система и способ для повторного ввода энергии торможения в базирующийся на контактной сети электрический откатный грузовик горной выработки

Формула изобретения

1. Способ для повторного ввода энергии торможения, регенерированной из электродвигателя на транспортном средстве, способ содержит этап, на котором

передают через линии контактной сети по меньшей мере часть энергии торможения, регенерированной в течение по меньшей мере одного интервала торможения, на двунаправленную электрическую подстанцию.

2. Способ по п.1, в котором

транспортное средство содержит откатный грузовик горной выработки.

3. Способ по п.2, в котором

по меньшей мере один интервал торможения возникает в то время, как откатный грузовик горной выработки является движущимся вниз по склону.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором

заряжают бортовую систему накопления электрической энергии по меньшей мере частью энергии торможения.

5. Способ по п.4, в котором

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

6. Способ по п.4, в котором

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

7. Способ по п.4, дополнительно содержащий этап, на котором

подают электрическую энергию на электродвигатель из бортовой системы накопления электрической энергии.

8. Способ для накопления энергии торможения, регенерированной из электродвигателя на транспортном средстве, способ содержит этапы, на которых

передают через линии контактной сети по меньшей мере часть энергии торможения, регенерированной в течение по меньшей мере одного интервала торможения, во вспомогательную систему накопления электрической энергии и

заряжают вспомогательную систему накопления электрической энергии по меньшей мере частью энергии торможения.

9. Способ по п.8, в котором

транспортное средство содержит откатный грузовик горной выработки.

10. Способ по п.9, в котором

по меньшей мере один интервал торможения возникает в то время, как откатный грузовик горной выработки является движущимся вниз по склону.

11. Способ по п.8, в котором

вспомогательная система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

12. Способ по п.8, в котором

вспомогательная система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

13. Способ по п.8, дополнительно содержащий этап, на котором

передают по меньшей мере часть энергии торможения на однонаправленную электрическую подстанцию через по меньшей мере одну из: линий контактной сети и

вспомогательной системы накопления электрической энергии.

14. Способ по п.13, дополнительно содержащий этап, на котором

заряжают вспомогательную систему накопления электрической энергии электрической энергией, поставляемой с однонаправленной электрической подстанции.

15. Способ по п.8, дополнительно содержащий этап, на котором

передают по меньшей мере часть энергии торможения на двунаправленную электрическую подстанцию через по меньшей мере одну из: линий контактной сети и

вспомогательной системы накопления электрической энергии.

16. Способ по п.15, дополнительно содержащий этап, на котором

заряжают вспомогательную систему накопления электрической энергии электрической энергией, поставляемой с двунаправленной электрической подстанции.

17. Способ по п.8, дополнительно содержащий этап, на котором

подают электрическую энергию в линии контактной сети из вспомогательной системы накопления электрической энергии.

18. Способ по п.8, дополнительно содержащий этап, на котором

заряжают бортовую систему накопления электрической энергии по меньшей мере частью энергии торможения.

19. Способ по п.18, в котором

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

20. Способ по п.18, в котором

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

21. Способ по п.18, дополнительно содержащий этап, на котором

подают электрическую энергию на электродвигатель из бортовой системы накопления электрической энергии.

22. Электроэнергетическая система для повторного ввода энергии торможения, регенерированной из электродвигателя на транспортном средстве, электроэнергетическая система содержит инвертер, сконфигурированный для

приема по меньшей мере части энергии торможения; и

передачи через линии контактной сети по меньшей мере части энергии торможения на двунаправленную подстанцию.

23. Электроэнергетическая система по п.22, в которой инвертер дополнительно сконфигурирован для

приема электрической энергии через линии контактной сети с двунаправленной подстанции.

24. Электроэнергетическая система по п.22, в которой инвертер дополнительно сконфигурирован для

подачи по меньшей мере части энергии торможения в бортовую систему накопления электрической энергии.

25. Электроэнергетическая система по п.24, в которой

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

26. Электроэнергетическая система по п.24, в которой

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

27. Электроэнергетическая система по п.24, в которой инвертер дополнительно сконфигурирован для

приема электрической энергии из бортовой системы накопления электрической энергии.

28. Электроэнергетическая система для накопления энергии торможения, регенерированной из электродвигателя на транспортном средстве, электроэнергетическая система содержит

инвертер, сконфигурированный для

приема по меньшей мере части энергии торможения и передачи по меньшей мере части энергии торможения в линии контактной сети и

вспомогательную систему накопления электрической энергии, сконфигурированную для приема по меньшей мере части энергии торможения из линий контактной сети.

29. Электроэнергетическая система по п.28, в которой

вспомогательная система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

30. Электроэнергетическая система по п.28, в которой

вспомогательная система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

31. Электроэнергетическая система по п.28, в которой

вспомогательная система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для подачи электрической энергии в линии контактной сети.

32. Электроэнергетическая система по п.28, в которой инвертер дополнительно сконфигурирован для передачи через линии контактной сети по меньшей мере части энергии торможения на однонаправленную электрическую подстанцию.

33. Электроэнергетическая система по п.28, в которой вспомогательная система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для передачи по меньшей мере части энергии торможения на однонаправленную электрическую подстанцию.

34. Электроэнергетическая система по п.33, в которой вспомогательная система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для приема электрической энергии с однонаправленной электрической подстанции.

35. Электроэнергетическая система по п.28, в которой инвертер дополнительно сконфигурирован для передачи через линии контактной сети по меньшей мере части энергии торможения на двунаправленную электрическую подстанцию.

36. Электроэнергетическая система по п.28, в которой вспомогательная система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для передачи по меньшей мере части энергии торможения на двунаправленную электрическую подстанцию.

