一種采礦機(jī)以及產(chǎn)生用于交流電機(jī)的變頻電壓的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種采礦機(jī)及產(chǎn)生用于交流電機(jī)的變頻電壓的系統(tǒng)。所述采礦機(jī)包括電機(jī)、為電機(jī)提供電壓的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，電壓具有激勵(lì)分量，該激勵(lì)分量包括用于驅(qū)動(dòng)使電機(jī)在期望速度下運(yùn)行的幅度和頻率、還包括用于檢測(cè)接地故障狀況的附加的電壓分量、以及接地故障繼電器，用于當(dāng)接地故障電流超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，檢測(cè)接地故障電流。
【專利說(shuō)明】—種采礦機(jī)以及產(chǎn)生用于交流電機(jī)的變頻電壓的系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型的實(shí)施例涉及用于控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(比如用于采礦設(shè)備的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))的方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]變頻驅(qū)動(dòng)器(“VFD”)通過(guò)在非供電的固定的50Hz或60Hz的頻率下產(chǎn)生交流電壓，從而允許交流(“AC”)電機(jī)以不同速度運(yùn)行。特別的是，為使電機(jī)低速運(yùn)行，變頻驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生并運(yùn)用低頻和低幅度的電壓以使電機(jī)運(yùn)行。因?yàn)殡妷旱姆群皖l率降低，由任何接地故障產(chǎn)生的電流低于正常，所以運(yùn)用常規(guī)的故障檢測(cè)方法難以檢測(cè)到。
[0003]因此，本實(shí)用新型的實(shí)施例提供了用于檢測(cè)低電機(jī)速度下接地故障的方法和系統(tǒng)。特別的是，本實(shí)用新型的實(shí)施例為所有電源相添加公共電壓。添加的電壓允許可靠檢測(cè)低速下的接地故障，這是采礦安全和健康管理(“MSHA”)和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)所要求的。
[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，本實(shí)用新型提供了采礦機(jī)，該采礦機(jī)包括電機(jī)、為電機(jī)提供電壓的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，該電壓具有激勵(lì)分量，其包括用于使電機(jī)在期望速度下運(yùn)行的幅度和頻率、還包括用于檢測(cè)接地故障狀況的附加的電壓分量、以及接地故障繼電器，用于當(dāng)接地故障電流超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)檢測(cè)接地故障電流。
[0005]本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例提供一種檢測(cè)采礦機(jī)的接地故障的方法，該采礦機(jī)包括電機(jī)、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器和接地故障繼電器。該方法包括在可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器處產(chǎn)生電機(jī)的三相電壓，三相電壓的每一相都包括附加的電壓信號(hào)，該附加的電壓信號(hào)影響接地故障電流；為電機(jī)提供三相電壓；檢測(cè)電機(jī)和可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器之間的接地故障電流；并且當(dāng)接地故障電流超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)輸出接地故障的指示。
[0006]考慮詳細(xì)的說(shuō)明書和附圖，本實(shí)用新型的其他方面變得顯而易見(jiàn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1a-C示出根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的采礦機(jī)。
[0008]圖2a示意性示出連接到遠(yuǎn)程供電中心的圖1的采礦機(jī)。
[0009]圖2b示意性示出包括在圖1的采礦機(jī)中的變頻驅(qū)動(dòng)器。
[0010]圖2c示意性示出包括在圖2a的供電中心中的接地故障繼電器。
[0011]圖3是第一三相電壓的曲線圖。
