Uniwersalny układ napędu elektrycznego podwyższający poziom bezpieczeństwa technicznego maszyn górniczych
![Uniwersalna maszyna typu dh L600 [3]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/uklad-napedu-elektrycznego-rys1.jpg)
Uniwersalna maszyna typu dh L600 [3]
W artykule przedstawiono stan wiedzy w zakresie stosowanych układów zasilania spągoładowarek górniczych. Zaprezentowano wyniki badań zapotrzebowania na energię przedmiotowej maszyny, na podstawie których sprecyzowano założenia techniczno-technologiczne innowacyjnego rozwiązania. Zaprezentowano również przebieg dalszych prac zmierzających do opracowania ww. układu zasilającego oraz wskazano perspektywy rozwoju napędów górniczych maszyn małej mechanizacji w perspektywie najbliższych lat.
Zobacz także
dr inż. Adrian Bilski Metoda prognozy produkcji energii wiatrowej z horyzontem jednodniowym oparta na algorytmach sztucznej inteligencji
Rozwój współczesnej energetyki zmierza w kierunku uzyskania największego udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym, reprezentowanej przez energię wiatrową pozyskiwaną z turbin oraz energię słoneczną...
Rozwój współczesnej energetyki zmierza w kierunku uzyskania największego udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym, reprezentowanej przez energię wiatrową pozyskiwaną z turbin oraz energię słoneczną pozyskiwaną z paneli fotowoltaicznych [1, 2]. Przewaga energetyki wiatrowej nad słoneczną wynika z jej większych zasobów środowiskowych oraz bardziej efektywnej technologii wytwarzania energii [3, 4].
Redakcja Elektro.info.pl Integracja systemów sterowania szansą na zwiększenie rentowności w przemyśle
Podczas rozmów o zwiększaniu rentowności zakładów przemysłowych na pierwszy plan wysuwa się cyfryzacja jako narzędzie do optymalizowania efektywności działań. Jednak zbieranie i analiza informacji płynących...
Podczas rozmów o zwiększaniu rentowności zakładów przemysłowych na pierwszy plan wysuwa się cyfryzacja jako narzędzie do optymalizowania efektywności działań. Jednak zbieranie i analiza informacji płynących z Internetu rzeczy to nie wszystko – równie ważnym elementem inteligentnej fabryki są dobrze przemyślane panele sterowania, zawierające intuicyjne i ergonomiczne interfejsy przemysłowe, które można personalizować zgodnie z potrzebami firmy.
dr hab. inż. Paweł Piotrowski, mgr inż. Maciej Zawistowski Wybrane aspekty energetyki wiatrowej w Polsce (część 1.)
Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce to zjawisko dość nowe o dużej dynamice zmian. W ostatnich latach szczególnie dynamicznie rosła liczba turbin wiatrowych oraz ich moc. Z uwagi na koszty tej technologii...
Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce to zjawisko dość nowe o dużej dynamice zmian. W ostatnich latach szczególnie dynamicznie rosła liczba turbin wiatrowych oraz ich moc. Z uwagi na koszty tej technologii produkcji energii elektrycznej dużą rolę w jej rozwoju odgrywa polityka danego państwa oraz obowiązujące przepisy. Zmiana przepisów zahamowała w ostatnim roku trend rosnący. Z drugiej strony konieczność ograniczenia w Polsce emisji CO2 sprawia, że od inwestycji w OZE nie ma w praktyce odwrotu.
