Wpływ rekuperacji energii na popraw sprawnoci układu zasilajcosterujcego górniczej lokomotywy akumulatorowej

Transkrypt

1 mgr in. Bartosz POLNIK Instytut Techniki Górniczej KOMAG Wpływ rekuperacji energii na popraw sprawnoci układu zasilajcosterujcego górniczej lokomotywy akumulatorowej S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono zagadnienie rekuperacji energii w górniczych lokomotywach akumulatorowych. Omówiono badania symulacyjne układu zasilajcosterujcego górniczej lokomotywy akumulatorowej typu Lea BM-12. Zaprezentowano wyniki bada zuycia energii elektrycznej lokomotywy Lea BM-12 w czasie zmiany eksploatacyjnej w kopalni, które odniesiono do wyników symulacji. Wskazano czynniki wpływajce na skuteczno odzysku energii. S u m m a r y The problem of energy recuperation in mine battery locomotive is presented. Simulation tests of supplyand-control system in Lea BM-12 mine battery locomotive is discussed. Results of testing the energy consumption of Lea BM-12 mine battery locomotive during one operational shift are compared with the simulation test results. The factors, which have impact on efficiency of energy recovery, are indicated. Słowa kluczowe: lokomotywa akumulatorowa, układ energetyczna lokomotywy, badania symulacyjne zasilajco-sterujcy, rekuperacja energii, sprawno Keywords: battery locomotive, supply-and-control system, energy recuperation, efficiency of locomotive energy conversion, simulation tests 1. Wstp Przewóz ludzi w podziemnych wyrobiskach górniczych oraz transport materiałów i urobku w kopalniach jest jednym z najwaniejszych procesów wpływajcych na efektywno produkcji surowca. Jako rodki transportu stosuje si m.in. lokomotywy spgowe oraz cigniki podwieszone [5]. Ze wzgldu na sposób zasilania, wyrónia si trzy rodzaje lokomotyw spgowych: spalinowe, trakcyjne i akumulatorowe. Z uwagi na emisj szkodliwych substancji pochodzcych z lokomotyw spalinowych dy si do ich ograniczenia i zastpienia napdami elektrycznymi. W najgłbszych pokładach kopal, podczas drenia wyrobisk chodnikowych praktycznie nie wykorzystuje si napdów spalinowych. Wydobycie urobku oraz transport materiałów realizowany jest za pomoc systemów transportowych zasilanych elektrycznie [5]. Stosowane lokomotywy akumulatorowe dorównuj mobilnoci lokomotywom spalinowym, przewyszajc je przy tym sprawnoci i nisz emisj szkodliwych gazów. Wysza sprawno energetyczna lokomotyw akumulatorowych wpływa dodatkowo na ograniczenie emisji ciepła do atmosfery kopalnianej [1]. Lokomotywy trakcyjne ustpuj maszynom akumulatorowym, głównie z powodu ogranicze wynikajcych z moliwoci prowadzenia trakcji elektrycznej w wybranych rejonach kopalni. Najbardziej popularn, eksploatowan maszyn akumulatorow w polskim górnictwie wgla kamiennego jest lokomotywa Lea (odmiana BM-12 lub 12P3) rysunek 1, pracujca ju od blisko pidziesiciu lat. Rys.1. Górnicza lokomotywa akumulatorowa typu Lea BM-12 oraz Lea 12P3 [6] Lokomotywa ta napdzana jest silnikiem szeregowym prdu stałego typu LDs-245 (Lea BM-12) lub LDs-327 (Lea 12P3). Silniki, z uwagi na zainstalowan moc elektryczn, maj rón prdko obrotow (LDs-245 n N = 2910 obr/min, silnik LDs-327 n N = 1450 obr/min.). W pierwszych rozwizaniach, w układzie napdu lokomotywy akumulatorowej, do sterowania rozruchem oraz do regulacji prdkoci silników trakcyjnych były stosowane rezystory [4]. 56 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