[0012]圖4是發(fā)生在圖3中的相和接地間的接地故障的接地電流的曲線圖。
[0013]圖5是第二三相電壓的曲線圖。
[0014]圖6是發(fā)生在圖5中的相和接地間的接地故障的接地電流的曲線圖。
[0015]圖7是具有注入公共信號(hào)的第三三相電壓的曲線圖。
[0016]圖8是發(fā)生在圖7中的相和接地間的接地故障的接地電流的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】[0017]在本實(shí)用新型的任何實(shí)施例被詳細(xì)解釋之前，可以理解的是本實(shí)用新型不局限于下面的描述或附圖示出的構(gòu)造細(xì)節(jié)和組件排列的應(yīng)用。本實(shí)用新型可用于其他實(shí)施例，并可以不同的方式實(shí)施或運(yùn)用。并且，可以理解的是，用在這里的措辭和術(shù)語(yǔ)是出于描述目的，不應(yīng)被視為限制。“包括”、“包含”或“具有”及其變化在此處的運(yùn)用意味著包含此后列舉的項(xiàng)目或等效物以及其他項(xiàng)目。除非指定或其他限定外，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“連接”、“支撐”和“耦合”及其變化被廣泛運(yùn)用并包含直接和間接的安裝、連接、支撐和耦合。
[0018]此外，應(yīng)理解的是，為討論目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例可包括硬件、軟件和電子組件或模塊，如果組件的大部分在硬件中被單獨(dú)地運(yùn)用，這可被示意和描述。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在閱讀這個(gè)詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上，將認(rèn)識(shí)到在至少一個(gè)實(shí)施例中，本實(shí)用新型基于電子的方面可軟件(如存儲(chǔ)在非易失性計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)上)中實(shí)現(xiàn)。類似這樣，需要注明的是許多基于硬件和軟件的設(shè)備，和許多不同的結(jié)構(gòu)組件可被運(yùn)用以實(shí)施本實(shí)用新型。此外，如隨后的段落中描述的，在附圖中示出的特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)意在例證本實(shí)用新型的實(shí)施例，其他改變的機(jī)械結(jié)構(gòu)也是可能的。
[0019]圖la-c示出采礦機(jī)100，比如長(zhǎng)壁采煤機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)。盡管連續(xù)采煤機(jī)被示出，但在其他實(shí)施例中，采礦機(jī)100為繩索鏟車、混合采礦鏟車、牽引挖掘機(jī)或工業(yè)機(jī)械或采礦機(jī)的其他類型。采礦機(jī)100包括切削系統(tǒng)105，其包括具有齒115的旋轉(zhuǎn)刀具110。齒115從礦井頂部刮削礦石(如煤)。切削系統(tǒng)115通過(guò)齒輪箱被一對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。特別的是，齒輪箱接收一對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)輸出，并用此輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)刀具110。掉落的礦石在采集托盤120中被收集，并被收集頭125匯集至傳送帶130。收集頭125被單獨(dú)的電機(jī)各自旋轉(zhuǎn)。臂135推動(dòng)礦石從采集托盤120到傳送帶130上。采礦機(jī)100進(jìn)一步包括一套左右軌道140，用于提供采礦機(jī)100的移動(dòng)。每套軌道都被單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
[0020]如圖2a所示，采礦機(jī)100包括連接于電機(jī)205的變頻驅(qū)動(dòng)器(“VFD”)210。牽引電纜300將采礦機(jī)100連接至遠(yuǎn)程供電中心150。遠(yuǎn)程供電中心150包括電源200、一個(gè)或多個(gè)接地故障繼電器215和中性接地電阻器(NGR)或中性接地線電阻器(NER) 227，其將電源200連接至地或接地。在圖2a示出的示例中，NGR為1100歐姆。在其他實(shí)施例中，NGR可為不同的值?？衫斫獾氖牵瑑H單獨(dú)的電機(jī)和單獨(dú)的變頻驅(qū)動(dòng)器在圖2a中示出，以簡(jiǎn)化以下的解釋。采礦機(jī)100可包括多個(gè)電機(jī)和多個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)器。且此處說(shuō)明的實(shí)施例可用于采礦機(jī)100的每個(gè)電機(jī)和每個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)器。在描述的實(shí)施例中，電源200提供了三相(A，B，C)交流電(“AC”)。在一些實(shí)施例中，電源200是交流電源，在大約50Hz到大約60Hz之間，提供大約950V電壓。
