Wdrożone projekty przekształtnikowych napędów jezdnych maszyn roboczych i napędów głównych przenośników taśmowych o regulowanej prędkości taśmy górnictwa powierzchniowego
Implemented designs of converter drive systems for machinery and regulated speed conveyor belts in the surface mining
Artykuł zawiera wdrożone przy udziale autora projekty
przekształtnikowych napędów jazdy roboczych maszyn górnictwa węgla brunatnego
i napędów taśmy w przenośnikach taśmowych. Wykazano możliwość
uzyskania nowych cech trakcyjnych maszyn górniczych i zwiększania ich
sprawności./The
paper includes designs of converter drives for brown coal mining machinery and
conveyor belt drives implemented with the author’s participation. A possibility to obtain new traction properties of mining machines and
enhance their efficiency has been demonstrated.
Zobacz także
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
Gabriel Szklarek Modelowanie i analiza stabilności sterowania częstotliwością w mikrosieciach wyspowych o nierównomiernym podziale generacji mocy
Dzisiejsza struktura zdecentralizowanych systemów energetycznych wymusza stosowanie zaawansowanych algorytmów sterowania częstotliwością [1]. W układach wyspowych o mocach znamionowych w przedziale od...
Dzisiejsza struktura zdecentralizowanych systemów energetycznych wymusza stosowanie zaawansowanych algorytmów sterowania częstotliwością [1]. W układach wyspowych o mocach znamionowych w przedziale od 1 do 50 MW, gdzie bezwładność systemu jest niska ze względu na dominację interfejsów energoelektronicznych, kluczową rolę odgrywają szybkie źródła regulacyjne. Jednak w sytuacjach, gdy źródło o małej mocy znamionowej musi kompensować ubytki generacji jednostek dominujących, dochodzi do zjawiska nasycenia...
Przenośniki taśmowe z przekształtnikowymi stacjami napędowymi cechują się płynną regulacją prędkości taśmy dostosowaną do wydajności transportowanego urobku. Stosowanie przekształtników z modulacją szerokości impulsów MSI w izolowanych elektroenergetycznych sieciach górniczych powoduje powstawanie wysokoczęstotliwościowych zaburzeń doziemnych. Odkształcone prądy zaburzeń doziemnych można ograniczać przez stosowanie dodatkowych filtrów biernych LC, skuteczność tych filtrów została potwierdzona eksperymentalnie.
Konieczność stosowania przekształtników energoelektronicznych w napędach jazdy maszyn wydobywczych i napędach taśmy w przenośnikach taśmowych
- Celem podstawowym wdrożonych projektów było opracowanie wysokosprawnych systemów napędowych transportu bliskiego (wewnątrzzakładowego), w szczególności do transportu i wydobycia węgla brunatnego oraz nadkładu w polskich kopalniach odkrywkowych, w pierwszej kolejności dla potrzeb Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”.
- Opracowane rozwiązania napędów miały też umożliwić zautomatyzowanie i zdalny monitoring pracy podstawowych maszyn górniczych w ciągu technologicznym KTZ (koparka – taśmociąg – zwałowarka).
- System napędowy powierzchniowych przenośników taśmowych miał się cechować zdolnością regulacji prędkości taśmy, aby ograniczyć straty przy pracy jałowej lub przy mniejszym od nominalnego obciążeniu.
- Podstawowe gąsienicowe maszyny górnicze: koparki i zwałowarki, miały cechować się dużą manewrowością i akceptowalnymi przez górników właściwościami dynamicznymi.
- Bardzo ważnym celem dodatkowym było zapewnienie niezawodności systemów napędowych układu jazdy podstawowych maszyn górniczych na poziomie nie niższym niż przy stosowaniu klasycznych rozwiązań układów napędowych z wykorzystaniem silników prądu stałego lub indukcyjnych silników pierścieniowych.
- Różna konstrukcja mechaniczna gąsienicowych koparek i zwałowarek – występowanie gąsienic skrętnych lub nieskrętnych, wymagała wielu badań laboratoryjnych i badań na maszynach górniczych, aby opracować algorytmy sterowania umożliwiające osiągnięcie dużego momentu rozruchowego i oczekiwanych przez górników właściwości dynamicznych w pracy manewrowej maszyn.
- Zastosowane przez autora rozwiązania napędów jazdy w koparkach i zwałowarkach umożliwiły uzyskanie napędów o dużej sprawności i w pełni akceptowanych przez górników właściwościach trakcyjnych tych maszyn.
- Praca manewrowa podstawowych maszyn górniczych z napędami jazdy opartymi na przemiennikach częstotliwości i silnikach klatkowych cechuje się dużą sprawnością, między innymi wskutek wykorzystania energii pracy generatorowej hamujących silników i przekazywania tej energii, do silników będących w tym samym czasie w stanie pracy silnikowej [1].
