CN108547343B - 一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，包括集成式电缆、软起动装置、滑环箱、主控制单元、电动机、人机界面、GPS装置和遥控中心，集成式电缆经软起动装置与滑环箱连接再连接主控制单元，主控制单元与电动机连接，电动机输出轴与液压泵连接，主控制单元通过集成式电缆经滑环箱与软起动装置连接，主控制单元还与人机界面和GPS装置连接通讯，GPS装置与遥控中心无线通讯。本发明提供的高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，应用于6kV/10kV等级，具有电网适应能力强、起动电流小、起动方式多样化等特点，实现高压电机的无冲击平滑起动，显著节约上车空间，可实现高压电能及CAN信号的传输和远程数据传输。

Description

一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，适用于动力为电网电能的电动型液压挖掘机，具体涉及一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统。

背景技术

随着近年来环境保护的日益重视以及动力源的改进，采用电动机驱动液压系统的电动型液压挖掘机逐渐成为挖掘机领域中新的研究方向与热点。传统电动液压挖掘机一般采用三相异步电机直接全压起动的控制方式，起动设备简单，但存在起动电流大、起动转矩冲击大、易造成电网冲击波动等缺点，即使采用串电抗起动或自耦变压器起动等降压措施，效果仍不理想。尤其，采用大功率高压电机的矿用大型电动液压挖掘机起动问题尤其突出，存在复杂电网环境下无法正常起动、电机轴负载连接装置易损、影响电网其它设备正常工作等问题，也不利于系统功率调节与效率提升。

当前大功率电力电子器件快速发展，基于晶闸管三相交流调压电路设计的软起动装置可以实现电动机无冲击软起动，且抗电网波动能力强，能有效延长电机及机械寿命，极大提高了系统起动效率与可靠性，但因其体积较大，电动液压挖掘机上车空间有限，安装维护存在诸多不便。

因此，研究一种适用于10(6)kV高压大功率场合的电动型液压挖掘机软起动系统是十分必要的，可充分发挥其节能高效与绿色环保的优势，尤其在大型矿山机械领域有着十分乐观的应用前景。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，适用于10(6)kV高压大功率场合的电动型液压挖掘机，基于挖掘机下车尾部支架安装结构的软起动装置，具有安装灵活、节约空间、维护简单、抗电网波动能力强、起动电流小等特点，在实现对电动机无冲击软起动的同时，采用集成式电缆及滑环箱实现高压电能与CAN总线通讯的稳定传输，而且人机界面友好，功能丰富，操作简单，并可通过GPS与远程控制中心实现对系统的远程监控，进一步提升软起动系统的工作效率与可靠性。

本发明采用的技术方案为：

一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，包括集成式电缆、软起动装置、滑环箱、主控制单元、电动机、人机界面、GPS装置和遥控中心，引自外部高压电源的集成式电缆经由软起动装置与滑环箱进线端连接，滑环箱出线端与主控制单元连接，主控制单元与电动机连接，电动机输出轴通过分动箱与液压泵进行机械连接，主控制单元通过集成式电缆中的CAN通讯电缆经滑环箱与软起动装置连接通讯，同时分别与人机界面和GPS装置连接，GPS装置与遥控中心无线通讯。

进一步的，所述集成式电缆主要由三相高压电缆、CAN通讯电缆及屏蔽地线构成，用于连接外部电源、软起动装置、滑环箱及主控制单元等，实现高压电能及CAN通讯信号的传输，并利用CAN通讯方式实现软起控制系统内的数据通讯。

进一步的，所述软起动装置固定于挖掘机下车尾部支架上方，利用集成式电缆将外部高压电源及内部通讯信号经滑环箱引入上车主控制单元，软起动装置包括控制器、进线断路器、软起动器、旁路接触器、电压传感器及电流传感器，外部高压电源10(6)kV由进线断路器进线端引入，进线断路器出线端分别通过集成式电缆经软起动器和旁路接触器与滑环箱进线端连接，控制器负责采集处理软起动装置内部的软起动器、进线断路器、旁路接触器、电压及电流传感器的信号并与主控制单元实时通讯，软起动器根据起动信号控制晶闸管阀组输出指令频率和指令电压，实现电动机的平稳起动，起动完成后，则由旁路接触器闭合进入全压工作状态，软起动器在接收相应起动指令的同时，通过软起动装置控制器向主控制单元发送系统运行参数与报警信息，对系统缺相、过压、欠压、均压不平衡、过流、过载、过热、速度异常、通讯失败及功率模块故障等进行有效监控。