37. Электроэнергетическая система по п.36, в которой вспомогательная система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для приема электрической энергии с двунаправленной электрической подстанции.

38. Электроэнергетическая система по п.28, дополнительно содержащая

бортовую систему накопления электрической энергии, сконфигурированную для приема по меньшей мере части энергии торможения.

39. Электроэнергетическая система по п.38, в которой

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один суперконденсатор.

40. Электроэнергетическая система по п.38, в которой

бортовая система накопления электрической энергии содержит по меньшей мере один аккумулятор.

41. Электроэнергетическая система по п.38, в которой

бортовая система накопления электрической энергии дополнительно сконфигурирована для подачи электрической энергии на электродвигатель.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

Эта заявка родственна заявке на выдачу патента США под № 12/604580 (Досье поверенного под № 2009P12866US), озаглавленной Peak Demand Reduction in Mining Haul Trucks Utilizing an On-Board Energy Storage System (Снижение пикового потребления в откатных грузовиках горной выработки с использованием бортовой системы накопления энергии), которая подается одновременно с этой и которая настоящим включена в состав посредством ссылки во всей своей полноте.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом относится к энергосистемам для откатных грузовиков горной выработки, а конкретнее к системе и способу для повторного ввода энергии торможения в базирующийся на контактной сети электрический откатный грузовик горной выработки.

Откатные грузовики горной выработки типично оборудованы электрическими приводными двигателями. При некоторых условиях движения, таких как внутри карьера горной выработки, вокруг дробильной установки и по уровневым поверхностям, электрическая энергия поставляется электрогенератором, питаемым дизельным двигателем. В условиях большего потребления электрическая энергия поставляется линией контактной сети. Откатный грузовик отбирает электрическую энергию с линии контактной сети через токосъемник. В частности, линии контактной сети широко применяются, когда откатный грузовик наполнен полезным грузом внутри карьера горной выработки и транспортирует полезный груз по ведущему вверх склону на поверхность. Во время перемещения вниз по склону энергия, поставляемая дизельным двигателем, является достаточной, и типично нет необходимости устанавливать линию контактной сети (которая может быть дорогостоящей) вдоль пути вниз по склону.

Электрическая энергия, отбираемая из линии контактной сети, проявляет большие динамические колебания. Когда откатный грузовик с тяжелым грузом является ускоряющимся на ведущем вверх склоне, например, пиковое потребление энергии может вдвое превышать среднее потребление энергии. Высокое пиковое потребление энергии оказывает отрицательное воздействие как на компанию электросети общего назначения, так и на горнодобывающее предприятие. Высокое пиковое потребление энергии может перегрузить подстанцию электросети общего назначения, поставляющую электрическую энергию в линию контактной сети. Результатом могут быть кратковременные падения напряжения или даже отключения подачи электроэнергии. Высокое пиковое потребление энергии также может перегревать кабели линий контактной сети и контакты токосъемника, приводя к повышенным интенсивностям отказов.

В дополнение к улучшенным эксплуатационным качествам и надежности, также есть экономический стимул для снижения пикового потребления энергии. Компании электроэнергетических сетей общего пользования, поставляющие энергию на рудники, типично измеряют потребление энергии рудника на основании 15-минутных интервалов, и в выставление счета вносится поправка на пиковое потребление энергии в течение каждого 15-минутного интервала. Нужны способ и устройство для снижения мощности, отбираемой откатными грузовиками из электроэнергетической сети общего пользования. Особенно полезны способ и устройство, которые снижают потерянную энергию.

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из вариантов осуществления энергия торможения, регенерированная из электродвигателя во время затормаживания, повторно вводится в энергосистему через линии контактной сети. Энергия торможения может передаваться на двунаправленную электрическую подстанцию и возвращаться в электрическую сеть общего пользования. Энергия торможения также может передаваться во вспомогательную систему накопления энергии, такую как система на суперконденсаторах или система на аккумуляторах. В еще одном варианте осуществления энергия торможения сначала используется для зарядки бортовой системы накопления электрической энергии. Когда бортовой блок накопления электрической энергии полностью заряжен, избыточная энергия торможения передается на линии контактной сети. Установка линий контактной сети для откатных грузовиков горной выработки на спуске вниз по склону может использоваться для перехвата и повторного использования существенных количеств энергии торможения.

Эти и другие преимущества изобретения будут очевидны рядовым специалистам в данной области техники при обращении к последующему подробному описанию и прилагаемым чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает схему работы горной выработки, в которой откатные грузовики оттаскивают полезный груз вверх по склону;

фиг. 2 показывает однолинейную схему электроэнергетической системы с приводом от дизельного двигателя для откатного грузовика;

фиг. 3 показывает схему работы горной выработки, в которой откатные грузовики оттаскивают полезный груз вниз по склону;

фиг. 4 показывает однолинейную схему энергосистемы контактной сети для откатного грузовика;

фиг. 5 показывает схему электроэнергетической системы с бортовой системой накопления энергии;

фиг. 6 показывает схему электроэнергетической системы, в которой энергия торможения возвращается в электрическую сеть общего пользования;

фиг. 7 показывает схему электроэнергетической системы, в которой энергия торможения накапливается во вспомогательной системе накопления энергии;

фиг. 8 показывает схему электроэнергетической системы, в которой часть энергии торможения накапливается во вспомогательной системе накопления энергии, и часть энергии торможения возвращается в электрическую сеть общего пользования;

фиг. 9 показывает схему электроэнергетической системы, в которой часть энергии торможения накапливается в бортовой системе накопления энергии, а часть энергии торможения возвращается в линии контактной сети;

