ES2943118T3

ES2943118T3 - Sistemas, métodos y aparatos para almacenar energía en una máquina de explotación minera

Info

Publication number: ES2943118T3
Application number: ES16800832T
Authority: ES
Inventors: William A Dorsett; James B Dillinger; Michael John Lyten; Marcus N Barr; Bradley Neilson; Don F Owings
Original assignee: Joy Global Longview Operations LLC
Current assignee: Joy Global Longview Operations LLC
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: ZA201708188B; CA2987320A1; US9764634B2; MX2017015234A; WO2016191686A9; EP3303046A1; AU2016267252B2; CL2017003001A1; CN108136922B; EP3303046A4; US11084367B2; US20170341504A1; AU2016267252A9; EP3303047B1; US20180141431A1; RU2017146006A3; RU2732674C2; MX2022006819A; AU2021200592B2; BR112017025457A2

Abstract

Sistemas, métodos y aparatos para almacenar energía en una máquina minera. Una realización proporciona un vehículo de transporte que incluye un autobús eléctrico bidireccional, una fuente de energía acoplada al autobús eléctrico bidireccional, un motor acoplado al autobús eléctrico bidireccional y que opera un mecanismo de accionamiento incluido en el vehículo de transporte, una energía cinética sistema de almacenamiento acoplado al bus eléctrico bidireccional, y un controlador configurado para comunicarse con el sistema de almacenamiento de energía cinética y la fuente de alimentación. El sistema de almacenamiento de energía cinética incluye un volante y un motor de reluctancia conmutado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas, métodos y aparatos para almacenar energía en una máquina de explotación minera

Solicitudes relacionadas

Antecedentes

Las formas de realización de la invención proporcionan máquinas de explotación minera que incluyen un dispositivo de almacenamiento de energía, tal como un volante de inercia. En particular, algunas formas de realización de la invención prevén el uso de un sistema de almacenamiento de energía por volante de inercia en una pala cargadora articulada, de ruedas neumáticas, con un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada. En el documento DE 102010 013670 A1, se divulga un vehículo que incluye un sistema de almacenamiento de energía, tal como un volante de inercia.

Sumario

Los equipos de explotación minera trabajan normalmente en aplicaciones altamente cíclicas, en las que son frecuentes los cambios de dirección y las actividades de inicio y parada de rutinas. Estas acciones cíclicas se pueden usar para excavar, cargar, mover y despachar minerales.

En camiones o palas cargadoras con ruedas neumáticas, estos ciclos pueden producirse durante un periodo que va desde aproximadamente 30 segundos hasta, y por encima de, aproximadamente 3 a 4 minutos dependiendo de la aplicación. Las variaciones entre los periodos de los ciclos de las diferentes aplicaciones pueden atribuirse a la longitud de la distancia de transporte (la distancia que recorre la máquina entre el punto en el que dicha máquina recoge el material y el punto en el que vuelca dicho material).

Por ejemplo, para una pala cargadora de superficie que cargue camiones en una mina a cielo abierto, la longitud de la distancia de transporte puede ser aproximadamente 30 metros. Por consiguiente, si la pala cargadora tiene una velocidad de máquina inferior a aproximadamente 15 kilómetros por hora (“kph”), la pala cargadora puede completar un ciclo en menos de 30 segundos. No obstante, para una pala cargadora subterránea que esté trabajando en una socavación por bloques o paneles, la longitud de la distancia de transporte puede superar aproximadamente los 300 metros. Por lo tanto, si la pala cargadora subterránea tiene una velocidad de máquina de aproximadamente 20 kph, la pala cargadora subterránea puede completar un ciclo en aproximadamente 4 minutos.

De manera similar, los equipos de transporte, tales como las lanzaderas, completan de manera repetida la tarea de recuperar material de una máquina de explotación minera, transportar el material a una solución de trituración o manipulación de material, tal como un transportador, y, a continuación, volver a la máquina de explotación minera para recoger otra carga.

Las palas mecánicas grandes y las dragalinas funcionan también de una manera cíclica. Por ejemplo, las palas mecánicas y las dragalinas excavan y realizan el volcado en un movimiento cíclico en el que la dirección de giro de la máquina se invierte para volver a una posición de inicio al tiempo que acelerando y decelerando una masa elevada del vehículo.

Por consiguiente, existen posibilidades de mejorar la eficiencia de funcionamiento cíclico de los equipos de explotación minera a través del uso del almacenamiento de energía. Una de las posibilidades incluye capturar la energía cinética en el movimiento de la máquina, almacenar la energía y usar la energía almacenada para la siguiente fase de movimiento del ciclo. Otra de las posibilidades incluye suavizar la carga de potencia de pico de una fuente de potencia almacenando energía de dicha fuente en momentos de carga baja y usando la energía almacenada para ayudar a la fuente de potencia a trabajar con la carga de pico. Esta funcionalidad permite disminuir las dimensiones de la fuente de potencia, que puede ser un motor diésel, un transformador o un cable de alimentación, reduciendo los costes de instalación y mantenimiento. A través del mismo aumento de eficiencia, también existe una posibilidad de mejorar el rendimiento global de un tipo de máquina, para un consumo de energía dado.

Por consiguiente, las formas de realización de la invención usan un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye un volante de inercia u otra forma de sistema de almacenamiento de energía cinética (“KESS”). El KESS se puede usar con tecnología de reluctancia conmutada (“SR”) para almacenar energía en forma cinética con vistas a un uso posterior. De este modo, formas de realización de la invención incorporan uno o más KESS en una aplicación de tracción de explotación minera, de alta potencia, que se pueden usar en máquinas de superficie y máquinas subterráneas que incorporan tecnología de SR.

En algunas formas de realización, las máquinas que incorporan un KESS según se describe en la presente pueden incluir un motor diésel como fuente de potencia primaria. En esta forma de realización, el KESS lleva a cabo una función de promediado y elevación de potencia usando tanto energía de frenado como energía procedente del árbol de salida del motor diésel. No obstante, debe entenderse que el KESS también se puede usar con otras fuentes de potencia (que no sean diésel). Tal como se describe de forma más detallada posteriormente, el KESS puede asistir al motor durante picos de carga y puede nutrirse del motor durante caídas de carga. Por consiguiente, con un KESS dimensionado adecuadamente, el KESS se puede usar para lograr un promediado de potencia completo, en el que un motor funciona continuamente con una carga casi constante (por ejemplo, sin variaciones). El uso del promediado de potencia proporcionado por el KESS permite reducir las dimensiones del motor. De manera similar, el promediado de potencia puede ampliar la vida del motor y maximizar el ahorro de combustible al hacer trabajar el motor en un estado de salida constante.

Además, en algunas formas de realización, el motor diésel se puede sustituir por una fuente de potencia diferente, tal como una batería. En particular, el promediado de potencia completo proporcionado por un sistema de tracción con KESS (desarrollado con un motor diésel) puede optimizar una solución basada en baterías para algunas máquinas, tales como un equipo de carga, transporte y volcado (“LHD”) o una lanzadera. Debe entenderse que, como alternativa a un motor diésel también podrían usarse otras fuentes de potencia, tales como celdas de combustible (por ejemplo, debido a la densidad de potencia del almacenamiento de combustible líquido con respecto a las baterías).

Por ejemplo, algunas formas de realización proporcionan un vehículo de transporte que incluye un bus eléctrico bidireccional, una fuente de potencia, un motor, un sistema de almacenamiento de energía cinética y un controlador. La fuente de potencia está acoplada al bus eléctrico bidireccional a través de un primer convertidor de potencia. El motor está acoplado al bus eléctrico bidireccional a través de un segundo convertidor de potencia. El motor se alimenta mediante energía disponible en el bus eléctrico bidireccional y actúa sobre un mecanismo de accionamiento incluido en el vehículo de transporte. El sistema de almacenamiento de energía cinética está acoplado al bus eléctrico bidireccional a través de un tercer convertidor de potencia e incluye un volante de inercia y un motor de reluctancia conmutada. El controlador está configurado para comunicarse con el sistema de almacenamiento de energía cinética y la fuente de potencia. El controlador también está configurado para hacer funcionar el sistema de almacenamiento de energía cinética como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional y para hacer funcionar la fuente de potencia como fuente de potencia secundaria para el bus eléctrico bidireccional cuando el sistema de almacenamiento de energía cinética no puede satisfacer la demanda de energía en el bus eléctrico bidireccional.

Otras formas de realización proporcionan un método de funcionamiento de un vehículo de transporte. El método incluye determinar, con un controlador configurado para comunicarse con un sistema de almacenamiento de energía cinética y una fuente de potencia incluidos en el vehículo de transporte, una demanda de energía en un bus eléctrico bidireccional incluido en el vehículo de transporte y determinar, con el controlador, energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética. El método también incluye hacer funcionar, con el controlador, el sistema de almacenamiento de energía cinética como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional cuando la energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética satisface la demanda de energía y hacer funcionar, con el controlador, la fuente de potencia como fuente de potencia secundaria para el bus eléctrico bidireccional cuando la energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética no puede satisfacer la demanda de energía.