2 Regulacja prdkoci maszyny polegała na dołczaniu szeregowych rezystorów rozruchowych oraz przełczaniu silników trakcyjnych, z połczenia szeregowego na równoległe. Układy te posiadały szereg wad, takich jak: trudno regulacji prdkoci ktowej silników, due straty mocy na rezystorach rozruchowych oraz konieczno stosowania duej liczby styczników i nastawników przełczajcych prdy o duym nateniu, co powodowało szybkie zuywanie si elementów stykowych. Najwiksz wad tego typu układu sterowania był jednak brak moliwoci zwrotu energii do baterii w procesie hamowania elektrycznego. Cała energia odzyskiwana podczas hamowania odprowadzana była w postaci ciepła. Wady pierwotnych układów sterowania decydowały o niskiej sprawnoci układu napdowego lokomotywy. Projektanci i producenci lokomotyw dyli zatem do opracowania rozwizania układu napdowego o wyszej sprawnoci. 2. Rekuperacja energii w górniczych lokomotywach akumulatorowych Rekuperacja energii polega na jej odzyskiwaniu w celu dalszego wykorzystania. W maszynach z napdem elektrycznym lub hybrydowym, rekuperacja jest realizowana poprzez wykorzystanie silnika elektrycznego jako prdnicy, do konwersji energii ruchu obrotowego na energi elektryczn. Silnik przekształca energi kinetyczn rozpdzonej masy pojazdu na energi elektryczn, w trakcie hamowania elektrycznego, umoliwiajc w ten sposób odzysk energii, która moe by oddawana bezporednio do sieci trakcyjnej lub gromadzona w baterii akumulatorów [3]. Moliwo rekuperacji energii w górniczych lokomotywach akumulatorowych zaistniała w latach 90-tych ubiegłego wieku. Istotn rol w unowoczenieniu, usprawnieniu i poprawieniu własnoci trakcyjnych tych maszyn odegrał Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, który opracował i wykonał zespoły przekształtnikowe, wyposaone w łczniki okresowe prdu stałego (pocztkowo tyrystorowe, obecnie tranzystorowe) i układy regulacji przeznaczone do rozruchu, zmian prdkoci i hamowania elektrycznego górniczych lokomotyw akumulatorowych, o mocach silników od 12 do 90 kw [7]. Uproszczony schemat tranzystorowego łcznika prdu stałego do sterowania napdu lokomotywy akumulatorowej lub trakcyjnej pokazano na rysunku 2. Sprawno energetyczna lokomotyw wyposaonych w tego typu układ sterowania, w stosunku do rezystorowych układów sterujcych, jest wysza o ok. 25 %. Ponadto, w wyniku kontrolowanego przepływu prdu w napdach trakcyjnych, wydłuyła si ywotno silników i przekładni mechanicznych lokomotyw. Rys.2. Uproszczony schemat tranzystorowego łcznika prdu stałego [7] T1 łcznik okresowy do jazdy lokomotywy T2 łcznik okresowy do hamowania lokomotywy, CIz człon zadawania prdu, SJ łcznik jazdy, SP, SL łczniki do rewersji prdu w obwodzie twornika, DZ dioda zwrotna, DH dioda hamowania, CI czujnik prdu, ST sterownik elektroniczny. 3. Badania symulacyjne układu zasilajcosterujcego lokomotywy górniczej z rekuperacj energii Badania symulacyjne układu zasilajco-sterujcego górniczej lokomotywy akumulatorowej, przeznaczonego do odzysku energii elektrycznej prowadzono w rodowisku symulacyjnym PSIM. Zakres symulacji, obejmował przejazd lokomotywy od remizy w kierunku punktu załadowczego (jazda po wzniosie bez załadunku), a nastpnie przejazd od punktu załadowczego do miejsca wyładunku (jazda po upadzie z załadunkiem). Zasymulowano rozpdzanie lokomotywy, jazd na wybiegu oraz hamowanie z odzyskiem energii. Model układu zasilajco-sterujcego lokomotywy Lea Bm-12 pokazano na rysunku 3. W badaniach uwzgldniano profil trasy transportowej zidentyfikowany wczeniej w jednej z kopal jako rzeczywisty, po której poruszaj si górnicze lokomotywy akumulatorowe. Wybrano tras o niekorzystnych parametrach trakcyjnych. Długo trasy wynosiła ok m (od punktu załadunku do punku wyładunku), a rednie nachylenie 0,4% (w kierunku stacji wyładowczej). Do bada symulacyjnych załoono nastpujce parametry lokomotywy akumulatorowej: MASZYNY GÓRNICZE 2/ maksymalna siła pocigowa F pmax = 30 kn, prdko maksymalna V max = 6 m/s, przełoenie przekładni z = 1:19,26, rednica kół d = 560 mm, znamionowe napicie akumulatorów Un = 144 V, pojemno piciogodzinna akumulatorów C 5 = 840 Ah.