фиг. 10 показывает блок-схему последовательности операций способа по этапам для диспетчерского управления энергией торможения; и

фиг. 11 - схема контроллера управления энергией суперконденсаторов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг. 1 показывает схему работы типичной горной выработки. Пустой откатный грузовик 102 горной выработки, показанный в положении P 152, попадает на место 170 погрузки в карьере горной выработки, где он заполняется полезным грузом 104 (например, рудой). Откатный грузовик 102 с полезным грузом 104, показанный в положении P 160, начинает свой подъем вверх по склону, достигая поверхности, показанной в положении P 162. Откатный грузовик 102 затем сваливает свой полезный груз 104 на месте 172 выгрузки. Пустой откатный грузовик 102, показанный в положении P 150, затем начинает свой спуск вниз по склону, вновь прибывая в положение P 152. Затем он заполняется вторым полезным грузом 104 на месте 170 погрузки и повторяет свой рейс вверх по склону.

Откатные грузовики горной выработки типично оборудованы электрическими приводными двигателями. Фиг. 2 показывает однолинейную схему энергосистемы откатного грузовика. Откатный грузовик имеет два ведущих колеса. Каждое колесо приводится в движение 3-фазным колесным электродвигателем (M) переменного тока (AC). Колесные электродвигатели указаны ссылкой как колесный электродвигатель 212 и колесный электродвигатель 216. Электрическая энергия поставляется дизельным двигателем 202, приводящим в движение 3-фазный генератор 206 (G) переменного тока. (Могут использоваться другие типы механических двигателей; дизельные двигатели типичны при работах на горной выработке). Сцепление 204 присоединяет дизельный двигатель 202 к генератору 206. Дизельный двигатель 202 и генератор 206 смонтированы на откатном грузовике. Мощность переменного тока на выходе генератора 206 подводится к выпрямителям 208. Мощность постоянного тока (DC) на выходе выпрямителей 208 подводится к набору инвертеров. Инвертеры 210 подают 3-фазную мощность переменного тока на колесный электродвигатель 212. Подобным образом, инвертеры 214 подают 3-фазную мощность переменного тока на колесный электродвигатель 216.

В энергосистеме, показанной на фиг. 2, все количества потребляемой энергии для колесного электродвигателя 212 и колесного электродвигателя 216 поставляются дизельным двигателем 202. Эксплуатационные качества (которые, например, определяются ускорением и скоростью) откатного грузовика ограничены мощностью дизельного двигателя. В сценарии, показанном на фиг. 1, когда откатный грузовик 102, наполненный тяжелым полезным грузом 104, является движущимся по ведущему вверх склону (такому как из положения P 160 в положение P 162), дизельный двигатель может нагружаться до максимальной мощности. Один из способов для снижения потребления энергии на дизельном двигателе, в то время как откатный грузовик 102 перемещается по ведущему вверх склону, состоит в том, чтобы питать колесные электродвигатели полностью посредством электрической энергии, отбираемой от энергосистемы надземной контактной сети. Во время этого режима работы генератор 206 отсоединен от дизельного двигателя 202 посредством сцепления 204. Дизельный двигатель, в таком случае, простаивает на ведущих вверх склонах. Как результат, потребление топлива снижается на ~95%; уменьшаются выделения шума и выхлопных газов и увеличивается производительность и срок службы двигателя.

На фиг. 1 показана линия 120 контактной сети и линия 122 контактной сети, поддерживаемые над землей опорным кронштейном 114', смонтированным на опорном столбе 110, и опорным кронштейном 116, смонтированным на опорном столбе 112. Линия контактной сети также указывается ссылкой как надземная линия. Для упрощения чертежа электрические соединения между откатным грузовиком 102, а также линией 120 контактной сети и линией 122 контактной сети не показаны на фиг. 1. Они подробно пояснены ниже со ссылкой на фиг. 4. Вследствие высоких затрат на монтаж линии контактной сети типично устанавливаются только на пути вверх по склону из положения P 160 в положение P 162. Высокая мощность не требуется на пути вниз по склону из положения P 150 в положение P 152.

В некоторых местностях, однако, как показано на фиг. 3, место 370 погрузки расположено выше по склону от места 372 выгрузки. Пустой откатный грузовик 302, показанный в положении P 362, попадает на место 370 погрузки на вершине возвышенности, где он наполняется полезным грузом 304. Откатный грузовик 302 с полезным грузом 304, показанный в положении P 350, начинает свой спуск вниз по склону, достигая подножия возвышенности, показанного в положении P 352. Откатный грузовик 302 затем сваливает свой полезный груз 304 на месте 372 выгрузки. Пустой откатный грузовик 302, показанный в положении P 360, затем начинает свой подъем вверх по склону, вновь прибывая в положение P 362. Затем он заполняется вторым полезным грузом 304 на месте 370 погрузки и повторяет рейс вниз по склону. В сценарии, показанном на фиг. 3, линии контактной сети типично не установлены. Поскольку откатный грузовик 302 не несет никакого груза во время подъема вверх по склону из положения P 360 в положение P 362, мощность из дизельного двигателя типично является достаточной. Подобным образом, во время спуска вниз по склону из положения P 350 в положение P 352, сила тяжести уменьшает потребление энергии для откатного грузовика 302 с полезным грузом 304. Однако, как описано ниже согласно вариантам осуществления, линии контактной сети полезны в сценарии, показанном на фиг. 3 (как вниз по склону, так и вверх по склону) и, к тому же, на отрезке вниз по склону, показанном на фиг. 1 (из положения P 150 в положение P 152).

