用於纜系採礦車的dc拖曳電纜系統的製作方法
2024-01-21 01:50:15 4
專利名稱：用於纜系採礦車的dc拖曳電纜系統的製作方法
技術領域：
本公開涉及纜系(tethered)電動車以及其他的移動機械，特別涉及用於這樣的纜系電動車以及移動機械的方法和系統其一般用在例如地上以及地下採礦中。
背景技術：
電動車和其他的移動機械常常經由電纜從外部電源接收電力。這種纜系電動車以及機器通常由三相AC電力供電。這種三相AC電力系統中的纜系電動車以及機器典型地經由具有直到200米的長度的三芯或四芯電纜連接到AC電源。圖I示出了用於纜系擺渡車(shuttle car) 3的三相拖曳電纜(trailing cable)系統的一個實例。如圖I所示，三相AC拖曳電纜系統可包含四個AC感應電動機，例如兩個變頻驅動AC牽引電動機9a、9b ;固定速度AC輸送機電動機13 ;固定速度AC泵電動機12。另外，三相AC拖曳電纜系統可包含例如電力中心1，其包含1，100V AC次級變壓器；三芯AC拖曳電纜2 ;EMC濾波器5 ;兩組三相電感器6a、6b ;兩個有源前端(AFE)整流器7a、7b ;兩組DC鏈路電容器14a、14b ;以及，兩個可變頻率牽引逆變器8a、8b。固定速度AC泵電動機12可藉助泵接觸器10開啟以及關閉，輸送機電動機13可受到輸送機接觸器11的控制。在滿功率時，例如，對於20噸的擺渡車，可變頻率驅動器(VFD)部件5、6a、6b、7a、7b、8a、8b、泵接觸器10以及輸送機接觸器11可產生大約IOkW的熱，該熱量必須藉助熱交換器15從防爆(XP)外殼移除。三芯和四芯電纜——例如圖I所示的示例性三相AC拖曳電纜系統所需要的——常常沉重、不易控制，並且易受過熱和頻發損壞的影響。另外，這些電纜在損壞時可能花費較長時間來修理。另外，當這些電纜用於地下採煤時，某些國家或地區禁止地下損壞電纜的修理，要求從車輛移除整條電纜並在地上修理。這些問題能夠導致電動車和其他移動機械以長的時間段停止工作。另外，在圖I所示的布置中，三相電感器、AFE整流器以及DC/AC牽引逆變器可能產生量相對較大的熱。為了防止熱損壞，這種熱的大部分必須由容納這些裝置的外殼耗散。然而，在某些情況下，產生了太多的熱，這導致有必要使工人以規則的間隔對外殼手動進行冷卻以避免過熱(例如，用來自水管的水來冷卻外殼)。另外，多種元件一例如泵、輸送機以及較大的AC電動機一不能通過允許可變速度控制的已有控制系統來控制，因為這樣的控制系統產生太多的熱，並且對於AC拖曳電纜系統佔據太大的空間。希望提出對纜系電動機械系統的改進，例如這樣的纜系電動機械系統其使用較少的銅，被損壞的可能性較低，受到熱的影響較小，能夠在地下迅速修理，使用較長的電纜長度，使用較低成本的替換電纜，使用產生較少熱、提供多種元件的可變速度控制和/或提供能量消耗節省的機載控制系統。
發明內容
在一個所公開的實施例中，公開了一種DC拖曳電纜系統。DC拖曳電纜系統包含電力中心，其被配置為提供具有受控電壓值的DC電力。另外，DC拖曳電纜系統包含纜系機器，其包含一個或多於一個的逆變器以及一個或多於一個的電動機，其中，所述一個或多於一個的逆變器至少部分地經由兩芯拖曳電纜從電力中心被供以DC電力，且其中，所述一個或多於一個的逆變器被連接到所述一個或多於一個的電動機。在另一個所公開的實施例中，公開了一種機器。該機器包含一個或多於一個的電動機以及一個或多於一個的逆變器。所述一個或多於一個的逆變器至少部分地經由兩芯拖曳電纜從電力中心被供以具有受控電壓值的DC電力。另外，所述一個或多於一個的逆變器 被連接到所述一個或多於一個的電動機。在另一個所公開的實施例中，公開了一種電力中心。電力中心包含一個或多於一個的整流器；殘餘電流接地故障檢測系統；以及，DC電力輸出，其被配置為提供具有受控電壓值的DC電力，並進一步被配置為連接到兩芯拖曳電纜。與實施例有關的另外的實施形態將會部分地在下面的介紹中給出，並將部分地由說明書明了，或者可通過對本發明的實踐習得。將會明了，上面的一般介紹以及下面的詳細介紹僅僅是示例性和闡釋性的，不對所要求專利權的發明的範圍進行限制。
圖I示出了用於具有AC感應電動機的纜系擺渡車的示例性AC拖曳電纜系統；圖2示出了 AC和DC拖曳電纜中的波形的示例性比較；圖3示出了用於具有AC感應電動機的纜系擺渡車的示例性DC拖曳電纜系統；圖4示出了安裝在電力中心中的DC電力供給系統的示例性實施例。
