W kopalniach węgla brunatnego wykorzystuje się wyprodukowane w latach 70. ubiegłego wieku maszyny i urządzenia z przestarzałymi, kłopotliwymi w eksploatacji, energochłonnymi układami napędowymi. W maszynach wymagających regulacji prędkości obrotowej (np. napęd jazdy koparek) stosowane są silniki prądu stałego, natomiast w przenośnikach taśmowych, gdzie ze względów technologicznych wskazana byłaby regulacja prędkości przesuwu taśmy, stosowane są wysokonapięciowe silniki pierścieniowe o stałej prędkości obrotowej i napięciu zasilania 6 kV. Szansą na poprawę warunków eksploatacyjnych tych maszyn jest zastosowanie układów napędowych z silnikami asynchronicznymi, zasilanymi z przemienników częstotliwości. Zarząd Kopalni Węgla Brunatnego w Koninie zdecydował się na modernizację układów napędowych. We współpracy z Instytutem Technologii Eksploatacji – Państwowym Instytutem Badawczym w Radomiu zmodernizowano napęd jazdy 
koparki SRs 1200. Na potrzeby nowej odkrywki Drzewce opracowano i wykonano ciąg przenośników taśmowych, wykorzystując do napędu taśmociągów silniki asynchroniczne zasilane z przemienników częstotliwości. Dzięki tym rozwiązaniom uzyskano znaczne efekty ekonomiczne i poprawiono parametry eksploatacyjne maszyn.
Koparka Srs 1200
Modernizacja układów napędowych z silnikami prądu stałego
Kopalnie węgla brunatnego wykorzystują duże koparki i zwałowarki, w których do napędu gąsienic wykorzystywane są układy z silnikami prądu stałego zasilanymi z tyrystorowych zespołów napędowych. Celowość wymiany tego typu napędów przedstawiona zostanie na przykładzie modernizacji układu napędowego koparki SRs1200 eksploatowanej w Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”. Koparki te, przeznaczone do warstwy gleby przykrywającej węgiel (nadkładu), są w bardzo dobrym stanie technicznym. Jedynym ich mankamentem był nieodpowiadający obecnym standardom układ jazdy gąsienic.
Układ jezdny koparki SRs 1200 zbudowany jest z czterech gąsienic zamocowanych na sztywnej ramie. Oznacza to, że para przednich gąsienic, o mniejszym rozstawie od tylnych, nie może wykonać skrętu przy jeździe po łuku. Każda z gąsienic napędzana jest silnikiem prądu stałego GMK 400.1 o mocy 76 kW. Para silników napędzających gąsienice po jednej stronie koparki połączona była szeregowo i zasilana ze sterownika tyrystorowego, co oznacza, że nie było możliwości zróżnicowania prędkości gąsienic po jednej stronie koparki. Głównym mankamentem układu jazdy koparki były więc problemy z wykonaniem skrętu w trudnych warunkach glebowych. Problem ten rozwiązano poprzez zastosowanie indywidualnego napędu każdej gąsienicy.
Przy doborze parametrów układu napędowego wzięto pod uwagę konieczność spełnienia następujących wymagań:
-
płynna regulacja prędkości jazdy koparki,
-
niezależny napęd każdej gąsienicy,
-
maksymalna prędkość jazdy: 6 m/min,
-
minimalny promień skrętu: 60 m,
-
w sytuacjach awaryjnych możliwość osiągnięcia momentu obrotowego na wale silnika dwa razy większego od momentu nominalnego silników stosowanych dotychczas,
-
możliwość pracy dwóch silników z jednym falownikiem,
-
w momencie uszkodzenia jednego silnika możliwość jazdy koparki na trzech silnikach,
-
możliwość wyhamowania koparki za pomocą silników przy zjeździe po pochylni.
W celu zmodernizowania napędu gąsienic zastąpiono silniki prądu stałego trójfazowymi asynchronicznymi silnikami klatkowymi o mocy 90 kW, zasilanymi z przemienników częstotliwości o mocy 132 kW. Tego typu rozwiązanie pozwoliło na płynną regulację prędkości obrotowej każdego silnika, a tym samym na optymalne dobranie prędkości każdej gąsienicy przy jeździe po łuku.
