燃油高效起重机系统的制作方法

专利名称：燃油高效起重机系统的制作方法
燃油高效起重机系统技术领域
本发明大体来说涉及一种用于提供燃油高效起重机系统的系统。更具体来说，所述系统通过依赖于向所述系统的主DC总线供应的二极管转换器而准许所使用的起重机系统发电机的可变速度操作提供燃油节省。
背景技术：
移动式起重机系统通常依赖于耦合到AC发电机以便供应操作所需要的能量的燃烧发动机(CE)。以可能的最高效方式操作此些系统以便使燃油成本及污染最小化为有利的。这些系统的性质为向发电机需求的功率在一时间周期内广泛地变化。在非常大百分比的时间内，需要相对小量的功率，但在提升负载时，需要大的功率喘振。选定的发电机系统必须定额为满足峰值需求要求。因此，在大百分比的使用中的时间内，发电机系统比其设计额定值低得多地操作。
发电机系统的效率由其设计及操作点确定。关于设计，当以kW为单位来陈述损耗且按百分比来陈述效率时，较大系统具有较高损耗及较高效率。然而，一旦选择了系统，优化效率的仅有方式即控制操作系统的操作点。在任何发电机系统中，损耗随系统的旋转速度而增加。因此，通过使系统在将允许产生所需功率的最低可能速度下操作来优化效率。
在移动式起重机所使用的系统中，附接到AC发电机系统的电负载包含向附接有一个或一个以上换流器的DC总线供应的转换器。每一换流器又向起重机系统的不同电机供应功率。最后，必须计及控制(举例来说)灯、起重机座舱控制件及空调的辅助AC负载。
在传统系统中，使发电机在恒定速度下操作以便向负载提供恒定电压及频率。具有恒定速度及电压大大地简化电系统的设计且允许以简单的方式操作所述电系统。此方法一方面导致最低初始成本及高性能，但另一方面导致较低效率。图1中展示此类型系统的单线路图的示意图。在此系统中，DC总线电压直接取决于AC总线电压，如公式DC = AC(线路间rms) X 1. 35所指示。燃烧发动机100耦合到发电机105，发电机105沿着AC总线110 向辅助负载115且经由二极管转换器120沿着DC总线125向换流器130、135及140供应功率，换流器130、135及140分别连接到例如起吊装置电机145、龙门架电机150及吊运车电机155的负载。
可获得对供在较复杂系统中使用的传统系统的改进，其中发电机频率及电压与DC 总线电压解耦。在这些系统中，在PWM控制下操作固态开关的有源转换器将DC总线电压维持于额定电平，而不管发电机速度(及AC总线电压)如何。在此些系统中，提供单独换流器以给辅助负载供应其所需要的恒定电压及频率。此系统提供优于传统系统的经改进效率， 但因需要有源转换器来用作用以向辅助负载供应的单独换流器而增加初始成本。包含控制器，其通过计算所有所连接负载所需的总功率而确定所需发动机速度。图2提供此类型的单线路系统的示意图。在此变化形式中，燃烧发动机200耦合到发电机205，发电机205沿着AC总线210向有源IGBT转换器215供应功率且进一步沿着DC总线220向单独的换流器225、230、235、240及245供应功率，换流器225、230、235、240及245分别连接到例如用作用以耗散过剩能量的动态制动电阻器的电阻器组250、起吊装置电机255、龙门架电机沈0、 吊运车电机265及辅助负载270的负载。
需要一种具有比当前可用的任何系统低的初始设置及运行成本以及高的长期可靠性的燃油高效起重机功率系统。发明内容
本发明涉及一种供与起重机一起使用以产生用以控制至少一个负载的变化的AC 电压的系统及方法。所述发动机耦合到发电机，所述发电机的变化的AC输出电压由二极管转换器转换成沿着DC总线线路递送到单独换流器的变化的DC电压，每一换流器通过单独 AC总线线路连接到单独负载。主控制器可用来响应于由操作者输入到所述主控制器中的速度改变命令而管理发动机的速度及由每一换流器递送到所述换流器连接到的相应负载的功率。所述方法涉及一种用以将功率从可变速度燃烧发动机提供到起重机上的负载的方式。所述方法使用电机负载速度产生第一发动机速度命令且使用负载功率要求产生第二发动机速度命令。所述第一及第二发动机速度命令中的较高者经选择作为实际发动机速度命令且用作用于向发动机发出发动机燃油命令的基础。或者，还揭示一种用于发出数字固定速度命令的方法。