进一步的，所述滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处，利用集成式电缆实现下车的软起动装置和滑环箱与挖掘机上车的主控制单元的连接，用于将电能和通讯信号由挖掘机下车传输至上车，具体为，通过滑环箱内部的高压滑环、信号旋转滑环及与其位置相对固定且相适配的电刷摩擦片实现电流及各信号传输，保证上车在360度运转时无损伤供电及信号传输。

进一步的，所述电动机为三相鼠笼式异步电动机，安装于挖掘机上车转台配重前方，其作用是采用10(6)kV高压电网电能，在软起动装置的控制下实现起动，电动机输出轴通过分动箱带动液压泵旋转为液压系统提供动力，同时，电动机内部安装与主控制单元输入端的温度传感器及转速传感器，温度传感器和转速传感器分别用于实时监测电动机的温度数据和转速并传送至主控制单元进行处理，实现对电动机的过热保护以及转速监控。

进一步的，所述电动机内部针对定子线圈与轴承安装相配合的温度传感器，电动机输出轴安装相配合的转速传感器，温度传感器和转速传感器与主控制单元输入端相连，分别用于实时监测电动机的温度数据和转速并传送至主控制单元，实现对电动机的过热保护和转速监控。

进一步的，所述主控制单元安装于挖掘机上车驾驶室后部，主控制单元通过其内部设置的接触器将引自滑环箱的集成式电缆接至电动机，主控制单元通过CAN通讯电缆与软起动装置的控制器连接，并通过CAN通讯电缆分别与人机界面的监控器和GPS装置连接通讯，主控制单元可将软起动装置的运行数据与报警信息发送至人机界面，同时对人机界面的输入操作指令进行处理，向软起动装置的主控器发送工作指令，并通过GPS装置将系统运行数据与报警信息发送至遥控中心，必要时可由遥控中心通过联系用户处理当前报警故障。

进一步的，所述人机界面安装于挖掘机驾驶室内前方工作台，包括指示灯、监控器与键盘，通过指示灯、监控器与键盘共同实现各种人机交互功能，包括软起动系统运行状态的显示、参数的设定与查询、故障诊断与维护提示、运行日志查询及各种控制命令的实现，指示灯具体包括电源、启停、故障等指示灯；监控器可实时显示软起动系统运行状态，包括频率、电流、电压、转速、温度等运行数据，及时发送系统缺相、过压、欠压、过流、过载、过热、速度异常、通讯失败及功率模块故障等报警信息，能够存储生成运行日志，并可根据系统运行时间向用户发出系统维护保养提示；键盘用于系统参数设定与控制指令发送，可向软起动装置控制器发出起停、工作模式切换、故障复位等指令信号。通过键盘能够选择起动方式，在软起动模式和直接全压起动模式之间切换；在软起动模式状态下，根据主控制单元的模式设定，选取限流起动、电压斜坡起动、突跳起动等方式，实现电动机的无冲击平稳起动；在直接全压起动模式下，可通过控制接通旁路接触器实现全压起动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，包括集成式电缆、软起动装置、滑环箱、主控制单元、电动机、人机界面、GPS装置和遥控中心，引自外部高压电源的集成式电缆经由软起动装置与滑环箱进线端连接，滑环箱出线端与主控制单元连接，主控制单元与电动机连接，电动机输出轴与液压泵连接，为整车液压系统提供动力，主控制单元通过集成式电缆经滑环箱与软起动装置连接通讯，主控制单元还与人机界面和GPS装置连接通讯，GPS装置与遥控中心无线通讯。本发明提供的高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，可应用于6kV/10kV高压等级的大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统中，具有电网适应能力强、起动电流小、起动方式多样化等特点，主控制单元通过采集处理整机的工作状态与控制指令，利用软起动装置实现对电动机起动控制，可实现高压电机的无冲击平滑起动，软起动装置采用挖掘机下车尾部支架的安装方式，显著节约了上车空间，具有安装灵活、维护性强、操作简单等特点，集成式电缆内部包含高压及信号电缆，同时滑环箱内部集成高压与信号传输滑环，可实现高压电能及CAN通讯信号的有效传输，通过人机界面实现系统运行控制操作、状态与报警信息显示以及参数模式设置，通过GPS装置与遥控中心进行无线远程通讯，能够对挖掘机软起动控制系统的运行状态进行实时采集与监控并能及时联络用户处理报警故障，实用性强，起动效率高，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明做详细的说明。

