專利名稱：礦用車輛及其能量供應方法
技術領域：
本發明涉及一種礦用車輛，該礦用車輛包括車架；用于移動該車架的驅動設備；至少一個礦用工作裝置，其為下列之一鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置；交流電馬達；連接裝置，其用于從礦場的電網向其供電；DC中間電路，其使用整流器從礦場的電網向DC中間電路供應電力；逆變器，其用于向交流電馬達供應DC中間電路的電能；以及輔助能源，其連接到DC中間電路。本發明進一步涉及一種用于礦用車輛的能量供應的方法，該礦用車輛包括車架；用于移動該車架的驅動設備；至少一個礦用工作裝置，其為下列之一鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置；以及至少一個交流電馬達，通過整流器、DC中間電路和逆變器來從礦場的電網向所述至少一個交流電馬達供電。
背景技術：
在礦場中，鉆巖機和其它礦用車輛被用來在預先計劃的工作地點根據礦用工作裝置的工作循環來執行操作。在執行根據工作循環的諸如鉆孔鑿鉆的必要的任務之后，將礦用車輛移到下一個工作地點并且開始新的工作循環。具體地，在地下礦場中，一般使用如下的礦用車輛，在其中，根據工作循環用于操作的驅動能量是從礦場的電網獲得的電力。相比之下，工作地點之間的轉移驅動借助于使用內燃機，通常是柴油發動機所獲得的驅動能量來執行，其中電纜等則不限制轉移驅動。然而，來自內燃機的排氣和噪音在礦場中引起問題。此外，內燃機在車輛的車架上需要大量空間，并且需要定期維護。由于內燃機具有熱表面并且在車輛和礦場中需要儲存和處理可燃性燃料，所以內燃機對礦場的消防安全也具有不利影響。延伸地連接到礦場的電網的礦用車輛也可在礦場中使用。另外，礦用車輛具有電動馬達，并且通常使用具有恒定轉速的電動馬達。另外，工作階段所需的功率可以采用液壓組件進行調整，并且電動馬達獲得電流和負載功率，所述電流和負載功率由來自礦場的電網的工作階段的能量消耗量限定。此外，礦用車輛的移動通常受到電網或至少受到與其連接并且在礦用車輛中或在固定的電網處盤繞的線纜的限制。例如，公開US 7053568提出了一種電池驅動式礦用車輛。具體地，該公開描述了電池和交流電馬達作為驅動傳輸組件的使用和定位。與完全取決于電池的這樣的礦用車輛相關問題是，因運輸電池所引起的額外重量。此外，電池的容量非常有限，并且礦用車輛的電池需要相對經常地充電。公開US 5293947提出了一種礦用車輛，該礦用車輛從架空母線系統接收其電力 供應。礦用車輛還具有開關，該開關用于選擇由礦用車輛所使用的能量是從電網還是從諸如電池或柴油機的礦用車輛中的輔助能源獲取。當從輔助能源獲取能量時，礦用車輛能夠短距離移動，而無需將礦用車輛連接到架空電網上
發明內容
本發明的目的是提供一種新型礦用車輛以及一種用于其能量供應的方法。本發明的礦用車輛的特征在于，該礦用車輛具有DC/DC轉換器，該DC/DC轉換器位于輔助能源和DC中間電路之間，用于使輔助能源的電壓電平適于DC中間電路、以及用于連接輔助能源以便向DC中間電路供應能量，由此，可將不同特性的輔助能源連接到該礦用車輛。此外，本發明的方法的特征在于，具有DC/DC轉換器，使得輔助能源的電壓電平適于DC中間電路，并且使得輔助能源適應于向DC中間電路供應能量，由此，可將不同特性的輔助能源連接到礦用車輛。礦用車輛主要從礦場的電網獲得其能量供應。礦用車輛進一步具有整流器、DC中間電路、以及逆變器，其意指礦用車輛具有交流電馬達。此外，至少一個輔助能源連接到DC中間電路。DC/DC轉換器連接在DC中間電路和輔助能源之間，以便適于DC中間電路和輔助能源的電壓電平以及充電/放電電流。