参考图式依据以下对本发明的详细描述，将更好地理解本发明的前述及其它目标、方面及优点，图式中
图1是其中使用于移动式起重机的发电机在恒定速度下操作的已知单线路传统系统的示意图。
图2是其中发电机频率及电压与DC总线电压解耦的已知单线路系统的示意图。
图3是本发明的系统的基本组件的示意图。
图4是本发明的主控制件借以操作的过程的示意图。
图5是本发明的主控制件借以操作的替代过程的示意图。
图6是用于向连接到移动式起重机的辅助负载提供近恒定AC电压的第一布置的简化示意图。
图7是用于向连接到移动式起重机的辅助负载提供近恒定AC电压的第二布置的简化示意图。
图8是用于向连接到移动式起重机的辅助负载提供近恒定AC电压的第三布置的简化示意图。
具体实施方式
本发明的系统组合上文所论述的现有技术的系统的组件且添加主控制器装置以实现允许AC及DC总线电压根据发电机速度而变化及最优地控制发电机速度使得仅在需要时提供所需的电压及功率的目标。图3呈现此新系统的组件的示意图，其中燃烧发动机300 通过实心轴耦合到发电机305，发电机305沿着AC总线310向二极管转换器315供应功率且进一步沿着共用DC总线320向单独的换流器325、330、335、340及345供应功率，换流器325、330、335、340及345分别连接到例如动态电阻器组350或者用于耗散或存储过剩能量的类似负载、起吊装置电机355、龙门架电机360、吊运车电机365及辅助负载370的负载。 在另一变化形式中，供应各自附接有一个或一个以上换流器的多个二极管转换器。换流器 325、330、335、340及345以及二极管转换器315可为此项技术中已知的任何种类，只要其规格能够应对其连接到的负载的要求即可。主控制件375响应于操作者输入380而向燃烧发动机300并向连接到例如起吊装置电机355、龙门架电机360及吊运车电机365的电动负载的那些换流器发出命令指令。这些指令发挥作用以在燃烧发动机300的空转速度与其额定速度之间的范围内控制发电机305的速度。因此，AC总线310的电压及频率也在相同范围内变化。此外，二极管转换器315的使用致使DC总线320的电压也在所述相同范围内变化。由于可从发动机300获得的功率与其操作速度直接相关，因此呈现两个问题。第一，发动机300的速度必须经调节以实现所要功率。第二，在DC总线320上的任何给定电压下， 存在对例如330、335及340的任何换流器可产生的最大AC输出电压及因此对连接到所述换流器的例如355、360及365的任何电机的最大速度的限制。此第二因素还需要对发动机 300的速度的调节以便可实现所需的输出电压。主控制件375解决这两个问题。
可使用主控制系统来管理发动机300的速度以便可满足对递送到负载电机355、 360及365的速度及功率两者的需求。图4是主控制件375借以满足这些功能的过程的示意图。在400处，将与发动机300、发电机305、负载电机355、360及365以及辅助负载370 的速度、功率及扭矩额定值(视情况)相关的数据表及数据加载到并存储于可编程逻辑控制器中。可使用与发动机控制模块介接的现用类型的已知可编程逻辑控制器来执行下文所描述的所有操作。起重机操作者在405处通过产生要求负载电机355、360及365中的一者或一者以上的速度改变的命令而要求此些改变。在410处选择每一相应负载电机的速度以便满足操作者。第一内插器在412处接入所存储的第一数据表以便在415处基于负载电机的速度而选择发动机300的第一适当速度。在417处使选定速度经受箝位使得其落在例如发动机空转速度的低限与例如最高额定发动机速度的高限之间，但可任选地挑选不同的低限及高限。举例来说，如果负载电机控制起吊装置且起吊装置正被降低，那么负载电机速度变为负使得相应所需发动机速度等于其低限(通常为其空转速度)。通过在420处确定是否已选择所有负载电机的速度而针对共享同一 DC总线的所有电机重复此功能。接着在422 处指定针对负载电机中的任一者选择的最大发动机速度作为第一发动机速度命令。