3 Rys.3. Model symulacyjny układu zasilajco-sterujcego lokomotywy Lea BM-12, napdzanej silnikiem prdu stałego typu LDs-245 [2] 3.1. Symulacja rozpdzania i hamowania zestawu transportowego o masie 57,5 ton, jadcego po wzniosie o nachyleniu 0,4% (jazda w kierunku punktu załadowczego) Symulacja polegała na rozpdzaniu zestawu transportowego (bez załadunku), po wzniosie o nachyleniu 0,4%, w zakresie prdkoci 0-2,7 m/s. Po osigniciu prdkoci ustalonej nastpowało hamowanie, a do zatrzymania lokomotywy. Podczas symulacji rejestrowano nastpujce parametry: prdko lokomotywy, moment elektromagnetyczny silnika, prd twornika silnika, redni prd baterii akumulatorów, energi pobran oraz oddan do baterii akumulatorów. 58 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

4 Na podstawie rejestrowanych wartoci parametrów, wyliczono moc mechaniczn na wale silnika. Wyniki symulacji przedstawiono w tabeli 1. Wyniki symulacji jazdy lokomotywy w kierunku punktu załadunku [2] Tabela 1 Silnik szeregowy prdu stałego 15 kw typu LDs-245 Jazda po wzniosie o nachyleniu 0,4% bez załadunku moc mechaniczna na wale silnika przebyta droga prdko ustalona maks. prd pobrany z baterii energia pobrana z baterii energia oddana do baterii droga hamowania 25,5 kw 117 m 2,7 m/s (1797 obr/min) 186 A 386 Wh 48 Wh 8,2 m 3.2. Symulacja rozpdzania i hamowania zestawu transportowego o masie 137,5 ton, jadcego po upadzie o nachyleniu 0,4% (z załadunkiem) Symulacja polegała na rozpdzaniu zestawu transportowego (z załadunkiem), po upadzie o nachyleniu 0,4%, w zakresie prdkoci 0-3,2 m/s. Po osigniciu prdkoci ustalonej nastpowało hamowanie, a do zatrzymania lokomotywy. Podczas symulacji rejestrowano nastpujce parametry: prdko lokomotywy, moment elektromagnetyczny silnika, prd twornika silnika, redni prd baterii akumulatorów, energi pobran oraz oddan do baterii akumulatorów. Na podstawie rejestrowanych parametrów, wyliczono moc mechaniczn na wale silnika. Wyniki symulacji przedstawiono w tabeli 2. Wyniki symulacji jazdy lokomotywy w kierunku punktu wyładunku [2] Tabela 2 Silnik szeregowy prdu stałego 15 kw typu LDs-245 Jazda po upadzie o nachyleniu 0,4% z załadunkiem moc mechaniczna na wale silnika przebyta droga prdko ustalona max. prd pobrany z baterii energia pobrana z baterii energia oddana do baterii droga hamowania 21,9 kw 516 m 3,235 m/s (2125 obr/min) 159 A 1224 Wh 168 Wh 33,6 m W badaniach symulacyjnych, analizowano tylko dwa odcinki trasy, w których nastpuje hamowanie elektryczne z odzyskiem energii. Profil trasy oraz obcienie lokomotywy akumulatorowej były niekorzystne dla danej maszyny, które w odniesieniu do informacji uzyskanych z kopalni zdarzaj si bardzo rzadko. Pomimo tego, odzyskano energi o wartoci 168 Wh. W typowych warunkach pracy, lokomotywa akumulatorowa porusza si z mniejszymi obcieniami, przejedajc po łagodniejszych odcinkach tras transportowych, na których hamowanie elektryczne z odzyskiem energii odbywa si znacznie czciej. Rys.4. Przykładowe przebiegi napicia i natenia prdu baterii, podczas pracy górniczej lokomotywy akumulatorowej typu Lea BM-12 [6] Na rysunku 4 zaprezentowano przykładowe przebiegi napicia oraz natenia prdu baterii akumulatorów zarejestrowane podczas rzeczywistej pracy górniczej lokomotywy akumulatorowej typu Lea BM-12. W cigu 800 sekund pracy lokomotywy transportujcej kilkanacie ton materiału zarejestrowano hamowanie elektryczne z odzyskiem energii. W czasie hamowania, rednia warto skuteczna natenia prdu płyncego do baterii wynosiła 100 A. Przebieg natenia prdu baterii miał charakter cykliczny. Kady z cykli podzielono na trzy etapy: rozpdzanie, jazda na wybiegu oraz hamowanie elektryczne z odzyskiem energii. Bezporednie przejcie rozpdzonej maszyny w tryb hamowania elektrycznego z odzyskiem energii, z uwagi na wygenerowanie prdu o nateniu ok. 400 A, moe wpływa niekorzystnie na układ energoelektroniczny. Sytuacja taka podczas normalnej pracy maszyny jednak z reguły nie wystpuje. Wyjtek stanowi hamowanie awaryjne. Obecnie układy zasilajcosterujce nie s wyposaone w system