用于工业机械的多脉冲变压器和工业机械配电系统的制作方法

本申请要求2015年4月28日提交的、申请号为62/153,747的美国临时申请的优先权，其全部内容合并于此。

技术领域

本实用新型涉及一种工业机械。

背景技术：

工业机械，例如钢丝绳电铲(electric rope shovel)或动力铲(power shovel)、绳斗电铲等，被用于执行采掘操作以从例如一堆矿，移除原料。多重工业机械可以在矿点操作，以及多重工业机械可以接收来自于矿点电源系统的能量。

电源系统典型地为工业机械提供初级电压(primary voltage)，其通过工业机械的变压器转变为次级电压。次级电压被提供给直流总线，直流总线分配次级电压给工业机械的一个或多个元件(例如，马达，电力驱动，控制器，排风机，传感器，灯等等)。在电源系统的谐波失真(Harmonic distortion)由工业机械的元件(例如由电力驱动控制的电源转换装置)的非线性负载引起。

图1A示出一个常规的电源系统100。常规的电源系统100包括电源110(例如，公用电源)，矿网络120，矿变压器130，线索电缆(trail cable)140，以及只是一个工业机械的常规动力系统150。常规动力系统150(更多的细节在图1B中示出)包括位于工业机械内部的元件，例如常规的铲车变压器160，线路滤波器(line filters)170，电压峰值滤波器(voltage spike filters)180，以及变流器190。

电源110产生动力供应给或提供给工业机械。电源110可以是在矿点的公用供电所。矿网络120对一个或多个工业机械提供由电源110产生的动力。矿变压器130调节由电源110产生的动力的电压用于通过线索电缆140传输。线索电缆140连接矿变 压器130和工业机械以便传送电源110产生的动力。

如图1A所示，电源系统100可以包括公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)125。PCC125是在电源系统100中的一个点，在这里多重负载(例如，多重工业机械)可以连接电源110和矿网络120。工业机械的常规动力系统150包括线路滤波器170(例如，LCL(电感-电容-电感)滤波器)和电压峰值滤波器180(例如，dV/dt滤波器)。线路滤波器170和电压峰值滤波器180配置为减少由PCC125引起的谐波失真数量。

图1B示出工业机械的常规动力系统150。如图1B所示，常规动力系统150包括具有初级线圈162和次级线圈163的常规的铲车变压器160。在初级线圈162，来源于线索电缆140的电压被接收。常规的铲车变压器160被配置为有效地在工业机械内从一个电压水平到另一个电压水平修改或改变交流(AC)电压。常规的铲车变压器160通过线路滤波器170和电压峰值滤波器180电连接于变流器190。

变流器190传送动力到直流(DC)总线(未示出)，其分配转变的次级电压至工业机械的一个或多个元件(例如，马达，电力驱动，控制器，排风机，传感器，灯等等)。变流器190可以是可操作地转换交流电压为直流电压的桥式变流器(例如，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)桥式变流器)。在不同的操作时间，工业机械的组件可以各自请求不同数量的动力。动力系统150的谐波失真可能由工业机械的元件(例如，例如由电力驱动控制的电源转换装置)的非线性负载引起。更高阶的(例如，第二阶，第三阶，等)谐波失真出现于电源的多重基本频率(例如，大约50Hz到大约60Hz)的间隔。总的谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)是谐波失真的量度并且可以计算为所有更高阶的谐波失真的动力的总数与在基本频率(例如，大约50Hz到大约60Hz)提供的动力的比，通常表示成百分数。线路滤波器170和电压峰值滤波器180提供在常规动力系统150以便减少在PCC中的THD。

