CN103825359B - 工作机 - Google Patents

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Abstract

一种工作机，包括：内燃机（101）；在内燃机和工作机的一个或多个致动器（109）之间的机电动力传送链（102）；电连接器系统（103），用于连接到外部电力网（110）；以及电子功率变换器（104），用于将电能从机电动力传送链传递到外部电力网以及从外部电力网传递到机电动力传送链。工作机能够被用作辅助发电设备以用于提高电源的可靠性和容量。在另一方面，在电力网的容量足够并且在使用电力网比使用内燃机更成本有效时，工作机能够仅通过外部电力网给予能量。

Description

工作机
技术领域
本发明涉及一种包括机电动力传送链的工作机。此外，本发明涉及一种提高连接到电力网的设备所需要的电源的可靠性和容量的方法。
背景技术
工作机的机电动力传送链通常包括一个或多个电机和一个或多个电子功率变换器。机电动力传送链可以是串行传输链，其中电机之一作为发电机操作且一个或多个电子功率变换器被布置成将由发电机产生的电压变换成具有适合于一个或多个其它电机的幅度和频率的电压。发电机能够由内燃机驱动，内燃机能够例如是柴油发动机、奥托循环（Otto-cycle）发动机或涡轮发动机。其它电机可以例如是布置成驱动工作机的轮子、链轨或其它致动器的电马达。还可能的是，机电动力传送链是并行传输链，其中机械地连接到内燃机的电机有时作为对一个或多个能量存储器充电的发电机操作且有时作为从一个或多个能量存储器接收电能并在需要高的机械输出功率时辅助内燃机的马达操作。例如，工作机能够是具有轮子和/或链轨的可移动工作机。例如，可移动工作机能够是牵引机、铲斗加料机、压路机、挖掘机或推土机。还可能的是，工作机例如是不必设有用于移动工作机的装置的碎石机或木材切削机。
机电动力传送链与传统的机械动力传送链相比提供了优点，因为例如从内燃机的操作效率的观点来看，能够更自由地选择内燃机的旋转速度，并且因此能够实现燃料成本的节省。然而，仍需要减少上述种类的工作机的操作成本。
发明内容
下面给出简要概述以提供各种发明实施方式的某些方面的基本理解。该概述不是本发明的全面综述。它并不用于标识本发明的关键或必需元素也不描述本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现出本发明的某些概念作为本发明示例性实施方式的更详细描述的前序。
根据本发明的第一方面，提供了一种新的工作机，其能够例如但不必为牵引机、铲斗加料机、压路机、挖掘机、推土机、碎石机或木材切削机。根据本发明的工作机包括：
内燃机，
在内燃机和工作机的一个或多个致动器之间的机电动力传送链，
电连接器系统，用于连接到外部电力网，以及
电子功率变换器，用于将电能从机电动力传送链传递到外部电力网以及从外部电力网传递到机电动力传送链。
在电力网的容量足够并且在使用电力网比使用内燃机更成本有效时，上述工作机可仅通过外部电力网给予能量。另一方面，工作机能够被用作用于提高连接到电力网的诸如例如电马达和灯的其它设备所需的电源的可靠性和/或容量的辅助发电设备。而且，工作机能够设置有控制器，该控制器被配置成响应于从外部电力网得到的有功功率超出第一预定限度的情形而启动内燃机且响应于从外部电力网得到的有功功率低于第二预定限度的情形而停止内燃机。例如，在指示允许从电力网得到的最大功率的第一预定限度被定义的情况下，在外部电力网的拥有者和工作机的拥有者之间能够存在服务水平协议“SLA”。而且，工作机能够设置有控制装备使得工作机能够用作无功功率补偿器。
工作机可包括用于驱动工作机的某些致动器，比如，铲斗加料机的桶，的液压系统。在该情形中，工作机优选地包括被布置以冷却液压系统和机电动力传送链两者的液体冷却系统。
本发明的多个非限制性示例性实施方式在权利要求书中描述。
本发明的关于构造和操作方法的各种非限制性示例性实施方式连同其另外的目的和优点将在结合附图阅读时从以下具体示例性实施方式的描述得到更好地理解。
在本文件中使用动词“包括”和“包含”作为既不排除也不需要未列举的特征的存在的开放限定。在所附权利要求中列举的特征相互自由地可组合，除非另外明确陈述。
附图说明
下面从示例的意义且参考附图更详细地解释本发明的示例性实施方式及其优点，在附图中：
图1显示了根据本发明的示例性实施方式的工作机的供电系统的示意图，
图2显示了根据本发明的示例性实施方式的工作机的供电系统的示意图，
图3显示了根据本发明的示例性实施方式的用于提高连接到电力网的设备所需要的电源的可靠性和容量的方法的流程图，以及
