CN102712265B - 矿用车辆及其能量供应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及矿用车辆及其能量供应方法。矿用车辆(1)具有整流器(27)、DC中间电路(28)、以及逆变器(29a,29b,29c)，通过该逆变器来向交流电马达(30a,30b,30c)供电。至少一个辅助能源(26a,26b)连接到该DC中间电路(28)。DC/DC转换器(33a,33b)被连接在DC中间电路(28)和辅助能源(26a,26b)之间，用于使辅助能源(26a,26b)的电压电平适于DC中间电路(28)、以及用于连接该辅助能源(26a,26b)从而向该DC中间电路(28)供应能量。

Description

矿用车辆及其能量供应方法
技术领域
本发明涉及一种矿用车辆，该矿用车辆包括：车架；用于移动该车架的驱动设备；至少一个矿用工作装置，其为下列之一：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置；交流电马达；连接装置，其用于从矿场的电网向其供电；DC中间电路，其使用整流器从矿场的电网向DC中间电路供应电力；逆变器，其用于向交流电马达供应DC中间电路的电能；以及辅助能源，其连接到DC中间电路。
本发明进一步涉及一种用于矿用车辆的能量供应的方法，该矿用车辆包括：车架；用于移动该车架的驱动设备；至少一个矿用工作装置，其为下列之一：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置；以及至少一个交流电马达，通过整流器、DC中间电路和逆变器来从矿场的电网向所述至少一个交流电马达供电。
背景技术
在矿场中，钻岩机和其它矿用车辆被用来在预先计划的工作地点根据矿用工作装置的工作循环来执行操作。在执行根据工作循环的诸如钻孔凿钻的必要的任务之后，将矿用车辆移到下一个工作地点并且开始新的工作循环。具体地，在地下矿场中，一般使用如下的矿用车辆，在其中，根据工作循环用于操作的驱动能量是从矿场的电网获得的电力。相比之下，工作地点之间的转移驱动借助于使用内燃机，通常是柴油发动机所获得的驱动能量来执行，其中电缆等则不限制转移驱动。然而，来自内燃机的排气和噪音在矿场中引起问题。此外，内燃机在车辆的车架上需要大量空间，并且需要定期维护。由于内燃机具有热表面并且在车辆和矿场中需要储存和处理可燃性燃料，所以内燃机对矿场的消防安全也具有不利影响。
延伸地连接到矿场的电网的矿用车辆也可在矿场中使用。另外，矿用车辆具有电动马达，并且通常使用具有恒定转速的电动马达。另外，工作阶段所需的功率可以采用液压组件进行调整，并且电动马达获得电流和负载功率，所述电流和负载功率由来自矿场的电网的工作阶段的能量消耗量限定。此外，矿用车辆的移动通常受到电网或至少受到与其连接并且在矿用车辆中或在固定的电网处盘绕的线缆的限制。
例如，公开US 7053568提出了一种电池驱动式矿用车辆。具体地，该公开描述了电池和交流电马达作为驱动传输组件的使用和定位。与完全取决于电池的这样的矿用车辆相关问题是，因运输电池所引起的额外重量。此外，电池的容量非常有限，并且矿用车辆的电池需要相对经常地充电。
公开US 5293947提出了一种矿用车辆，该矿用车辆从架空母线系统接收其电力供应。矿用车辆还具有开关，该开关用于选择由矿用车辆所使用的能量是从电网还是从诸如电池或柴油机的矿用车辆中的辅助能源获取。当从辅助能源获取能量时，矿用车辆能够短距离移动，而无需将矿用车辆连接到架空电网上。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型矿用车辆以及一种用于其能量供应的方法。
