Innowacyjne rozwizania elektrycznych układów napdowych maszyn górniczych

Transkrypt

1 Mgr in. Zdzisław BUDZYSKI Instytut Techniki Górniczej KOMAG Innowacyjne rozwizania elektrycznych układów napdowych maszyn górniczych S t r e s z c z e n i e Zwikszenie koncentracji wydobycia na przestrzeni ostatnich 30 lat wymusił opracowanie nowych rozwiza napdów elektrycznych. Wzrost zainstalowanej mocy w maszynach kompleksów cianowych powyej 1 MW spowodował konieczno zastosowania podwyszonego napicia zasilania. Dynamiczny rozwój energoelektroniki oraz silników elektrycznych umoliwił opracowanie i wdroenie nowej generacji napdów elektrycznych dla maszyn górniczych. S u m m a r y Increase of production concentration within last 30 years forced a development of new solutions for electric drives. Increased power in the machines of longwall systems above 1 MW caused the necessity of using the higher supply voltage. Dynamic development of energoelectronics and electric motors enabled development and implementation of electric drives of new generation for mining machines. 1. Wprowadzenie Prace badawczo-rozwojowe KOMAG-u w zakresie maszyn urabiajcych ukierunkowane były w minionych latach na opracowanie, a nastpnie wdroenie regulowanych elektrycznych napdów posuwu oraz wprowadzenie podwyszonego napicia zasilania do kombajnów duej mocy. W zakresie regulowanych elektrycznych napdów opracowano i wdroono rozwizania zasilane z sieci prdu przemiennego oraz stałego. Wdroono równie po raz pierwszy w górnictwie, silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi. Wymagało to opracowania wektorowego systemu sterowania przemiennikami czstotliwoci dostosowanymi do napi stosowanych w górnictwie. 2. Innowacyjne rozwizania w wyposaeniu elektrycznym kombajnów cianowych 2.1. Innowacyjne rozwizanie w zakresie napdu posuwu Od pocztku istnienia kombajnów cianowych, rozwizanie napdu posuwu realizowane było przez jeden cignik hydrauliczny ze sterowaniem rcznym (C-27, C-36) lub automatycznym (CA-27, CA-36 i CH-3a) napdzany silnikiem elektrycznym. W latach siedemdziesitych ubiegłego wieku w kombajnach cianowych w układzie napdu posuwu zastosowano obcowzbudne lub szeregowe silniki prdu stałego. Napdy takie wykonały firmy Joy w USA, Eickhoff w Niemczech oraz Anderson w Wielkiej Brytanii. Pierwsze w Polsce rozwizanie napdu posuwu na drodze elektrycznej powstało w KOMAG-u w roku 1984 i zostało wdroone na kombajnie KGS-150 w kopalniach Chwałowice i Dbiesko. Nowoci ww. rozwizania był tyrystorowy napd posuwu TZ-1, w skład którego wchodziły dwa zespoły napdowe, z których kady składał si z dwubiegowego reduktora i silnika indukcyjnego klatkowego o mocy 22 kw. Zespoły te były usytuowane w chodnikach przycianowych i mocowane do kadłuba przenonika cianowego. Zmian prdkoci i kierunku posuwu zapewniał przemiennik czstotliwoci EZTR-1 produkcji czeskiej, z którego zasilane były silniki elektryczne napdu posuwu o napiciu regulowanym V. Przemiennik czstotliwoci typu prdowego, w układzie 3-fazowego mostka tyrystorowego, był sterowany skalarnie, według zalenoci U/f=const. Umoliwiało to płynn regulacj prdkoci obrotowej silników posuwu przy stałym momencie obrotowym w zakresie czstotliwoci od 5 Hz do 50 Hz oraz przy stałej mocy w zakresie zmiany czstotliwoci od 50 Hz do 70 Hz. Równoczenie prowadzono próby z regulacj posuwu za pomoc sprzgieł elektromagnetycznych, w których polizg regulowany był automatycznie prdem wzbudzenia, w zalenoci od obcienia silników kombajnowych i posuwu. System o nazwie WSP składał si z dwóch napdów mocowanych na kadłubie przenonika cianowego. Obydwa napdy wprawiały w ruch jeden łacuch pocigowy, którego koce zamocowane były do kombajnu cianowego K-103. Napd składał si z silnika elektrycznego, reduktora, sprzgła elektromagnetycznego i aparatury sterowniczej. Czste awarie sprzgieł oraz automatyki posuwu stały si powodem rezygnacji z systemu WSP, a dalsza praca kombajnu K-103 odbywała si ze sprawdzonym wczeniej systemem posuwu TZ-1. Prowadzono take próby z zastosowaniem przemienników produkcji chiskiej na bazie elementów MASZYNY GÓRNICZE 2/

