Система и способ обеспечения вспомогательной мощности посредством регулирования рекуперированной мощности в подвижном карьерном оборудовании - RU2603109C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Эта заявка является частично продолжающей заявку № 12/466722 на патент США, поданную 15 мая 2009 года под названием “LIMITING PEAK ELECTRICAL POWER DRAWN BY MINING EXCAVATORS” («Ограничение пиковой электрической мощности, потребляемой карьерными экскаваторами»), которая во всей ее полноте включена сюда посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится в основном к системам электропитания для подвижного карьерного оборудования, такого как карьерные экскаваторы и карьерные большегрузные самосвалы большой проходимости, а более конкретно - к системе электропитания, которая использует энергию, аккумулированную в аккумулирующей энергию системе, в качестве источника вспомогательной мощности для различных электрических и электронных систем подвижного карьерного оборудования.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Подвижное карьерное оборудование, такое как карьерные экскаваторы и карьерные большегрузные самосвалы, используется во время карьерных работ. Карьерные экскаваторы, такие, как электрические одноковшовые экскаваторы и драглайны, потребляют значительное количество электрической мощности во время карьерных работ. Мощность, потребляемая карьерным экскаватором, представляет собой циклическую нагрузку на распределительную электроэнергетическую сеть. Циклическая нагрузка может предусматривать, по меньшей мере, один интервал работы в двигательном режиме (в котором мощность потребляется из источника питания) и один интервал рекуперации (в котором мощность возвращается в источник питания). Электрическая мощность, генерируемая карьерным экскаватором во время интервала рекуперации, улавливается и используется для зарядки бортовой аккумулирующей электрическую энергию системы.

Карьерные большегрузные самосвалы, как правило, оснащены системой электропривода, которая включает в себя электродвигатели, движущие колеса самосвалов. В процессе продвижения, большегрузный самосвал потребляет электрическую мощность из электрического генератора, питаемого посредством двигателя самосвала или посредством подвесного контактного провода. Во время хода под гору электродвигатель осуществляет торможение, а мощность этого торможения улавливается и используется для зарядки бортовой аккумулирующей электрическую энергию системы.

Система или устройство, используемая или используемое для аккумулирования энергии, относится к важной области, представляющей интерес в карьерных приложениях, предусматривающих подвижность оборудования. Например, карьерные экскаваторы или большегрузные самосвалы часто работают в отдаленных местах с экстремальными климатическими условиями, где температуры могут доходить до 20°C ниже нуля. Это создает серьезные осложнения для традиционных аккумулирующих энергию систем, где применяются аккумуляторные батареи и связанные с ними системы, которые используются при резервировании мощности для различных электронных систем и компонентов в карьерном экскаваторе, таких как компьютеры, дисплеи, системы управления, системы защиты и другие.

Например, мощность управления и резервная мощность для распределительного устройства с элегазовой изоляцией (GIS), используемого в карьерном экскаваторе, питаются от свинцово-кислотной аккумуляторной батареи постоянного тока. Такие аккумуляторные батареи достаточны при нормальных условиях, но имеют существенные недостатки, когда используются в условиях очень холодного климата, поскольку кислота в аккумуляторных батареях подвержена замерзанию. Чтобы избежать этого, аккумуляторные батареи, как правило, хранят в обогреваемом отсеке. Однако если происходит длительное отключение электропитания, температура отсека оказывается больше не управляемой, что ведет к замерзанию и, в конце концов, выходу аккумуляторных батарей из строя.

Как описано ранее, рекуперированная мощность, выработанная экскаватором или большегрузным самосвалом, может быть аккумулирована как энергия в системе, аккумулирующей энергию. Эту аккумулированную энергию можно использовать для снижения пиковой мощности, потребляемой электродвигателями в экскаваторе или большегрузном самосвале. Обращаясь к фиг.11, отмечаем, что на графике 1200 показан типичный рабочий цикл электрического одноковшового экскаватора. Как можно увидеть, профиль мощности для электрического одноковшового экскаватора указывает, что время цикла составляет приблизительно 32 секунды. Это показывает, что система, аккумулирующая энергию, должна иметь возможность заряжаться и разряжаться каждые 32 секунды. Вместе с тем, если подвергать обычную аккумуляторную батарею циклам такой частой зарядки-разрядки, это приводит к нежелательному снижению срока службы аккумуляторной батареи. Еще один недостаток использования аккумуляторных батарей заключается в том, что они требуют регулярного технического обслуживания. В дополнение к снижению пикового потребления мощности, аккумулированную энергию можно использовать в качестве источника вспомогательной мощности для различных критических компонентов систем, подобных системе защиты, системе управления, и т.д.

В альтернативном варианте, вместо аккумуляторных батарей, для использования в аккумулирующей энергию системе рассмотрены конденсаторы. Однако потребности карьерного экскаватора в мощности могут потребовать использования очень больших конденсаторов. Это нежелательно, поскольку одноковшовые экскаваторы являются подвижными машинами, а размеры и весь являются важными параметрами конструкции одноковшового экскаватора.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложен способ использования возможностей аккумулирования энергии суперконденсаторной системы, используемой в карьерном экскаваторе, питаемом от источника электрической мощности. Суперконденсаторную систему заряжают до определенного максимального напряжения для аккумулирования энергии. Суперконденсатор разряжают до определенного минимального напряжения при обеспечении мощности. Способ включает в себя этап обнаружения присутствия мощности на линии от источника электрической мощности. Затем измеряют уровень напряжения суперконденсаторной системы, если мощность на линии отсутствует/прервана. Потом измеренный уровень напряжения сравнивают с минимальным уровнем напряжения для суперконденсаторной системы. Если измеренный уровень напряжения больше, чем минимальный уровень напряжения, то подают вспомогательную мощность из суперконденсаторной системы для эксплуатации систем карьерного экскаватора.