[0021]電機(jī)205是交流電機(jī)。在一些實(shí)施例中，電機(jī)205是三相交流電機(jī)。在一些實(shí)施例中，電機(jī)205是交流感應(yīng)電機(jī)。在其他實(shí)施例中，電機(jī)205是交流同步電機(jī)。
[0022]變頻驅(qū)動(dòng)器210是可調(diào)頻率驅(qū)動(dòng)器。如圖2b所示，變頻驅(qū)動(dòng)器210可包括整流器210a、直流鏈路210b、逆變器210c和控制器210d。變頻驅(qū)動(dòng)器210通過(guò)產(chǎn)生與由電源200提供的交流電壓不同的、在可變的幅度和可變的頻率下的交流電壓，使電機(jī)205運(yùn)行在可變的速度下。例如，變頻驅(qū)動(dòng)器210可配置為輸出交流電壓，其具有從大約(接近)OV到大約900V (相對(duì)于接地)的幅度，和從大約(接近)OHz到大約120Hz的頻率。
[0023]控制器210d控制變頻驅(qū)動(dòng)器210的整體運(yùn)行?？刂破?10d設(shè)定輸出至電機(jī)205的交流電壓的幅度和頻率。在一些實(shí)施例中，變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d包括處理器216、非易失性存儲(chǔ)器218和輸入/輸出(”1/0”)接口 219。存儲(chǔ)器218存儲(chǔ)由處理器216可執(zhí)行的指令和各種輸入/輸出。輸入/輸出接口 219允許控制器210d以及其他系統(tǒng)和設(shè)備(比如米礦機(jī)100的其他組件)之間的通信。在一些不例中，處理器216包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、專用集成電路等。
[0024]在一些實(shí)施例中，控制器2IOd接收來(lái)自用戶界面220的指令。用戶界面220可包括顯示器，比如液晶顯示器(“IXD”)、一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管(“LED”)或其他的照明設(shè)備、平視顯示器及其組合。在一些實(shí)施例中，用戶界面220包括附加的反饋設(shè)備，比如可提供聲音反饋的揚(yáng)聲器和/或用于提供觸覺(jué)反饋的震動(dòng)設(shè)備。用戶界面220也可包括一個(gè)或多個(gè)輸入設(shè)備，比如鍵盤、觸摸屏、推動(dòng)按鈕等等，用于與用戶的互動(dòng)。在一些實(shí)施例中，通過(guò)用戶界面220，控制器210d接收的指令包括電機(jī)205的運(yùn)行速度的指令。
[0025]接地故障繼電器215 (此處也可稱為接地故障監(jiān)視器215)監(jiān)測(cè)采礦機(jī)100的運(yùn)行，以檢測(cè)接地故障217。如圖2c所示，接地故障繼電器215包括控制器215a和一個(gè)或多個(gè)電流傳感器215b。在一些實(shí)施例中，控制器215a包括處理器221、非易失性存儲(chǔ)器222和輸入/輸出(“I/O”)接口 223。存儲(chǔ)器222存儲(chǔ)可被處理器221執(zhí)行的指令。輸入/輸出接口 223允許控制器215a和電源中心150的其他組件之間通信。接地故障繼電器215通過(guò)監(jiān)測(cè)提供給電機(jī)205的每個(gè)電源相的接地電流，來(lái)監(jiān)測(cè)接地故障217。如果電源200和電機(jī)205之間的任何地方產(chǎn)生接地故障217，則接地故障繼電器215提供指示(比如，提供給變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d以便隨后輸出至用戶界面，或者直接同時(shí)提供給用戶界面和變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d)。在一些實(shí)施例中，接地故障217的接地電流必須高于預(yù)定閾值，從而被接地故障繼電器215檢測(cè)到(例如，接地電流必須高于預(yù)定閾值，從而被接地故障繼電器的電流傳感器125b感測(cè)到)。在一些實(shí)施例中，預(yù)定閾值是在大約IOmA到大約5A的范圍之內(nèi)。