2 energoelektronicznych japoskiej firmy Toshiba w kombajnie KGS-300, w którym po raz pierwszy zabudowano silniki posuwu w kombajnie, dziki czemu uniknito stosowania cigna łacuchowego. Przemiennik czstotliwoci typu napiciowego zasilał dwa silniki o mocy 22 kw, na napicie 380 V. Wszystkie nastpne rozwizania kombajnów, poczwszy od KSE-344 wyposaono w silniki posuwu o mocy 30 kw, zasilane oddzielnym przewodem z przemiennika czstotliwoci EZTR-1, usytuowanego w chodniku przycianowym. W kombajnie KSE-344 zastosowano po raz pierwszy zasilanie całego kombajnu jednym przewodem 6-cio yłowym produkcji krajowej. Po zakoczeniu produkcji przemiennika EZTR-1 z powodu niewystarczajcej mocy, w kombajnach KSE-360 zastosowano od 1996 roku prdowe przemienniki produkcji krajowej firmy Carboautomatyka na napicie 500 V typu PPC-3 oraz PPC-1, w kombajnach typu KSE-500, z silnikami posuwu o mocy 2x45 kw. W kombajnach typu KSE-700 z silnikami posuwu 2x45 kw i KSE-700 W z silnikami posuwu 2x60 kw zastosowano przemiennik czstotliwoci Monoverter typu BbM200 na napicie 1000 V i układ transmisji typu A880E firmy AEG w osłonie ognioszczelnej wykonanej przez Carboautomatyk. W kombajnie KSE-800 oraz KSE-1000 zastosowano do zasilania silników posuwu o mocy 2x60 kw napiciowy przemiennik czstotliwoci SIMOVERT-P typu 8SF9623-0BK10 o mocy 130 kw, na napicie 500 V firmy SIEMENS. Wprowadzenie moliwoci regulacji czstotliwoci do 100 Hz do zasilania silników posuwu, pozwoliło na wyeliminowanie przekładni dwubiegowej w posuwie kombajnu. Przystosowanie silników posuwu do pracy z czstotliwoci 100 Hz wymagało jednak wykonania wzmocnionych wzłów łoyskowych. Z zagranicznych rozwiza napdu posuwu kombajnu stosowanych w kraju wymieni naley kombajn ELECTRA LS, w którym zastosowano na kombajnie transformator firmy Brush o mocy 150 kva i napiciu wtórnym 460 V, z którego zasilany jest silnik o mocy 75 kw do napdu pompy hydraulicznej oraz poprzez przemiennik znajdujcy si na maszynie dwa silniki posuwu o mocy po 40 kw kady. Transformator i przemiennik czstotliwoci były chłodzone wod. W kocu lat 90-tych, w wyniku transformacji gospodarczych producenci maszyn górniczych zaczli tworzy własne biura konstrukcyjne, w których powstawały nowe rozwizania kombajnów wglowych. W tym okresie KOMAG proponował napd posuwu, w którym kady silnik był sterowany z oddzielnego przemiennika czstotliwoci, zasilanego napiciem 1000 V ze skrzyni aparatury elektrycznej. W kombajnach duej mocy, w których silniki do napdu organów urabiajcych s zasilane napiciem 3,3 kv, zasilanie przemienników czstotliwoci napiciem 1000 V nastpiło poprzez wspólny przewód szecioyłowy z aparatury zasilajcej znajdujcej si w chodniku przycianowym. Równoczenie prowadzono w KOMAG-u prace badawcze nad konstrukcj silnika zintegrowanego z przemiennikiem czstotliwoci o mocy 45 kw. W 2004 roku w ramach projektu celowego we współpracy z firmami ENEL Sp. z o.o. i ZRPME DAMEL opracowano i wykonano silnik zintegrowany z przemiennikiem czstotliwoci, budowy przeciwwybuchowej, o mocy 60 kw i napiciu znamionowym 1000 V. Silnik SG3FB-200S-4A, dedykowany do napdu posuwu kombajnów cianowych przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Silnik zintegrowany z przemiennikiem czstotliwoci SG3FB-200S-4A [12] Badania silnika na stanowisku w KOMAG-u oraz badania typu przeprowadzone w DAMEL-u potwierdziły słuszno przyjtych załoe oraz prawidłowo działania. Na podstawie zdobytych dowiadcze opracowano nowy system posuwu dla kombajnów cianowych, polegajcy na zastosowaniu dwóch cigników, w których zabudowano silniki na napicie 1000 V zasilanych z przemiennika czstotliwoci zintegrowanego z silnikiem. W 2007 roku na stanowisku badawczym KOMAG-u przeprowadzono badania nowego systemu posuwu na modelu kombajnu. Celem bada było sprawdzenie poprawnoci działania oraz porównanie nowego rozwizania napdu posuwu z dotychczasowym polegajcym na zastosowaniu jednego wspólnego przemiennika czstotliwoci do zasilania silników dwóch cigników. Badania przeprowadzono na układzie zblionym do rzeczywistego. Na stanowisku badawczym (rys. 2) posadowiono tras przenonika składajc si z 30 rynien, której konfiguracja odwzorowywała rzeczywisty stan w zakresie prostoliniowoci trasy, przez odpowiednie usytuowanie rynien. Model odwzorowujcy kombajn składał si z dwóch cigników 78 MASZYNY GÓRNICZE 2/2013