Эти и другие преимущества изобретения станут очевидными для обычных специалистов в данной области техники при обращении к нижеследующему подробному описанию и прилагаемым чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана имеющая высокий уровень обобщения схема электрического одноковшового экскаватора;

на фиг. 2А показана имеющая высокий уровень обобщения схема циклической нагрузки, потребляющей электрическую мощность из источника электрической мощности;

на фиг. 2В показан график потребления мощности циклической нагрузкой при отсутствии рекуперации;

на фиг. 2С показан график отдаваемой мощности, потребляемой из источника электрической мощности, показанного на фиг. 2А, в соответствии с графиком потребления мощности, показанным на фиг. 2В;

на фиг. 2D показан график потребления мощности циклической нагрузкой при рекуперации;

на фиг.2E показан график отдаваемой мощности, потребляемой из источника электрической мощности, показанного на фиг.2А, в соответствии с графиком потребления мощности, показанным на фиг.2D;

на фиг.3А показана имеющая высокий уровень обобщения схема циклической нагрузки, потребляющей электрическую мощность из источника электрической мощности и блока, аккумулирующего электрическую энергию;

на фиг.3В показан график потребления мощности циклической нагрузкой при рекуперации;

на фиг.3С показан график отдаваемой мощности, потребляемой из источника электрической мощности, показанного на фиг.3А, в соответствии с графиком потребления мощности, показанным на фиг.3В;

на фиг.3D показан график потребления мощности циклической нагрузкой при отсутствии рекуперации;

на фиг.3E показан график отдаваемой мощности, потребляемой из источника электрической мощности, показанного на фиг.3А, в соответствии с графиком потребления мощности, показанным на фиг.3D;

на фиг.4 показана однолинейная схема системы управления одноковшового электрического экскаватора;

на фиг.5 показана схема системы электропитания со встроенной суперконденсаторной батареей;

на фиг.6 показан график потребления мощности электрическим одноковшовым экскаватором;

на фиг.7 показан график отдаваемой мощности, потребляемой из источника электрической мощности, когда отдаваемая мощность ограничена между верхним пределом и нижним пределом;

на фиг.8 показан график потребления мощности из суперконденсаторной батареи;

на фиг.9 показан график аккумулированной электрической энергии в суперконденсаторной батарее;

на фиг.10 показана блок-схема последовательности этапов для ограничения подводимой мощности между верхним пределом и нижним пределом;

на фиг.11 изображен рабочий цикл электрического одноковшового экскаватора;

на фиг.12 изображен способ эксплуатации суперконденсаторной батареи;

на фиг.13 изображены графики мощности в соответствии с данным изобретением;

на фиг.14 изображены потребности в энергии для распределительного устройства с элегазовой изоляцией (GIS);

на фиг.15 изображена однолинейная схема системы электропитания карьерного самосвала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Подвижное горно-шахтное оборудование, такое как карьерные экскаваторы и карьерные большегрузные самосвалы, используется во время карьерных работ. Карьерные экскаваторы включают в себя электрические одноковшовые экскаваторы и драглайны. На фиг.1 показана схема электрического одноковшового экскаватора 100 для иллюстрации карьерного экскаватора, который потребляет значительную электрическую мощность. Его основными компонентами являются ходовое устройство 102, кабина 104, стрела 106, лебедка 108, тяговый канат 110 и ковш 112. Электродвигатели гарантируют различные движения для работы электрического одноковшового экскаватора 100. Термин «продвижение 131» (в направлениях вперед-назад) относится к перемещению всего электрического одноковшового экскаватора 100 относительно грунта. Термин «поворот 133» (в прямом и обратном направлениях) относится к повороту кабины 104 относительно ходового устройства 102. Термин «напорное движение 135» (в направлениях наполнения и отвода) относится к позиционированию ковша 112 относительно стрелы 106. Термин «спускоподъемное движение 137» (в направлениях подъема и опускания) относится к подъему и опусканию ковша 112 относительно грунта. Для обеспечения каждого движения можно использовать несколько электродвигателей.

Как правило, электрический одноковшовый экскаватор проводит серию повторяющихся операций. Например, он может продвигаться вперед вблизи уступа, поворачивать ковш в нужное положение, погружать ковш в уступ, поднимать ковш для вычерпывания материала, отводить ковш, продвигаться в обратном направлении, отходя от уступа, продвигаться вперед к отвалу, поворачивать ковш в нужное положение, опускать ковш и вываливать его содержимое. Затем экскаватор возвращается к уступу и повторяет свою работу. Тогда электродвигатели часто совершают ускорение в одном направлении, торможение и ускорение в противоположном направлении. Механическая нагрузка на электродвигатель является весьма изменчивой. В качестве одного примера приведем электродвигатель, обеспечивающий подъем ковша, полного породы, вываливание этого материала и опускание пустого ковша.

Карьерные большегрузные самосвалы, как правило, оснащены электродвигателями электропривода. На фиг.15 изображена однолинейная схема системы электропитания карьерного самосвала, включающей в себя систему питания посредством подвесного контактного провода. Карьерный самосвал, как правило, включает в себя два ведущих колеса. Каждое колесо приводится в движение трехфазным электродвигателем (ЭД) переменного тока (AC) колеса. Электродвигатели колес называются электродвигателем 1500 колеса и электродвигателем 1510 колеса. Электрическая мощность подается трехфазным генератором (Г) переменного тока (AC), который приводится в действие дизельным двигателем 1520. Отметим, что можно использовать и механические двигатели других типов, хотя и понятно, что на карьерных работах, как правило, используют дизельные двигатели. Муфта 1530 сцепления соединяет дизельный двигатель 1520 с генератором 1540. Дизельный двигатель 1520 и генератор 1540 установлены на большегрузном самосвале. Выходной сигнал переменного тока генератора 1540 подается в выпрямители 1550. Выходной сигнал постоянного тока (DC) выпрямителей 1550 подается в группу инверторов 1560 и 1570. Инверторы 1560 подводят мощность трехфазного переменного тока к электродвигателю 1500 колеса. Аналогично, инверторы 1570 подводят мощность трехфазного переменного тока к электродвигателю 1510 колеса.