Belt conveyors with converter drive stations are characterized by smooth regulation of belt speed adjusted to the output of the transported mining product. The use of PWM converters in isolated mining power networkcauses high-frequency ground disturbances. Distorted currents of ground disturbances can be limited with the use of additional passive LC filters. Effectiveness of these filters was experimentally proved.Necessity to use electric power converters in drive systems of mining machinery and conveyor belts
• The main objective of implemented designs was to develop highly efficient drive systems of handling equipment (in-house transport), in particular for brown coal and overburden mining and transport in Polish open-pit mines and first of all to meet the needs of the “Konin” Brown Coal Mine.• The developed solutions of drives were also to enable automation and remote monitoring of the basic mining machine operations in technological flights consisting of excavator – conveyor belt – stacker. • The drive system of surface conveyor belts was to be characterized by the ability to regulate belt speed in order to reduce losses at no-load running or at loads below the nominal one. • The basic caterpillar mining machines – excavators and stackers – were to reveal high maneuverability and possess dynamic properties acceptable to miners. • A very important additional objective was reliability of traction drive systems of the basic mining machines, not worse than in the case of classical drive system solutions with the use of DC motors or slip-ring motors. • A different mechanical construction of caterpillar excavators and stackers – the use of turnable and non-turnable caterpillars – required extensive laboratory tests and direct research into mining machines to develop control algorithms enabling achievement of high torques for the start-up and dynamic properties expected by miners during machine maneuvers. • The drive system solutions applied by the author in excavators and stackers allowed us to obtain highly efficient drives which had traction characteristics fully accepted by miners. • The maneuvering of basic mining machines with drive systems based on frequency converters and squirrel-cage motors is characterized by high efficiency, among others, due to the work power of braking motor generators and energy transfer to the engines being in the engine operation mode at the same time [1]. |
Wybrane osiągnięcia i wdrożenia napędów jazdy maszyn gąsienicowych
Oryginalnym autorskim osiągnięciem projektowym było opracowane założeń i projekty napędów jazdy podstawowych maszyn gąsienicowych górnictwa węgla brunatnego z zastosowaniem niskonapięciowych przemienników częstotliwości dla potrzeb Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”. Prace trwały w latach 2000–2011.
Autor, koordynował i nadzorował przebieg procesu projektowego, wykonawczego i uruchomieniowego realizowanych zadań technicznych dla KWB „Konin”.
Fig. 1. Model of the SRs1200 caterpillar excavator traction unit. It is the structure without turnable caterpillars; fig. J. R. Szymanski.
Na rys. 1. przedstawiono model układu napędowego koparki SRs1200 wykorzystanego do przygotowania algorytmu sterowania napędem jazdy koparki w różnych warunkach terenowych. Koparka z przekształtnikowym napędem jest w stanie skręcać w miejscu przy przeciwnych kierunkach jazdy gąsienic strony lewej i prawej (rys. 2a., rys. 2b. i rys 2c.).
W szczególności realizowane zadania techniczne obejmowały budowę napędów jazdy z wykorzystaniem przemienników częstotliwości dla koparek węgla brunatnego typu: SRs1200 i Rs560 oraz zwałowarki typu A2RsB5000M.
Zagadnienia zbudowania właściwych algorytmów sterowania wielosilnikowymi napędami jazdy były dużym wyzwaniem dla zespołu wdrożeniowego [1]. Zastosowanie regulacji częstotliwościowej prędkości silników z wykorzystaniem regulatora adaptacyjnego, który dostosowywał wartości momentów napędowych silników do różnych warunków jazdy, umożliwiło uzyskanie nowych właściwości dynamicznych układu jazdy zmodernizowanych maszyn górniczych i zapewniło uzyskanie dużej sprawności tych napędów.
Fig. 2. Model of the vehicle undercarriage with one set of turnable caterpillars and one set of non-turnable caterpillars: a) travelling ahead; b) turning left; c) turning right. Construction of the traction unit of the A2RsB5000M stacker (“Konin” Brown Coal Mine) and SchRs-4600 – K41 excavators (“Bełchatów” Brown Coal Mine); fig. J. R. Szymański
Selected achievements and implementations of the caterpillar machine drive systems
The original achievement of the Author in the field of design was development of assumptions and design of drive systems for basic caterpillar machines used in brown coal industry with the use of low-voltage frequency converters to meet the needs of the “Konin” Brown Coal Mine. The works were carried out over the years 2000 – 2011.The Author coordinated and supervised the processes of design, execution and implementation of technical tasks carried out for the “Konin” Brown Coal Mine. Figure 1 presents a model of the electric drive system for the SRs1200 excavator used to prepare an algorithm for the excavator drive control in different field conditions. The excavator with a converter drive is able to turn in place at the opposite travel directions of the right and left caterpillar (Figure 2a., Figure 2b. and Figure 2c.). The particular focus of the technical tasks carried out was construction of drive systems with the use of frequency converters for the brown coal mining excavators of the type: SRs1200 and Rs560, and a stacker of the type: A2RsB5000M. The problem of developing appropriate algorithms for the multi-motor drive control posed a great challenge to the implementing team [1]. The use of frequency regulation for the engine speed with the application of an adaptive controller adjusting the values of engine driving torques to different conditions enabled obtaining new dynamic properties of the traction unit in modernized mining machines and ensured high efficiency of these drives. |
Wybrane osiągnięcia i wdrożenia napędów taśmy o regulowanej prędkości w taśmowych przenośnikach powierzchniowych
Kolejnym wyzwaniem inżynierskim był cel zaprojektowania i zbudowania pierwszego w Polsce powierzchniowego przenośnika taśmowego o regulowanej prędkości taśmy, a następnie budowa ciągu współpracujących ze sobą przenośników taśmowych dla KWB „Konin”.