转换器190、线路滤波器170和电压峰值滤波器180可以包括在同样的附件中，并且可以被共同称为活动前端(Active Front End，AFE)系统。多个线路滤波器170和电压峰值滤波器180用于减少变流器190操作引起的谐波失真。例如，如图1B所示，5个线路滤波器170和10个电压峰值滤波器180可以被用于变流器190。线路滤波器170和电压峰值滤波器180是大号的，因此占据工业机械200的AFE系统内的空间。此外，线路滤波器170和电压峰值滤波器180是昂贵的并且降低常规动力系统 150的效能。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种多脉冲变压器于此公开，其转换初级电压(例如，第一电压)为次级电压(例如，第二电压)。此外，多脉冲变压器减弱(例如，减少)或消除谐波失真，从而减少供电系统的总的谐波失真(THD)。在一些实施例中，没有额外的元件被需要以减弱谐波失真。同样地，本实用新型可以减少工业机械的动力系统的尺寸和低效率。

此外，本实用新型涉及与用多脉冲变压器传送电力至工业机械关联的系统和方法于此公开。多脉冲变压器包括初级线圈和多个次级线圈。多脉冲变压器转换在初级线圈接收到的初级电压为在多个次级线圈的次级电压，并且传送次级电压至多个变流器(例如，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)桥接于活动前端(AFE)系统)。变流器传送动力至直流总线，直流总线分配动力到工业机械的元件(例如，电力驱动，等等)。多个次级线圈减弱由工业机械的变流器和元件引起的谐波失真。谐波失真的减少基于多个次级线圈相对于多脉冲变压器的初级线圈的相移。没有额外的元件被需要以减弱或消除谐波失真。例如，工业机械典型地在常规的铲车变压器和变流器之间使用线路滤波器和电压峰值滤波器，以减弱谐波失真。本实用新型于此公开的使用多脉冲变压器的系统没有使用额外的元件，例如线路滤波器，因此能够更小尺寸以及在传送动力上更有效率。

在一实施例中，本实用新型提供用于工业机械的多脉冲变压器，多脉冲变压器包括初级线圈和多个次级线圈。初级线圈偶接于电源，电源可操作地生成初级电压。次级线圈偶接于第一或多个变流器，次级线圈中的每一个相对于初级线圈相移。变流器可操作地为工业机械的至少一个元件提供次级电压。其中多脉冲变压器转换初级电压为次级电压并且减弱由工业机械的变流器和元件引起的谐波失真。此外，次级电压作为电压小于初级电压。

在另一实施例中，本实用新型提供工业机械的动力系统，动力系统包括一个或多个变流器以及多脉冲变压器。变流器可操作地为对工业机械的至少一个元件传送次级电压。多脉冲变压器包括初级线圈和多个次级线圈。次级线圈中的每一个相对于初级线圈相移。多脉冲变压器配置为在初级线圈接收初级电压，转换初级电压为次级电压， 对变流器提供次级电压，以及减弱由工业机械的变流器和元件引起的谐波失真。其中次级电压作为电压小于初级电压。

结合考虑附图和具体的描述，本实用新型的其他方面将更加清楚。

附图说明

图1A是用于矿点的常规的电源系统的单一线路图；

图1B示出用于工业机械的常规动力系统；

图2示出基于本实用新型一个实施例的工业机械；

图3示出基于本实用新型一个实施例的图2的工业机械的控制系统；

图4A是基于本实用新型一个实施例的用于矿点的电源系统的单一线路图；

图4B示出基于本实用新型一个实施例的图2的工业机械的动力系统；

图5是基于本实用新型一个实施例的图4B的动力系统的电路图；

图6是基于本实用新型一个实施例的对图2的工业机械的元件提供动力的过程图。

具体实施方式

在本实用新型的任何实施例被详细解释之前，可以理解本实用新型不受记载于本申请的下文说明书阐明的结构和元件组件的细节以及后续附图的记载限制。本实用新型可以有其他的体现以及应用或实施于各种方式。

同样地，可以理解于此使用的措辞和术语是基于描述的目的而不应认为是限制。“包括”、“包含”、“具有”以及它们的变型于此意味着包括其后列出的项目以及它们的等同以及额外的项目。术语“安装”、“连接”以及“偶接”广泛地使用并且包含直接或间接安装、连接和偶接。进一步地，“连接”和“偶接”不限于物理或机械连接或偶接，并且可以包括电连接和偶接，无论直接或间接。同样地，电通信和通知可以用任何已知的方式包括直接连接、无线连接等等执行。