W artykule:• Spągoładowarki z napędem elektrycznym – przegląd rozwiązań• Pomiar zużycia energii spągoładowarki górniczej • Obiekt, zakres i przebieg badań • Koncepcja układu zasilająco-sterującego spągoładowarki |
StreszczenieSpągoładowarki są powszechnie stosowanymi maszynami w polskim górnictwie węglowym, do prac związanych z odpowiednim utrzymaniem spągu w wyrobiskach korytarzowych. Są to maszyny samobieżne, na podwoziu gąsiennicowym o napędzie elektrohydraulicznym. Podczas drążenia pompa hydrauliczna napędzana jest silnikiem elektrycznym, zasilanym za pośrednictwem rozwijanego kabla podłączonego do kopalnianej sieci elektroenergetycznej. Wadą takiego rozwiązania jest ograniczona mobilność oraz narażenie rozwijanego kabla na uszkodzenia mechaniczne. W związku z powyższym, podjęto prace nad opracowaniem układu napędowego zasilanego z baterii ogniw. Ww. prace podjęto w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG, przy współpracy z producentem maszyn górniczych firmą HYDROTECH S.A.AbstractRoadheading machines are commonly used in Polish coal mining, for works related to proper maintenance of the false floor in the corridor excavations. These are self-running machines on a tracked electro-hydraulic drive chassis. During drilling, a hydraulic pump driven by an electric motor, powered by a drop-down cable connected to the mine power network. The disadvantage of this solution is the limited mobility and exposure of the cable to the mechanical damage. In connection with the above, work was undertaken to develop a drive system powered by battery cells. This work was undertaken at the KOMAG Institute of Mining Technology, in cooperation with the mining machinery manufacturer HYDROTECH S.A. This article presents the state of knowledge in the scope of applied mining supply systems. The results of research on the energy demand of the machine were presented, based on which the technical and technological assumptions of the innovative solution were specified. The course of further work to develop the abovementioned the power supply system and the prospects for the development of mining drives for small mechanization machines in the perspective of the coming years. |
Spągoładowarki są powszechnie stosowanymi maszynami w polskim górnictwie węglowym do pobierki spągu (rys. 1.) oraz prac załadowczych podczas drążenia wyrobisk korytarzowych techniką strzelniczą, gdzie wymagane jest usunięcie pozostawionych po odstrzeleniu fragmentów skały płonnej i węgla z ociosów oraz stropu [1, 2, 5, 6]. Służą również do podciągania materiałów typu: rury, pręty, szyny itp. w różnych miejscach przebudów infrastruktury kopalnianej [4]. Są maszynami samobieżnymi na podwoziu gąsiennicowym, o napędzie elektrohydraulicznym. Wadą stosowanych rozwiązań jest ograniczona mobilność oraz narażenie kabla zasilającego na uszkodzenia mechaniczne.
Innowacyjne rozwiązanie spągoładowarki ograniczające ww. problem jest realizowane w ramach projektu pt. ”Innowacyjna maszyna mobilna z uniwersalnym układem napędu elektrycznego, podwyższającym poziom bezpieczeństwa technicznego” HYDKOM 75 w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020. Projekt realizowany w ramach konsorcjum (jednostka naukowo-badawcza – Instytut Techniki Górniczej KOMAG jako lider i partner przemysłowy – HYDROTECH S.A.). Celem projektu jest zaprojektowanie, wykonanie oraz przebadanie ww. maszyny górniczej. Maszyna dostosowana będzie do prac związanych z utrzymaniem właściwego stanu spągu w wyrobiskach górniczych potencjalnie zagrożonych wybuchem metanu lub/i pyłu węglowego.
Spągoładowarki z napędem elektrycznym – przegląd rozwiązań
Na rynku polskim obecnych jest kilku producentów spągoładowarek. Przeprowadzona analiza stanu wiedzy nie wykazała, aby którykolwiek z nich oferował maszynę zasilaną z baterii akumulatorów. Maszyny te rozwijane są pod kątem wielofunkcyjności (zastosowanie wymiennego osprzętu w postaci lawety wiercącej, organu urabiającego), spełnienia certyfikatów (SIL2) oraz możliwości zdalnego sterowania.
Wyposażenie elektryczne dostępnych na rynku spągoładowarek spełnia wymagania dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, wynikające z Rozporządzenia Ministra Rozwoju z dnia 6 czerwca 2016 r. w sprawie wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej (DzU 2016 r., poz. 817). Stosowane obecnie spągoładowarki zasilane są z elektroenergetycznej sieci kopalnianej za pośrednictwem rozwijanego przewodu oponowego, o ograniczonym zasięgu pracy wynikającym z jego długości. W trakcie przemieszczania się maszyny, rozwijany przewód narażony jest dodatkowo na mechaniczne uszkodzenia. Zainstalowane moce w tych maszynach wynoszą od 30 kW do 90 kW, przy napięciu zasilania od 500 V do 1140 V.
W związku z ww. wadami oraz kierując się rozwojem techniki w zakresie baterii akumulatorów, zasadnym jest podjęcie prac zmierzających w kierunku wprowadzenia zasilania bateryjnego w spągoładowarkach górniczych. Wyeliminowanie wskazanych ograniczeń niesie za sobą szereg zalet, a główną z nich jest poprawa bezpieczeństwa pracy załóg górniczych oraz zwiększenie dyspozycyjności oraz mobilności maszyny.
