ZASTOSOWANIE SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI
1. ROLA POMPOWNI W SYSTEMIE KOPALNIANYM
1.1. WSTĘP
Górnictwo od zawsze związane jest z zagrożeniami. Jednym z nich, które ograniczało jego rozwój jest woda. Podziemne wody uniemożliwiały pogłębianie kopalń w celu dostania się do głęboko położonych złóż. Wraz z rozwojem konstrukcji pomp na początku XIX wieku, nastąpił dynamiczny rozkwit górnictwa. Podstawową rolą pomp głównego odwadniania w kopalniach głębinowych jest wyprowadzenie wody gromadzącej się w podziemnych wyrobiskach w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracujących tam ludzi. Obecnie systemy odwadniania kopalń są bardzo dobrze rozwinięte i niezawodne, dzięki czemu problem związany z zalewaniem wyrobisk został zażegnany. Najgłębsze wyrobiska są położone nawet 3500 m pod ziemią. Woda odgrywa także inną ważną role w procesie wydobycia, jest ona doprowadzana przez pompy do wyrobisk w celach technologiczny takich jak podsadzka bądź też zasilania rurociągów przeciw pożarowych.
__________
26
Poza aspektem bezpieczeństwa, systemy odwadniania kopalń bezpośrednio wpływają na sferę ekonomiczną, ponieważ ich budowa i ciągła eksploatacja łączy się z dużym poborem energii elektrycznej, która stanowi znaczny procent zapotrzebowania energetycznego zakładu. Pompy głównego odwadniania stanowią ok. 15% zapotrzebowania energetycznego zakładu. Spadek energochłonności pomp zapewni poprawa ich sprawności, na która bezpośrednio wpływa energia pobierana przez napędzające je silniki. Sprawność zestawu pompowego jest iloczynem sprawności silnika i pompy Przy wielu urządzeniach pracujących podczas pracy ciągłej, niewielki wzrost sprawności każdego z nich sumarycznie przyniesie duże oszczędności [1].
1.2. POMPOWNIA
Pompownia głównego odwadniania rejonu LW O/ZG „Lubin” znajduje się na poziomie 610 m przy szybach L-I i L-II. W pompowni znajduje się sześć pomp typu MHK 250x6, dwie pompy OS-150 wraz z węzłem redukcyjnym dla zasilania przeciw pożarowego oraz zestaw hydroforowy. Pompy typu MHK to pompy o budowie zamkniętej, poziomej, odśrodkowej wielostopniowej. Ich przeznaczeniem jest odprowadzanie wody kopalnianej na powierzchnię. Zespół pompowy typu OS-150 zasilany jest silnikami indukcyjnymi typu Sg315 S-4 o mocy 110 kW zasilanych napięciem 500 V. Zestaw hydroforowy składa się z czterech pomp napędzanych 30 kW silnikami o napięciu 500 V i prędkości obrotowej 2900 obr/min. Ich zadaniem jest zasilanie oddziałów górniczych w wodę przepuczkową [3][4].
2. MODERNIZACJA
2.1. ZAKRES
W zakres modernizacji pompowni głównego odwadniania w O/ZG „Lubin” wchodziła wymiana silnika indukcyjnego pierścieniowego typu SBUd-144 i pompy typu OW-250F/10, zastępując je nowoczesnymi jednostkami w skład których wchodzi trójfazowy silnik synchroniczny z magnesami trwałymi LSPMSM typu S1 560X-4Apm i pompa MHK 250x6.
2.2. ANALIZA
Oba silniki są mocy 1600 kW oraz zasilane są średnim napięciem 6 kV. Analizując dane znamionowe obydwu silników można zauważyć o wiele mniejszy prąd znamionowy silnika z magnesami trwałymi, a także o wiele większy współczynnik mocy. Dzięki osiągnięciu wysokiej wartości współczynnika mocy.
27
Rys. 1. Zdjęcie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi typu S1 560X-4Apm.
Tabela 1. Zestawienie danych znamionowych silnika indukcyjnego pierścieniowego i synchronicznego z magnesami trwałymi.
