一种基于塔吊的供电系统的制作方法

1.本实用新型涉及建筑工地施工设备技术领域，具体涉及一种基于塔吊的供电系统。


背景技术：

2.塔吊是建筑工地上最常用的一种起重设备，又名“塔式起重机”，用来吊施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料，属于建筑工地上必不可少的施工设备。
3.为适应施工需求，塔吊的高度一般在百米以上，因此通常被塔吊吊起悬空的重物具有很大的重力势能，如此大的重力势能一方面使如何控制钢丝绳(用于起吊重物用)落下多少米变得困难，另一方面也导致重物难以保持一个平稳缓慢的速度降落；而且还浪费了重物所具有的重力势能。
4.变频器是利用电力半导体器件的通断作用将恒压恒频的电能变换为变压变频电能的电能控制装置。目前，通用变频器大多采用二极管整流单元和pwm逆变器构成交-直-交电压型变压变频器；依次包括：滤波单元、连接滤波单元的整流单元、以及连接整流单元正、负直流母线的pwm逆变器。
5.但在一些特殊的应用场景中，使用通用变频器会额外增加生产成本；例如在塔吊施工过程中，用电设备在塔吊上方，电网或者发电机在地表。由于塔吊的高度比较高，将变频器设于地表，变频器与塔吊上的用电设备之间就需要连接u、v、w、零线，pe线五根电缆，由于塔吊的高度比较高，这五根电缆也会比较长，导致使用电缆的成本增加。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种基于塔吊的供电系统，旨在提供一种电缆成本低，能够收集重物的下落势能并作为储备能源，且使重物下落过程更加平稳缓慢的塔吊。
7.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
8.一种基于塔吊的供电系统，包括塔架、第一供电机构和第二供电机构；
9.第一供电机构包括起升电机、起重绳、能量回收单元和储能单元；
10.所述塔架上部通过转盘连接有吊臂；
11.所述吊臂上设有沿其长度方向铺设的轨道；载重小车滑动安装在轨道上；
12.所述起升电机的转轴缠绕连接起重绳首端，起重绳通常为钢丝绳，所述起重绳末端设有用于钩挂重物的吊钩，所述能量回收单元连接起升电机；吊臂绕转盘旋转，载重小车沿轨道移动，使吊钩处于重物上方，以便吊钩起升重物；在重物下落过程中，所述能量回收单元能够将重物的下放势能转换成电能；所述能量回收单元与储能单元连接，所述储能单元与塔吊上用电设备的供电线路连接；储能单元为蓄电池或者超级电容；
13.本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能单元中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线。
14.所述第二供电机构包括设于地表上的整流单元，以及设于塔架上的第一逆变单元；所述整流单元的输入端与交流电源端相连；整流单元用于接收交流电源端输出的交流电，并将所述交流电整流后输出直流电；整流单元可以为三相整流模块或单相整流模块；整流单元的整流部分可选用三相桥式不可控整流器，也可以选用三相桥式pwm整流器；所述交流电源端为三相交流电源端，具体可以为电网或者三相交流发电机；
15.所述第一逆变单元的输出端与塔吊上用电设备的供电线路相连；第一逆变单元输入端通过正、负直流母线与整流单元输出端连接。第一逆变单元用于将直流电逆变向负载输出交流电，第一逆变单元可采用输出为pwm波形的igbt或ipm三相桥式逆变器的电路结构等；集合整流单元与第一逆变单元并将两者电连接在一起属于现有技术。
16.原本电网在地表，变频器安装在塔吊上方，从地表电网延伸到上方的变频器之间有r、s、t、零线，pe线五根电缆，以及变频器外壳接地的地线。而在本塔吊中，从地表电网延伸到上方的变频器之间只有正、负线两根电缆外加一根pe线，相比之前少了两根电缆，所以降低了两根长电缆的成本；另外原本从地面电网延伸到塔吊上方变频器之间的是交流电缆，现在从地面上整流单元连接到塔吊上逆变单元之间的是直流电缆，因为三相交流电整流转成直流电压后会升压，因此在功率相同的情况下直流电缆上通过的电流更小，直流电缆需要的线径更小，因此，之前的三相五线可以变成两相三线，使用中可以缩小电缆线径的型号，进一步降低了电缆成本，并且本系统适用于任何电压等级。