Pomiar zużycia energii spągoładowarki górniczej
Zapotrzebowanie na energię jest jednym z zasadniczych problemów, z jakimi mierzą się konstruktorzy oraz użytkownicy maszyn górniczych. Ograniczenie zużycia energii przy podwyższeniu bezpieczeństwa eksploatacji jest głównym z zadań stawianych konstruktorom już na etapie opracowania założeń nowych oraz modernizacji istniejących maszyn. W tym celu przeprowadzono identyfikację w zakresie zużycia energii elektrycznej spągoładowarki. Przeprowadzono badania w warunkach quasi-rzeczywistych na stanowisku w firmie HYDROTECH S.A.
Obiekt badań
Obiektem badań była spągoładowarka typu BH 3000 (rys. 2.) produkowana przez firmę HYDROTECH S.A. i eksploatowana w podziemiach kopalń węgla kamiennego (np. KWK Bogdanka).
Rys. 2. Spągoładowarka typu BH 3000 [7]
Zakres badań
Zakres badań obejmował wykonanie pomiaru i rejestracji zużycia energii elektrycznej spągoładowarki podczas jej eksploatacji w celu określenia możliwości zastosowania jako źródła zasilania baterii ogniw. W tym celu zainstalowano aparaturę pomiarowo-rejestrującą na dopływie zasilania wyłącznika głównego spągoładowarki w postaci uniwersalnego analizatora sieci elektrycznych połączonego w układzie Arona. Wyniki z pomiarów rejestrowane były w pamięci urządzenia. Rejestrowano zużycie energii podczas pracy maszyny ze znamionowym oraz maksymalnym ciśnieniem układu hydraulicznego.
Przebieg i wyniki badań
Pomiarów dokonano na trójfazowym odpływie kopalnianego wyłącznika stycznikowego typu OW-0208M, zasilającego bezpośrednio spągoładowarkę. Rejestrowano przebieg napięcia (U), prądu (I) oraz mocy (P) z podziałem na moc czynną, bierną indukcyjną i pojemnościową. Częstotliwość rejestracji danych wynosiła 1 Hz. Analizator sieci na podstawie zarejestrowanych danych wyliczył zużycie energii elektrycznej. Operator spągoładowarki wykonywał symulowaną pracę, polegającą na przejazdach do przodu oraz w tył (droga ok. 3 m), z jednoczesnym manewrowaniem wysięgnikiem. W naczyniu wysięgnika umieszczono materiał o masie 600 kg.
Pomiary wykonano przy znamionowym ciśnieniu w układzie hydraulicznym oraz dla ciśnienia podwyższonego do wartości symulującej pracę przy obciążeniu maksymalnym. W tabeli 2. zestawiono wyniki parametrów elektrycznych zarejestrowane podczas badań.Na podstawie przeprowadzonych pomiarów określone zostało zużycie energii przez badaną maszynę – spągoładowarka BH 3000. Podczas pierwszej próby, trwającej przez 84 minuty, maszyna zużyła energię o wartości E » 42 kWh. Podczas drugiej próby trwającej przez 8 minut, maszyna zużyła energię o wartości E » 5 kWh.
Tab. 2. Wyniki pomiarów parametrów elektrycznych podczas badań spągoładowarki typu BH 3000 [7]
Ponieważ w trakcie badań maszyna pracowała z maksymalnym dopuszczalnym obciążeniem, wykonując przy tym wszystkie możliwe operacje ruchowe (jazda, podnoszenie i opuszczanie wysięgnika, obracanie naczynia i wysięgnika, wysuwanie klapy naczynia), założono, że były to najcięższe warunki zapotrzebowania energetycznego. Bazując na doświadczeniu z projektowania maszyn wyposażonych we własne źródło zasilania oraz w oparciu o informacje pozyskane od producenta odnośnie cyklu pracy realizowanego przez spągoładowarki pracujące w kopalniach, założono, że dla maszyny zasilanej z baterii ogniw, wartość energii powinna wynosić E » 75 kWh, co umożliwi pracę maszyny w trakcie trwania jednej zmiany roboczej.
Koncepcja układu zasilająco-sterującego spągoładowarki
Po konsultacjach z użytkownikami i producentami górniczych spągoładowarek, przy uwzględnieniu wyników badań zapotrzebowania na energię spągoładowarki typu BH 3000, opracowano założenia koncepcyjne dla innowacyjnego układu zasilająco-sterującego przedmiotowej maszyny górniczej.
Źródło zasilania
Założono zasilanie maszyny energią elektryczną za pośrednictwem tzw. elektrycznej hybrydy. Jest to układ bazujący na zasilaniu przewodowym z sieci kopalnianej oraz dodatkowo niezależnym zasilaniu z baterii ogniw. Zakłada się, że maszyna będzie zasilana z baterii ogniw. Po jej rozładowaniu możliwe będzie zasilenie maszyny z sieci kopalnianej, przy jednoczesnym jej ładowaniu. Po naładowaniu baterii, maszyna będzie ponownie zasilana z baterii ogniw. W związku z powyższym, należało uwzględnić parametry zasilania sieci kopalnianej. Obecnie spągoładowarki zasilane są z kopalnianych wyłączników stycznikowych trójfazowym prądem przemiennym o napięciu 500 V.