Typ - SBUd-144 S1 560X-4Apm
Moc znamionowa kW 1600 1600 Napięcie zasilania V 6000 6000 Częstotliwość Hz 50 50 Prąd znamionowy A 180 159 Współczynnik mocy - 0,91 0,98 Sprawność % 94,5 98,7
Prędkość obrotowa obr/min 1480 1500
28
Rys. 3. Przebiegi prądów i napięć podczas rozruchu silnika synchronicznego z magnesami trwałymi LSPMSM typu S1 560X-4Apm
Analizując przebiegi prądu podczas rozruchu obu maszyn widać znacznie większy prąd rozruchowy silnika synchronicznego z magnesami trwałymi z bezpośrednim rozruchem. Podczas ustalonej pracy, prąd roboczy jest mniejszy o około 8% w stosunku do odpowiadającego mu prądu silnika typu SBUd-144 co bezpośrednio wpływa na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. Układ pompowy charakteryzuje się o wiele większą sprawnością niż w porównaniu do napędzanego silnikiem indukcyjnym pierścieniowym.
Obliczenia kosztów zużycia energii elektrycznej dla silnika typu SBUd-144 oraz silnika typu S1 560X-4Apm w czasie trzystu dni
SBUd-144: 𝐾 =𝑃𝑛∙ ℎ ∙ 𝑐𝑒 𝜂 = 1600 ∙ 7200 ∙ 0,3 94,5 = 36571,43 𝑧ł (1) S1 560X-4Apm: 𝐾 =𝑃𝑛∙ ℎ ∙ 𝑐𝑒 𝜂 = 1600 ∙ 7200 ∙ 0,3 98,7 = 35015,20 𝑧ł (2) 𝑃𝑛− moc znamionow ℎ −czas pracy w godzinach 𝜂 −sprawność
𝑐𝑒−szacowana cena energii elektrycznej za kWh
Mniejszy pobór energii to nie jedyna oszczędność związaną z modernizacją napędów pomp. Silnika z magnesami trwałymi LSPMSM może być uruchamiany przez bezpośrednie
29 włączenie do napięcia zasilającego co umożliwia eliminację rozruszników. W silnikach typu SBUd-144 stosowane były rozruszniki wiroprądowe WIRLEG 2, w których generowane były dodatkowe straty energii.
Zastosowanie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, eliminuje koszty związane z konserwacją pierścieni ślizgowych oraz wymianą szczotek. Dzięki budowie zamkniętej silników synchronicznych z magnesami trwałymi nie ma potrzeby wykonywania przeglądów (badania stanu izolacji) przed uruchomieniem, które wykonywane były dla silników typu SBUd-144.
3. PODSUMOWANIE
Dzięki modernizacji zestawów pompowych, polegającej na wymianie silników napędowych na synchroniczne wzbudzane magnesami trwałymi uzyskuje się zmniejszenie kosztów związanych z eksploatacją przez:
zwiększenie sprawność całego zestawu pompowego,
dzięki dużemu współczynnikowi mocy silnika, wyeliminowanie urządzeń do kompensacji energii biernej,
zmniejszenie strat podczas rozruchu bezpośredniego,
zmniejszenie kosztów zwiąanych z wyeliminowaniem przeglądów technicznych oraz kosztami wymiany szczotek zestawu ślizgowego.
LITERATURA
[1] PANTUŁĄ G. STRĄCZYŃSKI M., Podręcznik eksploatacji pomp w górnictwie, Wydawnictwo Seidel-Przywiecki Sp. Z o. o. Wydanie pierwsze, Warszawa 2013.
[2] ZAWILAK J., ZAWILAK T., Energooszczędne silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o dużej sprawności, Przegląd Elektrotechniczny, 2014 vol 90, 224-226.
[3] ZAWILAK J., ZAWILAK T., Energooszczędne silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim, Instytut Maszyn, Napędów i pomiarów elektrycznych, Politechnika Wrocławska, 2013.
[4] ZAWILAK T., Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi w napędzie pompy dużej mocy, Maszyny Elektryczne- Zeszyty Problemowe Nr 2/2015 (106).
30
ANALYSIS OF THE APPLICATION OF THE SYNCHRONOUS MOTORS WITH PERMANENT MAGNETS IN THE PUMP DRIVES IN THE MAIN
The article contains a technical and economic analysis of the modernization of main pumping stations of the drainage system. It discusses the possibilities and economic effects of magnetic motors permanently LSPMSM (Line Starting Permanent Magnet Synchronous Machine) driving the main drainage pump in mines. After a brief analysis of the role of pumps in mines, the benefits of modernization will be presented and analyzed. We have also analyzed the operating cost before and after modernization.
31
smart Grid, distributed generation, wind generators, Heisenberg’s uncertainty principle, linear approximation, Franklin functions, Walsh functions
Kateryna OSYPENKO*, Valery ZHUIKOV*, Vadym MARTYNYUK*