___________________________________________________________________________
Nowe rozwiązania napędów elektrycznych
do górniczych maszyn transportowych
Edward Pieczora, Bartosz Polnik
Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice, epieczora@komag.eu, bpolnik@komag.eu Streszczenie
Omówiono wymagania w zakresie bezpiecznego stosowania napędów elektrycznych, zasila-nych akumulatorami, do górniczych maszyn transportowych. Przedstawiono wyniki prac Insty-tutu KOMAG w zakresie innowacyjnych maszyn transportowych z napędem elektrycznym, z silnikami z magnesami trwałymi, zasilanymi z baterii akumulatorów polimerowo-jonowych, przeznaczonych do kopalń węgla kamiennego. Wskazano na możliwości implementacji opra-cowanych napędów do maszyn transportowych stosowanych w górnictwie rud miedzi. Słowa kluczowe: górnictwo, urządzenia transportowe, napęd elektryczny
New solutions of electric drives for mining transportation
machines
Abstract
Requirements for safe use of battery powered electric drives of mine transportation machines are discussed in the paper. Innovative solutions of machines equipped with permanent magnet electric motor powered by li-ion battery, used in coal mines, designed in the KOMAG Institute of Mining Technology, are presented. Possibilities of implementing these solutions for the machines operating in copper ore mining industry are indicated. Keywords: mining industry, transportation machines, electric drive
Wstęp
W ostatnich latach następuje stopniowe wyczerpywanie pokładów położonych w dotychczas eksploatowanych obszarach. Konieczne staje się przeniesienie eks-ploatacji w nowe rejony, o głębokości poniżej 1100 m, co rodzi szereg problemów związanych ze wzrostem temperatury pierwotnej skał, dłuższymi drogami odstawy i pogarszaniem się warunków klimatyczno-wentylacyjnych.
Przykładem są tu zakłady górnicze KGHM Polska Miedź S.A., w których do zała-dunku i odstawy rudy miedzi powszechnie stosowane są oponowe maszyny górni-cze z napędem spalinowym. Ogranigórni-czeniami ich stosowania są: emisja gazów spa-linowych, ciepła i hałasu do otaczającej atmosfery kopalnianej, a także konieczność dystrybucji paliwa do podziemnych wyrobisk górniczych. O skali problemów związa-nych z eksploatacją tych maszyn świadczy fakt, że łączna ich moc wynosi około 170 000 kW, a roczne zużycie oleju napędowego – około 26 106 dm3 [6].
Wzrasta zatem zainteresowanie wozami samojezdnymi z napędem elektrycznym zwłaszcza zasilanych akumulatorami. Wozy te, w porównaniu z maszynami spali-nowymi, cechują [6]:
brak emisji gazów spalinowych,
znacznie mniejsza emisja ciepła do atmosfery kopalnianej, większa sprawność,
mniejszy poziom hałasu, prostsza budowa, mniejsza awaryjność,
brak zapotrzebowania na materiały eksploatacyjne, takie jak: olej napędowy, olej silnikowy, filtry, płyn chłodzący.
Efekty wyeliminowania napędów spalinowych to [6]:
zmniejszenie kosztów klimatyzacji i wentylacji oddziałów wydobywczych, zmniejszenie kosztów odstawy urobku, wynikających ze zmniejszenia
na-kładów na eksploatację maszyn odstawczych,
wyeliminowanie kosztów związanych z zakupem, magazynowaniem i trans-portem materiałów eksploatacyjnych,
poprawa warunków pracy w podziemnych wyrobiskach rud miedzi,
poprawa bezpieczeństwa przez ograniczenie palnych paliw i olejów maga-zynowanych w podziemnych wyrobiskach górniczych.