3 połczonych mechanicznie, z zachowaniem rozstawu kół trakowych, jak w kombajnie. Model dociono dodatkow mas 7,5 t, tak aby masa modelu odpowiadała masie kombajnu. Opory skrawania i tarcia odwzorowano z uyciem kołowrotu hydraulicznego. Rys.2. Stanowisko badawcze w ITG KOMAG [12] Wyniki prób potwierdziły słuszno koncepcji polegajcej na zastosowaniu do kadego silnika posuwu niezalenego przemiennika czstotliwoci sterowanego z mikroprocesorowego sterownika. Program bada oraz wyniki zostały opublikowane w literaturze [1] Zasilanie kombajnów cianowych podwyszonym napiciem Konieczno zastosowania podwyszonego napicia zasilania wynikała z coraz wikszych mocy instalowanych w kombajnach cianowych. Stosowanie dwóch przewodów oponowych do zasilania silników organów urabiajcych i trzeciego do zasilania silników posuwu było rozwizaniem tymczasowym. Wystpujce spadki napi wynikajce z rozruchu silników duej mocy wymagały usytuowania kilku transformatorów o maksymalnej mocy 1000 kva bezporednio w pobliu ciany. Wdroenie podwyszonego napicia zasilania do kompleksów cianowych poprzedziły prace wykonane przez KOMAG w 1993 r. w zakresie analizy sieci elektroenergetycznej i ustalenia optymalnego poziomu napicia zasilania, zostały opublikowane w literaturze [11]. Okrelono wymagania i wykonano projekt techniczny na napicie 6 kv. Ostatnim etapem był dobór aparatury, przewodów i osprztu przeznaczonych do pracy pod napiciem 6 kv. W 1994 r. na podstawie dokumentacji KOMAG-u, wykonano w ZM ZAMET w Tarnowskich Górach kombajn cianowy KSE Kombajn był zasilany ze stacji transformatorowej firmy BRUSH typu TEK1534 o mocy 2700 kva na napicie 6/6,3 kv poprzez wyłcznik zabezpieczeniowy firmy SAIT MINING typu K5000; 6kV; 400 A i wyłcznik kombajnowy K5000 wyposaony w dwa styczniki z których jeden spełniał rol zabezpieczeniowego, a drugi manewrowego. Zasilanie kombajnu odbywało si przewodem firmy SILEC typu HV-13x x1,13/5 mm 2. Silniki napdu posuwu były zasilane napiciem 1000V z przemiennika czstotliwoci firmy SIEMENS typu Simovert-P. Silnik pompy wodnej i hydraulicznej zasilany był z transformatora 6/1,05 kv o mocy 90 kva zabudowanego na kombajnie. Organy kombajnu były napdzane silnikami typu SG7 o mocy 400 kw i napiciu 6 kv produkcji firmy DAMEL umieszczonymi w ramionach. Posuw kombajnu zapewniały dwa silniki elektryczne produkcji ZRPME DAMEL typu SGN- 200S4-4A o mocy 60 kw i napiciu 500 V. Do napdu pompy hydraulicznej i wodnej zastosowano silnik produkcji ZRPME DAMEL typu SGN-200M-4 mocy 75 kw na napicie 1000 V. Kombajn KSE-1000 wdroono w kopalni Ziemowit, gdzie po wybraniu dwóch cian został wycofany z eksploatacji. W trakcie pracy nie uległy uszkodzeniu adne z głównych elementów wyposaenia elektrycznego kombajnu jak: przewód oponowy, przemiennik czstotliwoci, wyłczniki, transformator zasilajcy itp. W nastpnych latach z uwagi na brak produkcji krajowego kombajnu duej mocy zaczto instalowa kombajny zagraniczne zasilane prdem o napiciu 3,3 kv. W zwizku z cigłym zapotrzebowaniem na kombajny duej mocy krajowi producenci, wzorem zagranicznych producentów, rozpoczli produkcj kombajnów na napicie 3,3 kv. W roku 2004 podjto prób ponownego wdroenia systemu zasilania kombajnu prdem o napiciu 6 kv. Zaplanowano lokalizacj w cianach 20, 5, 31 w pokładzie 405/3 KWK Knurów, gdzie w wyniku przeprowadzonych analiz technicznych i ekonomicznych uzasadnione było zastosowanie napicia zasilania podwyszone do 6 kv. Ze wzgldów ekonomicznych nie podjto produkcji nowego typu kombajnu. Rozwizanie dotychczasowe polegajce na zasilaniu maszyn napiciem 3,3 kv staje si powoli rozwizaniem niewystarczajcym. 3. Innowacyjne rozwizanie napdu w lokomotywach elektrycznych W kopalniach, oprócz lokomotyw elektrycznych, zasilanych z sieci trakcyjnej, rozpowszechniono lokomotywy elektryczne akumulatorowe, które wykonane jako przeciwwybuchowe znalazły zastosowanie przede wszystkim na drogach przewozowych, gdzie wystpuje zagroenie wybuchem metanu lub pyłu wglowego. Do napdu lokomotyw stosowano silniki szeregowe prdu stałego, w których sterowanie prdkoci uzyskano przez zmian rezystancji włczonej w obwód silnika. W lokomotywie akumulatorowej system sterowania napdami, w postaci silników prdu stałego nie róni si od systemu w lokomotywie trakcyjnej, wymagał jedynie umieszczenia go w ognioszczelnych obudowach. MASZYNY GÓRNICZE 2/

