ШАХТНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
MINE VEHICLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к шахтному транспортному средству и к способу работы шахтного транспортного средства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Шахтное транспортное средство может содержать один или несколько двигателей внутреннего сгорания, обычно дизельных двигателей. Однако выхлопные газы и шум от двигателя внутреннего сгорания вызывают проблемы в шахте. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания требует много пространства на тележке транспортного средства и нуждается в регулярном техническом обслуживании. Двигатель внутреннего сгорания также оказывает негативное влияние на пожарную безопасность в шахте, поскольку он содержит горячие поверхности, и к тому же приходится хранить и перемещать горючее топливо в транспортном средстве и шахте. Кроме того, шахтное транспортное средство, оснащенное двигателем внутреннего сгорания, генерирует много тепловой энергии, тем самым излишне нагревая шахту.
Можно также оснастить шахтное транспортное средство одним или несколькими электродвигателями так, что по меньшей мере тяговый двигатель шахтного транспортного средства представляет собой тяговый электродвигатель. Тяговый электродвигатель может питаться от электрической сети шахты. Электрическая сеть шахты может представлять собой сеть переменного или постоянного тока. Тяговый электродвигатель может также питаться от источника энергии, такого как батарея, который предусмотрен в шахтном транспортном средстве.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание нового типа шахтного транспортного средства и способа.
Изобретение характеризуется признаками, описанными в независимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления шахтное транспортное средство содержит трехфазный или многофазный тяговый электродвигатель. Тяговый электродвигатель содержит одну или более отдельных обмоток на фазу. Номинальная мощность тягового двигателя определяется на основании некоторой приводной скорости и нагрузки, при этом тяговый двигатель имеет номинальный крутящий момент при заданной скорости вращения. Тяговый двигатель соединен с ведущим колесом шахтного транспортного средства с использованием постоянного передаточного отношения. Управление скоростью вращения тягового двигателя осуществляется посредством использования контроллера двигателя. Тяговый двигатель приводят в действие в соединении треугольником с заданной приводной скоростью и, при необходимости, увеличивают крутящий момент тягового двигателя при более низкой приводной скорости по сравнению с заданной приводной скоростью посредством осуществления работы тягового двигателя в соединении звездой и одновременно кратковременной перегрузки тягового двигателя. В таком варианте осуществления нет необходимости в использовании коробки передач в шахтном транспортном средстве. Однако высокий вращательный момент при низкой скорости вращения электродвигателя достигается без высокого тока электродвигателя и контроллера двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые варианты осуществления изобретения будут показаны более подробно на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг.1 представляет собой схематичное изображение сбоку шахтного транспортного средства,
фиг.2 представляет собой схему высоковольтного соединения звездой электродвигателя,
фиг.3 представляет собой схему высоковольтного соединения треугольником электродвигателя,
фиг.4 представляет собой схему низковольтного соединения звездой электродвигателя,
фиг.5 представляет собой схему низковольтного соединения треугольником электродвигателя, и
фиг.6 представляет собой кривые крутящего момента электродвигателя при различных соединениях.
На чертежах некоторые варианты осуществления изобретения показаны упрощенно для ясности. На чертежах одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показан один пример шахтного транспортного средства 1. Шахтное транспортное средство 1 содержит тележку 2, которая выполнена с возможностью перемещения посредством приводного оборудования 3. Приводное оборудование 3 содержит один или несколько трехфазных или многофазных электродвигателей 4 и одно или несколько средств 5 передачи мощности для передачи мощности привода на одно или несколько колес 6. Передача мощности привода может содержать механические элементы передачи мощности или, в качестве альтернативы, может быть использована гидравлическая или электрическая система мощности привода. Тяговый двигатель 4 соединен с ведущим колесом 6 с использованием постоянного передаточного отношения. Таким образом используется прямое соединение. При использовании постоянного передаточного отношения или средств прямого соединения мощность привода передается от тягового двигателя 4 на ведущее колесо без коробки передач. Таким образом, шахтное транспортное средство 1 не содержит коробки передач.