1. Wybrane wymagania bezpieczeństwa pracy maszyn transportowych
Wymagania bezpieczeństwa, z zakresu stosowanego wyposażenia elektrycznego maszyn transportowych, eksploatowanych w zakładach górnictwa rud różnią się od wymagań stawianych maszynom stosowanym w podziemiach kopalń węgla ka-miennego. Główną różnicę stanowi brak atmosfery potencjalnie wybuchowej w za-kładach górnictwa rud, w związku z czym konstruowane maszyny i urządzenia nie muszą spełniać wymagań dyrektywy ATEX. Obowiązują natomiast zapisy dyrektywy maszynowej i norm zharmonizowanych. Większość maszyn transportowych stoso-wanych w zakładach górnictwa rud to samobieżne pojazdy oponowe. Podstawowe wymagania, jakie powinny one spełniać zostały sprecyzowane w normie PN-EN 1889-1 pt. „Maszyny dla górnictwa podziemnego. Podziemne maszyny samobieżne. Bezpieczeństwo. Część 1: Pojazdy oponowe”. W zakresie wyposażenia elektrycz-nego maszyn transportowych, w normie tej sformułowano wymaganie – „Wyposa-żenie elektryczne powinno być projektowane, wykonane i instalowane zgodnie z EN 60204-1”. Norma PN-EN 60204-1 pt. „Bezpieczeństwo maszyn. Wyposażenie elek-tryczne maszyn. Część 1: Wymagania ogólne”, definiuje z kolei sposób bezpieczne-go projektowania i wykonania wyposażenia elektrycznebezpieczne-go (silniki elektryczne, prze-wody i kable, aparatura sterownicza, obprze-wody główne, obprze-wody pomocnicze itd.) ma-szyn górniczych. Szczególną uwagę zwraca się na ochronę wyposażenia elektrycz-nego przed skutkami następstw:
przetężenia powstającego w wyniku zwarcia; przeciążenia i/lub zaniku chłodzenia silników;
temperatury odbiegającej od normalnych warunków użytkowania; zaniku lub obniżenia napięcia zasilania;
doziemienia/prądu upływu; nieprawidłowej kolejności faz;
przepięcia spowodowanego udarami wynikającymi z wyładowań atmosfe-rycznych i przełączeń.
Zapewnienie bezpieczeństwa przed skutkami wyżej wymienionych zagrożeń jest wymagane zarówno dla maszyn pracujących w podziemiach kopalń węgla kamien-nego, jak i dla maszyn pracujących w zakładach górnictwa rud. Ochronę wyposaże-nia elektrycznego uzyskuje się zazwyczaj poprzez zastosowanie odpowiednich bez-pieczników, wyłączników czy też zaawansowanych systemów logicznych (sterowni-ków).
Odrębną grupę stanowią maszyny zasilane z baterii akumulatorów. W tym przy-padku również należy posługiwać się wymaganiami normy PN-EN 602014-1. Nie odnosi się ona jednak do stosowania baterii akumulatorów. Norma PN-EN 1889-1 oddzielnie opisuje wymagania stawiane samobieżnym pojazdom akumulatorowym. Głównym wymaganiem jest zapewnienie możliwości izolacyjnego odłączenia baterii od pozostałych elementów wyposażenia elektrycznego. Zaciski i inne części akumu-latora, będące pod napięciem, powinny być zabezpieczone przed dotknięciem, np. poprzez osłony izolacyjne lub kapturki. Z kolei ogniwa powinny być umieszczone w mocnej, odpowietrzanej, ogniotrwałej skrzyni, a skrzynia powinna być wyposażo-na w uchwyty, pozwalające wyposażo-na jej podniesienie i wyjęcie z pojazdu bez zniszczenia ogniw. W skrzyni, przedziale i/lub pokrywie akumulatora powinny być zastosowane odpowiednie otwory wentylacyjne, tak by nie wystąpiło niebezpieczne nagromadze-nie gazów w trakcie użytkowania wyposażenia, zgodnagromadze-nie z instrukcją producenta. Przy szacowaniu wymaganej wentylacji stężenie gazów elektrolitycznych powinno być mniejsze niż 2%, w celu uniknięcia zagrożenia ich zapłonu. Ponadto w przypad-ku możliwości zbierania się ciał obcych i/lub elektrolitu na górnej części ogniw lub wewnątrz skrzyni skrzynia powinna być tak zaprojektowana, aby możliwe było jej łatwe czyszczenie. Wszystkie iskrzące, względnie gorące elementy, mogące osią-gnąć temperaturę 300 °C lub większą, powinny być umieszczane w przestrzeni, gdzie nie będą występować gazowe mieszaniny wybuchowe. Przyłącza akumulatora mogą być uznane za elementy nieiskrzące, pod warunkiem że nie są używane jako wyłączniki awaryjne. Powyższe wymagania w formie trzech zasadniczych zapisów stanowią wytyczne do projektowania skrzyni akumulatorowej. Należy również nad-mienić, że w maszynach zasilanych z baterii akumulatorów stan naładowania aku-mulatora powinien być wskazywany operatorowi w kabinie. Dodatkowo, urządzenie ostrzegawcze powinno sygnalizować osiągnięcie stanu głębokiego rozładowania napięcia przy pełnym obciążeniu.