Las formas de realización adicionales proporcionan un vehículo de transporte que incluye una cuchara móvil en al menos una dirección, un accionador para mover la cuchara en la por lo menos una dirección, un control de operario que incluye un mecanismo de selección y un controlador. El controlador está configurado para recibir una entrada que representa una selección del mecanismo de selección. Como respuesta a la entrada, el controlador está configurado para determinar una posición actual de la cuchara, recuperar, de una memoria, una posición de transporte predeterminada, comparar la posición actual de la cuchara con la posición de transporte predeterminada y, cuando la posición actual de la cuchara difiere con respecto a la posición de transporte predeterminada, hacer funcionar automáticamente el accionador para mover la cuchara a la posición de transporte predeterminada.

Otras formas de realización proporcionan un método de funcionamiento automático de un vehículo de transporte. El método incluye recibir, con un controlador, una entrada que representa una selección de un mecanismo de selección. El método también incluye, como respuesta a la recepción de la entrada, determinar, con el controlador, una posición actual de una cuchara del vehículo de transporte, y recuperar, con el controlador, una posición de transporte predeterminada de una memoria. El método también incluye comparar, con el controlador, la posición actual de la cuchara con la posición de transporte predeterminada y, cuando la posición actual de la cuchara difiere con respecto a la posición de transporte predeterminada, controlar automáticamente, con el controlador, un accionador para mover la cuchara a la posición de transporte predeterminada.

Otros aspectos de la invención se pondrán de manifiesto al considerar la descripción detallada, y los dibujos y el apéndice adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento mecánico.

La figura 2 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada (“SR”). La figura 3 ilustra esquemáticamente una arquitectura de un sistema para una pala cargadora de superficie de SR híbrida diésel.

La figura 4 es una gráfica de una curva de eficiencia de una máquina de SR.

Las figuras 5 y 6 ilustran unas curvas de potencia para un sistema de accionamiento de SR con un sistema de almacenamiento de energía cinética (“KESS”).

La figura 7 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de SR con un KESS y una batería o celda de combustible.

La figura 8 ilustra esquemáticamente una arquitectura de un sistema para un sistema de accionamiento de SR con un KESS.

La figura 9 ilustra una curva de control para un KESS.

La figura 10 es una vista en perspectiva de un equipo de explotación minera, específicamente, una pala cargadora.

La figura 11 ilustra esquemáticamente elementos funcionales del equipo de explotación minera de la figura 10. La figura 12 ilustra esquemáticamente un controlador incluido en el equipo de explotación minera de la figura 10.

La figura 13 ilustra esquemáticamente un posible flujo de energía dentro del equipo de la figura 10.

La figura 14 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia dentro del equipo de la figura 10 para cargar el sistema de almacenamiento de energía cinética.

La figura 15 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia en el equipo de la figura 10 para aplicar propulsión usando el sistema de almacenamiento de energía cinética.

La figura 16 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia en el equipo de la figura 10 para aplicar propulsión sin usar el sistema de almacenamiento de energía cinética.

La figura 17 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia en el equipo de la figura 10 para llevar a cabo un frenado suave.

La figura 18 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia en el equipo de la figura 10 para llevar a cabo un frenado fuerte y cargar el sistema de almacenamiento de energía cinética.

La figura 19 ilustra esquemáticamente el flujo de potencia en el equipo de la figura 10 para llevar a cabo un frenado fuerte sin cargar el sistema de almacenamiento de energía cinética.

La figura 20 ilustra esquemáticamente una máquina de explotación minera que incluye múltiples sistemas de almacenamiento de energía cinética.

La figura 21 ilustra un equipo de carga, transporte y volcado (“LHD”) con una cuchara posicionada en una posición de volcado.

La figura 22 ilustra el LHD de la figura 20 con la cuchara posicionada en una posición de excavación.

La figura 23 ilustra el LHD de la figura 20 con la cuchara posicionada en una posición de transporte.

Descripción detallada

Antes de explicar con detalle cualquier forma de realización de la invención, debe entenderse que la invención no se limita, en su aplicación, a los detalles de construcción y a la disposición de componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos adjuntos. La invención es apta para otras formas de realización y para ponerse en práctica o llevarse a cabo de diversas maneras. Asimismo, debe entenderse que la fraseología y terminología usadas en la presente tienen fines descriptivos y no deben considerarse como limitativas. El uso de “incluir”, “comprender” o “tener” y sus variantes en el presente documento está destinado a abarcar los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes así como elementos adicionales. A no ser que se especifique o limite, de otra manera, los términos “montado”, “conectado”, “sustentado” y “acoplado” y sus variantes se utilizan de manera amplia y abarcar montajes, conexiones, soportes y acoplamientos tanto directos como indirectos.

Además, debe entenderse que las formas de realización de la invención pueden incluir hardware, software y componentes o módulos electrónicos que, a efectos expositivos, se pueden ilustrar y describir como si la mayoría de los componentes se implementasen únicamente en hardware. No obstante, alguien con conocimientos habituales en la materia, y sobre la base de una lectura de esta descripción detallada, reconocerá que, en al menos una de las formas de realización, aspectos de la invención se pueden implementar en software (por ejemplo, almacenados en un medio no transitorio legible por ordenador) ejecutable por una o más unidades de procesado, tales como un microprocesador, circuitos integrados de aplicación específica (“ASIC”) u otro dispositivo electrónico. Por ello, debe señalarse que, para implementar la invención, se puede utilizar una pluralidad de dispositivos basados en hardware y software, así como una pluralidad de diferentes componentes estructurales. Por ello, “controladores” descritos en la memoria descriptiva pueden incluir uno o más procesadores o unidades de procesado electrónicos, uno o más módulos de medio legible por ordenador, una o más interfaces de entrada/salida y diversas conexiones (por ejemplo, un bus de sistema) que conecta los componentes.

Como se ha señalado anteriormente, formas de realización de la invención incorporan uno o más sistemas de almacenamiento de energía cinética (“KESS”) en un tren de transmisión de tracción de una máquina (por ejemplo, de alta potencia), que se pueden usar en máquinas de explotación minera (por ejemplo, máquinas de explotación minera de superficie y subterráneas) que incorporan tecnología de SR. Por consiguiente, formas de realización de la invención pueden usar KESS con un sistema de accionamiento eléctrico. Los sistemas de accionamiento eléctrico pueden quemar entre un 30% y un 40% menos de combustible que un equivalente de accionamiento mecánico. Este ahorro de combustible se puede lograr a través de diferencias de los trenes de transmisión respectivos del equipo y las eficiencias relativas. En particular, sistemas de accionamiento mecánico utilizados en la actualidad en aplicaciones de explotación minera de superficie utilizan un tren de transmisión mecánico convencional, con un convertidor de par, una caja de transmisión/transferencia semiautomática o automática y diferenciales. No obstante, los sistemas de accionamiento mecánico pueden ser ineficientes debido al funcionamiento del convertidor de par y pueden requerir un motor grande para suministrar una salida de alta potencia aun cuando el motor puede no funcionar consistentemente con un nivel de salida de pico. Por ejemplo, la figura 1 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento mecánico.

Los sistemas de accionamiento eléctrico de reluctancia conmutada proporcionan otras ventajas de eficiencia con respecto a los sistemas de transmisión de accionamiento mecánico. Por ejemplo, un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada puede permitir la reducción de las dimensiones del motor gracias a la capacidad del sistema de mantener la velocidad del motor en un nivel de salida de pico. Por ejemplo, la figura 2 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada. Además, la figura 3 ilustra esquemáticamente una pala cargadora de superficie con un accionamiento de SR híbrido diésel. Como se ha descrito anteriormente, las palas cargadoras de superficie desarrollan o llevan a cabo operaciones sustancialmente cíclicas. Por ejemplo, un ciclo de funcionamiento de una pala cargadora de superficie puede incluir aproximadamente cuatro cambios de dirección de la máquina durante un ciclo que puede durar aproximadamente 40 segundos.

En particular, como se ilustra en la figura 3, la pala cargadora de superficie incluye un motor 10 combinado con un motor/generador 12 (por ejemplo, un motor/generador de SR) y un sistema de tracción 13. El sistema de tracción 13 ilustrado en la figura 1 incluye cuatro motores de SR 14. Cada motor de SR 14 puede suministrar energía eléctrica a una rueda de la pala cargadora. Los motores de SR 14 y el motor/generador 12 están conectados mediante un bus eléctrico 16 (por ejemplo, un bus de corriente continua (“DC”)). Uno o más convertidores 18 conectan el motor/generador 12 al bus eléctrico 16. De manera similar, uno o más convertidores 18 conectan los motores de SR 14 al bus eléctrico 16. Los convertidores 18 pueden convertir la energía suministrada por el motor/generador 12 en potencia suministrada a través del bus eléctrico 16. De manera similar, los convertidores 18 pueden convertir energía suministrada a través del bus eléctrico 16 en energía utilizable por los motores de SR 14.

