CN106429666A - 液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及控制方法 - Google Patents

液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及控制方法 Download PDF

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Abstract

液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及其控制方法，属于矿井提升机领域，其特征是罐笼一，罐笼二分别与提升绳连接，提升绳与矿井提升机卷筒连接；矿井提升机卷筒与提升电动机连接；提升电动机连接高压变频器、第Ⅰ液压泵/马达和高压变频器的直流母线；第Ⅰ液压泵/马达与液压蓄能回路连接；直流母线侧电压检测电路接双向DC/DC变换器；超级电容侧电压检测电路接双向DC/DC变换器输；直流母线侧电压检测电路输出、超级电容侧电压检测电路输出与控制器连接；转速传感器与控制器连接，控制器与液压蓄能回路的控制端、高压变频器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端相连。本发明提高了电能的利用率，延长了电路元件的使用寿命。

Description

液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及控制方法
技术领域
本发明涉及一种液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及控制方法，属于矿井提升机电动机控制领域，尤其涉及电动机的制动能量回收及这部分能量的再生利用的控制方案。
背景技术
矿井提升机是用于矿山的一种大型提升机械设备，由提升电动机、减速器、主轴装置、制动装置、电控系统、液压系统和操作台等组成；提升机动力部分由高压电机带动，以提升机卷筒带动钢丝绳从而使在井筒中升降，完成输送任务；当前的矿井提升机使用电子计算机进行全自动控制，并且具有提升量大，速度快，可控性好，安全性高，已经在重型矿山领域中得到了广泛的应用；但是由于矿井提升机需要负载重型物体，在启动制动过程中会消耗大量能量，使得能量利用率不高；虽然目前有采用可向电网馈电的有源整流型的级联型高压变频技术，可以将提升机在制动和下放重物过程中提升电动机产生的电能馈送到电网；但贸然向电网馈电可能会导致电网的动态功率不平衡；从而产生不安全因素；而且如果在馈电过程中控制不当，还会对电网产生污染；
2013年公布的一项专利公开了一种基于液电混合驱动的矿井提升机，专利号为CN103241606 A；此专利使用储能器储存液压能和向电网馈电的方式来储存制动和下放重物时的能量，但存在以下问题：
上述的电网馈电问题会导致电网不稳定，且电能受益者不为用户；
阀控系统存在较大的节流损失，导致在控制过程中储存能量流失；
使用的级联型高压变频器体积巨大，造价昂贵，经济性不高；
同年，2013年公布的另一项专利公开了一种基于超级电容储能的电机调速系统节能控制器及控制方法，专利号为CN103647500 A；此专利使用超级电容来进行能量存储及利用的方法；但此方法仅仅适用于低压电机情况，回收电能少；在高压电机情况下无法完全进行大量的制动能量回收，可能会导致母线电压过高将电路元件烧坏。
发明内容
本发明提供了一种液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机及其控制方法，用于提升电动机的制动能量回收及这部分能量的再生利用，降低能耗，节约能源成本；本发明适用于矿井提升机为摩擦式的单滚筒等形式；
本发明所述的液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，包括矿井提升机卷筒、提升下天轮、上天轮、提升绳、罐笼一、罐笼二、尾绳、闸控系统、提升电动机、减速器、联轴器，其特征是还包括转速传感器、控制器、电磁离合器、液压泵/马达、液压蓄能回路、高压变频器、超级电容、双向DC/DC变换器、直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路；罐笼一，罐笼二分别与提升绳连接，提升绳通过上天轮，下天轮与矿井提升机卷筒连接；矿井提升机卷筒通过第一联轴器、减速器、第二联轴器与提升电动机输出轴相连接；提升电动机输出轴通过第三联轴器或电磁离合器与第Ⅰ液压泵/马达输出轴相连；第Ⅰ液压泵/马达通过管路与液压蓄能回路连接；当使用第三联轴器时，液压蓄能回路包含第Ⅱ液压泵/马达、第Ⅲ液压泵/马达、第Ⅰ二位二通电磁阀、第Ⅱ二位二通电磁阀、蓄能器、溢流阀、油箱，第Ⅰ液压泵/马达的pA油口通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的A油口、第Ⅰ二位二通电磁阀的第一油口连接，第Ⅰ液压泵/马达的pB油口通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的B油口、第Ⅰ二位二通电磁阀的第二油口、油箱连接，第Ⅱ液压泵/马达输出轴与第Ⅲ液压泵/马达驱动轴同轴连接，第Ⅲ液压泵/马达的D油口与油箱相连，第Ⅲ液压泵/马达的C油口通过管路分别与第Ⅱ二位二通电磁阀的第一油口、溢流阀的进油口相连，第Ⅱ二位二通电磁阀的第二油口与蓄能器的进油口相连，溢流阀的出油口与油箱联通；当使用电磁离合器时，液压蓄能回路中取消了第Ⅰ二位二通电磁阀；提升电动机的输入端连接到高压变频器上；高压变频器包含变压器、二极管整流桥、三电平逆变器，变压器输入端接入高压三相电网，其输出端接入二极管整流桥的三相交流输入端，二极管整流桥的直流输出端为直流母线，逆变器的直流端挂接在直流母线上，逆变器的三相交流端接于提升电动机输入端；双向DC/DC变换器输入端并联接于直流母线上；