ograniczajcy prd płyncy do baterii w czasie hamowania elektrycznego. Gwałtowne przekazanie do baterii akumulatorów prdu o duym nateniu moe powodowa intensywn emisj gazu elektrolitycznego wodoru, który w pewnych steniach moe sta si gazem wybuchowym. Konstrukcja skrzy przeciwwybuchowych umoliwia jednak przewietrzanie zgromadzonego wodoru. Czste pomijanie etapu jazdy na wybiegu i gwałtowne przechodzenie w hamowanie elektryczne z odzyskiem energii, moe powodowa nagromadzenie duej iloci wodoru i wymaga skutecznego przewietrzania skrzyni baterii akumulatorów. W celu niedopuszczenia do nagromadzenia wybuchowego stenia wodoru we MASZYNY GÓRNICZE 2/

5 wntrzu skrzyni baterii akumulatorów, proponuje si podj nastpujce działania: poprawi przewietrzanie skrzyni baterii akumulatorów, co wie si z koniecznoci przeprowadzenia bada w zakresie uzyskania certyfikatu ATEX, zmodyfikowa układ zasilajco-sterujcy lokomotywy, dc do minimalizacji emisji gazu elektrolitycznego, przy zachowaniu maksymalnej sprawnoci układu oraz wymaganych parametrów bezpieczestwa pracy. Zmiany w układzie sterowania nie wymagaj przeprowadzenia ponownych bada, tak jak w przypadku modyfikacji układu przewietrzania skrzyni baterii akumulatorów. Z punktu widzenia efektywnoci, niezawodnoci i uniwersalnoci, rozwizanie takie wydaje si by najkorzystniejsze. 4. Podsumowanie Przeprowadzone analizy oraz symulacje komputerowe układu zasilajco-sterujcego z zastosowaniem nowoczesnych układów energoelektronicznych w znacznym stopniu poprawiło sprawno energetyczn lokomotywy akumulatorowej. Sprawno mona docelowo dodatkowo zwikszy poprzez odzysk energii w procesie hamowania elektrycznego. Ilo odzyskanej energii zaley od wielu czynników, takich jak: obcienie lokomotywy, sprawno układu energoelektronicznego, sprawno silnika napdowego, sprawno baterii akumulatorów, parametry trasy transportowej. Sprawno stosowanych aktualnie silników prdu stałego wynosi ok. 85%, przy załoeniu, e s to nowe maszyny. Uwzgldniajc sprawno pozostałego układu energoelektronicznego na poziomie 90%, sumaryczna sprawno energetyczna maszyny moe wynie ok. 70%. W celu poprawy tego stanu poddaje si modyfikacji układ sterowania, poprzez zastosowanie nowoczesnych falowników o wysokiej sprawnoci. Rozwój silników napdowych umoliwia dodatkowo zastosowanie w napdach górniczych lokomotyw akumulatorowych bezszczotkowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi, których sprawno wynosi ponad 92%. Obecnie trwaj prace nad wdroeniem lokomotywy akumulatorowej, wyposaonej w nowoczesny układ zasilajco-sterujcy z odzyskiem energii elektrycznej. Wdroona górnicza lokomotywa akumulatorowa typu Lda-12K-EMA bdzie wynikiem projektu celowego realizowanego przez firm Energomechanik przy współudziale z Instytutem Techniki Górniczej Komag. Literatura 1. Budzyski Z., Polnik B.: Mechatroniczny układ sterowania i napdu akumulatorowych kolei szynowych przeznaczonych do pracy w atmosferze wybuchowej. Maszyny Górnicze 2011 nr 2, s Dokumentacja, wykonana w ramach projektu badawczego rozwojowego pt. Mechatroniczny układ napdowy do pojazdów szynowych przeznaczonych do pracy w atmosferze wybuchowej. ITG KOMAG (materiały nie publikowane). 3. Pawełczyk M.: Rozwój systemów wykorzystujcych akumulacj energii w transporcie szynowym. Pojazdy Szynowe 2012 nr 2, s Pawlaczyk L.: Przekształtniki energoelektroniczne w zastosowaniach przemysłowych. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napdów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej 2005 Nr 58, s Polnik B.: Silnik PMSM jako nowoczesny napd w górniczych systemach transportowych. Maszyny Elektryczne Zeszyty problemowe 2012 nr 1, s Polnik B.: Badania i analiza pracy układu zasilajco-sterujcego górniczej lokomotywy akumulatorowej. ITG KOMAG, Gliwice 2014 (materiały nie publikowane). 7. Szczucki F.: Rozwój energooszczdnych urzdze i napdów maszyn górniczych oraz systemów transportowych. Wiadomoci Elektrotechniczne 2006 nr 1, s Artykuł wpłynł do redakcji w czerwcu 2014 r. 60 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014