Ograniczenie energochłonności zakładu górniczego poprzez wymianę zasilania napędów dużej mocy
Marcin Magnor
Zakłady przemysłowe, a w szczególności zakłady górnicze, zużywają znaczne ilości energii elektrycznej. Każdy zakład jest rozliczany z pobranej energii czynnej, jak i biernej. Przy rosnących cenach energii coraz większe znaczenie ma optymalizacja procesów pod kątem energochłonności oraz kompensacja mocy biernej.
W przypadku zakładów górniczych wydobywających kopaliny szybami górniczymi jednym z największych odbiorów energii elektrycznej są napędy maszyn wyciągowych górniczych wyciągów szybowych. Napędy te zwykle wyposażone są w silniki elektryczne o mocy od kilkuset kW do kilku MW. Znaczną większość tych napędów stanowią silniki prądu stałego.
Ze względów historycznych w zakładach górniczych pracuje jeszcze sporo maszyn wyciągowych prądu stałego zasilanych z elektromaszynowych przetwornic prądu stałego. (Widok takiej przetwornicy przedstawia rys. 1). Przetwornica elektromaszynowa jest to najczęściej zespół silnika synchronicznego lub asynchronicznego oraz prądnicy (generatora) połączonych jednym wałem. Prądnice tych przetwornic często są łączone w układ szeregowy, równoległy lub szeregowo-równoległy. Zwykle do zasilania jednej maszyny wyciągowej wykorzystane są od jednej do czterech przetwornic elektromaszynowych.
Przetwornice pracują w sposób ciągły, niezależny od stopnia wykorzystania maszyny wyciągowej, której silnik jest zasilany z tych generatorów. Jak nietrudno się domyślić, generuje to spore ilości strat energii wydzielonej w postaci ciepła. Straty generowane są zarówno w silnikach napędowych generatorów, jak i w samych generatorach. Można je podzielić na straty przy biegu jałowym, tzn. te, które występują zawsze i niezależnie od stopnia wykorzystania przetwornic, oraz na straty powstałe przy obciążeniu.
Należy również zwrócić uwagę na fakt, że spora ilość istniejących maszyn wyciągowych wyposażonych w przetwornice elektromaszynowe posiada elektromaszynowe wzbudzarki silników synchronicznych oraz elektromaszynowe wzbudzarki silników prądu stałego maszyny wyciągowej. Każdy z tych napędów generuje kolejne straty, które przenoszą się na bilans energetyczny całego układu zasilania maszyny wyciągowej.
Wraz z rozwojem elektroenergetyki przetwornice elektromaszynowe były i są nadal zastępowane przez przekształtniki tyrystorowe. Przekształtniki w początkowym etapie wdrażania były zwykle wielopoziomowe, tzn. istniało kilka do kilkunastu równolegle połączonych ze sobą tyrystorów. Wraz z rozwojem nowych technologii równolegle połączone tyrystory zostawały sukcesywnie zastępowane pojedynczymi tyrystorami wchodzącymi w skład mostka tyrystorowego. W układach wielopoziomowych (wielopiętrowych) wartość prądu tyrystora nie przekraczała zwykle 800 A, natomiast obecnie w układach napędowych silników wyciągowych są stosowane mostki tyrystorowe zbudowane z tyrystorów o prądzie znamionowym 5 kA.
Układy zasilania maszyn wyciągowych prądu stałego oparte na przekształtnikach tyrystorowych (widok przekształtnika tyrystorowego przedstawiono na rys. 2 i rys. 3) wykazują znacznie mniejsze straty mocy czynnej niż tej samej mocy przetwornice elektromaszynowe.
Przeanalizowaliśmy zużycie energii elektrycznej przez kilka maszyn wyciągowych górniczych wyciągów szybowych wydobywczych. Pierwsze z tych maszyn były zasilane z przetwornic elektromaszynowych, natomiast drugie z przekształtników tyrystorowych. Dla obydwu przypadków odczytane zostały liczniki energii zainstalowane odpowiednio:
- w polach rozdzielni 6 kV zasilających przetwornice elektromaszynowe;
- w polach rozdzielni 6 kV zasilających transformatory zasilania przekształtników tyrystorowych.
Poniżej tabelarycznie zestawiono parametry analizowanych górniczych wyciągów szybowych oraz zużycie energii przez ich maszyny wyciągowe.
* MW GWSz – maszyna wyciągowa górniczego wyciągu szybowego
** GWSz – górniczy wyciąg szybowy
Powyższa analiza dowodzi, że sprawność maszyn wyciągowych zasilanych z przetwornic elektromaszynowych jest na poziomie 0,5, natomiast sprawność maszyn zasilanych z przekształtników tyrystorowych wynosi ok 0,8.
Biorąc pod uwagę ok. 30% zysku pobranej energii elektrycznej w przypadku maszyn wyciągowych zasilanych z przekształtników tyrystorowych w stosunku do maszyn zasilanych z przetwornic elektromaszynowych, otrzymujemy oszczędności rzędu kilkuset tysięcy złotych rocznie w przypadku maszyn wyciągowych z silnikami o mocy kilku MW.
Dodatkowo należy wziąć pod uwagę zredukowanie kosztów związanych z eksploatacją maszyn wirujących (przeglądy, konserwacje, wymiana oleju smarowania łożysk, szczotek itp.).
Wymiana napędu elektromaszynowego na przekształtnik tyrystorowy powoduje pewien problem, jakim jest generowanie mocy biernej indukcyjnej przez przekształtniki tyrystorowe. Jednak moc bierna może zostać znacznie ograniczona poprzez odpowiedni sposób sterowania przekształtników tyrystorowych. Takim rozwiązaniem jest sterowanie kolejnościowe przekształtników tyrystorowych połączonych w szereg. Zastosowanie sterowania kolejnościowego umożliwia uzyskanie współczynnika mocy tg φ zbliżonego do jedności. Rozwiązania takie stosuje się głównie w maszynach wyciągowych górniczych wyciągów szybowych wydobywczych, gdzie kierunek ciągnienia nadwagi jest ściśle zdefiniowany. Kolejnym etapem ograniczenia mocy biernej powinno być zastosowanie aktywnych kompensatorów mocy biernej wraz z filtrami wyższych harmonicznych. Zastosowanie takich kompensatorów, odpowiednie ustawienie trybu pracy i zastosowanie zewnętrznego sygnału sterującego umożliwia pełną kompensację mocy biernej.
Analizowane przypadki dowodzą, że wymiana elektromaszynowych układów zasilania maszyn wyciągowych na przekształtniki tyrystorowe powoduje znaczne ograniczenie pobranej mocy czynnej, a co za tym idzie – obniżenie kosztów eksploatacji.
Autor: Marcin Magnor – OPA-ROW Sp. z o.o.
www.opa-row.pl