Торможение откатного грузовика является критической частью операции транспортировки. Тяжелые грузы, крутые склоны и быстрые перемещения имеют следствием большие количества механической энергии, с которыми необходимо обращаться. Например, на фиг. 3 управление откатным грузовиком 302 с тяжелым полезным грузом 304 является особенно критичным во время спуска вниз по склону из положения P 350 в положение P 352. Откатный грузовик типично оборудован механической тормозной системой и электрической тормозной системой (электрическая тормозная система также указывается ссылкой как система динамического торможения).

При нормальной работе электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию. Электродвигатель также может задействоваться на реверсе в качестве генератора для преобразования механической энергии в электрическую энергию, которая подводится к инвертерам. В типичных системах динамического торможения тормозные модуляторы, присоединенные к инвертерам, направляют энергию на мощную резисторную решетку, которая непрерывно рассеивает энергию до тех пор, пока грузовик не достигнет состояния неподвижности. Торможение является плавным, подобно операции торможения на автомобиле, но без механического износа тормозов. Например, со ссылкой на фиг. 2, модулятор 218 и мощная резисторная решетка 220 обеспечивают затормаживание для колесного электродвигателя 212. Подобным образом модулятор 222 и мощная резисторная решетка 224 обеспечивают затормаживание для колесного электродвигателя 220. В типичных системах динамического торможения, поэтому, регенерированная электрическая энергия (также указываемая ссылкой как энергия торможения) преобразуется в потерянное тепло. В вариантах осуществления, как подробно описано ниже, однако, регенерированная электрическая энергия перехватывается и повторно используется.

Фиг. 4 показывает однолинейную схему энергосистемы откатного грузовика, включающей в себя энергосистему надземной контактной сети. Подобно энергосистеме, показанной на фиг. 2, дизельный двигатель 402 присоединен через сцепление 404 к 3-фазному генератору 406 переменного тока. Мощность переменного тока на выходе генератора 406 подводится к выпрямителям 408. Выходная мощность постоянного тока выпрямителей 408 подводится к инвертерам 410, которые выдают мощность на колесный электродвигатель 412, и к инвертерам 414, которые выдают мощность на колесный электродвигатель 416. Модулятор 418 и мощная резисторная решетка 420 обеспечивают динамическое торможение для колесного электродвигателя 412. Подобным образом, модулятор 422 и мощная резисторная решетка 424 обеспечивают динамическое торможение для колесного электродвигателя 416.

Входы инвертеров 410 и инвертеров 414 также могут быть присоединены к питанию постоянного тока, подаваемому электрической подстанцией 450 через линию 430 контактной сети и линию 432 контактной сети. В типичной установке, как показано на фиг. 1, линия 430 контактной сети и линия 432 контактной сети соответствуют линии 120 контактной сети и линии 122 контактной сети, которые подают электрическую энергию на откатный грузовик 102 во время подъема вверх по склону из положения P 160 в положение P 162. Электрическое присоединение откатного грузовика к линии 430 контактной сети и линии 432 контактной сети реализовано через кронштейн 434 токосъемника и кронштейн 434 токосъемника, соответственно. Перекидной переключатель 440 присоединяет/отсоединяет входы инвертеров 410 и инвертеров 414 по отношению к линии 430 контактной сети и линии 432 контактной сети. Также есть вспомогательный прерыватель 438. Когда откатный грузовик присоединен к линии 430 контактной сети и линии 432 контактной сети на ведущем вверх склоне, большое потребление энергии возлагается на электрическую подстанцию 450, давая в результате падение напряжения линии постоянного тока и увеличенный электрический ток через линию 430 контактной сети и линию 432 контактной сети. Как упомянуто выше, когда откатный грузовик питается энергосистемой контактной сети, дизельный двигатель 402 типично отсоединен от генератора 406 посредством сцепления 404.

Как обсуждено выше, когда откатный грузовик является тормозящим, электродвигатели работают в режиме торможения для обеспечения динамического торможения, и электрическая энергия торможения типично преобразуется в потерянное тепло. Бортовая система накопления энергии, однако, может быть интегрирована в энергосистему откатного грузовика, чтобы восстанавливать и накапливать энергию торможения. Бортовая система накопления энергии указывает ссылкой на систему накопления энергии, которая перемещается с откатным грузовиком (например, установленную на откатном грузовике или прикрепленную к откатному грузовику, либо установленную на прицепе, присоединенном к откатному грузовику). Накопленная энергия затем может использоваться для восполнения энергии контактной сети во время пикового потребления при транспортировке вверх по склону. Бортовая система накопления энергии может быть реализована системой на суперконденсаторах, содержащей батарею суперконденсаторов. Количество энергии, которое может накапливаться в системе на суперконденсаторах, зависит от размера батареи суперконденсаторов. Бортовая система накопления энергии также может быть реализована системой на перезаряжаемых аккумуляторах, содержащей аккумуляторную батарею. Количество энергии, которое может накапливаться в системе на аккумуляторах, зависит от размера аккумуляторной батареи. В зависимости от потребления энергии электродвигателей и емкости бортовой системы накопления энергии, могут быть промежутки времени, в течение которых электродвигатели могут работать на мощности только из бортовой системы накопления энергии. Бортовые системы накопления энергии описаны в находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявке на выдачу патента США под последовательным № 12/604580 (досье поверенного под № 2009P12866US).