В альтернативном варианте, входы инверторов 1560 и инверторов 1570 также могут быть подключены к питанию постоянного тока, подаваемому электроподстанцией 1580 посредством контактного провода 1590 и контактного провода 1600. Электрическое соединение большегрузного самосвала с контактным проводом 1590 и контактным проводом 1600 осуществляется посредством рычага 1610 пантографа и рычага 1620 пантографа соответственно. Переключатель 1630 соединяет входы инверторов 1560 и инверторов 1570 с контактным проводом 1590 и контактным проводом 1600 и отсоединяет эти входы от упомянутых проводов. Есть также вспомогательный автоматический выключатель 1640. Когда большегрузный самосвал соединен с контактным проводом 1590 и контактным проводом 1600 на подъеме, на электроподстанции 1580 происходит большое потребление мощности, приводящее к спаду напряжения связующего звена постоянного тока и протеканию увеличенного тока по контактному проводу 1590 и контактному проводу 1600.

Данное изобретение будет описано применительно к условиям, в которых вся мощность, потребляемая электродвигателем 1500 колеса и электродвигателем 1510 колеса, подводится дизельным двигателем 1520, а не электроподстанцией 1580.

Торможение карьерного грузовика является критической частью операции транспортировки. Большие нагрузки, крутые уклоны и быстрые движения приводят к необходимости регулировать большие количества механической энергии. Электродвигатель также может работать в другой роли - как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую энергию, которая подается в инверторы. В типичных системах динамического торможения тормозные ключи, соединенные с инверторами, направляют мощность в активный реостатный элемент, который непрерывно рассеивает энергию до тех пор, пока самосвал не остановится. Торможение является плавным, как в случае операции торможения легкового автомобиля, но это происходит без износа механического тормоза. Обращаясь к фиг.15, отмечаем, например, что прерыватель 1650 и активный реостатный элемент 1660 обеспечивают действие торможения для электродвигателя 1500 колеса. Аналогично, прерыватель 1670 и активный реостатный элемент 1680 обеспечивают действие торможения для электродвигателя 1510 колеса. Следовательно, в системах динамического торможения рекуперированная электрическая энергия (также называемая энергией торможения) преобразуется в сбросное тепло. Однако в вариантах осуществления, подробно описываемых ниже, рекуперированная электрическая энергия улавливается и повторно используется.

Процедура использования аккумулированной энергии в качестве источника вспомогательной мощности будет пояснена применительно к эксплуатации электрических одноковшовых ковшовых экскаваторов, хотя понятно, что данное изобретение применимо также к карьерным большегрузным самосвалам.

Исходя из электротехнической перспективы, электрический одноковшовый экскаватор представляет собой циклическую нагрузку на источник электрической мощности. Являясь функцией продолжительности работы, электрическая мощность, потребляемая электрическим одноковшовым экскаватором, изменяется циклически. Изменение мощности может оказаться значительным, поскольку средняя мощность, потребляемая этими машинами, может составлять примерно 55% их потребления на пике мощности.

При нормальной работе, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию. Электродвигатель также может работать в другой роли - как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую энергию. При нормальной работе, электродвигатель потребляет (расходует) электрическую мощность из источника электрической мощности. Когда электродвигатель останавливают во время движения, остаточная механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию. В данном случае, интервал времени, в течение которого электрическая нагрузка потребляет электрическую энергию, называют интервалом работы в двигательном режиме, а интервал времени, в течение которого электрическая нагрузка генерирует электрическую энергию, называют интервалом рекуперации.

На фиг.2A показано, что источник 202 электрической мощности питает суммарную полезную нагрузку. В этом примере, суммарная полезная нагрузка 204 содержит прикладную нагрузку 206. Контроллер 208 управляет электрической мощностью, передаваемой между источником 202 электрической мощности и прикладной нагрузкой 206. Электрическая мощность Р₁ 221 представляет собой отдаваемую электрическую мощность из источника 202 электрической мощности. Электрическая мощность P₂ 223 представляет собой подводимую электрическую мощность, потребляемую прикладной нагрузкой 206, которая в этом примере является циклической нагрузкой. Подводимую электрическую мощность, требуемую для эксплуатации нагрузки, также называют потреблением электрической мощности нагрузкой.

На фиг.2B график 230 потребления P₂ 223 электрической мощности (вертикальная ось) прикладной нагрузкой 206 показан как функция времени t (горизонтальная ось). В этом примере, P₂ находится в диапазоне от нуля до положительных значений. Когда потребление электрической мощности положительно, прикладная нагрузка 206 потребляет электрическую мощность. График 230 представляет собой типичный график, используемый для иллюстрации. Фактическое потребление мощности зависит от конкретного оборудования и рабочих условий. Для простоты, многие участки графика 230 показаны как отрезки прямой. В общем случае, форма является произвольной (например, криволинейной).

На фиг.2B циклы 231-247 являются примерами циклов. Отметим, что циклы не обязательно являются строго периодическими. Функциональная зависимость мощности от времени, амплитуды и длительности каждого цикла может изменяться. Помимо изменений в сторону увеличения или уменьшения, цикл может включать в себя другие геометрические признаки, такие как плоский участок графика (постоянная мощность) в цикле 237 и точку острого перегиба в цикле 241.

На фиг.2C показан соответствующий график 240 отдаваемой электрической мощности Р₁ 221 (вертикальная ось) из источника 202 электрической мощности. Когда отдаваемая электрическая мощность положительна, электрическая мощность потребляется из источника 202 электрической мощности. В показанном примере, отдаваемая электрическая мощность Р₁ 221 (график 240 на фиг.2C) равна потреблению P₂ 223 электрической мощности (график 230 на фиг.2B).

На фиг.2D другой пример - график 250 потребления P₂ 223 электрической мощности (вертикальная ось) прикладной нагрузкой 206 - показан как функция времени t (горизонтальная ось). Отметим, что мощность находится в диапазоне от нуля до отрицательных значений. Когда потребление электрической мощности положительно (область двигательного режима), прикладная нагрузка 206 потребляет электрическую мощность. Когда потребление электрической мощности отрицательно (область рекуперации), прикладная нагрузка 206 генерирует электрическую мощность. Как показано на графике 250, прикладная нагрузка 206 генерирует электрическую мощность в течение интервала 251 времени (t₁≤t≤t₂), интервала 253 времени (t₃≤t≤t₄) и интервала 255 времени (t₅≤t≤t₆).