图4显示了根据本发明的示例性实施方式的工作机的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性实施方式的工作机的供电系统的示意图。供电系统包括内燃机101，可例如是柴油发动机、奥托循环发动机或涡轮发动机。供电系统包括在内燃机101和工作机的一个或多个致动器109之间的机电动力传送链102。致动器109能够例如是木材切削机的轮子、链轨、液压泵、刀具或工作机的一些其它致动器。供电系统包括用于连接到外部电力网110的电连接器系统103和用于将电能从机电动力传送链102传递到外部电力网110并从外部电力网传递到机电动力传送链的电子功率变换器104。在图1中图示的示例性情形中，电子功率变换器104经由滤波电路123连接到外部电力网110。如图1所示，机电动力传送链102包括利用内燃机101驱动的发电机111、连接到致动器109的电马达112、连接到发电机111的定子绕组的电子功率变换器113、连接到电马达112的定子绕组的电子功率变换器114和连接到电子功率变换器113和114以及还连接到电子功率变换器104的直流电路115。在图1所示的示例性情形中，直流电路115为电容式中间电路。在某些其它情形中，直流电路可以是感应式中间电路。机电动力传送链102包括控制器116，用来控制电子功率变换器113，以至少部分地基于电压UDC与其基准水平Ref_UDC的偏差来调节电容式中间电路的电压UDC。
在图1显示的示例性情形中，假定内燃机101根据旋转速度基准Ref_Speed操作。机电动力传送链102包括旋转速度和/或位置指示器117和用于基于旋转速度基准Ref_Speed和指示器117的输出信号控制内燃机101的操作的控制器106。为了提高发电机111的定子电压的控制精度，指示器117的输出信号也能够在电子功率变换器113的控制中由控制器116利用。在示例性情形中，致动器109假定根据转矩基准Ref_torq而被驱动且致动器109的旋转速度根据旋转部件的负载转矩和惯性矩而被确定。机电动力传送链包括用于基于转矩基准Ref_torq控制电子功率变换器114和电马达112的操作的控制器118。为了提高电马达112的转矩控制精度，机电动力传送链能够设置有旋转速度和/或位置指示器119，其输出信号被利用在电马达112的转矩控制中。致动器109也可以根据旋转速度基准而被驱动。内燃机101的旋转速度基准Ref_Speed能够被设置成依赖于由内燃机根据预定规则，例如使得内燃机101的效率在内燃机的每次输出功率下最优，所需要产生的输出功率。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，控制器106被配置成响应于从电力网110得到的有功功率超出第一预定限度的情形而启动内燃机101并且响应于从电力网得到的有功功率低于第二预定限度的情形而停止内燃机。第二预定限度优选地低于第一预定限度。根据本发明的示例性实施方式的工作机包括用于测量经由电连接器系统103传递到电力网110或从电力网110传递的有功功率的测量仪器108。根据本发明的另一示例性实施方式的工作机包括用于从外部测量仪器接收指示有功功率的数据的数据接口。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，电连接器系统103能够同时连接到外部电力网和外部负载124。外部负载能够包括例如经由电连接器系统103连接到电力网110的电马达和灯。电连接器系统103有利地能够将工作机仅连接到外部负载。在该情形中，工作机构成用于外部负载的孤岛电网。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，测量仪器108被配置成测量经由电连接器系统103传递到电力网110或从电力网110传递的电能。测量仪器108还能够被配置成测量经由电连接器系统103传递到外部负载124的电能。传递能量的测量值能够被例如利用于在工作机的拥有者和电力网110的拥有者和/或代表外部负载124的设备的拥有者之间计价。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，电子功率变换器104被配置成基于指示无功功率的目标值的输出信号来控制由电子功率变换器104消耗或供应的无功功率，即，工作机能够作为无功功率补偿器来操作。在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，测量仪器108被配置成测量经由电连接器系统103传递到外部负载124或从外部负载124传递的无功功率并基于测量的无功功率和从电力网110得到或供应到电力网110的无功功率的期望值来产生上述控制信号。