Moc bierna górniczych maszyn wyciągowych i możliwości jej ograniczania

Ze względu na oddziaływanie na sieć elektroenergetyczną zakładu górniczego, najbardziej istotną częścią GWSz jest napęd składający się z silnika wyciągowego i układu przekształtnikowego. W historii górnictwa znane są rozwiązania inne, które nie wywoływały skutków negatywnych z punktu widzenia sieci elektrycznej, ale nie są już one stosowane (napęd parowy) lub ich użycie jest już bardzo ograniczone (układ Leonarda).

Informacje zawarte w tym artykule ograniczone są do analiz maszyn z tzw. kołem Koepe – przemieszczanie naczyń w szybie odbywa się dzięki sprzężeniu ciernemu pomiędzy tym kołem, zwanym linopędnią, a linami wyciągowymi. Linopędnia jest połączona z silnikiem bezpośrednio lub poprzez przekładnię (rys. 1.).

Rodzaje maszyn wyciągowych ze względu na zastosowany rodzaj silnika

Obecnie zarysowuje się podział napędów maszyn wyciągowych w zależności od zastosowanego silnika, na maszyny z silnikami obcowzbudnymi prądu stałego i maszyny z silnikami prądu zmiennego (indukcyjnymi lub synchronicznymi) zasilanymi poprzez bezpośrednie lub pośrednie przemienniki częstotliwości. W polskich kopalniach pracują maszyny wszystkich typów.

W przypadku silników prądu przemiennego, bardzo istotnym kryterium jego wyboru jest to, czy układ zawiera element pośredni w postaci przekładni mechanicznej, czy też nie. Jeżeli tak, to możliwe jest zastosowanie silnika indukcyjnego klatkowego. Rozwiązanie to, z uwagi na dodatkowy element mechaniczny, może budzić wątpliwości. Ten element w układzie mechanicznym zmniejsza sprawność całego napędu. Jest też podzespołem, który zgodnie z przepisami, musi być poddawany okresowym kontrolom. Generuje to koszty związane z przeglądami i wymianą oleju. W innych krajach bardzo często stosuje się maszyny z napędem bezpośrednim i silnikiem synchronicznym wolnoobrotowym. Na rysunku 2. przedstawiono zdjęcia maszyn z silnikiem DC i silnikami AC – indukcyjnym klatkowym i synchronicznym.

Układy energoelektroniczne do zasilania silników wyciągowych

Napęd maszyny wyciągowej jest szczególnym przypadkiem napędu pozycyjnego. Jego wyjątkowość wynika z dwóch aspektów: masy całego układu mechanicznego (tzw. masy w ruchu, która wynosi od kilkunastu do kilkuset Mg) i zadania, jakie musi wykonać, czyli przetransportowanie ładunku w możliwie najkrótszym czasie. Oprócz mas w ruchu dodatkową trudność w osiągnięciu zadanych parametrów ruchu stanowi sprężystość lin.

W celu realizacji założonego diagramu jazdy zasila się silnik wyciągowy poprzez urządzenia energoelektroniczne, co zapewnia pełną regulację prędkości i położenia. Do każdego z silników przeznaczony jest odpowiedni rodzaj przekształtnika, który oprócz swojej funkcji wynikającej z zadania postawionego przed maszyną wyciągową, w charakterystyczny sposób oddziałuje na sieć zasilającą.

Przekształtniki 6- i 12-pulsowe do zasilania silnika obcowzbudnego prądu stałego

Do prawidłowej pracy silnika obcowzbudnego prądu stałego konieczne jest zasilanie napięciem stałym obu jego uzwojeń, tzn. uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika. Wykorzystuje się do tego celu prostowniki mostkowe trójfazowe, zasilane poprzez transformatory przekształtnikowe z sieci średniego napięcia (rys. 3.).

Do zasilania obwodu twornika stosowane są najczęściej układy nienawrotne (jednokierunkowe), a zmiana kierunku jazdy odbywa się poprzez zmianę kierunku przepływu prądu w obwodzie wzbudzenia. Zastosowanie układu 6-pulsowego (prostownik mostkowy trójfazowy) nie jest pożądane ze względu na jego znaczne oddziaływanie na sieć zasilającą i tętnienia napięcia wyjściowego przekształtnika zasilającego silnik. Negatywne oddziaływanie tego przekształtnika na sieć może być rozpatrywane w dwóch aspektach.