En el sistema ilustrado en la figura 3, las revoluciones por minuto (“RPM”) del motor 10 son independientes de la velocidad del motor de tracción proporcionada a través de los motores de SR 14. En otras palabras, cada motor de SR 14 puede tomar o proporcionar energía rotacional con respecto a la transmisión del motor a cualquier velocidad con una penalización pequeña en términos de pérdida de eficiencia. En algunas formas de realización, la velocidad del motor 10 se puede ajustar para trabajar con las RPM más bajas a las que esté disponible la potencia máxima del motor.

El ajuste de la velocidad del motor 10 (en el pico de la curva de potencia) facilita la posibilidad de aumentar la velocidad del motor 10 por encima de la velocidad fijada por el regulador (velocidad excesiva del motor), lo cual provoca que los inyectores de combustible dejen de suministrar combustible al motor 10 y permite usar la transmisión como volante de inercia para almacenar energía de frenado. Los sistemas de accionamiento mecánicos son ineficientes en el traslado de energía desde el árbol de transmisión del motor a las ruedas, particularmente cuando existe una alta diferencia de velocidad (por ejemplo, debido al funcionamiento del convertidor de par en condiciones de alta diferencia de velocidad). Comúnmente, el motor en las máquinas de accionamiento mecánico se encontrará con una carga elevada a velocidades por debajo de la curva de potencia de pico; esto significa que están quemando combustible con una eficiencia inferior a la máxima del motor. Debido a que los sistemas de accionamiento mecánico requieren típicamente una potencia elevada con RPM no óptimas del motor, los motores se pueden sobredimensionar en términos relativos, donde el valor nominal del motor según la placa es similar pero se requiere una capacidad volumétrica mayor del motor. Unos motores más grandes conducen a un diseño de la máquina que tiene costes operativos y de reconstrucción más altos además de mayores pérdidas por fricción.

La figura 4 ilustra una curva de eficiencia de una máquina de SR. Un sistema de SR puede proporcionar un par completo a las ruedas durante una parada al tiempo que consumiendo sólo aproximadamente un 10% de la potencia del motor. Esto puede producirse gracias a las bajas pérdidas reactivas del sistema de SR. Por ejemplo, las únicas pérdidas significativas pueden ser las pérdidas en el cobre generadas por la resistencia interna de las bobinas del motor y la corriente que pasa a través de ellas. Por consiguiente, la máquina de SR (motor o generador) puede tener una curva de eficiencia casi plana sobre su rango de velocidad tal como se ilustra en la figura 4 anterior.

En comparación, un tren de transmisión mecánico tiene típicamente una salida de potencia completa durante una parada. El convertidor de par requiere esta potencia para producir el par. La mayor parte de esta potencia se pierde en forma de calor, el cual es un subproducto del proceso de producción del par. Además, un convertidor de par es ineficiente siempre que haya presencia de deslizamientos o diferencias de velocidad significativos entre los árboles de entrada y salida.

Efectivamente, ambos sistemas se encuentran con una eficiencia de porcentaje cero durante una parada ya que la salida de potencia de un árbol estacionario es cero. En estas condiciones, la eficiencia de transmisión se podría medir como una función del par de salida con respecto al consumo de potencia. No obstante, en este escenario, el sistema de accionamiento de SR es más eficiente en cuanto a la producción del par por unidad de potencia consumida en comparación con la transmisión mecánica típica.

Asimismo, en una máquina de accionamiento mecánico, se usan frenos convencionales. Típicamente, estos frenos son frenos húmedos de discos en múltiples conjuntos. Como todos los frenos mecánicos, estos dispositivos convierten energía cinética en calor. El calor de un freno multidisco se transfiere al aceite hidráulico y se disipa por medio de un sistema de refrigeración de radiador.

En las máquinas de accionamiento de SR, tales como una pala cargadora de superficie, la energía de frenado se deriva de vuelta a la transmisión del motor. En algunas formas de realización, esta energía de frenado se usa tal como se describe a continuación. En particular, la energía de frenado en primer lugar puede compensar las pérdidas parásitas de la máquina. Estas incluyen, aunque sin carácter limitativo, el ventilador del motor y otros ventiladores de refrigeración, el aire acondicionado y el alternador de carga de la batería. Estos sistemas son de baja potencia en comparación con la energía de frenado que se está derivando por lo que sigue habiendo una cantidad significativa de energía con la que hay que tratar.

A continuación, a las cargas de los sistemas hidráulicos de trabajo se les puede suministrar energía. Esto incluye las funciones hidráulicas del polipasto, de la cuchara y de la dirección. Como contribución a la energía para el tren de transmisión se puede usar cualquier energía restante. Por ejemplo, el generador de SR, que ahora actúa como motor, contribuye a la fuerza motriz para el tren de transmisión hasta un punto en el que el regulador del motor puede reducir o interrumpir el suministro de combustible a los inyectores. En este punto, el motor puede no estar consumiendo ningún combustible y las pérdidas por fricción y por rozamiento con el aire del motor se compensan con el generador de SR. En estas formas de realización, la velocidad del motor se puede aumentar hasta el límite mecánico del motor, punto en el cual el motor se convierte en un dispositivo de almacenamiento de energía (un volante de inercia), aunque con una eficiencia deficiente debido a la fricción y el rozamiento con el aire del motor. El techo de la velocidad del motor (por ejemplo, aproximadamente 300 RPM) por encima del punto de corte del regulador se puede usar en la siguiente fase de propulsión para elevar la potencia disponible para el sistema de tracción por encima de la correspondiente del valor nominal del motor según la placa. El uso de la transmisión como dispositivo de almacenamiento de energía según se ha descrito anteriormente proporciona una opción de almacenamiento de energía cuando la velocidad de los ciclos de la máquina es elevada (por ejemplo, menos de aproximadamente 50 segundos) y la capacidad de almacenamiento de energía es baja en la medida en la que la energía almacenada en la transmisión puede ser reutilizada por el sistema de tracción antes de que sea consumida por las pérdidas de fricción y rozamiento con el aire del motor. Por consiguiente, esta opción de almacenamiento de energía se puede usar en palas cargadoras de superficie a una altitud elevada donde hay menos disponibilidad de oxígeno global para la combustión del motor. Por ejemplo, a una altitud elevada normalmente se requieren turbocompresores de diámetro mayor para suministrar aire al motor. Estos turbocompresores tardan mucho tiempo en girar hasta una velocidad de trabajo debido a la mayor masa inercial. Esta limitación de tiempo afecta al tiempo de respuesta del motor. Por lo tanto, un KESS puede complementar las necesidades de potencia del sistema de tracción mientras los turbocompresores llegan a la velocidad de trabajo.

No obstante, para la explotación minera subterránea, como alternativa a o en combinación con el almacenamiento de energía en la transmisión del motor, se puede usar un KESS para almacenar energía de frenado. El KESS proporciona ventajas en cuanto a la eficiencia del combustible y, consecuentemente, reduce las emisiones. En particular, el KESS proporciona una mayor duración, una mayor capacidad y una solución de almacenamiento con una eficiencia más alta en comparación con la solución de almacenamiento de la transmisión usada en palas cargadoras de superficie según se ha descrito en los párrafos anteriores. Por ejemplo, la figura 5 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada que incluye un KESS. Como se ilustra en la figura 5, el KESS puede proporcionar una elevación de potencia para complementar la salida del motor, puede permitir la reducción de las dimensiones del motor, o una combinación de ambos puntos. Por ejemplo, la figura 6 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada que incluye un KESS mayor que el KESS representado en la figura 5. Como se ilustra en la figura 6, el KESS de mayor tamaño puede proporcionar un promediado de potencia máximo del motor al tiempo que proporcionando potencia de pico elevada al sistema de tracción. Además, la figura 7 ilustra una curva de potencia para un sistema de accionamiento de reluctancia conmutada que incluye un KESS y una batería (por ejemplo, una batería de sodio), una celda de combustible, o ambas. Como se ilustra en la figura 7, con una fuente de potencia promediada, se pueden utilizar tecnologías de suministro de energía alternativas, tales como tecnologías de celdas de combustible y tecnologías basadas en baterías.

Los perfiles operativos de una máquina de explotación minera subterránea difieren significativamente con respecto a los perfiles operativos de una máquina de explotación minera de superficie, tal como una pala cargadora, una pala mecánica y similares. Por ejemplo, el perfil operativo de superficie es comúnmente corto, donde la máquina se encuentra con cuatro cambios de dirección en un periodo de ciclo de 40 segundos y se pasa aproximadamente de 8 a 10 segundos en parada llenando la cuchara. Por contraposición, en el entorno subterráneo existen dos modos de funcionamiento principales: (1) desarrollo y (2) trabajo de producción. Ambos modos de funcionamiento difieren con respecto al funcionamiento de superficie en términos de la distancia de transporte y el tiempo de ciclo resultante. Por ejemplo, una máquina subterránea puede transportar materiales durante distancias de hasta 200 metros en el desarrollo de la mina y por encima de 350 metros en la producción, y estas distancias dan como resultado tiempos del ciclo que varían desde aproximadamente 2 a aproximadamente 3 minutos.