Analizując powyższe wymagania, należy stwierdzić, że autorzy norm mieli na uwadze zasilanie maszyn z typowych, otwartych ogniw kwasowo-ołowiowych. Wskazuje na to przede wszystkim zapis o konieczności wentylowania przestrzeni we wnętrzu skrzyni oraz o czyszczeniu z zabrudzeń elektrolitycznych. Należy zau-ważyć, że rozwój technologii nowoczesnych źródeł energii w kolejnych aktualiza-cjach normy PN-EN 1889-1 jest pomijany (zapisy dotyczące pojazdów akumulato-rowych pozostają niezmienione). Odmienna sytuacja ma miejsce w zakresie wyma-gań dla górniczych maszyn transportowych, pracujących w atmosferach wybucho-wych. Dla przykładu, w normie PN-EN 60079-0 pt. „Atmosfery wybuchowe. Część 0: Urządzenia. Podstawowe wymagania” zaktualizowano tabelę, opisującą możliwe do zastosowania typy ogniw wtórnych – tabela 1.
Tabela. 1. Ogniwa wtórne możliwe do zastosowania w atmosferach wybuchowych [11] Rodzaj wg odpowied-niej normy IEC Rodzaj Elektrolit Maksy-malne napięcie ładowa-nia (na ogniwo) V Napięcie znamiono-we1 (do oceny temperatu-ry po-wierzchni) V Napięcie szczytowe bez obcią-żenia (do oceny zagrożenia zapłonem iskrowym) V IEC 60896-11 IEC 60254 IEC 60095-1 IEC 60896-21 IEC 60952 IEC 61427 IEC 61056-1
Ołowiowe stacjonarne (mokre) Ołowiowe trakcyjne
Ołowiowe rozruchowe
Ołowiowe stacjonarne (z zaworami) Ołowiowe lotnicze
Ołowiowe w fotowoltaicznych systemach energetycznych
Ołowiowe ogólnego zastosowania
Kwas siarkowy (SG 1,25 do 1,32) do 2,7 2,2 2,67b 2,35c Rodzaj K IEC 61951-1 IEC 60623 IEC 60622 Niklowo-kadmowe2 Wodoro- tlenek potasu (SG 1,3) 1,6 1,3 1,55 a Niklowo-żelazowe Wodoro- tlenek potasu (SG 1,3) 1,6 1,3 1,6 IEC 61960 Litowe Niewodna sól organicz-na do 4,2 3,8 4,2
IEC 61951-2 Niklowo-wodorkowo metalowe2
Wodoro-tlenek potasu
1,5 1,3 1,6
a mogą być stosowane, gdy będą istnieć odpowiednie normy IEC.
b ogniwo mokre – ogniwo zawiera płynny elektrolit, który może być uzupełniany c ogniwo suche – ogniwo zawiera unieruchomiony elektrolit
1 Wartość napięcia uwzględnia odpowiedni współczynnik. Badanie przyrostu temperatury wykonuje się, przyjmując to napięcie.
2 Układ chemiczny wymaga ładowania stałoprądowego.
Jak wynika z tabeli 1, uwzględniono możliwość stosowania nowoczesnych ogniw litowych, które zazwyczaj mają budowę hermetyczną, przez co nie wydzielają gazów w trakcie eksploatacji. Z uwagi na panującą potencjalnie wybuchową atmosferę skrzynia, w której mogą znajdować się ogniwa, powinna spełniać warunek przeciw-wybuchowości. W porównaniu z klasycznymi ogniwami kwasowo-ołowiowymi, za bezpieczeństwo pracy pojazdów zasilanych z ogniw litowych odpowiada zaawanso-wany system nadzoru BMS (Battery Management System), który w trybie on-line monitoruje poszczególne parametry elektryczne każdego ogniwa indywidualnie oraz globalnie całej baterii.