本发明的矿用车辆的特征在于，该矿用车辆具有DC/DC转换器，该DC/DC转换器位于辅助能源和DC中间电路之间，用于使辅助能源的电压电平适于DC中间电路、以及用于连接辅助能源以便向DC中间电路供应能量，由此，可将不同特性的辅助能源连接到该矿用车辆。
此外，本发明的方法的特征在于，具有DC/DC转换器，使得辅助能源的电压电平适于DC中间电路，并且使得辅助能源适应于向DC中间电路供应能量，由此，可将不同特性的辅助能源连接到矿用车辆。
矿用车辆主要从矿场的电网获得其能量供应。矿用车辆进一步具有整流器、DC中间电路、以及逆变器，其意指矿用车辆具有交流电马达。此外，至少一个辅助能源连接到DC中间电路。DC/DC转换器连接在DC中间电路和辅助能源之间，以便适于DC中间电路和辅助能源的电压电平以及充电/放电电流。这就意味着，不同的辅助能源可被布置到装置的DC中间电路。辅助能源的功率或充电容量可以变化，或它们可以在化学上不同或其充电电压可以相互不同，或可以使用新的和旧的辅助能源。尽管辅助能源中存在差异，但是借助于DC/DC转换器，将它们布置到DC中间电路仍然变得容易且简单。此外，如果需要，借助于DC/DC转换器，可以使用并联的几个辅助能源。
矿用车辆包括下列矿用装置中的一个或多个：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置，或在小装药量挖掘中使用的凿钻、密封和发射药进给设备。钻岩机器可以是面凿钻装置或在生产孔凿钻中使用的装置，即以扇形方式凿钻钻孔的深孔凿钻装置。矿用工作装置是致动器，该致动器在处理未分离的岩石中使用，并且根据给定的工作循环执行几项连续的操作。通常地，在一个工作地点可使用矿用工作装置进行几项类似操作。这些操作可在挖掘计划中限定，所述挖掘计划诸如凿钻计划、装药计划、或者相应的开采计划。矿用工作装置通常布置到悬臂，利用该悬臂在工作循环期间移动该装置。另一方面，矿用工作装置可布置到矿用车辆中相应的支撑件或支撑结构，所述支撑件或支撑结构在矿用车辆工作循环期间支撑该装置。
一个实施例的理念是，连接辅助能源，以当矿用车辆的能量需求超过一定的限度时，可通过DC中间电路对矿用车辆的电动马达供应能量。同时，也可将能量从矿场的电网供应给矿用车辆，这就意味着，辅助能源用作附加能量供应者。通过直接电流电路，即DC中间电路，矿场的电网是矿用车辆的主要能源。交流电马达节能，并且它们的适应性好。此外，借助于整流器、DC中间电路和逆变器，该系统几乎仅采用有效输出功率来给电网加载，与这种布置不存在的情况相比，减少了供应电网的负载。通过逆变器连接到DC中间电路的三相马达对供应网络的相位序列不敏感，因而无需单独的相位序列控制或其改变。此外，能够消除供应电网的频率或其变化对矿用车辆的影响。当采用本解决方案时，还能够减轻因矿场的电网的过电压或欠电压所引起的矿用车辆的电力系统问题。通过连接到中间电路的辅助能源，能够使来自矿用车辆的马达的功率平稳化。因此，在提出的解决方案中，辅助能源使由矿用车辆对电网引起的负载变化变得平稳。以这种方式，在峰值负载情况下，从电网获取的电流能够保持低于以前，因而矿用车辆的有效负载减少。另外，不必针对矿用车辆的峰值功率来对矿用车辆的供电线缆限定规格。在任何情况下，矿场的电网的峰值功率和空载功率的规模会因此而减少。
一个实施例的理念是，使得可控整流器适于将至少两个不同电网的电压电平转换成与DC中间电路中的相同。另外，可以在至少两个不同电压的电网中，在矿用车辆内使用类似的交流电马达，而无需在矿用车辆中的分离的机电逆变器，以用以将电网的电压转换成适合于矿用车辆。
附图说明
在下列附图中，将更详细地描述本发明的一些实施例，其中