Asimismo, en entornos de explotación minera subterráneos, el entorno de producción es predominantemente plano. Por ejemplo, las pendientes máximas que se observan en esta explotación son aproximadamente de 1 en 50 [1 in 50]. Como se ha descrito anteriormente, las máquinas subterráneas pueden transportar material a través de distancias que superan los 350 metros. Asimismo, en el ciclo de producción, las máquinas típicamente llevarán a cabo dos tramos de avance y dos tramos de sentido inverso. Además, en muchas minas, una pala cargadora de producción puede visitar muchos puntos de extracción a diferentes distancias de la trituradora para recoger mineral. Por consiguiente, la naturaleza de este ciclo puede depender de la distribución de la mina y de la distancia del mineral a la tolva de carga de la planta trituradora.

Basándose en este tipo de entorno, una posibilidad de almacenar energía en el ciclo de producción se produce durante los eventos de frenado. Para maximizar la productividad, la máquina subterránea debe poder acelerar y decelerar rápidamente. Por consiguiente, durante la deceleración, la energía extraída de los motores de tracción puede ser capturada, para su reutilización posterior, por un KESS. Adicionalmente, cuando el motor se encuentra en una situación de baja demanda, parte de su potencia disponible se podría usar para suministrar energía al KESS. Como se ha indicado anteriormente, el uso de energía almacenada según la manera mencionada permite reducir las dimensiones del motor diésel promediando la potencia de salida del motor sobre un ciclo. Además de la reducción de las dimensiones del motor, lo cual reduce costes, la magnitud de la reducción de las dimensiones también puede dar como resultado, en algunas formas de realización, el uso de un motor con un menor tamaño de bloque, lo cual proporciona ventajas de rendimiento adicionales ya que se reducen adicionalmente las pérdidas de fricción y de rozamiento con el aire del motor.

El KESS usado en estas situaciones puede tener la capacidad de almacenar la energía de uno o dos eventos de frenado (por ejemplo, aproximadamente 1.2 megajulios (“MJ” por evento) con una alta capacidad de potencia (por ejemplo, aproximadamente 500 kilovatios (“KW”) para permitir el llenado o vaciado del KESS en materia de segundos. El KESS también se puede configurar para proporcionar una toma y liberación eficientes de energía y conservar la energía almacenada con pérdidas mínimas a lo largo del tiempo.

Con respecto al entorno de desarrollo, el mayor porcentaje del trabajo de desarrollo se produce en torno a la carretera de entrada o declive de la mina. Estos declives tienen típicamente una pendiente de aproximadamente 1 en 6.5. Cuando se está trabajando en el entorno de desarrollo, la máquina subterránea excava del fondo del declive, por donde se prolonga la carretera, a través de técnicas de perforación y voladura. A continuación, la máquina sube por la distancia de transporte inclinada entre aproximadamente 25 y aproximadamente 200 metros donde la máquina vuelca el material o carga el material en un camión. A continuación, la máquina subterránea vuelve a la cara de excavación, lo cual implica conducir bajando por la pendiente de aproximadamente 200 metros mientras se frena para controlar la velocidad.

El transporte en pendiente ascendente es exigente en cuanto a potencia del motor y tiene un impacto en la vida de la transmisión mientras que el retorno por la pendiente descendente impone típicamente un esfuerzo elevado sobre los frenos. Un KESS que almacene la energía de frenado generada en la pendiente descendente que se recorre hasta la cara de excavación (por ejemplo, generando hasta 10 MJ) puede proporcionar una elevación significativa para el motor en el recorrido de la pendiente ascendente.

La figura 8 ilustra un sistema de accionamiento de SR con un KESS 30. El KESS 30 incluye un motor de accionamiento de SR 30a y un volante de inercia 30b. En la configuración ilustrada en la figura 8, el KESS 30 se puede configurar para almacenar energía de frenado cuando la máquina se ralentiza (la velocidad de un mecanismo de accionamiento disminuye) según una orden del operario. La energía se puede mantener en el KESS 30 durante varios minutos. Cuando el operario ordena a la máquina que acelere, el KESS 30 libera energía hacia el sistema de tracción, complementando la energía suministrada desde un motor (por ejemplo, un motor diésel) por medio de un motor/generador. En algunas formas de realización, esta liberación de energía desde el KESS 30 permite que la máquina tenga una potencia de pico disponible de aproximadamente el doble de la salida del motor solo.

Puede haber periodos durante el ciclo de funcionamiento en el que el motor no esté funcionando con carga completa. Durante estos periodos, la potencia del motor se puede usar para “llenar” el KESS 30. Esta funcionalidad puede garantizar que el KESS 30 se cargue o esté completo antes de un evento de aceleración.

En algunas formas de realización, la velocidad del KESS 30 puede estar vinculada vagamente con la velocidad de la máquina. Por ejemplo, cuando la máquina se acelera (la velocidad de un mecanismo de accionamiento aumenta), el KESS 30 se puede ralentizar (puede disminuir la velocidad de rotación del volante de inercia 122) en función de la liberación de energía desde el KESS 30. A la inversa, cuando la máquina se ralentiza (la velocidad de un mecanismo de accionamiento disminuye), el KESS 30 se puede cargar y, de manera correspondiente, se acelerará (aumenta la velocidad de rotación del volante de inercia 122). Una de las ventajas de este funcionamiento del KESS 30 es que las fuerzas giroscópicas del KESS 30 estarán en el nivel más bajo cuando la máquina se sitúe con una velocidad elevada y un movimiento o contacto rápido con la pared podría dar como resultado una sobrecarga de apoyo o alojamiento significativa. En algunas formas de realización, desde un control de operario se puede recibir una velocidad objetivo de la máquina.

Por ejemplo, en algunas formas de realización, la velocidad de rotación del KESS 30 (la velocidad de rotación del volante de inercia 30b) y, por lo tanto, la energía almacenada dentro del KESS 30, se controla en función de la velocidad de la máquina. Por ejemplo, la figura 9 ilustra una curva de control que compara una velocidad de la máquina con una velocidad de rotación del KESS 30. La línea 90 indica una velocidad objetivo del KESS 30 para una velocidad dada de la máquina y el área 92 que rodea la línea 90 indica un rango permisible de variación en torno a la velocidad objetivo. La relación ilustrada en la figura 9 se puede utilizar para proporcionar una gestión de las fuerzas giroscópicas del KESS 30, que pueden ser muy altas cuando la velocidad angular elevada de la máquina (tasa de cambio de dirección) coincide con la velocidad elevada de rotación del KESS 30. La forma de la curva también tiene en cuenta la energía requerida para acelerar y decelerar la máquina y se puede definir para el equipo y la aplicación específicos.

Tal como se describe con mayor detalle a continuación, en algunas formas de realización, cuando la velocidad de la máquina aumenta (durante una aceleración) se toma energía del KESS 30 y la misma se proporciona a motores de tracción situando la energía en un bus bidireccional (por ejemplo, un bus de DC) que alimenta los motores de tracción. Este suministro de energía reduce la velocidad de la rotación del KESS 30. Cuando el sistema de tracción requiere más potencia de la que está proporcionando el KESS 30, un motor diésel puede proporcionar energía complementaria. De manera similar, cuando el KESS 30 proporciona más energía de la requerida por los motores de tracción, el exceso de energía se puede disipar a través de rejillas de frenado.

De manera similar, cuando la velocidad de la máquina disminuye (durante una deceleración), al que KESS 30 se le ordena que aumente de velocidad, y la energía requerida para aumentar la velocidad del KESS 30 se toma del bus bidireccional. Esta energía es suministrada por los motores de tracción que están funcionando en un modo operativo de frenado. En algunas formas de realización, cuando el KESS 30 no recibe energía suficiente de los motores de tracción durante el modo operativo de frenado para cumplir los requisitos de la curva de velocidad, se puede aceptar energía del motor diésel por medio de un generador. De forma similar, cuando el KESS 30 está recibiendo un exceso de energía, se puede encaminar energía hacia la transmisión del motor mediante el generador para superar cualquier pérdida de la transmisión y descargar de combustible el motor. Cualquier exceso de energía adicional se puede disipar a través de las rejillas de frenado en forma de calor.

Por consiguiente, como se ha descrito anteriormente, el KESS 30 puede suministrar o recolectar energía del bus bidireccional según determine la curva de control ilustrada en la figura 9. El motor, a través de la funcionalidad del generador, puede suministrar energía únicamente cuando hay un déficit entre la energía suministrada por el KESS 30 y la energía demandada por los motores de tracción. La variación entre el suministro y la demanda es una función de las condiciones operativas en las que se encuentra la máquina. Por ejemplo, la inclinación o pendiente y la resistencia a la rodadura de la vía de circulación sobre la cual está trabajando la máquina pueden alterar el equilibrio de suministro y demanda entre el KESS 30 y los motores de tracción cuando los motores de tracción están funcionando tanto en un modo de propulsión como en un modo de frenado, lo cual avisa de la cantidad de energía demandada o suministrada. Por consiguiente, en términos rudimentarios, el KESS 30 puede ser la fuente de potencia primaria para el bus bidireccional y el motor puede ser una fuente de potencia secundaria para el bus bidireccional, tal como cuando el KESS 30 no puede satisfacer la demanda de energía en el bus eléctrico bidireccional.