На фиг.2E показан соответствующий график 260 отдаваемой электрической мощности Р₁ 221 (вертикальная ось) из источника 202 электрической мощности. Когда отдаваемая электрическая мощность положительна, электрическая мощность потребляется из источника 202 электрической мощности. Когда отдаваемая электрическая мощность отрицательна, электрическая мощность подается обратно в источник 202 электрической мощности. В показанном примере, в области двигательного режима отдаваемая электрическая мощность Р₁ 221 (график 260 на фиг.2Е) равна потреблению P₂ 223 электрической мощности (график 250 на фиг.2D). В области рекуперации (интервал 251 времени, интервал 253 времени и интервал 255 времени) отдаваемая электрическая мощность Р₁ 221 является нулевой. В этом примере, электрическая мощность, генерируемая в области рекуперации, подается на резистор (не показан) и преобразуется в сбросное тепло. Электрическая мощность, генерируемая в области рекуперации, также может быть подана обратно в источник 202 электрической мощности. Тогда отдаваемая электрическая мощность Р₁ 221 могла бы быть отрицательной в течение интервала 251 времени, интервала 253 времени и интервала 255 времени.

На фиг.3А показана схема системы электропитания в соответствии с вариантом осуществления изобретения, повторно улавливающей электрическую мощность, генерированную в области рекуперации.

Источник 302 электрической мощности питает суммарную полезную нагрузку 304. В этом примере, суммарная полезная нагрузка 304 содержит прикладную нагрузку 306 и аккумулирующий электрическую энергию блок 310. Контроллер 308 управляет электрической мощностью, передаваемой между источником 302 электрической мощности и прикладной нагрузкой 306, между источником 302 электрической мощности и аккумулирующим электрическую энергию блоком 310, и между прикладной нагрузкой 306 и аккумулирующим электрическую энергию блоком 310. Электрическая мощность Р₁ 331 представляет собой отдаваемую электрическую мощность из источника 302 электрической мощности. Электрическая мощность P₂ 333 представляет собой подводимую электрическую мощность, потребляемую прикладной нагрузкой 306, которая в этом примере является циклической нагрузкой. Электрическая мощность P₃ 335 представляет собой электрическую мощность, генерируемую прикладной нагрузкой 306 в области рекуперации. Электрическая мощность Р₄ 337 представляет собой электрическую мощность, получаемую аккумулирующим электрическую энергию блоком 310 от прикладной нагрузки 306. Электрическая мощность P₅ 339 представляет собой отдаваемую электрическую мощность из аккумулирующего электрическую энергию блока 310.

Примером аккумулирующего электрическую энергию блока 310 является суперконденсатор, который характеризуется высокими плотностями мощности. Для повышенного аккумулирования электрической энергии можно соединять несколько суперконденсаторов последовательно и параллельно, формируя суперконденсаторную батарею. Электрический ток, текущий в суперконденсатор, заряжает этот суперконденсатор, а аккумулирование электрической энергии осуществляется посредством отделения заряда на поверхности раздела «электрод - электролит». Тогда аккумулированную электрическую энергию можно позднее использовать для выдачи электрического тока. На фиг.3A показано, что электрическую мощность P₃ 335, генерированную прикладной нагрузкой 306, можно подавать в качестве электрической мощности P₄ 337 для зарядки аккумулирующего электрическую энергию блока 310. Кроме того, электрическую мощность P₁ 331, отдаваемую источником 302 электрической мощности, можно подавать в качестве электрической мощности P₅ 339 для зарядки аккумулирующего электрическую энергию блока 310.

На фиг.3B график 390 потребления P₂ 333 электрической мощности (вертикальная ось) прикладной нагрузкой 306 показан как функция времени t (горизонтальная ось). Отметим, что в этом примере мощность находится в диапазоне от положительных значений до отрицательных значений. Когда потребление электрической мощности положительно (область двигательного режима), прикладная нагрузка 306 потребляет электрическую мощность. Когда потребление электрической мощности отрицательно (область рекуперации), прикладная нагрузка 306 генерирует электрическую мощность. Как показано на графике 390, прикладная нагрузка 306 генерирует электрическую мощность в течение интервала 367 времени (t₁≤t≤t₂), интервала 369 времени (t₃≤t≤t₄) и интервала 371 времени (t₅≤t≤t₆). Поскольку энергия представляет собой интеграл мощности по времени, в графике электрической энергии, генерированной прикладной нагрузкой 306 в течение интервала 367 времени, интервала 369 времени и интервала 371 времени соответственно, присутствуют площадь 366, площадь 368 и площадь 370. Эта электрическая энергия аккумулирована в аккумулирующем электрическую энергию блоке 310.

В варианте осуществления изобретения, электрическая мощность, потребляемая из аккумулирующего электрическую энергию блока 310, используется для снижения пиковой электрической мощности, потребляемой из источника 302 электрической мощности. На фиг.3C показан график 392 отдаваемой электрической мощности P₁ 331 (вертикальная ось) из источника 302 электрической мощности. В этом примере, нижний предел для P₁ 331 равен нулю. Как подробнее обсуждается в нижеследующих примерах, нижний предел также может быть больше нуля или меньше нуля в зависимости от цикла и аккумулирующей емкости аккумулирующего электрическую энергию блока 310. Когда отдаваемая электрическая мощность положительна, электрическая мощность потребляется из источника 302 электрической мощности. Когда отдаваемая электрическая мощность отрицательна, электрическая мощность подается обратно в источник 302 электрической мощности. В показанном примере, в области двигательного режима на отдаваемую электрическую мощность Р₁ 331 наложен верхний предел Р_ВП 394. Для значений P₂≤Р_ВП (график 390 на фиг.3B) P₂ подается только посредством P₁. Для значений P₂>Р_ВП P₁ подается в виде значения Р_ВП. Требуемая дополнительная электрическая мощность подается посредством мощности P₅ 339, потребляемой из аккумулирующего электрическую энергию блока 310.

