Връщане назад: Как ранните електрически мотори промениха подземния добив

Моментът, в който минната индустрия започна да се електрифицира

Много преди програмируемите контролери, цифровите задвижвания и системите за мониторинг на състоянието да станат стандарт в индустриалните съоръжения, минните инженери се изправяха пред далеч по-трудно предизвикателство: как да доставят надеждна енергия дълбоко под земята в отдалечени и опасни среди.

В минни градове из западните Съединени щати, особено в сребърно-богатите региони като Уолъс, Айдахо, преходът от машини с парно задвижване към системи с електрически мотори преоформи икономиката и безопасността на добива на минерали. Масивни компресори, подемници и транспортни системи станаха ранни полигонни за индустриалната електрификация.

Това, което прави тези системи забележителни дори и днес, не е само техният размер, а колко много инженерни принципи все още остават релевантни в съвременните системи за задвижване и контрол на движението.

Електричеството достига до отдалечени минни операции

В началото на двадесети век електрическата инфраструктура беше ограничена извън големите индустриални центрове. Мините често бяха разположени в изолирани планини, далеч от стабилни мрежи за комунални услуги. Парните двигатели останаха предпочитаното решение по време на ранното проучване, тъй като системите, работещи с въглища, можеха да функционират независимо.

Само след като мина докаже дългосрочна рентабилност, операторите оправдаваха инвестицията, необходима за инсталиране на електрически разпределителни системи. В резултат на това много машини от този период бяха умишлено проектирани да поддържат както парни, така и електрически задвижващи конфигурации.

Тази хибридна инженерна философия помогна на минните компании постепенно да преминат към електрически мотори без да заменят цялата механична система.

Сгъстен въздух: Жизнената линия на подземната работа

Една от най-критичните системи в историческите минни операции беше генерирането на сгъстен въздух. Свежият въздух под земята беше жизненоважен за оцеляването на работниците, но сгъстеният въздух също осигуряваше по-безопасен метод за предаване на механична енергия в опасни зони, където електрическите искри представляваха риск от възпламеняване.

Големи компресорни станции, инсталирани над земята, осигуряваха както вентилация, така и пневматична енергия за пробивни машини, минни колички и подемни системи.

Фигура 1. Ранни системи за минни компресори, комбиниращи големи махови колела и електрически мотори за генериране на сгъстен въздух за подземни операции.

Механично предаване с въжени ремъци

За разлика от съвременните директно задвижвани мотори, ранните инсталации на компресори разчитаха на огромни махови колела и системи за предаване с въжени ремъци за пренасяне на въртеливата енергия. Множество въжени обръчи действаха подобно на съвременните серпентинови ремъци, разпределяйки въртящия момент и намалявайки ударните натоварвания.

Тези системи също служеха като примитивни механични съединители, позволявайки по-плавно свързване между мотора и компресорните етапи.

Фигура 2. Въжено-ремъчните макари намаляваха въртящата скорост, като помагаха за прехвърляне на въртящия момент от постоянния ток мотор към компресорния блок.

Възходът на четковите постоянни токови мотори

Четковите постоянни токови мотори станаха атрактивни в минната индустрия, защото осигуряваха висок начален въртящ момент и регулируеми характеристики на скоростта много преди да съществуват съвременните задвижвания с променлива честота.

Комутаторът и четковият блок механично превключваха посоката на тока през намотките на ротора, позволявайки непрекъснато въртене и относително просто управление на скоростта.

Фигура 3. Ранни постоянни токови мотори с изложени четки на комутатора за превключване на тока в ротора и работа с променлива скорост.

Въпреки че съвременните индустрии до голяма степен са преминали към системи с АС инвертори, много от концепциите за контрол на въртящия момент, разработени по време на ерата на постоянния ток, все още влияят на настоящите индустриални архитектури за задвижване, използвани в минната и тежката процесна индустрия.

Мотор-генераторни комплекти преди съвременната силова електроника

Едно от най-завладяващите инженерни решения от този период беше мотор-генераторният комплект. Тъй като АС моторите с фиксирана честота не можеха лесно да осигурят ниска скорост и висок въртящ момент без големи редукции на скоростта, инженерите разработиха ротационни системи за преобразуване.