图1是矿用车辆在此情况下为钻岩机的示意侧视图，以及
图2是矿用车辆的能量供应布置的图示。
在附图中，为了清晰起见，本发明的一些实施例简化地示出。在附图中，采用相同的参考标记来标注类似的零件。
具体实施方式
图1示出钻岩机，该钻岩机是装备有一个或多个矿用工作装置2的矿用车辆1的一个实例。钻岩机包括车架3，该车架可借助于驱动设备4移动。驱动设备4包括一个或多个驱动马达5，以及一个或多个功率传输装置6，所述一个或多个功率传输装置用于将驱动功率输送至一个或多个车轮7。驱动功率传输装置可包括机械齿轮系统和机械功率传输构件，或可替代地，驱动功率传输装置可以是液压的或电动的。在车架3上可布置有一个或多个悬臂8，并且悬臂可装备有矿用工作装置2。在图1中所示的实施例中，第一悬臂8a是凿钻悬臂，在该悬臂的最外端处，存在岩钻单元9，该岩钻单元9包括进给梁10，钻岩机器11可借助进给装置12沿着该进给梁移动。钻岩机器11可包括：冲击装置13，其用于在工具上产生冲击脉冲；以及旋转装置15，其用于使工具14绕其纵向轴线旋转。在钻岩机中可能存在几个这样的凿钻悬臂8a。以举例的方式，示出了第二悬臂8b，其包括锚杆安装机16，借助该锚杆安装机可将岩栓布置到预先钻好的钻孔中用以支撑已挖的岩洞。在图1的实施例中，第三悬臂8c装备有用于测量已钻好的钻孔的测量装置17。其它替代的矿用工作装置2包括在将密封材料供给至岩石中所使用的灌注装置、喷射混凝土处理装置、剥落设备、在小装药量挖掘中使用的装置、以及用于供给炸药的装置。
根据矿场18挖掘计划或按照事先拟订的相应的计划让矿用车辆1驶入工作地点19，在工作地点，矿用工作装置2根据工作循环执行操作，工作循环的执行将花费相对较长的时间。例如，钻岩机器的工作循环可包括在工作地点19处钻几个钻孔，所述钻孔在凿钻计划中限定。此外，每个钻孔的凿钻过程通常由几个工作阶段组成，所述工作阶段诸如打眼、实际凿钻、更换伸长杆和钻头、以及在凿钻之后拆卸伸长杆设备。在工作地点19处执行凿钻工作循环可能会花费若干小时，有时甚至是一整个工作班次。相应地，装药、锚杆安装、测量和灌注通常是相当费时的操作。通常地，矿用工作装置2的使用不得不涉及凿钻钻孔或进一步处理已完工的孔。因此，这就意味着需要处理未分离的岩石。
图1进一步示出矿场18，该矿场具有电网20，该电网可以是固定的构造，或者它可由可调整的网络组成。电网20通常为三相交流网络。当矿用车辆1在工作地点19时，其矿用工作装置2、液压系统和任何必要的辅助系统主要通过从外部电网所获得的电能驱动。可使用一条或多条线缆21将矿用车辆1连接到电网20。连接线缆21可布置在卷轴22上，并且可配备适当的连接器23，该连接器可连接到电网20的供应终端。可替代地，卷轴22和电缆21可布置在矿场18中，并且连接电缆21连接到矿用车辆1上。矿用车辆1装备有连接装置25，从电网20所供应的电通过该连接装置连接到矿用车辆1的不同的装置。连接装置25的结构和操作结合图2详细地描述。
矿用车辆1也装备有至少一个辅助能源26a、26b。辅助能源26a、26b可以是电池、超级电容器、燃料电池、或柴油马达，或者其它一些相应的辅助能源。
连接装置25具有整流器27，将来自电网20的电力供应线路连接到该整流器。整流器27可以是固定的或受脉冲比率控制。整流器27的直流部分连接到DC中间电路28，即直流电压中间电路。第一逆变器29a连接到DC中间电路28，用以将直流转换成交流，以及用以向第一交流电马达30a供应交流电。交流电马达30a优选地为三相电动马达。连接装置25也可以具有第二逆变器29b，该第二逆变器向第二交流电马达30b供电。例如，交流电马达30a可以驱动矿用工作装置2，并且例如，交流电马达30b可以驱动驱动设备4。