如图1所示，一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，包括集成式电缆、软起动装置、滑环箱、主控制单元、电动机、人机界面、GPS装置和遥控中心，软起动装置安装于挖掘机下车尾部支架上方，引自外部高压电源10(6)kV的集成式电缆经由软起动装置与滑环箱进线端连接，滑环箱出线端与主控制单元连接，主控制单元与电动机连接并调控电动机，电动机输出轴通过分动箱与液压泵进行机械连接，主控制单元还可通过集成式电缆中的CAN通讯电缆经滑环箱与软起动装置连接通讯，主控制单元同时又分别与人机界面和GPS装置连接通讯，GPS装置与遥控中心无线通讯连接，主控制单元将采集处理的软起动控制系统的运行信息等发送至人机界面和GPS装置，用户可通过人机界面查看系统运行信息，同时GPS装置可将系统运行信息传送至遥控中心，实现远程监控。

集成式电缆主要由三相高压电缆、CAN通讯电缆及屏蔽地线构成，用于连接外部高压电源、软起动装置、滑环箱和主控制单元，实现高压电能及CAN通讯信号的传输。

软起动装置包括控制器、进线断路器、软起动器、旁路接触器、电压传感器及电流传感器等，外部高压电源10(6)kV由进线断路器进线端引入，进线断路器出线端分别通过集成式电缆经由软起动器和旁路接触器与滑环箱进线端连接，再通过集成式电缆接入上车的主控制单元，控制器负责采集处理软起动装置内部的进线断路器、软起动器、旁路接触器、电压传感器及电流传感器等的状态信号并通过集成式电缆中的CAN通讯电缆与挖掘机上车的主控制单元实时通讯，根据上车主控制单元的指令信号驱动软起动器，软起动器根据主控制单元的指令信号控制晶闸管阀组输出指令频率和指令电压，实现电动机的平稳起动，起动完成后，则由旁路接触器闭合进入全压工作状态，软起动器在接收相应起动指令的同时，通过软起动装置的控制器向主控制单元发送运行参数与报警信息，对系统缺相、过压、欠压、均压不平衡、过流、过载、过热、速度异常、通讯失败及功率模块故障等进行有效监控。

滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处，采用一体化结构设计，利用集成式电缆实现挖掘机下车的软起动装置和滑环箱与挖掘机上车的主控制单元相连接，用于将电能和通讯信号由挖掘机下车传输至上车，具体为，通过滑环箱内部的高压滑环、信号旋转滑环及与其位置相对固定且适配的电刷摩擦片实现电流及信号传输，并保证上车360°运转时无损伤供电及信号传输，本发明使用的高压滑环、信号旋转滑环和电刷摩擦片均可市购获得。

电动机为三相鼠笼式异步电动机，安装于挖掘机上车转台配重前方，其作用是采用10(6)kV高压电网电能，在软起动装置的控制下实现起动，并通过分动箱带动液压泵旋转为液压系统提供动力，电动机内部安装与主控制单元输入端相连的温度传感器及转速传感器，电动机内部针对定子线圈与轴承安装有相配合的温度传感器，电动机输出轴安装相配合的转速传感器，温度传感器及转速传感器分别用于实时监测电动机的温度数据和转速，再通过CAN通讯电缆向主控制单元传送温度信号和转速信号，为软起动控制系统提供实时温度及速度数据，实现对电动机的过热保护以及转速监控，防止电动机出现过热故障。

软起动装置、主控制单元、GPS装置、人机界面之间均采用CAN总线实现连接通讯，具体为：主控制单元通过CAN通讯电缆与软起动装置的控制器连接，并通过CAN通讯电缆分别与人机界面的监控器和GPS装置连接通讯，利用CAN通讯电缆实现软起动控制系统内前述各模块的数据通讯，主控制单元可将软起动装置的运行数据与报警信息等发送至人机界面的监控器，软起动控制系统的运行及报警信息等主要由软起动装置产生并通过CAN通讯电缆发送至主控制单元，经主控制单元处理后，再通过CAN通讯电缆发送至人机界面的监控器，以便用户进行故障处理，同时主控制单元还可对人机界面的输入操作指令进行处理，做出响应，向软起动装置的控制器发送工作指令，并通过GPS装置将运行数据与报警信息等发送至遥控中心，可由遥控中心进行数据分析处理与故障诊断，必要时通知用户系统维护保养或紧急报警信息，GPS装置主要由车载终端模块及天线构成，安装于挖掘机驾驶室内部，GPS装置基于卫星定位、地理信息及无线通信等技术手段，可实现遥控中心对挖掘机的机位置及工作状态的实时监控，可采用现有技术中的车载终端技术。