2. Nowe rozwiązania maszyn transportowych do kopalń węgla kamiennego
W ostatnich latach specjaliści Instytutu KOMAG, przy współpracy z innymi jednost-kami oraz partnerami przemysłowymi, opracowali innowacyjne rozwiązania podwie-szonych urządzeń transportowych zasilanych z baterii jonowych, przeznaczonych do eksploatacji w podziemnych wyrobiskach górniczych, potencjalnie zagrożonych wybuchem. Są to: „Ciągnik akumulatorowy GAD-1” i „Podwieszony ciągnik akumula-torowy PCA-1”.
2.1. Ciągnik akumulatorowy GAD-1
Ciągnik akumulatorowy GAD-1, przeznaczony do kolejek podwieszonych, jest efek-tem realizacji projektu celowego, dofinansowanego przez NOT, którego benificjen-tem była firma NAFRA Polska Sp. z o.o. (producent). Rozwiązanie powstało przy współpracy z Instytutem Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL oraz firmami IMPACT S.C., VACAT Sp. z o.o., SOMAR S.A. i ENEL-PC Sp. z o.o.
Przedstawiony na rys. 1 i rys. 2 ciągnik wyposażono w cztery wózki napędowe (poz. 1). Może on być konfigurowany również z mniejszą liczbą wózków napędo-wych (minimum z dwoma). Poszczególne podzespoły ciągnika są indywidualnie zawieszone na przynależnych im wózkach jezdnych i są połączone pomiędzy sobą łącznikami (poz. 10). Niezależnie od liczby stosowanych wózków napędowych (2, 3 lub 4) urządzenie hamowania awaryjnego ciągnika zawsze składa się z dwóch ze-społów hamulcowych (poz. 2). Cała konstrukcja jest umieszczona na trasie podwie-szonej, po której przemieszcza się ciągnik, ciągnąc lub pchając ładunki.
Rys. 1. Budowa ciągnika GAD-1 [9]
9. Zespół napędowy nr 4 10. Zespół hamulcowy nr 2 11. Kabina operatora nr 2 12. Wózek obserwacyjny z kamerą – wyposażenie opcjonalne 5. Zespół napędowy nr 2 6. Wózek MZS-1 z falownika-mi i układem sterowania 7. Zespół napędowy nr 3 8. Agregat hydrauliczny 1. Kabina operatora nr 1 2. Zespół hamulcowy nr 1 3. Zespół napędowy nr 1 4. Wózek MB-1 z modułem baterii
Rys. 2. Ciągnik akumulatorowy GAD-1 w podziemnym wyrobisku górniczym [10] Do zasilania napędu ciągnika podwieszonego GAD-1 zastosowano ogniwa lito-wo-polimerowe, o dużej gęstości energii, które do tej pory nie były stosowane w górnictwie. Ogniwa te z powodzeniem znalazły zastosowanie w przemyśle moto-ryzacyjnym.
Źródłem zasilania ciągnika GAD-1 są cztery zespoły baterii, składające się z gru-py szeregowo połączonych ze sobą 72 ogniw, tworzących baterie o napięciu 265VDC. Zespoły baterii o łącznej energii 160 kWh umieszczono w osłonie ogniosz-czelnej. Każdy z czterech zestawów bateryjnych stanowi niezależne źródło zasilania dla jednego wózka napędowego. Dodatkowo, jeden z zespołów baterii służy do zasilania silnika indukcyjnego pompy hydraulicznej oraz obwodów kontrolno- -pomiarowych ciągnika. Energia każdego z zespołów baterii, poprzez złącza ognioszczelne, dostarczana jest przewodami do skrzyni aparatury elektrycznej (mo-duł zasilania), w której za pośrednictwem ośmiu falowników uzyskuje się prąd trójfa-zowy o regulowanej częstotliwości i amplitudzie dla każdego z ośmiu silników napę-dowych. W wózkach napędowych zastosowano bezszczotkowe silniki synchronicz-ne z magsynchronicz-nesami trwałymi (rys. 3). Moment obrotowy z silników jest przenoszony na trasę jezdną w sposób cierny, a przy nachyleniach powyżej 100 poprzez przełożenie zębate (po trasie zębatej).
