ОГРАНИЧЕНИЕ ПИКОВОГО ОТБОРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КАРЬЕРНЫМИ ЭКСКАВАТОРАМИ Российский патент 2014 года по МПК E02F9/20 

Настоящее изобретение относится по существу к системам электропитания и, в частности, к системам ограничения пикового отбора электроэнергии карьерными экскаваторами от источника электроэнергии.

Решение многих задач зависит от подачи электроэнергии, поставляемой распределительными электросетями, например, электрораспределительными сетями генерирующей компании. Некоторые коммерческие и промышленные предприятия отбирают существенное количество электроэнергии. Часто нагрузки являются динамическими, и пиковый спрос на энергию может приближаться, а в некоторых случаях превышать максимальную мощность электрораспределительной сети. Избыточный пиковый спрос на энергию может привести к падению напряжения и временным отключениям в электрораспределительной сети. Это приводит не только к падению производительности и надежности потребителей электроэнергии, но и к нарушениям подачи электроэнергии другим клиентам такой генерирующей компании.

Одним из крупных потребителей электроэнергии является горнодобывающая отрасль. В операциях добычи к электрораспределительной сети подключены различные потребители, от небольших промышленных электродвигателей до крупных скребковых экскаваторов. Электрические карьерные экскаваторы, такие как электрические лопаты и драглайны, создают циклическую нагрузку на электрораспределительную сеть. Хотя средняя мощность, отбираемая этими машинами, может составлять приблизительно 55% от их пиковой потребности в электроэнергии, в некоторых случаях на отдельных фидерах, подающих входную мощность на эти машины, пиковая потребность в энергии может приближаться к пределам генерации. Например, экскаватор типа электрическая лопата может отбирать пиковую мощность порядка 3,5 МВт, а драглайн может отбирать пиковую мощность порядка 24 МВт.

Помимо повышения производительности и надежности, имеются также экономические причины снижения пиковой потребности в электроэнергии. Генерирующие компании, подающие электроэнергию на горнодобывающие предприятия, типично измеряют потребность в мощности карьера на основе 15-минутных интервалов, и счета корректируются в соответствии с пиковой потребностью в мощности во время каждого 15-минутного интервала. Имеется потребность в способе и устройстве для ограничения пиковой потребности в мощности, отбираемой карьерными экскаваторами из электрораспределительной сети. Особенно преимущественными являются способ и устройство, которые снижают потери энергии.

Краткое описание изобретения

В варианте настоящего изобретения максимальная электрическая мощность, отбираемая из источника электроэнергии карьерным экскаватором, содержащим электродвигатели, уменьшается за счет подачи электроэнергии из устройства хранения электроэнергии. Электрическая мощность отбирается карьерным экскаватором циклично. Для электроэнергии, отбираемой из источника электроэнергии, задается верхний предел. Когда входная мощность, отбираемая карьерным экскаватором, превышает верхний предел, дополнительная электрическая мощность подается устройством хранения электроэнергии.

Одним вариантом устройства хранения электроэнергии является банк ультраконденсаторов, который может заряжаться от источника электроэнергии, когда электрическая мощность, отбираемая карьерным экскаватором, меньше верхнего предела. В другом варианте настоящего изобретения в устройстве хранения электроэнергии хранится энергия, генерируемая электродвигателями, работающими в интервале регенерирования.

Эти и другие преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистами из нижеследующего подробного описания и приложенных чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое изображение экскаватора типа электрическая лопата.

Фиг.2А - схема циклической нагрузки, отбирающей электрическую мощность из источника электрической мощности.

Фиг.2В - график потребности в мощности при циклической нагрузке без регенерации.

Фиг.2С - график выходной мощности, отбираемой из источника электрической мощности, показанного на фиг.2А в соответствии с графиком потребности в мощности, показанным на фиг.2В.

Фиг.2D - график потребности в мощности циклической нагрузки с регенерацией.

Фиг.2Е - график выходной мощности, отбираемой из источника электрической мощности по фиг.2А в соответствии с графиком потребности в мощности по фиг.2D.

Фиг.3А - схема циклической нагрузки, отбирающей мощность из источника электрической мощности и устройства хранения электроэнергии.

Фиг.3В - график потребности в мощности циклической нагрузки при регенерации.

Фиг.3С - график выходной мощности, отбираемой из источника электрической мощности по фиг.3А в соответствии с графиком потребности в мощности по фиг.3В.

Фиг.3D - график потребности в мощности циклической нагрузки без регенерации.

Фиг.3Е - график выходной мощности, отбираемой из источника электрической мощности по фиг.3А в соответствии с графиком потребности в мощности по фиг.3D.

Фиг.4 - линейная диаграмма системы управления экскаватором типа электрическая лопата.

Фиг.5 - схема системы электропитания с интегрированным банком ультраконденсаторов.

Фиг.6 - график потребности в мощности экскаватора типа электрическая лопата.

Фиг.7 - график выходной мощности, отбираемой из источника электрической мощности, когда выходная мощность ограничена верхним пределом и нижним пределом.

Фиг.8 - график выходной мощности, отбираемой из банка ультраконденсаторов.

Фиг.9 - график хранения энергии в банке ультраконденсаторов.