Wyższe harmoniczne prądu

Odkształcony prąd wejściowy przekształtnika wywołuje spadki napięć na impedancjach sieci, co w efekcie jest powodem zniekształceń napięć zasilających układ. Na rysunku 4. przedstawiono przykładowy przebieg prądu wejściowego przekształtnika i jego widmo.

W przypadku układu 6-pulsowego występują harmoniczne charakterystyczne rzędów 6m±1, gdzie m=1, 2, 3…. Nie jest korzystne, aby w układzie występowały harmoniczne niskich rzędów z uwagi na ich relatywnie duże wartości w stosunku do harmonicznej podstawowej. W tym przypadku są to harmoniczne rzędów 5. i 7. Ich wartość względna jest teoretycznie równa odwrotności rzędu danej harmonicznej i tak dla 5. harmonicznej jej względna wartość wynosi ok. 20% wartości podstawowej harmonicznej. W praktyce jej wartość często przekracza 30%, natomiast 7. harmoniczna ma wartość mniejszą niż 1/7 harmonicznej podstawowej.

Moc bierna

Pobór mocy biernej układu 6-pulsowego można wyznaczyć z wykresu kołowego przedstawionego na rysunku 5.

Przy kącie wysterowania bliskim π/2, prostownik pobiera największą moc bierną. W napędzie maszyny wyciągowej, w którym prędkość zmienia się w pełnym zakresie regulacji, powoduje to znaczne obniżenie współczynnika mocy.

Taki układ może jedynie pracować jako awaryjny, np. po uszkodzeniu jednego z przekształtników układu 12-pulsowego.

Na rysunku 6. przedstawiono schemat ideowy układu 12-pulsowego, stosowanego w większości maszyn wyciągowych w naszym kraju. Taka konstrukcja układu jest kompromisem pomiędzy oddziaływaniem układu na sieć zasilającą a kosztami inwestycyjnymi. W Polsce pracuje obecnie jeden układ napędowy maszyny wyciągowej o liczbie pulsów większej niż 12. Jest to maszyna wyciągowa zainstalowana w kopalni Budryk.

Układ 12-pulsowy jest złożeniem dwóch przekształtników mostkowych 6-pulsowych. Charakteryzuje się znacznie mniejszym oddziaływaniem na sieć zasilającą w kontekście wyższych harmonicznych. Zminimalizowane (teoretycznie wyeliminowane) zostały wartości harmonicznych rzędów 5. i 7. Ta zaleta układu jest wynikiem zastosowania dwóch transformatorów o takich grupach połączeń uzwojeń wtórnych (gwiazda-trójkąt), że ich napięcia wtórne są przesunięte względem siebie o 30 stopni (rys. 7.).

Porównując rysunki 4. i 8. można stwierdzić, że w prądzie przekształtnika 12-pulsowego nie występują niektóre harmoniczne charakterystyczne dla układu 6-pulsowego, w tym harmoniczne rzędu piątego i siódmego. Harmonicznymi charakterystycznymi dla układu 12-pulsowgo są harmoniczne: 11. i 13.

Moc bierna takiego układu zależy od sposobu sterowania elementami półprzewodnikowymi każdego mostka. Możliwe są dwa rodzaje sterowania: wspólne i kolejnościowe. Wykres kołowy dla obu rodzajów sterowań przedstawiono na rysunku 9.

Moc bierna Q_wsp układu z zastosowanym sterowaniem wspólnym została oznaczona półokręgiem w kolorze czarnym. Odpowiednie elementy każdego z mostków załączane są z takim samym kątem opóźnienia. Uzyskuje się wtedy redukcję harmonicznych, a przez to zmniejszenie tętnień prądu wyjściowego przekształtnika. Efektem tego jest zmniejszenie składowej zmiennej prądu zasilającego silnik, co skutkuje mniejszymi tętnieniami momentu.

W celu ograniczenia pobieranej mocy biernej stosuje się inny sposób sterowania, nazywany kolejnościowym. W pierwszym etapie steruje się przekształtnikiem pierwszym (oznaczony kolorem czerwonym). W tym czasie drugi przekształtnik (kolor zielony) pozostaje maksymalnie wysterowany. Po osiągnięciu odpowiedniego napięcia wyjściowego przekształtnika pierwszego (minimalny kąt opóźnienia) regulację kąta opóźnienia wykonuje się dla przekształtnika drugiego. Dzięki zastosowaniu takiego algorytmu, moc bierna pobierana przez cały układ jest o ok. 25% mniejsza od mocy zespołu przekształtników sterowanych wspólnie (Q_kol = 0,75 · Q_wsp).