Autor opracował główne założenia projektu modernizacji samojezdnych gąsienicowych stacji napędowych przenośników taśmowych z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości do sterowania prędkością taśmy przenośnika.
Opracowany algorytm sterowania przemiennikami częstotliwości zasilającymi silniki dwubębnowego napędu czołowego taśmy przenośnika zapewnił jednakowe obciążenie silników oraz ich płynny rozruch i stabilną pracę [2].
Fig. 3. Configurations of conveyor belt drive systems with the use of electric converters [source: J. Szymański, Z. Kasztelewicz, Energy Saving Control Method of Electrical Drives in Conveyor Belts with Regulated Speed in Surface Brown Coal Mine, - str. 319-329, Archives of Mining Science, Polish Academy of Science, Vol.53, No 2, 2008]: a – soft start-up of the conveyor belt, no conveyor belt speed control, b – soft start-up of the conveyor belt with conveyor belt speed control, c – soft start-up of the conveyor belt with belt speed control and rebalancing the driving torques of engines on drums, d – soft start-up of the conveyor belt with belt speed control, rebalancing of driving torques of all motors. (SK – squirrel-cage motor, B1, B2 – driving drums in the head drive station of the conveyor belt, Softstart – a device for soft start-up, PC – drive system frequency (voltage or current source) converter; fig. J. R. Szymański
Na rys. 3. przedstawione są różne rozwiązania systemu napędowego powierzchniowych przenośników taśmowych z wykorzystaniem softstartu lub napięciowych przemienników częstotliwości (oznaczonych jako PC). Najkorzystniejsze właściwości napędowe taśmy przenośnika z dwoma bębnami napędowymi przedstawia rozwiązanie według rys. 3d.
Napotkane problemy rozwiązywane były w ramach prac badawczo-wdrożeniowych oraz badań dodatkowych wykonywanych bezpośrednio na uruchamianych stacjach napędowych taśmy przenośników taśmowych w kopalni węgla brunatnego w Koninie [3, 4].
Do roku 2010 uruchomiono dwa nadkładowo-węglowe ciągi technologiczne KTZ z przenośnikami o regulowanej prędkości taśmy w dwóch nowych odkrywkach kopalni KWB „Konin” tj. na odkrywce „Drzewce” i odkrywce „Tomisławie”. Obydwa cięgi przenośników taśmowych były wykonane na podstawie dokumentacji zrealizowanej przy udziale autora.
Obecnie mamy już w Polsce kolejne wdrożenie przemienników częstotliwości do napędu przenośników taśmowych o regulowanej prędkości taśmy w ciągu węglowym w KWB „Turów”. Tym razem zastosowano przemienniki częstotliwości średniego napięcia z falownikami prądowymi, umożliwiające zwrot energii generowanej w hamujących silnikach do sieci elektroenergetycznej (typu AFE).
W latach 2015–2016 wykonano stacje napędowe dla 3 przenośników taśmowych, gdzie zastosowano beztransformatorowe (dołączone bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej) przemienniki częstotliwości średniego napięcia 6 kV, o mocy 1 MW każdy, firmy Rockwell Automation/Introl, które są produkowane w Katowicach [10].
W jednej stacji napędowej z 3 silnikami (MW-2.3) zastosowano sterowanie momentowe typu master-slave, podobne sterowanie przemiennikami częstotliwości było wcześniej zastosowane w KWB „Konin”.
Fig. 4. Block diagram of the drive system with the voltage frequency converter supplied from the IT mains and ensuring the engine operation without the common mode voltage and differential voltage generated in the inverter; fig. J. R. Szymanski
Przebieg prędkości taśmy przenośnika z silnikami 3x1 MW przedstawiono na rys. 4. Wzrost prędkości taśmy przenośnika następuje po przekroczeniu poziomu przepływu ilości węgla brunatnego na taśmie powyżej 3 k ton/h. Przenośnik przenosi masę z dużą sprawnością i przy ograniczonym poziomie hałasu. Sterowanie częstotliwościowe (MSI) zapewnia możliwość zastosowania prędkości taśmy poza częstotliwościami rezonansu mechanicznego. Zastosowane ograniczenie minimalnej prędkości taśmy z 5,25 m/s do 3,5 m/s wynika z ograniczeń konstrukcyjnych silnika elektrycznego, który poniżej prędkości taśmy 3,5 m/s wymagałby zastosowania dodatkowego chłodzenia zewnętrznego.