Por consiguiente, en el espacio de explotación minera subterránea, una de las ventajas del KESS 30 es que se puede reducir la potencia de pico del motor de una máquina que esté trabajando en ese entorno. Este puede ser un factor importante ya que la potencia del motor puede ser un factor determinante en los requisitos de ventilación de una mina subterránea, lo cual es un gasto de capital significativo para el cliente. Por ejemplo, muchas jurisdicciones usan la potencia de la placa del motor como base para el flujo de aire de ventilación en las normas de cumplimiento.

Para máquinas de superficie, un KESS proporciona ventajas en situaciones de altitud elevada en las que la respuesta del motor se ve disminuida debido a un aire más diluido (menos oxígeno total disponible para la combustión del motor). Por ejemplo, para superar el problema del aire diluido, los fabricantes de los motores típicamente incrementan el diámetro de los turbocompresores. Este mayor diámetro hace que aumente la inercia de los turbocompresores dando como resultado un mayor retardo del turbo (tiempo de espera para que el turbocompresor desarrolle velocidad y empuje). El KESS se puede usar para proporcionar una fuente de potencia complementaria para la máquina mientras se está aumentando la salida de potencia del motor. Por ejemplo, el KESS se puede usar para cargar suavemente el motor con el fin de proporcionar una respuesta de la transmisión y, por tanto, un mejor rendimiento operativo, proporcionar una elevación de potencia adicional a partir de la energía de frenado que, de otro modo, se disiparía en forma de calor, o una combinación de ambos puntos.

Debe entenderse que el tamaño del KESS (por ejemplo, capacidad de energía y potencia nominal) se basa en los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, algunas aplicaciones pueden usar una solución de KESS como solución de baja capacidad y alta potencia u otras combinaciones de capacidad potencia en función de las necesidades operativas de la máquina. Por ejemplo, cuando una máquina está proporcionando máxima potencia durante periodos prolongados, a la máquina se le puede equipar con un KESS que proporcione una alta capacidad de almacenamiento de energía y una potencia nominal elevada.

Por ejemplo, la figura 10 ilustra un equipo de explotación minera 100 según una forma de realización de la invención. El equipo de explotación minera 100 puede ser una máquina de explotación minera subterránea (por ejemplo, un minador continuo, un sistema de transporte, una rozadora de tajo largo, una pala cargadora y similares) o una máquina de explotación minera de superficie (por ejemplo, una pala cargadora de ruedas, una pala mecánica híbrida, un minador dragalina y similares). El equipo de explotación minera 100 puede incluir un chasis 101 y un sistema de tracción 102, tal como una pluralidad de ruedas acopladas giratoriamente al chasis 105. El equipo de explotación minera 100 también puede incluir otros sistemas y componentes movibles, tales como un carrete de cable o un sistema de giro. En la forma de realización ilustrada en la figura 10, el equipo de explotación minera 100 es un equipo de carga, transporte y volcado (“LHD”) usado comúnmente en entornos de explotación minera subterráneos.

Como se ilustra en la figura 11, el equipo de explotación minera 100 incluye un generador/motor 103. El generador/motor 103 puede incluir un motor diésel que da salida a energía mecánica y un generador que convierte energía mecánica obtenida a la salida del motor en energía eléctrica. En algunas formas de realización, el generador incluye un generador de SR. En algunas formas de realización, el generador se puede usar como motor que incrementa la velocidad del motor (por ejemplo, para usar el motor como dispositivo de almacenamiento de energía utilizado por separado o en combinación con el sistema de almacenamiento de energía cinética descrito más adelante). Debe entenderse que, en algunas formas de realización, el equipo de explotación minera 100 incluye uno o más generadores alimentados por uno o más motores.

El generador/motor 103 proporciona potencia mecánica (mostrada en líneas de trazos en la figura 11) a bombas hidráulicas 104, que pueden accionar un sistema hidráulico de trabajo y ventiladores de refrigeración y elementos parásitos 107 usando energía hidráulica (mostrada en líneas de puntos y trazos en la figura 11). En particular, se hace pasar energía de rotación a través del generador y la misma se proporciona a las bombas hidráulicas 104 a través de una conexión mecánica entre las bombas hidráulicas 104 y el generador/motor 103. El generador/motor 103 también proporciona energía eléctrica (mostrada en líneas continuas en la figura 11) a un bus eléctrico bidireccional 106 (por ejemplo, un bus capacitivo de corriente continua (“DC”)). El bus eléctrico bidireccional 106 suministra energía eléctrica a uno o más motores de tracción 108 (por ejemplo, motores de SR). Por ejemplo, tal como se ilustra en la figura 11, el equipo de explotación minera 100 incluye un motor de tracción delantero izquierdo 108A, un motor de tracción delantero derecho 108B, un motor de tracción trasero izquierdo 108C y un motor de tracción trasero derecho 108D. Cada motor de tracción 108 alimenta una rueda u otro mecanismo de accionamiento incluido en el sistema de tracción 102. En particular, cada motor de tracción 108 convierte energía eléctrica recibida a través del bus eléctrico bidireccional 106 en energía de rotación para accionar un mecanismo de accionamiento. En algunas formas de realización, uno o más de los motores de tracción 108 incluyen motores de SR.

En algunas formas de realización, el bus eléctrico bidireccional 106 está en comunicación con uno o más convertidores 110. Los convertidores 110 se pueden configurar para transmitir energía a través del bus eléctrico bidireccional 106 o para recibir potencia del bus eléctrico bidireccional 106 (por ejemplo, para usar el bus eléctrico bidireccional 106 como bus bidireccional). Cada convertidor 110 se puede usar como convertidor de DC-a-DC, inversor de DC-a-AC, rectificador de AC-a-DC u otro tipo de convertidor de potencia. De manera alternativa o adicional, un convertidor 110 se puede usar como controlador de motor para un motor de tracción 108. Por ejemplo, el convertidor 110 se puede configurar para captar características de un motor de tracción 108 y responder a las características captadas. En algunas formas de realización, uno o más de los convertidores 110 usan dispositivos de conmutación eléctricos de transistores bipolares de puerta aislada (“ IGBT”). En algunas formas de realización, una pluralidad de convertidores (por ejemplo, paralelos) se puede usar para un componente acoplado al bus eléctrico bidireccional 106. Por ejemplo, el KESS 120 puede estar asociado a uno o más convertidores paralelos que regulan la energía entrante en el KESS 120 o saliente del KESS 120. Asimismo, en algunas formas de realización, el KESS 120 puede estar asociado a uno o más convertidores paralelos que regulan la energía entrante en el KESS 120 y convertidores paralelos que regulan la energía saliente del KESS 120. El uso de una pluralidad de convertidores paralelos puede tener un impacto en el rendimiento del KESS 120 (por ejemplo, carga más rápida, descarga más rápida, mayor potencial de carga, mayor potencial de descarga o una combinación de los mismos).

Como se ilustra en la figura 11, cada motor de tracción 108 está asociado a una rejilla de frenado 112. La rejilla de frenado 112 convierte energía cinética del motor de tracción en energía térmica (calor) durante el frenado del equipo de explotación minera 100.

El equipo de explotación minera 100 también incluye un sistema de almacenamiento de energía cinética (“KESS”) 120. El KESS 120 puede incluir un volante de inercia 122 y un motor/generador 124. En algunas formas de realización, el motor/generador 124 incluye un motor de velocidad variable, tal como un motor/generador de SR de velocidad variable. Por ejemplo, la acción de almacenar y recuperar energía de un KESS está asociada a la aceleración y ralentización de la masa giratoria. Por consiguiente, el amplio rango de potencia y velocidad constante de un motor de SR resulta muy adecuado para el KESS. El volante de inercia 122 está acoplado mecánicamente al motor/generador 124. El motor/generador 124 está configurado para recibir energía eléctrica del bus eléctrico bidireccional 106 y dar salida a energía de rotación hacia el volante de inercia 122, y, alternativamente, para recibir energía de rotación del volante de inercia 122 y dar salida a energía eléctrica hacia el bus eléctrico bidireccional 106. Por consiguiente, al producirse la recepción de energía eléctrica, el motor/generador 124 hace girar el volante de inercia 122 para almacenar energía cinética. Se puede recolectar energía almacenada del KESS 120 usando energía de rotación del volante de inercia 122 para hacer girar un rotor incluido en el motor/generador 124, que convierte la energía de rotación en energía eléctrica que se puede suministrar al bus eléctrico bidireccional 106. En algunas formas de realización, el volante de inercia 122 incluido en el KESS 120 tiene una velocidad de rotación desde aproximadamente 0 a aproximadamente 6500 RPM, lo cual permite que el KESS 120 proporcione una salida de energía hasta aproximadamente 4000 caballos de potencia (“hp”) por segundo (aproximadamente 3 MJ). En otras formas de realización, el volante de inercia 112 tiene una velocidad de rotación desde aproximadamente 3000 RPM a aproximadamente 10000 RPM o desde aproximadamente 5000 RPM a aproximadamente 8000 RPM. De manera similar, en algunas formas de realización, el KESS 120 proporciona una salida de energía desde aproximadamente 1 MJ a aproximadamente 15 MJ o desde aproximadamente 2 MJ a aproximadamente 7 MJ. Tal como se ha indicado anteriormente, la salida de energía del KESS 120 puede depender de la configuración del convertidor o convertidores que acoplen el KESS 120 al bus eléctrico bidireccional 106.