在很多情形中，从电力网得到或供应到电力网的无功功率的期望值为零。根据本发明的另一示例性实施方式的工作机包括用于从外部设备接收指示由工作机供应或消耗的无功功率的目标值的控制信号的数据接口。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，变换器104被配置成逐渐地提高外部负载124的电压以作为外部负载的软启动器来操作。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，测量仪器108被配置成测量电连接器103的电流并在其电流超过预定电流限度时断开（open）合适的连接器。
包括图1图示的供电系统的上述工作机在电力网的容量足够且在其使用电力网比使用内燃机101更成本有效时能够仅由外部电力网110供给能量。另一方面，工作机能够被用作用于提高连接到电力网110的外部负载124所需的电源的可靠性和/或容量的辅助发电设备。在某些情形中，例如，在制动期间，电马达112可作为给直流电路115的电容充电的发电机来操作。在该情形中，变换器104优选地将制动能量供应到电力网110和/或外部负载124。机电动力传送链能够被设置有电池元件121和可控制的直流电压变换器122。除电池元件121之外或代替电池元件121，机电动力传送链能够被设置有电双层电容“EDLC”107，即，所谓的“超电容”。由电池元件和/或电双层电容存储的能量能够被设置成响应于超出内燃机101和/或电力网110的可用的最大功率的峰值功率需求。而且，机电动力传送链能够被设置有用于在不可能将制动能量供应到电池元件和/或电双层电容也不可能将制动能量供应到电力网110的情形中吸收制动能量的制动电阻120。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，控制器106被配置成响应于由机电动力传送链的电能存储部件所存储的能量低于第一预定限度的情形而启动内燃机101。在图1图示的示例性情形中，上述电能存储部件包括直流电路115（即电容式中间电路）、电池元件121和电双层电容“EDLC”107。在本发明的该示例性实施方式中，内燃机101被布置成能够在电能存储部件用于对不能够由电力网110满足的峰值功率需求做出响应时辅助电能存储部件。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，控制器106被配置成响应于机电动力传送链的上述电能存储部件存储的能量超出第二预定限度的情形而停止内燃机101。
图2示出了根据本发明的示例性实施方式的工作机的供电系统的示意图。供电系统包括内燃机201和在内燃机201和工作机的一个或多个致动器209之间的机电动力传送链202。供电系统包括用于连接到外部电力网210的电连接器系统203和用于将电能从机电动力传送链202传递到外部电力网210并从外部电力网传递到机电动力传送链的电子功率变换器204。在图2中图示的示例性情形中，电子功率变换器204经由滤波电路223连接到外部电力网210，且电连接器系统203能够同时连接到外部电力网210和外部负载224。外部负载能够包括例如经由电连接器系统203连接到电力网210的电马达和灯。
机电动力传送链202包括电机211、电池元件221、在电机211和电池元件221之间的电子功率变换器213和222以及连接到电子功率变换器222和213且还连接到电子功率变换器204的直流电路205，如图2所示。除电池元件221之外或代替电池元件221，机电动力传送链能够被设置有电双层电容“EDLC”。图2所示的机电动力传送链是一种并行传输链，在这种并行传输链中，电机221机械地连接到内燃机201并且连接到致动器209，如图2所示。电机221有时作为发电机操作，用于对电池元件221充电和/或经由电连接器系统203供应能量，并且电机211有时作为马达操作，用于从电力网210和/或从电池元件221接收电能并在需要高机械输出功率时辅助内燃机201。因此，在图2中图示的供电系统能够平滑内燃机201的载荷。而且，供电系统能够将制动能量存储到电池元件和将制动能量供应到电力网210。在图2图示的示例性情形中，直流电路205为电容式中间电路。供电系统包括控制器216来控制电子功率变换器222和/或电子功率变换器204，以至少部分地基于电压UDC与其基准水平Ref_UDC的偏差来调节电容式中间电路的电压UDC。