应该注意，基于器件的多个硬件和软件，以及多个不同结构的元件可以被利用于实施本实用新型。此外，如后续描述的段落，在附图中示出的特别的配置意图例示本实用新型的实施例，并且其他可替换的配置也是可能的。术语“处理器”、“中央处理 单元”以及“CPU”除非特别规定，是可以互相替换的。其中“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”用于标识执行特别功能的单元，可以理解，除非另外规定，这些功能能被单一处理器、以任何形式排列的多重处理器，包括平行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理器/晕计算配置执行。

图2示出基于本实用新型一些实施例的工业机械200。尽管于此描述的本实用新型可以应用、执行、或使用结合各种工业机械(例如，钢丝绳铲、绳斗电铲、交流机械、直流机械，等等)，于此描述的本实用新型的实施例基于钢丝绳电铲或动力铲描述，比如在图2中示出的工业机械200。在示出的实施例中，工业机械200包括履带205，履带205用以推动工业机械200向前或后退并且使工业机械200转向(例如，通过改变左履带和右履带彼此之间的相对速度和/方向)。履带205支撑基座210，基座210包括驾驶室215。基座210可以绕着摆动轴220摆动或旋转，例如，从挖掘位置运动到卸料位置。履带205的运动对于摆动动作不是必须的。工业机械200还进一步包括可旋转的铲斗臂225和铲斗230。铲斗230可以包括用以排卸铲斗230中的内存物的门235。

在示出的实施例中，工业机械200进一步包括联接在基座210和悬臂245之间以支撑悬臂245的悬索240。工业机械200还包括附接至在基座210内的绞盘和提升卷筒(未示出)上的钢丝绳或提升索250，绞盘和提升卷筒用以卷绕提升索250来提升或降低铲斗230，以及连接在另一个绞盘(未示出)和铲斗门235之间的开斗索255。工业机械200进一步包括鞍块260和滑轮265。

图3示出与图2的工业机械相关联的控制器300。控制器300与工业机械200的多个模块或元件电连接和/或通信连接。例如，所示控制器300被连接到一个或多个指示器305、用户界面模块310、一个或多个提升驱动装置(例如，马达、液压气缸等等)215、一个或多个推动驱动装置(例如，马达、液压气缸等等)320、一个或多个摆动驱动装置(例如，马达、液压气缸等等)325、数据存储器或数据库230、功率供应模块335、以及一个或多个传感器340。控制器300除其他之外还包括可操作地用以例如控制工业机械200的操作、控制悬臂245、铲斗臂225、铲斗230等的位置、启动一个或多个指示器305(例如，液晶显示器“LCD”)、监视工业机械200的操作等的硬件和软件的组合。一个或多个传感器340包括，例如电压计、一个或多个马达场模块(例如，测量马达例如电流、电压、功率等的参数)、负载销、应变计、一个 或多个倾角计、吊架销(gantry pin)、一个或多个绳张力传感器、一个或多个解角器(resolver)等。

在一些实施例中，控制器300包括对在控制器300和/或工业机械200内的多个元件和模块提供电力、操作控制和保护的多个电气和电子元件。例如，控制器300除其他之外还包括处理单元350(例如，微处理器、微控制器、或其他合适的可编程装置)、存储器355、输入单元360、以及输出单元365。处理单元350除其他之外还包括：控制单元370、算术逻辑单元(“ALU”)375、以及多个寄存器380(图3示出一组寄存器)，并且使用诸如改进的哈佛体系结构(Harvard architecture)、冯·诺伊曼体系结构等的已知计算机体系结构来实施。处理单元350、存储器355、输出单元360、以及输出单元365以及被连接到控制器300的各个模块通过一条或多条控制和/或数据总线来实现各个模块和元件之间的互相连接和互相通讯对于本领域技术人员而言是已知的。在一些实施例中，控制器300部分或完全地在半导体(例如，现场可编程阵列(FPGA)半导体)芯片上实施。