Обращаясь к фиг.3B, отмечаем, что P₂ больше, чем Р_ВП в течение интервала 361 времени (T₁≤t≤Т₂), интервала 363 времени (T₃≤t≤Т₄) и интервала 365 времени (T₅≤t≤Т₆). Отметим, что разность P₂-Р_ВП представляется импульсами, называемыми импульсом 350, импульсом 352 и импульсом 354 соответственно. Амплитуды импульсов называются амплитудой 380, амплитудой 382 и амплитудой 384 соответственно. Энергия, потребляемая в пределах каждого импульса, называется энергией 360 в импульсе, энергией 362 в импульсе и энергией 364 в импульсе соответственно. Как сказано выше, энергия представлена площадью на графике зависимости мощности от времени. В показанном примере, импульсы имеют треугольную форму. В общем случае, форма импульсов может изменяться в зависимости от прикладной нагрузки и рабочих условий, а также других факторов.

В варианте осуществления изобретения, конфигурация аккумулирующего электрическую энергию блока 310 такова, что он может подавать всю энергию импульсов, требуемую во время работы прикладной нагрузки 306. Параметры, учитываемые при конфигурировании аккумулирующего электрическую энергию блока 310, включают в себя амплитуду импульсов, ширину импульсов, форму импульсов и интервал времени между импульсами. Если мощность P₃ недостаточна для подержания адекватного заряда в аккумулирующем электрическую энергию блоке 310, то для зарядки аккумулирующего электрическую энергию блока 310 можно также использовать мощность P₁ в течение непиковых периодов.

В варианте осуществления изобретения, если прикладная нагрузка 306 работает только в области двигательного режима (при отсутствии рекуперации), аккумулирующий электрическую энергию блок 310 можно заряжать полностью посредством P₁ 331 из источника 302 электрической мощности. Зарядка может происходить во время непикового потребления, чтобы ограничить мощность P₁ 331 из источника 302 электрической мощности во время пикового потребления. На фиг.3D график 3100 потребления P₂ 333 электрической мощности (вертикальная ось) прикладной нагрузкой 306 показан как функция времени t (горизонтальная ось). В этом примере, P₂ находится в диапазоне от нуля до положительных значений. Когда потребление электрической мощности положительно, прикладная нагрузка 306 потребляет электрическую мощность.

На фиг.3E показан график 3200 отдаваемой электрической мощности P₁ 331 (вертикальная ось) из источника 302 электрической мощности. Когда отдаваемая электрическая мощность положительна, электрическая мощность потребляется из источника 302 электрической мощности. В показанном примере, на отдаваемую электрическую мощность P₁ 331 наложен верхний предел Р_ВП 3144. Для значений P₂≤Р_ВП (график 3100 на фиг.3D) P₂ подается только посредством P₁. Для значений P₂>Р_ВП подается в виде значения Р_ВП. Требуемая дополнительная электрическая мощность подается посредством мощности P₅ 339, потребляемой из аккумулирующего электрическую энергию блока 310. Отметим, что на фиг.3D P2>Р_ВП для импульсов 3102-3110. Соответствующие энергии в импульсах являются энергиями 3122-3130 в импульсах соответственно, которые подаются аккумулирующим электрическую энергию блоком 310. Отметим, что на отдаваемую электрическую мощность P₁ 331 может быть наложен положительный нижний предел Р_НП 3146 (фиг.3E). Преимущества поддержания нижнего предела обсуждаются ниже.

Электродвигатели электропривода, используемые в карьерных экскаваторах, как правило, работают на трехфазном переменном токе (AC). Карьерные экскаваторы в типичном случае питаются от распределительной электроэнергетической сети, подающей мощность переменного тока с высоким напряжением через высоковольтные бронированные подводящие кабели на первичную обмотку трансформатора питания привода; можно использовать более одного трансформатора питания привода. Трансформатор питания привода имеет несколько вторичных обмоток, которые подают мощность в рекуперативную вольтодобавочную выпрямительную систему через линейные реакторы. Такая выпрямительная система может содержать активные передние выпрямители (AFEs). Активные передние выпрямители представляют собой выпрямители на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и широтно-импульсной модуляцией, которые преобразуют поступающий переменный ток в постоянный ток (DC) и аккумулируют энергию в малоиндуктивных конденсаторах - связующих звеньях постоянного тока. Рекуперативную выпрямительную систему также можно воплотить с помощью выпрямительных мостов на основе триодных тиристоров (SCR). Количество трансформаторов питания привода и количество активных передних выпрямителей зависят от общей потребности в мощности электродвигателей привода. Электронные инвертирующие усилители мощности инвертируют мощность постоянного тока, имеющуюся в связующем звене постоянного тока, преобразуя ее в напряжения переменного тока, которые питают электродвигатели.

Электрическая энергия, рекуперируемая электродвигателями, может быть подана обратно в электросеть общего пользования посредством активных передних выпрямителей. Однако в условиях неисправности на стороне линии активный передний выпрямитель может оказаться не в состоянии посылать всю рекуперированную энергию обратно в электросеть общего пользования, и машину придется отключать. Рекуперированная энергия, которая не может быть подана обратно в электросеть общего пользования, может привести к увеличению напряжения в связующем звене постоянного тока. Поскольку напряжения в связующем звене постоянного тока могут повредить компоненты, а также ставят под угрозу безопасность, в систему вводят схемы защиты, такие как прерыватели постоянного тока и шунтирующие вентили, чтобы подавить избыточные напряжения в связующем звене постоянного тока во время рекуперации. В этом случае, электрическая энергия преобразуется в сбросное тепло. Как обсуждается ниже, в варианте осуществления изобретения происходит аккумулирование электрической энергии в суперконденсаторной батарее. В еще одном варианте осуществления, рекуперированная электрическая энергия, аккумулированная в суперконденсаторной батарее, используется при обеспечении вспомогательной мощности для различных систем и устройств, таких как компьютеры, дисплеи, системы управления, системы освещения и другие.