Zastosowanie sterowania kolejnościowego jest jednym ze sposobów redukcji mocy biernej. Jednak stosując ten rodzaj sterowania, w prądach fazowych pojawiają się wyższe harmoniczne charakterystyczne dla układu 6-pulsowego (znika korzystny efekt układu 12-pulsowego) o wartościach zmieniających się wraz ze zmianą kątów wysterowania.

Z punktu widzenia bezpośredniego skutku ekonomicznego, największe zainteresowanie wzbudza moc bierna. Na rysunku 10. przedstawiono przebieg mocy czynnej i biernej, dla jednego pełnego cyklu jazdy maszyny wyciągowej.

W tym przypadku maszyna pracowała ze stosunkowo małą prędkością. Największy pobór mocy biernej występuje podczas rozruchu i przyspieszania. W maszynach skipowych (transport urobku) liczba cykli w ciągu godziny może przekraczać 40. W takim przypadku udary mocy biernej stają się poważnym problemem dla służb technicznych kopalni. Jeżeli założy się, że podczas rozruchu prąd silnika osiąga wartość dwa razy większą niż podczas jazdy z prędkością ustaloną, to wtedy szczytowa moc bierna będzie równa dwukrotnej mocy silnika.

Pomiary mocy biernej w zakładach górniczych

Zgodnie z tzw. rozporządzeniem „systemowym” [4] jakość dostawy energii elektrycznej jest sprawdzana w punkcie wspólnego przyłączenia. Rozdział 10 wyżej wymienionego aktu prawnego definiuje parametry jakościowe energii elektrycznej i standardy jakościowe obsługi odbiorców.

O mocy biernej w tym rozporządzeniu można wnioskować tylko z zapisu ww. rozdziału, art. 38, pkt 1, podpunkt 6: „warunkiem utrzymania parametrów napięcia zasilającego w granicach określonych w pkt 1–5 jest pobieranie przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy umownej, przy współczynniku tg  nie większym niż 0,4”. Na podstawie tego, w umowach z operatorami, zakłady górnicze zobligowane są do utrzymywania zadanego współczynnika mocy. W przypadku niedotrzymania warunków umownych, naliczane są kary o ustalonej wcześniej wielkości, a odbiorca traci prawo do dochodzenia roszczeń z tytułu złej jakości napięcia.

Pomiary w zakładach górniczych wskaźników jakości określonych w [4] oraz w PN-EN 50160 wykonuje się z dwóch powodów:

1. przekroczeń dopuszczalnych współczynników jakościowych oraz współczynnika mocy w punkcie wspólnego przyłączenia,
2. negatywnego oddziaływania układu napędowego na inne odbiorniki w sieci elektroenergetycznej zakładu górniczego.

Oba przypadki wywołują określone skutki ekonomiczne dla zakładu. W pierwszym, jest to zwiększenie kar za niedotrzymanie warunków określonych w umowie przyłączeniowej. W drugim, są to koszty związane z naprawą lub wymianą uszkodzonego sprzętu. Ze względu na szczególny rodzaj procesu produkcyjnego, sieci elektroenergetyczne zakładów górniczych ulegają ciągłym zmianom. Wynika to z postępu prac. Wymusza to działania związane z przebudową sieci, a także prowadzenie procesów modernizacyjnych istniejącej infrastruktury. Postępujący proces automatyzacji procesów powoduje, że w tych sieciach funkcjonuje coraz więcej układów energoelektronicznych, które w sposób negatywny oddziałują na tę sieć, jak i na inne odbiorniki w niej zainstalowane. Powoduje to powstawanie m.in. uszkodzeń sprzętu w wyniku zainicjowania zjawisk rezonansowych. Do takich zdarzeń dochodziło na jednej ze śląskich kopalń, gdzie w wyniku zjawiska ferrorezonansu uszkodzeniu uległo kilkadziesiąt przekładników napięciowych. Oprócz wymiernych strat ekonomicznych, należy podkreślić, że tego typu zdarzenia w zakładzie górniczym mają jeszcze swój inny wymiar – pozaekonomiczny. Jest to bezpieczeństwo pracującej załogi. Powstawanie tego typu zjawisk kończy się zazwyczaj przerwaniem zasilania i realnym niebezpieczeństwem dla pracujących ludzi z powodu wyłączenia urządzeń transportowych (maszyna wyciągowa) lub urządzeń związanych z wentylacją kopalni.