连接装置25还可以具有第三逆变器29c或更多的逆变器，以用以供应给辅助驱动器的至少一个交流电马达30c。水泵系统、空气压力压缩机系统、辅助液压系统，或者装置内系统的冷却系统31可连接到电动马达30c。
当使用连接到同一DC中间电路的几个逆变器时，可以任意地改变连接到逆变器的电动马达的供电电压。因此，任意地调节连接到逆变器的每个电动马达的旋转速率也是可能的。因此，可以存在多于两个的逆变器，这意味着也可以存在多于两个电动马达。该布置还具有控制单元32，该控制单元可根据需要布置在连接装置25内或在其外部。控制单元32用于控制连接装置25的各个单元的操作，所述各个单元诸如整流器27、逆变器29a、29b、以及辅助能源26a、26b。
辅助能源26a、26b也连接到DC中间电路28。辅助能源26a、26b可以是电池、超级电容、燃料电池、柴油马达、调速轮、或者其它一些相应的辅助能源。例如，柴油马达可驱动产生电流的交流发电机。如果辅助能源26a、26b产生交流电，则其通过整流器连接到DC中间电路28。
辅助能源26a、26b也可直接连接到DC中间电路28，但优选地采用至少一个DC/DC转换器33a、33b将辅助能源26a、26b连接到DC中间电路28。DC/DC转换器使辅助能源26a、26b的电压电平适合于DC中间电路28。此外，DC/DC转换器33a、33b管理辅助能源的能量释放和辅助能源26的充电。通过DC/DC转换器33a、33b，可以使得完全不同的辅助能源26适应于该装置的中间电路28。因此，易于改变辅助能源26a、26b，或者存在并联的几个辅助能源，并且DC/DC转换器33a、33b确保它们适于DC中间电路28。也可以存在几个DC/DC转换器33a、33b，并且当一个DC/DC转换器33a、33b失效时，装置可利用另一个DC/DC转换器驱动。图2的实施例示出两个关联的DC/DC转换器33a、33b和两个关联的辅助能源26a和26b。如果一个辅助能源26a、26b失效，则可停止其运行，并且能够利用处于较低功率电平的一个辅助能源继续进行操作。这可提高矿用车辆的可靠性，并且在发生故障期间，可将矿用车辆从道路上移出而不会对其它矿用运输造成任何风险。在这之后，可在更安全的地方进行维护工作。当然，可以并联地连接多于两个的DC/DC转换器和/或辅助能源。
矿场的电网20是矿用车辆的主要能源。当矿用车辆1需要较高功率时，可从辅助能源26a、26b对矿用车辆供应额外的能量，以补充矿场的电网20的不足。例如，在全功率凿钻期间，可从辅助能源26a、26b获得额外的能量。在控制单元32内限定一定的限度值是可能的，之后，将辅助能源投入使用。借助于辅助能源26a、26b，从电网20获取的电功率可限制到一定的水平。此外，能够将辅助能源投入使用，用以使装载车或运输车在达到它们的最大能量消耗水平时（即，例如当它们在重载爬坡时）的峰值被平稳化。
系统测量在电动马达中所使用的电流，并因此调整由辅助能源26a、26b所产生的对DC中间电路供应的电功率。联合使用辅助能源26a、26b和电网20的一个理念是，确保电网20的电压不会过载而降低到电网电压的极限设置值之下，诸如在标称电压之下5%。以这种方式，可以避免电网20中的电压变化。
图2还用虚线示出了变压器34。变压器34可用于将电网20电压电平转换成适应矿用车辆的电气系统。然而，如果使得整流器27适于将至少两个不同电网的电压电平转换成与DC中间电路28中的相同，则不需要变压器34。例如，产生两个电压电平的电力变压器可借助于栅导通闸流晶体管来实现。由这种类型的整流器所产生的直流电压可通过改变闸流晶体管的导通角来改变。
