211 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (76) 2015, s. 211-220 Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego w napędach górniczych wyciągów szybowych Tomasz Siostrzonek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii tomasz.siostrzonek@agh.edu.pl Streszczenie Obecnie w zdecydowanej większości maszyn wyciągowych stosuje się silniki obcowzbudne prądu stałego produkcji krajowej. Jednak nie jest to napęd, który byłby dobrym rozwiązaniem, szczególnie ze względu na odziaływanie napędu na sieć zasilającą, jak również z uwagi na energochłonność układu. W artykule przedstawiono nowe możliwości realizacji układów napędowych z silnikami prądu zmiennego zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Oprócz samych układów napędowych opisano aspekty związane oddziaływaniem tych elementów na sieć elektroenergetyczną kopalni (moc bierna, wyższe harmoniczne). Słowa kluczowe: maszyna wyciągowa, silnik synchroniczny, silnik indukcyjny, silnik zintegrowany The use of AC motors in hoisting machines drives Abstract Currently, the majority of hoisting machines based on separately excited DC motors. However, there is a drive that would be a good option, particularly in terms of impacts in the supply network drive as well as due to the energy consumption of the drive. The paper will be presented new opportunities for drive systems with AC motors supplied by the frequency converters. In addition to descriptions of systems, they will be presented to the electrical waveforms already working in the world of machines with AC motors. Besides the propulsion system will be described in the article aspects of the wider impact of these systems on the mine power network (reactive power, harmonics). Key words: hoisting machine, synchronous motor, induction motor, integrated motor Wstęp Przez pewien czas, w naszym kraju, w związku z koniecznością restrukturyzacji sektora węglowego, nie wykonywano dużych modernizacji maszyn i urządzeń górniczych. Wyjątek stanowią niezbędne prace konieczne do wykonania ze względu na podtrzymanie wydobycia. Jednak należy zdawać sobie sprawę z faktu, że opinie ekspertów w dziedzinie górnictwa i energetyki jednoznacznie wskazują, że jeszcze przez wiele lat w naszym kraju energetyka zawodowa będzie wykorzystywała węgiel. Górniczy wyciąg szybowy to jedno z najważniejszych urządzeń w zakładach górniczych.
212 Zgodnie z przepisami obwiązującymi w naszym kraju w jego skład wchodzą: maszyny wyciągowe, naczynia wyciągowe, koła linowe, zawieszenia lin wyrównawczych, prowadniczych i odbojowych, zawieszenia nośne naczyń wyciągowych, wciągarki wolnobieżne, urządzenia sygnalizacji i łączności szybowej. Od jego niezawodności i poprawnej pracy zależy bezpieczeństwo ludzi w przypadku wyciągów do przewozu załogi kopalń, a z drugiej strony efektywność zakładu górniczego, w przypadku wyciągów do przewozu urobku. W obu przypadkach układ napędowy realizuje zadany diagram jazdy ze stabilizacją prędkości i utrzymaniem odpowiednich jej zmian. Bardzo wiele zależy od prawidłowego doboru układu napędowego maszyny wyciągowej, tzn. rodzaju silnika, jego mocy, układu zasilania i sterowania. 1. Układ z silnikiem prądu stałego Obecnie w Polsce, większość napędów maszyn wyciągowych bazuje na silnikach prądu stałego serii PW z Dolnośląskiej Fabryki Maszyn Elektrycznych. Jednak obserwując rozwój napędów stosowanych w górniczych wyciągach szybowych, trudno nie wspomnieć układów Leonarda i wszystkich jego modyfikacji, które pojawiły się na przestrzeni kilkudziesięciu lat jego wykorzystania w kopalniach na całym świecie. Do czasu pojawienia się techniki tyrystorowej, napęd w układzie Leonarda był właściwie jedynym układem regulacji prędkości silników elektrycznych dużych mocy. Na rys. 1 przedstawiono układ Leonarda. Układ ten, ze względu na ilość używanych maszyn, był układem drogim z punktu widzenia nakładów inwestycyjnych, ale również sprawiał więcej kłopotów eksploatacyjnych, z uwagi na dwie maszyny prądu stałego. Rys. 1. Układ Leonarda [5] W ostatnich trzech dekadach XX wieku, gdy możliwe było wykorzystanie półprzewodnikowych elementów mocy (tyrystorów), silniki prądu stałego zasilane były przez przekształtniki statyczne. Prostowniki, w których wykorzystuje się tyrystory, stosowane są do dzisiaj w konstrukcji układów zasilania maszyn wyciągowych.