W ostatnich latach pracownicy Centrum Jakości Energii Elektrycznej AGH wykonali pomiary wskaźników jakości dostawy energii elektrycznej oraz parametrów sieci pod kątem mocy biernej i współczynnika mocy w kilku podziemnych zakładach górniczych. W tym artykule zostaną przedstawione przykładowe wyniki pomiarów mocy czynnej i biernej oraz wskaźnika tg , który jest wykorzystywany we wzajemnych rozliczeniach z operatorami systemów dystrybucyjnych.

Na rysunku 11. przedstawiono przebieg mocy czynnej i biernej dla maszyny wyciągowej zainstalowanej w zakładzie górniczym przed jej modernizacją. Zastąpiono układ Leonarda przekształtnikami statycznymi, które zasilają silnik wyciągowy, który pozostał z demontowanego układu. Moc silnika to 2,5 MW. Na rysunku 11. pokazano przebiegi mocy po zainstalowaniu układu przekształtnikowego.

Porównanie przebiegów sprzed i po modernizacji maszyny nie daje bezpośrednio możliwości sformułowania wniosków co do wpływu wprowadzonych zmian na gospodarkę mocą bierną.

W tabeli 1. przedstawiono wartości liczbowe, uzyskane na podstawie pomiarów, prowadzonych przez siedem dni. Poszczególne rodzaje mocy zmniejszyły się z uwagi na zmniejszenie mocy zainstalowanej (likwidacja maszyn tworzących układ Leonarda). Należy zwrócić uwagę, że pogorszeniu uległy warunki pracy sieci z punktu widzenia przepływów mocy biernej, co może powodować skutki ekonomiczne. 

Na rysunku 12. przedstawiono procentowy udział poszczególnych, charakterystycznych przedziałów wartości tgφ w stosunku do całego czasu trwania pomiaru. Zmniejszył się czas, w którym, utrzymywano prawidłowy poziom tego wskaźnika. Analizując zmianę wartości wskaźnika tgφ, z punktu widzenia gospodarki mocą bierną stan po modernizacji jest mniej korzystny.

Z wykresu wynika, że warunki pracy uległy pogorszeniu. O ponad 100% zwiększył się czas, kiedy układ nie był skompensowany pod względem mocy biernej, czyli przekroczona była maksymalna wartość wskaźnika tgφ.

Sposoby kompensacji mocy biernej

W zakładach górniczych, ze względu na konieczność ograniczania kosztów, stosowane są różne metody ograniczania mocy biernej, która jest efektem pracy wielu urządzeń. Jednak ze względu na specyfikę pracy (częste rozruchy i hamowania napędu), najbardziej kłopotliwym pod tym względem jest napęd maszyny wyciągowej. Jeżeli założony cykl jazdy wyciągu skipowego jest równy 90 s, to przez ok. 30% tego czasu maszyna pracuje pobierając moc bierną. W ciągu godziny, są to udary mocy biernej o łącznym czasie trwania ok 18 minut. Jest to powód do szukania rozwiązań, które będą mogły kompensować to zjawisko w sposób dynamiczny.

Do najczęściej stosowanych metod kompensacji mocy biernej w zakładach górniczych należy zaliczyć:

1. baterie kondensatorów włączane w zależności od aktualnie prowadzonego wydobycia, czyli mocy uruchomionych urządzeń. Układ jest mało wydajny, ze względu na możliwość łatwego przekompensowania. W zakładach, gdzie taki system jest stosowany, występują problemy niedokompensowania lub przekompensowania. Najczęściej jest to przekompensowanie z uwagi na niewyłączenie układu w dni, w których nie jest prowadzone wydobycie i nie pracują główne źródła mocy biernej o charakterze indukcyjnym,

2. maszyny synchroniczne – nie jest to system oparty na nowo instalowanych maszynach wirujących. Jest stosowany ze względu na to, że pozostałością po modernizacji układów Leonarda były właśnie maszyny synchroniczne. Zmniejszenie kosztów inwestycyjnych budowy układów kompensacji uzyskiwano poprzez wykorzystanie tych maszyn, gdzie zmieniając parametry wzbudzenia można regulować moc bierną wytwarzaną przez maszynę. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie tego typu kompensatorów w zamkniętym układzie regulacji – dzięki temu możliwe jest prowadzenie gospodarki mocą bierną. Przykładem takiego kompleksowego rozwiązania był układ zrealizowany w KWK Brzeszcze przy współpracy z AGH. Należy zaznaczyć, że ten typ kompensacji mocy biernej należy do najdroższych w eksploatacji i nie jest rekomendowany do budowy jako nowe urządzenia,