也可以如下方式使用本设备：即使电网20不可用，通过使用从辅助能源26获得的能量，也能够以短时间进行凿钻或其它工作。此外，电网20可用来使矿用车辆运行，当连接电网线缆时，并且当未使用电网时，辅助能源26可用于使车辆运行。代替连接线缆21和卷轴22，矿用车辆1能够以如下方式连接到电网20：例如，电网是母线系统，矿用车辆1通过集电器连接到该母线系统。
能够以如下方式控制该系统：例如，最多从电网20上获取某一限定的最大功率，并且当超过该限度值时，则所需功率的剩余部分从辅助能源26获取。在这种情况下，通常对从辅助能源获取的功率进行调整。此外，在必要时，可以从辅助能源获取所有可用的功率，并且从而调整以替代从电网20获取的功率，或者如果电网因某种原因而不可用，则可以从辅助能源获取所有需要的功率。
由矿用车辆1所获取的功率可通过测量逆变器29a至29c的功率消耗来确定。因此，可以执行输出限制功能，其中当逆变器29a至29c的组合功率超过一定的限度值时，由一个或多个矿用工作装置2所获得的功率受到限制。
控制单元可包括软件产品，安置该软件产品在控制单元32中的执行，以便提供本说明中所提出的动作中的至少一些。可从存储器或存储介质中将该软件产品加载到控制单元中，所述存储器或存储介质诸如记忆棒、存储盘、硬盘、信息网络服务器等，并且该软件产品在控制单元计算机等的处理器内的执行产生本说明书中所描述的在矿用车辆的能量供应中的各动作。
在本说明书中所描述的方案也可在挖掘隧道时使用。隧道以炮眼组（round）方式挖掘。工作地点是对钻孔进行凿钻并装药的隧道面。在对炮眼组进行爆炸之前，将钻岩机从该面移到安全点。在爆破之后以及在清除爆破的岩石之后，将钻岩机从安全点驱动回到隧道面以凿钻另一个炮眼组。隧道以炮眼组方式挖掘，这意味着新的凿钻地点（即，新的工作地点）位于与先前凿钻地点（即，先前工作地点）相距对应的炮眼长度的距离处。因此，转移驱动是指从先前工作地点经由安全点到下一个工作地点。
应提及的是，在本说明书中，矿场是指地下矿场和露天矿场。此外，方法和矿用车辆可用于承包工作地点，诸如当挖掘不同的岩石设施时。因此，合约工作地点也可被视为一种类型的矿场。在合约工作地点，可对外部电网进行变更，诸如在可移动车架上的机组。
在一些情况下，在本说明书中所描述的特征可以原样使用，而不管其它特征。另一方面，必要时，也可以对本说明书中所描述的特征进行组合用以提供各种组合形式。
附图和相关的描述仅仅旨在阐明本发明的里理念。在权利要求的保护范围内，本发明的细节可以变化。

Claims (9)

1.一种矿用车辆，具有：
车架(3)；
驱动设备(4)，所述驱动设备用于移动所述车架(3)；
至少一个矿用工作装置(2)，所述至少一个矿用工作装置(2)是下列之一：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置；
交流电马达(30a,30b,30c)；
连接装置，用于从矿场的电网(20)向其供电；
DC中间电路(28)，使用整流器(27)从所述矿场的所述电网(20)向所述DC中间电路供应电力；
逆变器(29a,29b,29c)，所述逆变器用于对交流电马达(30a,30b,30c)供应所述DC中间电路(28)的电能；以及
辅助能源(26a,26b)，所述辅助能源连接到所述DC中间电路(28)，
所述矿用车辆的特征在于，所述矿用车辆具有DC/DC转换器(33a,33b)，所述DC/DC转换器在所述辅助能源(26a,26b)和DC中间电路(28)之间，用于使所述辅助能源(26a,26b)的电压电平适于所述DC中间电路(28)、以及用于连接辅助能源(26a,26b)以便通过所述DC中间电路(28)向所述矿用车辆的所述交流电马达供应能量，由此，具有不同特性的辅助能源(26a,26b)可连接到所述矿用车辆，