На фиг. 4 показана однолинейная схема системы 400 управления одноковшового электрического экскаватора. Блок 401 отображает входную электроэнергетическую установку. Блок 403 отображает преобразователи электрической мощности. Блок 405 отображает электродвигатели электропривода.

Обращаясь к блоку 405, отмечаем, что электрический одноковшовый экскаватор 100 оснащен шестью электродвигателями электропривода, обозначенными как электродвигатели 4100-4110. Каждый электродвигатель работает на трехфазном переменном токе (АС).

При этом источник электрической мощности может выдавать трехфазный переменный ток с минимальным напряжением, по меньшей мере, 1 киловольт, три киловольта или выше.

В показанном примере, электрическая мощность в блок 401 подается непосредственно из электросети общего пользования через подстанцию 404, подающую мощность трехфазного переменного тока при напряжении 3,3 или 6,6 кВ. Подстанция 404 соединена посредством переключателя 406 с датчиком 408 тока и переключателем 410. Мощность подается через плавкий предохранитель 412 и переключатель 414 на первичную обмотку трансформатора 420 питания привода. Аналогично, мощность подается через плавкий предохранитель 422 и переключатель 424 на первичную обмотку трансформатора 426 питания привода. Преобразователь 416 потенциала генерирует сигнал 418 обратной связи по напряжению синхронизации.

Обращаясь к блоку 403, отмечаем, что один выход вторичной обмотки трансформатора 420 питания привода соединен через датчик 430 тока и прерыватель-реактор 438 активного переднего выпрямителя (AFE) с преобразователем 446 переменного тока в постоянный AFE. Второй выход вторичной обмотки трансформатора 420 питания привода соединен через датчик 432 тока и прерыватель-реактор 440 AFE с преобразователем 448 переменного тока в постоянный AFE. Аналогично, один выход вторичной обмотки трансформатора 426 питания привода соединен через датчик 434 тока и прерыватель-реактор 442 AFE с преобразователем 450 переменного тока в постоянный AFE. Второй выход вторичной обмотки трансформатора 426 питания привода соединен через датчик 436 тока и прерыватель-реактор 444 AFE с преобразователем 452 переменного тока в постоянный AFE. Выходные напряжения постоянного тока оперативно контролируются преобразователем 454 потенциала и преобразователем 456 потенциала.

Мощность постоянного тока с выходов преобразователей 446-452 переменного тока в постоянный AFE подается на входы инверторов 458-464 AFE. Блок 480 отображает схему обнаружения короткого замыкания на землю. Блок 482 отображает схему прерывания при перегрузке по напряжению, которая рассеивает избыточную электрическую энергию через резистор 484. Выходы инверторов 458-464 AFE соединены посредством датчиков 466-472 тока соответственно с электродвигателями 4100-4110. Переключение питания привода между разными электродвигателями можно осуществлять посредством переключателя 490/492 питания.

На фиг. 5 показана схема аккумулирующего электрическую энергию блока на основе суперконденсаторной батареи, встроенного в существующую систему преобразования электрической мощности. Существующая система преобразования электрической мощности представлена трансформатором 502 питания привода, прерывателем-реактором 504 AFE, прерывателем-реактором 506 AFE, AFE 508, AFE 510, связующим звеном 512 постоянного тока и инвертором 514. Электродвигатель 560 отображает циклическую нагрузку. Как уже показано на фиг. 4, инвертор 514 может питать более одного электродвигателя. Аккумулирующий электрическую энергию суперконденсаторный блок 540 содержит преобразователь 542/544 постоянного тока в постоянный, прерыватель-реактор 546 и суперконденсаторную батарею 548. Аккумулирующий электрическую энергию суперконденсаторный блок 540 может быть отсоединен от системы преобразования электрической мощности посредством отсоединяющего переключателя 550. Аккумулирующий электрическую энергию суперконденсаторный блок 540 регулируется контроллером 570 регулирования энергии суперконденсаторов.

Отметим, что карьерный экскаватор с системой из нескольких электродвигателей можно рассматривать как единую унифицированную циклическую нагрузку, которая работает в течение интервалов работы в двигательном режиме и интервалов рекуперации. Электрический одноковшовый экскаватор 100 появляется на фиг. 1 как циклическая нагрузка на электросеть общего пользования, управляемая в соответствии с рабочим циклом. На фиг. 6 показан пример цикла питания электрического одноковшового экскаватора 100 за 30-секундный рабочий цикл. По горизонтальной оси 602 отложено время в секундах (с). По вертикальной оси 604 отложена мощность в киловаттах (кВт). График 606 отображает потребление мощности электрическим одноковшовым экскаватором 100.

Отметим, что в этом примере мощность, отложенная по вертикальной оси 604, находится в диапазоне от положительных значений до отрицательных значений. При положительных значениях, указанных областью 608 двигательного режима, электрический одноковшовый экскаватор 100 потребляет мощность. При отрицательных значениях, указанных областью 610 рекуперации, электрический одноковшовый экскаватор 100 генерирует мощность. В рабочем цикле, показанном на фиг. 6, есть три интервала времени, в течение которых электрический одноковшовый экскаватор 100 работает в области 610 рекуперации: t₁ 641-t₂ 643, t₃ 645-t₄ 647 и t₅ 649-t₆ 651.

Максимальное потребление мощности, демонстрируемое электрическим одноковшовым экскаватором 100, составляет Р_МАКС 612. В стандартной системе преобразования электрической мощности, вся мощность подается трансформатором 502 питания привода (фиг. 5). Следовательно, в области 608 двигательного режима график 606 также отображает мощность, подаваемую трансформатором 502 питания привода. В варианте осуществления изобретения, максимальную мощность, подаваемую трансформатором 502 питания привода, устанавливают на уровне определяемого пользователем значения Р_ВП 616 (ВП - верхний предел). В варианте осуществления изобретения, в течение интервалов времени, в которых пиковое потребление превышает Р_ВП 616, мощность, превышающая Р_ВП 616, подается суперконденсаторной батареей 548. Специалист в данной области техники может установить значение Р_ВП 616 в соответствии с конкретным оборудованием и приложениями.