Фиг.10 - диаграмма последовательности этапов ограничения входной мощности верхним и нижним пределами.

Подробное описание изобретения

К карьерным экскаваторам относятся экскаваторы типа электрическая лопата и драглайны. На фиг.1 схематически показан экскаватор 100 типа электрическая лопата, иллюстрирующий карьерный экскаватор, потребляющий много энергии. Его основными компонентами являются гусеничное шасси 102, платформа 104, стрела 106, лебедка 108, тяга 110 и ковш 112. Различные движения экскаватора 100 выполняются электродвигателями. Движение 131 (поступательное движение вперед/назад) относится к движению всего экскаватора 100 относительно грунта. Движение 133 (поворот платформы и ее возврат в исходное положение) относится к повороту платформы 104 относительно гусеничного шасси 102. Движение 135 (рабочий ход ковша в направлении загрузки/возврата) относится к позиционированию ковша 112 относительно стрелы 106. Движение 137 (в направлении подъема/опускания) относится к позиционированию ковша по вертикали относительно грунта. Для выполнения каждого движения может использоваться множество электродвигателей.

Экскаватор типа электрическая лопата типично выполняет последовательность повторяющихся операций. Например, он может пододвигаться вперед к отвалу, поворачивать ковш в нужное положение, заглублять ковш в отвал, отодвигаться от отвала, передвигаться вперед к месту выгрузки, поворачивать ковш в нужное положение, опускать ковш и выгружать породу. Затем он возвращается к отвалу и повторяет операцию. В этом случае электродвигатели ускоряются в одном направлении, тормозят, и ускоряются в противоположном направлении. Механическая нагрузка на электродвигатель является в высшей степени переменной. В качестве примера можно привести электродвигатель, поднимающий ковш, заполненный тяжелым материалом, выгружающий материал и опускающий пустой ковш.

С точки зрения электроэнергии электрическая лопата является циклической нагрузкой на источник электрической мощности. Как функция времени работы электрическая мощность, отбираемая электрической лопатой, изменяется циклически. Изменения мощности могут быть существенными: как указывалось выше, средняя мощность, отбираемая такими машинами, может составлять приблизительно 55% от их пиковой потребности в мощности.

При нормальной работе электродвигатель преобразует электроэнергию в механическую энергию. Электродвигатель также может работать как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую энергию. При нормальной работе электродвигатель отбирает (потребляет) электрическую мощность от источника электрической мощности. Когда движущийся электродвигатель останавливается, остаточную механическую энергию можно преобразовать в электрическую энергию. В настоящем описании период времени, в течение которого электрическая нагрузка отбирает электрическую энергию, называется "интервал двигательного режима", а период времени, в течение которого электрическая нагрузка генерирует электроэнергию, называется "интервал генераторного режима".

Как показано на фиг.2А, источник 202 электрической мощности подает питание на совокупную нагрузку 204 потребителя. В этом примере совокупная нагрузка 204 потребителя содержит рабочую нагрузку 206. Контроллер 208 управляет электрической мощностью, передаваемой между источником 202 электрической мощности и рабочей нагрузкой 206. Электрическая мощность Р₁ 221 представляет выходную электрическую мощность источника 202. Электрическая мощность Р₂ 223 представляет входную электрическую мощность, отбираемую рабочей нагрузкой 206, которая в этом примере является циклической нагрузкой. Входная электрическая мощность, необходимая для работы нагрузки, также именуется электрической мощностью, потребляемой нагрузкой.

На фиг.2В показан график 230 электрической мощности Р₂ (вертикальная ось), потребляемой рабочей нагрузкой 206 как функция времени t (горизонтальная ось). В этом примере Р₂ изменяется от нуля до положительных величин. Когда потребление электрической мощности является положительным, рабочая нагрузка 206 отбирает электрическую мощность. График 230 является родовым графиком и приведен для иллюстрации. Реальная потребляемая мощность зависит от конкретного оборудования и условий эксплуатации. Для простоты многие участки графика 230 представлены прямыми. По существу эта форма является произвольной (например, криволинейной).

На фиг.2В циклы 231-247 являются примерами циклов. Следует отметить, что циклы не обязательно являются строго периодическими. Функциональная зависимость мощности от времени, амплитуда и длительность каждого цикла может меняться. Помимо изменений вверх-вниз цикл может иметь другие геометрические признаки, например, плато (постоянную мощность) в цикле 237 и перегиб кривой в цикле 241.

На фиг.2С показан соответствующий график 240 выходной электрической мощности Р₁ 221 (вертикальная ось), отбираемой от источника 202 электрической мощности. Когда выходная электрическая мощность положительна, она отбирается от источника 202 электрической мощности. В приведенном примере выходная электрическая мощность Р₁ 221 (график 240 на фиг.2С) равна потребляемой электрической мощности Р₂ 223 (график 230 на фиг.2В).

На фиг.2D показан другой пример, график 250 потребляемой электрической мощности Р₂ 223 (вертикальная ось) рабочей нагрузки 206 как функции времени t (горизонтальная ось). Следует отметить, что диапазоны мощности изменяются от положительных до отрицательных величин. Когда потребляемая электрическая мощность положительна (двигательная область), рабочая нагрузка 206 потребляет электроэнергию. Когда потребляемая электрическая мощность отрицательна (генераторная область), рабочая нагрузка генерирует электроэнергию во временном интервале 251 (t₁≤t≤t₂), временном интервале 253 (t₃≤t≤t₄) и временном интервале 255 (t₅≤t≤t₆).

