Koncepcja nowego napędu i sterowania dla lokomotyw akumulatorowych

3.1. Koncepcja napędu

Uwzględniając uwagi uŜytkowników oraz trendy po- jawiające się w zagranicznych konstrukcjach [4], przys- tąpiono do prac nad nowym rozwiązaniem napędu i sterowania lokomotywy akumulatorowej. Analizowano czynniki związane z eksploatacją lokomotyw akumu- latorowych tj:

−−−− poziom napięcia zasilania,

−−−− czas pracy lokomotywy bez wymiany baterii,

−−−− monitoring i rejestrację parametrów pracy,

48 MASZYNY GÓRNICZE 2/2011

−−−− przewoŜone masy,

−−−− system ładowania baterii,

−−−− cykl pracy (załadunek, jazda, hamowanie, wyładu- nek itp.),

−−−− sposób załadunku i wyładunku,

−−−− maksymalne prędkości jazdy lokomotywy,

−−−− konfigurację tras transportowych.

W wyniku analiz stwierdzono, Ŝe napięcie zasilania baterii akumulatorów naleŜy pozostawić na dotychcza- sowym poziomie, z uwagi na szeroko stosowaną infra- strukturę ładowni i ładowarek. W zakresie czasu pracy baterii, oczekiwania uŜytkownika zmierzają w kierunku jego wydłuŜenia, poprzez zwiększenie pojemności ba- terii akumulatorów lub poprzez zwiększenie spraw- ności układu zasilania „przekształtnik-silnik”, jak rów-

Cykl pracy

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

t [s]

V [m/s]

praca z momentem nominalnym Mn praca z momentem równym 0,3*Mn

Rys.5. Przykładowy cykl pracy lokomotywy [1]

Rys.6. Bezszczotkowy silnik synchroniczny z magnesami trwałymi na stanowisku badawczym [1]

MASZYNY GÓRNICZE 2/2011 49 nieŜ maksymalne wykorzystanie energii hamowania

elektrycznego do doładowania akumulatorów. Pozosta- łe informacje uzyskane w trakcie przeprowadzenia analiz stanowią wiedzę źródłową do prawidłowego roz- wiązania układu sterowania, rejestracji parametrów i monitoringu. Z rozwaŜań nad układem przeniesienia napędu wynika, Ŝe dotychczasowy układ napędowy, w postaci jednego silnika i przeniesienia napędu na dwie osie za pomocą wałów Cardana jest awaryjny i nie spełnia oczekiwań w zakresie funkcjonalności (kaŜdo- razowa awaria układu napędowego powoduje unieru- chomienie lokomotywy). W dotychczasowych wykona- niach brak jest równieŜ monitoringu i rejestracji wszyst- kich istotnych parametrów pracy lokomotywy.

Koncepcja nowego układu napędowego, przewi- duje dwie jednostki napędowe, składające się z silnika i przekształtnika energoelektronicznego, w wykonaniu przeciwwybuchowym. Analizie poddano trzy warianty jednostek napędowych z silnikami:

− szeregowym prądu stałego, sterowanym tranzys- torami mocy,

− indukcyjnym prądu przemiennego, sterowanym wektorowo, z przekształtnika tranzystorowego,

− bezszczotkowym z magnesami trwałymi, sterowa- nym wektorowo z przekształtnika tranzystorowego.

W ramach projektu badawczego rozwojowego pt.

„Mechatroniczny układ napędowy do pojazdów szyno- wych przeznaczonych do pracy w atmosferze wybu- chowej”, dofinansowanego przez ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyŜszego, przeprowadzono symulacje komputerowe wszystkich wariantów jednostek napędo- wych, podczas rzeczywistego cyklu pracy lokomotywy w jednej z kopalń. Następnie, po odwzorowaniu ww.

cyklu w warunkach laboratoryjnych (rys. 5), przeprowa- dzono próby wszystkich wariantów napędu na stano- wisku badawczym (rys. 6). Przeprowadzone próby skło- niły do podjęcia decyzji o zastosowaniu wariantu z bez- szczotkowym silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi o mocy 18 kW, sterowanym wektorowo z przeksz- tałtnika tranzystorowego.