Aunque no se ilustra en la figura 11, el equipo de explotación minera 100 también incluye uno o más controladores que gestionan el funcionamiento del generador/motor 103 y el KESS 120. En particular, el equipo de explotación minera 100 puede incluir un controlador que emite órdenes hacia el KESS 120, incluidas órdenes relativas al par en el motor/generador 124 con el fin de almacenar energía en o recolectar energía del KESS 120. De manera similar, el equipo puede incluir un controlador que emite órdenes hacia el generador/motor 103 relativas a los niveles de salida del motor, del generador o de ambos. Además, el equipo de explotación minera 100 puede incluir un controlador que emite órdenes hacia los motores de tracción 108 que accionan el sistema de tracción 102. Debe entenderse que esta funcionalidad puede ser llevada a cabo por un único controlador o una pluralidad de controladores. Asimismo, en algunas formas de realización, la funcionalidad o una parte de la misma puede ser llevada a cabo por uno más controladores ubicados en alejamiento con respecto al equipo de explotación minera 100, tal como en una estación de control remota para el equipo de explotación minera 100. En algunas formas de realización, la funcionalidad llevada a cabo por el controlador descrito aquí se puede incluir en otro componente. Por ejemplo, el controlador se puede incluir en el KESS 120 (por ejemplo, dentro de un alojamiento común).

En algunas formas de realización, tal como se ha descrito anteriormente con respecto a la figura 9, el equipo de explotación minera 100 puede incluir un controlador que emite órdenes hacia el KESS 120 y hacia el generador/motor 103 para suministrar o recolectar energía sobre la base de la velocidad del equipo de explotación minera 100. En particular, tal como se describe de forma más detallada posteriormente, el controlador puede emitir órdenes hacia el KESS 120 y hacia el generador/motor 103 para usar el KESS 120 como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional 106.

La figura 12 ilustra un ejemplo de un controlador 150 incluido en el equipo de explotación minera 100. Como se ilustra en la figura 12, el controlador 150 incluye un procesador electrónico 152 (por ejemplo, uno o más microprocesadores, circuitos integrados de aplicación específica (“ASIC”) u otros dispositivos electrónicos), una memoria no transitoria legible por ordenador 154 y una interfaz de entrada/salida 156. Debe entenderse que el controlador 150 puede incluir componentes adicionales con respecto a aquellos ilustrados en la figura 12, y la configuración de componentes ilustrada en la figura 12 se proporciona solamente como ejemplo. La memoria 154 almacena instrucciones ejecutables por el procesador electrónico 152 para emitir órdenes según se ha indicado anteriormente (por ejemplo, a través de la interfaz de entrada/salida 156). Por ejemplo, el controlador 150 puede emitir órdenes para controlar los flujos de potencia descritos más adelante con respecto a las figuras 13 a 19. El controlador 150 también puede usar la interfaz de entrada/salida 158 para recibir información (por ejemplo, parámetros de funcionamiento, tales como velocidad de la máquina, orientación de la dirección, voltaje del bus, sensores de velocidad del motor, carga del motor, funciones de carga o mando del sistema de tracción, funciones de carga o mando del sistema hidráulico y similares) que el controlador 150 puede usar para determinar cuándo y qué tipo de órdenes emitir. Por ejemplo, en algunas formas de realización, el controlador 150 controla el KESS 120 sobre la base de una o más señales medidas, recibidas o calculadas para el equipo de explotación minera 100. Debe entenderse que la interfaz de entrada/salida 156 puede comunicarse con componentes externos al controlador 150 (por ejemplo, el KESS 120, el generador/motor 103, un controlador de motores y similares) a través de una conexión por cable o inalámbrica, incluidas redes de área local y redes de área con controlador.

La figura 13 ilustra los posibles flujos de potencia dentro del equipo de explotación minera 100. En particular, como se ilustra en la figura 13, las bombas hidráulicas 104 consumen energía proporcionada por el generador/motor 103. No obstante, el generador/motor 103 también puede recibir energía del bus eléctrico bidireccional 106 (por ejemplo, durante eventos de frenado). Además, cada motor de tracción 108 puede recibir energía del bus eléctrico bidireccional 106 y suministrar energía al bus eléctrico bidireccional 106. De manera similar, el KESS 120 puede recibir energía del bus eléctrico bidireccional 106 y suministrar energía al bus eléctrico bidireccional 106. Por contraposición, las rejillas de frenado 112 únicamente consumen energía del bus eléctrico bidireccional 106.

La figura 14 ilustra el flujo de potencia dentro del equipo de explotación minera 100 para cargar el KESS 120. En particular, como se ilustra en la figura 14, la potencia suministrada por el generador/motor 103 se proporciona al bus eléctrico bidireccional 106, el cual suministra potencia para cargar el KESS 120. En algunas formas de realización, el KESS 120 se carga durante el arranque del equipo de explotación minera 100. No obstante, en otras formas de realización, el KESS 120 se puede cargar durante periodos de carga baja en el generador/motor 103.

La figura 15 ilustra el flujo de potencia en el equipo de explotación minera 100 para aplicar una propulsión usando el KESS 120. En particular, después de que el KESS 120 se cargue, el KESS 120 puede suministrar energía al bus eléctrico bidireccional 106. La potencia es consumida por los motores de tracción 108. En algunas formas de realización, el KESS 120 actúa como fuente de potencia primaria o maestra para los motores de tracción 108. Si el KESS 120 no puede alimentar completamente los motores de tracción 108 con la potencia necesaria, los motores de tracción 108 pueden recibir potencia del generador/motor 103, que, como se ilustra en la figura 15, también suministra energía al bus eléctrico bidireccional 106. Por consiguiente, en esta disposición el KESS 120 es el proveedor primario de potencia para el sistema de tracción 102 con el generador/motor 103 proporcionando un suministro de respaldo. El KESS 120 es una fuente de potencia más sensible que el generador/motor 103. Por consiguiente, usando en primer lugar la fuente de potencia más sensible, el sistema de tracción 102 puede aumentar de velocidad más rápido de lo que permitiría un sistema de accionamiento convencional. Además, el uso del KESS 120 como proveedor primario de energía puede hacer que se reduzca la necesidad de hacer funcionar el generador/motor 103 a capacidad completa. En particular, tal como se ha descrito anteriormente, el uso del KESS 120 como fuente de potencia primaria para el sistema de tracción 102 puede permitir que el generador/motor 103 funcione con una salida más estable, lo cual ahorra combustible y reduce los requisitos de salida del motor.

Por consiguiente, durante el funcionamiento del equipo de explotación minera 100, el controlador 150 puede estar configurado para determinar una demanda de energía en el bus eléctrico bidireccional 106 y determinar la energía disponible a través del KESS 120. Cuando la energía disponible a través del KESS 120 satisface la demanda de energía, el controlador 150 puede estar configurado para hacer funcionar el KESS 120 como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional 106 (por ejemplo, controlando una velocidad de rotación del volante de inercia 122 incluido en el KESS 120). No obstante, cuando la energía disponible a través del KESS 120 no puede satisfacer la demanda de energía, el controlador 150 puede hacer funcionar el generador/motor 103 como fuente de potencia secundaria (por ejemplo, con cualquier energía disponible del KESS 120) para el bus eléctrico bidireccional 106 con el fin de satisfacer la demanda de energía.

La figura 16 ilustra el flujo de potencia en el equipo de explotación minera 100 para aplicar una propulsión sin usar el KESS 120. En esta situación, los motores de tracción 108 consumen energía del bus eléctrico bidireccional 106, la cual se suministra únicamente por medio del generador/motor 103. Esta situación se puede usar cuando el KESS 120 no está cargado, está funcionando defectuosamente o no está presente.

La figura 17 ilustra el flujo de potencia en el equipo de explotación minera 100 para llevar a cabo un frenado suave. Como se ilustra en la figura 17, durante el frenado del sistema de tracción 102, los motores de tracción 108 actúan como generadores y suministran energía eléctrica al bus eléctrico bidireccional 106. En la situación ilustrada en la figura 17 (frenado suave), la energía suministrada por los motores de tracción 108 se puede suministrar al generador incluido en el generador/motor 103. El generador puede usar la energía recibida para acelerar la transmisión entre el generador/motor 103 y las bombas hidráulicas 104 (por ejemplo, acelerar el motor a un punto de velocidad fijado en el que a los inyectores de combustible se les ordena dejar de entregar combustible al motor). En algunas situaciones, cuando la transmisión está siendo impulsada por el generador incluido en el generador/motor 103, el generador/motor 103 reduce el consumo de combustible (por ejemplo, para funcionar a un nivel de combustible cero).

De manera similar, la figura 18 ilustra el flujo de potencia en el equipo de explotación minera 100 para llevar a cabo un frenado fuerte y cargar el KESS 120. Como se ilustra en la figura 18, en estas situaciones, los motores de tracción 108 actúan como generadores y suministran energía eléctrica al bus eléctrico bidireccional 106. En la situación ilustrada en la figura 18 (frenado fuerte), la energía generada por los motores de tracción 108 y suministrada al bus eléctrico bidireccional 106 se puede suministrar al generador incluido en el generador/motor 103 y al KESS 120.