На фиг.2Е показан соответствующий график 260 выходной электрической мощности Р₁ 221 (вертикальная ось) источника 202 электрической мощности. Когда выходная электрическая мощность положительна, электрическая мощность отбирается от источника 202. Когда выходная электрическая мощность отрицательна, электрическая мощность возвращается на источник 202. В показанном примере в двигательной области выходная электрическая мощность Р₁ 221 (график 260 на фиг.2Е) равна потребляемой электрической мощности Р₂ 223 (график 260 на фиг.2D). В генераторной области (временной интервал 251, временной интервал 253 и временной интервал 255) выходная электрическая мощность Р₁ 221 равна нулю. В этом примере электрическая мощность, генерируемая в генераторной области, подается на сопротивление (не показано) и преобразуется в тепловые потери. Электрическая мощность, генерируемая в генераторной области, может подаваться также обратно на источник 202 электрической мощности. Выходная электрическая мощность Р₁ 221 во временных интервалах 251, 253 и 255 будет в этом случае отрицательной.

На фиг.3А показана схема системы электропитания по варианту настоящего изобретения, в котором используется электрическая мощность, генерируемая в генераторной области. Источник 302 электрической мощности подает питание на совокупную нагрузку 304 потребителя. В этом примере совокупная нагрузка 304 потребителя содержит рабочую нагрузку 306 и устройство 310 хранения электроэнергии. Контроллер 308 управляет электрической мощностью, передаваемой между источником 302 и рабочей нагрузкой 306, между источником 302 и устройством 310 хранения электроэнергии и между рабочей нагрузкой 306 и устройством 310 хранения электроэнергии. Электрическая мощность Р₁ 331 представляет выходную электрическую мощность источника 302 электрической мощности. Электрическая мощность Р₂ 333 представляет входную электрическую мощность, отбираемую рабочей нагрузкой 306, которая в этом примере является циклической нагрузкой. Электрическая мощность Р₃ 335 представляет электрическую мощность, генерируемую рабочей нагрузкой 306 в генераторной области. Электрическая мощность Р₄ 337 представляет электрическую мощность, принимаемую устройством 310 хранения электроэнергии от рабочей нагрузки 306. Электрическая мощность Р₅ 339 представляет выходную электрическую мощность устройства 310 хранения электроэнергии.

Примером устройства 310 хранения энергии является ультраконденсатор, который характеризуется высокой плотностью энергии. Для увеличения объемов хранимой энергии можно последовательно и параллельно соединить множество ультраконденсаторов для формирования банка ультраконденсаторов. Электрический ток, текущий в ультраконденсатор, заряжает его, и электроэнергия хранится за счет разделения заряда на интерфейсе электрод-электролит. Хранимая электроэнергия в дальнейшем может быть использована для вывода электрического тока. На фиг.3А электрическая мощность Р₃ 335, генерируемая рабочей нагрузкой 306, может подаваться как электрическая мощность Р₄ 337 для зарядки устройства 310 хранения электроэнергии. Кроме того, электрическая мощность Р₁ 331, выводимая источником 302 электрической мощности, может подаваться как электрическая мощность Р₅ 339 для зарядки устройства 310 хранения электроэнергии.

На фиг.3В показан график 390 электрической мощности Р₂ 333 (вертикальная ось), потребляемой рабочей нагрузкой 306 как функция времени t (горизонтальная ось). Следует отметить, что в этом примере мощность изменяется от положительных до отрицательных величин. Когда потребляемая электрическая мощность является положительной (двигательная область), рабочая нагрузка 306 отбирает электрическую мощность. Когда потребляемая электрическая мощность является отрицательной (генераторная область), рабочая нагрузка 306 генерирует электрическую мощность. Как показано на графике 390, рабочая нагрузка 306 генерирует электрическую мощность во временном интервале 367 (t₁≤t≤t₂), во временном интервале 369 (t₃≤t≤t₄) и во временном интервале 371 (t₅≤t≤t₆). Поскольку энергия является интегралом мощности во времени, область 366, область 368 и область 370 представляют электрическую энергию, генерируемую рабочей нагрузкой 306 в течение временных интервалов 367, 369 и 371, соответственно. Эта электроэнергия сохраняется в устройстве 310 хранения электроэнергии.

В варианте настоящего изобретения электрическая мощность, отбираемая из устройства 310 гранения электроэнергии, используется для уменьшения пиковой электрической мощности, отбираемой из источника 302 электрической мощности. На фиг.3С показан график 392 выходной электрической мощности Р₁ 331 (вертикальная ось) источника 302. В этом примере нижний предел Р₁ 331 равен нулю. Как описано в примерах ниже, нижний предел может быть выше нуля или меньше нуля, в зависимости от цикла и емкости устройства 310 хранения электроэнергии. Когда выходная электрическая мощность положительна, электрическая мощность отбирается из источника 302. Когда выходная электрическая мощность отрицательна, электрическая мощность подается обратно на источник 302. В приведенном примере в двигательной области для выходной электрической мощности Р₁ 331 задан верхний предел P_UL 394. Для величин Р₂≤P_UL (график 390 на фиг.3В) Р₂ равен только Р₁. Для величин Р₂>P_UL выходная электрическая мощность Р₁ подается в пределах P_UL. Дополнительная требуемая электрическая мощность Р₅ 339 отбирается от устройства 310 хранения электроэнергии.

