Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego w napędach górniczych ... · przewodnikowych elementów...

CUPRUM – Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud

nr 3 (76) 2015, s. 211-220 ___________________________________________________________________________

211

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

[email protected] 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 na-pędowych z silnikami prądu zmiennego zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwo-ści. 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 zinte-growany

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 sek-tora węglowego, nie wykonywano dużych modernizacji maszyn i urządzeń górni-czych. 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 gór-niczych.

212 T. Siostrzonek, Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego…

___________________________________________________________________________

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 przy-padku 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 napę-dowego maszyny wyciągowej, tzn. rodzaju silnika, jego mocy, układu zasilania i ste-rowania.

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 obser-wując 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 pół-

przewodnikowych 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.

T. Siostrzonek, Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego…

___________________________________________________________________________

213

Wśród tych rozwiązań powstały układy o różnej konfiguracji w zależności od mocy napędu, wymaganej prędkości i obciążenia. Ze względu na te parametry, nie zaw-sze było możliwe skonfigurowanie układu, mającego w obwodzie twornika jeden przekształtnik. Przy napędach dużej mocy były to układy złożone, zazwyczaj dwu-nastopulsowe. Istotny był również sposób zwrotu energii do sieci zasilającej pod-czas hamowania napędu. Pierwszy układ droższy, ze względu na moc przekształt-ników, 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. Zapew-nia to osiągnięcie wymaganego prądu (połączenie równoległe dwóch przekształtni-ków w każdej gałęzi). Każda para połączonych równolegle przekształtników zasilona jest z oddzielnego transformatora przekształtnikowego o odpowiedniej grupie połą-czeń (przesunięcie 30o pomiędzy napięciami stron wtórnych poszczególnych trans-formatorów). Połączenie szeregowe par przekształtników zapewnia odpowiedni po-ziom napięcia zasilającego silnik, jak również realizuje 12-pulsowe oddziaływanie napędu na sieć zasilającą. W przypadku awarii przekształtnika, układ może praco-wać jako 6-pulsowy. Ograniczona zostaje prędkość napędu do połowy prędkości znamionowej, co jest wynikiem zmniejszenia o połowę napięcia zasilającego.

Tr12 MVA

6/0,4 kVDy11

Tr22 MVA

6/0,4 kVDd0

AC/DC AC/DC

+ - + -

M

Tr3150 kVA

0,4/0,38 kV

Id

If

+ - + -

AC/DC AC/DC AC/DC

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 zastosowa-nie 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.


___________________________________________________________________________

Kolejną odmianą napędu z zastosowaniem silnika pierścieniowego i przekształt-

ników 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 sta-tycznym, który zbudowany jest z prostownika niesterowanego i prostownika stero-wanego.

Rys. 3. Schemat układu kaskady zaworowej [1]

W układzie tym nie jest możliwa praca generatorowa silnika, ze względu na włą-czenie w obwodzie wirnika prostownika niesterowanego, który uniemożliwia prze-pływ energii w obu kierunkach. Oba te rozwiązania są układami niestosowanymi w nowo budowanych maszynach wyciągowych. Kolejnym układem, wykorzystują-cym 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 prędko-ści w szerokich granicach. W tym przypadku możliwa jest praca generatorowa na-pędu, dlatego też dopuszczalne jest kształtowanie charakterystyk mechanicznych. Cyklokonwertor zbudowany jest z prostowników sterowanych w układzie mostko-wym. Z danych zamieszczonych w literaturze wynika, że napęd cyklokonwertorowy był postrzegany jako alternatywa dla napędu z silnikiem prądu stałego. Jednak kosz-ty inwestycyjne przy jego tworzeniu są znaczne. Przykładowy schemat napędu cy-klokonwertorowego przedstawiono na rys. 4.

Konsekwencją rozwoju elementów półprzewodnikowych i układów sterowania przekształtnikami jest możliwość zastosowania pośredniego przemiennika częstotli-wości do sterowania prędkością silnika indukcyjnego klatkowego lub silnika syn-chronicznego.

Obecnie w wielu napędach wykorzystuje się jako element wykonawczy silnik in-dukcyjny klatkowy. Układ zasilania składa się z pośredniego przemiennika częstotli-wości, 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 ste-

rowalne (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 niezawodno-ści. Alternatywą dla silnika prądu stałego, jeżeli chodzi o napęd bezpośredni, staje się układ z silnikiem synchronicznym, zasilanym z pośredniego przemiennika czę-stotliwości.

Na rys. 5 przedstawiono schematycznie taki układ.