数据表值的线性内插用于此功能，因为此表在现场容易地调整且闭合形式解通常为复杂的。在此情况下，第一数据表反映在任何速度下所需要的负载电机电压与发动机速度之间的基本关系。举例来说，在电机加速到其最高速度的50 %时，起吊装置电压可从零变为最高额定电压。此有时称为电机的基础速度。接着，从基础速度到最高速度，电压要求保持相对平坦。 在423处监视每一电机的负载电机扭矩连同选定电机速度以便在425处根据公式功率= 扭矩X速度来计算负载电机功率需求。在计算每一负载电机的扭矩之后(如在4 处确定)，在430处将连接到同一 DC总线的所有电机负载的负载电机功率需求与辅助AC负载 370所需的功率相加以便获得总功率需求。在435处将此总功率需求箝位到介于从发动机 300的额定功率容量导出的最大与最小功率电平范围之间。第二内插器在437处接入第二所存储的数据表以便在440处选择发动机300的第二适当速度。此第二数据表中的数据表示为发动机300的固有质量的发动机速度与发动机功率容量之间的关系。在445处通过选择第一发动机速度及第二发动机速度中的较高者来确定发动机300的实际速度。在450处由比例积分调节器基于来自445的速度请求输出而依据发动机速度命令同时计算发动机扭矩数值。在460处将此数值与出于此目的而前馈的在455处根据公式扭矩=功率/速度进行的扭矩计算相加。接着在465处将最终扭矩命令发送到发动机控制模块且使用所述命令在470处设定并发出发动机燃油命令。在475处监视实际发动机速度且接着反馈所述发动机速度以用作在455处计算扭矩时的更新数据。所述过程接着返回到405以等待其它操作者命令。
一些燃烧发动机由于其发动机控制或其机械设计的简单性而无法接受可不断变化的扭矩或速度命令。控制此些发动机的系统有时将接受对应于一个或一个以上固定速度的一个或一个以上数字输入。在这些情况下，有必要修改主控制件375使得其基于所命令的速度而激活数字速度命令。图5呈现可借以修改主控制件375的操作以满足此要求的过程的示意图。在500处，将与发动机300、发电机305、负载电机355、360及365以及辅助负载370的速度、功率及扭矩额定值(视情况)相关的数据表及数据加载到并存储于可编程逻辑控制器中。如同在图4的实施例的情况下，可使用与发动机控制模块介接的现用类型的已知可编程逻辑控制器来执行下文所描述的所有操作。起重机操作者在505处要求负载电机355、360及365中的一者或一者以上的速度改变。在510处选择每一相应负载电机的速度以便满足操作者。如同在图4中，第一内插器在512处接入相同的所存储第一数据表以便在515处基于负载电机的速度而选择发动机300的第一适当速度。还如同在图4的实施例的情况下，在517处在相同基础上使选定速度经受箝位。通过在520处确定是否已选择所有负载电机的速度而针对共享同一 DC总线的所有电机重复此功能。接着在522处指定针对负载电机中的任一者选择的最大速度。在523处监视每一电机的负载电机扭矩连同选定负载电机速度以便在525处根据公式功率=扭矩X速度来计算负载电机功率需求。在计算每一负载电机的扭矩之后(如在5 处确定)，在530处将连接到同一 DC总线的所有电机负载的负载电机功率需求与辅助AC负载370所需的功率相加以便获得总功率需求。在 535处将此总功率需求箝位到介于从发动机300的额定功率容量导出的最大与最小功率电平范围之间。在537处，第二内插器接入第二所存储的数据表以便在540处选择发动机300 的第二适当速度。此第二数据表中的数据表示为发动机300的固有质量的发动机速度与发动机功率容量之间的关系。在545处通过基于由第一内插器发送的速度命令与由第二内插器发送的速度命令的比较而选择较高速度命令来确定发动机300的实际速度以优化效率。 在550处执行阈值比较以确定选定速度命令是否大于发动机300的空转速度或其它可用速度点中的任一者。如果是，那么在555处将所述选定速度转换成数字固定速度命令，且如果等于或小于空转速度，那么在560处将发动机空转速度转换成数字固定速度命令。在任一情况下，将数字命令发送到发动机控制模块且使用所述数字命令在570处设定并发出发动机燃油命令。所述过程接着返回到505以等待其它操作者命令。