Как показано на фиг.3В, Р₂ больше, чем P_UL на протяжении временного интервала 361 (Т₁≤t≤Т₂), временного интервала 363 (Т₃≤t≤Т₄) и временного интервала 365 (Т₅≤t≤Т₆). Следует отметить, что разница Р₂-P_UL представлена импульсами, обозначенными импульсом 350, импульсом 352 и импульсом 354, соответственно. Мощность, отбираемая в рамках каждого импульса, именуется импульсная энергия 360, импульсная энергия 362 и импульсная энергия 634, соответственно. Как описано выше, энергия представлена площадью на графике «мощность относительно времени». В приведенном примере импульсы имеют треугольную форму. По существу форма импульсов может быть разной в зависимости от рабочей нагрузки и условий эксплуатации, а также других факторов.

В варианте настоящего изобретения устройство 310 хранения электроэнергии выполнено с возможностью подавать всю необходимую импульсную энергию при работе рабочей нагрузки 306. Параметры, которые следует принимать в расчет при конструировании устройства 310 хранения электроэнергии, включают амплитуду импульса, ширину импульса, форму импульса и временной интервал между импульсами. Если Р₃ недостаточна для поддержания адекватного заряда в устройстве 310 хранения электроэнергии, в периоды между пиками для зарядки устройства 310 можно использовать P₁.

В варианте настоящего изобретения, если рабочая нагрузка 306 работает только в двигательной области (без генерирования), устройство 310 хранения электроэнергии можно заряжать только Р₁ 331 от источника 302 электрической мощности. Зарядка может осуществляться между пиками потребления для ограничения мощности Р₁ 331, отбираемой из источника 302 во время пиков потребления. На фиг.3D приведен график 3100 электрической мощности Р₂ 333 (вертикальная ось), потребляемой рабочей нагрузкой 306, как функция времени t (горизонтальная ось). В этом примере Р₂ изменяется от нуля до положительных величин. Когда потребляемая электрическая мощность положительна, рабочая нагрузка 306 отбирает электрическую мощность.

На фиг.3Е показан график 3200 выходной электрической мощности Р₁ 331 (вертикальная ось) источника 302 электрической мощности. Когда эта выходная электрическая мощность положительна, значит, она отбирается из источника 302. В приведенном примере выходная электрическая мощность Р₁ 331 ограничена верхним пределом P_UL 3144. Для величин Р₂≤P_UL (график 3100 на фиг.3D) Р₂ формируется только за счет Р₁. Для величин Р₂>Р₁ Р₁ имеет величину P_UL. Необходимая дополнительная электрическая мощность обеспечивается Р₃ 339, отбираемой из устройства 310 хранения электроэнергии. На фиг.3D следует обратить внимание, что для импульса 3102-3110 Р₂>P_UL. Энергия соответствующих импульсов является импульсной энергией 3122-3130, соответственно, и подается устройством 310 хранения электроэнергии. Следует отметить, что выходная электрическая мощность Р₁ 331 может быть ограничена положительным нижним пределом P_LL 3146 (фиг.3Е). Преимущества применения нижнего предела описаны ниже.

Приводные электродвигатели, применяемые в карьерных экскаваторах, обычно работают на трехфазном переменном токе. Карьерные экскаваторы обычно получают питание от электрораспределительной сети, подающей высоковольтный переменный ток по высоковольтным бронированным кабелям на первичную обмотку силового трансформатора, при этом можно использовать множество силовых трансформаторов. Силовой трансформатор имеет множество вторичных обмоток, которые подают питание на систему импульсного выпрямителя через линейные реактивные сопротивления. Такая выпрямляющая система может содержать активные выпрямители. Активными выпрямителями являются биполярные транзисторы с изолированным затвором, выполняющие широтно-импульсную модуляцию для преобразования входящего переменного тока в постоянный ток и для хранения энергии в конденсаторы вставок постоянного тока с малой индуктивностью. С помощью тиристорных мостов можно создать регенерирующую выпрямительную систему. Количество силовых трансформаторов и количество активных выпрямителей зависит от совокупного потребления энергии приводными двигателями. Силовые электронные инверторы преобразуют напряжение постоянного тока, имеющееся на вставке постоянного тока, в напряжение переменного тока, которое подается на электродвигатели.

Электроэнергия, генерируемая электродвигателями, может подаваться обратно в бытовую электрораспределительную сеть через активные выпрямители. Однако в условиях повреждения линии активные выпрямители не смогут возвращать всю генерируемую энергию в электрораспределительную сеть, и машины потребуется отключить. Генерируемая энергия, которую нельзя вернуть в электрораспределительную сеть, может привести к росту напряжения на вставке постоянного тока. Поскольку высокое напряжение на вставке постоянного тока может привести к повреждению компонентов и, кроме того, представляет опасность с точки зрения электротравм, в систему добавлены предохранительные устройства, такие как прерыватели постоянного тока и закорачивающие перемычки, чтобы подавить чрезмерные напряжения постоянного тока во время генерирования. В этом случае электрическая энергия преобразуется в тепловые потери. Как описано ниже, в варианте настоящего изобретения генерируемая электрическая энергия хранится в банке ультраконденсаторов, используемом для дополнения мощности, подаваемой на приводные двигатели на пиках потребления.