La figura 19 ilustra el flujo de potencia en el equipo de explotación minera 100 para llevar a cabo un frenado fuerte sin cargar el KESS 120 (por ejemplo, el KESS 120 está completo, funcionando defectuosamente o no presente). Como se ilustra en la figura 19, en estas situaciones, los motores de tracción 108 actúan como generadores y suministran energía eléctrica al bus eléctrico bidireccional 106. Parte de la energía suministrada se proporciona al generador incluido en el generador/motor 103. No obstante, parte de la energía suministrada también se suministra a una o más de las rejillas de frenado 112, que convierten la energía en calor.

Debe entenderse que, con el KESS 120, pueden usarse otros modos de funcionamiento. Por ejemplo, en algunas formas de realización, el generador/motor 103 se puede usar como fuente de potencia primaria del sistema de tracción 102 y el KESS 120 puede proporcionar suministro de potencia de respaldo. En esta configuración, un controlador puede estar configurado para emitir órdenes hacia el KESS 120 que se pueden basar en la velocidad de funcionamiento del sistema de tracción 102.

Asimismo, en algunas formas de realización, se proporciona una interfaz de usuario para el equipo de explotación minera 100 y la misma permite que un operario configure el KESS 120. En algunas formas de realización, la interfaz de usuario también puede visualizar (por ejemplo, en texto o gráficamente) la cantidad actual de energía almacenada en el K^eS^s120.

Debe entenderse que, para una máquina de explotación minera particular, se puede usar más de un KESS 120 en función de las necesidades de energía de la máquina y las características del KESS 120. Asimismo, en algunas formas de realización, se pueden usar múltiples KESS 120 para reducir efectos giroscópicos asociados a un KESS (la rotación del volante de inercia). Por ejemplo, dos KESS 120 independientes (un primer KESS 120 y un segundo KESS 120) pueden estar contenidos dentro de un único alojamiento con los volantes de inercia 122 en contrarrotación reduciendo los efectos giroscópicos sobre la máquina. Por ejemplo, un primer KESS 120 puede incluir un primer volante de inercia 122 que gira en una primera dirección, y un segundo KESS 120 puede incluir un segundo volante de inercia 122 que gira en una segunda dirección opuesta a la primera dirección. De manera similar, cuatro KESS 120 (un primer KESS 120, un segundo KESS 120, un tercer KESS 120 y un cuarto KESS 120) pueden estar posicionados en cuatro direcciones cardinales según un plano para reducir efectos giroscópicos. Por ejemplo, tal como se ilustra en la figura 20, el primer KESS 120 puede estar posicionado en una primera dirección cardinal según un plano, el segundo KESS 120 puede estar posicionado en una segunda dirección cardinal según el plano, el tercer KESS 120 puede estar posicionado en una tercera dirección cardinal según el plano y el cuarto KESS 120 puede estar posicionado en una cuarta dirección cardinal según un plano.

Como se ha indicado anteriormente, el equipo de explotación minera 100 puede incluir un vehículo de transporte, tal como una LHD usado comúnmente en entornos de explotación minera subterráneos. Como se ilustra en la figura 20, un LHD 200 incluye una cuchara 202 sustentada por uno o más brazos 204, en donde la cuchara 202 es movible en por lo menos una dirección (por ejemplo, una altura horizontal, un ángulo con respecto a una posición horizontal o la combinación de las mismas). La cuchara 202 se puede mover usando uno o más accionadores (que cambian la posición de la cuchara 202, los brazos 204 o ambos), tales como uno o más accionadores hidráulicos, émbolos y similares, incluidos en el LHD 200. La cuchara 202 se puede mover sobre la base de una entrada recibida desde un control de operario, tal como un joystick, una palanca, un botón, una pantalla táctil y similares, incluidos en el LHD 200. Un controlador, tal como el controlador 150 antes descrito o un controlador similar, aparte, incluido en el LHD 200 puede recibir la entrada y controlar el accionador o accionadores en consecuencia (por ejemplo, emitiendo órdenes hacia el accionador o accionadores). En algunas formas de realización, el controlador también está configurado para proporcionar una funcionalidad automática de retorno-a-excavación.

Por ejemplo, cuando la cuchara 202 del LHD 200 está en una posición de no excavación (por ejemplo, una posición de volcado según se ilustra en la figura 21), un operario que esté haciendo funcionar el LHD 200 puede presionar un mecanismo de selección (por ejemplo, mecanismo de selección de “retorno a excavación”), tal como un botón, posicionado en un control de operario incluido en el LHD 200 (por ejemplo, un joystick de mano derecho o izquierdo del LHD 200, una pantalla táctil y similares) o en una estación de control remota el LHD 200. Cuando el operario selecciona este mecanismo de selección, el controlador 150 recibe una señal del mecanismo de selección (por ejemplo, directamente o a través de una o más redes) y, como respuesta, controla automáticamente el accionador o accionadores asociados a la cuchara 202 para reposicionar la cuchara 202 en una posición de excavación predeterminada (por ejemplo, una altura predeterminada, un ángulo predeterminado o la combinación de los mismos) (véase, por ejemplo, la figura 22). Como se ilustra en la figura 22, la posición de retorno a excavación se puede definir de manera que la cuchara 202 está aproximadamente horizontal con el suelo o el material que se está excavando.

Por ejemplo, el controlador 150 puede acceder a la posición de excavación predeterminada de una memoria (tal como la memoria 154 incluida en el controlador 150) y comparar la posición de excavación predeterminada almacenada con una posición actual de la cuchara 202. Tal como se describe más adelante, el controlador 150 puede usar datos recogidos por uno o más sensores para determinar la posición actual de la cuchara 202. Cuando las posiciones difieren, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para cambiar la posición actual de la cuchara 202 de manera que coincida con la posición de excavación predeterminada almacenada. Por ejemplo, cuando la altura actual de la cuchara 202 es mayor que la altura incluida en la posición de excavación predeterminada, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para hacer descendente la cuchara 202. De manera similar, cuando el ángulo actual de la cuchara 202 es mayor que el ángulo incluido en la posición de excavación predeterminada, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para disminuir el ángulo de la cuchara 202.

En algunas formas de realización, el controlador 150 puede comparar repetidamente una posición actual de la cuchara 202 con la posición de excavación predeterminada almacenada mientras mueve la cuchara 202 hasta que las posiciones se alinean. De manera alternativa o adicional, el controlador 150 puede comparar inicialmente una posición actual de la cuchara 202 con la posición de excavación predeterminada almacenada y determinar una cantidad de movimiento necesaria para situar la cuchara 202 en alineamiento con la posición de excavación predeterminada almacenada. A continuación, el controlador 150 puede ordenar el movimiento de la cuchara 202 sobre la base de la distancia determinada. Por consiguiente, en cualquiera de las configuraciones, el controlador 150 traduce una diferencia entre la posición actual y la posición almacenada en una orden o serie de órdenes para el accionador o accionadores, que simulan órdenes recibidas desde un control de operario. Por consiguiente, el uso del mecanismo de selección permite que el operario se concentre en conducir el LHD 200 sin tener que llevar a cabo también múltiples movimientos del joystick para devolver la cuchara 202 a una posición de excavación.

En algunas formas de realización, un operario puede ajustar manualmente la posición de excavación predeterminada (por ejemplo, la altura predeterminada, el ángulo predeterminado o la combinación de los mismos) de manera que se adecúen a sus preferencias o al entorno operativo. Por ejemplo, es posible que el operario pueda indicar cuándo está la cuchara 202 en una posición de excavación deseada (por ejemplo, seleccionando un mecanismo de selección o accionando un control de operario). El controlador 150 recibe la entrada del operario y guarda la posición actual de la cuchara 202 (por ejemplo, la altura actual, el ángulo actual o la combinación de estos). El controlador 150 puede determinar la posición actual sobre la base de datos recogidos por uno o más sensores que se comunican con el controlador 150 (por ejemplo, un sensor de presión, un codificador, un inclinómetro y similares). La información posicional almacenada se puede recuperar y aplicar cuando el operario seleccione posteriormente el mecanismo de selección de “retorno a excavación”. En algunas formas de realización, la posición de excavación predeterminada modificada se puede almacenar en forma de una posición absoluta (por ejemplo, una altura y un ángulo). No obstante, de manera alternativa o adicional, la posición de excavación predeterminada modificada se puede almacenar en forma de una desviación con respecto a la posición de excavación predeterminada por defecto (por ejemplo, una desviación de altura y una desviación de ángulo). En algunas formas de realización, la posición de excavación modificada se puede volver a fijar en la posición de excavación predeterminada por defecto después de que el LHD 200 se apague y se vuelva a arrancar. En otras formas de realización, la posición de excavación modificada se puede volver a fijar manualmente en la posición de excavación predeterminada por defecto (por ejemplo, como respuesta a la selección de un mecanismo de selección de ”fijación por defecto”).