双向DC/DC变换器包含：n个直流母线侧滤波电容，n个电感，2n个全控电路，n个超级电容侧滤波电容，n为正整数，每个个直流母线侧滤波电容，一个电感，两个全控电路与一个超级电容侧滤波电容组成一组功率变换器，n组功率变换器并联组成了双向DC/DC变换器，任何其中一组功率变换器的特征是：直流母线侧滤波电容跨接在直流母线上，直流母线低压端与超级电容高压端相连，第一个全控电路的发射极连接至直流母线的高压端上，第一个全控电路的集电极与第二个全控电路的发射极相连，第二个全控电路的集电极与超级电容侧低压端相连，在两个全控电路中点连接电感的一端，电感的另一端连接至直流母线低压端，超级电容侧滤波电容跨接在超级电容侧；
双向DC/DC变换器输出端接有超级电容；直流母线侧电压检测电路两端分别接于双向DC/DC变换器输入端两侧；超级电容侧电压检测电路两端分别接于双向DC/DC变换器输出端两侧；直流母线侧电压检测电路的输出信号、超级电容侧电压检测电路的输出信号通过导线与控制器连接；转速传感器测量提升电动机输出轴的转速大小；转速传感器的输出信号通过导线与控制器连接，控制器的输出信号通过导线与液压蓄能回路的控制端、高压变频器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端相连。
所述的第Ⅲ液压泵/马达，为电子比例控制的双方向摆动的变量泵/马达。
所述的二极管整流桥是通过高压变压器接入三相电网，由4n个高压整流二极管桥接，n为正整数。
所述高压变频器，包含变压器、二极管整流桥、三电平逆变器；变压器输入端接入高压三相电网，变压器输出端接入二极管整流桥的三相交流输入端；二极管整流桥的直流输出端为直流母线；三电平逆变器的直流端挂接在直流母线上；逆变器的三相交流端接于提升电动机输入端；三电平逆变器为三电平中点箝位逆变器。
所述的控制器包括下述任意一种：
（1）电子控制单元；
（2）由控制计算机、微控单元、数字信号处理器连接而成的控制器；控制计算机端通过通讯接口与微控单元相连接，微控单元通过串行外设接口分别与两个数字信号处理器相连，数字信号处理器分别与IGBT驱动相连，控制计算机端对三电平逆变器端数字信号处理器发出对IGBT驱动进行SVPWM调制的信号，对双向DC/DC端数字信号处理器发出对IGBT驱动进行PWM调制的信号。
所述液压回路，包括下述任意一种：
（1）第Ⅰ液压泵/马达的第一油口pA通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A、第Ⅰ二位二通电磁阀的第一油口连接，第Ⅰ液压泵/马达的第二油口pB通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B、第Ⅰ二位二通电磁阀的第二油口、油箱连接，第Ⅱ液压泵/马达输出轴与第Ⅲ液压泵/马达驱动轴同轴连接，第Ⅲ液压泵/马达的第二油口D与油箱相连，第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C通过管路分别与第Ⅱ二位二通电磁阀的第一油口、溢流阀的进油口相连，第Ⅱ二位二通电磁阀的第二油口与蓄能器的进油口相连，溢流阀的出油口与油箱联通；
（2）第Ⅰ液压泵/马达的第一油口pA通过管路与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连接，第Ⅰ液压泵/马达的第二油口pB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B通过管路分别与油箱连接，第Ⅱ液压泵/马达输出轴与第Ⅲ液压泵/马达驱动轴同轴连接，第Ⅲ液压泵/马达的第二油口D与油箱相连，第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C通过管路分别与二位二通电磁阀的第一油口、溢流阀的进油口相连，二位二通电磁阀的第二油口与蓄能器的进油口相连，溢流阀的出油口与油箱联通。
本发明所采取的一种用与上述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机的控制方法，现以使用其中一种控制方法举例，其具体控制方法如下：
当罐笼一载有重物，且加速下行时，此时提升电动机处于发电状态，高压变频器直流母线电压升高，直流母线电压传感器、超级电容电压传感器与转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容充电；同时控制器控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向为反向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使蓄能器与第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通，蓄能器储存能量；
当罐笼一载有重物，且近似匀速下行时，此时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀闭合，同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀闭合；此时，第Ⅰ液压泵/马达的PA油口与PB油口均与油箱联通，液压回路对提升电动机的运行无影响，提升电动机正常运行；同时蓄能器蓄有能量；
当罐笼一载有重物，且制动下行时，此时提升电动机处于电动状态，高压变频器直流母线电压降低，直流母线电压传感器、超级电容电压传感器与转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容放电；同时控制器控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向为正向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使蓄能器与第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通，蓄能器释放能量；