人机界面安装于挖掘机驾驶室内前方工作台，包括监控器、若干个指示灯和键盘，通过指示灯、监控器与键盘共同实现各种人机交互功能，包括软起动控制系统运行状态的显示、工作参数的设定与查询、故障诊断与维护提示、运行日志查询及各种控制命令的实现，指示灯包括电源、启停、故障等各类指示灯，可根据实际需求设置用于提供不同功能的指示灯，通过不同功能的指示灯告知用户当前状态或发现存在的故障，便于及时检修等，监控器接收主控制单元传送的数据信息，实时显示软起动控制系统的运行状态，包括频率、电流、电压、转速、温度等运行数据，便于及时通知用户系统缺相、过压、欠压、过流、过载、过热、速度异常、通讯失败及功率模块故障等报警信息，便于用户处理软起动装置相应的报警故障，还能够生成和存储运行日志并可根据系统运行时间向用户发出系统维护保养提示，键盘用于系统参数设定与控制指令发送，可向软起动装置的控制器发出起停、工作模式切换、故障复位等指令信号，通过键盘能够选择起动方式，在软起动模式和直接全压起动模式之间自由切换，在软起动模式状态下，根据主控制单元的模式设定，选取限流起动、电压斜坡起动、突跳起动等方式，实现电动机的无冲击平稳起动，在直接全压起动模式下，可通过控制接通旁路接触器实现全压起动。

需要说明的是上述实施例并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，包括集成式电缆、软起动装置、滑环箱、主控制单元、电动机、人机界面、GPS装置和遥控中心，引自外部高压电源的集成式电缆经由软起动装置与滑环箱进线端连接，滑环箱出线端与主控制单元连接，主控制单元与电动机连接，电动机输出轴与液压泵连接，为整车液压系统提供动力，主控制单元通过集成式电缆经滑环箱与软起动装置连接通讯，主控制单元还与人机界面和GPS装置连接通讯，GPS装置与遥控中心无线通讯；

所述集成式电缆包括三相高压电缆、CAN通讯电缆及屏蔽地线，用于连接外部高压电源、软起动装置、滑环箱和主控制单元，实现高压电能及CAN通讯信号的传输；

所述电动机内部针对定子线圈与轴承安装相配合的温度传感器，电动机输出轴安装相配合的转速传感器，温度传感器和转速传感器与主控制单元输入端相连，分别用于实时监测电动机的温度数据和转速并传送至主控制单元，实现对电动机的过热保护和转速监控；

所述软起动装置安装于挖掘机下车尾部支架上方，软起动装置包括控制器、进线断路器、软起动器、旁路接触器、电压传感器和电流传感器，外部高压电源10(6)kV由进线断路器进线端引入，进线断路器出线端分别通过集成式电缆经软起动器和旁路接触器与滑环箱进线端连接，控制器负责采集处理软起动装置内部的软起动器、进线断路器、旁路接触器、电压及电流传感器的信号并与主控制单元实时通讯。

2.根据权利要求1所述的一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，所述滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处，集成式电缆经由挖掘机下车的软起动装置和滑环箱与挖掘机上车的主控制单元相连接，用于将电能和通讯信号由挖掘机下车传输至上车。

3.根据权利要求2所述的一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，所述滑环箱通过其内部设置的高压滑环、信号旋转滑环与电刷摩擦片实现电流及通讯信号的传输并保证上车360°运转时无损伤供电及信号传输。

4.根据权利要求1所述的一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，所述电动机为三相鼠笼式异步电动机，电动机安装于挖掘机上车转台配重前方，电动机采用10(6)kV高压电网电能并在软起动装置的控制下实现起动，电动机输出轴通过分动箱带动液压泵旋转为液压系统提供动力。

5.根据权利要求1所述的一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，所述主控制单元安装于挖掘机上车驾驶室后部，主控制单元通过其内部设置的接触器将引自滑环箱的集成式电缆接至电动机，主控制单元通过CAN通讯电缆与软起动装置的控制器、人机界面和GPS装置连接通讯，主控制单元将软起动控制系统的运行数据与报警信息发送至人机界面，并通过GPS装置将运行数据与报警信息发送至遥控中心，主控制单元对人机界面的输入操作指令进行处理并向软起动装置的控制器发送工作指令。

6.根据权利要求1所述的一种高压大功率电动型液压挖掘机软起动控制系统，其特征在于，所述人机界面安装于挖掘机驾驶室内前方工作台，包括指示灯、监控器与键盘，用于共同实现人机交互功能，包括软起动控制系统运行状态的显示、参数的设定与查询、故障诊断与维护提示、运行日志查询及各种控制命令的实现，通过键盘进行切换软起动模式和直接全压起动模式并实现电动机的起动。

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