На фиг.4 показана однопроводная схема системы 400 управления экскаватором типа электрическая лопата. Блок 401 представляет входную электрическую силовую установку. Блок 403 представляет электрические силовые преобразователи. Блок 405 представляет приводные электродвигатели.

Как показано в блоке 405, экскаватор 100 имеет шесть приводных электродвигателей, которые обозначены позициями 4100-4110. Каждый двигатель является трехфазным двигателем переменного тока.

Источник электрической мощности может выводить трехфазный переменный ток с минимальным напряжением по меньшей мере один коловольт, в частности, по меньшей мере три киловольта.

В варианте, показанном блоком 401, электрическая мощность подается непосредственно от коммунальной электрораспределительной сети через подстанцию 404, подающую трехфазный переменный ток с напряжением 3,3 или 6,6 кВ. Подстанция 404 соединена через переключатель 406 с преобразователем 408 тока и переключателем 410. Энергия передается через предохранитель 412 и переключатель 414 на первичную обмотку силового трансформатора 420. Аналогично энергия подается через предохранитель 422 и переключатель 424 на первичную обмотку силового трансформатора 426. Преобразователь 416 напряжения генерирует сигнал 418 обратной связи для синхронизации напряжения.

Как показано блоком 403, один выход вторичной стороны трансформатора 420 соединен через преобразователь 430 тока и дроссель/реактор 438 активного выпрямителя с преобразователем 446 переменного тока в постоянный активного выпрямителя. Второй выход вторичной стороны силового трансформатора 420 соединен через преобразователь 432 тока и дроссель/реактор 440 активного выпрямителя с преобразователем 448 переменного тока в постоянный активного выпрямителя. Аналогично один выход вторичной стороны силового трансформатора 426 соединен через преобразователь 434 тока и дроссель/реактор 442 активного выпрямителя с преобразователем 450 активного выпрямителя. Второй выход вторичной стороны силового трансформатора 426 соединен через преобразователь 436 тока и дроссель/реактор 444 активного выпрямителя с преобразователем 452 переменного тока в постоянный активного выпрямителя. Выходные постоянные напряжения отслеживаются преобразователем 454 напряжения и преобразователем 456 напряжения.

Постоянный ток от выходов преобразователя 446 активного выпрямителя и преобразователя 452 активного выпрямителя подается на входы инвертора 458 постоянного тока в переменный активного выпрямителя и инвертора 464 постоянного тока в переменный активного выпрямителя. Блок 480 представляет цепь обнаружения отказов заземления. Блок 482 представляет цепь прерывателя максимального напряжения, который рассеивает избыточную электроэнергию через резистор 484. Выходы инвертора 458 и инвертора 464 постоянного тока в переменный активного выпрямителя соединены через преобразователь тока 466 и преобразователь тока 472, соответственно, с двигателями 4100-4110. Переключение приводной мощности между разными двигателями можно осуществлять через переключатель 490/492, работающий без разрыва питания.

На фиг.5 приведена схема устройства хранения электрической энергии в форме банка ультраконденсаторов, интегрированного в существующую систему преобразования электроэнергии. Существующая система преобразования электроэнергии представлена силовым трансформатором 502, дросселем/реактором 504 активного выпрямителя, дросселем/реактором 506 активного выпрямителя, активным выпрямителем 508, активным выпрямителем 510, вставкой 512 постоянного тока и инвертором 514. Двигатель 560 представляет циклическую нагрузку. Как было показано выше на фиг.4, инвертор 514 может подавать питание более чем на один электродвигатель. Устройство 540 хранения электроэнергии на ультраконденсаторах содержит преобразователь 542/544 постоянного тока в постоянный ток, дроссель/реактор 546 и банк 548 ультраконденсаторов. Устройство 540 хранения электроэнергии на ультраконденсаторах можно отсоединять от системы преобразования электроэнергии с помощью отсоединяющего переключателя 550. Устройство 540 управляется контроллером 550.

Следует отметить, что карьерный экскаватор с системой множества электродвигателей можно рассматривать как единую унифицированную циклическую нагрузку, которая работает в двигательных интервалах и генераторных интервалах. Электрическая лопата 100 по фиг.1 может рассматриваться как циклическая нагрузка на коммунальную электрораспределительную сеть, управляемую рабочим циклом. На фиг.6 показан пример цикла мощности для электрической лопаты 100 за 30-секундный рабочий цикл. Горизонтальная ось 602 представляет время в секундах. Вертикальная ось 604 представляет мощность в кВт. График 606 представляет мощность, потребляемую электрической лопатой 100.

В этом примере следует отметить, что по вертикальной оси 604 диапазон мощности охватывает положительные и отрицательные величины. При положительных величинах, обозначенных двигательной областью 608, электрическая лопата 100 потребляет мощность. При рабочем цикле по фиг.6 имеются три временных интервала, во время которых электрическая лопата работает в генераторной области: область t₁ 641-t₂ 643, область t₃ 645-t₄ 647 и область t₅ 649-t₆ 651.