這就意味著，不同的輔助能源可被布置到裝置的 DC中間電路。輔助能源的功率或充電容量可以變化，或它們可以在化學上不同或其充電電壓可以相互不同，或可以使用新的和舊的輔助能源。盡管輔助能源中存在差異，但是借助于DC/DC轉換器，將它們布置到DC中間電路仍然變得容易且簡單。此外，如果需要，借助于DC/DC轉換器，可以使用并聯的幾個輔助能源。礦用車輛包括下列礦用裝置中的一個或多個鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置，或在小裝藥量挖掘中使用的鑿鉆、密封和發射藥進給設備。鉆巖機器可以是面鑿鉆裝置或在生產孔鑿鉆中使用的裝置，即以扇形方式鑿鉆鉆孔的深孔鑿鉆裝置。礦用工作裝置是致動器，該致動器在處理未分離的巖石中使用，并且根據給定的工作循環執行幾項連續的操作。通常地，在一個工作地點可使用礦用工作裝置進行幾項類似操作。這些操作可在挖掘計劃中限定，所述挖掘計劃諸如鑿鉆計劃、裝藥計劃、或者相應的開采計劃。礦用工作裝置通常布置到懸臂，利用該懸臂在工作循環期間移動該裝置。另一方面，礦用工作裝置可布置到礦用車輛中相應的支撐件或支撐結構，所述支撐件或支撐結構在礦用車輛工作循環期間支撐該裝置。一個實施例的理念是，連接輔助能源，以當礦用車輛的能量需求超過一定的限度時，可通過DC中間電路對礦用車輛的電動馬達供應能量。同時,也可將能量從礦場的電網供應給礦用車輛，這就意味著，輔助能源用作附加能量供應者。通過直接電流電路，即DC中間電路，礦場的電網是礦用車輛的主要能源。交流電馬達節能，并且它們的適應性好。此外，借助于整流器、DC中間電路和逆變器，該系統幾乎僅采用有效輸出功率來給電網加載，與這種布置不存在的情況相比，減少了供應電網的負載。通過逆變器連接到DC中間電路的三相馬達對供應網絡的相位序列不敏感，因而無需單獨的相位序列控制或其改變。此外，能夠消除供應電網的頻率或其變化對礦用車輛的影響。當采用本解決方案時，還能夠減輕因礦場的電網的過電壓或欠電壓所引起的礦用車輛的電力系統問題。通過連接到中間電路的輔助能源，能夠使來自礦用車輛的馬達的功率平穩化。因此，在提出的解決方案中，輔助能源使由礦用車輛對電網引起的負載變化變得平穩。以這種方式，在峰值負載情況下，從電網獲取的電流能夠保持低于以前，因而礦用車輛的有效負載減少。另外，不必針對礦用車輛的峰值功率來對礦用車輛的供電線纜限定規格。在任何情況下，礦場的電網的峰值功率和空載功率的規模會因此而減少。
一個實施例的理念是，使得可控整流器適于將至少兩個不同電網的電壓電平轉換成與DC中間電路中的相同。另外，可以在至少兩個不同電壓的電網中，在礦用車輛內使用類似的交流電馬達，而無需在礦用車輛中的分離的機電逆變器，以用以將電網的電壓轉換成適合于礦用車輛。


在下列附圖中，將更詳細地描述本發明的一些實施例，其中圖I是礦用車輛在此情況下為鉆巖機的示意側視圖，以及圖2是礦用車輛的能量供應布置的圖示。在附圖中，為了清晰起見，本發明的一些實施例簡化地示出。在附圖中，采用相同的參考標記來標注類似的零件。
具體實施例方式圖I示出鉆巖機，該鉆巖機是裝備有一個或多個礦用工作裝置2的礦用車輛I的一個實例。鉆巖機包括車架3，該車架可借助于驅動設備4移動。驅動設備4包括一個或多個驅動馬達5，以及一個或多個功率傳輸裝置6，所述一個或多個功率傳輸裝置用于將驅動功率輸送至一個或多個車輪7。驅動功率傳輸裝置可包括機械齒輪系統和機械功率傳輸構件，或可替代地，驅動功率傳輸裝置可以是液壓的或電動的。在車架3上可布置有一個或多個懸臂8，并且懸臂可裝備有礦用工作裝置2。在圖I中所示的實施例中，第一懸臂8a是鑿鉆懸臂，在該懸臂的最外端處，存在巖鉆單元9，該巖鉆單元9包括進給梁10，鉆巖機器11可借助進給裝置12沿著該進給梁移動。