CN108290721B - 具有反向电能存储装置的电驱动机器 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及一种用于操作包括电驱动器的工作机器的方法，在该方法中，在拖拽和/或制动操作中回收的能量用于补偿系统损失或者被临时存储。根据本发明，从传动系返回到电动机的能量至少主要不被转化为电能，而是被以动能的形式存储，并且在其电磁阻力或者其扭转力矩或拖拽力矩方面，使得电动机进入这样一个状态，在该状态中电动机的拖拽阻力和/或电磁转矩相对于常规的发动机和/或发电机运行状态而被大幅度消除或者至少大幅度降低。

Description

具有反向电能存储装置的电驱动机器
技术领域
本发明总体上涉及一种具有电驱动器和用于回收能量的中间存储的能量存储系统的机器。本发明尤其涉及具有在周期性运动中起作用的主电力驱动器和辅助液压驱动器的静态地或准静态地工作的机器，例如为诸如挖掘机或起重机之类的物料转移装置的形式，所述机器具有电驱动器及能量存储系统，所述电驱动器具有用于驱动所述机器的传动系的至少一个电动机，所述能量存储系统用于回收能量的中间存储，所述回收能量在拖拽和/或制动操作中被回收并且从所述传动系被传递到所述电动机。本发明还涉及一种用于操作具有电驱动器的机器的方法，其中在拖拽或制动操作期间被回收的能量被用于补偿系统损失或者被中间存储。
背景技术
在周期性运动中工作的物料转移装置，如推土机、采矿用挖掘机、履带式挖掘机、移动式港口起重机、离岸起重机、船用起重机或液压缆索挖掘机，长期以来一直依照惯例使用以发动机作为动力的，特别是以柴油机作为动力的主驱动器来推动一个或多个液力变矩器，通过这种方式液压执行器被赋予动力且被液压驱动以驱动主要工作单元和/或辅助工作单元。例如，在挖掘机中，液压执行器可以是用来使吊杆臂产生位移的液压缸、用于使上部车厢或拖拽驱动装置产生旋转的旋转发动机。在起重机中，液压执行器以上述方式可能用于驱动起重绞车、移动吊运车、改变缸体起重倾角以改变吊杆臂起重倾角、用作使回转平台或可旋转起重机部件产生回转的旋转机构、或者是用作移动锚泊的张紧绞车。
如果来自于传动系之一的反向功率发生在这种具有柴油机驱动装置的机器上，柴油发动机的转速通常是被加速的，其中返回的能量在柴油发动机中被转化为热量，并被散发和/或被排放。柴油发动机在这方面不易受影响，并能系统地提供高制动力矩(排气制动闸)，因此通常不需要额外的用于分配反向功率的装置。
然而，在发动机直接由电力供应网络供电的由电动机驱动的机器中，情况并非如此。相反，当具有来自驱动器之一的反向功率时，功率流反转，即电动机用作发电机，并且功率被反馈回到供电网络。在这种情况下必须遵守严格的规定，因为该设备被归类为产生电能的发电设备。另外，在直接由电网供电的电动机中，它们通常只能以恒定的频率运行，因此其速度在很大程度上被设定不变。变速操作是不可能的。这些从电机回收的能量在频率和相位上是与电网异步的，因此无法反馈回到公用电网。
为了解决这个问题并实现与供电网络的解耦，已经提出在上述类型的以电动机为动力的机器中使用变频器来调节电动驱动器的速度。在该过程中，通常还提供制动机构，该制动机构包括特别是所谓的制动斩波器形式的电子功率开关以及功率电阻器和/或制动电阻器，其中反向能量被转换成热量并且/或者反向功率可以被耗散。因此，回收或反馈的能量不能够被利用。机器的冷却系统也经常是高负荷的，因此需要比正常运行的尺寸更大的冷却系统，这会使机器更重并且产生空间问题。