АС мотор механично задвижваше постоянен ток генератор, който след това доставяше контролирано постояннотоково захранване към компресорния мотор. Тази подредба позволяваше на операторите да постигнат по-плавно регулиране на скоростта без прекалено големи механични скоростни кутии.

Фигура 4. Ротационни мотор-генераторни системи осигуряваха регулируемо постояннотоково захранване преди появата на задвижващата технология на базата на полупроводници.

По много начини тези системи бяха индустриалните предшественици на съвременните регенеративни задвижващи системи и платформи за преобразуване на енергия, които сега са често срещани в автоматизацията на големи минни обекти.

Подемането на руда изискваше повече от сурова мощност

Вертикалното извличане на руда от дълбоки шахти въведе още едно голямо инженерно предизвикателство: контролирано забавяне. Тежките кофи с руда, спускащи се под действието на гравитацията, генерираха огромна въртяща енергия в подемните системи.

Без правилен контрол на спирането, барабаните на кабелите можеха да превишат скоростта си, създавайки сериозни механични рискове.

Операторите в минната индустрия решаваха този проблем чрез спирачни системи с резистори, които преобразуваха излишната електрическа енергия в топлина. Въпреки че са примитивни по съвременните стандарти, принципът на работа силно наподобява съвременните методи за динамично спиране, използвани в индустриалните задвижвания.

Фигура 5. Резисторите за ранно спиране помогнаха за контролиране на скоростта на спускане на подемника и намалиха механичното износване на минното оборудване.

Днес тези концепции са се развили в усъвършенствани регенеративни технологии, интегрирани в съвременни платформи за VFD и AC задвижвания, позволяващи на минните съоръжения да възстановяват и разпределят енергията от спиране с много по-голяма ефективност.

Системи за минни картове с батерии и пневматични системи

Транспортирането в подземни тунели изискваше компактни и надеждни мобилни енергийни системи. Излязоха на преден план две доминиращи решения: локомотиви с компресиран въздух и електрически картове с батерии.

Пневматичните системи предлагаха значително предимство по отношение на безопасността, тъй като избягваха електрическите искри в експлозивни подземни атмосфери. Въпреки това капацитетът за съхранение на сгъстен въздух ограничаваше продължителността на работа.

Картовете с батерии осигуряваха по-голяма оперативна гъвкавост, но създаваха опасения относно генерирането на искри от четкови мотори и ограничената издържливост на батериите. Дори в тези ранни системи минните инженери вече започваха да балансират безопасността, ефективността и работното време — предизвикателства, които и днес са централни за индустриалната електрификация.

Основите на съвременното индустриално управление на движението

Оглеждайки се назад към тези ранни минни системи, се разкрива как много съвременни индустриални технологии са се развили от основни механични и електрически принципи, разработени преди повече от век.

Независимо дали разглеждаме управление на въртящ момент на постоянен ток, регенеративно спиране, въртящо преобразуване на енергия или синхронизация на движението, инженерният ДНК на съвременните автоматизационни системи може да се проследи директно до тези минни инсталации.

По много показатели историческата минна инфраструктура представлява една от най-ранните мащабни демонстрации на интегрирано индустриално управление на движението.

Фигура 6. Изложбите на минното наследство запазват някои от най-ранните индустриални електрификационни системи, които все още са видими днес.

Защо тези машини все още са важни

Съвременните минни обекти вече разчитат на предиктивна диагностика, цифрови близнаци, мониторинг на състоянието и високоефективни задвижвания с променлива скорост. Въпреки това основната мисия остава непроменена: да се пренася материал безопасно, надеждно и ефективно при екстремни работни условия.

Авторът смята, че тези исторически системи заслужават повече внимание от съвременните инженери по автоматизация, тъй като те показват как елегантни инженерни решения са се появили много преди съществуването на цифровото управление. Много от концепциите зад съвременните системи за управление на мотори са били решени механично и електрически от инженери, работещи с много по-малко инструменти.

Даниел Мерсър | Старши репортер по индустриални системи

Даниел Мерсър има над 14 години опит в областта на индустриалната електрификация, въртящите се машини и автоматизационната инфраструктура. Неговият опит включва проекти за управление на движението с използване на задвижващи системи Siemens, индустриални мотори GE и приложения за мониторинг на състоянието в тежката процесна индустрия.