Максимальная мощность, потребляемая электрической лопатой 100, равна P_max 612. В стандартной системе преобразования электроэнергии вся энергия подается силовым трансформатором 502 (фиг.5). Поэтому в двигательной области 608 график 606 также представляет мощность, подаваемую силовым трансформатором 502. В варианте настоящего изобретения максимальная мощность, подаваемая силовым трансформатором 502, определяется задаваемой пользователем величиной P_UL 616 (UL - верхний предел). В варианте настоящего изобретения в те временные интервалы, когда пиковое потребление превышает P_UL 616, мощность, превышающая P_UL 616, подается банком 546 ультраконденсаторов. Специалисты могут задать величину P_UL 616 в соответствии с конкретным оборудованием и решаемыми задачами.

На фиг.7 показан модифицированный профиль мощности силового трансформатора 502. Горизонтальная ось 602 представляет 30-секундный рабочий цикл, ранее показанный на фиг 6. Вертикальная ось 704 представляет мощность в кВт. График 706 представляет мощность, подаваемую силовым трансформатором 502. Следует отметить, что мощность находится между верхним пределом P_UL 616 и нижним пределом P_LL 718. Нижний предел P_LL 718 может быть выставлен на нуль, на отрицательную величину или на положительную величину. Нижний предел задается на нуль, если силовой трансформатор 502 во время интервала генерирования подает нулевую мощность, и вся генерируемая энергия сохраняется в банке 546 ультраконденсаторов. Нижний предел задается отрицательным, если емкость банка 546 ультраконденсаторов недостаточна для хранения всей генерируемой энергии и часть генерируемой энергии хранится в банке 546 ультраконденсаторов, а часть возвращается в коммунальную электрораспределительную сеть. Нижний предел задается положительным (как показано в примере по фиг.7), если генерируемой энергии недостаточно, чтобы полностью зарядить банк 546 ультраконденсаторов, и в периоды между пиками потребления для зарядки банка 546 ультраконденсаторов электроэнергия отбирается от силового трансформатора 502. Следует отметить, что пульсация напряжения в линии уменьшается с увеличением P_LL 718. Таким образом, полезно задавать P_LL 718 как можно выше, в соответствии с рабочим циклом и напряжением устройства 310 хранения электроэнергии. Специалисты могут задавать величину P_LL 718 в соответствии с конкретным оборудованием и решаемыми задачами.

На фиг.8 показан профиль мощности соответствующего ультраконденсатора. Горизонтальная ось 602 представляет тот же 30-секундный рабочий цикл, что и на фиг.6. Вертикальная ось 804 представляет мощность в кВт. График 806 представляет профиль мощности банка 546 (фиг.5) ультраконденсаторов. Следует отметить, что на вертикальной оси 804 мощность меняется от положительных величин до отрицательных величин. При положительных величинах, обозначенных генераторной областью 808, ультраконденсатор отбирает мощность (банк ультраконденсаторов заряжается). При отрицательных величинах, обозначенных двигательной областью 810, банк 546 ультраконденсаторов генерирует мощность (банк 546 ультраконденсаторов разряжается).

На фиг.9 показана энергия, хранящаяся в системе ультраконденсатора. Горизонтальная ось 602 представляет тот же 30-секундный рабочий цикл, что и на фиг.6. Вертикальная ось 904 представляет энергию в кДж. График 906 рассчитан путем интегрирования мощности (представленной графиком 806 на фиг.8) как функции времени. Эти данные используются для выбора нужной емкости банка 546 ультраконденсаторов. Когда банк 546 ультраконденсаторов хранит нужное количество энергии, дополнительная энергия, если она появится, может возвращаться в коммунальную электрораспределительную сеть. В одном примере рабочее напряжение системы ультраконденсаторов составляет приблизительно 1400-1800 В, а общая емкость системы ультраконденсаторов равна приблизительно 4,5-9 фарад. Специалисты могут сформулировать конструктивные требования к системе ультраконденсаторов в соответствии с конкретным оборудованием и решаемыми задачами.

На фиг.10 представлена диаграмма последовательности, иллюстрирующая этапы ограничения мощности, отбираемой от источника электрической мощности циклической нагрузкой. На этапе 1002 задают верхний предел P_UL мощности и нижний предел P_LL мощности. Затем процесс переходит на этап 1004, на котором измеряют входную мощность, отбираемую циклической нагрузкой. Затем процесс переходит на этап 1006, на котором измеренную входную мощность, отбираемую циклической нагрузкой, сравнивают с верхним и нижним пределами источника электрической мощности. Если измеренная входная мощность, отбираемая циклической нагрузкой, не выходит за верхний и нижний пределы, процесс переходит на этап 1008, на котором продолжается нормальная работа. Если измеренная входная мощность, отбираемая циклической нагрузкой, выходит за верхний и нижний пределы, процесс переходит на этап 1010, на котором измеренную входную мощность, отбираемую циклической нагрузкой, сравнивают с верхним пределом P_UL и с нижним пределом P_LL. Если измеренная входная мощность, отбираемая циклической нагрузкой, больше верхнего предела P_UL, процесс переходит на этап 1014, на котором банк ультраконденсаторов подает мощность на вставку постоянного тока. Если измеренная входная мощность, отбираемая циклической нагрузкой, меньше нижнего предела P_LL, процесс переходит на этап 1012, на котором банк ультраконденсаторов отбирает мощность от вставки постоянного тока. Как описано выше, банк ультраконденсаторов может заряжаться от источника электрической мощности. Если циклическая нагрузка работает и в двигательной области, и в генераторной области, банк ультраконденсаторов также может заряжаться электрической мощностью, генерируемой циклической нагрузкой.