Koncepcja nowego napędu przewiduje, Ŝe obie jed- nostki napędowe lokomotywy będą zasilane z baterii akumulatorów o podwyŜszonej pojemności ogniw (1000 Ah) i napięciu na dotychczasowym poziomie (144 V). Baterię akumulatorów opracowano i wyko- nano zgodnie z wymaganiami dla urządzeń pracują- cych w pomieszczeniach zagroŜonych wybuchem me- tanu i pyłu węglowego. Będzie ona równieŜ dostoso- wana, w zakresie montaŜu i demontaŜu oraz podłą- czenia przewodów do obecnie stosowanych ładowa- rek, do istniejącej infrastruktury ładowni akumulatorów.

3.2. Koncepcja układu sterowania

Schemat rozmieszczenia aparatury elektrycznej lo- komotywy pokazano na rysunku 7. Koncepcja rozwią-

zania systemu sterowania polega na zastosowaniu dwóch identycznych, iskrobezpiecznych pulpitów (po- zycje PS1 i PS2 na rys. 7), umieszczonych w kabi- nach. KaŜdy pulpit będzie wyposaŜony w mikroproce- sorowy sterownik spełniający funkcję sterownika cen- tralnego oraz w:

− wyświetlacz (ekran) ciekłokrystaliczny o wysokiej rozdzielczości,

− przycisk wyłączenia awaryjnego z blokadą,

− diodę sygnalizującą obecność napięcia,

− diodę sygnalizującą załączenie lokomotywy,

− przyciski START do załączenia i STOP do wyłą- czenia lokomotywy,

− przycisk zmiany świateł: krótkie/długie,

− stacyjkę do wyboru rodzaju sterowania,

− łącznik wyboru rodzaju sterowania zdalnego: holo- wanie/praca na wywrocie/załadunek,

− łącznik wyboru kierunku jazdy,

− przyciski serwisowe.

Ekran ciekłokrystaliczny umoŜliwiać będzie wyś- wietlanie:

− komunikatów tekstowych,

− aktualnej prędkości jazdy w m/s,

− aktualnej daty oraz godziny,

− ilości przebytych kilometrów (dobowych oraz cał- kowitych),

− napięcie baterii oraz pobieranego przez lokomo- tywę prądu całkowitego,

− wartości prądu pobieranego przez poszczególne silniki,

− aktualnej temperatury poszczególnych silników oraz przekształtników,

− stan naładowania akumulatora,

− wybrany rodzaju świateł (krótkie /długie),

− ciśnienia w układzie hamulców,

− wybranego kierunku jazdy.

Do sterowania prędkością oraz hamowaniem prze- widuje się zastosowanie, w kaŜdej kabinie, manipula- tora z funkcją „czuwaka”, z moŜliwością nadawania sygnałów ostrzegawczych. Wychylenie manipulatora z pozycji neutralnej, w kierunku jazdy, powodować będzie zwiększanie prędkości. Wychylenie manipula- tora w kierunku przeciwnym do kierunku jazdy, powo- dować będzie hamowanie elektryczne lokomotywy, z oddawaniem energii do baterii akumulatorów. Sche- mat układu sterowania przedstawiono na rysunku 8.

Całą aparaturę sterowniczą, wraz z zabezpieczeniami oraz przekształtnikiem energoelektronicznym, umiesz- czono w specjalnej ognioszczelnej skrzyni (pozycje PT1 i PT2 na rys. 7), w kaŜdej z kabin.

50 MASZYNY GÓRNICZE 2/2011

4. Podsumowanie

Rozwój energoelektroniki oraz układów mikropro- cesorowych umoŜliwia coraz szerszą modernizację napędów transportu dołowego, w tym lokomotyw elek- trycznych. Dotychczasowe rozwiązania układów napę- dowych wykorzystujące silniki szeregowe prądu stałe- go okazały się nieefektywne i awaryjne. Sprawność sil- ników prądu stałego jest gorsza od silników prądu przemiennego, a konieczność stosowania komutatora mechanicznego zwiększa koszty wykonania oraz wy- maga dodatkowej obsługi związanej z wymianą szczo- tek. Układ mechanicznego komutatora jest bardzo

wraŜliwy na przeciąŜenia i zanieczyszczenia pyłem, które są przyczynami częstych awarii. Aktualnie brak jest równieŜ na rynku producentów silników prądu sta- łego w wykonaniu przeciwwybuchowym.