Opracowano algorytmy sterowania, wyznaczając prędkości każdej gąsienicy w zależności od zadanego promienia skrętu. Na rysunku 1. przedstawiony jest schemat podwozia koparki, rozmieszczenie gąsienic i definicja promieni służących do obliczeń parametrów sterowania przemiennikami częstotliwości.
Rysunek 1. Układ geometryczny podwozia koparki
W celu sprawdzenia poprawności obliczeń parametrów każdej gąsienicy przy jeździe po łuku wykonano model układu jazdy koparki w skali 1:30. Podczas badań z modelem koparki realizującym opracowany algorytm jazdy okazało się, że w czasie jazdy po łuku rzeczywisty promień skrętu jest większy niż zadany – wynika to z konieczności pokonania znacznych oporów podczas poprzecznego przesuwania gąsienic. Opory te głównie pokonują gąsienice zewnętrzne, co wynika z przebiegu momentów silników w czasie jazdy. Różnice w promieniach uwzględniono jako poprawkę w opracowanych algorytmach sterowania przy jeździe po łuku.
W trakcie jazdy po łuku występuje zjawisko przechodzenia silników napędzających wewnętrzne gąsienice w tryb pracy generatorowej, a więc występuje problem odebrania od nich nadwyżki energii. W celu zmniejszenia strat energii zastosowano układ ze wspólną szyną DC przemienników częstotliwości, dzięki czemu energia generowana w silnikach pracujących w trybie pracy generatorowej przekazywana jest do układu zasilania silników napędzających gąsienice zewnętrzne. Algorytmy jazdy w różnych warunkach ruchu realizowane są przez specjalny sterownik nadrzędny, zadający i kontrolujący parametry pracy poszczególnych silników.
Rysunek 2. Wartości momentów na wale silników przy jeździe po łuku na gruncie mokrym, promień skrętu 60 m, prędkość 50%
Badania eksploatacyjne
Pierwsze próby jazdy po łuku przeprowadzono na gruncie mokrym. Przy współczynniku kompensacji poślizgu równym 100% zadano minimalny promień skrętu (60 m) przy prędkości jazdy równej 50% prędkości maksymalnej. Wartości momentów obrotowych poszczególnych silników przedstawiono na rysunku 2. Na wykresie poziome linie pomarańczowe oznaczają nominalną wartość momentu silników.
Wartości momentów poniżej zera oznaczają przejście silnika w tryb pracy generatorowej. Jak wynika z wykresów, silniki pracują nierównomiernie, zawsze jeden jest bardziej obciążony i przejmuje na siebie wykonanie większej pracy. Głównym powodem takiego zachowania silników okazała się ustawiona w przemienniku częstotliwości wartość współczynnika poślizgu. Wartości momentów silników, ze względu na mokry grunt (mały współczynnik tarcia i dzięki temu łatwość wykonania poślizgu bocznego gąsienic) nie przekraczają wartości nominalnej. Po czterdziestu sekundach nastąpiła zmiana kierunku jazdy i silniki zamieniły się rolami. Para silników, które dotychczas pracowały w trybie generatorowym, zaczęła napędzać koparkę. Pod koniec wykresu, gdy koparka wjechała w bardzo mokry grunt, można zauważyć spadek momentu silników napędzających i równomierność ich pracy. Przy tak ustawionych parametrach układu napędowego uzyskano zakładany promień skrętu 60 m. Powtórzenie tego skrętu na suchym gruncie okazało się niemożliwe. W tych warunkach maksymalny moment obrotowy układu napędowego był zbyt mały do pokonania oporów jazdy. Próba zwiększenia dopuszczalnego momentu do wartości 140% momentu nominalnego zakończyła się zerwaniem gąsienicy po kilkudziesięciu sekundach jazdy. Dalszą jazdę prowadzono przy ograniczeniu momentu na poziomie wartości momentu nominalnego przy różnych wartościach współczynnika poślizgu. Po wielu próbach okazało się, że napędy te najlepiej zachowują się przy współczynniku poślizgu równym zero. Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi momentów przy założonym promieniu skrętu 60 m.
Rysunek 3. Wartości momentów na wale silników przy jeździe po łuku na gruncie suchym, promień skrętu 60 m, prędkość 78%
W tych warunkach jazdy można zaobserwować znacznie większe wartości momentów niż przy jeździe po gruncie mokrym. Silniki napędzające równomiernie przejęły na siebie obciążenia wynikające z warunków jazdy i uzyskano założony skręt o promieniu 60 m.
