Koncepcja rozwiązania napędu i stero- wania dla lokomotyw akumulatorowych

Na głównych drogach transportowych podziemnych wyrobisk górniczych zagroŜonych wybuchem metanu i pyłu węglowego do ciągnięcia składów pociągowych stosuje się lokomotywy elektryczne akumulatorowe ty- pu Lea skonstruowane w latach 1970-1985. Lokomo- tywy słuŜą do transportu ludzi, urobku oraz materiałów związanych ze zbrojeniem ścian, eksploatacją i likwi- dacją ścian. W eksploatacji znajdują się równieŜ małe lokomotywy typu Ldag 05M. Wszystkie wersje lokomo- tyw napędzane są silnikami prądu stałego w wykona- niu przeciwwybuchowym zasilanym z baterii akumula- torów w wykonaniu specjalnym. Regulacja prędkości w starszych wykonaniach odbywa się za pomocą rezy- storów rozruchowych, w nowszych rozwiązaniach za pomocą łącznika tyrystorowego poprzez regulację prą- du wzbudzenia silnika. Zmiana kierunku wirowania sil- nika realizowana jest za pomocą dwóch styczników zmieniających kierunek przepływu prądu w obwodzie wirnika.

Charakterystykę techniczną lokomotyw akumulato- rowych przedstawiono w tabeli 2.

Lokomotywa Lea BM-15 po próbach ruchowych nie weszła do produkcji seryjnej, a lokomotywy Lea BM-8 praktycznie zostały wyparte przez lokomotywy Lea BM-12, które to stanowią zdecydowaną większość ca- łego taboru w kopalniach.

Silnik elektryczny za pomocą wałów Cardana i przekładni napędza obie osie lokomotywy. Do napędu stosuje się silnik prądu stałego: typ LDs-245, napięcie zasilania 144V DC.

Parametry silnika przy pracy D30:

− moc 38 kW,

Szerokość toru, mm 550÷750 600÷950 600÷950 600÷950 Siła pociągowa go-

przeciwwybuchowej IM2 EExeI , II2GD EExeII

3.1. Budowa lokomotywy

Szkielet lokomotywy składa się z trzech zasadni- czych części, tj. z części środkowej oraz kabiny przed- niej i tylnej. Na górze części środkowej usytuowane są trzy belki z rolkami, po których przesuwana jest bateria akumulatorów w czasie jej wymiany oraz zaczepy słu- Ŝące do mocowania baterii. We wnętrzu środkowej części szkieletu znajduje się jeden silnik elektryczny oraz pozostałe zespoły lokomotywy jak: hamulec, pia- secznica, zestawy kołowe, resory itp.

Pod siedzeniem w jednej kabinie znajduje się skrzynia aparatowa TUSO21 mocowana do podłogi kabiny, w której znajduje się przekształtnik tyrystorowy, układ sterowania ze sterownikiem oraz układ ochronny i pomiarowy.

W drugiej kabinie w analogicznym miejscu znajduje się skrzynia aparatowa TUSO22 mocowana do podłogi, w której znajdują się: styczniki; do realizacji nawrotu silnika, rozruchu i obwodu wzbudzenia oraz elementy dodatkowe obwodu wzbudzenia.

W kaŜdej kabinie znajduje się:

− nastawnik z dwoma dźwigniami nawrotu oraz roz- ruchu i hamowania wraz z rezystorami do nasta- wiania maksymalnego i minimalnego prądu wirnika,

− czuwak usytuowany pod nastawnikiem,

− zestaw wskaźników,

− przycisk dzwonka,

− przyciski oświetlenia.