213 Wśród tych rozwiązań powstały układy o różnej konfiguracji w zależności od mocy napędu, wymaganej prędkości i obciążenia. Ze względu na te parametry, nie zawsze było możliwe skonfigurowanie układu, mającego w obwodzie twornika jeden przekształtnik. Przy napędach dużej mocy były to układy złożone, zazwyczaj dwunastopulsowe. Istotny był również sposób zwrotu energii do sieci zasilającej podczas hamowania napędu. Pierwszy układ droższy, ze względu na moc przekształtników, umożliwiający zwrot energii do sieci poprzez przekształtniki zainstalowane w obwodzie twornika, drugi tańszy, umożliwiający realizację tego typu pracy i zwrot energii poprzez obwód wzbudzenia. Przykładowe rozwiązanie takiego napędu przedstawiono na rys. 2. Twornik jest zasilony poprzez cztery przekształtniki w układzie szeregowo-równoległym. Zapewnia to osiągnięcie wymaganego prądu (połączenie równoległe dwóch przekształtników w każdej gałęzi). Każda para połączonych równolegle przekształtników zasilona jest z oddzielnego transformatora przekształtnikowego o odpowiedniej grupie połączeń (przesunięcie 30 o pomiędzy napięciami stron wtórnych poszczególnych transformatorów). Połączenie szeregowe par przekształtników zapewnia odpowiedni poziom napięcia zasilającego silnik, jak również realizuje 12-pulsowe oddziaływanie napędu na sieć zasilającą. W przypadku awarii przekształtnika, układ może pracować jako 6-pulsowy. Ograniczona zostaje prędkość napędu do połowy prędkości znamionowej, co jest wynikiem zmniejszenia o połowę napięcia zasilającego. Tr1 2 MVA 6/0,4 kv Dy11 Tr2 2 MVA 6/0,4 kv Dd0 Tr3 150 kva 0,4/0,38 kv AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC + - + - + - + - I d M I f Rys. 2. Układ zasilania maszyny wyciągowej z nawrotem przez obwód główny 2. Silniki prądu zmiennego zasilane z przemienników częstotliwości Zastosowanie silnika prądu zmiennego (synchronicznego lub indukcyjnego) jest rozwiązaniem korzystniejszym ze względu na parametry tych maszyn, takie jak przeciążalność, energochłonność. Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie silnika indukcyjnego pierścieniowego. Układ regulacji prędkości realizowany jest poprzez włączenie w obwód wirnika dodatkowych rezystancji, zwieranych w celu zmiany prędkości wirowania. Wadą tego rozwiązania jest niewątpliwie brak płynnej regulacji prędkości, jak również znaczny koszt silnika pierścieniowego i występujące problemy z eksploatacją i konserwacją napędu.