由于这个原因，最近已经提出了在具有共同作用的主电力驱动器和辅助液压驱动器的混合驱动器中使用能量储存装置以用于回收能量的中间存储，其中这种能量存储系统可以被配置为存储液压能量的液压蓄能器，或者被配置为用于存储在主电力驱动器中产生的电能的电力存储装置。例如，可以使用诸如气囊或活塞式蓄能器的蓄压器来存储液压能量，或者可以使用诸如双层电容器式存储装置或锂电池或其他可充电蓄电装置的电力存储装置。然而，诸如此类的能量存储系统导致相对复杂的附加结构，这些结构是昂贵的，并且从整体考虑时显著降低了系统的经济效益。
发明内容
在此基础上，本发明解决了生产改进的上述类型的机器并且提供改进的上述类型的方法的问题，其避免了现有技术的缺点并以有利的方式发展了现有技术。尤其是，应该实现用于从传动系传递到电动机的回收能量的中间存储的经济合算的方式，该经济合算的方式允许机器的高能效操作并且需要更少的冷却。
如本发明所要求保护的，所述问题通过根据本发明所述的用于操作物料诸如物料转移装置的机器的方法和根据本发明所述的机器，尤其是在周期运动中起作用的物料转移装置的形式，例如挖掘机或起重机来解决。
因此提出，从传动系传递回电动机的能量中的至少大部分不被转换成电能，而是以动能的形式被存储，并且为此目的，在其电磁阻力或者其扭转力矩或拖拽力矩方面，使得电动机进入这样一个状态，在该状态中电动机的拖曳阻力或电磁扭矩相对于常规的发动机和/或发电机运行状态而被大大地消除或至少显著地降低。对于回收能量的中间储存，电动机不起发电机的作用，而是作为动能储存装置或至少作为这种动能储存装置的一部分。根据本发明，用于从传动系传递到电动机的回收能量的中间储存的电驱动器至少是作为飞轮储能系统来使用，其中尤其是电动机的电磁转矩被控制为与速度成函数关系，并且在高于标称运行速度的储能系统速度范围内被设置为基本上是零。关闭或显著降低电动机的电磁转矩不会导致能量回馈到供电网络，而是导致回收能量的机械和/或动能形式的存储。
通过这种方式可以避免与电力被回馈到供电网络上有关的许多问题和必要措施，特别是不需要使用诸如锂电池或储能电容器的昂贵的电力存储设备。机器的冷却系统不必设计为用于能量回收的情况，而是可以具有明显更小的尺寸，因为基本上只有在正常运行期间产生的热量才必须被处理。与此同时，以动能形式而被中间储存的能量可以重新用于运行机器的工作单元，而不需要复杂的附加结构并且不会产生显著的能量损失。当电动机用作飞轮储能系统时，产生于电动机中的摩擦损失很小。采用非常简单的驱动结构并且不需要昂贵的附加部件，可以使机器的能耗大大降低。
当电动机本身的转子形成飞轮储能系统从而没有额外的飞轮或储能部件连接到电动机时，可以实现驱动装置和能量存储系统的特别简单的设计。在本发明的进一步实施例中，电动机，特别是其转子，可以根据其旋转惯量和其位于标称运行速度以上的最大允许速度而被确定尺寸，使得在正常使用期间产生的最大反向功率可以完全以飞轮储能系统中的动能的形式被存储。
当特别大量的回收能量由具有较小尺寸的电动机存储时，附加的飞轮机构仍然可以连接到电动机，其中可以在这样的附加的飞轮储能系统与电动机之间设置联轴器以确保有效的运行，并且所述联轴器允许附加的飞轮机构与电动机连接以及与电动机脱开连接，例如在正常驱动运行期间的脱开连接和在回收和储能运行期间的连接。
然而，通常在通用机器中产生的来自电动机和/或其转子的回收能量可以仅以动能的形式被中间存储，并且因此用于回收能量的以动能形式的中间存储的前述飞轮储能系统由电动机单独形成或飞轮储能系统的机构可以完全集成到电动机中。在储能系统速度范围内，通过使用回收能量来补偿大部分系统能量损失可以显著降低要存储的能量。这些系统能量损失可以是液压组件的拖拽能量，液压驱动风扇的驱动功率和/或驱动电机(摩擦/风扇)的能量损失。
有利地，电动机的电磁转矩的前述减小不仅在拖拽和/或制动操作模式期间实现，在驱动模式下也能实现。电动机控制装置不仅能够在从驱动系传递到电动机的能量的回收期间将电动机的电磁转矩保持为基本上是零，而且还能够在传动系中再次需要能量且能量能够由作为飞轮储能系统的电动机提供时将电动机的电磁转矩基本上保持为零，从而不需要电动机再次被供电。
