CN102957377A

CN102957377A - 用于缆系采矿车的dc拖曳电缆系统

Info

Publication number: CN102957377A
Application number: CN2012102908290A
Authority: CN
Inventors: B·W·波斯玛
Original assignee: Saminco Inc
Current assignee: Saminco Inc
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2013-03-06
Also published as: AU2012211461A1; AU2011250865A1; US20130043722A1; ZA201206014B

Abstract

公开了一种用于缆系机器的DC拖曳电缆系统。DC拖曳电缆系统可包含电力中心，其被配置为提供具有受控电压值的DC电力。另外，DC拖曳电缆系统可包含缆系机器，其包含一个或多于一个的逆变器以及一个或多于一个的电动机，其中，所述一个或多于一个的逆变器至少部分地从电力中心经由两芯拖曳电缆被供以DC电力，且其中，所述一个或多于一个的逆变器被连接到所述一个或多于一个的电动机。

Description

用于缆系采矿车的DC拖曳电缆系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月15日提交的美国临时申请No.61/573,037的优先权，其并入此处作为参考。

技术领域

本公开涉及缆系（tethered）电动车以及其他的移动机械，特别涉及用于这样的缆系电动车以及移动机械的方法和系统：其一般用在例如地上以及地下采矿中。

背景技术

电动车和其他的移动机械常常经由电缆从外部电源接收电力。这种缆系电动车以及机器通常由三相AC电力供电。这种三相AC电力系统中的缆系电动车以及机器典型地经由具有直到200米的长度的三芯或四芯电缆连接到AC电源。

图1示出了用于缆系摆渡车（shuttle car）3的三相拖曳电缆（trailing cable）系统的一个实例。如图1所示，三相AC拖曳电缆系统可包含四个AC感应电动机，例如：两个变频驱动AC牵引电动机9a、9b；固定速度AC输送机电动机13；固定速度AC泵电动机12。另外，三相AC拖曳电缆系统可包含例如：电力中心1，其包含1,100V AC次级变压器；三芯AC拖曳电缆2；EMC滤波器5；两组三相电感器6a、6b；两个有源前端（AFE）整流器7a、7b；两组DC链路电容器14a、14b；以及，两个可变频率牵引逆变器8a、8b。固定速度AC泵电动机12可借助泵接触器10开启以及关闭，输送机电动机13可受到输送机接触器11的控制。在满功率时，例如，对于20吨的摆渡车，可变频率驱动器（VFD）部件5、6a、6b、7a、7b、 8a、8b、泵接触器10以及输送机接触器11可产生大约10kW的热，该热量必须借助热交换器15从防爆（XP）外壳移除。

三芯和四芯电缆——例如图1所示的示例性三相AC拖曳电缆系统所需要的——常常沉重、不易控制，并且易受过热和频发损坏的影响。另外，这些电缆在损坏时可能花费较长时间来修理。另外，当这些电缆用于地下采煤时，某些国家或地区禁止地下损坏电缆的修理，要求从车辆移除整条电缆并在地上修理。这些问题能够导致电动车和其他移动机械以长的时间段停止工作。

另外，在图1所示的布置中，三相电感器、AFE整流器以及DC/AC牵引逆变器可能产生量相对较大的热。为了防止热损坏，这种热的大部分必须由容纳这些装置的外壳耗散。然而，在某些情况下，产生了太多的热，这导致有必要使工人以规则的间隔对外壳手动进行冷却以避免过热（例如，用来自水管的水来冷却外壳）。另外，多种元件——例如泵、输送机以及较大的AC电动机——不能通过允许可变速度控制的已有控制系统来控制，因为这样的控制系统产生太多的热，并且对于AC拖曳电缆系统占据太大的空间。

希望提出对缆系电动机械系统的改进，例如这样的缆系电动机械系统：其使用较少的铜，被损坏的可能性较低，受到热的影响较小，能够在地下迅速修理，使用较长的电缆长度，使用较低成本的替换电缆，使用产生较少热、提供多种元件的可变速度控制和/或提供能量消耗节省的机载控制系统。

发明内容

在一个所公开的实施例中，公开了一种DC拖曳电缆系统。DC拖曳电缆系统包含电力中心，其被配置为提供具有受控电压值的DC电力。另外，DC拖曳电缆系统包含缆系机器，其包含一个或多于一个的逆变器以及一个或多于一个的电动机，其中，所述一个或多于一个的逆变器至少部分地经由两芯拖曳电缆从电力中心被供以DC电力，且其中，所述一个或多于一个的逆变器被连接到所述一个或多于一个的电动机。

在另一个所公开的实施例中，公开了一种机器。该机器包含一个或多于一个的电动机以及一个或多于一个的逆变器。所述一个或多于一个的逆变器至少部分地经由两芯拖曳电缆从电力中心被供以具有受控电压值的DC电力。另外，所述一个或多于一个的逆变器被连接到所述一个或多于一个的电动机。