4 Powszechnie stosowane w Polsce lokomotywy akumulatorowe to lokomotywy małe, typu Ldag 05M oraz Lea BM-12, w ró nych wersjach wykonania, posiadaj ce ten sam silnik i konstrukcj mechaniczn. Obecnie prowadzone s prace nad systemami nap du z wykorzystaniem silników pr du przemiennego. Na Słowacji wyprodukowano lokomotywy akumulatorowe wyposa one w silniki indukcyjne pr du przemiennego, sterowane za pomoc tranzystorowych przekształtników energoelektronicznych. Z analizy obecnego stanu w zakresie lokomotyw elektrycznych wynika, e istnieje potrzeba modernizacji zasilania i nap du tych maszyn, zwłaszcza w warunkach istniej cych zagro e naturalnych, w tym zagro enia metanowego, pyłowego, temperaturowego, wodnego i po arowego Innowacyjne rozwi zanie nap du i sterowania dla lokomotyw trakcyjnych Prace naukowo-badawcze nad rozwojem lokomotyw trakcyjnych prowadzono ju w ZKMPW, a nast pnie w EMAG-u. W latach 90-tych wdro ono układ tyrystorowy typu TUSDELK firmy ELSTA, umo liwiaj cy dynamiczne hamowanie silnikiem. Lokomotyw trakcyjn Ld-31 modernizowano w KOMAG-u etapowo. W pierwszej kolejno ci zaprojektowano nowatorski system nap dowy, polegaj cy na zastosowaniu w miejsce dotychczasowych silników pr du stałego, bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi, zasilanych z trakcji elektrycznej za po rednictwem przekształtników energoelektronicznych. wi ksza g sto mocy w stosunku do silników indukcyjnych i silników pr du stałego, co pozwala na zmniejszenie wymiarów i masy, wysoki współczynnik przeci alno ci momentem, nawet do kilkakrotnej wielko ci momentu znamionowego, wysoki współczynnik mocy cos, w stosunku do silników indukcyjnych, dzi ki ograniczeniu pr du magnesuj cego, pobieranego z sieci i magnesowaniu maszyny magnesami trwałymi, wysoka trwało i niezawodno, zwłaszcza w porównaniu z silnikami pr du stałego, dzi ki wyeliminowaniu komutatora mechanicznego, co spowodowało uproszczenie procedur eksploatacyjnych; skrócenie czasów przegl dów i remontów, obni enie kosztów eksploatacji, doskonałe parametry regulacyjne i dynamiczne, liniowa zale no momentu na wale od pr du zasilania, mo liwo uzyskania du ych przy piesze k towych dzi ki niskim momentom bezwładno ci i wysokiej przeci alno ci momentem, mo liwo pracy w układzie nap dowym w funkcji hamulca elektromagnetycznego dynamicznego i statycznego. Rys.4. Zespół nap dowy z silnikiem z magnesami trwałymi PMPg-250L [7] Nap d lokomotywy Ld-31EM składa si z dwóch zestawów kołowych (rys. 4), ka dy nap dzany silnikiem, zasilanym z przekształtnika energoelektronicznego. Zastosowany po raz pierwszy w lokomotywie trakcyjnej manipulator, w postaci joysticka (rys. 5), przeznaczony jest do sterowania pr dko ci lokomotywy i hamowania. Manipulator wyposa ony jest w dwa przyciski. Pierwszy (usytuowany w górnej cz ci) słu y do nadawania sygnału ostrzegawczego. Drugi (usytuowany w rodkowej cz ci) spełnia rol czuwaka. Rys.3. Lokomotywa Ld-31EM podczas prób ruchowych w KGHM Polska Mied S.A. [12] Opracowanie silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi i jego pierwsze wdro enie w nap dzie lokomotywy kopalnianej jest rozwi zaniem innowacyjnym w skali wiatowej. Podstawowe, innowacyjne cechy silnika z magnesami trwałymi to: 80 znacznie wy sza sprawno w stosunku do silników indukcyjnych i silników pr du stałego, Rys.5. Wn trze lokomotywy Ld-31EM [7] MASZYNY GÓRNICZE 2/2013

5 Lokomotywa Ld-31EM wyposaona jest w elektryczny hamulec manewrowy o działaniu proporcjonalnym, sprynowy hamulec awaryjno-postojowy, jak równie w system kontrolujcy sprawno maszynisty, tzw. czuwak. W przypadku wykrycia przez system nieprawidłowoci, nastpuje hamowanie awaryjne realizowane równoczenie za pomoc elektrycznego hamulca manewrowego i hamulca awaryjnopostojowego. W celu dostosowania wyposaenia lokomotywy do obowizujcych przepisów i aktualnych norm zastosowano odbierak prdu z elektropneumatycznym układem podnoszenia oraz opuszczania. Lokomotywa Ld-31EM testowana była w jednej z kopal rud miedzi. W wyniku zdobytych dowiadcze przystpiono do drugiego etapu modernizacji, który polegał na opracowaniu mikroprocesorowego systemu sterowania. W skład systemu wchodz: specjalnie skonstruowany nowoczesny pulpit operatorski, z centralnym sterownikiem mikroprocesorowym oraz lokalne sterowniki (koncentratory sygnałów) znajdujce si w module zasilania, w pulpicie do obsługi elementów manipulacyjnych oraz w specjalnej obudowie do obsługi czujników znajdujcych si w lokomotywie. Oba silniki napdowe s sterowane wektorowo. Sterownik centralny komunikuje si z ze sterownikami przekształtników energoelektronicznych, sterujc prdkoci i kierunkiem jazdy w obu napdach. Na płycie czołowej pulpitu zabudowano: wywietlacz (ekran) ciekłokrystaliczny (rys. 6), przyciski sterownicze, łczniki wyboru sterowania (lokalnego lub zdalnego), rodzaju sterowania (praca, holowanie, załadunek), podnoszenia i opuszczania pantografu oraz kierunku jazdy. Umieszczony na pulpicie