可通过考虑发电机场激励控制来进一步优化本发明的系统及方法。发电机的输出电压为其旋转速度与机器通过发电机场产生的通量的乘积。发电机通常包含调节场电流的控制器。可使用所述场电流控制器增加发电机输出电压以便部分地补偿发动机300的较低速度操作。尽管通常不可能完全地补偿较低操作速度，但通常可在任何速度下将电压增加高达20%，此仍为有利的，因为此由于其寻求燃烧发动机的最低可能速度而减轻对主控制8件375的约束中的一些约束。
一个其它问题仍有待于解决。必须由换流器345给辅助AC负载370供应固定或近固定AC电压以便恰当地操作。然而，就这一点来说，正控制其输出电压而非电流的换流器(如换流器345的情况)会面临一问题。换流器345的输出电压通常由方程式Va。—。ut = m* V (3/2)*Vdc/2确定。在此方程式中，Vde为DC总线的电压且“m”为呈现给并入于换流器 345中的脉宽调制器的调制指数。此公式表达硬件的功能，在于其可基于DC电压及调制指数而产生输出电压。在大多数电压源换流器中，DC总线电压为固定的或近固定的。因此， 其输出电压直接由在换流器中产生的调制指数确定。在上文所揭示的系统的情况下，DC总线电压为变化的，从而导致对换流器的输出AC电压的不合意的变化效应。存在此问题的三个替代解决方案。
图6以简化示意图形式图解说明用于从换流器345提供近恒定AC电压输出的第一布置。此图示消除对图3中所示的所有其它换流器、负载及主控制件的描绘，但在其它方面适用于所述系统。类似地简化下文在图7及图8中所呈现的图示。在此方法中，使用来自换流器345的所要AC电压输出作为参考电压，将所述参考电压除以来自传感器600的表示可变DC总线电压的反馈信号以便产生经正规化调制指数以呈现给换流器345中固有的调制器。或者，可使用与DC总线电压成比例的任何其它信号，例如来自任选传感器605的 AC输入电压或AC输入频率或者来自任选传感器610的发电机305速度。
图7以简化示意图形式图解说明用于从换流器345提供近恒定AC电压输出的第二布置。在此方法中，输出电压传感器700安装于换流器345的输出处以直接检测AC输出电压705。接着将此数据供应到换流器345的电压控制器以便随DC总线电压改变而自动地调整换流器345的调制指数。
图8以简化示意图形式图解说明用于从换流器345提供近恒定AC电压输出的第三布置。在此方法中，通过使用闸流晶体管800而根据AC总线310的最小电压将DC总线电压320固定为其最低电平。DC总线电压320将由DC电压总线传感器805检测且反馈到电压控制器810以与表示所要DC总线电压的DC总线电压参考进行比较。电压控制器810 向闸流晶体管点火角度控制器815发出DC总线电压命令。同时，传感器820检测AC总线 310的AC电压或频率并将所述数据发送到AC线路电压锁相环路(PLL)825。点火角度控制器815组合来自PLL 825及电压控制器810的数据以向闸流晶体管800发出点火角度命令。 举例来说，如果最小AC线路间电压为V1，那么DC总线电压将固定为约DC= 1.357*义。在此情况下，将充分推进闸流晶体管转换器800的点火角度。接着，随着AC电压开始上升，将推迟点火角度以便维持恒定DC总线电压。在恒定DC总线电压的情况下，换流器调制指数也变得基本上恒定。
上文所描述的控制系统可应用于液压系统以及电系统。在液压系统中，用泵替换发电机305且用液压电机替换负载电机355、360及365。在此些系统中，液压电机的最大速度受可用液压限制。电系统及液压系统类似，在于控制器必须基于所需的负载功率及所连接负载电机中的任一者的最大速度而选择发动机速度。
上文所描述的系统还可在包含所揭示的多个元件的多种变化形式中实施。因此， 一个或一个以上发动机300可耦合到一个或一个以上发电机305，发电机305在连接到一个或一个以上二极管转换器315的一个或一个以上AC总线线路310上产生AC电压，二极管9转换器315沿着一个或一个以上DC总线线路320向上文所描述类型的一个或一个以上负载提供DC电压。