当罐笼一载有重物，且加速提升时，此时提升电动机处于电动状态，高压变频器直流母线电压降低，直流母线电压传感器、超级电容电压传感器与转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容放电；控制器同时控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向为反向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制二位二通电磁阀断开，使蓄能器与第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通，蓄能器释放能量
当罐笼一载有重物，且近似匀速提升时，此时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀闭合，同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀闭合；此时，第Ⅰ液压泵/马达的PA油口与PB油口均与油箱联通，液压回路对提升电动机的运行无影响，提升电动机正常运行；同时蓄能器蓄有能量；
当罐笼一载有重物，且减速提升时，此时提升电动机处于发电状态，高压变频器直流母线电压升高，直流母线电压传感器、超级电容电压传感器与转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容充电；控制器同时控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向为正向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制二位二通电磁阀断开，使蓄能器与第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通，蓄能器储存能量；
本发明优化了能量的储存模块，同时使用电液方式进行储能，放弃了向电网馈电的方式；使用公知的三电平逆变技术替代了原有技术，使得高压变频器更稳定可靠。
与现有技术相比，本发明优化了液压储能回路使用阀控造成的节流损失的问题，可以进一步降低能耗；同时可以有效降低电路的峰值电流，提高系统稳定性；放弃了向电网馈电的方案，消除了对电网的影响；提高了电能的利用率，使用户成为最终受益者，提升了经济性；减小了提升电动机启停时的电能负荷，延长了电路元件的使用寿命；减小了提升电动机制动时的发热，提高了提升电动机的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1的示意图；
图2是本发明实施例2的示意图；
图3是本发明使用超级电容的双向DC/DC变换器主电路拓扑结构图；
图中：1：矿井提升机卷筒；2：第一联轴器；3：减速器；4：转速传感器；5：第二联轴器；6：提升电动机；7：第Ⅰ液压泵/马达；8：第Ⅱ液压泵/马达；9：第Ⅲ液压泵/马达；10：油箱；11：第Ⅱ二位二通电磁阀；12：蓄能器；13：溢流阀；14：液压蓄能回路；15：逆变器续流二极管；16：逆变器IGBT管；17：箝位二极管；；18：三电平逆变器电容；19：三电平逆变器；20：直流母线侧电压检测电路；21：超级电容侧电压检测电路；22：超级电容组；23：双向DC/DC变换器；24：滤波电容；25：二极管整流桥；26：变压器；27：IGBT驱动；28：DSP处理器；29：MCU单元；30：PC（控制计算机）；31：控制器；32：下天轮；33：上天轮；34：提升绳；35：一号罐笼；36：二号罐笼；37：尾绳；38：闸控系统；39：第三联轴器；40：第Ⅰ二位二通电磁阀；41：电磁离合器；42：直流母线侧滤波电容；43：超级电容侧滤波电容；44：功率变换器续流二极管；45：功率变换器IGBT管；46：电感；u1:转速传感器输出信号；n: 提升电动机输出轴转速；PA：第Ⅰ液压泵/马达的第一油口；PB：第Ⅰ液压泵/马达的第二油口；A：第Ⅱ液压泵/马达的第一油口；B：第Ⅱ液压泵/马达的第二油口；C：第Ⅲ液压泵/马达的第一油口；D：第Ⅲ液压泵/马达的第二油口；SVPWM：SVPWM调制；PWM：PWM调制；u2：直流母线侧电压信号；u3：超级电容侧电压信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明：
实施例1
如图1所示，本发明所述的使用超级电容的的液电混合驱动矿井提升机Ⅰ选用摩擦式的单滚筒形式，包括矿井提升机卷筒1，下天轮32，上天轮33，提升绳34，罐笼一35，罐笼二36，尾绳37，闸控系统38，第一联轴器2，减速器3，转速传感器4，第二联轴器5，提升电动机6，其特征是还包含第三联轴器39，第Ⅰ液压泵/马达7，液压蓄能回路14，三电平逆变器19，滤波电容24，二极管整流桥25，变压器26，直流母线侧电压检测电路20，双向DC/DC变换器23，超级电容侧电压检测电路21，超级电容组22，控制器31；提升绳34，罐笼一35，罐笼二36分别连接，矿井提升机卷筒1通过摩擦带动提升绳34；矿井提升机卷筒1通过第一联轴器2与减速器3连接，减速器3通过第二联轴器5与提升电动机6连接；转速传感器4测量提升电动机6输出轴的转速；提升电动机6通过第三联轴器39与第Ⅰ液压泵/马达7连接；提升电动机6通过导线与三电平逆变器19三相输出端相连；三电平逆变器19的直流端通过直流母线与二极管整流桥25输出端相连；二极管整流桥25三相交流输入端与变压器26输出端相连，变压器26输入端接入高压三相电网；双向DC/DC变换器23并联接于直流母线上；直流母线电压侧检测电路20两端分别接于双向DC/DC变换器23输入端两侧；超级电容电压侧检测电路21两端分别接于双向DC/DC变换器23输出端两侧；转速传感器4的输出信号、直流母线侧电压检测电路20的输出信号、超级电容侧电检测电路21的输出信号通过导线与控制器31连接；控制器的输出信号通过导线与液压蓄能回路的控制端、高压变频器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端相连。