Chcąc zachować funkcjonalność maszyny, bateria ogniw powinna mieć napięcie o wartości nominalnej 720 V DC. Zdecydowano się na zastosowanie ogniw typu LiFePO4, które w oparciu o przeprowadzoną analizę zapewniają odpowiednio wysoką gęstość energii, przy zachowaniu odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Obowiązujące przepisy dotyczące stosowania ogniw w podziemiach kopalń zagrożonych wybuchem nakazują stosowanie wyłącznie połączeń szeregowych, stąd zachodzi możliwość zwiększania napięcia przy zachowaniu pojemności pojedynczego ogniwa. W tym celu wybrano ogniwa o pojemności 100 Ah w liczbie 224 sztuk, połączonych szeregowo. Łącznie bateria ogniw będzie miała energię 75 kWh. Bateria będzie się składać z czternastu modułów po 16 ogniw. Na rysunku 3. pokazano pojedynczy zestaw ogniw (modułu) w kasecie ochronnej.
Rys. 3. Pojedynczy zestaw ogniw w kasecie ochronnej [7]
W celu nadzorowania pracy baterii opracowano nowoczesny system BMS, wyposażony w aktywny układ balansowania ogniw. System ten zostanie poddany testom porównawczym z dostępnymi na rynku rozwiązaniami z pasywnym układem balansowania ogniw. Wyniki testów umożliwią wybranie docelowego układu nadzoru pracy baterii ogniw. Przewiduje się możliwość ładowania baterii bezpośrednio z sieci prądem odpowiadającym znamionowemu silnika elektrycznego. Czas ładowania będzie odpowiadał czasowi rozładowania, przy założonym znamionowym obciążeniu. Praca spągoładowarki z obciążeniem mniejszym od znamionowego wydłuży czas pracy maszyny.
Przekształtnik energoelektroniczny
Głównym elementem wyposażenia elektrycznego nowego układu zasilająco-sterującego będzie przekształtnik, w pełni sterowalny, spełniający funkcje falownika i zasilacza baterii. Napięcia pomocnicze AC i DC wymagane do obsługi maszyny i zasilania zabezpieczeń, uzyskane będą z napięcia 500 V. Z uwagi na występujące wyższe harmoniczne, w czasie przekształcania napięcia zasilania z baterii przez falownik, wymagane będzie zastosowanie odpowiednich filtrów. Przekształtnik będzie zasilał silnik elektryczny typu dSLg250M4-EP (trójfazowy, asynchroniczny silnik elektryczny, dostosowany do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem).
Jest on powszechnie stosowany w górnictwie, również w dotychczasowych układach napędowych spągoładowarek górniczych. Opracowano cztery koncepcje przekształtników energoelektronicznych. Ustalono z producentem, że najlepszym rozwiązaniem będzie topologia 2 (rys. 4.), która jest najmniej kosztownym rozwiązaniem przy zachowaniu założonych funkcjonalności spągoładowarki. Falownik oraz ładowarka będą pracowały na wspólnej linii zasilania silnika napędowego pompy hydraulicznej. Po rozładowaniu baterii, poprzez odpowiednią sekwencję przełączeń, po podłączeniu przewodu zasilającego, system umożliwi ładowanie baterii oraz bezpośrednie zasilenie silnika napędowego z elektrycznej sieci kopalnianej, co zwiększy funkcjonalność maszyny w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań.
Rys. 4. Topologia nr 2 systemu [7]
System sterowania
Dodatkową funkcją nowego układu będzie bezprzewodowy system sterowania i komunikacji. Dotychczasowe funkcje sterowania realizowane są za pośrednictwem manipulatora znajdującego się w pulpicie operatora. Nowy system sterowania bezprzewodowego, będzie bazować na opracowanym w KOMAG-u systemie „Bluester”. System ten przystosowany jest do pracy w wyrobiskach górniczych, w których występuje zagrożenie niebezpieczeństwa wybuchu metanu stopnia „a”, „b” i „c” oraz zagrożenia wybuchem pyłu węglowego klasy A i B. System składa się z odbiornika i pilota (rys. 5.). Odbiornik jest mikroprocesorowym urządzeniem służącym do odbierania sygnałów sterujących wysyłanych z bezprzewodowego pilota. Moduł odbiornika generuje sygnały sterujące maszyną. Zaletą pilota jest możliwość komunikacji ze sterownikiem MIS-1 (rys. 6.), który ogranicza konieczność stosowania odbiornika.