214 Kolejną odmianą napędu z zastosowaniem silnika pierścieniowego i przekształtników statycznych jest układ kaskady zaworowej. Wywodzi się on z tzw. układu Kramera na stały moment. Układ kaskady zaworowej (rys. 3) składa się z silnika indukcyjnego pierścieniowego z podłączonym do pierścieni przekształtnikiem statycznym, który zbudowany jest z prostownika niesterowanego i prostownika sterowanego. Rys. 3. Schemat układu kaskady zaworowej [1] W układzie tym nie jest możliwa praca generatorowa silnika, ze względu na włączenie w obwodzie wirnika prostownika niesterowanego, który uniemożliwia przepływ energii w obu kierunkach. Oba te rozwiązania są układami niestosowanymi w nowo budowanych maszynach wyciągowych. Kolejnym układem, wykorzystującym silnik prądu zmiennego, jest napęd cyklokonwertorowy. Składa się on z silnika synchronicznego lub silnika indukcyjnego, zasilanego z sieci poprzez bezpośredni przemiennik częstotliwości. Regulacja prędkości silnika odbywa się poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilania silnika. Uzyskuje się w ten sposób zmianę prędkości w szerokich granicach. W tym przypadku możliwa jest praca generatorowa napędu, dlatego też dopuszczalne jest kształtowanie charakterystyk mechanicznych. Cyklokonwertor zbudowany jest z prostowników sterowanych w układzie mostkowym. Z danych zamieszczonych w literaturze wynika, że napęd cyklokonwertorowy był postrzegany jako alternatywa dla napędu z silnikiem prądu stałego. Jednak koszty inwestycyjne przy jego tworzeniu są znaczne. Przykładowy schemat napędu cyklokonwertorowego przedstawiono na rys. 4. Konsekwencją rozwoju elementów półprzewodnikowych i układów sterowania przekształtnikami jest możliwość zastosowania pośredniego przemiennika częstotliwości do sterowania prędkością silnika indukcyjnego klatkowego lub silnika synchronicznego. Obecnie w wielu napędach wykorzystuje się jako element wykonawczy silnik indukcyjny klatkowy. Układ zasilania składa się z pośredniego przemiennika częstotliwości, silnika indukcyjnego i układu sterowania maszyny. W tym przypadku do przeniesienia momentu z wału silnika na wał koła pędnego lub bębna konieczne jest zastosowanie przekładni. Jest to podzespół, który zwiększa koszt napędu.
215 Rys. 4. Schemat napędu z cyklokonwertorem [5] Po wprowadzeniu do produkcji przekształtników opartych o elementy w pełni sterowalne (tzn. tranzystory), możliwe było zastosowanie przekształtników do napędów dużych mocy. Obecnie istnieje możliwość zastosowania takich przekształtników do napędu silników o mocy powyżej 1MW. Wpływa to na zmniejszenie kosztów napędu górniczych wyciągów szybowych, przy jednoczesnym zwiększeniu ich niezawodności. Alternatywą dla silnika prądu stałego, jeżeli chodzi o napęd bezpośredni, staje się układ z silnikiem synchronicznym, zasilanym z pośredniego przemiennika częstotliwości. Na rys. 5 przedstawiono schematycznie taki układ. 3 AC 50Hz PROSTOWNIK FALOWNIK Silnik synchroniczny PROSTOWNIK zasilanie wzbudzenia Rys. 5. Pośredni przemiennik częstotliwości zasilający silnik synchroniczny Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość zastosowania jednego przekształtnika ze zintegrowanym układem do zasilania wzbudzenia maszyny synchronicznej. Wtedy jeden układ regulacji zapewnia stabilną pracę całego napędu.
216 3. Napęd z silnikiem zintegrowanym Innym rozwiązaniem z zastosowaniem silnika prądu zmiennego jest wykorzystanie silnika zintegrowanego z kołem pędnym. Przy nowo budowanych maszynach powierzchnia zajmowana przez układ napędowy nie jest aż tak istotna, ponieważ fundamenty budowane są jako nowa konstrukcja. Inaczej jest przy modernizacji istniejącego układu, gdy zachodzi potrzeba dostosowania nowej maszyny do już istniejących warunków. Na rys. 8 przedstawiono różnice w ilości potrzebnego miejsca do zainstalowania silnika zintegrowanego w porównaniu z konwencjonalnym napędem. Silnik konwencjonalny Silnik zintegrowany Rys. 6. Możliwy montaż silników maszyn wyciągowych [9] Układ zasilania i sterowania silnika zintegrowanego z kołem pędnym nie odbiega od sposobu sterowania konwencjonalnego silnika synchronicznego. Należy zwrócić uwagę na wiele zalet, jakie ma napęd zintegrowany, m.in.: prosta konstrukcja, obciążenie podparte w dwóch punktach, statycznie zdefiniowany system mechaniczny, pełna symetria, sztywny wał, brak wpływu zginania wału na szczelinę powietrzną, moment przenoszony bezpośrednio na liny przez bęben, brak wpływu termicznych ruchów stojana i wirnika na fundament, brak nieosiowości związanej z termicznym oddziaływaniem wirnika i stojan, zwarta obudowa, łatwy w eksploatacji. Na świecie pracuje w tej chwili kilkadziesiąt maszyn z silnikami zintegrowanymi. Rozwiązanie to ma zalety i wady, jednak w tym przypadku zdecydowanie jest więcej pozytywnych stron niż negatywnych. Na rys. 7 przedstawiono przekrój maszyny ze zintegrowanym silnikiem.