所述液压蓄能回路14，是配合第三联轴器使用的液压回路1，如图1所示，包括第Ⅰ二位二通电磁阀40，第Ⅱ液压泵/马达8，第Ⅲ液压泵/马达9，油箱10，第Ⅱ二位二通电磁阀11，蓄能器12，溢流阀13；第Ⅰ液压泵/马达7的pA油口通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达8的A油口、第Ⅰ二位二通电磁阀40的第一油口连接，第Ⅰ液压泵/马达7的pB油口通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达8的B油口、第Ⅰ二位二通电磁阀40的第二油口、油箱连接；第Ⅱ液压泵/马达8输出轴与第Ⅲ液压泵/马达9驱动轴同轴连接；第Ⅲ液压泵/马达9的D油口与油箱相连；第Ⅲ液压泵/马达9的C油口通过管路分别与第Ⅱ二位二通电磁阀11的第一油口、溢流阀13的进油口相连，第Ⅱ二位二通电磁阀11的第二油口与蓄能器12的进油口相连，溢流阀13的出油口与油箱14联通。
图3所示， 双向DC/DC变换器23由n组功率变换器并联而成，n为正整数；
功率变换器由直流母线侧滤波电容42，电感46，功率变换器续流二极管44、功率变换器IGBT管45和超级电容侧滤波电容43组成；直流母线侧滤波电容42跨接在直流母线上，直流母线低压端与超级电容高压端相连，第一个全控电路的发射极连接至直流母线的高压端上，第一个全控电路的集电极与第二个全控电路的发射极相连，第二个全控电路的集电极与超级电容组23侧低压端相连，在两个全控电路中点连接电感46的一端，电感46的另一端连接至直流母线低压端，超级电容侧滤波电容43跨接在超级电容组23侧。
功率变换器续流二极管44与功率变换器IGBT管45构成一个全控电路；
控制器由DSP处理器28、MCU单元29、PC连接而成；PC端通过通讯接口与MCU单元相连接，MCU单元通过串行外设接口分别与两个DSP处理器相连，DSP处理器分别与IGBT驱动相连，PC端对三电平逆变器端DSP处理器发出对IGBT驱动进行SVPWM调制的信号，对双向DC/DC端数字信号处理器发出对IGBT驱动进行PWM调制的信号。
图1所示，本发明所述的使用超级电容的的液电混合驱动矿井提升机Ⅰ，系统的工作过程是，在提升电动机6启动前，控制器31分别接受直流母线侧电压检测电路20、超级电容侧电压检测电路21所发出的电压信号，从而发出控制指令，控制双向DC/DC变换器23工作，为超级电容组22充电；当超级电容组22电压达到预设值，直流母线侧电压检测电路20、超级电容侧电压检测电路21所发出的电压信号传入控制器31，控制器31发出指令使三电平逆变器19工作，提升电动机6得电启动；控制器31同时发出信号到双向DC/DC变换器23，使超级电容组放电，辅助提升电动机6启动；控制器31同时控制第Ⅰ二位二通电磁阀40闭合，使得第Ⅰ液压泵/马达7的PA油口与PB油口均与油箱联通，液压蓄能回路14对提升电动机6的启动没有影响；当提升电动机6启动后，转速传感器4工作，输出信号传入控制器31，控制器31通过与预设转速进行比对，达到预设值后控制器31发出信号控制双向DC/DC变换器23停止工作；同时控制器31控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开，使得第Ⅰ液压泵/马达7与第Ⅱ液压泵/马达8的PA油口与A油口、PB油口与B油口联通，提升电动机6正常工作。
提升电动机7通过矿井提升机卷筒1、上天轮33、下天轮32、提升绳34带动罐笼一35、罐笼二36运动；提升电动机6启动后，提升电动机6可能工作在四象限中某个状态:
当罐笼一35制动下行时或罐笼二36加速提升时，提升电动机6运行在正转电动状态下；由于提升电动机处于正转电动状态，因此高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器20与超级电容电压传感器21工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器23，双向DC/DC变换器23工作使超级电容组22放电；同时转速传感器4工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开，使得第Ⅰ液压泵/马达7与第Ⅱ液压泵/马达8的PA油口与A油口连通，PB油口与B油口连通；控制器31同时控制第Ⅲ液压泵/马达9摆角方向处于正向；此时，第Ⅰ液压泵/马达7作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达8作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达9作为液压泵工作；控制器31同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀11断开，使第Ⅲ液压泵/马达的C油口9联通蓄能器12，蓄能器12向第Ⅲ液压泵/马达9输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达9进入油箱10，蓄能器12释放能量。
当罐笼一35加速下行时或罐笼二36减速提升时，提升电动机6运行在正转回馈制动状态下；由于提升电动机6处于正转发电状态，电能会经由三电平逆变器19，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器20与超级电容电压传感器21分别工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器23，双向DC/DC变换器23工作使超级电容组22充电；同时转速传感器4工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开，使得第Ⅰ液压泵/马达7与第Ⅱ液压泵/马达8的PA油口与A油口连通，PB油口与B油口连通；控制器31同时控制第Ⅲ液压泵/马达9摆角方向处于反向，此时，第Ⅰ液压泵/马达7作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达8作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达9作为液压马达工作；控制器31同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀11断开，使得第Ⅲ液压泵/马达9的C油口联通蓄能器12，第Ⅲ液压泵/马达9从油箱10向蓄能器12输送高压油，蓄能器12储存能量。