特别是，只要上述储能装置速度范围内的电动机速度高于标称速度，电动机控制装置就可以将电动机的电磁转矩基本上保持为零。在拖拽超限或拖拽模式期间，一旦速度超过标称运行速度，电动机控制装置就会解除电磁阻力，使电机不能作为发电机运行，并保持此状态，直到速度再次降低并达到或低于标称操作速度。一旦速度低于标称运行速度，电动机控制装置就重新激活电动机的电磁转矩，使得电动机再次用作电力发动机以将电能转换为机械能。
有利地，前述储能装置速度范围可具有上限，以防止电动机超过最大允许速度或防止传动系超过最大允许速度。在本发明的有利改进方案中，在高于前述的储能装置速度范围尤其是高于最大可允许转速的致动速度范围内，电动机控制装置可以将电动机的电磁牵引力矩和/或拖拽力矩设定为预定制动力矩。特别地，电动机可以在所述制动速度范围内用作发电机，其中有利地，电动机控制装置可以与制动斩波器和/或制动电阻器形式的电子功率开关相关联，借助于该电子功率开关，在制动速度范围内由电动机产生的电能可以被耗散和/或在制动速度范围内由电动机产生的电能可以被转换成热量。然而，这样的电制动机构基本上用作冗余的附加安全制动器，其尺寸可以相应较小。在机器的正常运行期间出现的通常的制动操作或拖拽操作通过使用作为飞轮储能系统的电动机来控制，并且以这种方式由传动系提供给电动机的回收能量是以动能形式而被中间存储。
电动机控制装置与速度成函数地控制电动机的电磁扭转力矩和/或拖拽力矩，该速度基本上可以以各种方式来确定，诸如基于预定的运行参数的估计、计算、检测或其组合方式。在本发明的进一步实施例中，提供了用于检测电动机和/或传动系和/或所连接的工作单元的旋转速度的速度检测装置，其中电动机控制装置响应来自前述速度检测装置的信号来控制电动机的电磁转矩。例如，速度传感器可以直接检测电动机本身的速度。可替代地，电动机的速度也可以仅间接地被确定，例如通过测量与电动机连接的传动系的速度，该传动系可能通过变速器与电动机连接，或者通过检测与传动系连接的工作单元的驱动速度。
在本发明的进一步实施例中，电动机控制装置可以具有变频器以用于致动电动机和/或控制电动机的电磁扭转力矩和/或拖拽力矩。在使用上述变频器的驱动运行模式下，能够调整电动机的速度。可选地或另外地，借助于变频器，电动机在上述储能装置速度范围内的电磁转矩可以被减小或被设定为基本上是零，以及被回升到上述制动速度范围。然而，原则上也可以使用其他电子模块，借助于该电子模块，电动机在前述存储装置速度范围内的电磁转矩可以被减小或被设定为基本上是零。
附图说明
在下文中，基于优选实施例和相关附图更详细地解释本发明。附图示出了如下内容：
图1：物料处理挖掘机形式的机器的示意性透视图，示出了其在不同运行状态下发生的旋转和扭矩的运动方向以及电动机和传动系之间的能量流动，其中，作为对能量流动的展示的补充，由电动机控制装置控制的电动机的速度及其电磁转矩随时间而被展示；
图2：示出了电动机控制装置的操作的流程图，该电动机控制装置与速度成函数地控制电动机的电磁转矩；以及
图3：示出了在不同速度范围内由电动机提供的转矩的转矩-速度图。
具体实施方式
如图1所示，机器1尤其可以被构造为材料转移装置的形式，该装置在周期性运动中工作并且优选地为静止的或准静止的，例如挖掘机或起重机的形式，其中附图具体示出了具有夹持装置2作为其主要工作单元的挖掘机，该夹持装置铰接在吊杆臂的轴3上，其中所述夹持装置2可以通过各种液压致动器而产生运动和移位。以本身已知的方式，夹持装置2的夹爪可以被收紧在一起并且夹持装置2可以通过液压控制致动器相对于轴3旋转和/或倾斜，并且可以通过轴3的运动而被移位。吊杆臂16铰接在上部车厢4上，该上部车厢4可以通过回转机构相对于机器1的下部车厢而围绕竖直轴旋转。