存储器355包括，例如，程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型的存储器的组合，例如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]等)、电可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪存、硬盘、SD卡或者其他合适的磁性、光线、物理或电子存储器装置。处理单元350被连接到存储器355并执行软件指令，软件指令能够被存储在存储器355的RAM(例如在执行期间)、存储器355的ROM(例如在基本永久基础上)或诸如其他的存储器或磁盘的其他非暂时性计算机可读介质中。包括在工业机械200的实施中的软件可以被存储在控制器300的存储器355中。软件包括，例如，固件、一个或多个应用程序、程序数据、筛选程序、规则、一个或多个程序模块，以及其它的可执行指令。控制器300被配置成从存储器取回并执行涉及本文描述的控制流程和方法的指令。在其他结构中，控制器300包括另外的、更少的或不同的元件。

控制器300可以进一步与电源模块335电偶接。电源模块355向控制器300或工业机械200的其他元件或模块提供额定的交流或直流电压。电源模块335例如由关于图1A详细描述的电源110供电。电源模块335还被配置为提供较低的电压，以操作控制器300或工业机械200内部的电路和元件。

工业机械200的其他模块可以包括网络开关、控制柜、提升驱动模块、推动驱动模块、以及摆动驱动模块(未示出)。提升驱动模块、推动驱动模块、以及摆动驱动模块被配置成接受来自于，例如控制器300的控制信号以控制工业机械200的提升、推动、以及摆动操作。控制信号与用于工业机械200的提升、推动、以及摆动驱动设备315、320以及325(例如马达)的驱动信号关联。随着驱动信号被施加到驱动设备315、320以及325，驱动设备的输出(例如，电气和机械输出)被监视并反馈到控制器300。驱动设备315、320以及325的输出包括，例如，位置、速度、扭矩、功率、电流、压力等等。基于与工业机械200相关联的这些和其他信号，控制器300被配置为确定或计算工业机械200或它的元件的一个或多个操作状态或位置。

控制器300被连接于各种元件以通过，例如用于工业自动化的利用一个或多个网络协议的光钎通讯系统，来通讯，诸如程序场总线(process field bus,PROFIBUS)、以太网、控制网、基础场总线(FoundationFieldbus)、联络母线、控制区域网络(“CAN”)总线等等。传感器(例如电压计)、一个或多个马达场模块(测量马达例如电流、电压、功率等的参数)、负载销、应变计、一个或多个倾角计、吊架销(gantry pin)、一个或多个绳张力传感器、一个或多个解角器(resolver)等可以为控制器300提供电信号。

图4A示出电源系统400，基于一个实施例，为用于矿点的一个或多个工业机械200提供动力，其使用多脉冲变压器460。电源系统400包括电源410(例如公用电源)、矿网络420、矿变压器430、线索电缆(trail cable)440、以及至少一个工业机械200的动力系统450。动力系统450包括位于工业机械200内的元件，例如，多脉冲变压器460和变流器490。

在一些实施例中，电源410、矿网络420、矿变压器430以及线索电缆440类似于如图1A示出和描述如上的常规电源系统100的电源110、矿网络120、矿变压器130以及线索电缆140。在一些实施例中，线索电缆440可以具有几千米的长度并且被配置为在接近4000VAC和接近14000VAC之间额定线电压传送能量，额定线电压具有大约50Hz至60Hz的频率。

如之前描述的关于常规的电源系统100的PCC125，公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)425是在电源系统400中的一个点，在这里多重负载(例如，多重工业机械200)可以连接电源410和矿网络420。多脉冲变压器460通过多 个次级线圈相对于初级线圈的相移，减少在PCC425的谐波失真的数量(进一步具体的描述请参考图4B和5)。在PCC425的谐波失真的减少为电源系统400的更多有效操作留出余地。

图4B进一步详细地示出工业机械200的动力系统450。如图所示，动力系统450包括多脉冲变压器460和变流器490。多脉冲变压器460具有初级线圈462和多个次级线圈463a、463b、463c和463d。多脉冲变压器460在初级线圈462接收来自于线索电缆140的能量。取决于设计结构(例如，连接、圈数比以及磁芯材料)，多脉冲变压器460配置成在工业机械200内有效的修改或改变AC电压(例如，初级电压)从第一电压电平(例如，高电压电平、中电压电平等)变为在第二电压电平(例如，低电压电平等)的次级电压。次级电压然后从多个次级线圈463a、463b、463c和463d输出到变流器490。