当罐笼一35加速提升时或罐笼二36制动下行时，提升电动机6运行在反转电动状态下；由于提升电动机处于反转电动状态，因此高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器20与超级电容电压传感器21工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器23，双向DC/DC变换器23工作使超级电容组22放电；同时转速传感器4工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开，使得第Ⅰ液压泵/马达7与第Ⅱ液压泵/马达8的PA油口与A油口连通，PB油口与B油口连通；控制器31同时控制第Ⅲ液压泵/马达9摆角方向处于反向；此时，第Ⅰ液压泵/马达7作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达8作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达9作为液压泵工作；控制器31同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀11断开，使第Ⅲ液压泵/马达的C油口9联通蓄能器12，蓄能器12向第Ⅲ液压泵/马达9输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达9进入油箱10，蓄能器12释放能量。
当罐笼一35减速提升时或罐笼二36加速下行时，提升电动机6运行在反转回馈制动状态下；由于提升电动机6处于反转发电状态，电能会经由三电平逆变器19，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器20与超级电容电压传感器21分别工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器23，双向DC/DC变换器23工作使超级电容组22充电；同时转速传感器4工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开，使得第Ⅰ液压泵/马达7与第Ⅱ液压泵/马达8的PA油口与A油口连通，PB油口与B油口连通；控制器31同时控制第Ⅲ液压泵/马达9摆角方向处于正向，此时，第Ⅰ液压泵/马达7作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达8作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达9作为液压马达工作；控制器31同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀11断开，使得第Ⅲ液压泵/马达9的C油口联通蓄能器12，第Ⅲ液压泵/马达9从油箱10向蓄能器12输送高压油，蓄能器12储存能量。
当提升电动机6工作在匀速转动状态时，转速传感器4工作，输出信号传入控制器31；控制器31通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀40闭合，同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀12闭合；此时，第Ⅰ液压泵/马达的PA油口与PB油口均与油箱联通，液压回路对提升电动机的运行无影响；同时蓄能器蓄有高压油。
实施例2
如图2所示，实施例2的工作原理与结构组成与实施例1类似，其区别在于：使用电磁离合器41替代了第三联轴器39，并且去掉了第Ⅰ二位二通电磁阀40。
实施例2与实施例1的工作过程类似，其区别在于：具体实施方式1中，当控制器31控制第Ⅰ二位二通电磁阀40闭合时，通过控制器31控制电磁离合器41断开；此时第Ⅰ液压泵/马达7驱动轴与提升电动机6的输出轴断开，第Ⅰ液压泵/马达7停止工作，液压蓄能回路14中无能量流动；具体实施方式1中，当控制器31控制第Ⅰ二位二通电磁阀40断开时，具体实施方式2通过控制器31控制电磁离合器41闭合；此时第Ⅰ液压泵/马达7驱动轴与提升电动机6的输出轴连接，第Ⅰ液压泵/马达7开始工作，液压蓄能回路14中开始能量流动。

Claims (10)

1.液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，包括矿井提升机卷筒、下天轮、上天轮、提升绳、罐笼一、罐笼二、尾绳、闸控系统、提升电动机、减速器、联轴器、转速传感器，其特征是还包括控制器、液压泵/马达、液压蓄能回路、高压变频器、超级电容、双向DC/DC变换器、直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路；罐笼一，罐笼二分别与提升绳连接，提升绳通过上天轮，下天轮与矿井提升机卷筒连接；矿井提升机卷筒通过第一联轴器、减速器、第二联轴器与提升电动机输出轴相连接；提升电动机输出轴与第Ⅰ液压泵/马达输出轴相连；第Ⅰ液压泵/马达通过管路与液压蓄能回路连接；提升电动机输入端与高压变频器输出端相连；超级电容通过双向DC/DC变换器并联接于高压变频器的直流母线上；直流母线侧电压检测电路两端分别接于双向DC/DC变换器输入端两侧；超级电容侧电压检测电路两端分别接于双向DC/DC变换器输出端两侧；直流母线侧电压检测电路的输出