在图2所示的示例性情形中，致动器209被假定为根据转矩基准Ref_torq驱动且致动器的旋转速度根据旋转部件的负载转矩和惯性矩而被确定。转矩基准Ref_torq被功能块225和226分成两个分量T_Ref_Eng和T_Ref_EM，其中T_Ref_Eng是内燃机201的转矩基准，而T_Ref_EM是电机211的转矩基准。内燃机201的操作被利用控制器206基于T_Ref_Eng和旋转速度和/或位置指示器217的输出信号来控制。电子功率变换器213被假定包括用于基于T_Ref_EM和指示器217的输出信号来控制电子功率变换器213的操作的控制器。在图2图示的示例性情形中，转矩基准Ref_torq的分割能够以这样的方式实现，即在转矩基准Ref_torq在预定最小值Tmin和最大值Tmax之间时，T_Ref_EM=0，在Ref_torq>Tmax时，T_Ref_EM=Ref_torq–Tmax，并且在Ref_torq<Tmin时，T_Ref_EM=Ref_torq–Tmin。因此，当需要高转矩时，即Ref_torq>Tmax，T_Ref_EM是正的且因此电机211作为马达操作且辅助内燃机201，并且在仅需要低转矩时，即Ref_torq<Tmin，T_Ref_EM是负的且因此电机211作为发电机操作且对电池元件211充电和/或将能量供应到电力网210。转矩基准Ref_torq分割成T_Ref_Eng和T_Ref_EM优选地取决于旋转速度，因为内燃机201在低旋转速度下产生高转矩的能力有限。此外，转矩基准Ref_torq的分割有利地取决于电池元件221的充电状态和电力网210的可用的功率的上限。而且，转矩基准Ref_torq的分割能够取决于涉及内燃机201的能耗和涉及电力网210的能耗之间的差异。
图3显示了根据本发明的示例性实施方式的用于提高连接到电力网的设备所需的电源的可靠性和容量的方法的流程图。该方法包括以下动作：
动作301：利用变换器将设置有机电动力传送链的工作机连接到电力网，该变换器能够将电能从电力网传递到机电动力传送链/从机电动力传送链传递到电力网，
动作302：将工作机作为辅助发电设备来提高连接到电力网的设备所需的电源的可靠性和容量。
在本发明的示例性实施方式的方法中，工作机的内燃机响应于从电力网得到的有功功率超出第一预定限度的情形而被启动并且内燃机响应于从外部电力网得到的有功功率低于第二预定限度的情形而被停止。
在根据本发明的示例性实施方式的方法中，工作机的内燃机响应于由机电动力传送链的电能存储部件所存储的能量低于第一预定限度的情形而被启动。
图4显示了根据本发明的示例性实施方式的工作机460的示意图。在该示例性情形中，工作机为铲斗加料机，但是工作机也能够例如是牵引机、压路机、推土机、挖掘机、碎石机或木材切削机。工作机包括能够例如是柴油发动机、奥托循环发动机或涡轮发动机的内燃机401。工作机包括在内燃机401和工作机的轮子409、469之间的机电动力传送链402。机电动力传送链包括发电机，其转子连接到内燃机401的轴。机电动力传送链包括电子功率变换器421和位于轮子409、469的轮毂处的电马达420、422。电子功率变换器421被布置成将由发电机411产生的电压变换成具有适合于电马达420、422的幅度和频率的电压。工作机包括用于连接到外部电力网410的电连接器系统403和用于将电能从机电动力传送链402传递到外部电力网410以及从外部电力网传递到机电动力传送链的变换器404。在图4中图示的示例性情形中，电连接器系统403能够同时连接到外部电力网410和外部负载424。
根据本发明的示例性实施方式的工作机包括被布置成冷却机电动力传送链402的液体冷却系统466。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，液体冷却系统466被布置成冷却工作机的液压系统467和机电动力传送链402两者。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，液体冷却系统466被布置成冷却机电动力传送链402和内燃机401两者。
在根据本发明的示例性实施方式的工作机中，机电动力传送链402包括布置成响应于超出内燃机461和/或电力网410的可用的最大功率的峰值功率需求的电池和/或电容式能量存储器468。电池和/或电容式能量存储器能够借助于可控的直流电压变换器而被连接到电子功率变换器421。
在上面给出的说明中提供的具体示例不应被当作对权利要求的可应用性的限制和/或对权利要求的解释。

Claims (16)

1.一种工作机，包括：
内燃机(101、201、401)，以及