Шахта может содержать электрическую сеть 7, которая может быть выполнена неподвижной, или она может состоять из изменяемой сети. Электрическая сеть 7 может представлять собой трехфазную сеть переменного тока. Шахтное транспортное средство 1 может быть подсоединено к электрической сети 7 одним или несколькими соединительными кабелями 8. Соединительный кабель 8 может быть расположен на барабане 9, и он может быть оснащен пригодным разъемом 10, который может быть подсоединен к выводу питания электрической сети 7. В качестве альтернативы, барабан 9 и кабель 8 могут быть расположены в шахте, а соединительный кабель 8 подсоединен к шахтному транспортному средству 1. Таким образом, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, тяговый электродвигатель 4 питается от электрической сети шахты. Электрическая сеть шахты также может представлять собой сеть постоянного тока, такую как троллейная линия постоянного тока. В таком случае шахтное транспортное средство 1 может быть подсоединено к троллейной линии постоянного тока посредством одного или нескольких кронштейнов троллея. Таким образом, можно также питать тяговый электродвигатель 4 от источника энергии, предусмотренного в шахтном транспортном средстве 1.
Шахтное транспортное средство 1 может представлять собой самосвал, погрузчик, агрегат для бурения по твердым породам или любое другое шахтное транспортное средство. Шахтное транспортное средство 1 может содержать одно или несколько устройств для горных работ, которые могут представлять собой одно или несколько перечисленных ниже устройств для горных работ: камнедробильную машину, машину для постановки анкерной крепи, устройство торкретирования, устройство отслаивания, устройство закачивания, машину для бурения взрывных скважин, погрузочное устройство, ковш, шахтную вагонетку, измерительное устройство или оборудование для бурения, запечатывания и подачи топлива, используемое в горных выработках с малой загрузкой.
Шахтное транспортное средство 1 дополнительно содержит контроллер 11 двигателя. Контроллер 11 двигателя управляет скоростью вращения тягового двигателя 4. Если электрическая сеть 7 шахты представляет собой трехфазную сеть переменного тока, то контроллер 11 двигателя может представлять собой преобразователь частоты, который преобразует частоту так, чтобы она была пригодной для тягового двигателя 4, в соответствии с необходимостью. Если, например, электрическая сеть представляет собой сеть постоянного тока, или если источник энергии шахтного транспортного средства подает электроэнергию постоянного тока, то контроллер 11 двигателя может представлять собой инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный и, таким образом, регулирует частоту так, чтобы она была пригодной для тягового двигателя, в соответствии с необходимостью.
Шахтное транспортное средство 1 дополнительно содержит соединительное устройство 12, которое соединяет обмотки трехфазного электродвигателя 4 переменного тока в соединении звездой и в соединении треугольником в соответствии с необходимостью. Соединительное устройство 12 может содержать разъемы или любые другие пригодные переключающие средства для соединения электродвигателя 4 или в соединении звездой или в соединении треугольником. Соединительное устройство 12 может быть предусмотрено в соединительной коробке электродвигателя 4 или оно может быть предусмотрено за пределами электродвигателя 4.
Шахтное транспортное средство 1 также содержит блок 13 управления. Блок 13 управления управляет, например, работой контроллера 11 двигателя и соединительного устройства 12. Блок 13 управления может представлять собой компьютер или соответствующее устройство управления, содержащее процессор, программируемую логику или любое другое устройство управления, пригодное для данной задачи, для которого можно установить по меньшей мере одну стратегию управления, в соответствии с которой оно осуществляет управление независимо или во взаимодействии с оператором.
Номинальная мощность тягового двигателя 4 определяется на основании заданной приводной скорости и нагрузки. В одном примере нагрузка определяется на основании веса шахтного транспортного средства и веса материала, перевозимого шахтным транспортным средством. В одном примере заданная приводная скорость может быть равна 20 км/час, а вес шахтного транспортного средства и перевозимого им материала равен 20 тоннам. В варианте осуществления это предусматривает номинальную мощность тягового двигателя 4, равную 75 кВт. Определение размеров двигателя 4 обеспечивает номинальный крутящий момент тягового двигателя при заданной скорости вращения. Определение размеров тягового двигателя не рассматривается более подробно в данном документе, поскольку определение размеров тягового двигателя очевидно для специалиста в данной области техники.