De manera alternativa o adicional, el controlador 150 incluido en el LHD 200 puede proporcionar una funcionalidad automática de retorno-a-transporte. Por ejemplo, cuando la cuchara 202 del LHD 200 está en una posición de no excavación (por ejemplo, una posición de volcado según se ilustra en la figura 21), un operario que esté trabajando con el LHD 200 puede presionar un mecanismo de selección (por ejemplo, un mecanismo de selección de “retorno a transporte”), tal como un botón, posicionado en un control de operario incluido en el LHD 200 (por ejemplo, un joystick de mano derecho o izquierdo del LHD 200, una pantalla táctil y similares) o una estación de control remoto correspondiente al LHD 200. Cuando el operario selecciona este mecanismo de selección, el controlador 150 recibe una señal del mecanismo de selección (por ejemplo, directamente o a través de una o más redes) y, como respuesta, controla automáticamente el accionador o accionadores asociados a la cuchara 202 para volver a posicionar la cuchara 202 en una posición de transporte predeterminada (por ejemplo, una altura predeterminada, un ángulo predeterminado o la combinación de los mismos) (véase, por ejemplo, la figura 23).

Por ejemplo, el controlador 150 puede acceder a la posición de transporte predeterminada de una memoria (tal como la memoria 154 incluida en el controlador 150) y comparar la posición de transporte predeterminada almacenada con una posición actual de la cuchara 202. Como se ha descrito anteriormente, el controlador 150 puede usar datos recogidos por uno o más sensores para determinar la posición actual de la cuchara 202. Cuando las posiciones difieren, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para cambiar la posición actual de la cuchara 202 de manera que coincida con la posición de transporte predeterminada almacenada. Por ejemplo, cuando la altura actual de la cuchara 202 es inferior a la altura incluida en la posición de transporte predeterminada, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para elevar la cuchara 202. De manera similar, cuando el ángulo actual de la cuchara 202 es inferior al ángulo incluido en la posición de transporte predeterminada, el controlador 150 puede controlar el accionador o accionadores para incrementar el ángulo de la cuchara 202.

En algunas formas de realización, el controlador 150 puede comparar repetidamente una posición actual de la cuchara 202 con la posición de transporte predeterminada almacenada mientras mueve la cuchara 202 hasta que las posiciones se alinean. De manera alternativa o adicional, el controlador 150 puede comparar inicialmente una posición actual de la cuchara 202 con la posición de transporte predeterminada almacenada y determinar una cantidad de movimiento necesaria para situar la cuchara 202 en alineamiento con la posición de transporte predeterminada almacenada. A continuación, el controlador 150 puede ordenar el movimiento de la cuchara 202 sobre la base de la distancia determinada. Por consiguiente, en cualquiera de las configuraciones, el controlador 150 traduce una diferencia entre la posición actual y la posición almacenada en una orden o serie de órdenes para el accionador o accionadores, que simulan órdenes recibidas desde un control de operario. Por consiguiente, el uso del mecanismo de selección permite que el operario se concentre en conducir el LHD 200 sin tener que llevar a cabo también múltiples movimientos del joystick para devolver la cuchara 202 a una posición de transporte.

En algunas formas de realización, un operario puede ajustar manualmente la posición de transporte predeterminada (por ejemplo, la altura predeterminada, el ángulo predeterminado o la combinación de los mismos) de manera que se adecúen a sus preferencias o al entorno operativo. Por ejemplo, es posible que el operario pueda indicar cuándo está la cuchara 202 en una posición de transporte deseada (por ejemplo, seleccionando un mecanismo de selección o accionando un control de operario). El controlador 150 recibe la entrada del operario y guarda la posición actual de la cuchara 202 (por ejemplo, la altura actual, el ángulo actual o la combinación de estos). El controlador 150 puede determinar la posición actual sobre la base de datos recogidos por uno o más sensores que se comunican con el controlador 150 (por ejemplo, un sensor de presión, un codificador, un inclinómetro y similares). La información posicional almacenada se puede recuperar y aplicar cuando el operario seleccione posteriormente el mecanismo de selección de “retorno a transporte”. En algunas formas de realización, la posición de transporte predeterminada modificada se puede almacenar en forma de una posición absoluta (por ejemplo, una altura y un ángulo). No obstante, de manera alternativa o adicional, la posición de transporte predeterminada modificada se puede almacenar en forma de una desviación con respecto a la posición de transporte predeterminada por defecto (por ejemplo, una desviación de altura y una desviación de ángulo). En algunas formas de realización, la posición de transporte modificada se puede volver a fijar en la posición de transporte predeterminada por defecto después de que el LHD 200 se apague y se vuelva a arrancar. En otras formas de realización, la posición de transporte modificada se puede volver a fijar manualmente en la posición de transporte predeterminada por defecto (por ejemplo, como respuesta a la selección de un mecanismo de selección de "fijación por defecto”).

Como se ilustra en la figura 23, la posición de transporte se puede definir como la cuchara 202 girada hacia atrás y los brazos 204 abajo (la cuchara 202 está abajo y recogida para colocar la cuchara 202 en una posición muy estable de manera que la máquina pueda ser conducida a lo largo de las grandes distancias que se recorren comúnmente usando LHD). En particular, la posición de transporte y, posteriormente, la funcionalidad automática de retorno-a-transporte pueden proporcionar ventajas y situaciones en las que, una vez que el operario llena la cuchara 202 o vuelca la cuchara 202, el operario debe conducir el LHD 200 a lo largo de una distancia grande (por ejemplo, superior a aproximadamente 500 pies). Por ejemplo, las palas cargadoras con ruedas, de superficie, se desplazan típicamente menos de 300 pies durante un recorrido de ida y vuelta entre un camión de transporte y una cara de excavación. Esta distancia en general no justifica que la cuchara se coloque en una posición de transporte. Más bien, mientras se recorre esta distancia, los brazos de la pala cargadora de superficie se pueden usar para elevar completamente la cuchara o dejar caer la cuchara de vuelta a una posición de excavación. Por contraposición, las distancias de retorno de los l Hd son típicamente de 1000 pies o superiores. Por consiguiente, la funcionalidad automática de retorno-a-transporte proporciona ventajas para LHD conducidos a lo largo de una distancia grande donde no es deseable (por ejemplo, a efectos de estabilidad) conducir con la cuchara 202 completamente elevada.

De este modo, formas de realización de la invención proporcionan, entre otras cosas, un sistema de almacenamiento de energía cinética para una máquina de explotación minera. El sistema de almacenamiento de energía cinética se puede usar para alimentar un sistema de tracción de la máquina de explotación minera usando la energía almacenada durante eventos de arranque del motor, de carga baja del mismo y de frenado.

En las siguientes reivindicaciones, se exponen diversas características y ventajas de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Vehículo de transporte que comprende:

un bus eléctrico bidireccional (106);

un generador de potencia acoplado al bus eléctrico bidireccional (106) a través de un primer convertidor de potencia;

un motor (108A, 108B, 108C, 108D) acoplado al bus eléctrico bidireccional (106) a través de un segundo convertidor de potencia, siendo el motor (108A, 108B, 108C, 108D) alimentado por la energía disponible en el bus eléctrico bidireccional (106) y haciendo funcionar un mecanismo de accionamiento incluido en el vehículo de transporte;

un sistema de almacenamiento de energía cinética (120) que incluye un volante de inercia (122) y un motor de reluctancia conmutada (124), estando el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) acoplado al bus eléctrico bidireccional (106) a través de un tercer convertidor de potencia; y

un controlador (150) configurado para comunicarse con el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) y el generador de potencia,

en el que el controlador (150) está configurado para hacer funcionar el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional (106) y cuando el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) no puede satisfacer una demanda de energía en el bus eléctrico bidireccional (106), para hacer funcionar el generador de potencia como fuente de potencia secundaria para el bus eléctrico bidireccional (106).

2. Vehículo de transporte según la reivindicación 1, en el que el generador de potencia incluye un motor y un motor/generador de reluctancia conmutada.

3. Vehículo de transporte según la reivindicación 2, en el que el motor/generador de reluctancia conmutada aumenta una velocidad de una transmisión asociada al motor durante el frenado del mecanismo de accionamiento.

4. Método de funcionamiento de un vehículo de transporte, comprendiendo el método:

determinar, con un controlador (150) configurado para comunicarse con un sistema de almacenamiento de energía cinética (120) y un generador de potencia incluidos en el vehículo de transporte, una demanda de energía en un bus eléctrico bidireccional incluido en el vehículo de transporte;

determinar, con el controlador (150), la energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética (120);

cuando la energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética (120) satisface la demanda de energía, hacer funcionar, con el controlador (150), el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) como fuente de potencia primaria para el bus eléctrico bidireccional (106); y

cuando la energía disponible a través del sistema de almacenamiento de energía cinética (120) no puede satisfacer la demanda de energía, hacer funcionar, con el controlador (150), el generador de potencia como fuente de potencia secundaria para el bus eléctrico bidireccional (106).

5. Método según la reivindicación 4, en el que hacer funcionar el sistema de almacenamiento de energía cinética (120) incluye controlar una velocidad de rotación de un volante de inercia (122) acoplado a un motor de reluctancia conmutada (124).