多脉冲变压器460减少工业机械200的马达驱动系统的谐波。多脉冲变压器通常被连接于无源二极管整流器系统，其不允许能量双向流动。但是，在本实施例中，多脉冲变压器460可以被配置成连接工业机械200的活动前端(AFE)系统。连接多脉冲变压器460于AFE系统允许能量双向流动。此外，多脉冲变压器460与常规的铲车变压器160(如图1A和1B所示)不同，例如，通过包括多个次级线圈463a、463b、463c和463d，而常规的铲车变压器160通常包括一个次级线圈。在一些实施例中，多脉冲变压器460具有4或8个次级线圈，其中每个多脉冲变压器460的次级线圈具有6脉冲。但是，在其他的实施例中，更多或更少的次级线圈可以被使用。例如，具有4个次级线圈的多脉冲变压器460可以具有24脉冲(例如，24脉冲变压器)，以及具有8次级线圈的多脉冲变压器460可以具有48脉冲(例如，48脉冲变压器)。常规的铲车变压器160典型地包括一个次级线圈和6脉冲。据此，多脉冲变压器460包括超过1个的次级线圈和超过6的脉冲。在一些实施例中，次级线圈463a-463d是大约460V的次级线圈。

变流器490对直流总线(未示出)传送能量，其对工业机械200的一个或多个元件(例如，马达(诸如但不限于驱动设备315、320以及325)、电力驱动，控制器，排风机，传感器，灯等)分配次级电压。在一些实施例中，变流器490为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)桥式变流器，其可操作地将交流电压转变为直流电压。工业机械200的元件的每一个在不同的操作时间需要不同的能量数量。工业机械200的非线性 负载元件(例如，被电力驱动控制的能量开关装置)导致谐波失真(例如，总的谐波失真[THD])。

动力系统450使用多脉冲变压器460的多个次级线圈463a、463b、463c以及463d以便减弱(例如，减少)谐波失真和减少在PCC425的THD。在一些实施例中，在动力系统450中，线路滤波器和电压峰值滤波器(诸如如图1A所示的线路滤波器170和电压峰值滤波器180)不需要，这样减少了变流器490的附件的尺寸和改善动力系统450的效率(例如，低能量损失，低热量生成，等等)。此外，通过去除线路滤波器和电压峰值滤波器，由于减少包括在动力系统450的元件(例如线路滤波器170和电压峰值滤波器180)的数量，工业机械200可以增加震动(shock)和振动(vibration)的公差。多脉冲变压器460可操作地既减少由变流器490和工业机械200的元件引起的谐波失真，又将初级电压(通过线索电缆140接收来自于电源110)转变为次级电压(提供给变流器490)。

图5基于本实用新型的一些实施例示出了动力系统450，其包括在多脉冲变压器460和变流器490之间的具体电连接。来自于线索线缆140的初级电压在初级线圈462(其示出于多脉冲变压器460的左侧)的三相输入461a、461b和461c(一个对应一相)被接收。多个次级线圈463a、463b、463c以及463d在多脉冲变压器460的右边被示出。在示出的实施例中，有4个次级线圈，但是在其他的实施例中，可以有更多或更少的线圈。次级线圈463a、463b、463c以及463d中的每一个具有三相连接(标记为A#、B#、以及C#)，其被配置成给变流器490传送次级电压。

次级线圈463a、463b、463c以及463d中的每一个相对初级线圈462有相移。用于每个次级线圈463a、463b、463c以及463d的三相连接通过同样的数量具有相移。如示出的实施例示例，在具有4个次级线圈463a、463b、463c以及463d的多脉冲变压器460中，第一次级线圈(例如463a)可以具有领先初级线圈462 7.5度(在图5标记为A+7.5、B+7.5、以及C+7.5)的相移，第二次级线圈(例如463b)可以具有滞后初级线圈462 22.5度(标记为A-22.5、B-22.5、C-22.5)的相移，第三次级线圈(例如463c)可以具有滞后初级线圈462 7.5度(标记为A-7.5、B-7.5、C-7.5)的相移，以及第四次级线圈(例如463d)可以具有滞后初级线圈462 37.5度(标记为A-37.5、B-37.5、C-37.5)的相移。