Суперконденсатор может давать высокие плотности мощности. Для повышенного накопления электрической энергии многочисленные суперконденсаторы могут быть соединены последовательно и параллельно, чтобы формировать батарею суперконденсаторов. Электрический ток, втекающий в суперконденсатор, заряжает суперконденсатор, и электрическая энергия накапливается посредством разделения заряда на поверхности раздела электрод-электролит. Накопленная электрическая энергия, в таком случае, может использоваться позже для выдачи электрического тока. Чтобы оптимизировать срок службы суперконденсатора, суперконденсатор заряжается не полностью. Типично, суперконденсатор разряжается до тех пор, пока его напряжение не падает до минимального определенного пользователем нижнего предела напряжения. Нижний предел напряжения, например, может быть половиной начального напряжения полного заряда.

Фиг. 5 показывает схему системы 526 накопления электрической энергии, интегрированной в энергосистему контактной сети. Колесные электродвигатели 510 питаются системой 530 возбуждения электродвигателей, которая включает в себя конденсатор 506 линии постоянного тока и инвертеры 508. Энергосистема 504 постоянного тока контактной сети выдает мощность постоянного тока на систему 530 возбуждения электродвигателей через линии контактной сети. В варианте осуществления система 526 накопления электрической энергии включает в себя блок 514 накопления электрической энергии на суперконденсаторах и контроллер 512 управления энергией суперконденсаторов. Когда система 526 накопления электрической энергии установлена на откатном грузовике, она служит в качестве бортовой системы накопления электрической энергии. Блок 514 накопления электрической энергии на суперконденсаторах содержит преобразователь 518 постоянного тока в постоянный ток, дроссель/реактор 522 и батарею 524 суперконденсаторов. Блок 514 накопления электрической энергии на суперконденсаторах может быть отсоединен от системы 530 возбуждения электродвигателей посредством ключа 516 соединения/отсоединения. Блок 514 накопления электрической энергии на суперконденсаторах управляется контроллером 512 управления энергией суперконденсаторов. Контроллер 512 управления энергией суперконденсаторов также может принимать данные 528 системы возбуждения двигателей, которые характеризуют работу системы 530 возбуждения электродвигателей. Данные 528 системы возбуждения электродвигателей, например, включают в себя напряжение линии постоянного тока, ток и температуру.

В одном из примеров типичное напряжение линии постоянного тока (напряжение на конденсаторе 506 линии постоянного тока) имеет значение 1800 В. Одна цепочка из 14 суперконденсаторов в ряд может питать постоянный ток 150 А, работающий на 1750 В, соответствующие имеющейся в распоряжении энергии в 1354 Ватт-часов. Когда откатный грузовик сцепляется с энергосистемой контактной сети в режиме продвижения, батарея 524 суперконденсаторов разряжается на конденсатор 506 линии постоянного тока через дроссель/реактор 522, преобразователь 518 постоянного тока в постоянный ток и ключ 516 соединения/отсоединения. Батарея 524 суперконденсаторов подает энергию на откатный грузовик до тех пор, пока напряжение батареи суперконденсаторов (напряжение на батарее 524 суперконденсаторов) не падает до определенного пользователем нижнего предела (например, половины его изначально заряженного напряжения). В этот момент батарея 524 суперконденсаторов отсоединяется от конденсатора 506 линии постоянного тока посредством ключа 516 соединения/отсоединения, и нормальная работа продолжается на контактной сети. Во время режима торможения батарея 524 суперконденсаторов заряжается через ключ 516 соединения/отсоединения, преобразователь 518 постоянного тока в постоянный ток и дроссель/реактор 522.

Отметим, что батарея 524 суперконденсаторов также может заряжаться от других источников электрической энергии (также указываемых ссылкой как вспомогательные источники питания). Например, батарея 524 суперконденсаторов может заряжаться дизельным двигателем 402 и генератором 406 (смотрите фиг. 4), когда дизельный двигатель 402 работает на холостом ходу. В качестве еще одного примера батарея 524 суперконденсаторов может заряжаться электрической энергией, подаваемой энергосистемой 504 постоянного тока контактной сети.

Как обсуждено выше, линии контактной сети типично не устанавливаются на идущих вниз склонах. Возвращаясь к фиг. 1, на пути вверх по склону из положения P 160 в положение P 162, колесные электродвигатели на откатном грузовике работают в режиме продвижения в течение большинства промежутков времени. В зависимости от местности колесные электродвигатели также могут работать в режиме торможения в течение некоторых промежутков времени. Энергия торможения, регенерированная из колесных электродвигателей в режиме торможения, может накапливаться в бортовом блоке накопления энергии. Накопленная энергия потребляется во время режима продвижения.

На пути вниз по склону откатный грузовик работает исключительно на дизельном двигателе. Он чаще тормозит, а потому чаще работает в режиме торможения. Накопленная энергия сохраняется, чтобы содействовать в питании откатного грузовика на пути вверх по склону. В зависимости от местности, количество энергии торможения, имеющейся в распоряжении на пути вниз по склону, может превышать зарядную емкость бортовой системы накопления энергии. Избыточная энергия торможения, в таком случае, преобразуется в потерянное тепло модуляторами и мощными резисторными решетками.

В варианте осуществления (см. фиг. 3) линия 324 контактной сети и линия 326 контактной сети установлены на пути вниз по склону между положением P 350 и положением P 352. Линия 324 контактной сети и линия 326 контактной сети поддерживаются над землей опорным кронштейном 314, смонтированным на опорном столбе 310, и опорным кронштейном 316, смонтированным на опорном столбе 312. Линия 324 контактной сети и линия 326 контактной сети используются для передачи энергии торможения с электродвигателей в откатном грузовике 302 в течение интервалов, в которых электродвигатели являются работающими в режиме торможения (то есть откатный грузовик 302 является тормозящим). С тяжелым грузом 350 могут регенерироваться существенные количества энергии торможения.