然而，作为所示的物料处理挖掘机的替代方案，机器1还可以构造为另一挖掘机的形式，例如挖土机、采矿挖掘机或液压缆索挖掘机，但也可以是起重机的形式，例如作为履带式挖掘机、移动式港口起重机、离岸起重机、船用起重机或船舶起重机，或者也可以是优选地以周期性运动方式工作的另一建筑机器或物料处理机器的形式。
如图1所示，机器1包括主电力驱动器5，该主电力驱动器5具有至少一个电动机6并且驱动一个传动系7，特别是液压驱动器形式的辅助驱动器可以连接到该主电力驱动器5。例如，液力变矩器可以以泵的形式连接，例如是可调节的直列式活塞泵或轴向柱塞泵，但其他转换器和辅助驱动单元也可以被提供。液压驱动器8的所述液力变矩器可以向前述致动器供应液压，例如是以液压缸的形式，从而可以实现机器的致动运动。
可以从未详细示出的供电网络9向主电力驱动器5供应电流和/或电压，其中该供电网络9可以是固定电网，挖掘机通过电缆连接到该固定电网，或者该供电网络可以是由内燃机或足够大的电池或电流蓄能器或它们的组合驱动的发电机。
电动机6由电动机控制装置10致动，其中所述电动机控制装置10可具有至少一个变频器11。例如速度传感器形式的速度检测装置12检测电动机6和/或传动系7的速度，并向电动机控制装置10提供相应的速度信号，使得电动机控制装置10能够与速度成函数地通过变频器11致动电动机6。
在这种情况下，优选地，电动机6不像以前那样以恒定的频率运行，而是可以加速到标称运行速度nNenn或者可以加速到最大可允许速度nMax并且可以减速到最小速度nMin，最小速度大于零。
以本身已知的方式，电动机6包括转子，该转子没有具体示出，并且可以具有相对高的惯量，根据下面的用于惰性旋转体的公式可计算其动能：
E＝1/2·J·ω2，
其中E是动能，J是转子的质量惯性矩，并且ω是转子旋转的角速度。如本身已知的，需要能量来加速该转子，相反，当主体的旋转减慢时能量被释放。
结果，电动机6的转子可以用作飞轮储能系统。不是必须需要额外的运动储能部件，但额外的运动存储部件仍然可以被提供并将其连接到电动机。用于来自于驱动系统的回收能量的中间存储的能量存储装置13可以由电动机6和/或其转子单独形成。
如图1中的部分视图(a)所示，在由外部能量供电的正常驱动模式中，即从供电网络9供电时，从电动机6传输到传动系7的能量流由电动机6产生，其中电动机提供正转矩和正转速度。由供电网络9供应的电能被转换为所述正转矩并且相应的速度由电动机6转换得到，其中在这种情况下通过变频器11进行控制。这种正常情况下的驱动总是在执行加速运动和/或工作运动时发生，在此期间进行物理性工作。电动机6可以以恒定的速度运行，该恒定的速度例如可以为1800U/min。液压驱动器8的液力变矩器相应地由传动系7驱动并且执行致动运动。
在制动和/或拖拽运动的情况下，例如，当旋转机构降低上车厢4的速度，或者吊杆臂在夹持装置2的负载下位置降低，传动系7上的转矩反转以及因此电动机6的电机轴上的扭矩反转，并且机械能量流从传动系7返回到电动机6中；参照图1中的部分视图(b)。在该拖拽和/或制动操作中，电动机6由电动机控制装置10致动和/或调节，使得在其速度超过额定速度nNenn但不超过最大速度nMax的情况下电动机6的电力转矩被设定为基本上是零。如图2所示，由速度检测装置12提供的实际速度与预定的标称运行速度nNenn进行比较，同样地由速度检测装置12提供的实际速度与预定的最大可允许速度nMax也进行比较。如果实际速度大于标称运行速度nNenn但低于最大可允许速度nMax，即在在图3中被标识为“空转”的正常储能装置速度范围14内，则电动机6在没有电磁转矩的状态下运行，也就是说，它既不能作为发动机也不能作为发电机使用，并且基本上仅需通过克服其非常小的摩擦转矩和惯性而实现转动和加速。