Silniki te cechuje wysoka sprawność, w porównaniu z silnikami indukcyjnymi i bardzo precyzyjnym sterowaniem wektorem momentu. Zespół aparatury energoe-lektronicznej wyposażono w dodatkowy (dziewiąty) falownik, służący do zasilania silnika indukcyjnego pompy hydraulicznej. Cały proces sterowania odbywa się z pulpitu sterowniczego umieszczonego w jednej z kabin. Nadrzędny system stero-wania ciągnikiem GAD-1 zbudowano w oparciu o strukturę rozproszoną, łączącą ze sobą wszystkie elementy układu sterowania za pośrednictwem magistrali CAN [8], która cechuje się wysoką odpornością na zakłócenia docierające z urządzeń peryfe-ryjnych. Uniwersalność zastosowanego protokołu CanOpen pozwala na komuniko-wanie się podzespołów różnych producentów oraz umożliwia przełączanie pomiędzy aplikacjami, w celu diagnozowania i konfiguracji magistrali CAN. Inteligentne sterowa-nie, dzięki zastosowaniu wektorowego sterowania układem wielosilnikowym, umożli-wia zarządzanie rozpływem mocy w zależności od aktualnego stanu pracy maszyny.
Dużym atutem podwieszonego ciągnika GAD-1 jest możliwość rekuperacji ener-gii podczas hamowania elektrycznego. Za poprawność działania tego procesu od-powiada inteligentny system nadzoru zespołem baterii – BMS, który służy do ciągłe-go monitoringu parametrów tak całeciągłe-go zespołu baterii, jak i każdeciągłe-go ogniwa indywi-dualnie, i decyduje o równomiernym rozpływie energii pomiędzy poszczególnymi ogniwami. Dodatkowo odgrywa rolę zabezpieczenia, zarówno programowego, jak i sprzętowego, przed niepożądanymi zdarzeniami, takimi jak przeładowanie czy nadmierne rozładowanie baterii akumulatorów. Odpowiedni dobór parametrów kom-ponentów współpracujących z zespołem baterii oraz opracowane algorytmy bezpie-czeństwa pozwoliły na wytworzenie maszyny przeznaczonej do pracy w warunkach zagrożeń skojarzonych (zagrożenie wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego, poża-rowe, wodne).
Głównym wyzwaniem podczas opracowywania układu sterowania było rozwią-zanie problemu, związanego z sekwencyjną zmianą trybu napędowego z ciernego na zębaty i odwrotnie, kolejno, przez poszczególne wózki napędowe. W celu auto-matycznej zmiany trybu pracy systemu napędowego układ sterowania powinien odpowiednio reagować i sterować pracą silników elektrycznych. Zadaniem układu energoelektronicznego jest także sterowanie obciążeniem silników elektrycznych i automatyczne dostosowywanie ich prędkości obrotowej.
Spełnienie wymagań unijnych w zakresie dyrektyw: maszynowej (MD), bezpie-czeństwa przeciwwybuchowego (ATEX) i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) potwierdzono wydaniem przez Jednostkę Notyfikowaną certyfikatów badania typu WE, dających podstawę producentowi do oznakowania ciągnika GAD-1 zna-kiem CE. Odrębne certyfikaty, obejmujące podstawowe moduły ciągnika, tj. baterie akumulatorów MB-1, moduł zasilająco-sterujący MZS-1 i ładujący MŁ-1, pozwalają na ich niezależną implementację w innych urządzeniach, przeznaczonych do eks-ploatacji w atmosferach potencjalnie wybuchowych.
Pierwszy egzemplarz ciągnika wdrożono w KWK Pniówek. W związku z zakwalifi-kowaniem przez Wyższy Urząd Górniczy ciągnika GAD-1 do urządzeń podstawo-wych, w pierwszej fazie wdrożenia niezbędne było przeprowadzenie prób ruchowych. Prowadzono je zarówno na trasie ciernej, jak i zębatej. Wyniki prób potwierdziły dekla-rowane cechy i właściwości funkcjonalne oraz poprawność działania zaprojektowane-go rozwiązania w świetle aktualnie obowiązujących przepisów. Na podstawie pozy-tywnych wyników badań, Prezes Wyższego Urzędu Górniczego wydał decyzję dopuszczającą ciągnik GAD-1 wraz z dedykowaną trasą zębatą do stosowania w podziemiach zakładów górniczych. Po zakończeniu eksploatacji w KWK Pniówek,
w sierpniu 2014 r., ciągnik poddano modernizacji, podczas której dokonano zmian ciernych zespołów napędowych, zwiększając sztywność ich konstrukcji, w celu po-konywania dużych nachyleń (powyżej 100). Od początku 2015 r. ciągnik pracuje w KWK Borynia-Zofiówka-Jastrzębie, gdzie jest z powodzeniem stosowany do transportu elementów maszyn oraz innych ładunków.