Na podstawie przeprowadzonych analiz i symulacji komputerowych, w aspekcie zuŜycia energii elektrycz- nej z baterii akumulatorów, oraz stosowanych silników synchronicznych z magnesami trwałymi oraz silników prądu stałego wykazano, iŜ zastosowanie dwóch silni- ków synchronicznych z magnesami trwałymi moŜe po- prawić znacząco właściwości trakcyjne lokomotywy, przy nieznacznie większym zuŜyciu energii elektrycz- nej, w stosunku do stosowanego obecnie silnika prądu Rys.7. Koncepcja napędu i sterowania lokomotywy Lea BM-12 [Materiały własne nie publikowane]

Rys.8. Schemat blokowy sterowania lokomotywy akumulatorowej [Materiały własne nie publikowane]

MASZYNY GÓRNICZE 2/2011 51 stałego. Badania porównawcze silników prądu prze-

miennego wykazały przewagę silników z magnesami trwałymi, w stosunku do silników indukcyjnych klatko- wych, w zakresie efektywności energetycznej. Na su- maryczną sprawność układu „przekształtnik – silnik”

w całym cyklu pracy ma wpływ wyŜsza sprawność sa- mego silnika oraz moŜliwość odzysku energii w czasie hamowania. W obu przypadkach sprawność układu z silnikiem z magnesami trwałymi w zakresie badanych obciąŜeń była wyŜsza. Silnik z magnesami trwałymi posiada dodatkowo mniejszą masę i gabaryty w sto- sunku do silnika indukcyjnego klatkowego. Jedynym argumentem przemawiającym na jego niekorzyść jest jego obecna cena. Reasumując, naleŜy stwierdzić, Ŝe symulacje i badania opisane w niniejszym artykule wy- kazały jednoznacznie przewagę innowacyjnego napę- du z wykorzystaniem dwóch silników synchronicznych z magnesami trwałymi nad rozwiązaniami dotychczas stosowanymi w lokomotywach akumulatorowych. No- wo opracowana koncepcja sterowania wychodzi na- przeciw trendom jakie obserwuje się w inteligentnych rozwiązaniach układów napędowych w transporcie gór- niczym.

Literatura

1. Budzyński Z., Gąsior S., Niedworok A., Polnik B.:

„Badania wybranych rozwiązań napędu górniczej lokomotywy akumulatorowej”, Maszyny Elektrycz- ne – Zeszyty problemowe nr 91/2011 s. 9. Wydaw- ca: BranŜowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Ma- szyn Elektrycznych Komel.

2. Budzyński Z.: „Innowacyjne rozwiązania układów sterowania i napędów elektrycznych kolei szyno- wych”, Maszyny Górnicze 2010 nr 3-4/2010 s.176.

3. Sprawozdanie z Projektu Rozwojowego nr N R01 0009 06 (nie publikowane). Grudzień 2009.

4. Gierlotka S.: „Rozwój napędu trakcji elektrycznej w górnictwie podziemnym”, Napędy i Sterowanie, 2006 nr 11 s. 44.

5. Hefczyc M., Daniłow J.: „Lokomotywy kopalniane ognioszczelne akumulatorowe. Nowe rozwiązania układów sterowania napędem”, Mechanizacja i Au- tomatyzacja Górnictwa 1994 nr 10 (292).

6. Dokumentacja fotograficzna Instytutu Techniki Gór- niczej Komag.

Artykuł wpłynął do redakcji w maju 2011 r.

Recenzent: prof.dr hab.inŜ. Jerzy Świder

52 MASZYNY GÓRNICZE 2/2011