用分析
• 4.2 混合动力起重机系统的控制策略
• 4.3 本章小结
• 第5章 混合动力起重机系统的仿真分析
• 5.1 MATLAB的介绍
• 5.1.1 MATLAB的起源
• 5.1.2 MATLAB的功能和特点
• 5.2 双向DC-DC变换器的仿真
• 5.2.1 降压电路的仿真
• 5.2.2 升压电路的仿真
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步工作的方向
• 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情况