17.进一步地，所述正、负直流母线上设有用于控制正、负直流母线通断的第一开关，所述整流单元的三相电源输入线上设有用于控制其通断的第二开关。所述第一开关，第二开关为具有热脱扣器与磁脱扣器的断路器；所述第一开关与第二开关电连接控制器，控制器可以为计算机，使用人员通过计算机控制第一开关与第二开关，以实现正、负直流母线的通断和断路保护。
18.进一步地，还包括第一滤波单元，所述第一滤波单元设于整流单元与第一逆变单元之间；用于对整流单元输出的电压进行平滑滤波；所述整流单元和交流电源端之间可选的设有第二滤波单元；用于防止电磁干扰；第二滤波单元可以为由电容和电感组成的lc滤波器。第一、第二滤波单元组合使用可以提高交流电的稳定性，有效避免负载收到冲击，进而延长负载的使用寿命。
19.进一步地，所述能量回收单元为连接起升电机的能量回馈单元；能量回馈单元为变频器专用型能量回馈单元；当重物落下时，重物通过起重绳带动起升电机转轴转动，起升电机转轴转动产生的电能通过能量回馈单元输入储能单元；节能的同时便于制动。
20.进一步地，所述能量回收单元为发电机，第一供电机构还包括绳卷筒，所述起重绳主体缠绕在绳卷筒上，发电机的转子与绳卷筒或者起重绳传动连接。
21.具体的，发电机可以与起重绳传动，起重绳移动带动转子旋转，也可以与绳卷筒传动连接，重物落下时，绳卷筒转动带动转子旋转，此处不作具体限定；以将重物的下落势能转换成电能，并通过供电线路供用电设备使用。通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能单元作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能单元为用电设备提供电能。
22.进一步地，所述绳卷筒的转轴与发电机的转子传动连接；吊钩上钩挂重物，重物落下的过程中带动绳卷筒的转轴旋转，并带动发电机的转子旋转，进行发电。
23.进一步地，所述绳卷筒的转轴通过变速齿轮组与发电机的转子传动连接；变速齿轮组用于将从绳卷筒的转轴传递来的低速大力矩，通过一系列齿轮组合变为高速小力矩，传递给发电机的转子，以起到传递力矩的作用；由于绳卷筒的转轴转速可能达不到发电机转子所需要的转速，因此需要通过变速齿轮组增速。
24.进一步地，所述绳卷筒的转轴通过棘轮机构与发电机的转子传动连接；所述棘轮机构用于使绳卷筒的转轴仅能在重物落下时向发电机的转子传递力矩；棘轮只能向一个方向旋转，而不能倒转，当重物落下时传动棘轮使其旋转，棘轮带动发电机转子转动；当重物提起时，绳卷筒的转轴不传递力矩给发电机，以减少起升电机的能量消耗。
25.所述变速齿轮组包括互相啮合的主动齿轮与从动齿轮；主动齿轮齿数大于从动齿轮齿数；所述主动齿轮设于绳卷筒的转轴上，所述从动齿轮设于变速齿轮传动轴上，所述变速齿轮传动轴与发电机的转子传动连接；具体的，变速齿轮传动轴一端镂空，棘轮机构设于变速齿轮传动轴的镂空端，发电机的转子与棘轮传动连接；当吊钩上的重物被拉起时，棘轮不向转子传递力矩，以减少起升电机的能量消耗。
26.进一步地，还包括控制器、第一接触器和第二接触器；
27.所述第一接触器设于市电与塔吊上用电设备的供电线路之间，用于控制市电与供电线路之间的通断；
28.所述第二接触器设于储能单元与塔吊上用电设备的供电线路之间，用于控制储能单元与供电线路之间的通断；
29.所述控制器能够控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。