przycisk do jazdy wybiegiem umoliwia opuszczenie odbieraka prdu i jazd lokomotywy nagromadzon energi kinetyczn. Umoliwia to przejazd lokomotywy przez strefy, w których wystpuje chwilowy brak sieci trakcyjnej oraz przejazd na rozjazdach, gdzie wymagane jest opuszczenie odbieraka prdu celem przejazdu przez zwrotnic w wymaganym kierunku. Nowoci jest równie moliwo pracy lokomotywy przy obnionym napiciu zasilania. Praca w tym trybie pozwala na jazd lokomotywy w miejscach, gdzie napicie trakcji jest nisze od wymaganego np. w zajezdni lub pod suwnicami. W celu szybkiej lokalizacji nieprawidłowoci spowodowanych np: błdnymi ustawieniami łczników, wystpieniem stanów przedawaryjnych lub awarii, niezbdne informacje s wywietlane w postaci komunikatów na ekranie pulpitu (rys. 6). Rys.6. Widok ekranu pulpitu sterowniczego [7] Ekran ciekłokrystaliczny umoliwia wywietlanie: komunikatów tekstowych, parametrów pracy lokomotywy, cinienia w układzie odbieraka prdu, hamulca i zbiornika oraz wartoci pobieranych prdów i temperatury silników oraz przekształtników. Ponadto wywietlana jest aktualna warto napicia i pobór prdu z akumulatora pomocniczego. Zastosowanie ekranu ciekłokrystalicznego wysokiej rozdzielczoci umoliwia, w bardzo dobry i wygodny sposób, obserwacj i analiz aktualnych parametrów ruchowych lokomotywy. Rys.7. Nowoczesny pulpit sterowniczy MPS-1 zabudowany w kabinie lokomotywy [7] W pulpicie sterowniczym MPS-1 (rys. 7) mikroprocesor zapisuje w pamici wszystkie parametry pracy, w tym pomiary, wartoci zadane oraz stany wewntrznych zmiennych, poszczególnych podsystemów. Zastosowano równie nowy system sterowania, który pozwala na zwikszenie moliwoci monitorowania parametrów ruchowych lokomotywy, znaczne zredukowanie liczby przewodów elektrycznych oraz wyeliminowanie z układu skrzynek rozgałnych. MASZYNY GÓRNICZE 2/

6 Zastosowanie w pulpicie mikroprocesora zapisujcego w pamici wszystkie parametry pracy, pozwala na wgld w histori pracy lokomotywy. Po modernizacji, lokomotywa została wdroona w jednej z kopal wgla kamiennego Koncepcja rozwizania napdu i sterowania dla lokomotyw akumulatorowych Na głównych drogach transportowych podziemnych wyrobisk górniczych zagroonych wybuchem metanu i pyłu wglowego do cignicia składów pocigowych stosuje si lokomotywy elektryczne akumulatorowe typu Lea skonstruowane w latach Lokomotywy stosuje si do przewozu ludzi, transportu urobku oraz materiałów zwizanych ze zbrojeniem, eksploatacj i likwidacj cian. W eksploatacji znajduj si równie małe lokomotywy typu Ldag 05M. Wszystkie wersje lokomotyw napdzane s silnikami prdu stałego w wykonaniu przeciwwybuchowym, zasilane z baterii akumulatorów w wykonaniu specjalnym. Regulacja prdkoci w starszych wykonaniach odbywa si za pomoc rezystorów rozruchowych, w nowszych rozwizaniach za pomoc łcznika tyrystorowego poprzez regulacj prdu wzbudzenia silnika. Zmiana kierunku wirowania silnika realizowana jest za pomoc dwóch styczników zmieniajcych kierunek przepływu prdu w obwodzie wirnika. Rys.8. Lokomotywa akumulatorowa Lea BM-12 [6] Lokomotywa Lea BM-15 po próbach ruchowych nie weszła do produkcji seryjnej, a lokomotywy Lea BM-8 praktycznie zostały wyparte przez lokomotywy Lea BM- 12 (rys. 8), które stanowi zdecydowan wikszo całego taboru w kopalniach. Przed przystpieniem do prac nad nowym rozwizaniem napdu i sterowania lokomotywy akumulatorowej, przeprowadzono analiz stosowanych napdów w dotychczasowych rozwizaniach krajowych i zagranicznych oraz konsultacje z uytkownikami w zakresie: poziomu napicia zasilania oraz czasu pracy bez wymiany baterii, monitoringu i rejestracji parametrów pracy, systemu ładowania baterii, charakteru pracy (cyklów pracy) oraz konfiguracji tras transportowych, sposobu załadunku i wyładunku, przewoonych mas i maksymalnych prdkoci. Z przeprowadzonej analizy wynika, e napicie zasilania baterii akumulatorów naley pozostawi na dotychczasowym poziomie, z uwagi na obecn infrastruktur ładowni i znajdujcych si na ich wyposaeniu ładowarek. W zakresie czasu pracy baterii oczekiwania id w kierunku wydłuenia czasu pracy. Jest to moliwe poprzez zwikszenie pojemnoci baterii akumulatorów i zwikszenie sprawnoci układu zasilania przekształtnik-silnik oraz maksymalne wykorzystanie energii hamowania elektrycznego do doładowania akumulatorów. Z rozwaa nad układem przeniesienia napdu wynika, e dotychczasowy układ, w postaci jednego silnika i przeniesienia napdu na dwie osie za