Selected achievements and implementations of the drives for regulated speed conveyor belts in surface belt conveyors
Another engineering challenge was designing and constructing the first in Poland surface belt conveyor with regulated belt speed and then constructing a technological flight of belt conveyors for the “Konin” Brown Coal Mine. The Author developed the technical background for the design aiming at modernization of self-propelled belt conveyor drive stations with low-voltage frequency converters for the conveyor belt speed control. The developed algorithm for controlling frequency converters supplying the engines of the two-drum conveyor’s head drive ensured identical load to the engines, their smooth start-up and stable operation [2]. Figure 3. depicts different solutions of electric drives for surface conveyor belts with the use of softstart or voltage frequency converters (marked as PC). The best driving properties of the conveyor belt with two drums are represented by the solution depicted in Figure 3d.The problems encountered were dealt with within the framework of research and implementation works and additional tests carried out directly on the activated drive stations for the conveyor belts at the “Konin” Brown Coal Mine [3, 4]. By 2010 two coal-overburden technological flights with conveyors having regulated belt speed were launched in two newly open pits of the “Konin” Brown Coal Mine, i.e. in “Drzewce” and “Tomisławice”. Both lines of conveyor belts were accomplished on the basis of the documentation prepared with the participation of the Author. Currently in Poland we have some other implementations of frequency converters for regulated speed conveyor belt drives in the coal production line of the “Turów” Brown Coal Mine. This time the medium-voltage frequency converters with power inverters were used which enabled return of the energy generated in braking motors to the power line (of the AFE type). In the years 2015-2016 drive stations were made for 3 conveyor belts where transformerless (directly connected to the power line) medium-voltage (6 kV, 1 MW, by Rockwell Automation/Introl manufactured in Katowice) frequency converters were used [10]. In one drive station with 3 engines (MW-2.3) a master-slave torque control was used. A similar frequency converter control was used earlier in the Konin” Brown Coal Mine. Figure 4 presents the conveyor belt speed with 3x1MW engines. The conveyor belt speed increases after the brown coal amount on the belts exceeds 3 kilotons /hour. The conveyor carries the mass with great efficiency and at reduced noise level. Frequency control (PWM) provides a possibility to use the belt speeds beyond the mechanical resonance frequencies. Application of the minimum belt speed limit from 5.25 m/s to 3.5 m/s is the result of the electric engine structural constraints which below the belt speed of 3.5 m/s would require the use of additional external cooling. |
Zaburzenia różnicowe (międzyfazowe) i zaburzenia wspólne (doziemne) w systemie napędowym z przemiennikiem częstotliwości
Przy uruchamianiu napięciowych przemienników częstotliwości dużych mocy (450 kW/3x500 V) zainstalowanych w stacjach napędowych taśmy, zasilanych z nieuziemionej elektroenergetycznej sieci górniczej (sieć IT), zaobserwowano szereg zjawisk negatywnego oddziaływania napięcia wspólnego przemienników częstotliwości z modulacją MSI (modulacja szerokości impulsów) na napięcie w górniczej sieci zasilania.
Pojemnościowy wysokoczęstotliwościowy i odkształcony prąd upływu doziemnego płynący przez przewody fazowe transformatora zasilającego przemiennik częstotliwości powodował odkształcenia napięć międzyfazowych, a napięcie wspólne falownika uCM dodawało się do napięć fazowych transformatora uziemionego przez dużą rezystancję.
Za wielkość prądu upływu pojemnościowego w dużej części odpowiadają pojemności doziemne między żyłami fazowymi kabla i uziemionego ekranu (kable ekranowane), który łączy przemiennik częstotliwości z silnikiem.
Zakłócenia wywoływane napięciem wspólnym falownika (zaburzenia wspólne) w takiej sieci uniemożliwiają jej wykorzystywanie do przesyłania danych, np. do transmisji sygnału internetowego. Ponadto pasożytnicze pojemności doziemne występujące w systemie napędowym powodują przepływ pojemnościowego prądu upływu doziemnego rzędu kilku amperów w podsystemie ochronnym PE silnika i przemiennika częstotliwości zmniejszając skuteczność bezpośredniej ochrony przeciwpożarowej.
Płynący w normalnych warunkach pracy silnika, odkształcony wysokoczęstotliwościowy prąd upływu w przewodzie ochronnym PE może stworzyć poważne zagrożenie wybuchowe, jeśli silnik jest umieszczony w strefie zagrożonej wybuchem.