在储能系统速度范围内，通过使用回收能量来补偿大部分系统能量损失，可显著降低要存储的能量。这些系统能量损失可以是液压组件的拖拽能量，液压驱动风扇的驱动功率和/或驱动电机(摩擦/风扇)的功率损失。
这意味着，在上述拖拽和/或制动操作期间，电动机6的转子由于来自传动系7的负扭矩而加速，并且被反转回到电动机6的来自传动系7的能量被转换而存储至电动机6的转子的旋转中，即，其被存储为用作飞轮储能系统的转子的动能。
电动机6的转动惯量，特别是其转子的转动惯量，以及电动机6的标称运行转速nNenn和最大可允许转速nMax之间的转速范围被有利地被计算，使得在机器1的正常运行期间，来自其动力传动系7的被反馈到电动机6的最大可能的能量可以被电动机5吸收并且以动能的形式被存储，而电动机6不会因此具有过大的转速或者超过最大可允许速度nMax。
如果由于例如应当执行加速运动或应当对夹持装置2上的载荷进行提升而需要在传动系7中再次反转转矩的方向，那么以动能形式存储在电动机6中的能量相应地首先被用于驱动传动系7。在再次从供电网络9向电动机6供应电力之前，首先使电动机6的转子再次减速以利用来自飞轮储能系统的被中间存储的动能。特别是，只要电动机6高于其标称运行速度nNenn，电动机6就在没有电力供应的情况下运行。参照图1的部分视图(c)，只要电动机6高于规定的标称运行转速nNenn，电动机6的电磁转矩就由电动机控制装置10保持为基本上是零。
如果传动系7中持续地需要能量，使得电动机6减速到低于标称运行速度nNenn，则有利地，从该时点开始恢复供应主动驱动能量，并且从供电网络9供应电能。电动机控制装置10通过变频器10相应地致动电动机6，并且它再次升高电磁转矩以便能够提供驱动能量。如图1的局部视图(c)所示，电动机6然后再次产生正转矩并向机器的传动系7供应能量。
如图1的部分视图(b)所示，在电动机6的电磁转矩被解除的能量回收操作期间，上升的速度n可以由速度检测装置12监测并且受到电动机控制装置10的限制。特别地，在达到最大可允许转速nMax的情况下，电动机控制装置10可以再次激活电机上的电磁转矩，使得电机用作发电机并提供负转矩或拖拽转矩；参照图3：“发电机运行状态”和图1的部分视图(b)：具有恒定速度和负扭矩的速度和扭矩变化图线的第二部分。在这种情况下电动机6的电磁转矩有利地由电动机控制装置10以这样的方式控制：提供恰好精确足够的制动转矩和/或拖拽转矩以防止速度超过最大可允许速度nMax并且使得电动机基本上以最大可允许速度nMax旋转。
在这种情况下产生的电动机6的发电机能量可以有利地通过电子功率开关而被耗散并且转换成热量，例如以制动斩波器和功率电阻器和/或制动电阻器的形式，电子功率开关附接到电动机控制装置10上。然而，就冗余制动机构而言，该电子制动器仅需要出于安全原因而被提供，从而其尺寸可以相应地较小，因为，在正常操作期间不会超过最大速度，从而被回收的全部能量以旋转转子中的动能的形式而被中间存储。
有利的是，电动机控制装置10被配置为使得完全防止向供电网络9回送反向电力。鉴于此，电能回送效应是微不足道，关于此的规定可以不予考虑。

Claims (13)