已关于优选实施例描述了前述发明。然而，所属领域的技术人员将明了，可对所揭示的设备及方法做出各种修改及变化，此并不背离本发明的范围或精神。说明书及实例仅为示范性，而本发明的真实范围由以上权利要求书界定。
权利要求
1.一种供与操作者监督的起重机一起使用的系统，其使得可变速度燃烧发动机能够产生变化的AC电压以控制至少一个负载，所述系统包括发电机，其耦合到所述发动机且直接由所述发电机驱动，具有对应于所述发动机的速度的速度且产生可变AC电压输出；第一 AC总线线路，其在一端上连接到所述发电机的所述输出； 二极管转换器，其产生可变DC电压，具有输入及输出，其中所述二极管转换器的所述输入连接到所述第一 AC总线线路的相对端；DC总线线路，其在一端上连接到所述二极管转换器的所述输出； 至少一个换流器，每一换流器具有至少一个输入及一输出，其中所述至少一个换流器中的每一者的输入连接到所述DC总线线路；至少一个第二 AC总线线路，所述至少一个第二 AC总线线路中的每一者在一端上单独地连接到所述至少一个换流器中的单独一者的所述输出；及至少一个电机负载，所述至少一个电机负载中的每一者连接到所述单独第二 AC总线线路中的一者的相对端。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括主控制构件，所述主控制构件用于管理所述发动机的所述速度并用于控制沿着所述至少一个电机负载中的每一者连接到的相应的至少一个单独第二 AC总线线路递送到所述至少一个电机负载中的每一者的功率，其中所述主控制构件连接到所述发动机并连接到所述至少一个换流器中的每一者的输入，且其中进一步所述主控制构件响应于操作者输入。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用于耗散或存储过剩能量的制动构件， 所述制动构件经由单独第二 AC总线线路连接到所述至少一个换流器中的一者的所述输出ο
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括辅助负载，其连接到所述至少一个单独第二 AC总线线路中的一者的一端，其中所述辅助负载具有对恒定或近恒定电压递送的已知要求以便恰当地发挥作用；及恒定电压调节构件，其用于确保从所述辅助负载经由所述第二 AC总线线路连接到的所述换流器给所述辅助负载供应恒定或近恒定电压。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电机负载中的一者为起吊装置电机。
6.一种用于控制可变速度燃烧发动机的速度的方法，所述可变速度燃烧发动机耦合到向起重机上的电机负载提供功率的发电机，其中已知表示电机电压与发动机速度之间及发动机速度与发动机功率容量之间的关系的数据，所述方法包括选择电机负载速度；基于表示所述电机负载的电机电压与发动机速度之间的所述关系的数据的内插而产生第一发动机速度命令；确定所述电机负载所需的所述功率；基于表示发动机速度与发动机功率容量之间的所述关系的数据的内插而进一步产生第二发动机速度命令；挑选所述第一发动机速度命令及所述第二发动机速度命令中的较高者；及基于所述所挑选的发动机速度命令而向所述发动机发出发动机燃油命令。
7.根据权利要求6所述的方法，其中产生的后面是 将所述第一发动机速度命令箝位到预定范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其中确定的后面是 进一步将所述功率箝位到预定范围内。
9.根据权利要求6所述的方法，其中挑选的后面是 基于所述所挑选的发动机速度命令而进一步确定发动机扭矩。