На фиг. 7 показан модифицированный профиль мощности трансформатора 502 питания привода. По горизонтальной оси 602 отложен 30-секундный рабочий цикл, ранее показанный на фиг. 6. По вертикальной оси 704 отложена мощность в киловаттах (кВт). График 706 отображает потребление мощности трансформатором 502 питания привода. Отметим, что мощность находится между Р_ВП 616 и Р_НП 718 (НП - нижний предел). Нижний предел Р_НП 718 может быть установлен равным нулю, отрицательному значению или положительному значению. Нижний предел устанавливают равным нулю, если трансформатор 502 питания привода подает нулевую мощность в течение интервала рекуперации, а вся рекуперированная электрическая энергия аккумулируется в суперконденсаторной батарее 548. Нижний предел устанавливают равным отрицательному значению, если емкость суперконденсаторной батареи 548 недостаточна для аккумулирования всей рекуперированной электрической энергии: часть рекуперированной электрической энергии аккумулируется в суперконденсаторной батарее 548, а часть рекуперированной электрической энергии возвращается в электросеть общего пользования. Нижний предел устанавливают равным положительному значению (как показано в примере на фиг. 7), если рекуперированная электрическая энергия недостаточна для того, чтобы полностью зарядить суперконденсаторную батарею 548: электрическая мощность из трансформатора 502 питания привода также используется для зарядки суперконденсаторной батареи 548 в течение непиковых интервалов. Отметим, что с увеличением Р_НП 718 уменьшается пульсация мощности на линии. Поэтому выгодно устанавливать нижний предел Р_НП 718 как можно большим в соответствии с рабочим циклом и напряжением аккумулирующего электрическую энергию блока 310. Специалист в данной области техники может установить значение Р_НП 718 в соответствии с конкретным оборудованием и приложениями.

На фиг. 8 показан соответствующий профиль мощности суперконденсаторов. По горизонтальной оси 602 отложен 30-секундный рабочий цикл, ранее показанный на фиг. 6. По вертикальной оси 804 отложена мощность в киловаттах (кВт). График 806 отображает потребление мощности суперконденсаторной батареей 548 (фиг. 5). Отметим, что мощность, отложенная по вертикальной оси 804, находится в диапазоне от положительных значений до отрицательных значений. При положительных значениях, указанных областью 808 рекуперации, суперконденсаторная батарея 548 потребляет мощность (происходит зарядка суперконденсаторной батареи). При отрицательных значениях, указанных областью 810 двигательного режима, суперконденсаторная батарея 548 генерирует мощность (происходит разрядка суперконденсаторной батареи).

На фиг. 9 показана энергия, аккумулированная в суперконденсаторной системе. По горизонтальной оси 602 отложен 30-секундный рабочий цикл, ранее показанный на фиг. 6. По вертикальной оси 904 отложена мощность в киловаттах (кВт). График 906 рассчитан путем интегрирования мощности (отображенной графиком 806 на фиг. 8) как функции времени. Эти данные используются для придания надлежащих размеров суперконденсаторной батарее 548. Как только оказывается, что суперконденсаторная батарея 548 аккумулировала требуемую энергию, дополнительную энергию, если она есть, можно послать обратно в электросеть общего пользования. В качестве примера, отметим, что рабочее напряжение суперконденсаторной системы составляет приблизительно от 1400 до 1800 вольт, а суммарная емкость суперконденсаторов составляет приблизительно от 4,5 до 9 фарад. Специалист в данной области техники может установить конструктивные требования для суперконденсаторной системы в соответствии с конкретным оборудованием и приложениями.

На фиг. 10 показана блок-схема последовательности, обобщающая этапы для ограничения мощности, потребляемой циклической нагрузкой из источника электрической мощности. На этапе 1002 устанавливают верхний предел Р_ВП мощности и нижний предел Р_НП мощности. Затем процесс переходит к этапу 1004, на котором измеряют подводимую мощность, потребленную циклической нагрузкой. Затем процесс переходит к этапу 1006, на котором сравнивают измеренную подводимую мощность, потребленную циклической нагрузкой, с верхним и нижним пределами мощности источника электрической мощности. Если измеренная подводимая мощность, потребленная циклической нагрузкой, оказывается между верхним и нижним пределами мощности, то процесс переходит к этапу 1008, на котором продолжается нормальная работа. Если измеренная подводимая мощность, потребленная циклической нагрузкой, не оказывается между верхним и нижним пределами мощности, то процесс переходит к этапу 1010, на котором сравнивают измеренную подводимую мощность, потребленную циклической нагрузкой, с верхним пределом Р_ВП мощности и нижним пределом Р_НП мощности. Если измеренная подводимая мощность, потребленная циклической нагрузкой, больше, чем верхний предел Р_ВП мощности, то процесс переходит к этапу 1014, на котором суперконденсаторная батарея подает мощность в связующее звено постоянного тока. Если измеренная подводимая мощность, потребленная циклической нагрузкой, меньше, чем нижний предел Р_НП мощности, то процесс переходит к этапу 1012, на котором суперконденсаторная батарея потребляет мощность из связующего звена постоянного тока. Как говорилось выше, возможна зарядка суперконденсаторной батареи из источника электрической мощности. Если циклическая нагрузка работает и в области двигательного режима, и в области рекуперации, суперконденсаторную батарею также можно заряжать посредством электрической мощности, генерированной циклической нагрузкой.

По завершении либо этапа 1012, либо этапа 1014 процесс переходит к этапу 1016, на котором оперативно контролируют напряжение на суперконденсаторной батарее. Затем процесс возвращается к этапу 1002, на котором сбрасывают верхний предел и нижний предел, если это необходимо.