По завершении этапа 1012 или 1014 процесс переходит на этап 1016, на котором измеряют напряжение на банке ультраконденсаторов. Затем процесс возвращается на этап 1002, на котором, при необходимости, вновь задают верхний и нижний пределы мощности.

Вышеприведенное подробное описание является во всех отношениях иллюстративным, но не ограничивающим, и объем защиты настоящего изобретения должен определяться не этим подробным описанием, а формулой изобретения, которая должна толковаться в максимально широком смысле, допускаемым действующим патентным законодательством. Следует понимать, что варианты, показанные и описанные выше, являются лишь иллюстрацией принципов настоящего изобретения, и специалистам понятны различные возможные модификации, не выходящие за пределы изобретательской идеи.

Предложенная группа изобретений относится к электропитанию строительной и горной техники, в частности к системе электропитания карьерного экскаватора. Техническим результатом является повышение производительности и надежности работы экскаватора за счет ограничения пикового отбора электроэнергии карьерными экскаваторами от источника электроэнергии. Указанный технический результат обеспечивается тем, что максимальная электрическая мощность, отбираемая карьерным экскаватором, содержащим электродвигатели, из источника электрической мощности, уменьшается путем подачи дополнительной электрической мощности из устройства хранения электроэнергии. При этом входная электрическая мощность, отбираемая карьерным экскаватором, является цикличной. Для электрической мощности, отбираемой из источника электрической мощности, задают верхний предел. Когда входная электрическая мощность, отбираемая карьерным экскаватором, превышает верхний предел, устройство хранения электроэнергии, в частности банк ультраконденсаторов, подает электрическую мощность. Причем банк ультраконденсаторов может заряжаться источником электрической мощности во время интервалов между пиками потребления. А электрическая мощность, генерируемая электродвигателями, работающими в генераторном интервале, также может собираться и накапливаться в устройстве хранения электроэнергии. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Способ подачи электрической мощности по меньшей мере на один карьерный экскаватор, при этом каждый карьерный экскаватор содержит по меньшей мере один электродвигатель, при этом по меньшей мере один карьерный экскаватор содержит циклическую нагрузку, при этом способ содержит этапы, на которых: получают электрическую мощность переменного тока от электрораспределительной сети; преобразуют электрическую мощность переменного тока в электрическую мощность постоянного тока; питают вставку постоянного тока электрической мощностью постоянного тока; заряжают устройство хранения электроэнергии электрической мощностью, отбираемой из вставки постоянного тока; подают электрическую мощность на циклическую нагрузку только из вставки постоянного тока, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой меньше или равна верхнему пределу, и подают на циклическую нагрузку первую электрическую мощность из вставки постоянного тока и вторую электрическую мощность из устройства хранения электроэнергии, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой, больше верхнего предела, причем первая электрическая мощность меньше или равна верхнему пределу.

2. Способ по п.1, при котором устройство хранения электроэнергии содержит по меньшей мере один ультраконденсатор.

3. Способ по п.1, при котором сумма электрической мощности, отбираемой циклической нагрузкой из вставки постоянного тока, и электрической мощности, отбираемой устройством хранения электрической энергии из вставки постоянного тока, больше или равна нижнему пределу.

4. Способ по п.1, при котором электрораспределительная сеть содержит коммунальную электрораспределительную сеть.

5. Способ по п.1, при котором электрораспределительная сеть выводит трехфазный переменный ток с минимальным напряжением по меньшей мере один киловольт.

6. Способ по п.5, при котором минимальное напряжение составляет по меньшей мере три киловольта.

7. Способ по п.1, при котором по меньшей мере один карьерный экскаватор является по меньшей мере одним из: экскаватор типа электрическая лопата и драглайн.

8. Система электропитания для подачи электрической мощности по меньшей мере на один карьерный экскаватор, при этом каждый карьерный экскаватор содержит по меньшей мере один электродвигатель, при этом по меньшей мере один карьерный экскаватор содержит циклическую нагрузку, отбирающую электрическую мощность из системы электропитания, при этом система электропитания содержит: источник электрической мощности; устройство хранения электроэнергии и контроллер, выполненный с возможностью: подачи электрической мощности в устройство хранения электроэнергии из источника электрической мощности; подачи электрической мощности на циклическую нагрузку только из источника электрической мощности, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой из системы электропитания, меньше или равна верхнему пределу; подачи на циклическую нагрузку первой электрической мощности из источника электрической мощности и второй электрической мощности из устройства хранения электроэнергии, когда электрическая мощность, отбираемая из системы электропитания циклической нагрузкой, больше верхнего предела, при этом первая электрическая мощность меньше или равна верхнему пределу.