具有4个次级线圈463a、463b、463c以及463d的多脉冲变压器460可以被称为 24-脉冲变压器，其在一些实施例中包括每次级线圈6脉冲。不同数量的次级线圈可以被使用。在一些实施例中，在多脉冲变压器460(例如，36-脉冲变压器)中具有6个次级线圈。在一些实施例中，8个次级线圈(例如，48脉冲变压器)可以被使用。

次级线圈463a、463b、463c以及463d的相移使能多脉冲变压器460以减少由变流器490和工业机械200的其他元件引起的谐波失真。多个次级线圈463a、463b、463c以及463d中的每一个的相移可以被精确地确定以便减弱或消除谐波失真以及因此减少总的谐波失真(THD)。基于于此描述的本实用新型，减弱谐波失真和减少THD的相移调节和设定为本领域的技术人员所熟知。

如上公开的，多脉冲变压器460的多个次级线圈463a、463b、463c以及463d的每一个可以被连接于变流器490。变流器490(例如，在AFE系统的IGBT桥式变流器)的每一个具有3个连接点491a、491b、491c，其被配置成接受来自于次级线圈463a、463b、463c以及463d次级电压的3个相位。变流器490被电连接于至少一个元件520(例如，断路器)。在一些实施例中，变流器490也被电连接于传感器510(例如，三相电压和电流测量工具)。传感器510可以提供同步信息反馈给变流器490。然后变流器490可以通过线路(例如从电源110至工业机械200的输电线)控制同步。

图5的动力系统450示出被连接到多脉冲变压器460的4个次级线圈463a、463b、463c以及463d的四个变流器490。在其他实施例中，变流器490的不同数量可以被使用。例如，在一些实施例中，具有8个次级线圈的48-脉冲变压器可以被连接到8个变流器490。多个次级线圈中的每一个的相移可以根据次级线圈的数量而改变。

在一些实施例中，多重变流器490被连接到多脉冲变压器460的一个次级线圈。在这样的实施例中，最低限度的线路滤波器170和电压峰值滤波器180可以被加入到动力系统450以减少额外的由多重变流器490连接到一个次级线圈导致的谐波失真。多脉冲变压器460仍然减少谐波失真，并且由线路滤波器170和电压峰值滤波器180进行补充。

图6示出与关于在操作过程中通过动力系统450对工业机械200的元件传送能量相关流程或操作600，并于此描述。于此描述的与流程600相关各自步骤能够被同时地、平行地、或以不同于描述的连续的执行方式的顺序被执行。流程600也可以能够使用比在示范的实施例示出的更少的步骤被执行。

多脉冲变压器460在初级线圈462接收来自于线索电缆140的初级电压(例如， 第一电压)(步骤605)。通过多脉冲变压器460，初级电压被转换成次级电压(例如第二电压)(步骤610)。次级电压从多个次级线圈463a、463b、463c以及463d被传送变流器490(步骤615)。如上描述，变流器490可以进一步改变或调解次级电压并且进一步对工业机械200的各自不同元件(例如，电力驱动、控制器、排风机，传感器，灯等)传送次级电压。

在步骤620，多脉冲变压器460减弱(例如，减少)由工业机械200的元件(例如，由电力驱动控制的电源转换装置)的非线性负载引起的谐波失真。如上描述，第二线圈463a、463b、463c以及463d的相移使能多脉冲变压器460减弱谐波失真以便减少在PCC425的THD。然后流程600环回到步骤605以接收初级电压。

因此，此外本实用新型提供用于工业机械的多脉冲变压器以将初级电压转变为次级电压并且减少谐波失真。本实用新型提供增加震动和振动的公差的好处。此外，本实用新型提供减少元件数量的好处，导致减少了重量和费用。