Фиг. 6 показывает схему варианта осуществления, в которой электрическая энергия передается в и из электрической сети общего пользования через двунаправленную электрическую подстанцию (двунаправленная электрическая подстанция может как отбирать мощность из, так и возвращать мощность в электрическую сеть общего пользования). Для простоты одиночный откатный грузовик в режиме продвижения и одиночный откатный грузовик в режиме торможения показаны присоединенными к линиям контактной сети. Вообще, многочисленные откатные грузовики в режиме продвижения и многочисленные откатные грузовики в режиме торможения могут быть одновременно присоединены к линиям контактной сети. Сначала описан режим работы, в котором мощность отбирается из электрической сети общего пользования. На фиг. 6- 8 откатный грузовик 62 и откатный грузовик 630 не оборудованы бортовыми системами накопления энергии. Откатный грузовик 630 является работающим в режиме продвижения (привода). Электрическая сеть 602 общего пользования подает высоковольтный переменный ток в двунаправленную подстанцию 604. Двунаправленная подстанция 604 подает высоковольтный постоянный ток на линию 608 контактной сети или линию 610 контактной сети. Постоянный ток передается с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети через кронштейн 636 токосъемника и кронштейн 638 токосъемника, соответственно, на инвертеры 632, которые питают колесные электродвигатели. В режиме продвижения энергия ускорения передается из электрической сети 62 общего пользования на откатный грузовик 630: мощность 601 переменного тока из электрической сети 602 общего пользования на двунаправленную подстанцию 604; мощность 661 постоянного тока с двунаправленной подстанции 604 на линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети и мощность 631 постоянного тока с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети на откатный грузовик 630. Мощность 661 постоянного тока указывает ссылкой на суммарную мощность, подаваемую на линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети.

В варианте осуществления энергия торможения возвращается в электрическую сеть общего пользования. Откатный грузовик 620 является работающим в режиме торможения. Энергия торможения из колесных электродвигателей 624 подается на инвертеры 622. Выходной постоянный ток из инвертеров 622 подводится на линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети через кронштейн 626 токосъемника и кронштейн 628 токосъемника, соответственно. Постоянный ток торможения передается обратно на двунаправленную подстанцию 604, которая инвертирует постоянный ток в переменный ток и передает переменный ток обратно в электрическую сеть 602 общего пользования. В режиме торможения энергия торможения передается с откатного грузовика 620 в электрическую сеть 602 общего пользования: мощность 621 постоянного тока из откатного грузовика 620 в линию 626 контактной сети и линию 628 контактной сети; мощность 651 постоянного тока из линии 626 контактной сети и линии 628 контактной сети на двунаправленную подстанцию 604; а мощность 603 переменного тока с двунаправленной подстанции 604 в электрическую сеть 602 общего пользования. Мощность 651 постоянного тока указывает ссылкой на суммарную мощность постоянного тока, возвращаемую с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети. В зависимости от суммарных потреблений энергии, в любом случае, энергия торможения из откатного грузовика в режиме торможения может доставляться через линии контактной сети на откатный грузовик в режиме продвижения.

Фиг. 7 показывает схему варианта осуществления, в котором энергия торможения передается во вспомогательную систему накопления энергии. Как показано ранее на фиг. 6, энергия торможения из откатного грузовика 620 возвращается на линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети (мощность 621 постоянного тока). Суммарная мощность 651 постоянного тока торможения с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети подводится во вспомогательную систему 712 накопления энергии, которая может быть расположена на однонаправленной подстанции 704 или в некотором другом месте. Вспомогательная система 712 накопления мощности не установлена на откатном грузовике. В варианте осуществления вспомогательная система 712 накопления мощности является системой накопления электрической энергии на суперконденсаторах, подобной системе 526 накопления электрической энергии на суперконденсаторах, показанной ранее на фиг. 5. Вспомогательная система 712 накопления энергии включает в себя контроллер управления энергией суперконденсаторов и блок накопления электрической энергии на суперконденсаторах с батареей суперконденсаторов (не показана).

Вспомогательная система 712 накопления энергии может иметь существенно большую емкость накопления энергии, чем бортовая система накопления электрической энергии на суперконденсаторах. Отметим, что вспомогательная система 712 накопления энергии также может заряжаться другими источниками питания. Например, она может заряжаться энергией из однонаправленной подстанции 704 в течение внепиковых периодов. Двунаправленная подстанция отбирает мощность из электрической сети общего пользования, но не возвращает мощность в электрическую сеть общего пользования. Другие системы накопления энергии, такие как системы на аккумуляторах, могут использоваться для вспомогательной системы 712 накопления энергии.

Мощность подается в линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети как из электрической сети 602 общего пользования, так и вспомогательной системы 712 накопления энергии. Откатный грузовик 630 является работающим в режиме продвижения (привода). Электрическая сеть 602 общего пользования подает высоковольтный переменный ток в однонаправленную подстанцию 704. Однонаправленная подстанция 704 подает высоковольтный постоянный ток на линию 608 контактной сети или линию 610 контактной сети. Постоянный ток передается с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети через кронштейн 636 токосъемника и кронштейн 638 токосъемника, соответственно, на инвертеры 632, которые питают колесные электродвигатели. В режиме продвижения энергия ускорения передается из электрической сети 62 общего пользования на откатный грузовик 630: мощность 601 переменного тока из электрической сети 602 общего пользования на однонаправленную подстанцию 704; мощность 705 постоянного тока с однонаправленной подстанции 704 на линию 608 контактной сети и линию 610 контактной сети и мощность 631 постоянного тока с линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети на откатный грузовик 630.