Помимо того, что они обладают очень высокой плотностью мощности, суперконденсаторы способны выдерживать относительно большое, по сравнению с обычными аккумуляторными батареями, количество циклов зарядки-разрядки. Суперконденсаторы также рассчитаны на работу при столь низких температурах, как 40°С ниже нуля, и поэтому больше подходят для применения на карьерных работах, происходящих в условиях сурового климата. В соответствии с данным изобретением, суперконденсаторная батарея 548 используется при обеспечении вспомогательной мощности для различных систем и устройств, таких как компьютеры, дисплеи, системы управления, системы защиты, системы освещения и другие. Конфигурация суперконденсаторной батареи 548 обеспечивает номинальное рабочее напряжение, достаточное для эксплуатации карьерного экскаватора. Во время использования, суперконденсаторная батарея 548 разряжается, а уровень напряжения уменьшается до нижнего предела напряжения, при котором уровень напряжения недостаточен для поддержания эксплуатации карьерного экскаватора. В одном варианте осуществления, конфигурация суперконденсаторной батареи 548 обеспечивает уровень номинального напряжения приблизительно 1800 В. Кроме того, возможный нижний предел напряжения может составлять приблизительно 1500 В. Определено, что уменьшение уровня напряжения с 1800 В до 1500 В занимает приблизительно 8 часов нормальной работы карьерного экскаватора. Поэтому в одном варианте осуществления суперконденсаторная батарея 548 аккумулирует энергию, достаточную для того, чтобы обеспечить расходование резервной мощности в течение 8 часов для различных электронных систем и компонентов карьерного экскаватора, таких как компьютеры, дисплеи, системы управления, системы защиты, системы освещения и другие. Это исключает потребность в обычных аккумуляторных батареях в качестве источника резервной мощности, тем самым повышая надежность.

Обращаясь к фиг. 12, отмечаем, что здесь показан способ эксплуатации суперконденсаторной батареи 548. На этапе 1300 измеряют мощность на линии посредством преобразователя 416 потенциала, описанного применительно к фиг. 4. Если на этапе 1320 обнаружено, что мощность на линии присутствует, то нормальная работа карьерного экскаватора продолжается на этапе 1340. Если на этапе 1320 обнаружено, что мощность на линии отсутствует/прервана, то преобразователь 454 потенциала (см. фиг. 4) проверяет уровень напряжения суперконденсаторной батареи 548 на этапе 1360. Если уровень напряжения выше нижнего предела напряжения на этапе 1380, то на этапе 1400 в контроллер 570 регулирования энергии суперконденсаторной батареи подают мощность. Если уровень напряжения ниже нижнего предела напряжения на этапе 1380, то система управления карьерного экскаватора отключается на этапе 1420. После двух этапов 1400 и 1420 осуществляют оперативный контроль уровня напряжения суперконденсаторной батареи на этапе 1440 посредством преобразователя 454 потенциала. Напряжение на линии снова проверяют на этапе 1300.

Для оптимизации пиковой мощности системы приходится учитывать максимальную допустимую мощность, подаваемую AFE 508 и AFE 510 (см. фиг. 5) в режиме оперативного контроля и рекуперации. В связи с фиг. 11, отметим, что максимальная мощность при работе в двигательном режиме, подаваемая посредством AFE 508 и AFE 510, выбрана как Р_МАКС=950 МВт, а максимальная рекуперированная мощность, которую можно возвратить посредством AFE в сеть, выбрана как Р_МИН=-200 МВт. Избыточная рекуперированная мощность используется для зарядки суперконденсаторной батареи 548, которая рассчитана, например, на 1800 В. Преобразователь 542/544 постоянного тока в постоянный служат для обмена мощностью между связующим звеном 512 постоянного тока и суперконденсаторной батареей 548. График «мощность - время» при вышеописанных условиях представлен на фиг. 13 для профиля согласно фиг. 11. В частности, на фиг. 13 изображен график 1220 потребления мощности, график 1240 мощности на линии, который совпадает с участками графика 1220 потребления мощности, график 1260 мощности суперконденсаторов и график 1280 напряжения суперконденсаторов. Исходя из фиг. 13, суммарная рекуперативная энергия, которую может уловить суперконденсаторная батарея 548, определяется путем вычисления интеграла мощности как составляющая приблизительно 2 МДж.

Обращаясь к фиг. 14, отмечаем, что в таблице перечислены важные компоненты в устройстве GIS, которое требует резервирования. Определено, что потребность в энергии для систем резервирования GIS составляет приблизительно 2 МДж. Поэтому суммарная потребность в энергии для суперконденсаторной батареи 548 составляет приблизительно 4 МДж. В результате моделирования обнаружено, что пиковая потребность суперконденсаторной батареи 548 в токе составляет 300 А. Исходя из этих данных, можно оценить стоимость и габариты суперконденсаторной батареи 548.

Вышеизложенное «Подробное описание» во всех его аспектах следует понимать как иллюстративное и возможное, а не ограничительное, причем раскрытый здесь объем притязаний следует определять исходя не из «Подробного описания», а из формулы изобретения, интерпретируемой со всей широтой, допустимой патентными законами. Следует понять, что варианты осуществления, продемонстрированные и описанные здесь, являются лишь иллюстрацией принципов данного изобретения и что в рамках объема и существа притязаний изобретения специалисты в данной области техники смогут воплотить различные модификации. В рамках объема и существа притязаний изобретения, специалисты в данной области техники смогут воплотить различные другие совокупности признаков.

Реферат

Изобретение относится к системам электропитания для подвижного карьерного оборудования. Техническим результатом является обеспечение подачи мощности в системы с низким потреблением мощности в течение длительного времени, в случае отсутствия основной мощности на линии питания. Предложен способ эксплуатации суперконденсаторной системы, используемой в карьерном экскаваторе, питаемом от источника электрической мощности, причем электрическая нагрузка карьерного экскаватора содержит первую электрическую нагрузку с по меньшей мере одним электродвигателем и вторую электрическую нагрузку без электродвигателя. Причем способ включает в себя этапы, на которых: обнаруживают присутствие мощности на линии от источника электрической мощности; измеряют уровень напряжения суперконденсаторной системы, если мощность на линии отсутствует; сравнивают измеренный уровень напряжения с минимальным уровнем напряжения для суперконденсаторной системы; и подают вспомогательную мощность из суперконденсаторной системы ко второй электрической нагрузке, если измеренный уровень напряжения больше, чем минимальный уровень напряжения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 23 ил.

Формула