鉆巖機器11可包括沖擊裝置13，其用于在工具上產生沖擊脈沖；以及旋轉裝置15，其用于使工具14繞其縱向軸線旋轉。在鉆巖機中可能存在幾個這樣的鑿鉆懸臂8a。以舉例的方式，示出了第二懸臂Sb，其包括錨桿安裝機16，借助該錨桿安裝機可將巖栓布置到預先鉆好的鉆孔中用以支撐已挖的巖洞。在圖I的實施例中，第三懸臂8c裝備有用于測量已鉆好的鉆孔的測量裝置17。其它替代的礦用工作裝置2包括在將密封材料供給至巖石中所使用的灌注裝置、噴射混凝土處理裝置、剝落設備、在小裝藥量挖掘中使用的裝置、以及用于供給炸藥的裝置。根據礦場18挖掘計劃或按照事先擬訂的相應的計劃讓礦用車輛I駛入工作地點19，在工作地點，礦用工作裝置2根據工作循環執行操作，工作循環的執行將花費相對較長的時間。例如，鉆巖機器的工作循環可包括在工作地點19處鉆幾個鉆孔，所述鉆孔在鑿鉆計劃中限定。此外，每個鉆孔的鑿鉆過程通常由幾個工作階段組成，所述工作階段諸如打目艮、實際鑿鉆、更換伸長桿和鉆頭、以及在鑿鉆之后拆卸伸長桿設備。在工作地點19處執行鑿鉆工作循環可能會花費若干小時，有時甚至是一整個工作班次。相應地，裝藥、錨桿安裝、測量和灌注通常是相當費時的操作。通常地，礦用工作裝置2的使用不得不涉及鑿鉆鉆孔或進一步處理已完工的孔。因此，這就意味著需要處理未分離的巖石。圖I進一步示出礦場18，該礦場具有電網20，該電網可以是固定的構造，或者它可由可調整的網絡組成。電網20通常為三相交流網絡。當礦用車輛I在工作地點19時，其礦用工作裝置2、液壓系統和任何必要的輔助系統主要通過從外部電網所獲得的電能驅動。可使用一條或多條線纜21將礦用車輛I連接到電網20。連接線纜21可布置在卷軸22上，并且可配備適當的連接器23，該連接器可連接到電網20的供應終端。可替代地，卷軸22和電纜21可布置在礦場18中，并且連接電纜21連接到礦用車輛I上。礦用車輛I裝備有連接裝置25，從電網20所供應的電通過該連接裝置連接到礦用車輛I的不同的裝置。連接裝置25的結構和操作結合圖2詳細地描述。礦用車輛I也裝備有至少一個輔助能源26a、26b。輔助能源26a、26b可以是電池、超級電容器、燃料電池、或柴油馬達，或者其它一些相應的輔助能源。連接裝置25具有整流器27，將來自電網20的電力供應線路連接到該整流器。整流器27可以是固定的或受脈沖比率控制。整流器27的直流部分連接到DC中間電路28，即直流電壓中間電路。第一逆變器29a連接到DC中間電路28，用以將直流轉換成交流，以及用以向第一交流電馬達30a供應交流電。交流電馬達30a優選地為三相電動馬達。連接裝置25也可以具有第二逆變器29b，該第二逆變器向第二交流電馬達30b供電。例如，交流電馬達30a可以驅動礦用工作裝置2，并且例如，交流電馬達30b可以驅動驅動設備4。
連接裝置25還可以具有第三逆變器29c或更多的逆變器，以用以供應給輔助驅動器的至少一個交流電馬達30c。水泵系統、空氣壓力壓縮機系統、輔助液壓系統，或者裝置內系統的冷卻系統31可連接到電動馬達30c。當使用連接到同一 DC中間電路的幾個逆變器時，可以任意地改變連接到逆變器的電動馬達的供電電壓。因此，任意地調節連接到逆變器的每個電動馬達的旋轉速率也是可能的。因此，可以存在多于兩個的逆變器，這意味著也可以存在多于兩個電動馬達。該布置還具有控制單元32，該控制單元可根據需要布置在連接裝置25內或在其外部。控制單元32用于控制連接裝置25的各個單元的操作，所述各個單元諸如整流器27、逆變器29a、29b、以及輔助能源26a、26b。輔助能源26a、26b也連接到DC中間電路28。