pomoc wałów Kardana, jest awaryjny oraz mało funkcjonalny. Kadorazowa awaria układu napdowego powoduje unieruchomienie lokomotywy. W obecnych wykonaniach brak jest monitoringu i rejestracji wszystkich istotnych parametrów pracy lokomotywy. W ramach projektu badawczego koordynowanego przez KOMAG, przeprowadzono komputerowe badania symulacyjne, a nastpnie stanowiskowe, układów napdowych w wykonaniu przeciwwybuchowym, składajcych si z silnika i przekształtnika energoelektronicznego, zasilanych z baterii akumulatorów. Rozwaano trzy warianty jednostek napdowych: z silnikiem szeregowym prdu stałego, sterowanym tranzystorami mocy, z silnikiem indukcyjnym prdu przemiennego, sterowanym wektorowo z przekształtnika energoelektronicznego, z bezszczotkowym silnikiem z magnesami trwałymi, sterowanym wektorowo z przekształtnika energoelektronicznego. Decyzja o wyborze optymalnego układu napdowego zapadła po badaniach symulacyjnych i na stanowisku badawczym, odwzorowujcym wybrany cykl pracy w jednej z kopal. W wyniku przeprowadzonych bada stanowiskowych napd z silnikiem bezszczotkowym z magnesami trwałymi osignł najwysze sprawnoci w zakresie pracy lokomotywy tj. w przedziale 0,4-1,0 mocy znamionowej oraz najwysze sprawnoci w czasie hamowania z oddawaniem energii do baterii akumulatorów. Rozwizanie nowatorskie napdu w skali wiatowej, w postaci silnika z magnesami trwałymi w wykonaniu przeciwwybuchowym poddano próbom w lokomotywie Lea- 12BM na torowisku jednej z kopal. W wyniku pozytywnych wyników podjto decyzj o wykonaniu 82 MASZYNY GÓRNICZE 2/2013

7 komercyjnym lokomotywy, w której obie jednostki napdowe bd zasilane z baterii akumulatorów o podwyszonej pojemnoci, lecz o napiciu na dotychczasowym poziomie tj. 144 V. Koncepcj rozwizania napdu i sterowania przedstawiono na rysunku 9. Aparatura elektryczna przystosowana bdzie do pracy w pomieszczeniach zagroonych wybuchem metanu i pyłu wglowego oraz bdzie dostosowana do istniejcej infrastruktury ładowni akumulatorów. Koncepcj systemu sterowania oparto na dwóch identycznych, iskrobezpiecznych pulpitach, umieszczonych w kabinach obsługiwanych po uprawnieniu jednego z nich przez maszynist. Pulpit wyposaony bdzie w mikroprocesorowy sterownik spełniajcy funkcj sterownika centralnego oraz w wywietlacz ciekłokrystaliczny o wysokiej rozdzielczoci, przyciski sterownicze, łczniki wyboru sterowania i kierunku jazdy, stacyjk oraz diody sygnalizacyjne. Wywietlacz ciekłokrystaliczny umoliwia bdzie wywietlanie: komunikatów tekstowych, aktualnych parametrów jazdy, stanu baterii, pobieranych prdów przez silniki, cinienia w układzie hamulcowym oraz wybranego rodzaju wiateł. Do sterowania prdkoci oraz hamowaniem przewiduje si zastosowanie, w kadej kabinie, manipulatora z funkcj czuwaka i z moliwoci nadawania sygnałów ostrzegawczych. Cał aparatur sterownicz, wraz z zabezpieczeniami oraz przekształtnikiem energoelektronicznym, przewiduje si umieci w specjalnej ognioszczelnej skrzyni, za fotelem maszynisty, w kadej z kabin. Sterownik centralny pulpitu bdzie si komunikowa ze sterownikami lokalnymi przekształtników, baterii akumulatorów oraz koncentratorami sygnałów obsługu- jcym czujniki zabudowane na lokomotywie i bdzie sterowa wszystkimi funkcjami lokomotywy. 4. Koncepcja napdu i sterowania dla cigników akumulatorowych Rozwój ogniw elektrochemicznych w ostatnich latach, a w szczególnoci całej rodziny ogniw litowych o duej pojemnoci charakteryzujcych si najwyszym wskanikiem gstoci energii, stworzył moliwo zastosowania baterii zestawionej z tych ogniw do zasilania silników elektrycznych cigników podwieszonych. W KOMAG-u, w roku 2011 powstało nowatorskie, na skal wiatow, rozwizanie zasilania i sterowania akumulatorowych cigników podwieszonych typu PCA-1 i GAD-1 wyposaonych w ogniwa litowe nowej generacji Innowacyjne rozwizanie napdu i sterowania cignika manewrowego PCA-1 Cignik manewrowy PCA-1 (rys. 10) jest nowoczesnym rozwizaniem, polegajcym na zastosowaniu baterii akumulatorów nowej generacji, jako ródła energii dla silników napdowych samohamownych w wykonaniu przeciwwybuchowym. Układ zasilania i sterowania zaprojektowano w sposób umoliwiajcy doładowanie baterii akumulatorowych w czasie postoju, na stacjach załadunkowych, za porednictwem ogólnodostpnych i stosowanych do owietlenia ognioszczelnych zespołów transformatorowych. Za porednictwem przekształtnika energoelektronicznego (falownika) nastpuje zamiana prdu stałego Rys.9. Koncepcja napdu i sterowania lokomotywy Lea BM-12 [6] MASZYNY GÓRNICZE 2/