9. Система по п.8, в которой устройство хранения электроэнергии содержит по меньшей мере один ультраконденсатор.

10. Система по п.8, в которой сумма электрической мощности, отбираемой циклической нагрузкой из источника электрической мощности, и электрической мощности, отбираемой устройством хранения электрической энергии из источника электрической мощности, больше или равна нижнему пределу.

11. Система по п.8, в которой источник электрической мощности содержит непосредственное соединение с коммунальной электрораспределительной сетью.

12. Система по п.11, в которой источник электрической мощности выводит трехфазный переменный ток с минимальным напряжением по меньшей мере один киловольт.

13. Система по п.12, в которой минимальное напряжение составляет по меньшей мере три киловольта.

14. Система по п.8, в которой по меньшей мере один карьерный экскаватор является по меньшей мере одним из: экскаватор типа электрическая лопата и драглайн.

15. Способ подачи электрической мощности по меньшей мере на один карьерный экскаватор, при этом каждый карьерный экскаватор содержит по меньшей мере один электродвигатель, при этом по меньшей мере один карьерный экскаватор содержит циклическую нагрузку, отбирающую электрическую мощность во время по меньшей мере одного двигательного интервала и генерирующую электрическую мощность во время по меньшей мере одного генераторного интервала, при этом способ содержит этапы, при которых: получают электрическую мощность переменного тока от электрораспределительной сети; преобразуют электрическую мощность переменного тока в электрическую мощность постоянного тока; питают вставку постоянного тока электрической мощностью постоянного тока; заряжают устройство хранения электроэнергии электрической энергией, генерируемой циклической нагрузкой во время по меньшей мере одного генераторного интервала; подают электрическую мощность на циклическую нагрузку только из вставки постоянного тока, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой, меньше или равна верхнему пределу; и подают на циклическую нагрузку первую электрическую мощность из вставки постоянного тока и вторую электрическую мощность из устройства хранения электроэнергии, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой, больше верхнего предела, при этом первая электрическая мощность меньше или равна верхнему пределу.

16. Способ по п.15, при котором устройство хранения электроэнергии содержит по меньшей мере один ультраконденсатор.

17. Способ по п.15, дополнительно содержащий этап, на котором устройство хранения электроэнергии заряжают электрической мощностью, отбираемой из вставки постоянного тока.

18. Способ по п.17, при котором сумма электрической мощности, отбираемой циклической нагрузкой из вставки постоянного тока, и электрической мощности, отбираемой устройством хранения электрической энергии из вставки постоянного тока, больше или равна нижнему пределу.

19. Способ по п.15, при котором электрораспределительная сеть содержит коммунальную электрораспределительную сеть.

20. Способ по п.15, при котором электрораспределительная сеть выводит трехфазный переменный ток с минимальным напряжением по меньшей мере один киловольт.

21. Способ по п.20, при котором минимальное напряжение составляет по меньшей мере три киловольта.

22. Способ по п.15, при котором по меньшей мере один карьерный экскаватор является по меньшей мере одним из: экскаватор типа электрическая лопата и драглайн.

23. Система электропитания для подачи электрической мощности по меньшей мере на один карьерный экскаватор, при этом каждый карьерный экскаватор содержит по меньшей мере один электродвигатель, при этом по меньшей мере один карьерный экскаватор содержит циклическую нагрузку, отбирающую электрическую мощность из системы электропитания во время по меньшей мере одного двигательного интервала и генерирующую электрическую мощность во время по меньшей мере одного генераторного интервала, при этом система электропитания содержит: источник электрической мощности; устройство хранения электроэнергии, выполненное с возможностью получать электрическую мощность, генерируемую циклической нагрузкой во время по меньшей мере одного генераторного интервала, и контроллер, выполненный с возможностью: подачи электрической мощности на циклическую нагрузку только из источника электрической мощности, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой из системы электропитания, меньше или равна верхнему пределу; и подачи на циклическую нагрузку первой электрической мощности из источника электрической мощности и второй электрической мощности из устройства хранения электроэнергии, когда электрическая мощность, отбираемая циклической нагрузкой из системы электропитания, больше верхнего предела, в которой первая электрическая мощность меньше или равна верхнему пределу.

24. Система по п.23, в которой устройство хранения электроэнергии содержит по меньшей мере один ультраконденсатор.

25. Система по п.23, в которой устройство хранения электроэнергии далее выполнено с возможностью принимать электрическую энергию от источника электрической мощности.

26. Система по п.25, в которой сумма электрической мощности, отбираемой циклической нагрузкой из источника электрической мощности, и электрической мощности, отбираемой устройством хранения электрической энергии из источника электрической мощности, больше или равна нижнему пределу.

27. Система по п.23, в которой источник электрической мощности содержит непосредственное соединение с коммунальной электрораспределительной сетью.

28. Система по п.27, в которой источник электрической мощности выводит трехфазный переменный ток с минимальным напряжением по меньшей мере один киловольт.

29. Система по п.28, в которой минимальное напряжение составляет по меньшей мере три киловольта.

30. Система по п.23, в которой по меньшей мере один карьерный экскаватор является по меньшей мере одним из: экскаватор типа электрическая лопата и драглайн.