輔助能源26a、26b可以是電池、超級電容、燃料電池、柴油馬達、調速輪、或者其它一些相應的輔助能源。例如，柴油馬達可驅動產生電流的交流發電機。如果輔助能源26a、26b產生交流電，則其通過整流器連接到DC中間電路28。輔助能源26a、26b也可直接連接到DC中間電路28，但優選地采用至少一個DC/DC轉換器33a、33b將輔助能源26a、26b連接到DC中間電路28。DC/DC轉換器使輔助能源26a、26b的電壓電平適合于DC中間電路28。此外，DC/DC轉換器33a、33b管理輔助能源的能量釋放和輔助能源26的充電。通過DC/DC轉換器33a、33b，可以使得完全不同的輔助能源26適應于該裝置的中間電路28。因此，易于改變輔助能源26a、26b，或者存在并聯的幾個輔助能源，并且DC/DC轉換器33a、33b確保它們適于DC中間電路28。也可以存在幾個DC/DC轉換器33a、33b，并且當一個DC/DC轉換器33a、33b失效時，裝置可利用另一個DC/DC轉換器驅動。圖2的實施例示出兩個關聯的DC/DC轉換器33a、33b和兩個關聯的輔助能源26a和26b。如果一個輔助能源26a、26b失效，則可停止其運行，并且能夠利用處于較低功率電平的一個輔助能源繼續進行操作。這可提高礦用車輛的可靠性，并且在發生故障期間，可將礦用車輛從道路上移出而不會對其它礦用運輸造成任何風險。在這之后，可在更安全的地方進行維護工作。當然，可以并聯地連接多于兩個的DC/DC轉換器和/或輔助能源。礦場的電網20是礦用車輛的主要能源。當礦用車輛I需要較高功率時，可從輔助能源26a、26b對礦用車輛供應額外的能量，以補充礦場的電網20的不足。例如，在全功率鑿鉆期間，可從輔助能源26a、26b獲得額外的能量。在控制單元32內限定一定的限度值是可能的，之后，將輔助能源投入使用。借助于輔助能源26a、26b，從電網20獲取的電功率可限制到一定的水平。此外，能夠將輔助能源投入使用，用以使裝載車或運輸車在達到它們的最大能量消耗水平時(即，例如當它們在重載爬坡時)的峰值被平穩化。
系統測量在電動馬達中所使用的電流，并因此調整由輔助能源26a、26b所產生的對DC中間電路供應的電功率。聯合使用輔助能源26a、26b和電網20的一個理念是，確保電網20的電壓不會過載而降低到電網電壓的極限設置值之下，諸如在標稱電壓之下5%。以這種方式，可以避免電網20中的電壓變化。圖2還用虛線示出了變壓器34。變壓器34可用于將電網20電壓電平轉換成適應礦用車輛的電氣系統。然而，如果使得整流器27適于將至少兩個不同電網的電壓電平轉換成與DC中間電路28中的相同，則不需要變壓器34。例如，產生兩個電壓電平的電力變壓器可借助于柵導通閘流晶體管來實現。由這種類型的整流器所產生的直流電壓可通過改變閘流晶體管的導通角來改變。也可以如下方式使用本設備即使電網20不可用，通過使用從輔助能源26獲得的能量，也能夠以短時間進行鑿鉆或其它工作。此外，電網20可用來使礦用車輛運行，當連接電網線纜時，并且當未使用電網時，輔助能源26可用于使車輛運行。代替連接線纜21和卷軸22，礦用車輛I能夠以如下方式連接到電網20 :例如，電網是母線系統，礦用車輛I通過集電器連接到該母線系統。能夠以如下方式控制該系統例如，最多從電網20上獲取某一限定的最大功率，并且當超過該限度值時，則所需功率的剩余部分從輔助能源26獲取。在這種情況下，通常對從輔助能源獲取的功率進行調整。此外，在必要時，可以從輔助能源獲取所有可用的功率，并且從而調整以替代從電網20獲取的功率，或者如果電網因某種原因而不可用，則可以從輔助能源獲取所有需要的功率。由礦用車輛I所獲取的功率可通過測量逆變器29a至29c的功率消耗來確定。