CN114517638A - 一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法 - Google Patents

一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法 Download PDF

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李兵兵
陈慧勇
刘小伟
邓伟
刘东方
王烁
吴胜涛
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Abstract

本发明涉及一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法，动力系统包括：动力电池，电池管理系统和直流母线，直流母线通过电机控制器连接作业电机，作业电机包括主卷扬电机、动力头电机和主泵电机；所述直流母线连接有变流器，所述变流器用于通过外接电缆连接配电箱，配电箱用于连接电网；其中，主卷扬电机用于驱动主卷扬；动力头电机用于驱动钻头；主泵电机用于驱动泵组，泵组连接各液压作业部件。本发明提升了电动旋挖钻机的工况适应性、降低作业电耗、提升系统安全可靠性。

Description

一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及旋挖钻机领域，特别是一种纯电动旋挖钻机动力系统及其控制方法。
背景技术
目前的纯电动旋挖钻机基本采用一个驱动电机直接驱动液压泵来提供动力，通过外接电网给驱动电机供电，电机驱动液压泵输出液压油通向液压控制阀，由液压控制阀向马达或油缸输入具有方向、压力和流量的液压油，马达或油缸驱动执行机构完成各项动作。此种方案的电机直接驱动泵组(主泵、辅泵、齿轮泵、先导泵等)，待机状态时电机持续工作以维持各作业路径管路的液压压力。
目前此种纯电动旋挖钻机存在以下缺点：
①需配置大功率的电机以满足不同作业负荷变化需求，作业过程随负荷变化不断调整工作点，电机效率差；②各作业部件均通过液压系统驱动，液压系统传递路径长，管路损失多，整体传动效率低，造成能耗损耗高；③采用外接电缆供电，受不同工地配电柜的功率限制，电缆供电能力受工地场景因素影响大，整机的打钻作业效果适应性差；④无法实现能量回收。
发明内容
本申请的目的在于提供一种纯电动旋挖钻机动力系统，用以解决现有技术电机效率低的问题。同时，本发明还提供了一种纯电动旋挖钻机动力系统的控制方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种纯电动旋挖钻机动力系统，包括：
直流母线，直流母线通过电机控制器连接作业电机，作业电机包括主卷扬电机、动力头电机和主泵电机；所述直流母线并联有两路供电，一路包括连接有变流器，所述变流器用于通过外接电缆连接配电箱，配电箱用于连接电网；另一路为动力电池，动力电池连接所述直流母线；
其中，主卷扬电机用于驱动主卷扬；动力头电机用于驱动钻头；主泵电机用于驱动泵组，泵组连接各液压作业部件。
进一步的，所述变流器为车载整流柜，用于将外接电网的交流电转化为直流电。
进一步的，所述电机控制器为多合一控制器，或者是独立的若干个电机控制器，每个电机控制器分别连接一个作业电机。
进一步的，所述作业电机还包括回转电机和行走电机。
进一步的，所述每种作业电机包括一台以上数量的电机。
进一步的，所述主卷扬系统包括主卷扬电机、主卷扬和制动器，所述主卷扬电机驱动所述主卷扬，所述制动器设于所述主卷扬电机和主卷扬之间。
本发明还提供一种控制方法，步骤包括：
当整机上电正常并接收工作转速指令后，主卷扬电机执行扭矩控制，读取上次停机时的记忆扭矩作为目标扭矩；
主卷扬电机增加扭矩，当扭矩达到目标扭矩后，请求制动器打开；若主卷扬电机扭矩无法增加到目标扭矩，且超过设定扭矩响应周期，则电机停机；
制动器打开后，主卷扬电机正常进行工作；
工作过程中，当接到停机指令或主卷扬异常故障报警或触发紧急制动，则存储此刻主卷扬电机的扭矩值，作为记忆扭矩，并完成制动器锁止。
本发明的有益效果包括：本发明的纯电动动力系统，适于使用小型电机，通过小型电机的组合来满足作业需求，各个电机工作效率高，节约能量，避免采用大型电机导致工作效率低、浪费能源的问题。本方面的控制方法基于重物状态的判断，实现了主卷扬的防溜保护。因此，本发明提升了电动旋挖钻机的工况适应性、降低了能耗、提升了系统安全性和可靠性。
附图说明
图1是纯电动旋挖钻机动力系统结构图；
图2主卷扬系统结构示意图；
图3主卷扬系统安全控制流程图；
其中，1、工地配电箱，2、外接电缆，3、车载整流柜，4、动力电池，5、电池管理系统，6、电机控制器，7、主卷扬电机，8、动力头电机，9、主泵电机，10、泵组，11、控制阀组，71、制动器，72、卷筒，73、钢绳，74、桅杆支撑架，75、重物。
具体实施方式
如图1所示，本发明的纯电动旋挖钻机动力系统，包括直流母线，直流母线通过电机控制器6连接作业电机，作业电机包括主卷扬电机7、动力头电机8和主泵电机9。
直流母线的电源供给包括两路，一路是动力电池4，动力电池4配置有电池管理系统(BMS)5，动力电池4连接直流母线；另一路是外接市电，市电经过配电箱1(设置在工地上)、车载整流柜(AC/DC)3连接直流母线，用于将电网的交流电转化为直流电，也可以具备将直流电升压或降压的作用。