Rys.10. Lokomotywa akumulatorowa Lea BM-12 (fot. KOMAG)

Rys.11. Widok kabiny lokomotywy Lea BM-12 (fot. KOMAG)

Rys.12. Koncepcja napędu i sterowania lokomotywy Lea BM-12

Układ sterowania impulsowego lokomotywy akumu- latorowej pozwala przeprowadzić, z obu kabin (niejed- nocześnie), następujące procesy:

− rozruch lokomotywy do przodu lub do tyłu z jedno- czesną regulacją prądu wirnika,

− hamowanie lokomotywy z odzyskiem energii do ba- terii przy jeździe do przodu lub do tyłu z jedno- czesną regulacją prądu wirnika,

− załączenie dwóch stopni osłabienia wzbudzenia przy rozruchu 80% i 50%,

− załączenie hamowania przy puszczeniu przez ma- szynistę czuwaka, gdy poprzednio odbywała się jazda, a zachowanie hamowania przy poprzednim hamowaniu,

− wyłączenie układu w przypadku niesprawności układu impulsowego i przekroczenie w wirniku prądu 400 A.

Przed przystąpieniem do prac nad nowym rozwią- zaniem napędu i sterowania lokomotywy akumulato- rowej, przeprowadzono analizę stosowanych napędów w dotychczasowych rozwiązaniach krajowych i zagra- nicznych oraz przeprowadzono konsultacje z uŜytkow- nikami w zakresie:

− poziomu napięcia zasilania,

− czasu pracy bez wymiany baterii,

− monitoringu i rejestracji parametrów pracy,

− przewoŜonych mas,

− systemu ładowania baterii,

− charakteru pracy,

− cyklu pracy,

− sposobu załadunku i wyładunku,

− maksymalnych prędkości,

− konfiguracji tras transportowych.

Z przeprowadzonej analizy wynika, Ŝe napięcie za- silania baterii akumulatorów naleŜy pozostawić na do- tychczasowym poziomie, z uwagi na obecną infra- strukturę ładowni i znajdujących się na ich wyposa- Ŝeniu ładowarek. W zakresie czasu pracy baterii ocze- kiwania idą w kierunku wydłuŜenia czasu pracy. Jest to moŜliwe poprzez zwiększenie pojemności baterii aku- mulatorów lub poprzez zwiększenie sprawności układu zasilania przekształtnik-silnik oraz maksymalne wyko- rzystanie energii hamowania elektrycznego do dołado- wania akumulatorów. Pozostałe informacje są wiedzą źródłową do prawidłowego rozwiązania układu stero- wania, rejestracji parametrów i monitoringu.

Z rozwaŜań nad układem przeniesienia napędu wy- nika, Ŝe dotychczasowy układ napędowy, w postaci jednego silnika i przeniesienia napędu na dwie osie za pomocą wałów Kardana, jest awaryjny oraz mało funk- cjonalny. KaŜdorazowa awaria układu napędowego po- woduje unieruchomienie lokomotywy. W dotychczaso- wych wykonaniach brak jest monitoringu i rejestracji wszystkich istotnych parametrów pracy lokomotywy.

3.2. Koncepcja napędu

Biorąc pod uwagę powyŜsze zaproponowano układ napędowy wyposaŜony w dwie jednostki napędowe, składające się z silnika i przekształtnika energoelektro- nicznego, w wykonaniu przeciwwybuchowym. Rozwa- Ŝane są trzy warianty jednostek napędowych:

− z silnikiem szeregowym prądu stałego, sterowany tranzystorami mocy,

− z silnikiem indukcyjnym prądu przemiennego, stero- wany wektorowo z przekształtnika tranzystorowego,

− z bezszczotkowym silnikiem z magnesami trwałymi, sterowany wektorowo z przekształtnika tranzystoro- wego.

Decyzja o wyborze optymalnego układu napędowe- go zapadnie po badaniach na stanowisku badawczym, odwzorowującym wybrany cykl pracy z jednej z kopalń.

Obie jednostki napędowe będą zasilane z baterii akumulatorów o podwyŜszonej pojemności i napięciu 144 V. Bateria akumulatorów będzie spełniać wymaga- nia dla urządzeń pracujących w pomieszczeniach za- groŜonych wybuchem metanu i pyłu węglowego oraz będzie dostosowana do istniejącej infrastruktury łado- wni akumulatorów w zakresie montaŜu i demontaŜu z lokomotywy i podłączenia przewodów z obecnie sto- sowanych ładowarek.

3.3. Koncepcja układu sterowania

Koncepcję rozwiązania systemu sterowania (rys.