因此，可以執行輸出限制功能，其中當逆變器29a至29c的組合功率超過一定的限度值時，由一個或多個礦用工作裝置2所獲得的功率受到限制。控制單元可包括軟件產品，安置該軟件產品在控制單元32中的執行，以便提供本說明中所提出的動作中的至少一些。可從存儲器或存儲介質中將該軟件產品加載到控制單元中，所述存儲器或存儲介質諸如記憶棒、存儲盤、硬盤、信息網絡服務器等，并且該軟件產品在控制單元計算機等的處理器內的執行產生本說明書中所描述的在礦用車輛的能量供應中的各動作。在本說明書中所描述的方案也可在挖掘隧道時使用。隧道以炮眼組(round)方式挖掘。工作地點是對鉆孔進行鑿鉆并裝藥的隧道面。在對炮眼組進行爆炸之前，將鉆巖機從該面移到安全點。在爆破之后以及在清除爆破的巖石之后，將鉆巖機從安全點驅動回到隧道面以鑿鉆另一個炮眼組。隧道以炮眼組方式挖掘，這意味著新的鑿鉆地點(即，新的工作地點)位于與先前鑿鉆地點(即，先前工作地點)相距對應的炮眼長度的距離處。因此，轉移驅動是指從先前工作地點經由安全點到下一個工作地點。應提及的是，在本說明書中，礦場是指地下礦場和露天礦場。此外，方法和礦用車輛可用于承包工作地點，諸如當挖掘不同的巖石設施時。因此，合約工作地點也可被視為一種類型的礦場。在合約工作地點，可對外部電網進行變更，諸如在可移動車架上的機組。在一些情況下，在本說明書中所描述的特征可以原樣使用，而不管其它特征。另一 方面，必要時，也可以對本說明書中所描述的特征進行組合用以提供各種組合形式。附圖和相關的描述僅僅旨在闡明本發明的里理念。在權利要求的保護范圍內，本發明的細節可以變化。
權利要求
1.一種礦用車輛，具有 車架(3)； 驅動設備(4)，所述驅動設備用于移動所述車架(3)； 至少一個礦用工作裝置(2)，所述至少一個礦用工作裝置(2)是下列之一鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置； 交流電馬達(30a, 30b, 30c)； 連接裝置，用于從礦場的電網(20)向其供電； DC中間電路(28)，使用整流器(27)從所述礦場的所述電網(20)向所述DC中間電路供應電力； 逆變器(29a，29b, 29c)，所述逆變器用于對交流電馬達(30a，30b, 30c)供應所述DC中間電路(28)的電能；以及 輔助能源(26a，26b)，所述輔助能源連接到所述DC中間電路(28)， 所述礦用車輛的特征在于，所述礦用車輛具有DC/DC轉換器(33a，33b)，所述DC/DC轉換器在所述輔助能源(26a，26b)和DC中間電路(28)之間，用于使所述輔助能源(26a，26b)的電壓電平適于所述DC中間電路(28)、以及用于連接輔助能源(26a，26b)以便向所述DC中間電路(28)供應能量，由此，具有不同特性的輔助能源(26a，26b)可連接到所述礦用車輛。
2.如權利要求I中所述的礦用車輛，其特征在于，所述的礦用車輛具有至少并聯的兩個 DC/DC 轉換器(33a, 33b)。
3.如權利要求I或2中所述的礦用車輛，其特征在于，所述的礦用車輛具有至少兩個輔助能源(26a，26b)，所述兩個輔助能源并聯到所述DC中間電路(28)。
4.如前述權利要求中任一項所述的礦用車輛，其特征在于，當所述礦用車輛(I)的能量需求超過一定的限度時，連接所述輔助能源(26a，26b)以便通過所述DC中間電路(28)向所述礦用車輛(I)的所述交流電馬達(30a，30b，30c)供應能量，而所述礦用車輛(I)同時還從所述礦場的所述電網(20)接收能量。
5.如權利要求I或2中所述的礦用車輛，其特征在于，所述輔助能源(26a，26b)是電池。