10.一种用于控制可变速度燃烧发动机的速度的方法，所述可变速度燃烧发动机耦合到向起重机上的至少一个电机负载提供功率的发电机，其中已知表示电机电压与发动机速度之间及发动机速度与发动机功率容量之间的关系的数据且已针对所述电机负载中的至少一者请求速度改变，所述方法包括选择所述至少一个电机负载中的每一者的电机速度以满足所述速度改变请求； 基于表示所述至少一个电机负载中的每一者的电机电压与发动机速度之间的所述关系的数据的内插而产生针对所述电机负载的发动机速度命令； 将每一发动机速度命令箝位到预定范围内； 指定所述发动机速度命令中的最高者作为第一发动机速度命令； 确定所有所述至少一个电机负载所需的总功率；基于表示发动机速度与发动机功率容量之间的所述关系的数据的内插而进一步产生第二发动机速度命令；挑选所述第一发动机速度命令及所述第二发动机速度命令中的较高者；及基于所述所挑选的发动机速度命令而向所述发动机发出发动机燃油命令。
11.根据权利要求10所述的方法，其中产生的后面是 将每一发动机速度命令箝位到预定范围内。
12.根据权利要求10所述的方法，其中确定的后面是进一步将所有所述至少一个电机负载的所述总功率箝位到预定范围内。
13.根据权利要求10所述的方法，其中挑选的后面是 基于所述所挑选的发动机速度命令而进一步确定发动机扭矩。
14.一种用于向起重机上的辅助负载提供恒定或近恒定AC电压的方法，所述起重机具有耦合到将可变AC电压产生到第一 AC总线上的发电机的可变速度燃烧发动机，所述可变 AC电压由二极管转换器转换成DC总线上的可变DC电压，其中所述可变DC电压进一步由换流器转换成在第二 AC总线上递送到所述辅助负载的AC电压，所述方法包括获得与所述DC总线上的所述电压成比例的信号，其中所述信号为选自由DC总线电压、 AC电压、AC频率或发电机速度组成的群组的信号；及计算经正规化调制指数以呈现给所述换流器中固有的调制器。
15.一种用于向起重机上的辅助负载提供恒定或近恒定AC电压的方法，所述起重机具有耦合到将可变AC电压产生到第一 AC总线上的发电机的可变速度燃烧发动机，所述可变 AC电压由二极管转换器转换成DC总线上的可变DC电压，其中所述可变DC电压进一步由换流器转换成在第二 AC总线上递送到所述辅助负载的AC电压，所述方法包括获得表示所述换流器的所述AC电压的输出的反馈信号； 计算调制指数以呈现给所述换流器中固有的调制器；及基于所述AC电压信号而调节所述换流器的输出电压。
16. 一种用于向起重机系统上的辅助负载提供恒定或近恒定AC电压的方法，所述起重机系统具有耦合到将可变AC电压产生到第一 AC总线上的发电机的可变速度燃烧发动机， 所述可变AC电压由连接到换流器的闸流晶体管转换器转换成DC总线上的恒定DC电压，所述换流器借助于第二 AC总线进一步连接到所述辅助负载，所述起重机系统进一步具有连接到所述DC总线的DC总线电压传感器、连接到所述第一 AC总线的AC电压或频率传感器、 连接到所述AC电压或频率传感器的AC线路电压锁相环路、连接到所述AC线路电压锁相环路的点火角度控制器及连接到所述点火角度控制器并连接到所述DC电压总线传感器的电压控制器，所述方法包括用连接到所述DC总线的传感器检测所述DC总线电压； 将所述所检测的DC总线电压反馈到所述电压控制器； 将所述所检测的DC总线电压与参考DC总线电压数值进行比较； 向所述闸流晶体管点火角度控制器发出DC总线电压命令；用连接到所述第一 AC总线的所述传感器进一步检测所述AC总线的所述AC电压或所述频率；将所述所检测的AC电压或频率传输到所述AC线路电压锁相环路；及基于来自所述锁相环路的输出与所述电压控制器的输出的组合而经由所述点火角度控制器向所述闸流晶体管发出点火角度命令。
全文摘要
本发明涉及一种用于基于由起重机操作者发出的负载电机速度命令而高效地调节用来控制例如移动式龙门起重机中的起吊装置电机的负载的可变速度燃烧发动机的燃油消耗的系统及方法。所述系统及方法可依赖于可编程逻辑控制器以基于从表示负载电机电压与发动机速度之间的关系的数据及表示发动机速度与发动机功率容量之间的关系的数据导出的内插而发出发动机燃油命令以调节发动机速度。所述方法还可以经修改形式由需要数字固定速度命令的燃烧发动机使用。
文档编号H02P7/00GK102484442SQ200980159870
公开日2012年5月30日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者保罗·S·比克塞尔, 马塞洛·安德列斯·拉腊 申请人:东芝三菱电机工业系统有限公司