30.通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能单元作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能单元为用电设备供电。控制器可以为计算机，计算机中设置定时模块，所述控制器根据定时模块控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。如某天晚上9点到晚上12点是用电高峰期；晚上6点时，计算机接受定时模块的信号控制第一接触器断开，第二接触器闭合，储能单元供电；12点后，计算机接受定时模块的信号控制第二接触器断开，第一接触器闭合；以达到错峰用电，节能减排的目的。
31.进一步地，所述发电机与储能单元之间设有变流器，储能单元与塔吊上用电设备的供电线路之间设有第二逆变单元；如果该发电机为直流发电机，则变流器为dc-dc转换器；如果为交流发电机，则变流器是ac-dc转换器；
32.变流器用于将发电机转换的电能电压转换成适合储能单元存储的电能电压；
33.第二逆变单元用于将储能单元的直流电转换成供用电设备使用的交流电。
34.本实用新型的有益效果是：
35.1、本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能单元中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线；
36.2、本塔吊可以在停电或者用电高峰期使用储能单元进行供电，以达到错峰用电，节能减排的目的；
37.通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能单元作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能单元为用电设备供电。控制器可以为计算机，计算机中设置定时模块，所述控制器根据定时模块控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。如某天晚上9
点到晚上12点是用电高峰期；晚上6点时，计算机接受定时模块的信号控制第一接触器断开，第二接触器闭合，储能单元供电；12点后，计算机接受定时模块的信号控制第二接触器断开，第一接触器闭合；以达到错峰用电，节能减排的目的；
38.3、本塔吊能够降低电缆成本并且减少布线难度，并且应用范围较广；
39.塔吊施工时，原本电网在地表，变频器安装在塔吊上方，从地表电网延伸到上方的变频器之间有r、s、t、零线，pe线五根电缆，以及变频器外壳接地的地线；而在本塔吊中，从地表电网延伸到上方的变频器之间只有正、负线两根电缆外加一根pe线，相比之前少了两根电缆，所以降低了两根长电缆的成本，还减少了布线难度；另外原本从地面电网延伸到塔吊上方变频器之间的是交流电缆，现在从地面上整流单元连接到塔吊上逆变单元之间的是直流电缆，因为三相交流电整流转成直流电压后会升压，因此在功率相同的情况下直流电缆上通过的电流更小，直流电缆需要的线径更小，因此，之前的三相五线可以变成两相三线，使用中可以缩小电缆线径的型号，进一步降低了电缆成本，并且本系统适用于任何电压等级。
40.综上所述，本塔吊需要的电缆成本低，能够收集重物的下落势能并作为储备能源，且使重物下落过程更加平稳缓慢。
附图说明
41.图1为塔吊的结构示意图；
42.图2为绳卷筒与发电机部分的结构示意图；
43.图3为变速齿轮组与变速齿轮传动轴部分的局部放大图；
44.图4为塔吊的原理拓扑图；
45.图5为第二供电机构部分的示意图。
46.图中：1、塔架；2、发电机；3、吊钩；4、整流单元；5、第一逆变单元；6、第一开关；7、第二开关；8、第一滤波单元；9、绳卷筒；10、变速齿轮组；11、棘轮机构；12、第一接触器；13、第二接触器；14、变速齿轮传动轴。
具体实施方式
47.为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
48.如图1-图5所示，一种基于塔吊的供电系统，包括塔架1、第一供电机构和第二供电机构；
49.第一供电机构包括起升电机、起重绳、能量回收单元和储能单元；
50.所述塔架1上部通过转盘连接有吊臂；