Fig. 5. Inverter’s common mode voltage uCM measured on input terminals of the engine’s filter of differential and common mode noise LC[DM+CM] (upper courses) and high-frequency (ICM) and disturbing current (IPE) (lower courses) from Figure 4: a) – voltage of common mode noise (uCM) before the filter and high-frequency distorted current (ICM ) outflowing from the LC[DM+CM] filter, b) – voltage of the common mode noise (uCM) before the filter and zero ground-fault current in the PE protective circuit (current in the PE circuit was eliminated owing to the use of the LC[DM+CM] filter); fig. J. R. Szymański
Zaobserwowane zjawiska wymagały dodatkowych badań wykonywanych przez autora i opisanych w publikacjach naukowych [5, 6], a opracowane filtry bierne LC doziemnego wysokoczęstotliwościowego prądu upływu doziemnego są chronione patentami autora [7, 8].
Na rys. 5. przedstawiono przykładowe rozwiązanie zasilania silnika z napięciowego przemiennika częstotliwości. Napięciowy przemiennik częstotliwości jest tu zasilany z niskonapięciowej nieuziemionej sieci elektroenergetycznej (typu IT), gdzie całkowicie wyeliminowano pojemnościowy prąd upływu doziemnego z przewodu ochronnego PE.
Do eliminacji prądu z przewodu ochronnego PE zastosowano filtr LC[DM+CM] [8].
Pasożytniczy wysokoczęstotliwościowy prąd powstający na skutek występowania napięcia zaburzeń wspólnych falownika ICM wypływa z filtra silnikowego LC[DM+CM] i płynie wydzielonym obwodem przez pojemności wejściowe filtra 3C[CM+], i zamyka obwód prądowy w przekształtniku, pomijając podsystem ochrony przeciwporażeniowej PE systemu napędowego.
Rys. 6a. i rys. 6b. przedstawia zarejestrowane przebiegi napięcia wspólnego falownika i prądy (ICM, IPE) w wybranych punktach schematu z rys. 5.
Zarejestrowane przebiegi prądów potwierdzają możliwość pełnej eliminacji wysokoczęstotliwościowego prądu zaburzeń wspólnych falownika z instalacji ochronnej systemu napędowego.
Brak prądu zaburzeń wspólnych w podsystemie ochronnym PE systemu napędowego z napięciowym przemiennikiem częstotliwości zapewnia możliwość skutecznego stosowania wyłączników różnicowoprądowych przed przemiennikiem częstotliwości dla wzmocnienia przeciwporażeniowej ochrony bezpośredniej systemu napędowego.
Fig. 6. MW-2.3 conveyor belt speed at the “Turów” Brown Coal Mine (3´6 kV engines with compact 1 MV engine cage) as the function of the brown coal flow on the belt [source: K. Leśniewski, Zastosowanie falowników średniego napięcia do napędu przenośników taśmowych w KWB Turów. Szkoła Górnictwa odkrywkowego – AGH Kraków, Materiały konferencyjne, Zakopane, 2017]; fig. J. R. Szymański
Differential (interphase) distortions and common mode (ground) distortions in the drive systems with frequency converters
While actuating big power (450 kW/3x500 V) frequency converters installed on drive stations of the conveyor belt supplied from the unearthed mine power line (IT mains), a number of phenomena were observed indicating the negative effect of the common mode voltage of frequency converters with PWM modulation, on the voltage of the mine power line.Capacitive, high-frequency and distorted ground leakage current flowing through phase conductors of the frequency converter power supply transformer caused distortions of interphase voltages and the inverter’s common mode voltage uCM added to the grounded transformer phase voltages via high resistance. The ground capacitance between the phase connectors of the cable and the grounded/earthed screen (screened cables) which connects the frequency converter with the engine are, to a large extent, responsible for the magnitude of the capacitive leakage current. The disturbances/distortions caused by the inverter’s common mode voltage (common disturbances) in such a network make it impossible to use it for data communication, e.g. for the internet signal transfer. Moreover, the parasite earth capacities occurring in a drive system cause flows of capacitive ground leakage current of several amperes in the PE protective subsystem of the engine and frequency converter reducing effectiveness of the direct anti-shock protection system. The distorted high-frequency ground leakage current which flows during the engine’s normal operation in the PE protective conductor may cause a serious explosion hazard when the engine is placed in the explosion threatened zone. The observed phenomena required additional investigations from the Author and were described in scientific publications [5, 6], and the developed passive LC filter of the high-frequency ground leakage current are protected by the Author’s patents [7, 8]. Figure 5. depicts examples of the engine supplied from a voltage frequency converter. The voltage frequency converter is supplied from a low-voltage unearthed power line (IT mains), where the capacitive ground leakage current was completely eliminated from the PE protective cable of the drive system. To eliminate current from the PE protective cable an LC[DM+CM] filter was used [8]. The high frequency parasite current occurring as a result of the inverter’s common mode voltage (ICM) outflows from the engine filter LC[DM+CM] and flows in a separate circuit through input capacities of the 3C[CM+] filter and closes the current circuit in the converter omitting the PE anti-shock protection subsystem of the drive system. Figure 6a and Figure 6b presents the recorded courses of the inverter’s common mode voltage and currents (ICM, IPE) at the selected points of the diagram shown in Figure 5. The recorded courses of currents confirm a possibility of complete elimination of the high-frequency current of the inverter’s common mode voltage from the protective installation of the drive system. Lack of the capacitive leakage currents in the PE protective subsystem of the drive system with the voltage frequency converter provides a possibility of an efficient application of ground-fault breakers (RDs) before the frequency converter to enhance the direct anti-shock protection of the drive system. |
Osiągnięte wyniki
Oryginalnym efektem finalnym prowadzonych przy udziale autora prac projektowych było wdrożenie w Polsce pierwszego systemu napędowego transportu węgla z powierzchniowymi przenośnikami taśmowymi o regulowanej prędkości taśmy dla nowej odkrywki węgla brunatnego „Drzewce” w KWB „Konin”, oddanej do eksploatacji w 2006 roku. Nowy rodzaj systemu napędowego taśmy przenośników z przemiennikami częstotliwości i silnikami klatkowymi zapewnił zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o blisko 50% w stosunku do tradycyjnych rozwiązań z silnikami pierścieniowymi stosowanymi na innych odkrywkach KWB „Konin” [9].