Rys. 5. Odbiornik i pilot systemu bezprzewodowego sterowania „Bluester” [7]
Rys. 6. Sterownik MIS-1 [7]
Zatem sygnały wysyłane będą za pośrednictwem pilota do sterownika MIS-1. Sterowanie radiowe spągoładowarki ograniczy się do jazdy, gdyż tylko ta funkcjonalność jest potrzebna operatorom maszyny. W spągoładowarce zastosowane zostaną elektrozawory, wysterowane po naciśnięciu odpowiedniego przycisku na pilocie. Wybór sterowania radiowego na pulpicie sterowniczym będzie skutkował zmniejszeniem prędkości silnika elektrycznego (prędkość jazdy spągoładowarki będzie mniejsza niż podczas jazdy w trybie lokalnym).
Podsumowanie
W artykule omówiono prace wstępne przeprowadzone w ramach realizacji projektu HYDKOM 75 pt. „Innowacyjna maszyna mobilna z uniwersalnym układem napędu elektrycznego, podwyższającym poziom bezpieczeństwa technicznego”, który realizowany jest w ramach umowy nr POIR.04.01.02-00-0102/16 z Narodowym Centrum Badań i Rozwoju. Projekt jest współfinansowany z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, Program Operacyjny Innowacyjny Rozwój, Działanie 4.1.2 Regionalne agendy naukowo-badawcze. Omówiono w skrócie rynek spągoładowarek, ze szczególnym zwróceniem uwagi na maszyny z napędem elektrycznym. Przedstawiono wyniki badań zapotrzebowania na energię elektryczna wybranej spągoładowarki, na podstawie których określono ilość energii (75 kWh), jaką powinna posiadać bateria ogniw przewidziana do zasilania nowego układu zasilająco-sterującego spągoładowarki górniczej.
Opisano koncepcję innowacyjnego układu zasilająco-sterującego nowej maszyny, skupiając się na głównych elementach wyposażenia elektrycznego: źródło zasilania – przekształtnik – system sterowania. Rozszerzenie funkcjonalności maszyny o sterowanie bezprzewodowe, umożliwi zwiększenie bezpieczeństwa operatora poprzez jego oddalenie od maszyny przy wykonywaniu manewrów jazdy, zaś zastosowanie baterii ogniw o wysokiej gęstości energii z integrowanej w jednej obudowie z układem ładowania pozwoli na praktycznie ciągłą pracę maszyny. Wprowadzenie elementów elektromobilności w podziemiach kopalń jest zgodne z przyjętym kierunkiem rozwoju napędów zeroemisyjnych. Przed konsorcjum KOMAG – HYDROTECH istnieje jeszcze szereg trudnych i czasochłonnych prac zmierzających do wdrożenia nowego rozwiązania spągoładowarki w górnictwie. Przewidywany okres wdrożenia innowacyjnego rozwiązania to lata 2019–2020.
Literatura:
- M. Kalita, Spągoładowarka górnicza jako wielofunkcyjna maszyna robocza z podwoziem gąsienicowym o szerokości 1000 mm, Nowoczesne metody eksploatacji węgla i skał zwięzłych, Materiały KonferencyjneTUR 2011, s. 270–278, 2011.
- A. Klich, Maszyny i urządzenia dla inżynierii budownictwa podziemnego, Praca zbiorowa, Katowice 1999.
- M. Maas, A. Torka, Maszyny specjalne do górnictwa podziemnego: projekty i nowe rozwiązania firmy Deilmann-Haniel, Szkoła eksploatacji podziemnej, Materiały konferencyjne nr 2219, s. 1–9, 2014.
- M. Maas, Wquipment for underground mining: Projects and new developments at Deilmann-Haniel Mining Systems GmbH, Mining Report Gluckauf, nr 4, s. 223–227, 2014.
- H. Przybyła, A. Chmiela, Technika i organizacja w robotach przygotowawczych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
- E. Remiorz, Wyznaczenie masy krytycznej urobku e czerpaku ładowarki do pobierki spągu, Archivs of Mining, nr 3, s. 531–543, 2017.
- Sprawozdanie z projektu realizowanego w ITG KOMAG nr POIR.04.01.02-00-0102/16. Rok 2017 – materiały niepublikowane.
- Artykuł został wygłoszony w formie referatu na konferencji SEMAG 2018 – Mysłowice, 28–30.05.2018.