在另一个所公开的实施例中，公开了一种电力中心。电力中心包含：一个或多于一个的整流器；残余电流接地故障检测系统；以及，DC电力输出，其被配置为提供具有受控电压值的DC电力，并进一步被配置为连接到两芯拖曳电缆。

与实施例有关的另外的实施形态将会部分地在下面的介绍中给出，并将部分地由说明书明了，或者可通过对本发明的实践习得。

将会明了，上面的一般介绍以及下面的详细介绍仅仅是示例性和阐释性的，不对所要求专利权的发明的范围进行限制。

附图说明

图1示出了用于具有AC感应电动机的缆系摆渡车的示例性AC拖曳电缆系统；

图2示出了AC和DC拖曳电缆中的波形的示例性比较；

图3示出了用于具有AC感应电动机的缆系摆渡车的示例性DC拖曳电缆系统；

图4示出了安装在电力中心中的DC电力供给系统的示例性实施例。

具体实施方式

现在将详细介绍示例性实施例，其实例在附图中示出。只要有可能，贯穿附图将使用同样的参考标号来表示相同或类似的部件。

公开了用于实现DC缆系电缆系统以便向电动车以及其他机械提供电力的多种实施例。这种DC缆系电缆系统可向控制机载AC感应电动机的 DC/AC逆变器提供DC电力，该机载AC感应电动机用于例如推进、液压泵以及刀头应用。DC/AC逆变器可容纳在安装在车辆或其它机器之上或之内的适合的外壳中，包括防爆（XP）外壳。另外，这种DC缆系电缆系统可使用两芯电缆而不是三芯或四芯电缆来向车辆或其它机器传送DC电力。

图3示出了用于缆系摆渡车30的示例性DC拖曳电缆系统。在某些实施例中，示例性DC拖曳电缆系统包含电力中心，其容纳：变压器21；隔离接触器22；初级EMC滤波器24；线路电抗器25；有源前端整流器26；DC链路电容器27；接地故障检测器28，其在DC拖曳电缆29或摆渡车30中出现接地故障时经由接触器22中断AC供电。在某些实施例中，变压器21输出1,100V AC，电力中心20输出1,500VDC。然而，变压器21可被配置为输出其他的AC电压，电力中心20可被配置为输出其他的DC电压。

图4示出了电力中心20的另一实施例。在图4所示的实施例中，DC电源可包含连接到电力变压器21的无源整流器40以及能量吸收电阻器42和过电压检测IGBT开关41。如果发生100mA DC或更大的电流不平衡，残余电流接地故障检测系统28可跳闸，其指示接地故障。响应于接地故障检测系统28的跳闸，来自整流器的电力可经由AC接触器22被移除。接地电阻器43在到地的金属性故障（bolted fault）的情况下限制接地故障电流。

回到图3所示的DC拖曳电缆系统，在某些实施例中，1,500V DC从电力中心20经由两芯拖曳电缆29被供到摆渡车30。然而，在替代性实施例中，多种其他的DC电压等级可由电力中心20供到摆渡车30。在某些实施例中，摆渡车所接收的DC电力经过次级EMC滤波器31。然而，在某些实施例中，次级EMC滤波器31可被省略。在某些实施例中，从电力中心接收的DC电力直接或间接地供到对AC牵引电动机36a、36b进行控制的DC/AC牵引逆变器32a、32b。另外，在某些实施例中，从电力中心接收的DC电力直接或间接供到对AC泵电动机37进行控制的DC/AC泵逆变器33。另外，在某些实施例中，从电力中心接收的DC电力直接或间接到控制AC输送机电动机38的DC/AC输送机电动机逆变器34。在某些实施例中，摆渡车30可被配置为代替AC电动机中的一个或多于一个地使用一个或多于一个的永磁电动机、开关磁阻电动机或DC电动机。另外，在某些实施例中，从电力中心接收的DC电力直接或间接供到可输出24VDC的DC/DC电源35。视情况可选的24V DC热交换器39可被装配为移除由逆变器产生的热。在某些实施例中，这样的热交换器仅仅用于重负载应用，例如用于额定值大于20吨的摆渡车。

使用所公开的实施例，可在AC拖曳电缆系统中产生的热的多至60%可被移动到电力中心，其具有足够的空间以允许充分的冷却。另外，相对较大的部件——例如初级EMC滤波器、线路电抗器、有源前端滤波器以及初级DC链路电容器可被放置在电力中心而不是摆渡车的有限空间之中，由此允许摆渡车中用于逆变器的空间，这些逆变器用于输送机电动机38和泵电动机37，这允许输送机电动机38和泵电动机37的可变速度运行。