Energochłonność ciągu węglowego odkrywki „Drzewce” z napędami przekształtnikowymi taśm przenośników i pozostałych odkrywek z tradycyjnymi napędami taśm przenośników (silniki pierścieniowe zasilane bezpośrednio z sieci górniczej 6 kV) przedstawia tab. 1.
Z tab. 1 wynika, że w I półroczu 2007 roku uzyskano ponad 50% zmniejszenie zużycia energii elektrycznej do transportu węgla (na t/km) na odkrywce „Drzewce” w porównaniu z innymi odkrywkami z niezmodernizowanymi napędami taśm przenośników.
Ważnymi problemami naukowymi rozwiązanymi przy udziale autora, w projekcie stacji napędowych z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości dużych mocy (4x450 kW/500 V) do zasilania wysokosprawnych i niskoobrotowych (8-biegunowych) silników indukcyjnych z miedzianą klatką (4x350 kW/500 V) w dwubębnowym napędzie czołowym taśmy przenośnika taśmowego było:
- opracowanie metody sterowania przemiennikami częstotliwości zapewniającej jednakowy moment napędowy we wszystkich silnikach napędowych taśmy przenośnika, tak w czasie rozruchu, jak i stanie pracy z ustaloną prędkością, co jest szczególnie ważne dla długich przenośników, np. o długości 2000 m,
- uzyskanie dużego momentu startu silników dwubębnowego napędu czołowego przy zerowej prędkości taśmy oraz płynny rozruch taśmy, przy napełnionym węglem lub nadkładem przenośniku taśmowym,
- opracowanie algorytmu sterowania ciągiem węglowym przenośników (zespół 7 przenośników taśmowych o łącznej długości ok. 5 km), aby uniknąć nadmiernego zasypywania kolejnych przenośników przy zmniejszaniu lub zwiększaniu prędkości taśm w ciągu węglowym przenośników taśmowych.
Podczas uruchamiania niskonapięciowych przemienników częstotliwości dużych mocy w stacjach napędowych przenośników taśmowych wystąpiły problemy z zapewnieniem wysokiej niezawodności przemienników częstotliwości zasilanych z górniczej sieci nieuziemionej typu IT.
Napięcie zaburzeń wspólnych (napięcie doziemne), wytwarzane przez falowniki, powodowało odkształcanie napięć fazowych i międzyfazowych w sieci zasilania.
Przeprowadzone przez autora badania symulacyjne i laboratoryjne pozwoliły opracować zalecenia techniczne do budowy systemu zasilania oraz dodatkowego wyposażenia dla niskonapięciowych przemienników częstotliwości dużych mocy, aby były dostosowane do pracy z górniczymi sieciami zasilania.
Zagadnienia współpracy niskonapięciowych napędowych przemienników częstotliwości dużych mocy z sieciami górniczymi zostały przedstawione przez autora w publikacji [6] i stały się zaczynem do napisana monografii pt. „Napięcie zaburzeń wspólnych przemienników częstotliwości w układach kolejowych” wydanej w 2015 r. nakładem Uniwersytetu Technologiczno-Humanistycznego, im. K. Pułaskiego w Radomiu [11].