3 AC 50Hz Silnik

synchroniczny

PROSTOWNIK FALOWNIK

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. Wte-dy jeden układ regulacji zapewnia stabilną pracę całego napędu.


___________________________________________________________________________

3. Napęd z silnikiem zintegrowanym Innym rozwiązaniem z zastosowaniem silnika prądu zmiennego jest wykorzystanie silnika zintegrowanego z kołem pędnym. Przy nowo budowanych maszynach po-wierzchnia zajmowana przez układ napędowy nie jest aż tak istotna, ponieważ fun-damenty budowane są jako nowa konstrukcja. Inaczej jest przy modernizacji istnie-jącego układu, gdy zachodzi potrzeba dostosowania nowej maszyny do już istnieją-cych warunków. Na rys. 8 przedstawiono różnice w ilości potrzebnego miejsca do zainstalowania silnika zintegrowanego w porównaniu z konwencjonalnym napędem.

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.

Silnik konwencjonalny Silnik zintegrowany


___________________________________________________________________________

217

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 zasi-lanych z transformatorów o różnych grupach połączeń. Dla rozważanego układu pokazano to na rys. 8.

Fundament

Kanał wentylacyjny

Rama stojaka hamulcowego

Stojak hamulcowy Tarcze hamulcowe

Pierścień ślizgowy

Narzędzie do toczenia rowków

Koło pędne

Suport

Lina

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

Silnik zintegrowany

z kołem pędnym


___________________________________________________________________________

Tr1Dy11

Tr2Dd0

MId

Ud0Ud01 Ud02

α1 α2

* * *

* * *

* * *

* * *

A B C A B CUAB

a1 b1 c1 a2 b2 c2

Uab1 Uab2

Dy11 Dd0

UABUab2

Uab1

Rys. 8. Schemat układu i konfiguracja uzwojeń transformatorów zasilających

Przesunięcie pomiędzy napięciami międzyfazowymi Uab1 i Uab2 stron wtórnych transformatorów wynosi 30o. Znaczy to, że również pomiędzy punktami naturalnej komutacji dla poszczególnych mostków występuje przesunięcie π/6.

Wartość skuteczna harmonicznej h prądu fazowego źródła wynosi [4]:

(1)

gdzie: Δα = (α1-α2),

(2)

Dla m = 2k-1, gdzie k = 1,2,3,…. i dla α1 = α2, Ihz z zależności (1) wynosi 0. Zatem przekształtnik zasilany przez transformatory o różnych grupach połączeń i sterowa-ny 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 stero-

wanie, zapewniające równość kątów wysterowania obu przekształtników, jest nazy-wane 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 pro-stownika. Teoretycznie, w układzie tym harmoniczną o najniższym rzędzie jest har-moniczna 11. Zastosowanie sterowania wspólnego powoduje, że w prądach fazo-wych linii zasilającej nie występują harmoniczne o ściśle określonych częstotliwo-ściach. 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 sterowa-niu kolejnościowym istnieje możliwość ograniczenia mocy biernej o ok. 25% w sto-sunku 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 wy-ciągowych 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 prostowni-ka zintegrowanego z układem podstawowym.

Aby ograniczyć negatywne oddziaływanie układu przekształtnikowego na sieć zasilającą kopalni, należy zastosować układ prostownika o zwiększonym współ-czynniku 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 znacz-nie zmniejszonej mocy silnika w stosunku do napędu DC.

Podsumowanie W ostatnich latach obserwuje się znaczny rozwój techniczny i technologiczny urzą-dzeń wyciągowych w kopalniach. Tendencje na świecie są takie, że napęd prądu sta-łego 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. Przeciążal-ność 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 reali-zującej 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 napę-du 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.


___________________________________________________________________________

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 Sys-

tems 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 Nauko-

we PWN, Warszawa, Kraków. [6] Tunia H., Kaźmierkowski M., 1987, Automatyka napędu przekształtnikowego, Państwo-

we Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. [7] Szklarski L., 1977, Teoretyczne zagadnienia maszyn wyciągowych, Państwowe Wy-

dawnictwo Naukowe, Warszawa. [8] Szklarski L., 1984, Dynamika i sterowanie stacjonarnych napędów elektrycznych w gór-

nictwie, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa. [9] SIEMAG TECBERG – materiały firmowe.

Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego w napędach górniczych ... · przewodnikowych elementów...

Documents

Transcript of Wykorzystanie maszyn prądu zmiennego w napędach górniczych ... · przewodnikowych elementów...