图2示出了三相AC拖曳电缆系统和DC拖曳电缆系统的示例性比较波形。在具有车载整流器的AC电缆系统中，三个导体中的各个对于周期中的120度没有电流流动，导致具有可观的量的寄生纹波电流的电流波形，其对于最终导致有用的电动机转矩的、来自电源的能量传送没有贡献。相反，DC拖曳电缆系统连续传送电能，具有极小的寄生纹波电流。电流的这种不同导致与这样的波形因子相关联的DC拖曳电缆系统：其与AC拖曳电缆系统相比相对较低（例如，如图2所示，DC拖曳电缆系统可与1.03的波形因子相关联，而AC拖曳电缆系统可与1.46的波形因子相关联）。低的波形因子典型地与更好的电动机性能以及更小的发热相关联。另外，DC拖曳电缆通常以扁平的构造制造，这与AC拖曳电缆的圆形构造形成对比，产生到环境的更好的热传递。因此，对于摆渡车上需要的同样的量的电力，DC拖曳电缆需要的铜与AC拖曳电缆相比小了高达50%。

考虑说明书并由对这里所公开的本发明的实践，本领域技术人员将会明了本发明的其他实施例。说明书和实例仅仅被看作示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求指示。

附图标记列表

图1用于缆系摆渡车的AC拖曳电缆系统

1：具有1,100VAC变压器的电力中心

2：三芯AC拖曳电缆

3：摆渡车

5：EMC滤波器

6a、6b：三相电感器

7a、7b：有源前端整流器（AFE）

8a、8b：DC/AC牵引逆变器

9a、9b：AC牵引电动机

10：泵接触器

11：输送机电动机接触器

12：泵电动机

13：输送机电动机

14a、14b：DC链路电容器

15：热交换器

图2DC VS AC拖曳电缆电流波形

图3用于缆系摆渡车的DC拖曳电缆系统

20：用于DC拖曳电缆系统的电力中心

21：1,100VAC变压器

22：AC接触器

24：初级EMC滤波器

25：线路电抗器

26：有源前端整流器

27：DC链路电容器

38：接地故障检测系统

29：额定值1,500VDC的两芯DC拖曳电缆

30：摆渡车

31：1500VDC次级EMC滤波器

32a、32b：DC/AC牵引逆变器

33：泵逆变器

34：输送机电动机逆变器

35：1500V/24V隔离电源

36a、36b：AC牵引电动机

37：AC泵电动机

38：AC输送机电动机

39：热交换器

图4用于缆系摆渡车的DC拖曳电缆系统

20：用于DC拖曳电缆系统的电力中心

21：1,100VDC变压器

22：AC接触器

28：接地故障检测系统

29：额定值1,500VDC的两芯DC拖曳电缆

40：无源3相整流器

41：过电压IGBT

42：BR-制动电阻器

43：接地电阻器

Claims

1.一种DC拖曳电缆系统，包含：

电力中心，其被配置为提供具有受控电压值的DC电力；以及

缆系机器，其包含一个或多于一个的逆变器以及一个或多于一个的电动机；

其中，所述一个或多于一个的逆变器至少部分地从电力中心经由两芯拖曳电缆被供以DC电力，且

其中，所述一个或多于一个的逆变器被连接到所述一个或多于一个的电动机。

2.根据权利要求1的系统，其中，所述一个或多于一个的电动机为一个或多于一个的AC感应电动机。

3.根据权利要求1的系统，其中，所述一个或多于一个的电动机为一个或多于一个的永磁电动机、开关磁阻电动机或DC电动机。

4.根据权利要求1的系统，其中，电力中心还包含：一个或多于一个的整流器；以及，残余电流接地故障检测系统。

5.根据权利要求1的系统，其中，所述机器为车辆。

6.根据权利要求1的系统，其中，所述电压值为1500V DC或大约1500V DC。

7.一种机器，包含：

一个或多于一个的电动机，以及

一个或多于一个的逆变器，

其中，所述一个或多于一个的逆变器至少部分地从电力中心经由两芯拖曳电缆被供以具有受控电压值的DC电力，且

8.根据权利要求7的机器，其中，所述一个或多于一个的电动机为一个或多于一个的AC感应电动机。

9.根据权利要求7的机器，其中，所述一个或多于一个的电动机为一个或多于一个的永磁电动机、开关磁阻电动机或DC电动机。

10.根据权利要求7的机器，其中，所述机器为车辆。

11.根据权利要求7的系统，其中，所述电压值为1500V DC或大约1500V DC。

12.一种电力中心，包含：

一个或多于一个的整流器；

残余电流接地故障检测系统；以及

DC电力输出，其被配置为提供具有受控电压值的DC电力，并被进一步配置为连接到两芯拖曳电缆。

13.根据权利要求12的电力中心，其中，所述电压值为1500V DC或大约1500V DC。