具體實施例方式現在將詳細介紹示例性實施例，其實例在附圖中示出。只要有可能，貫穿附圖將使用同樣的參考標號來表不相同或類似的部件。公開了用於實現DC纜系電纜系統以便向電動車以及其他機械提供電力的多種實施例。這種DC纜系電纜系統可向控制機載AC感應電動機的DC/AC逆變器提供DC電力，該機載AC感應電動機用於例如推進、液壓泵以及刀頭應用。DC/AC逆變器可容納在安裝在車輛或其它機器之上或之內的適合的外殼中，包括防爆(XP)外殼。另外，這種DC纜系電纜系統可使用兩芯電纜而不是三芯或四芯電纜來向車輛或其它機器傳送DC電力。圖3示出了用於纜系擺渡車30的示例性DC拖曳電纜系統。在某些實施例中，示例性DC拖曳電纜系統包含電力中心，其容納變壓器21 ;隔離接觸器22 ;初級EMC濾波器24 ;線路電抗器25 ;有源前端整流器26 ；DC鏈路電容器27 ;接地故障檢測器28，其在DC拖曳電纜29或擺渡車30中出現接地故障時經由接觸器22中斷AC供電。在某些實施例中，變壓器21輸出1，100V AC，電力中心20輸出1，500VDC。然而，變壓器21可被配置為輸出其他的AC電壓，電力中心20可被配置為輸出其他的DC電壓。圖4示出了電力中心20的另一實施例。在圖4所示的實施例中，DC電源可包含連接到電力變壓器21的無源整流器40以及能量吸收電阻器42和過電壓檢測IGBT開關41。如果發生IOOmA DC或更大的電流不平衡，殘餘電流接地故障檢測系統28可跳閘，其指示接地故障。響應於接地故障檢測系統28的跳閘，來自整流器的電力可經由AC接觸器22被移除。接地電阻器43在到地的金屬性故障(bolted fault)的情況下限制接地故障電流。回到圖3所示的DC拖曳電纜系統，在某些實施例中，1，500V DC從電力中心20經由兩芯拖曳電纜29被供到擺渡車30。然而，在替代性實施例中，多種其他的DC電壓等級可由電力中心20供到擺渡車30。在某些實施例中，擺渡車所接收的DC電力經過次級EMC濾波器31。然而，在某些實施例中，次級EMC濾波器31可被省略。在某些實施例中，從電力中 心接收的DC電力直接或間接地供到對AC牽引電動機36a、36b進行控制的DC/AC牽引逆變器32a、32b。另外，在某些實施例中，從電力中心接收的DC電力直接或間接供到對AC泵電動機37進行控制的DC/AC泵逆變器33。另外，在某些實施例中，從電力中心接收的DC電力直接或間接到控制AC輸送機電動機38的DC/AC輸送機電動機逆變器34。在某些實施例中，擺渡車30可被配置為代替AC電動機中的一個或多於一個地使用一個或多於一個的永磁電動機、開關磁阻電動機或DC電動機。另外，在某些實施例中，從電力中心接收的DC電力直接或間接供到可輸出24VDC的DC/DC電源35。視情況可選的24V DC熱交換器39可被裝配為移除由逆變器產生的熱。在某些實施例中，這樣的熱交換器僅僅用於重負載應用，例如用於額定值大於20噸的擺渡車。使用所公開的實施例，可在AC拖曳電纜系統中產生的熱的多至60%可被移動到電力中心，其具有足夠的空間以允許充分的冷卻。另外，相對較大的部件——例如初級EMC濾波器、線路電抗器、有源前端濾波器以及初級DC鏈路電容器可被放置在電力中心而不是擺渡車的有限空間之中，由此允許擺渡車中用於逆變器的空間，這些逆變器用於輸送機電動機38和泵電動機37，這允許輸送機電動機38和泵電動機37的可變速度運行。圖2示出了三相AC拖曳電纜系統和DC拖曳電纜系統的示例性比較波形。在具有車載整流器的AC電纜系統中，三個導體中的各個對於周期中的120度沒有電流流動，導致具有可觀的量的寄生紋波電流的電流波形，其對於最終導致有用的電動機轉矩的、來自電源的能量傳送沒有貢獻。相反，DC拖曳電纜系統連續傳送電能，具有極小的寄生紋波電流。電流的這種不同導致與這樣的波形因子相關聯的DC拖曳電纜系統其與AC拖曳電纜系統相比相對較低(例如，如圖2所示，DC拖曳電纜系統可與I. 03的波形因子相關聯，而AC拖曳電纜系統可與I. 46的波形因子相關聯)。低的波形因子典型地與更好的電動機性能以及更小的發熱相關聯。另外，DC拖曳電纜通常以扁平的構造製造，這與AC拖曳電纜的圓形構造形成對比，產生到環境的更好的熱傳遞。因此，對於擺渡車上需要的同樣的量的電力，DC拖曳電纜需要的銅與AC拖曳電纜相比小了高達50%。考慮說明書並由對這裡所公開的本發明的實踐，本領域技術人員將會明了本發明的其他實施例。說明書和實例僅僅被看作示例性的，本發明的真實範圍和精神由所附權利要求指示。附圖標記列表圖I用於纜系擺渡車的AC拖曳電纜系統