12), oparto na opracowaniu dwóch identycznych, iskro- bezpiecznych pulpitów PS1i PS2, umieszczonych w kabinach, obsługiwanych po usprawnieniu jednego z nich przez maszynistę. Pulpit wyposaŜony będzie w mikroprocesorowy sterownik spełniający funkcję stero-wnika centralnego oraz w:

− wyświetlacz (ekran) ciekłokrystaliczny o wysokiej rozdzielczości,

− przycisk wyłączenia awaryjnego z blokadą,

− diodę sygnalizującą obecność napięcia 144 V,

− 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 wyświe- tlanie:

− komunikatów tekstowych,

− aktualnej prędkości jazdy w m/s,

− aktualnej daty oraz godziny,

− ilości przebytych kilometrów (dobowych oraz całko- witych),

− 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 sil- nikami M1i M2 przewiduje się zastosowanie, w kaŜdej kabinie, manipulatora z funkcją „czuwaka” i z moŜliwo- ścią nadawania sygnałów ostrzegawczych.

Całą aparaturę sterowniczą, wraz z zabezpiecze- niami oraz przekształtnikiem energoelektronicznym, przewiduje się umieścić w specjalnej ognioszczelnej skrzyni, za fotelem maszynisty, w kaŜdej z kabin.

Sterownik centralny pulpitu będzie się komuni- kować ze sterownikami lokalnymi przekształtników, ba- terii akumulatorów oraz koncentratorami sygnałów ob- sługującym czujniki zabudowane na lokomotywie i bę- dzie sterować wszystkimi funkcjami lokomotywy. Sche- mat blokowy układu sterowania lokomotywy akumula- torowej przedstawiono na rysunku 13.

4. Podsumowanie

Rozwój energoelektroniki oraz układów mikroproce- sorowych pozwala na modernizację waŜnej dziedziny transportu dołowego, w tym lokomotyw elektrycznych.

Dotychczasowe rozwiązania układów napędowych wy- korzystujące do napędu silniki szeregowe prądu stałe- go są nieefektywne i awaryjne. Sprawność silników

prądu stałego jest gorsza od silników prądu przemien- nego, a konieczność stosowania komutatora mecha- nicznego, zwiększa koszty wykonania oraz wymaga dodatkowej obsługi związanej z wymianą szczotek.

Dodatkowo układ mechanicznego komutatora jest bardzo wraŜliwy na przeciąŜenia i zanieczyszczenia pyłem, które są przyczynami awarii. To powoduje, Ŝe brak jest producentów silników prądu stałego w wyko- naniu przeciwwybuchowym. Proponowane powyŜej rozwiązania prowadzą do wydatnej poprawy istnie- jącego stanu.

Literatura

1. Budzyński Z., Deja P., Kaczmarczyk K., Suffner H., Pawlicki D.: Kopalniana lokomotywa trakcyjna na- pędzana nowoczesnymi silnikami z magnesami trwałymi. Materiały na konferencję: KOMTECH 2007 „Innowacyjne i bezpieczne maszyny i urzą- dzenia dla górnictwa węgla kamiennego”, Szczyrk 2007, Wydawnictwo CMG KOMAG.

2. Budzyński Z., Deja P.: Nowe rozwiązanie stero- wania lokomotywy trakcyjnej Ld-31EM. Materiały na konferencję: KOMTECH 2008 „Nowoczesne, niezawodne i bezpieczne systemy mechanizacyjne dla górnictwa”, Szczyrk 2008, Wydawnictwo CMG KOMAG.

3. Gierlotka S.: Rozwój napędu trakcji elektrycznej w kopalniach. Przegląd Górniczy, 2005.

4. Hefczyc M., Daniłow J.: Lokomotywy kopalniane ognioszczelne akumulatorowe. Nowe rozwiązania układów sterowania napędem, Mechanizacja i Auto-matyzacja Górnictwa nr 10 (292) październik 1994.

Artykuł wpłynął do redakcji we wrześniu 2010 r.

Recenzent: prof.dr hab.inŜ. Aleksander Lutyński Rys.13. Schemat blokowy sterowania lokomotywy akumulatorowej