信号、超级电容侧电压检测电路的输出信号通过导线与控制器连接；转速传感器测量提升电动机输出轴的转速大小；转速传感器的输出信号通过导线与控制器连接，控制器的输出信号通过导线与液压蓄能回路的控制端、高压变频器的控制端、双向DC/DC变换器的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是所述双向DC/DC变换器由n组功率变换器并联组成；n为正整数；一组功率变换器由一个直流母线侧滤波电容，一个电感，两个全控电路与一个超级电容侧滤波电容组成；直流母线侧滤波电容跨接在直流母线上，直流母线低压端与超级电容高压端相连，第一个全控电路的发射极连接至直流母线的高压端上，第一个全控电路的集电极与第二个全控电路的发射极相连，第二个全控电路的集电极与超级电容侧低压端相连，在两个全控电路中点连接电感的一端，电感的另一端连接至直流母线低压端，超级电容侧滤波电容跨接在超级电容侧。
3.根据权利要求1所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是所述高压变频器，包含变压器、二极管整流桥、三电平逆变器；变压器输入端接入高压三相电网，变压器输出端接入二极管整流桥的三相交流输入端；二极管整流桥的直流输出端为直流母线；三电平逆变器的直流端挂接在直流母线上；逆变器的三相交流端接于提升电动机输入端；三电平逆变器为三电平中点箝位逆变器。
4.根据权利要求1所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是所述的控制器包括下述任意一种：
（1）控制器为电子控制单元；
（2）控制器由控制计算机、微控单元、数字信号处理器连接而成的控制器；控制计算机端通过通讯接口与微控单元相连接，微控单元通过串行外设接口分别与两个数字信号处理器相连，数字信号处理器分别与IGBT驱动相连，控制计算机端对三电平逆变器端数字信号处理器发出对IGBT驱动进行SVPWM调制的信号，对双向DC/DC端数字信号处理器发出对IGBT驱动进行PWM调制的信号。
5.根据权利要求1所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是：提升电动机输出轴与第Ⅰ液压泵/马达输出轴通过第三联轴器或电磁离合器连接。
6.根据权利要求1所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是：所述液压蓄能回路是与第三联轴器配合使用的液压回路，或是与电磁离合器配合使用的液压回路。
7.根据权利要求6所述的液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，所述液压储能回路是与第三联轴器配合使用的液压回路，其特征是：第Ⅰ液压泵/马达的第一油口pA通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A、第Ⅰ二位二通电磁阀的第一油口连接，第Ⅰ液压泵/马达的第二油口pB通过管路分别与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B、第Ⅰ二位二通电磁阀的第二油口、油箱连接，第Ⅱ液压泵/马达输出轴与第Ⅲ液压泵/马达驱动轴同轴连接，第Ⅲ液压泵/马达的第二油口D与油箱相连，第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C通过管路分别与第Ⅱ二位二通电磁阀的第一油口、溢流阀的进油口相连，第Ⅱ二位二通电磁阀的第二油口与蓄能器的进油口相连，溢流阀的出油口与油箱联通。
8.根据权利要求6所述的液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，所述液压储能回路是与电磁离合器配合使用的液压回路，其特征是：第Ⅰ液压泵/马达的第一油口pA通过管路与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连接，第Ⅰ液压泵/马达的第二油口pB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B通过管路分别与油箱连接，第Ⅱ液压泵/马达输出轴与第Ⅲ液压泵/马达驱动轴同轴连接，第Ⅲ液压泵/马达的第二油口D与油箱相连，第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C通过管路分别与二位二通电磁阀的第一油口、溢流阀的进油口相连，二位二通电磁阀的第二油口与蓄能器的进油口相连，溢流阀的出油口与油箱联通。
9.根据权利要求7所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是它的控制方法是，在提升电动机启动前，控制器分别接受直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路所发出的电压信号，从而发出控制指令，控制双向DC/DC变换器工作，为超级电容组充电；当超级电容组电压达到预设值，直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路所发出的电压信号传入控制器，控制器发出指令使三电平逆变器工作，提升电动机得电启动；控制器同时发出信号到双向DC/DC变换器，使超级电容组放电，辅助提升电动机启动；控制器同时控制第Ⅰ二位二通电磁阀闭合，使得第Ⅰ液压泵/马达的第一油口PA与第二油口PB均与油箱联通，液压蓄能回路对提升电动机的启动没有影响；当提升电动机启动后，转速传感器工作，输出信号传入控制器，控制器通过与预设转速进行比对，达到预设值后控制器发出信号控制双向DC/DC变换器停止工作；同时控制器控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅰ液压泵/马达第一油口PA与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A联通、第Ⅰ液压泵/马达第二油口PB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B联通，提升电动机正常工作；