8 na trójfazowy przemienny o cz stotliwo ci i napi ciu regulowanym. z magnesami trwałymi, ogniw akumulatorowych, energoelektroniki, układu sterowania oraz układów mechanicznych. Jedn z cech ci gnika jest zdolno dynamicznej zmiany systemu nap dowego z ciernego na z batkowy lub odwrotnie. Ogóln budow ci gnika pokazano na rysunku 11. Ci gnik GAD-1 składa si z dwóch kabin operatora (1), dwóch podwójnych zespołów hamulcowych (2), czterech wózków nap dowych (3), modułu baterii akumulatorów (4), modułu z aparatur energoelektroniczn i układem sterowania (5), zespołu hydraulicznego do zasilania wózków hamulcowych oraz obsługi belek transportowych (6). Rys.10. Podwieszony ci gnik akumulatorowy PCA-1 [12] Zastosowanie mikroprocesorowego sterowania wektorem momentu w czterech wiartkach układu moment-pr dko, umo liwia prac z rekuperacj energii w czasie hamowania elektrycznego, znacznie poprawiaj c sprawno całego ci gnika, co w przypadku nap dów akumulatorowych jest bardzo du zalet. W trakcie postoju wył czone jest zasilanie silników nap dowych, a rol hamulca pełni hamulec elektromagnetyczny zabudowany w silniku elektrycznym. Zmiana pr dko ci jazdy oraz hamowanie manewrowe w ci gniku realizowane jest przez zmian pr dko ci obrotowej silnika uzyskan przez odpowiednie wysterowanie falownika. Konstrukcja ci gnika umo liwia elastyczne dostosowanie do wymaga u ytkowników, mi dzy innymi poprzez współprac z zestawem transportowym z wci gnikami z nap dem r cznym lub z belk z dwoma wci gnikami z nap dem elektrycznym EWŁ Innowacyjne rozwi zanie nap du i sterowania ci gnika GAD-1 W rozwi zaniu GAD-1, zastosowano wiele innowacyjnych rozwi za z zakresu: silników elektrycznych ródłem zasilania silników wózków nap dowych ci gnika jest bateria akumulatorów o napi ciu 265 V DC, składaj ca si z czterech zespołów ogniw litowych o pojemno ci 150 Ah. Ka dy zespół stanowi ródło zasilania dla nap du jednego wózka. Z zespołu czwartego zasilany jest dodatkowo silnik indukcyjny pompy hydraulicznej. Energia z zespołów baterii poprzez zł cza ognioszczelne, przewodami dostarczona jest do modułu zasilania, w którym za po rednictwem o miu falowników, uzyskuje si napi cie 3-fazowe o regulowanej cz stotliwo ci i amplitudzie, zasilaj ce osiem bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi oraz z dziewi tego falownika o napi ciu 188 V i cz stotliwo ci 50 Hz, słu cego do zasilania silnika indukcyjnego pompy hydraulicznej. Podczas hamowania silniki generuj energi, która poprzez te same falowniki trafia do zespołu ogniw. Układ sterowania czuwa nad tym, aby akumulatory zawsze posiadały zapas pojemno ci pozwalaj cy na zwrot energii z hamowania. Urz dzenia sterownicze i układy zabezpiecze znajduj ce si w osłonach ognioszczelnych zasilane s napi ciem pomocniczym 24 V DC. Urz dzenia iskrobezpieczne jak lampy z o wietleniem diodowym, pulpity, rozdzielacze elektrohydrauliczne oraz sygnalizacja ostrzegawcza zasilane s napi ciem 12 V DC. Sterowanie ci gnikiem odbywa si z pulpitu, który uruchomiany jest przez operatora kluczykiem umieszczonym w stacyjce. Układ sterowania ci gnika posiada struktur rozproszon, poł czon szeregow cyfrow magistral CAN. Rys.11. Widok ogólny ci gnika GAD-1 [10] 84 MASZYNY GÓRNICZE 2/2013

9 Charakteryzuje si ona du odpornoci na zakłócenia i niezawodnoci, co uzyskuje si przez nadawanie danych w postaci napiciowego sygnału rónicowego oraz sprztowej obsłudze protokołu i kontroli błdów. Magistrale takie s powszechnie stosowane w samochodach, a obecnie coraz czciej znajduj zastosowanie w maszynach górniczych. W systemie zaimplementowany zostanie protokół komunikacyjny CanOpen, którego zalet jest unifikacja magistrali. Daje to moliwo łczenia podzespołów rónych producentów oraz umoliwia przyłczenie aplikacji przeznaczonej do diagnozowania i konfigurowania magistrali CAN. Zarzdzanie rozdziałem mocy w rónych fazach ruchu (rozruch, jazda ze zmiennym obcieniem, chwilowe przecienia, hamowanie z rekuperacj energii) i w warunkach zmiennego stanu naładowania baterii, wymaga zastosowania wektorowych technik sterowania wielosilnikowym układem napdowym oraz właciwego doboru parametrów komponentów, jak równie opracowania algorytmów bezpieczestwa w maszynie górniczej przeznaczonej do pracy w warunkach zagroe skojarzonych (zagroenie wybuchem metanu i/lub pyłu wglowego, poarowe, wodne). Zasadniczym