当所述矿用车辆(1)的能量需求超过一定的限度时，连接所述辅助能源(26a,26b)以便通过所述DC中间电路(28)向所述矿用车辆(1)的所述交流电马达(30a,30b,30c)供应能量，而所述矿用车辆(1)同时还从所述矿场的所述电网(20)接收能量。
2.如权利要求1所述的矿用车辆，其特征在于，所述的矿用车辆具有至少并联的两个DC/DC转换器(33a,33b)。
3.如权利要求1或2所述的矿用车辆，其特征在于，所述的矿用车辆具有至少两个辅助能源(26a,26b)，所述两个辅助能源并联到所述DC中间电路(28)。
4.如权利要求1或2所述的矿用车辆，其特征在于，所述辅助能源(26a,26b)是电池。
5.如权利要求1或2所述的矿用车辆，其特征在于，使得所述矿用车辆(1)的所述整流器(27)适于将所述矿场的至少两个不同电压的电网(20)的供应电压转换成与所述DC中间电路(28)中的相同。
6.如权利要求1或2所述的矿用车辆，其特征在于，所述矿用车辆是钻岩机。
7.一种用于矿用车辆(1)的能量供应的方法，所述矿用车辆(1)具有：车架(3)、用于移动所述车架(3)的驱动设备(4)、至少一个矿用工作装置(2)，所述至少一个矿用工作装置(2)是下列之一：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置；以及至少一个交流电马达(30a、30b、30c)，通过整流器(27)、DC中间电路(28)和逆变器(29a,29b,29c)来从矿场的电网(20)向所述至少一个交流电马达供应，所述方法的特征在于，借助于DC/DC转换器(33a,33b)，使得辅助能源(26a,26b)的电压电平适于所述DC中间电路(28)，并且使得所述辅助能源(26a,26b)适于通过所述DC中间电路(28)向所述矿用车辆的所述交流电马达供应能量，由此，可将不同特性的辅助能源(26a,26b)连接到所述矿用车辆,当所述矿用车辆(1)的能量需求超过一定的限度时，可从所述矿场的所述电网(20)以及从所述辅助能源(26a,26b)同时向所述矿用车辆(1)供应能量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使得所述矿用车辆(1)的所述整流器(27)适于将所述矿场的至少两个不同电压的电网(20)的供应电压转换成与所述DC中间电路(28)中的相同。
9.一种矿用车辆，具有：车架(3)；驱动设备(4)，所述驱动设备用于移动所述车架(3)；至少一个矿用工作装置(2)，所述至少一个矿用工作装置(2)是下列之一：钻岩机器、锚杆安装机、喷射混凝土装置、剥落装置、灌注装置、炮眼装药器、测量装置；交流电马达(30a,30b,30c)；连接装置，所述连接装置用于从矿场的电网(20)向其供电；DC中间电路(28)，使用整流器(27)从所述矿场的所述电网(20)向所述DC中间电路(28)供应电力；逆变器(29a,29b,29c)，所述逆变器用于向交流电马达(30a,30b,30c)供应所述DC中间电路(28)的电能；以及辅助能源(26a,26b)，所述辅助能源连接到DC中间电路(28)，所述矿用车辆的特征在于，当所述矿用车辆(1)的能量需求超过一定的限度时，连接所述辅助能源(26a,26b)，以便通过所述DC中间电路(28)向所述矿用车辆(1)的所述交流电马达(30a,30b,30c)供应能量，而所述矿用车辆(1)同时还从所述矿场的所述电网(20)接收能量。
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