外接电缆2前端与配电箱(AC/AC)1连接，将电网的交流电输送给后端连接的车载整流柜3，动力电池4和电池管理系统5共同组成车载能源供应系统，其与车载整流柜3并联输出，连接直流母线，提供电能给电机控制器6。电机控制器6为逆变设备，用于将直流电转化为交流电，以供电机运行。电机控制器6可以是集成的多合一控制器，也可以是各自独立的单个电机控制器(例如，每个电机分别配置一个电机控制器)。
其中，主卷扬系统如图2所示，主卷扬电机7用于驱动主卷扬72，主卷扬72卷绕有钢绳73，钢绳73通过桅杆支撑架74牵引重物75；主卷扬72还包括制动器71，制动器71设于主卷扬电机7和主卷扬72之间，或集成到主卷扬72上。
其中，动力头电机8用于驱动钻头。
其中，主泵系统包括主泵电机9和泵组10等，主泵电机驱动泵组10，泵组10与控制阀组11连接，控制阀组11与各液压系统作业部件相连。通过控制阀组11，可以实现对各液压作业部件的启动、关闭和流量调节。本实施例中，动力头、主卷扬等属于主要作业部件，因此采用独立电机分别直接驱动；而对于上述液压作业部件，属于不常作业的部件，因此采用电机驱动液压系统的方式提供动力。
其中，作业电机除了包含主卷扬电机7、动力头电机8、主泵电机9，还可以根据具体情况增加其他类型的作业电机，比如回转电机、行走电机等。另外，对于某种类型的作业电机，其可以是单一电机，也可以包括多个电机，也就是说，可以选择不同电机数量及布置方式等。比如，为提升动力头的打钻效果，采用并列双电机驱动动力头；为保证主卷扬的提升和制动重物效果，采用串联双电机来实现。本实施例中，电机优选为永磁同步电机。
其中，本实施例中动力电池作为车载供电装置，作为其他实施方式，也可以是超级电容或其它电能存储装置。
本实施例的纯电动动力系统，完全依靠电能驱动，不借助化石燃料等其他能源形式；而电能供给包括市电和电池两种途径，相对于单一途径，系统安全性、稳定性更强，也提高了旋挖钻机的适应性。例如，当连接电网时，电网为主供电途径；当未连接电网或电网可提供功率较小时，电池为主供电途径。另外，动力电池还能够对电机制动过程的能量进行回收(主卷扬电机提升和下放钻杆、钻斗等重物，对重物下放的过程中的能量可以进行回收利用)，以节约能源。
本实施例的纯电动动力系统可以实现多种控制策略，下面介绍主卷扬系统安全控制方法。
主卷扬系统如图2所示，其中制动器71设于主卷扬电机7和主卷扬72之间，用于限制钢绳73。不同于主泵提供加压动力、动力头提供打钻驱动动力，主卷扬电机需提供重物在提升、下放过程中的及时响应动作，尤其是在急停状态下，卷扬电机需在机械制动器实施锁止前保持短时间停止状态。旋挖钻机运行过程中，可能出现故障或者紧急情况需要紧急制动，而后再进行重启。而重启后钢绳可能仍负担着重物，对于非电动的动力系统，机械或液压系统本身有限位能力，使重启后钢绳仍能保持张力。而电机在重启后没有相关控制指令，若钢绳仍然负重则可能导致一定的安全隐患。
为了解决该问题，本发明的思路是在停机时记忆此时的扭矩，在电机启动后维持制动器锁止，并且给予电机的扭矩指令等于该记忆的扭矩，从而保持钢绳张力，保证安全。
具体来说，如图3所示，安全控制方法步骤如下：
1)电机启动；
2)制动器保持锁止状态；
3)判断整机上电是否正常并接收到工作转速指令；
4)若否，则等待；若是，主卷扬电机执行扭矩控制，读取上次停机时的记忆扭矩作为目标扭矩；所谓记忆扭矩就是停机时存储的扭矩值；
5)主卷扬电机实际扭矩开始提升，判断主卷扬电机实际扭矩是否提升到目标扭矩；
若否，即主卷扬电机扭矩始终无法提升到目标扭矩(可能由于电机故障或者其他设备故障导致)，且超过设定扭矩响应周期，则电机停机；所谓设定扭矩响应周期，由工程设计人员根据实际情况确定；
6)若是，即在设定扭矩响应周期内实际扭矩提升到目标扭矩；此时则请求制动器打开；
7)判断制动器是否打开，即对制动器状态进行确认。若在设定请求周期内，制动器未打开，则继续请求制动器打开；所述设定请求周期，是给予确认的时间，由工程设计人员确定。
8)完成确认，即在设定请求周期内制动器打开。由于卷扬电机的扭矩存在，可保证制动器打开的瞬间重物不向下滑溜，从而保证了安全。在制动器打开后，，卷扬电机切换至转速控制，响应正常的目标转速指令，正常进行工作；
9)在正常工作过程中，当接到停机指令、卷扬异常故障报警或触发紧急制动，则发送制动器锁止请求，存储此刻卷扬电机扭矩值，作为记忆扭矩，并完成制动器锁止。主卷扬电机执行目标指令的过程中，持续进行停机执行、故障报警、紧急制动灯触发信号的判断(例如，通过中断机制)，保证制动需求的及时响应；在请求执行目标指令的过程中，分别设定了响应检测周期，以应对系统的响应处理过程，并对超期或无指令动作回归制动器锁止状态进行执行；
10)电机重启，从步骤1)再次开始。
在每次启动时，由于执行了步骤3)-6)，可保证制动器打开的瞬间重物不向下滑溜，避免了安全事故的发生。
综上，本发明的纯电动动力系统，适于使用小型电机，通过小型电机的组合来满足作业需求，各个电机工作效率高，节约能量，避免采用大型电机导致工作效率低、浪费能源的问题。本方面的控制方法基于重物状态的判断，实现了主卷扬的防溜保护。因此，本发明提升了电动旋挖钻机的工况适应性、降低了能耗、提升了系统安全性和可靠性。