Wdrożenie na koparce SRs1200 zmodernizowanego układu jazdy zwiększyło niezawodność pracy układu napędowego, zmniejszyło czas remontów oraz pozwoliło na skrócenie czasu ruchów manewrowych, a tym samym na zwiększenie wydajności koparki przy zdejmowaniu nadkładu.
Roczne efekty ekonomiczne uzyskane w wyniku modernizacji układu jazdy koparki liczone są w milionach złotych.
Modernizacja układów napędowych przenośników taśmowych
Rosnące wymagania inwestorów w przemyśle wydobywczym związane z poprawą wydajności i efektywności powodują rozwój konstrukcyjny i technologiczny przenośników taśmowych. Po skutecznym uporaniu się z problemami związanymi z zapewnieniem wymaganej wydajności, elastyczności i niezawodności taśmowych systemów transportowych, uwaga projektantów i użytkowników skupia się przede wszystkim na obniżeniu kosztów eksploatacji przez wdrażanie zaawansowanych rozwiązań energooszczędnych w zakresie sterowania i napędów. Około 70% kosztów energii elektrycznej, jakie pokrywa kopalnia, związanych jest z energią pobieraną przez układy napędowe taśmociągów. Eksploatowane obecnie w Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” przenośniki taśmowe do transportu węgla pochodzą z lat 70. i napędzane są wysokonapięciowymi silnikami pierścieniowymi o napięciu zasilania 6 kV i stałej prędkości obrotowej. Optymalne zużycie energii elektrycznej występuje wtedy, gdy przenośnik pracuje z nominalnym obciążeniem. Ponieważ obciążenie taśmociągu uzależnione jest zarówno od rodzaju materiału przenoszonego przez taśmociąg (węgiel, nadkład), jak i od wydajności koparki, automatycznie nasuwa się wniosek, że prędkość przesuwu taśmy powinna być dopasowana do bieżącego obciążenia. Zdarzają się również sytuacje, że na jeden taśmociąg sypany jest urobek z kilku taśmociągów, a więc prędkość przesuwu taśmy taśmociągu odbierającego powinna być znacznie większa od prędkości taśmociągów zadających. Problem ten rozwiązany może być przez zastosowanie układów napędowych z silnikami asynchronicznymi z przemiennikami częstotliwości. Umożliwią one automatyczne dopasowanie prędkości poszczególnych przenośników taśmowych pracujących w ciągu, w zależności od ich bieżącego obciążenia.
Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest to, że pobór energii maleje wraz ze zmniejszaniem prędkości obrotowej silników, a więc przy nieobciążonych taśmociągach (a takie sytuacje mają miejsce przy rozruchu całego ciągu taśmowego i chwilowych przerwach w pracy koparki) można pracować z prędkościami minimalnymi.
Układ napędowy taśmociągu
W Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” wybudowano, dla potrzeb ciągu węglowego odkrywki Drzewce, nowoczesny ciąg taśmowy składający się z siedmiu przenośników taśmowych różnej długości (rys. 4).
Rysunek 4. Schemat ciągu węglowego odkrywki Drzewce
W budowie nowo planowanych stacji napędowych zaproponowano zastosowanie do napędu taśmociągów silników asynchronicznych o napięciu 500 V zasilanych z przemienników częstotliwości. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskano łagodny rozruch taśmociągu, możliwość płynnej regulacji prędkości obrotowej silników napędzających taśmociągi, a tym samym możliwość dostosowania prędkości taśmociągów do aktualnych potrzeb.
Na rys. 5. przedstawiono schemat układu napędowego taśmy przenośnika, na którym przetestowano napęd z silnikami asynchronicznymi. Do napędu taśmociągu zastosowano cztery silniki asynchroniczne o napięciu zasilania 500 V i mocy 315 kW zasilane z przemienników częstotliwości.