Определение размеров контроллера 11 двигателя осуществляется, с одной стороны, на основании номинальной мощности тягового двигателя, а, с другой стороны, на основании требуемого крутящего момента при заданной скорости вращения тягового двигателя. Шахтное транспортное средство должно иметь большой крутящий момент при очень низкой приводной скорости, которая является одновременно низкой скоростью вращения тягового двигателя. Одним примером является заполнение ковша погрузчика. При заполнении погрузчик очень медленно продвигается в навал породы. Пройденное расстояние может быть равно, например, 1-5 метрам. Заполнение погрузчика может продолжаться, например, 5-30 секунд. Другим примером высокого крутящего момента при низкой приводной скорости является приведение в движение агрегата для бурения по твердым породам на подъеме или приведение в движение агрегата для бурения по твердым породам через препятствие или по неровной и сложной поверхности. При обычном движении транспортировки по ровной поверхности требуется более высокая скорость и одновременно значительно меньший крутящий момент. Определение размеров контроллера 11 двигателя на основании требуемого крутящего момента приводит к значительным размерам контроллера 11 двигателя. Поэтому для достижения высокого крутящего момента при низкой скорости вращения обычно используют коробку передач. Однако коробка передач является довольно дорогим элементом. Поэтому в варианте осуществления, описанном в данном документе, коробка передач не используется, а для достижения высокого крутящего момента при низкой приводной скорости приводят в действие тяговый двигатель 4 в соединении звездой, при этом при нормальной работе тяговый электродвигатель приводят в действие в соединении треугольником. При соединении звездой можно обеспечить высокий крутящий момент во время низкой приводной скорости с более низкими токами контроллера двигателя по сравнению с соединением треугольником. Для достижения высокого крутящего момента на низкой приводной скорости одновременно тяговый электродвигатель кратковременно перегружается в течение коротких периодов. В шахтном транспортном средстве высокий крутящий момент при низкой приводной скорости требуется только в течение очень короткого периода времени, и поэтому перегрузка не повреждает тяговый электродвигатель.
На фиг.2, 3, 4 и 5 показано, как соединены обмотки тягового двигателя. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, 3, 4 и 5, тяговый двигатель содержит двойную обмотку, посредством чего один двигатель обеспечивает четыре разных выходных мощности. Двойная обмотка означает, что предусмотрены две отдельные обмотки на одну фазу. При одинаковой частоте номинальные мощности двигателей и номинальные крутящие моменты двигателей одинаковые, но величины тока и напряжения разные. Можно также сказать, что на фиг.2 показана 1-я передача транспортного средства, на фиг.3 показана 2-я передача транспортного средства, на фиг.4 показана 3-я передача транспортного средства и на фиг.5 показана 4-я передача транспортного средства.
На фиг.2 показано высоковольтное соединение звездой. В данном варианте осуществления конец Т4 соединен с концом Т7, конец Т5 соединен с концом Т8, конец Т6 соединен с концом Т9 и концы Т10, Т11 и Т12 соединены вместе. Если номинальная мощность двигателя равна 75 кВт, то основное напряжение между Т1 и Т2 равно 690 В и фазный ток равен 77,7 А. Напряжение на некоторой обмотке, такой как Т1-Т4, равно 690 В/(2*√3)=200 В.
На фиг.3 показано высоковольтное соединение треугольником. В данном варианте осуществления конец Т4 соединен с концом Т7, конец Т5 соединен с концом Т8, конец Т6 соединен с концом Т9, конец Т10 соединен с концом Т2, конец Т11 соединен с концом Т3 и конец Т12 соединен с концом Т1. Если номинальная мощность двигателя равна 75 кВт, то основное напряжение между Т1 и Т2 равно 400 В и фазный ток равен 134 А. Напряжение на некоторой обмотке, такой как Т1-Т4, равно 400 В/2=200 В.