提升电动机通过矿井提升机卷筒、上天轮、下天轮、提升绳带动罐笼一、罐笼二运动；提升电动机启动后，提升电动机可能工作在四象限中某个状态：
当罐笼一制动下行时或罐笼二加速提升时，提升电动机运行在正转电动状态下；由于提升电动机处于正转电动状态，高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器与超级电容电压传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组放电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅰ液压泵/马达第一油口PA与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连通，第Ⅰ液压泵/马达第二油口PB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B连通；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于正向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使第Ⅲ液压泵/马达的油口联通蓄能器，蓄能器向第Ⅲ液压泵/马达输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达进入油箱，蓄能器释放能量；
当罐笼一加速下行时或罐笼二减速提升时，提升电动机运行在正转回馈制动状态下；由于提升电动机处于正转发电状态，电能会经由三电平逆变器，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器与超级电容电压传感器分别工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组充电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅰ液压泵/马达第一油口PA与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连通，第Ⅰ液压泵/马达第二油口PB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B连通；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于反向，此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通蓄能器，第Ⅲ液压泵/马达从油箱向蓄能器输送高压油，蓄能器储存能量；
当罐笼一加速提升时或罐笼二制动下行时，提升电动机运行在反转电动状态下；由于提升电动机处于反转电动状态，因此高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器与超级电容电压传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组放电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅰ液压泵/马达第一油口PA与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连通，第Ⅰ液压泵/马达第二油口PB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B连通；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于反向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通蓄能器，蓄能器向第Ⅲ液压泵/马达输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达进入油箱，蓄能器释放能量；
当罐笼一减速提升时或罐笼二加速下行时，提升电动机运行在反转回馈制动状态下；由于提升电动机处于反转发电状态，电能会经由三电平逆变器，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器与超级电容电压传感器分别工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组充电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅰ液压泵/马达第一油口PA与第Ⅱ液压泵/马达的第一油口A连通，第Ⅰ液压泵/马达第二油口PB与第Ⅱ液压泵/马达的第二油口B连通；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于正向，此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C与蓄能器联通，第Ⅲ液压泵/马达从油箱向蓄能器输送高压油，蓄能器储存能量；
当提升电动机工作在匀速转动状态时，转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制第Ⅰ二位二通电磁阀闭合，同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀闭合；此时，第Ⅰ液压泵/马达的第一油口PA与第二油口PB均与油箱联通，液压回路对提升电动机的匀速运行无影响；同时蓄能器蓄有高压油。