51.所述吊臂上设有沿其长度方向铺设的轨道；载重小车滑动安装在轨道上；
52.所述起升电机的转轴缠绕连接起重绳首端，起重绳通常为钢丝绳，所述起重绳末端设有用于钩挂重物的吊钩3，所述能量回收单元连接起升电机；吊臂绕转盘旋转，载重小车沿轨道移动，使吊钩3处于重物上方，以便吊钩3起升重物；在重物下落过程中，所述能量
回收单元能够将重物的下放势能转换成电能；所述能量回收单元与储能单元连接，所述储能单元与塔吊上用电设备的供电线路连接；储能单元为蓄电池或者超级电容；
53.本塔吊可以在放下重物的过程中，将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能单元中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线。
54.所述第二供电机构包括设于地表上的整流单元4，以及设于塔架1上的第一逆变单元5；所述整流单元4的输入端与交流电源端相连；整流单元4用于接收交流电源端输出的交流电，并将所述交流电整流后输出直流电；整流单元可以为三相整流模块或单相整流模块；整流单元的整流部分可选用三相桥式不可控整流器，也可以选用三相桥式pwm整流器；所述交流电源端为三相交流电源端，具体可以为电网或者三相交流发电机；
55.所述第一逆变单元5的输出端与塔吊上用电设备的供电线路相连；第一逆变单元5输入端通过正、负直流母线与整流单元输出端连接。第一逆变单元用于将直流电逆变向负载输出交流电，第一逆变单元可采用输出为pwm波形的igbt或ipm三相桥式逆变器的电路结构等；集合整流单元与第一逆变单元并将两者电连接在一起属于现有技术。
56.原本电网在地表，变频器安装在塔吊上方，从地表电网延伸到上方的变频器之间有r、s、t、零线，pe线五根电缆，以及变频器外壳接地的地线。而在本塔吊中，从地表电网延伸到上方的变频器之间只有正、负线两根电缆外加一根pe线，相比之前少了两根电缆，所以降低了两根长电缆的成本；另外原本从地面电网延伸到塔吊上方变频器之间的是交流电缆，现在从地面上整流单元连接到塔吊上逆变单元之间的是直流电缆，因为三相交流电整流转成直流电压后会升压，因此在功率相同的情况下直流电缆上通过的电流更小，直流电缆需要的线径更小，因此，之前的三相五线可以变成两相三线，使用中可以缩小电缆线径的型号，进一步降低了电缆成本，并且本系统适用于任何电压等级。
57.进一步地，所述正、负直流母线上设有用于控制正、负直流母线通断的第一开关6，所述整流单元的三相电源输入线上设有用于控制其通断的第二开关7。
58.进一步地，所述第一开关6，第二开关7为具有热脱扣器与磁脱扣器的断路器；所述第一开关6与第二开关7电连接控制器，控制器可以为计算机，使用人员通过计算机控制第一开关与第二开关，以实现正、负直流母线的通断和断路保护。
59.进一步地，还包括第一滤波单元8，所述第一滤波单元8设于整流单元与第一逆变单元之间；用于对整流单元输出的电压进行平滑滤波；第一滤波单元8为滤波电容；所述整流单元和交流电源端之间可选的设有第二滤波单元；用于防止电磁干扰；第二滤波单元可以为由电容和电感组成的lc滤波器。第一、第二滤波单元组合使用可以提高交流电的稳定性，有效避免负载收到冲击，进而延长负载的使用寿命。
60.进一步地，所述能量回收单元为连接起升电机的能量回馈单元；能量回馈单元为变频器专用型能量回馈单元；当重物落下时，重物通过起重绳带动起升电机转轴转动，起升电机转轴转动产生的电能通过能量回馈单元输入储能单元；节能的同时便于制动。
61.进一步地，所述能量回收单元为发电机，第一供电机构还包括绳卷筒9，所述起重绳主体缠绕在绳卷筒上，发电机的转子与绳卷筒或者起重绳传动连接。
62.具体的，发电机可以与起重绳传动，起重绳移动带动转子旋转，也可以与绳卷筒9传动连接，重物落下时，绳卷筒9转动带动转子旋转，此处不作具体限定；以将重物的下落势