Autor zaproponował oryginalne podejście do problemu eliminacji oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych na odkształcenia fazowych napięć zasilania transformatora o układzie sieciowym TN i IT (uziemionego przez dużą rezystancję) i zaproponował nowy rodzaj filtra biernego LC [7]. Zastosowanie filtra wg wynalazku autora zwiększa bezpieczeństwo przeciwporażeniowe obsługi i bezpieczeństwo przeciwpożarowe oraz umożliwia uzyskanie nowych właściwości użytkowych napędów z przemiennikami częstotliwości w sieciach uziemionych i nieuziemionych:
- wysokoczęstotliwościowe prądy zaburzeń wspólnych (prądy doziemne) pomijają system ochrony przeciwporażeniowej PE,
- nie występują odkształcenia fazowych napięć transformatora zasilającego przemiennik częstotliwości, które są powodowane przepływem prądów doziemnych przez uzwojenia fazowe transformatora,
- przemiennik częstotliwości może zasilać silnik przy wystąpieniu pojedynczego zwarcia doziemnego zarówno po stronie zasilania, jak i silnika (dla układu sieciowego IT transformatora).
Zagadnienie oddziaływania napięcia zaburzeń wspólnych w sieciach górniczych i zapewnienie niezawodnej pracy niskonapięciowych przemienników częstotliwości dużych mocy nie jest zagadnieniem w pełni zbadanym przy użyciu aparatu naukowego i ciągle budzi liczne kontrowersje, także u głównych światowych producentów napięciowych przemienników częstotliwości.
W latach 2009–2011 opierając się na pozytywnych rezultatach eksploatacyjnych ciągów węglowych z przenośnikami taśmowymi o regulowanej prędkości taśmy z odkrywki „Drzewce” zarząd Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” postanowił ponownie wdrożyć opracowane przez autora rozwiązania, znane z odkrywki „Drzewce”, w kolejnej nowej odkrywce „Tomisławice”. Firma Danfoss, w tej inwestycji występująca jako producent przemienników częstotliwości i główny wykonawca stacji napędowych oraz oprogramowania sterującego i monitorującego, podzleciła autorowi wykonanie projektów napędu jazdy zwałowarki Sr560, oprogramowania i nadzór nad prawidłowością wykonania realizowanych zadań.
Achieved results
The original final effect of the works carried out with the participation of the Author was implementation of the first in Poland drive system for coal transport with surface conveyor belts having the regulated belt speed. It was designed for the new brown coal open-pit in „Drzewce”, part of the „Konin” Brown Coal Mine and was launched in 2006. The new type of the conveyor belt drive system with frequency converters and squirrel-cage engines reduced energy consumption by ca. 50% in comparison to traditional solutions with slip-ring motors used in other open-pits of the „Konin” Brown Coal Mine [9].Energy consumption of the coal production line with the conveyor belt drive including converters at the „Drzewce” open-pit and other open-pit mines with traditional conveyor belt drives (slip-ring motors supplied directly from the 6kV mine power line) is presented in Table 1. Table 1 clearly indicates that in the first half of 2007, energy consumption for coal transport (t/km) decreased by more than 50% in the open-pit „Drzewce” in comparison to other open-pits where the conveyor belt drive system was not modernized. The important scientific problems solved with the Author’s participation in the design of drive stations with low-voltage high power (4x450 kW/500 V) frequency converters to supply highly efficient and low-rotation (8-pole) induction motors with a copper cage (4x350 kW/500 V) in the two-drum head drive of belt conveyor included:
The effect of the common mode voltage (earth voltage) noise generated by inverters caused distortion of phase and phase-to-phase voltage in the power line. Simulations and laboratory tests conducted by the Author let him develop technical recommendations concerning construction of the power supply network and additional devices for low-voltage high power frequency converters in order to adjust them to cooperation with the mine power supply networks to adjust them to the mine’s mains. The problems of co-operation between low-voltage high power electric drive frequency converters and mine power lines were outlined by the Author in his publication entitled „Common mode voltage noise of frequency converters in railway systems” published by K. Pulaski University of Technology and Humanities in Radom [11]. The Author put forward a new original approach to the problem of eliminating the effects of common mode voltage noise on phase voltage distortions of transformer of TN or IT grounding system (grounded by high resistance) and proposed a new type of a passive LC filter [7]. Application of the filter according to the Author’s invention enhances anti-shock safety of the operations, fire-protection and enables obtaining new utility properties of electric drives with frequency converters in grounded and ungrounded networks:
In the years 2009-2011, due to positive results of the use of the coal conveyor flights with regulated belt speed in the „Drzewce” open pit mine, the Management Board of the „Konin” Brown Coal Mine decided to implement the solution developed by the Author in another open pit – „Tomisławice”. The DANFOSS company, which in this investment appeared in the capacity of the manufacturer of frequency converters, electric drive stations and the controlling and monitoring software for them, entrusted the Author with the task of designing the drive systems for the Sr560 stacker, its software and supervising the whole venture. |
Podsumowanie
Oryginalnymi osiągnięciami projektowymi realizowanymi przy udziale autora były wdrożone projekty napędów jazdy z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości gąsienicowych koparek – SRs1200, Sr560 i zwałowarki – A2RsB5000M, oraz wdrożone projekty stacji napędowych przenośników taśmowych o regulowanej prędkości taśmy z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości w ciągach technologicznych nadkładowo-węglowych na odkrywkach „Drzewce” i „Tomisławie” w Kopalni Węgla Brunatnego „Konin”.
Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej w zakładach górniczych naziemnych i podziemnych stają się obecnie bardzo istotne, bo nasycenie energoelektronicznymi przekształtnikami napędowymi szybko wzrasta. Modulacja szerokościowa impulsów napięciowych (MSI) rozpowszechnia się na kolejne rodzaje przekształtników, np. przekształtników solarnych, współpracujących z przekształtnikami napędowymi. Stosowana powszechnie modulacja szerokościowa napięcia powoduje powstawanie zaburzającego napięcia wspólnego falowników, wywołującego wysokoczęstotliwościowy pojemnościowy prąd upływu doziemnego, który zagraża porażeniem oraz pożarem. Wysokoczęstotliwościowy odkształcony prąd doziemny powoduje zaburzenia transmisji sygnałów sterujących sterowników PLC, co może prowadzić do zdarzeń o charakterze katastroficznym. Eliminacja prądów upływu doziemnego ma podstawowe znaczenie dla bezpiecznej pracy silników umieszczonych w strefie zagrożonej wybuchem.
SummaryThe original achievement of design works carried out with the participation of the Author was implementation of low-voltage frequency converters in electric drives for brown coal caterpillar excavators – SRs1200 and Sr560 – and the A2RsB5000M stacker, and implementation of low-voltage frequency converters in drive stations for belt conveyors with regulated belt speed in ECS systems for coal-overburden exploitation technology in the „Drzewce” and „Tomisławice” open pits of the „Konin” Brown Coal Mine.The problem of electromagnetic compatibility in surface and underground mines is becoming essential at the moment because saturation with electric converters grows very quickly. Pulse-width modulation (PWM) embraces new types of converters, e.g. solar converters cooperating with drive system converters. The common use of PWM results in the inverter’s common mode voltage noise causing high-frequency capacitive ground-fault current which poses a danger of electric shock and fire. High-frequency distorted ground capacitance leakage current disturbs transmission of signals controlling PLC controllers which may result in truly disastrous occurrences. Elimination of ground-fault currents is of major significance for the safe operation of engines placed in the zone endangered by explosion. |
Literatura/Bibliography
- Szymański, Z. Kasztelewicz, Digital Control Method of Caterpillar Electric Drives in Surface Mine Machines, str. 223-237, Archives of Mining Science [Archiwum Górnictwa], Polish Academy of Science, Vol.54, No 2, 2009.
- J. Szymański, Z. Kasztelewicz, Energy Saving Control Method of Electrical Drives in Conveyor Belts with Regulated Speed in Surface Brown Coal Mine, - str. 319-329, Archives of Mining Science [Archiwum Górnictwa], Polish Academy of Science, Vol.53, No 2, 2008.
- J. Szymański - uczestnik zespołu: Projekt celowy nr 10 T12 022 2000 C/5273 ,Modernizacja układu jezdnego koparek eksploatowanych w kopalniach węgla brunatnego (serii SRs 1200), Instytut Technologii Eksploatacji-Państwowy Instytut Badawczy (ITeE-PIB) w Radomiu, 2000-2001.
- J. Szymański - uczestnik zespołu: Projekt celowy nr 6 T12 2004C/06507 „Opracowanie i wdrożenie układów napędowych systemu przenośników taśmowych z automatyczną regulacją prędkości taśmy”, Instytut Technologii Eksploatacji-Państwowy Instytut Badawczy (ITeE-PIB) w Radomiu, 2005-2006.
- J. Szymański, Napęd przekształtnikowy w górnictwie i przemyśle wydobywczym, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 9, 2009.
- J. Szymański, Odkształcenia napięć w nieuziemionych układach zasilania typu IT wytwarzane przez przemienniki częstotliwości, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 1, 2012.
- J. Szymański, Filtr napięcia zaburzeń wspólnych napięciowych elektronicznych przetwornic częstotliwości zasilanych z jednofazowego nieuziemionego układu zasilanie typu IT, Patent PAT.219220, 2014.
- J. Szymański, Filtr napięcia zaburzeń wspólnych napięciowych elektronicznych przetwornic częstotliwości zasilanych z trójfazowej sieci nieuziemionej IT, Patent PAT.219221, 2014.
- J. Szymański, Przenośniki węglowe o regulowanej prędkości taśmy - aspekty techniczne i ekonomiczne, Górnictwo i Geoinżynieria, Rok 33, Zeszyt 2, 2009 r.
- K. Leśniewski, Zastosowanie falowników średniego napięcia do napędu przenośników taśmowych w KWB Turów. Szkoła Górnictwa odkrywkowego – AGH Kraków, Materiały konferencyjne, Zakopane, 2017.
- J. Szymański, Napięcie zaburzeń wspólnych przemienników częstotliwości w układach kolejowych – monografia, Wydanie I – Wydawnictwo UTH Radom, 2015.