2.2. Podwieszony ciągnik akumulatorowy PCA-1
Mając na uwadze potrzebę mechanizacji prac związanych z przemieszczaniem ła-dunków lub elementów maszyn na stosunkowo krótkich odległościach (do 100 m), np. w drążonych przodkach chodnikowych, opracowano „Powieszony ciągnik akumulato-rowy PCA-1” (rys. 4). Może on być stosowany w wersji standardowej (PCA-1) lub wyposażony w zestaw transportowy (PCA-1/ZT) z wciągnikami z napędem elektrycz-nym (rys. 5). Istnieje możliwość zastosowania, w zestawie transportowym, wciągników z napędem ręcznym lub zasilanych innym medium z zewnętrznego źródła.
Rys. 4. Podwieszony ciągnik akumulatorowy PCA-1 [1, 5]
1 - wózek napędowy, 2 - wózek aparaturowy, 3 - moduł zasilający, 4 - wózek hamujący, 5-zestaw transportowy
Do przemieszczania zestawu transportowego po jezdni podwieszonej służy wózek napędowy (poz. 1), wyposażony w dwa zespoły napędu ciernego z silnikami elek-trycznymi. Zabudowane w nich tarczowe hamulce elektromagnetyczne pełnią funkcję hamulca postojowego awaryjnego. Źródłem zasilania jest bateria o napięciu 48 VDC i pojemności 100 Ah, składająca się z połączonych szeregowo 15 wysokowydajnych ogniw litowo-żelazowo-fosfatowych (LiFePO4). Bateria ta pracuje pod nadzorem de-dykowanego systemu BMS oraz kontrolera stanu naładowania baterii UMA-1.
Opracowany przez ITG KOMAG i wykonywany przez firmę GABRYPOL Sp. z o.o. system BMS kontroluje napięcia poszczególnych ogniw baterii, wyrównuje poziom ich naładowania, doładowując najsłabsze ogniwo, i wyłącza doładowanie w przy-padku stwierdzenia równych napięć w poszczególnych ogniwach. Wyłącza również baterię po przekroczeniu maksymalnego, dopuszczalnego napięcia naładowania oraz minimalnego napięcia rozładowania ogniwa, a także zabezpiecza przed nad-miernym przeładowaniem i rozładowaniem pojedynczego ogniwa.
Kontroler UMA-1 monitoruje napięcie baterii akumulatorów oraz sygnalizuje po-ziom jej naładowania. Przerywa ładowanie po przekroczeniu dopuszczalnego napię-cia ładowania oraz odłącza baterię w przypadku spadku napięnapię-cia do wartości mini-malnego napięcia rozładowania. Kontroler został opracowany przez specjalistów KOMAG-u i również jest produkowany przez firmę GABRYPOL Sp. z o.o.
Do zamiany prądu stałego na prąd przemienny, o regulowanej częstotliwości, służy dedykowany falownik wykonywany przez firmę ENEL Sp. z o.o. Wszystkie elementy wyposażenia elektrycznego wraz z baterią akumulatorów i falownikiem zabudowano w module zasilającym MZ-1, który składa się z trzech komór: aparatu-rowej, akumulatorowej i przyłączeniowej. Podłączenie elektryczne poszczególnych elementów ciągnika z modułem MZ-1 realizowane jest przewodami, poprzez ognioszczelne wpusty zabudowane na komorze przyłączowej. Kompaktowa kon-strukcja modułu MZ-1 pozwoliła na ograniczenie liczby elementów aparatury elek-trycznej (zwłaszcza zabezpieczającej), a tym samym ograniczenie gabarytów modu-łu oraz jego masy. Przewidziano możliwość sterowania przewodowego, z kasety połączonej z modułem MZ-1 lub bezprzewodowego (radiowego). Mikroprocesorowe sterowanie wektorem momentu w czterech ćwiartkach układu moment-prędkość, umożliwia pracę z rekuperacją energii, w czasie hamowania elektrycznego, jak i podczas opuszczania mas wciągnikami elektrycznymi. Dodatkową cechą innowa-cyjną rozwiązania jest możliwość doładowywania baterii w miejscu eksploatacji, z ogólnodostępnych zespołów transformatorowych, co eliminuje potrzebę prze-mieszczania ciągnika do zajezdni.