Мощность 753 постоянного тока также может подводиться к линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети из вспомогательной системы 712 накопления энергии. Мощность 661 постоянного тока представляет собой суммарную мощность постоянного тока, подаваемую на линию 708 контактной сети и линию 710 контактной сети. Вспомогательная система 712 накопления энергии может использоваться для снижения пикового потребления из электрической сети 602 общего пользования. Отметим, что, в дополнение к снабжению мощностью для линии 608 контактной сети и линии 601 контактной сети, электрическая сеть 602 общего пользования и вспомогательная система 712 накопления энергии могут выдавать мощность для различных других операций горной выработки (например, общих операций, таких как освещение, и другого электрического оборудования горной выработки, такого как экскаваторы).

В варианте осуществления, показанном на фиг. 8, вспомогательная система 712 накопления энергии используется вместе с двунаправленной подстанцией 604. Энергия 651 торможения из линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети сначала используется для зарядки вспомогательной системы 712 накопления энергии. Если вспомогательная система 712 накопления энергии полностью заряжена, избыточная энергия торможения возвращается в электрическую сеть общего пользования (мощность 853 постоянного тока из вспомогательной системы 712 накопления энергии на двунаправленную подстанцию 604, а мощность 603 переменного тока с двунаправленной подстанции 604 - в электрическую сеть общего пользования).

В варианте осуществления (см. фиг. 3) линия 320 контактной сети и линия 322 контактной сети установлены на пути вверх по склону из положения P 360 в положение P 362.

Даже если откатный грузовик не имеет полезного груза во время подъема вверх по склону, может быть полезным поставлять мощность контактной сети при определенных обстоятельствах (например, если уклон достаточно крут). Энергия торможения, регенерированная во время подъема вверх по склону, также может повторно использоваться. Подобным образом, в варианте осуществления, линии контактной сети установлены на пути вниз по склону на фиг. 1 из положения P 150 в положение P 152 для повторного использования энергии торможения.

В варианте осуществления (фиг. 9) энергия торможения сначала перехватывается бортовой системой накопления энергии. Как только бортовая система накопления энергии была полностью заряжена, энергия торможения подается обратно через линии контактной сети на подстанцию или вспомогательную систему накопления энергии. Откатный грузовик 922, работающий в режиме торможения, оборудован бортовой системой 922 накопления энергии. Подобным образом, откатный грузовик 922, работающий в режиме продвижения, оборудован бортовой системой 932 накопления энергии. Система 526 накопления электрической энергии на суперконденсаторах (см. фиг. 5) является примерной бортовой системой 922 накопления энергии или бортовой системой 932 накопления энергии.

Фиг. 10 показывает блок-схему последовательности операций способа по этапам для снижения мощности, отбираемой из электрической сети общего пользования, в энергосистеме, показанной на фиг. 8. В одном из вариантов осуществления этапы выполняются контроллером управления энергией суперконденсаторов во вспомогательной системе 712 накопления энергии. На этапе 1002 контролируется напряжение батареи суперконденсаторов во вспомогательной системе 712 накопления энергии. Последовательность операций затем переходит на этап 1004, на котором определяется состояние заряда батареи суперконденсаторов. В варианте осуществления батарея суперконденсаторов считается заряженной, если напряжение батареи суперконденсаторов является большим, чем предписанное пользователем значение V₀ (в пределах заданного пользователем допуска). Если батарея суперконденсаторов не заряжена, то последовательность операций переходит на этап 1006, на котором батарея суперконденсаторов заряжается. Батарея суперконденсаторов, например, может заряжаться двунаправленной подстанцией 604.

Если батарея суперконденсаторов заряжена, то последовательность операций переходит на этап 1008, на котором определяется состояние питания линии 608 контактной сети и линии 610 контактной сети. Если линии контактной сети являются отбирающими мощность, то последовательность операций переходит на этап 1010, на котором проверяется напряжение батареи суперконденсаторов. Последовательность операций затем переходит на этап 1012, на котором напряжение батареи суперконденсаторов сравнивается с предписанным пользователем нижним предельным напряжением V_LL. Как обсуждено выше, некоторые конструкции системы устанавливают V_LL=V₀/2. Если напряжение батареи суперконденсаторов является большим, чем V_LL , то последовательность операций переходит на этап 1014, на котором мощность подается батареей конденсаторов на линии контактной сети. Последовательность операций затем возвращается на этап 1008. Батарея суперконденсаторов продолжает подавать мощность на линии контактной сети до тех пор, пока линии контактной сети являются отбирающими мощность, и напряжение батареи суперконденсаторов является большим, чем V_LL. Возвращаясь к этапу 1012, если напряжение батареи суперконденсаторов не является большим, чем V_LL, то последовательность операций возвращается на этап 1006, на котором батарея суперконденсаторов заряжается.

Возвращаясь к этапу 1008, если линии контактной сети являются возвращающими мощность постоянного тока (энергию торможения), то последовательность операций переходит на этап 1016, на котором проверяется состояние заряда батареи суперконденсаторов. Если батарея суперконденсаторов не заряжена полностью, то последовательность операций переходит на этап 1018, на котором энергия торможения поглощается из линий контактной сети. Полностью заряженное состояние, например, может быть задано максимальным пределом напряжения на батарее конденсаторов. Последовательность операций затем возвращается на этап 1006, на котором энергия торможения используется для зарядки батареи суперконденсаторов. Возвращаясь на этап 1016, если батарея суперконденсаторов заряжена полностью, то последовательность операций переходит на этап 1020, на котором избыточная энергия торможения возвращается на двунаправленную подстанцию 604 и возвращается в электрическую сеть 602 общего пользования.