10.根据权利要求8所述液电混合驱动摩擦式超级电容矿井提升机，其特征是它的控制方法是，在提升电动机启动前，控制器分别接受直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路所发出的电压信号，从而发出控制指令，控制双向DC/DC变换器工作，为超级电容组充电；当超级电容组电压达到预设值，直流母线侧电压检测电路、超级电容侧电压检测电路所发出的电压信号传入控制器，控制器发出指令使三电平逆变器工作，提升电动机得电启动；控制器同时发出信号到双向DC/DC变换器，使超级电容组放电，辅助提升电动机启动；控制器同时控制电磁离合器断开；此时第Ⅰ液压泵/马达驱动轴与提升电动机的输出轴断开，第Ⅰ液压泵/马达停止工作，液压蓄能回路中无能量流动，液压蓄能回路对提升电动机的启动没有影响；当提升电动机启动后，转速传感器工作，输出信号传入控制器，控制器通过与预设转速进行比对，达到预设值后控制器发出信号控制双向DC/DC变换器停止工作；同时控制器控制电磁离合器闭合，此时第Ⅰ液压泵/马达驱动轴与提升电动机的输出轴连接，第Ⅰ液压泵/马达开始工作，液压蓄能回路中开始能量流动，提升电动机正常工作；
提升电动机通过矿井提升机卷筒、上天轮、下天轮、提升绳带动罐笼一、罐笼二运动；提升电动机启动后，提升电动机可能工作在四象限中某个状态：
当罐笼一制动下行时或罐笼二加速提升时，提升电动机运行在正转电动状态下；由于提升电动机处于正转电动状态，高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器与超级电容电压传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组放电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制电磁离合器闭合，第Ⅰ液压泵/马达开始工作，使得液压蓄能回路中开始能量流动；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于正向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使第Ⅲ液压泵/马达的油口联通蓄能器，蓄能器向第Ⅲ液压泵/马达输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达进入油箱，蓄能器释放能量；
当罐笼一加速下行时或罐笼二减速提升时，提升电动机运行在正转回馈制动状态下；由于提升电动机处于正转发电状态，电能会经由三电平逆变器，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器与超级电容电压传感器分别工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组充电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制电磁离合器闭合，第Ⅰ液压泵/马达开始工作，使得液压蓄能回路中开始能量流动；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于反向，此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通蓄能器，第Ⅲ液压泵/马达从油箱向蓄能器输送高压油，蓄能器储存能量；
当罐笼一加速提升时或罐笼二制动下行时，提升电动机运行在反转电动状态下；由于提升电动机处于反转电动状态，因此高压变频器直流母线侧电压降低，直流母线电压传感器与超级电容电压传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组放电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制电磁离合器闭合，第Ⅰ液压泵/马达开始工作，使得液压蓄能回路中开始能量流动；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于反向；此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压泵工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使第Ⅲ液压泵/马达的C油口联通蓄能器，蓄能器向第Ⅲ液压泵/马达输送高压油，高压油经由第Ⅲ液压泵/马达进入油箱，蓄能器释放能量；
当罐笼一减速提升时或罐笼二加速下行时，提升电动机运行在反转回馈制动状态下；由于提升电动机处于反转发电状态，电能会经由三电平逆变器，使得直流母线电压升高；直流母线电压传感器与超级电容电压传感器分别工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令到双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器工作使超级电容组充电；同时转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制电磁离合器闭合，第Ⅰ液压泵/马达开始工作，使得液压蓄能回路中开始能量流动；控制器同时控制第Ⅲ液压泵/马达摆角方向处于正向，此时，第Ⅰ液压泵/马达作为液压马达工作，第Ⅱ液压泵/马达作为液压泵工作，第Ⅲ液压泵/马达作为液压马达工作；控制器同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀断开，使得第Ⅲ液压泵/马达的第一油口C与蓄能器联通，第Ⅲ液压泵/马达从油箱向蓄能器输送高压油，蓄能器储存能量；
当提升电动机工作在匀速转动状态时，转速传感器工作，输出信号传入控制器；控制器通过计算发出控制指令，控制电磁离合器断开，同时控制第Ⅱ二位二通电磁阀闭合；此时，第Ⅰ液压泵/马达驱动轴与提升电动机的输出轴断开，第Ⅰ液压泵/马达停止工作，液压蓄能回路中无能量流动，液压蓄能回路对提升电动机的匀速运行没有影响；同时蓄能器蓄有高压油。
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