I :具有1，IOOVAC變壓器的電力中心2:三芯AC拖曳電纜3 :擺渡車5:EMC 濾波器6a、6b:三相電感器7a、7b :有源前端整流器(AFE)8a,8b DC/AC 牽弓 I逆變器
9a、9b AC牽引電動機10 :泵接觸器11 :輸送機電動機接觸器12:泵電動機13 :輸送機電動機14a、14b DC 鏈路電容器15:熱交換器圖2DC VS AC拖曳電纜電流波形圖3用於纜系擺渡車的DC拖曳電纜系統20 :用於DC拖曳電纜系統的電力中心21 :1，100VAC 變壓器22 AC 接觸器24 :初級EMC濾波器25 :線路電抗器26 :有源前端整流器27:DC鏈路電容器38 :接地故障檢測系統29 :額定值1，500VDC的兩芯DC拖曳電纜30 :擺渡車31:1500VDC 次級 EMC 濾波器32a、32b DC/AC 牽弓丨逆變器33 :泵逆變器34 :輸送機電動機逆變器35 1500V/24V 隔離電源36a、36b AC 牽引電動機37:AC泵電動機38:AC輸送機電動機39 :熱交換器圖4用於纜系擺渡車的DC拖曳電纜系統20 :用於DC拖曳電纜系統的電力中心21 :1，100VDC 變壓器22 AC 接觸器
28 :接地故障檢測系統29 :額定值1，500VDC的兩芯DC拖曳電纜40 :無源3相整流器41 :過電壓 IGBT42:BR_制動電阻器43 :接地電阻器·
權利要求
1.一種DC拖曳電纜系統，包含 電力中心，其被配置為提供具有受控電壓值的DC電力；以及 纜系機器，其包含一個或多於一個的逆變器以及一個或多於一個的電動機； 其中，所述一個或多於一個的逆變器至少部分地從電力中心經由兩芯拖曳電纜被供以DC電力，且 其中，所述一個或多於一個的逆變器被連接到所述一個或多於一個的電動機。
2.根據權利要求I的系統，其中，所述一個或多於一個的電動機為一個或多於一個的AC感應電動機。
3.根據權利要求I的系統，其中，所述一個或多於一個的電動機為一個或多於一個的永磁電動機、開關磁阻電動機或DC電動機。
4.根據權利要求I的系統，其中，電力中心還包含一個或多於一個的整流器；以及，殘餘電流接地故障檢測系統。
5.根據權利要求I的系統，其中，所述機器為車輛。
6.根據權利要求I的系統，其中，所述電壓值為1500VDC或大約1500V DC。
7.—種機器,包含 一個或多於一個的電動機，以及 一個或多於一個的逆變器， 其中，所述一個或多於一個的逆變器至少部分地從電力中心經由兩芯拖曳電纜被供以具有受控電壓值的DC電力，且 其中，所述一個或多於一個的逆變器被連接到所述一個或多於一個的電動機。
8.根據權利要求7的機器，其中，所述一個或多於一個的電動機為一個或多於一個的AC感應電動機。
9.根據權利要求7的機器，其中，所述一個或多於一個的電動機為一個或多於一個的永磁電動機、開關磁阻電動機或DC電動機。
10.根據權利要求7的機器，其中，所述機器為車輛。
11.根據權利要求7的系統，其中，所述電壓值為1500VDC或大約1500V DC。
12.一種電力中心，包含 一個或多於一個的整流器； 殘餘電流接地故障檢測系統；以及 DC電力輸出，其被配置為提供具有受控電壓值的DC電力，並被進一步配置為連接到兩芯拖曳電纜。
13.根據權利要求12的電力中心，其中，所述電壓值為1500VDC或大約1500V DC。
全文摘要
公開了一種用於纜系機器的DC拖曳電纜系統。DC拖曳電纜系統可包含電力中心，其被配置為提供具有受控電壓值的DC電力。另外，DC拖曳電纜系統可包含纜系機器，其包含一個或多於一個的逆變器以及一個或多於一個的電動機，其中，所述一個或多於一個的逆變器至少部分地從電力中心經由兩芯拖曳電纜被供以DC電力，且其中，所述一個或多於一個的逆變器被連接到所述一個或多於一個的電動機。
文檔編號H02P27/06GK102957377SQ201210290829
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者B·W·波斯瑪 申請人:塞米恩科公司