В варианте осуществления электрическая энергия, накопленная во вспомогательной системе 712 накопления энергии, используется для снижения пикового потребления из электрической сети 602 общего пользования. Контроллер управления энергией суперконденсаторов контролирует мощность, отбираемую с двунаправленной подстанции 604. Электрическая энергия подается из вспомогательной системы накопления энергии на линии контактной сети, только когда электрическая энергия, отбираемая с двунаправленной подстанции 604, превышает верхний предел мощности. Специалист в данной области техники может разработать различные алгоритмы для управления использованием мощности из вспомогательной системы 712 накопления энергии.

Варианты осуществления были описаны со ссылкой на откатный грузовик горной выработки. Специалист в данной области техники может разработать варианты осуществления для других транспортных средств, с приводом от электродвигателей.

Вариант осуществления вычислительной системы для реализации контроллера управления энергией суперконденсаторов во вспомогательной системе 712 накопления энергии показан на фиг. 11. Вычислительная система 1102 может быть расположена вместе со вспомогательной системой 712 накопления энергии; однако возможны другие местоположения (например, через дистанционное соединение). Специалист в данной области техники может сконструировать вычислительную систему 1102 из различных комбинаций аппаратных средств, программно-аппаратных средств и программного обеспечения. Специалист в данной области техники может сконструировать вычислительную систему 1102 из различных электронных компонентов, в том числе одного или более микропроцессоров общего применения, одного или более цифровых сигнальных процессоров, одной или более специализированных интегральных схем (ASIC) и одной или более программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA).

Вычислительная система 1102 содержит компьютер 1106, который включает в себя центральное процессорное устройство 1108 (ЦПУ, CPU), память 1110 и устройство 1112 хранения данных. Устройство 1112 хранения данных содержит по меньшей мере один постоянный материальный машиночитаемый носитель, такой как энергонезависимая полупроводниковая память, магнитный жесткий диск и постоянное запоминающее устройство на компакт-диске. В варианте осуществления компьютер 1106 реализован в качестве интегрального устройства.

Вычислительная система 1102 дополнительно может содержать интерфейс 1114 пользовательского ввода/вывода, который служит средством связи компьютера 1106 с устройством 1122 пользовательского ввода/вывода. Примеры устройства 1122 ввода/вывода включают в себя клавиатуру, мышь и терминал локального доступа. Данные, в том числе машиновыполняемая управляющая программа, могут передаваться на и с компьютера 1106 через интерфейс 1114 ввода/вывода.

Вычислительная система 1102 дополнительно может содержать сетевой интерфейс 1116 связи, который служит средством связи компьютера 1106 с сетью 1124 удаленного доступа. Примеры сети 1124 удаленного доступа включают в себя локальную сеть и глобальную сеть (линии связи могут быть беспроводными). Пользователь может осуществлять доступ к компьютеру 1106 через терминал удаленного доступа (не показан). Данные, в том числе машиновыполняемая управляющая программа, могут передаваться на и с компьютера 1106 через сетевой интерфейс 1116 связи.

Вычислительная система 1102 дополнительно может содержать интерфейс 1118 блока накопления электрической энергии на суперконденсаторах, который служит средством связи компьютера 1106 с блоком хранения электрической энергии на суперконденсаторах во вспомогательной системе 712 накопления энергии (см. фиг. 7). Вычислительная система 1102 дополнительно может содержать интерфейс 1120 энергосистемы контактной сети, который служит средством связи компьютера 1106 с энергосистемой 1128 контактной сети. Интерфейс 1120 энергосистемы контактной сети, например, принимает данные энергосистемы контактной сети с линий 608 контактной сети и линии 610 контактной сети и двунаправленной подстанции 604.

Как широко известно, компьютер работает под управлением компьютерного программного обеспечения, которое определяет работу компьютера и приложений в целом. ЦПУ 1108 управляет работой компьютера и приложений в целом, выполняя команды компьютерной программы, которые определяют работу и приложения в целом. Команды компьютерной программы могут храниться в устройстве 1112 хранения данных и загружаться в память 1110, когда требуется выполнение команд программы. Этапы способа, показанные на блок-схеме последовательности операций способа на фиг. 10, могут быть определены командами компьютерной программы, хранимыми в памяти 1110 или в устройстве 1112 хранения данных (или в комбинации памяти 1110 и устройства 1112 хранения данных) и контролируемыми ЦПУ 1108, выполняющим команды компьютерной программы. Например, команды компьютерной программы могут быть реализованы в качестве машиноисполняемой управляющей программы, запрограммированной специалистом в данной области техники, для выполнения алгоритмов, реализующих этапы способа, показанные на блок-схеме последовательности операций способа на фиг. 10. Соответственно, посредством выполнения команд компьютерной программы ЦПУ 1108 выполняет алгоритмы, реализующие этапы способа, показанные в блок-схеме последовательности операций способа на фиг. 10.

Вышеизложенное подробное описание должно пониматься в качестве являющегося во всех отношениях иллюстративным и примерным, но не ограничивающим, и объем изобретения, раскрытого в материалах настоящей заявки, скорее должен определяться не по подробному описанию, но по формуле изобретения, которая интерпретируется согласно полному объему притязаний, допустимому патентным законодательством. Должно быть понятно, что варианты осуществления, показанные и описанные в материалах настоящей заявки, являются всего лишь иллюстрирующими принципы настоящего изобретения, и что различные модификации могут быть реализованы специалистами в данной области техники, не выходя из объема и сущности изобретения. Специалисты в данной области техники могли бы реализовать различные другие комбинации признаков, не выходя из объема и сущности изобретения.