1.一种用于操作机器(1)的方法，所述机器包括具有用于驱动传动系(7)的至少一个电动机(6)的电驱动器(5)，其中在拖拽和/或制动操作中被回收并且从所述传动系(7)传递到所述电动机(6)的回收能量被中间存储，其特征在于，所述电动机(6)被用作飞轮储能系统以用于回收能量的中间存储，所述飞轮储能系统由所述电动机(6)的转子形成，其中，在拖拽和/或制动操作模式中以及在工作模式中,所述电动机的电磁扭转力矩或拖拽力矩在高于标称运行速度(nNenn)的储能装置速度范围(14)内被所述电动机控制装置(10)设定为零，其中在所述拖拽和/或制动操作模式中存在从所述传动系(7)到所述电动机(6)的能量流，并且在所述工作模式中存在从所述电动机(6)到所述传动系(7)的能量流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机器是物料转移装置。
3.一种机器，具有电驱动器(5)及能量存储系统(13)，所述电驱动器(5)具有用于驱动所述机器的传动系(7)的至少一个电动机(6)，所述能量存储系统(13)用于回收能量的中间存储，所述回收能量在拖拽和/或制动操作中被回收并从所述传动系(7)传递到所述电动机(6)，其中所述能量存储系统(13)为由所述电动机(6)的转子形成的飞轮储能系统，其中设置电动机控制装置(10)用于控制所述电动机的电磁扭转力矩和/或拖拽力矩与电动机的速度成函数关系，其特征在于，所述电动机控制装置(10)的构造方式使得，在拖拽和/或制动操作模式中以及在工作模式中，所述电磁扭转力矩和/或所述拖拽力矩在高于标称运行速度(nNenn)的储能装置速度范围(14)内被设置为零，其中在所述拖拽和/或制动操作模式中存在从所述传动系(7)到所述电动机(6)的能量流，并且在所述工作模式中存在从所述电动机(6)到所述传动系(7)的能量流。
4.根据权利要求3所述的机器，其中，所述机器是在周期运动中起作用的物料转移装置。
5.根据权利要求3所述的机器，其中，所述机器是挖掘机或起重机。
6.根据权利要求3所述的机器，其中所述电驱动器(5)与液压驱动器(8)连接，所述液压驱动器(8)包括能够由所述电动机(6)驱动的至少一个液力变矩器。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的机器，其中，所述电动机(6)的尺寸根据其转子的转动惯量并且根据位于所述标称运行速度(nNenn)和最大允许速度(nMax)之间的旋转速度范围来确定，使得在所述机器(1)的正常使用期间出现的最大回收能量能够完全以电动机(6)中的动能的形式被中间存储。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的机器，其中所述储能装置速度范围(14)的上限被设置为最大可允许速度(nMax)，并且，在高于所述储能装置速度范围的制动速度范围之内，所述电动机控制装置(10)将所述电动机(6)的所述电磁扭转力矩和/或拖拽力矩设置为预定制动力矩。
9.根据权利要求8所述的机器，其中所述电动机控制装置(10)与电子制动功率开关相连接，在所述制动速度范围内由所述电动机(6)产生的电能可以借助所述电子制动功率开关而被耗散。
10.根据权利要求9所述的机器，其中所述电子制动功率开关是指制动斩波器和/或制动电阻器。
11.根据权利要求3至6中任一项所述的机器，其中，所述电动机控制装置(10)被构造成防止将电能回送到与所述电动机(6)连接的供电网络中。
12.根据权利要求3至6中任一项所述的机器，其中设置有速度检测装置(12)用于检测所述电动机(6)和/或所述传动系(7)和/或连接至所述传动系(7)的工作单元的旋转速度，并且其中所述电动机控制装置(10)响应于来自所述速度检测装置(12)的信号而控制所述电动机(6)的电磁扭转力矩和/或拖拽力矩。
13.根据权利要求3至6中任一项所述的机器，其中所述电动机控制装置(10)可具有变频器(11)以致动所述电动机(6)并且/或者控制所述电动机(6)的电磁扭转力矩和/或拖曳力矩。
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