[0026]在運(yùn)行中，變頻驅(qū)動(dòng)器210通過(guò)A、B、C三相從電源200接收三相電。變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d通過(guò)用戶界面220接收電機(jī)速度。變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d對(duì)應(yīng)于接收的電機(jī)速度，設(shè)置可調(diào)節(jié)的交流電壓(具有U、V、W三相和激勵(lì)分量)的幅度(相對(duì)于接地)和頻率。變頻驅(qū)動(dòng)器210通過(guò)相U、V、W，為電機(jī)205提供可調(diào)節(jié)的交流電壓，以使電機(jī)在接收的電機(jī)速度下運(yùn)行。電機(jī)205在三個(gè)電機(jī)輸入205a、205b和205c處接收三個(gè)電壓相(U、V、W)并在接收的電機(jī)速度下運(yùn)行。例如，當(dāng)電機(jī)205在低速運(yùn)行時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)器210向電機(jī)205提供電壓，該電壓具有比電機(jī)205在高速運(yùn)行時(shí)由變頻驅(qū)動(dòng)器210所提供的電壓的幅度和頻率較低的幅度和較低的頻率。變頻驅(qū)動(dòng)器為本領(lǐng)域熟知。因此，關(guān)于變頻驅(qū)動(dòng)器210的運(yùn)行以為電機(jī)205提供可調(diào)節(jié)的電源的其他細(xì)節(jié)不在這里給出。
[0027]當(dāng)通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)器210，將可調(diào)節(jié)電源提供給電機(jī)205時(shí)，接地故障繼電器215監(jiān)測(cè)并檢測(cè)接地故障217。如下更多詳述，如果接地故障217的接地電流高于預(yù)定閾值，則接地故障繼電器215提供指示(如提供給變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d，以指示接地故障狀況)。
[0028]圖3是描述用于使電機(jī)205運(yùn)行的第一三相電壓225的曲線圖。第一三相電壓225包括第一電壓幅度(如950V)和第一頻率(如60Hz)。如果當(dāng)在第一三相電壓225下運(yùn)行電機(jī)205，發(fā)生接地故障217，接地故障217在第一接地電流幅度下產(chǎn)生第一接地電流230，例如500mA(Aea)，如圖4所示。在圖4所示的示例中，第一接地電流幅度高于預(yù)定閾值235 (125mA) ο在其他實(shí)施例中，預(yù)定閾值高于或低于125mA，如圖4所示。電流傳感器215b可感測(cè)第一接地電流230，因?yàn)榈谝唤拥仉娏鞣雀哂陬A(yù)定閾值235。在感測(cè)第一接地電流230后，電流傳感器215b向接地故障繼電器控制器215a提供信號(hào)或指示。接地故障繼電器控制器215a然后，向變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d提供信號(hào)或指示，用于隨后輸出至用戶界面，或同時(shí)直接輸出至用戶界面和變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210d。
[0029]圖5是第二三相電壓240的曲線圖，其用于使電機(jī)205在低速下運(yùn)行。第二三相電壓240在比第一三相電壓225較低的頻率(如6Hz)下，具有較低的電壓幅度(如95V)。如圖6所示，電機(jī)205在第二三相電壓240下運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)生接地故障217，則接地故障217產(chǎn)生第二接地電流245。如圖6所示，第二接地電流245的幅度較低于相對(duì)于第一三相電壓225產(chǎn)生的第一接地電流230的幅度，并且低于預(yù)定閾值235。在此狀況下，當(dāng)接地故障217發(fā)生時(shí)，接地故障繼電器215不提供指示。
[0030]為校正此狀況，優(yōu)選實(shí)施例的變頻驅(qū)動(dòng)器210在至電機(jī)205的輸出電壓的每一相(Vu, Vv和Vw)上添加公共電壓(圖7)。在調(diào)節(jié)的電壓的幅度和頻率的設(shè)定期間，由變頻驅(qū)動(dòng)器控制器210a添加公共電壓。由于電機(jī)205的電源通過(guò)調(diào)節(jié)的電壓的相(Vu、Vv和Vw)之間的電壓差被傳輸，且同樣的公共信號(hào)被注入到各相上，因此電機(jī)205的運(yùn)行速度不受影響。在一些實(shí)施例中，公共信號(hào)是交流波形，比如低頻率(如20Hz)交流波形。在其他實(shí)施例中，公共信號(hào)是純直流。當(dāng)發(fā)生接地故障217時(shí)，公共信號(hào)增加了由接地電流產(chǎn)生的電流幅度。
[0031]圖7是第三三相電壓250的曲線圖，該電壓用于使電機(jī)205運(yùn)行。第三三相電壓250具有公共電壓，在為電機(jī)205供電之前，由變頻驅(qū)動(dòng)器210添加該公共電壓。如圖7所示，第三三相電壓250包括第三電壓幅度和第三頻率，其不同于第一三相電壓和第二三相電壓的幅度和/或頻率。然而，第三三相電壓250能用于在類似于第二三相電壓240的低速下使電機(jī)205運(yùn)行。在修正的三相電壓250下使電機(jī)205運(yùn)行時(shí)，如果發(fā)生接地故障217，則接地故障217產(chǎn)生第三接地電流255，如圖8所示。第三接地電流255的電流幅度高于預(yù)定閾值235，因此，即使電機(jī)205低速運(yùn)行，一旦發(fā)生接地故障217，接地故障繼電器215就提供指示。