На фиг.4 показано низковольтное соединение звездой. В данном варианте осуществления конец Т7 соединен с концом Т1, конец Т8 соединен с концом Т2, конец Т9 соединен с концом Т3, концы Т4, Т5 и Т6 соединены вместе и концы Т10, Т11 и Т12 соединены вместе. Если номинальная мощность двигателя равна 75 кВт, то основное напряжение между Т1 и Т2 равно 345 В и фазный ток равен 155,4 А. Напряжение на некоторой обмотке, такой как Т1-Т4, равно 345 В/√3=200 В.
На фиг.5 показано низковольтное соединение треугольником. В данном варианте осуществления концы Т6, Т1, Т12 и Т7 соединены вместе, концы Т4, Т2, Т10 и Т8 соединены вместе и концы Т5, Т3, Т11 и Т9 соединены вместе. Если номинальная мощность двигателя равна 75 кВт, то основное напряжение между Т1 и Т2 равно 200 В и фазный ток равен 268 А. Напряжение на заданной обмотке, такой как Т1-Т4, равно 200 В.
В каждом варианте осуществления, описанном в данном документе, указанные соединения имеют разные номинальные токи при одинаковой номинальной мощности. В любом случае напряжение на данной обмотке одинаковое при всех соединениях. Перегрузка означает, что ток электродвигателя в одном варианте осуществления по меньшей мере в 2 раза больше номинального тока, в другом варианте осуществления по меньшей мере в 2,5 раза больше номинального тока и в третьем варианте осуществления по меньшей мере в 3 раза больше номинального тока. Это обеспечивает такую особенность, что электродвигатель кратковременно обеспечивает крутящий момент, который в 2, 2,5 или 3 раза больше номинального крутящего момента.
На фиг.6 показаны кривые номинального крутящего момента и кривые максимального крутящего момента для каждого соединения или для каждой передачи, показанной на фиг.2-5. Электрическая система в данном варианте осуществления имеет следующие параметры: номинальное напряжение двигателя при соединении звездой равно 690 В, номинальная частота равна 50 Гц, номинальный ток равен 77,7 А, номинальная скорость вращения равна 1500 об/мин, номинальная мощность равна 75 кВт и номинальный крутящий момент равен 484 Нм. Номинальный ток контроллера двигателя равен 150 А и напряжение промежуточного контура контроллера двигателя равно 650 В, что соответствует напряжению двигателя, равному 455 В. Предполагается также, что ток прямо пропорционален крутящему моменту. Кривые крутящего момента определяются исходя из того, что ток в 2 раза больше номинального тока, и максимальный ток контроллера двигателя в 1,5 раза больше его номинального тока, обеспечивающего ток 225 А.
В варианте осуществления к шахтному транспортному средству предъявляются следующие требования: максимальный крутящий момент при низкой скорости (менее 500 об/мин) равен по меньшей мере около 1000 Нм, непрерывный крутящий момент на 2000 об/мин равен по меньшей мере 400 Нм, а непрерывный крутящий момент на 4000 об/мин равен по меньшей мере около 100 Нм. Как можно видеть из фиг.6, данные требования удовлетворяются посредством использования 1-й передачи и 2-й передачи.
При нормальном использовании существует очень малая потребность в переключении с одной передачи на другую. В варианте осуществления крутящий момент, равный 1000 Нм, при низкой скорости требуется крайне редко, поэтому обычно в течение по меньшей мере 90-95% времени приведение в движение осуществляется с использованием 2-й передачи.
Переключение с одной передачи на другую может осуществляться довольно быстро. Когда при переключении управление двигателем отключается, и в течение какого-то момента времени, обычно 0,5-1 с, демпфирование магнитного потока немного запаздывает и затем посредством соединительного устройства осуществляется переключение передачи и контроллер частоты продолжает управлять электродвигателем.
Кратковременная перегрузка может быть ограничена заданной максимальной продолжительностью. В одном варианте осуществления максимальная продолжительность кратковременной перегрузки равна 60 с, а в другом варианте осуществления максимальная продолжительность равна 30 с. Можно также измерять температуру одного или нескольких элементов и прекращать перегрузку, если измеренная температура превышает определенный заданный установленный уровень. Можно оповещать оператора о перегрузке посредством блока управления. Можно также оповещать оператора о перегрузке заранее до прекращения.
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что по мере технического прогресса концепция настоящего изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты осуществления не ограничены вышеописанными примерами и могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.