Producentem ciągnika PCA-1 jest firma HELLFEIER Sp. z o.o.
Spełnienie przez zespól zasilający MZ-1 wymagań dyrektywy bezpieczeństwa przeciwwybuchowego (ATEX) potwierdzono wydaniem przez Jednostkę Notyfiko-waną certyfikatu badania typu WE. Proces oceny zgodności całego ciągnika znajdu-je się obecnie w końcowej fazie realizacji.
3. Nowe rozwiązania napędów zasilanych z akumulatorów w wozach oponowych
Kilka światowych firm oferuje samojezdne wozy odstawcze z napędem akumulato-rowym, przeznaczone do eksploatacji w zakładach górnictwa rud. Z dostępnych informacji wynika, że w ich układach napędowych stosowane są przeważnie silniki
elektryczne prądu stałego, zaś we wszystkich rozwiązaniach źródłem zasilania są baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Konieczność doboru ich pojemności umożliwiających eksploatację bez ładowania w ciągu jednej zmiany roboczej powoduje, że masa tego typu wozów jest duża zaś stosunkowo małe moce silników zmniejszają funkcjonalność wozów w porównaniu z wozami z napędem spalinowym. W ostatnich latach firma CATERPILLAR wprowadziła do swojej oferty innowacyjne rozwiązania akumulatorowych wozów odstawczych (rys. 6a) typów 110 i FH-120. Zastosowano w nich układy napędowe (rys. 6b) z silnikami prądu przemien-nego, zasilanymi poprzez falowniki. Pozwoliło to na 14-proc. zwiększenie wydajno-ści tych wozów w porównaniu z rozwiązaniami z użyciem tradycyjnych silników prą-du stałego [12].
a) b)
Rys. 6. Wóz odstawczy firmy CATERPILLAR [12]
a) widok wozu, b) układ napędowy (fragment) 1 – pokrywa inspekcyjna, 2 – silnik napędowy, 3 – felga koła, 4 – skrzynia biegów
Pozyskana wiedza oraz doświadczenie specjalistów Instytutu KOMAG, uzyskane podczas realizacji rozwiązań pokazane w p. 2, skłaniają do przedstawienia propozycji opracowania innowacyjnego rozwiązania napędu akumulatorowego do samojezdnych wozów przeznaczonych do eksploatacji w zakładach górnictwa rud (rys. 7).
Rys. 7. Propozycja rozwiązania napędu akumulatorowego do wozu odstawczego [źródło: materiały własne ITG KOMAG]
Zastosowanie wysokomomentowych silników, bezpośrednio w kołach jezdnych, weeliminuje konieczność zastosowania przekładni, zaś proponowane baterie litowe wpłyną na zmniejszenie ich masy (w odniesieniu do masy baterii kwasowo- -ołowiowych), w wyniku czego zwiększy jego funcjonalność wozu w stosunku do oferowanychrozwiązań producentów światowych. Do sterowania tego typu napędu
może być zastosowany, opracowany również w KOMAG-u, system sterowania KOGASTER (rys. 8). Jego struktura może być dowolnie konfigurowana z wyko-nywanych przez firmę GABRYPOL Sp. z o.o. modułów (każdy z nich ma odrębny certyfikat badania typu WE) [2, 3].