Rysunek 5. Schemat układu napędu taśmociągu
Ruch taśmy realizowany jest za pomocą dwóch wałów napędowych, przy czym każdy z wałów napędzany jest przez przekładnie mechaniczne dwoma silnikami asynchronicznymi. Badania pokazały, że przy sterowaniu dwóch elastycznie sprzężonych wałów napędowych, gdzie każdy wał jest napędzany więcej niż jednym silnikiem, najlepsze efekty uzyskuje się w układzie, w którym jeden z napędów pełni funkcję napędu nadrzędnego (ang. Master), a pozostałe napędy pełnią funkcję podrzędną (ang. Slave). Napęd Master pracuje w trybie sterowania prędkością obrotową silnika w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, a napędy Slave pracują w trybie sterowania momentem obrotowym silnika którego wartość jest im przekazywana (zadawana) z napędu Master. Dla napędu Master dokonywany jest pomiar prędkości wału silnika, co zapewnia uzależnienie częstotliwości napięcia zasilającego silnik od rzeczywistej prędkości wału. Dzięki temu nie zmniejsza się moment rozruchowy silnika Master wskutek zwiększonego poślizgu przy przeciążeniu taśmociągu. Zastosowanie takiego sterowania zapewnia właściwą współbieżną pracę elastycznie sprzężonych wałów napędowych taśmociągu i równomierne obciążenie każdego silnika we wszystkich fazach pracy (rozruch, praca ustalona, hamowanie). Jest to jednak rozwiązanie wymagające zastosowania przemienników napięciowych sterowanych wektorem strumienia dla silników typu Slave. W celu wytworzenia dużego momentu rozruchowego w takim trybie pracy przemienników częstotliwości niezbędne jest dokładne określenie położenia kątowego i prędkości wału silnika, a więc zastosowanie precyzyjnych enkoderów do zamknięcia pętli regulacji. W tego typu rozwiązaniu wszystkie układy napędowe pracują z takim samym momentem.
Przemienniki częstotliwości, sterujące silnikami w trybie regulacji momentu, muszą ponadto być zdolne do wytworzenia dużego momentu napędowego silnika przy zerowej prędkości taśmociągu, gdyż często zachodzi konieczność uruchomienia obciążonego taśmociągu po jego zatrzymaniu. Takie sterowanie silnikami wymaga zastosowania przemienników sterowanych wektorem strumienia silnika.
Dla zapewnienia zamkniętego trybu sterowania silnikiem wykorzystano wewnętrzny regulator PID przemienników częstotliwości. Sygnał o rzeczywistej prędkości obrotowej wału silnika wprowadzany jest bezpośrednio do przemiennika częstotliwości z enkodera zamocowanego na wale silnika.
Sterowanie przenośnikiem jest realizowane z wykorzystaniem sterownika PLC, który komunikuje się z przemiennikami częstotliwości za pośrednictwem magistrali PORFIBUS DP. Sterownik PLC pełni również funkcje monitorujące pracę stacji napędowej, generując na swoich wyjściach sygnały załączające styczniki zasilania przemienników częstotliwości oraz aparaturę optycznej i akustycznej sygnalizacji ostrzegawczej i alarmowej. Tak skonfigurowany układ napędowy pozwala na dokonywanie łagodnych rozruchów taśmociągu bez gwałtownych skoków momentu na wale napędowym, a co za tym idzie, na znacznie łagodniejsze warunki pracy przekładni głównych.
Badania układu napędowego w warunkach rzeczywistych
Badania układów napędowych taśmociągów prowadzone były na poziomym przenośniku DW5 o długości 940 m oraz na przenośniku taśmowym o długości 470 m i wzniesieniu 30 m pracujących w odkrywce Lubstów. Badania obejmowały pomiary zmian mocy pobieranej przez napędy w zależności od prędkości przesuwu taśmy i jej obciążenia urobkiem.
Przy taśmociągach poziomych, a takie głównie występują w ciągu taśmowym odkrywki Drzewce, mierzono pobór energii przenośników taśmowych w funkcji zmian prędkości przesuwu taśmy przy stałym obciążeniu (koparka pracowała ze stałą wydajnością). Zużycie energii jest praktycznie proporcjonalne do prędkości przesuwu taśmy rys. 6.
Rysunek 6. Przebieg poboru mocy układów napędowych taśmociągu pustego i z obciążeniem w zależności od prędkości przesuwu taśmy
Przy przenośniku pochyłym w pewnych warunkach pracy przenośnika determinowanych przez wzrost obciążenia taśmy urobkiem zaobserwowano wzrost poboru mocy przy zmniejszeniu prędkości przesuwu taśmy. Zjawisko to przedstawiono na rys. 7 obrazującym wpływ zmian prędkości taśmy, przy różnych jej obciążeniach urobkiem, na zmiany poboru mocy przez napędy wyrażone współczynnikiem p[%] określonym jako:
p[%] ═ [(Pn – P)/Pn x 100%
gdzie:
P – moc pobierana przez przenośnik,
Pn – moc pobierana przez przenośnik
przy prędkości nominalnej taśmy
Pomiary przeprowadzono przy różnych obciążeniach taśmociągu realizowanych przez zmianę masy „m” urobku na taśmie. Wykres przedstawia pobór mocy układów napędowych dla czterech obciążeń. Współczynnik Km oznacza krotność zwiększenia masy w stosunku do wykresu o współczynniku Km = 1.