Claims (7)

1.一种纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，包括：直流母线，直流母线通过电机控制器连接作业电机，作业电机包括主卷扬电机、动力头电机和主泵电机；所述直流母线并联有两路供电，一路包括连接有变流器，所述变流器用于通过外接电缆连接配电箱，配电箱用于连接电网；另一路为动力电池，动力电池连接所述直流母线；
其中，主卷扬电机用于驱动主卷扬；动力头电机用于驱动钻头；主泵电机用于驱动泵组，泵组连接各液压作业部件。
2.根据权利要求1所述的纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，所述变流器为车载整流柜，用于将外接电网的交流电转化为直流电。
3.根据权利要求1所述的纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，所述电机控制器为多合一控制器，或者是独立的若干个电机控制器，每个电机控制器分别连接一个作业电机。
4.根据权利要求1所述的纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，所述作业电机还包括回转电机、行走电机。
5.根据权利要求1所述的纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，所述每种作业电机包括一台以上的电机数量。
6.根据权利要求1所述的纯电动旋挖钻机动力系统，其特征在于，所述主卷扬系统包括主卷扬电机、主卷扬和制动器，所述主卷扬电机驱动所述主卷扬，所述制动器设于所述主卷扬电机和主卷扬之间或集成到主卷扬上。
7.基于权利要求1-6任一项所述的纯电动旋挖钻机动力系统的控制方法，其特征在于，步骤包括：
当整机上电正常并接收工作指令后，主卷扬电机执行扭矩控制，读取上次停机时的记忆扭矩作为目标扭矩；
主卷扬电机增加扭矩，当扭矩达到目标扭矩后，请求制动器打开；若主卷扬电机扭矩无法增加到目标扭矩，且超过设定扭矩响应周期，则电机停机；
制动器打开后，主卷扬电机响应工作指令，正常工作；
工作过程中，当接到停机指令、主卷扬异常故障报警或触发紧急制动，则存储此刻主卷扬电机的扭矩值作为记忆扭矩，并完成制动器锁止。
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