217 Lina Pierścień ślizgowy Narzędzie do toczenia rowków Koło pędne Tarcze hamulcowe Stojak hamulcowy Silnik zintegrowany z kołem pędnym Suport Kanał wentylacyjny Fundament Rama stojaka hamulcowego Zewnętrzny wirnik Stojan Łożyska toczne Wylot powietrza Wał główny Pierścień wentylacyjny Wlot powietrza Podłączenie stojana Zamocowanie wału głównego Rowki linowe Siłowniki hamulcowe Stojaki hamulcowe Zewnętrzny wirnik Stojan Łożyska toczne Wylot powietrza Rys. 7. Przekrój silnika zintegrowanego [9] 4. Oddziaływanie maszyn na sieć elektroenergetyczną kopalni W napędach dużej mocy z silnikami prądu stałego, stosowane są bardzo często przekształtniki złożone. W przypadku zasilania silnika obcowzbudnego dużej mocy, polega to na połączeniu co najmniej dwóch przekształtników sześciopulsowych zasilanych z transformatorów o różnych grupach połączeń. Dla rozważanego układu pokazano to na rys. 8.
218 Tr1 Dy11 Tr2 Dd0 α 1 α 2 U d01 U d0 U d02 I d M A B C A B C UAB * * * * * * UAB Uab2 Uab1 Dy11 Dd0 * * * * * * Uab1 Uab2 a1 b1 c1 a2 b2 c2 Rys. 8. Schemat układu i konfiguracja uzwojeń transformatorów zasilających Przesunięcie pomiędzy napięciami międzyfazowymi Uab1 i Uab2 stron wtórnych transformatorów wynosi 30 o. Znaczy to, że również pomiędzy punktami naturalnej komutacji dla poszczególnych mostków występuje przesunięcie π/6. Wartość skuteczna harmonicznej h prądu fazowego źródła wynosi [4]: gdzie: Δα = (α 1 -α 2 ), (1) (2) Dla m = 2k-1, gdzie k = 1,2,3,. i dla α 1 = α 2, I hz z zależności (1) wynosi 0. Zatem przekształtnik zasilany przez transformatory o różnych grupach połączeń i sterowany w taki sposób, aby kąty opóźnień załączenia tyrystorów były jednakowe, będzie wytwarzał harmoniczne prądu źródła: h = 12m ± 1 (3) Znaczy to, że przekształtnik ten jest układem 12-pulsowym, a realizowane sterowanie, zapewniające równość kątów wysterowania obu przekształtników, jest nazywane wspólnym. Na rys. 4 przedstawiono przebiegi prądów fazowych i przebieg napięcia jednej fazy przekształtnika 12-pulsowego.