Efekt wzrostu poboru mocy przy malejącej prędkości taśmy jest wynikiem dużego kąta wzniosu przenośnika, a co za tym idzie, konieczności wyniesienia urobku na odpowiednią wysokość. Przy zmniejszaniu prędkości przesuwu taśmy maleje energia kinetyczna i pogarsza się stosunek energii kinetycznej do potencjalnej.
O sumarycznym poborze energii całego ciągu przenośników taśmowych decydują najdłuższe, poziome taśmociągi (DW2, DW3, DW4 i DW5), na których w układach napędowych pracują trzy lub cztery silniki o mocy 315 kW.
Rysunek 7. Zależność poboru mocy przez układ napędowy taśmociągu w funkcji zmian prędkości przesuwu taśmy przy różnych obciążeniach wyrażonych współczynnikiem krotności masy Km
Jak wynika z badań, im mniejsza prędkość przesuwu taśmy przenośników poziomych, tym mniejsze zużycie energii elektrycznej. W optymalizacji pracy ciągu taśmowego powinno się więc dążyć do pracy przy możliwie małych prędkościach, zmierzając do optymalnego obciążenia przenośnika.
Podsumowanie
Zastosowanie silników asynchronicznych zasilanych z przetwornic częstotliwości do napędu układów wymagających płynnej regulacji prędkości obrotowej powoduje szereg korzyści eksploatacyjnych:
1. Mniejsze zużycie energii elektrycznej poprzez dostosowanie prędkości do aktualnych potrzeb.
2. Mniejsze koszty remontów silników asynchronicznych w porównaniu z pierścieniowymi silnikami prądu stałego.
3. Zwiększenie trwałości zespołów mechanicznych w wyniku łagodnego (płynnego) rozruchu układu napędowego.
4. W układach wielonapędowych pracujących na wspólne obciążenie (przenośniki taśmowe) automatyczne utrzymanie jednakowego obciążenia wszystkich napędów w różnych warunkach pracy.
5. Utrzymanie momentu obrotowego na założonym poziomie, co wpływa na zwiększenie żywotności wszystkich elementów konstrukcyjnych, takich jak przekładnie, łożyska bębnów, krążniki i inne.
6. Możliwość pozyskania dodatkowych informacji o pracy napędu (prędkość obrotowa, obciążenie) bez ponoszenia dodatkowych kosztów.
UR
Literatura
1. Gospodarczyk A., Matras E., Reizer R.: System sterowania i pomiaru parametrów elektrycznych układów napędowych. Problemy Eksploatacji 1’97, s. 193–199.
2. Duda Z., Kowalski Z., Ziębiński S.: Perspektywy zastosowania w budowie przenośników taśmowych w KWB „Bełchatów” S.A. napędów nowej generacji. Sympozjum Naukowo-Techniczne Bełchatów 2003.
3. Köhler U., Lehmann L.: Przenośniki taśmowe z regulowaną prędkością. Transport Przemysłowy 3(9)/2002.
4. Gładysiewicz L. Niekonwencjonalne napędy przenośników taśmowych. Transport Przemysłowy 1/2000.
5. Konczewski P., Kompleksowa rekonstrukcja i modernizacja jako praktyczne rozwiązanie problemu przedłużenia żywotności maszyn podstawowych. Problemy urabiania i przeróbki skał – VII Krajowa Konferencja Górnictwa Odkrywkowego 3/94. Szklarska Poręba 1994.
6. Gładysiewicz L., Król R.: Badania wpływu warunków eksploatacyjnych na opory obracania krążników. Transport przemysłowy nr 2/2003. ISSN 1640- 5455.
7. Żur T., Hardygóra M.: Przenośniki taśmowe w górnictwie. Wyd. „Śląsk”. Katowice 1996.
Autor:
Eugeniusz Matras, Ryszard Reizer, Wojciech Umiński
Instytut Technologii