3. kompensatory energoelektroniczne – są to urządzenia, których konstrukcja umożliwia współpracę z najbardziej uciążliwymi, szybkozmiennymi obciążeniami. Dlatego też zastosowanie ich we współpracy z maszyną wyciągową jest zasadne. Stosowane są:

• baterie kondensatorów załączane łącznikami tyrystorowymi (TSC),
• układy ze stałymi bateriami kondensatorów i sterownikami podstawowej harmonicznej prądu indukcyjnego (FC/TCR),
• układy z przełączalnymi za pomocą łączników tyrystorowych bateriami kondensatorów i sterownikami podstawowej harmonicznej prądu indukcyjnego (TSC/TCR), układy STATCOM.

Wszystkie te układy są szeroko opisane w literaturze [1, 2] i ciągle są rozwijane poprzez zastosowanie nowych rozwiązań zarówno w dziedzinie materiałoznawstwa elektrotechnicznego (np. nowe materiały stosowane w kondensatorach), jak również w układach energoelektronicznych (np. układy wielopoziomowe),

4. zastosowanie napędu z silnikiem synchronicznym. Jest to sposób, który może być stosowany w przypadku budowy nowej lub głębokiej modernizacji istniejącej maszyny wyciągowej. Zastosowanie wolnoobrotowego silnika synchronicznego daje możliwość zasilania go poprzez pośredni przemiennik częstotliwości. Na rysunku 13. przedstawiono schemat ideowy takiego rozwiązania.

Układ ten jest szczególny pod względem pobieranej mocy biernej. Obwód stojana silnika zasilany jest poprzez pośredni przemiennik częstotliwości, który składa się z dwóch podstawowych układów: prostownika i falownika. To, w jaki sposób cały układ napędowy oddziałuje na sieć zasilającą, jest zależne od konstrukcji i sposobu sterowania prostownika jako układu wejściowego. W nowoczesnych rozwiązaniach [6] stosowane są prostowniki o prawie jednostkowym współczynniku mocy. Zastosowanie takiego układu powoduje, że maszyna „postrzegana” jest przez sieć zasilającą jako obciążenie o charakterze prawie wyłącznie rezystancyjnym. Podawany w kartach katalogowych cos  takiego układu wynosi 0,99. Nie jest konieczne zastosowanie wtedy dedykowanego układu kompensacji mocy biernej. Pierwszy układ w takiej konfiguracji w napędzie maszyny wyciągowej został uruchomiony w ZG Janina w Libiążu należącym do Tauron Wydobycie S.A., a zbudowała go firma SIEMAG-TECBERG światowy lider w tego typu rozwiązaniach. W układach tych pojawia się nowy rodzaj negatywnego oddziaływania na sieć zasilającą – składowe prądu/napięcia o częstotliwościach z zakresu 2,5 – 150 kHz, tzw. supraharmoniczne.

Podsumowanie

Pomimo panującej opinii, że czas krajowego górnictwa mija, należy pamiętać, że górnictwo to nie tylko wydobywanie węgla kamiennego energetycznego. Ze względu na to, nie można pozostawiać problemów związanych z funkcjonowaniem sieci elektroenergetycznych kopalń zupełnie bez rozwiązania. Problemy związane z gospodarką mocą bierną w tych zakładach będą narastały z uwagi na postępującą wciąż automatyzację procesów i stosowanie urządzeń degradujących parametry energii elektrycznej.

W artykule przedstawiono w sposób skrótowy i poglądowy główne problemy związane z mocą bierną, która jest wynikiem pracy maszyn wyciągowych, jako największego układu napędowego w kopalni.

Z przeprowadzonych analiz wynika, że problemy związane z poborem mocy biernej mogą już zostać rozwiązane na etapie projektowania maszyny wyciągowej poprzez następujące założenie: najlepiej byłoby nie pobierać mocy biernej, wtedy nie będą potrzebne urządzenia do jej kompensacji.

Literatura

1. Hanzelka Z.: Jakość dostawy energii elektrycznej. Zaburzenia wartości skutecznej napięcia. Wydawnictwa AGH, Kraków 2013. 
2. Piróg S.: Energoelektronika. Układy o komutacji sieciowej i o komutacji twardej. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH. Kraków 2006. 
3. Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących prowadzenia ruchu podziemnych zakładów górniczych.
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. 
5. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych.
6. Stewart A. T.: AC Drive Selection for Mine Hoists, Proceedings of the International Conference on Hoisting and Haulage, HOIST & HAUL 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!