6.如前述權利要求中任一項所述的礦用車輛，其特征在于，使得所述礦用車輛(I)的所述整流器(27)適于將所述礦場的至少兩個不同電壓的電網(20)的供應電壓轉換成與所述DC中間電路(28)中的相同。
7.如前述權利要求中任一項所述的礦用車輛，其特征在于，所述礦用車輛是鉆巖機。
8.一種用于礦用車輛(I)的能量供應的方法，所述礦用車輛(I)具有車架(3)、用于移動所述車架(3)的驅動設備(4)、至少一個礦用工作裝置(2)，所述至少一個礦用工作裝置(2)是下列之一鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置；以及至少一個交流電馬達(30a、30b、30c)，通過整流器(27)、DC中間電路(28)和逆變器(29a，29b，29c)來從所述礦場的所述電網(20)向所述至少一個交流電馬達供應，所述方法的特征在于，借助于DC/DC轉換器(33a，33b)，使得所述輔助能源(26a，26b)的電壓電平適于所述DC中間電路(28)，并且使得所述輔助能源(26a，26b)適于向所述DC中間電路(28)供應能量，由此，可將不同特性的輔助能源(26a，26b)連接到所述礦用車輛。
9.如權利要求8中所述的方法，其特征在于，當所述礦用車輛(I)的能量需求超過一定的限度時，可從所述礦場的所述電網(20)以及從所述輔助能源(26a，26b)同時向所述礦用車輛(I)供應能量。
10.如權利要求8或9中所述的方法，其特征在于，使得所述礦用車輛(I)的所述整流器(27)適于將所述礦場的至少兩個不同電壓的電網(20)的供應電壓轉換成與所述DC中間電路(28)中的相同。
11.一種礦用車輛，具有車架(3);驅動設備(4)，所述驅動設備用于移動所述車架(3);至少一個礦用工作裝置(2)，所述至少一個礦用工作裝置(2)是下列之一鉆巖機器、錨桿安裝機、噴射混凝土裝置、剝落裝置、灌注裝置、炮眼裝藥器、測量裝置；交流電馬達(30a, 30b, 30c);連接裝置，所述連接裝置用于從礦場的電網(20)向其供電；DC中間電路(28)，使用整流器(27)從所述礦場的所述電網(20)向所述DC中間電路(28)供應電力；逆變器(29a，29b, 29c)，所述逆變器用于向交流電馬達(30a，30b, 30c)供應所述DC中間電路(28)的電能；以及輔助能源(26a，26b)，所述輔助能源連接到DC中間電路(28)，所述礦用車輛的特征在于，當所述礦用車輛(I)的能量需求超過一定的限度時，連接所述輔助能源(26a，26b)，以便通過所述DC中間電路(28)向所述礦用車輛(I)的所述交流電馬達(30a, 30b, 30c)供應能量，而所述礦用車輛(I)同時還從所述礦場的所述電網(20)接收能量。
全文摘要
本發明涉及礦用車輛及其能量供應方法。礦用車輛(1)具有整流器(27)、DC中間電路(28)、以及逆變器(29a,29b,29c)，通過該逆變器來向交流電馬達(30a,30b,30c)供電。至少一個輔助能源(26a,26b)連接到該DC中間電路(28)。DC/DC轉換器(33a,33b)被連接在DC中間電路(28)和輔助能源(26a,26b)之間，用于使輔助能源(26a,26b)的電壓電平適于DC中間電路(28)、以及用于連接該輔助能源(26a,26b)從而向該DC中間電路(28)供應能量。
文檔編號H02J5/00GK102712265SQ201080059848
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月27日 優先權日2009年12月28日
發明者尤卡·奧薩拉, 尤哈·皮波寧, 米科·科沃 申請人:山特維克礦山工程機械有限公司