能转换成电能，并通过供电线路供用电设备使用。通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能单元作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能单元为用电设备提供电能。
63.进一步地，所述绳卷筒的转轴与发电机的转子传动连接；吊钩上钩挂重物，重物落下的过程中带动绳卷筒的转轴旋转，并带动发电机的转子旋转，进行发电。
64.进一步地，所述绳卷筒的转轴通过变速齿轮组10与发电机的转子传动连接；变速齿轮组10用于将从绳卷筒的转轴传递来的低速大力矩，通过一系列齿轮组合变为高速小力矩，传递给发电机的转子，以起到传递力矩的作用；由于绳卷筒的转轴转速可能达不到发电机转子所需要的转速，因此需要通过变速齿轮组10增速。
65.进一步地，所述绳卷筒的转轴通过棘轮机构11与发电机的转子传动连接；所述棘轮机构11用于使绳卷筒的转轴仅能在重物落下时向发电机的转子传递力矩；棘轮只能向一个方向旋转，而不能倒转，当重物落下时传动棘轮使其旋转，棘轮带动发电机转子转动；当重物提起时，绳卷筒的转轴不传递力矩给发电机，以减少起升电机的能量消耗。
66.所述变速齿轮组包括互相啮合的主动齿轮与从动齿轮；主动齿轮齿数大于从动齿轮齿数；所述主动齿轮设于绳卷筒的转轴上，所述从动齿轮设于变速齿轮传动轴14上，所述变速齿轮传动轴14与发电机的转子传动连接；具体的，变速齿轮传动轴14一端镂空，棘轮机构设于变速齿轮传动轴的镂空端，发电机的转子与棘轮传动连接；当吊钩上的重物被拉起时，棘轮不向转子传递力矩，以减少起升电机的能量消耗。
67.进一步地，还包括控制器、第一接触器12和第二接触器13；
68.所述第一接触器12设于市电与塔吊上用电设备的供电线路之间，用于控制市电与供电线路之间的通断；
69.所述第二接触器13设于储能单元与塔吊上用电设备的供电线路之间，用于控制储能单元与供电线路之间的通断；
70.所述控制器能够控制第一接触器12和第二接触器13的断开及闭合。
71.通常情况下，用电设备的供电线路与市电连接，储能单元作为备用能源，当停电或者用电高峰期时，使用储能单元为用电设备供电。控制器可以为计算机，计算机中设置定时模块，所述控制器根据定时模块控制第一接触器和第二接触器的断开及闭合。如某天晚上9点到晚上12点是用电高峰期；晚上6点时，计算机接受定时模块的信号控制第一接触器断开，第二接触器闭合，储能单元供电；12点后，计算机接受定时模块的信号控制第二接触器断开，第一接触器闭合；以达到错峰用电，节能减排的目的。
72.进一步地，所述发电机与储能单元之间设有变流器，储能单元与塔吊上用电设备的供电线路之间设有第二逆变单元；如果该发电机为直流发电机，则变流器为dc-dc转换器；如果为交流发电机，则变流器是ac-dc转换器；
73.变流器用于将发电机转换的电能电压转换成适合储能单元存储的电能电压；
74.第二逆变单元用于将储能单元的直流电转换成供用电设备使用的交流电。
75.本实用新型的具体工作原理如下；
76.本塔吊可以在放下重物的过程中，通过发电机将重物的下落势能转换成电能，并将电能存储在储能单元中；一方面收集了能源，另一方面使重物下落更加平稳(因为一部分重力势能转换成了电能)，也便于控制起重绳放线；
77.原本电网在地表，变频器安装在塔吊上方，从地表电网延伸到上方的变频器之间有r、s、t、零线，pe线五根电缆，以及变频器外壳接地的地线；而在本塔吊中，从地表电网延伸到上方的变频器之间只有正、负线两根电缆外加一根pe线，相比之前少了两根电缆，所以降低了两根长电缆的成本；另外原本从地面电网延伸到塔吊上方变频器之间的是交流电缆，现在从地面上整流单元连接到塔吊上逆变单元之间的是直流电缆，因为三相交流电整流转成直流电压后会升压，因此在功率相同的情况下直流电缆上通过的电流更小，直流电缆需要的线径更小，因此，之前的三相五线可以变成两相三线，使用中可以缩小电缆线径的型号，进一步降低了电缆成本，并且本系统适用于任何电压等级。
78.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。