在所述内燃机和所述工作机的一个或多个致动器之间的机电动力传送链(102、202、402)，
特征在于所述工作机还包括：
电连接器系统(103、203、403)，所述电连接器系统用于将所述工作机连接到外部电力网，以及
电子功率变换器(104、204、404)，所述电子功率变换器用于把电能从所述机电动力传送链传递到所述外部电力网以及从所述外部电力网传递到所述机电动力传送链，
其中所述电子功率变换器被配置为：
在所述外部电力网的容量足够并且在使用所述外部电力网比使用所述内燃机更成本有效时，使得所述工作机能够仅被所述外部电力网给予能量，并且
使得所述工作机能够被用作辅助发电设备，用于提高连接到所述外部电力网的外部设备所需的电源的容量。
2.根据权利要求1所述的工作机，其中所述机电动力传送链包括直流电路(115、205)，并且所述电子功率变换器(104、204、404)被配置成把电功率从所述直流电路传递到所述外部电力网以及从所述外部电力网传递到所述直流电路。
3.根据权利要求2所述的工作机，其中所述直流电路(115、205)是所述机电动力传送链的电容式中间电路。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述工作机包括控制器(106、206)，所述控制器(106、206)被配置成响应于从所述外部电力网得到的有功功率超出第一预定限度的情形而启动所述内燃机。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述工作机包括控制器(106、206)，所述控制器(106、206)被配置成响应于从所述外部电力网得到的有功功率低于第二预定限度的情形而停止所述内燃机。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述工作机包括控制器(106)，所述控制器(106)被配置成响应于由所述机电动力传送链的电能存储部件(121、107、115)所存储的能量低于第一预定限度的情形而启动所述内燃机。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述工作机包括控制器(106)，所述控制器(106)被配置成响应于由所述机电动力传送链的电能存储部件(121、107、115)所存储的能量超出第二预定限度的情形而停止所述内燃机。
8.根据权利要求6所述的工作机，其中所述工作机包括控制器(106)，所述控制器(106)被配置成响应于由所述机电动力传送链的所述电能存储部件(121、107、115)所存储的能量超出第二预定限度的情形而停止所述内燃机。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述电连接器系统(103、203、403)能够同时连接到所述外部电力网和外部负载。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述电子功率变换器(104、204、404)被配置成基于指示无功功率的目标值的控制信号来控制由所述电子功率变换器消耗或供应的无功功率。
11.根据权利要求9所述的工作机，其中所述电子功率变换器(104、204、404)被配置成逐渐地提高所述外部负载的电压以作为所述外部负载的软启动器来操作。
12.根据权利要求3所述的工作机，其中所述工作机包括被连接到所述机电动力传送链的所述电容式中间电路的电双层电容(107)。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的工作机，其中所述工作机包括测量仪器(108、208)用于测量下述的至少一个：经由所述电连接器系统传递到所述外部电力网或从所述外部电力网传递的电能、经由所述电连接器系统传递到被连接到所述电连接器系统的外部负载的电能。
14.一种用于提高连接到电力网的设备所需的电源的可靠性和容量的方法，所述方法包括把根据权利要求1所述的工作机连接到所述电力网以及把所述工作机用作辅助发电设备。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述工作机的所述内燃机响应于从所述外部电力网得到的有功功率超出预定限度的情形而被启动。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述工作机的所述内燃机响应于由所述机电动力传送链的电能存储部件所存储的能量低于第一预定限度的情形而被启动。
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