a) b) c)
Rys. 8. Przykładowe moduły systemu sterowania KOGASTER [2, 3]:
a) panel/sterownik PO-1, b) kaseta sterująca KS-1, c) moduł wejść wyjść MWW-1/1
Podsumowanie
W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie zastosowaniem górniczych maszyn transportowych z napędem akumulatorowym. W Instytucie KOMAG, przy współpra-cy z innymi jednostkami oraz partnerami przemysłowymi, opracowano innowawspółpra-cyjne rozwiązania podwieszonych urządzeń: ciągnik akumulatorowy GAD-1 do kolejek powieszonych i podwieszony ciągnik akumulatorowy PCA -1, które są przeznaczone do stosowania w kopalniach węgla kamiennego. Użyto w nich nowoczesnych baterii litowych. Nad bezpieczeństwem ich eksploatacji czuwa zaawansowany system nad-zoru tzw. BMS (Battery Management System), który w trybie on-line monitoruje po-szczególne parametry elektryczne każdego ogniwa indywidualnie oraz całej baterii. Do napędu zastosowano silniki z magnesami trwałymi, zasilane z dedykowanych przekształtników energoelektronicznych. Wykorzystując strukturę rozproszoną, zbu-dowano system sterowania, łączący wszystkie elementy za pośrednictwem magi-strali CAN. Mikroprocesorowe sterowanie wektorem momentu w czterech ćwiart-kach układu moment-prędkość umożliwia pracę z rekuperacją energii do akumulato-rów, w czasie hamowania elektrycznego.
Kompetencje specjalistów Instytutu KOMAG oraz pozyskana wiedza i doświad-czenie, uzyskane podczas opracowywania i wdrażania wymienionych urządzeń, skłaniają do przedstawienia propozycji opracowania innowacyjnego rozwiązania napędu akumulatorowego do samojezdnych wozów przeznaczonych do eksploatacji w zakładach górnictwa rud miedzi.
Bibliografia
[1] Budzyński Z., 2013, Innowacyjne rozwiązania elektrycznych układów napędowych ma-szyn górniczych, Mama-szyny Górnicze, nr 2, s. 77-86.
[2] Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K., Krzak Ł., 2014 System sterowania KOGASTER – nowe trendy w budowie maszyn górniczych. Maszyny Górni-cze, nr 2, s. 43-49,
[3] Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K., Krzak Ł., 2014, Innowacyj-ny system sterowania KOGASTER, Napędy i Sterowanie, nr 7/8, s. 118-123.
[4] Kaczmarczyk K., 2012, Podwieszony ciągnik PCA-1 – nowatorskie rozwiązanie do prac transportowych w przodkach chodnikowych. Bezpieczeństwo pracy urządzeń transpor-towych w górnictwie, Monografia, red. nauk.: Andrzej Tytko, Marian Wójcik, Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego sp. z o.o., Lędziny, s. 205-210.
[5] Kozieł A., Pieczora E., 2014, Możliwości badawcze Instytutu Techniki Górniczej KOMAG w zakresie bezpieczeństwa pracy. Materiały na konferencję: Problemy Bezpieczeństwa i Ochrony Zdrowia w Polskim Górnictwie, Zawiercie, s. 1-18.
[6] Młynarczyk J., 2006, Analiza możliwości zastosowania maszyn samojezdnych z napę-dem elektrycznym, do odstawy rudy w kopalniach Legnicko-Głogowskiego Okręgu Mie-dziowego, Rozprawa doktorska, AGH Kraków.
[7] Mróz J., Skupień K., Drwięga A., Budzyński Z., Polnik B., Czerniak D., Dukalski P., Bry-mora L., 2012, Akumulatorowy ciągnik podwieszany GAD-1 z innowacyjnym napędem jako alternatywa rozwiązań z napędem spalinowym, Zeszyty Problemowe-Maszyny Elektryczne, nr 96, s. 83-90.
[8] Piętowski T., 2012, Wykorzystanie magistrali CAN w układach sterowania maszyn gór-niczych na przykładzie ciągnika podwieszonego GAD-1, [w:] Monografia: KOMTECH 2012, Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczeństwo – Efektywność – Niezawodność, Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice, s. 303-315.
[9] Skupień K., Mróz J., Krakowczyk B., Bernatt J., Dukalski P., 2013, GAD-1 podwieszony ciągnik górniczy nowej generacji, Napędy i Sterowanie, nr 10, s. 78, 80-81.
[10] Skupień K., Mróz J., Krakowczyk B., 2014, Akumulatorowy ciągnik podwieszony GAD-1 a poprawa bezpieczeństwa i ochrona zdrowia na podstawie prób ruchowych w KWK „Pniówek”, Materiały na konferencję: Problemy Bezpieczeństwa i Ochrony Zdrowia w Polskim Górnictwie, Zawiercie, s. 1-11.
[11] PN-EN 60079-0 Atmosfery wybuchowe. Część 0: Urządzenia. Podstawowe wymagania. [12]