219 Charakterystyczne dla tych przekształtników jest, że w napięciu po stronie DC występuje składowa zmienna o częstotliwości 12 razy większej niż częstotliwość napięcia zasilającego. Jest ona zatem mniejsza niż przy zastosowaniu jednego prostownika. Teoretycznie, w układzie tym harmoniczną o najniższym rzędzie jest harmoniczna 11. Zastosowanie sterowania wspólnego powoduje, że w prądach fazowych linii zasilającej nie występują harmoniczne o ściśle określonych częstotliwościach. Występują jedynie tzw. harmoniczne charakterystyczne [3]. Przekształtniki złożone w zależności od sposobu ich sterowania charakteryzują się wprowadzaniem mocy biernej o różnej wielkości. W maszynach wyciągowych stosowane są dwa sposoby sterowania, tzn. wspólne i kolejnościowe. Przy sterowaniu kolejnościowym istnieje możliwość ograniczenia mocy biernej o ok. 25% w stosunku do układu ze sterowaniem wspólnym [7, 8]. Jednak należy pamiętać o tym, że zmienia się wtedy widmo harmonicznych. W rozwiązaniach stosowanych w świecie, większość budowanych maszyn wyciągowych wykorzystuje rozwiązania z silnikami prądu zmiennego. W napędach bezpośrednich stosowane są silniki synchroniczne (średniego lub niskiego napięcia) zasilane z pośrednich przemienników częstotliwości. Zasilanie obwodu wzbudzenia silnika synchronicznego, odbywa się przez wbudowany dodatkowy układ prostownika zintegrowanego z układem podstawowym. Aby ograniczyć negatywne oddziaływanie układu przekształtnikowego na sieć zasilającą kopalni, należy zastosować układ prostownika o zwiększonym współczynniku mocy (ang. Power Factor Correction [1, 2, 4]). Przy takim rozwiązaniu zbędne jest stosowanie układów do kompensacji mocy biernej. Układ falownika, sterowany według zasady DTC bezpośredniego sterowania momentem, gwarantuje bardzo dobre własności regulacyjne napędu. Złożenie tych elementów sprawia, że nowoczesny napęd zastosowany do maszyny wyciągowej jest niezawodny i poprawia parametry górniczego wyciągu szybowego przy znacznie zmniejszonej mocy silnika w stosunku do napędu DC. Podsumowanie W ostatnich latach obserwuje się znaczny rozwój techniczny i technologiczny urządzeń wyciągowych w kopalniach. Tendencje na świecie są takie, że napęd prądu stałego jest zastępowany przez nowoczesne napędy z silnikami prądu zmiennego. Jest to spowodowane mniejszymi kosztami eksploatacyjnymi napędu prądu przemiennego. Zaletą napędu z silnikiem prądu zmiennego są lepsze parametry silników. Przeciążalność maszyn, która dla silnika prądu stałego wynosi 2, dla maszyny o tej samej mocy prądu zmiennego mieści się w granicach od 2,6 do 3,6 w zależności od producenta maszyny. Umożliwia to zastosowanie maszyny o mniejszej mocy znamionowej realizującej te same zadania. Przy zastosowaniu silnika prądu zmiennego zmniejsza się również masywność wyciągu, ze względu na mniejszy moment bezwładności wirnika silnika AC. Duże korzyści można uzyskać dzięki zastosowaniu przekształtników o podwyższonym współczynniku mocy, zmniejszając negatywne oddziaływanie napędu prądu zmiennego na sieć. Zalet napędu z silnikiem prądu zmiennego jest wiele. W polskich kopalniach nadal pokutuje przekonanie, że jest to napęd skomplikowany w swojej budowie, a co za tym idzie bardziej zawodny i awaryjny niż napęd prądu stałego. Najlepszym sposobem, aby przekonać się do tego rodzaju napędu, jest dobre jego poznanie. Zrozumienie zasady działania takiego układu przyczyni się do tego, że będzie on chętnie stosowany jako napęd maszyn wyciągowych.
220 Bibliografia [1] Baggini A., 2008, Hanbook of Power Quality, John Willey & Sons Ltd. [2] Dugan R.C., McGranaghan M.F., Santoso S., Beaty H.W., 2002, Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, New York. [3] Hanzelka Z., 2013, Jakość dostawy energii elektrycznej. Zaburzenia wartości skutecznej napięcia, Wydawnictwa AGH, Kraków. [4] Piróg S., 2006, Energoelektronika. Układy o komutacji sieciowej i o komutacji twardej. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków. [5] Szklarski L., Zarudzki J., 1998, Elektryczne maszyny wyciągowe, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, Kraków. [6] Tunia H., Kaźmierkowski M., 1987, Automatyka napędu przekształtnikowego, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. [7] Szklarski L., 1977, Teoretyczne zagadnienia maszyn wyciągowych, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. [8] Szklarski L., 1984, Dynamika i sterowanie stacjonarnych napędów elektrycznych w górnictwie, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. [9] SIEMAG TECBERG materiały firmowe.