[0032]在一些實(shí)施例中，至電機(jī)205的輸出電壓是低通濾波的。然而，公共信號(hào)可能是低頻信號(hào)。因此公共信號(hào)不受低通濾波器影響。
[0033]在一些實(shí)施例中，接地故障繼電器215不能檢測(cè)高頻。如上所述，公共信號(hào)是低頻信號(hào)。因此，當(dāng)電機(jī)205由具有注入公共信號(hào)的輸出電壓運(yùn)行時(shí)，接地故障繼電器215能檢測(cè)發(fā)生的接地故障217。
[0034]因此，除了別的之外，本實(shí)用新型提供了采礦機(jī)，該采礦機(jī)包括用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)在不同于電源提供的固定的50Hz或60Hz的頻率下產(chǎn)生的交流電壓，可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器允許電機(jī)在不同速度下運(yùn)行。通過(guò)為至電機(jī)的輸出電壓的各相添加附加的相同電壓分量，即使當(dāng)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，接地故障也更易于檢測(cè)。此外，因?yàn)橄嗤碾妷悍至勘惶砑又粮飨?，添加的電壓分量?duì)電機(jī)運(yùn)行無(wú)影響。
[0035]本實(shí)用新型的各種特征和優(yōu)點(diǎn)在所附權(quán)利要求中被提出。
【權(quán)利要求】
1.一種米礦機(jī)，包括: 電機(jī)； 為電機(jī)提供電壓的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，所述電壓具有激勵(lì)分量，所述激勵(lì)分量包括用于在期望速度下運(yùn)行電機(jī)的幅度和頻率、并包括用于檢測(cè)接地故障狀況的附加的電壓分量；以及 其中，當(dāng)接地故障電流超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，所述采礦機(jī)從接地故障繼電器接收指示。
2.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，通過(guò)增加所述接地故障電流的幅度所述附加的電壓分量修正所述接地故障電流。
3.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，所述附加的電壓信號(hào)是低頻交流波形和直流中的一個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，所述電壓是三相電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，所述三相電壓中的每一相都包括所述附加的電壓信號(hào)。
6.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，所述可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器是變頻驅(qū)動(dòng)器。
7.如權(quán)利要求1所述的采礦機(jī)，其中，所述電機(jī)是交流電機(jī)。
8.—種產(chǎn)生用于交流電機(jī)的變頻電壓的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 包括至少一個(gè)處理器的控制器，所述至少一個(gè)處理器被配置為: 產(chǎn)生用于電機(jī)的三相電壓； 產(chǎn)生附加的電壓分量，將所述附加的電壓分量添加到所述三相電壓的各相上，以增加接地故障電流的幅度；以及 將注入有附加的電壓信號(hào)的所述三相電壓提供至所述電機(jī)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括用戶界面，所述用戶界面被配置為從用戶接收指令，所述指令包括電機(jī)的運(yùn)行速度。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)處理器被配置為接收來(lái)自所述用戶界面的指令，并基于所述指令產(chǎn)生用于電機(jī)的所述三相電壓。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括接地故障繼電器，所述接地故障繼電器被配置為檢測(cè)接地故障，測(cè)量所述接地故障電流的幅度，并當(dāng)所述幅度超過(guò)預(yù)定值時(shí)，向控制器輸出接地故障的指示。
【文檔編號(hào)】H02P27/06GK203482140SQ201320282919
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月28日
【發(fā)明者】彼得·M·多爾頓, 邁克爾·喬丹 申請(qǐng)人:喬伊·姆·特拉華公司