wyzwaniem w aspekcie układu sterowania było rozwizanie problemu, zwizanego z sekwencyjn zmian trybu napdowego z ciernego na zbaty i odwrotnie, kolejno, przez poszczególne wózki. Kady z wózków napdowych wyposaono w uchylne rami, połczone z układem elektrycznym, współpracujce z dwoma znacznikami umieszczonymi na trasie w miejscu zmiany systemu napdowego. Podczas przejazdu układ sterowania otrzymuje dwa sygnały, które uruchamiaj odpowiednie procedury majce swoje przełoenie na układ hydrauliczny oraz układ energoelektroniczny. Nastpuje przesterowanie rozdzielaczy elektrohydraulicznych oraz dopasowanie prdkoci obrotowych w silnikach poszczególnych wózków, a do chwili zakoczenia procedury zmiany systemu napdowego. 5. Podsumowanie Koncepcja KOMAG-u polegajca na zastosowaniu do kadego silnika posuwu w kombajnach cianowych niezalenego przemiennika czstotliwoci sterowanego z mikroprocesorowego sterownika, została przez niektórych producentów wykorzystana w nowych rozwizaniach kombajnów. Wzrost efektywnoci wydobycia wie si z koniecznoci podnoszenia mocy zainstalowanych w kombajnach. W niedalekiej przyszłoci naley zatem oczekiwa podniesienia napicia zasilania do poziomu 6 kv. Rozwój energoelektroniki oraz układów mikroprocesorowych pozwala na modernizacj maszyn transportu dołowego, w tym lokomotyw elektrycznych. Dotychczasowe rozwizania układów napdowych wykorzystujce do napdu silniki szeregowe prdu stałego s nieefektywne i awaryjne. Sprawno silników prdu stałego jest gorsza od silników prdu przemiennego, a konieczno stosowania komutatora mechanicznego, zwiksza koszty wykonania oraz wymaga dodatkowej obsługi zwizanej z wymian szczotek. Dodatkowo układ mechanicznego komutatora jest bardzo wraliwy na przecienia i zanieczyszczenia pyłem, co staje si przyczyn awarii. Rozwój nowej generacji akumulatorów litowych o duej pojemnoci, pozwala na konstruowanie cigników podwieszonych bdcych alternatyw dla cigników spalinowych charakteryzujcych si nisk sprawnoci energetyczn, emisj hałasu, ciepła oraz toksycznych spalin do atmosfery kopalnianej. Literatura 1. Budzyski Z., Deja P.: Badania stanowiskowe systemu posuwu kombajnu z dwoma silnikami zintegrowanymi z przemiennikami czstotliwoci. Maszyny elektryczne. Zeszyty problemowe 2007, nr Budzyski Z., Deja P., Kaczmarczyk K., Suffner H., Pawlicki D.: Kopalniana lokomotywa trakcyjna napdzana nowoczesnymi silnikami z magnesami trwałymi. W: Innowacyjne i bezpieczne maszyny i urzdzenia dla górnictwa wgla kamiennego. KOMTECH CMG KOMAG, Gliwice Budzyski Z., Deja P.: Nowe rozwizanie sterowania lokomotywy trakcyjnej Ld-31EM. W: Nowoczesne, niezawodne i bezpieczne systemy mechanizacyjne dla górnictwa. KOMTECH CMG KOMAG, Gliwice Gierlotka S.: Rozwój napdu trakcji elektrycznej w kopalniach. Przegld Górniczy nr 2. s Hefczyc M., Daniłow J.: Lokomotywy kopalniane ognioszczelne akumulatorowe. Nowe rozwizania układów sterowania napdem. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 10 (292). 6. Budzyski Z., Polnik B.: Mechatroniczny układ sterowania i napdu akumulatorowych kolei szynowych przeznaczonych do pracy w atmosferze wybuchowej. Maszyny Górnicze 2011, nr 2 s Budzyski Z.: Innowacyjne rozwizania układów sterowania i napdów lokomotyw elektrycznych kopalnianych kolei szynowych. Maszyny Górnicze 2010 nr Budzyski Z., Czerniak D., Drwiga A., Polnik B., Skupie K.: Akumulatorowy cignik podwieszany MASZYNY GÓRNICZE 2/

10 GAD-1 jako alternatywa rozwiza z napdem spalinowym. W: Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczestwo - Efektywno Niezawodno. KOMTECH Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice 2011 s Budzyski Z., Dobrzaniecki P., Heliski M., Kaczmarczyk K., Polnik B., Suffner H.: Podwieszony cignik akumulatorowy PCA-1 kierunkiem rozwoju nowoczesnych urzdze transportowych. W: Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczestwo - Efektywno Niezawodno. KOMTECH Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice 2011 s Budzyski Z., Drwiga A., Kaczmarczyk K., Pieczora E.: Nowe rozwizania urzdze transportowych z napdem akumulatorowym. W: Materiały XXI Szkoły Eksploatacji Podziemnej 2012, Kraków, lutego 2012 s Miastkowska B., Sendrowicz-Muzyka Z., Szczurek A.: Analiza sieci elektroenergetycznych w celu ustalenia poziomu podwyszenia napicia zasilania 3,3 lub 6 kv. Maszyny Górnicze 1993, nr Dokumentacja fotograficzna ITG KOMAG. Artykuł wpłynł do redakcji w maju 2013 r. 86 MASZYNY GÓRNICZE 2/2013