Ретроспекция: Как ранните електрически двигатели промениха подземния добив на полезни изкопаеми

Моментът, в който минното дело започва да се електрифицира

Много преди програмируемите контролери, цифровите задвижвания и системите за мониторинг на състоянието да станат стандарт в промишлените предприятия, минните инженери са се изправяли пред далеч по-трудно предизвикателство: как да доставят надеждно захранване дълбоко под земята в отдалечени и опасни среди.

В минните градове в западната част на Съединените щати, особено в богати на сребро райони като Уолъс, Айдахо, преходът от машини с парно задвижване към системи с електродвигатели е променил икономиката и безопасността на добива на полезни изкопаеми. Масивните компресори, подемници и транспортни системи са се превърнали в ранни изпитателни площадки за промишлената електрификация.

Това, което прави тези системи забележителни и днес, не е само размерът им, а и фактът, че много инженерни принципи все още са приложими в съвременните системи за задвижване и управление на движението.

Електричеството достига до отдалечените минни дейности

В началото на XX век електрическата инфраструктура е била ограничена извън големите индустриални центрове. Мините често са били създавани в изолирани планински райони, далеч от надеждни електроснабдителни мрежи. Парните двигатели са оставали предпочитаното решение по време на ранните проучвания, тъй като системите, работещи с въглища, са могли да функционират независимо.

Едва след като дадена мина е доказвала дългосрочна рентабилност, операторите са могли да обосноват инвестицията, необходима за инсталиране на електроразпределителни системи. В резултат много машини от този период са били умишлено проектирани да поддържат както парни, така и електрически конфигурации на задвижване.

Тази хибридна инженерна философия е помогнала на минните компании постепенно да преминат към електродвигатели, без да заменят цели механични системи.

Сгъстен въздух: Жизнената сила на подземната работа

Една от най-критичните системи в историческите минни дейности е била генерирането на сгъстен въздух. Притокът на свеж въздух под земята е бил жизненоважен за оцеляването на работниците, но сгъстеният въздух е осигурявал и по-безопасен метод за предаване на механична енергия към опасни зони, където електрическите искри са създавали риск от запалване.

Големи компресорни станции, монтирани над земята, са осигурявали както вентилация, така и пневматична енергия за сондажно оборудване, минни вагонетки и подемни системи.

Фигура 1. Ранните минни компресорни системи са комбинирали големи маховици и електродвигатели за генериране на сгъстен въздух за подземни дейности.

Механична трансмисия с въжено задвижване

За разлика от съвременните двигатели с директно задвижване, ранните компресорни инсталации са разчитали на огромни маховици и трансмисионни системи с въжени ремъци за предаване на въртеливата енергия. Множество въжени примки са действали подобно на съвременните серпентинни ремъци, разпределяйки въртящия момент и намалявайки ударните натоварвания.

Тези системи са служели и като примитивни механични съединители, позволяващи по-плавно включване между етапите на двигателя и компресора.

Фигура 2. Въжено-ремъчните шайби намалявали скоростта на въртене, като същевременно подпомагали предаването на въртящия момент от двигателя за постоянен ток към компресорния възел.

Възходът на двигателите за постоянен ток с четки

Двигателите за постоянен ток с четки станали предпочитани в минната промишленост, тъй като осигурявали висок пусков въртящ момент и регулируема скорост много преди появата на съвременните задвижвания с променлива честота.

Комутаторът и четковият възел механично превключвали посоката на тока през намотките на ротора, осигурявайки непрекъснато въртене и сравнително просто управление на скоростта.

Фигура 3. Ранните двигатели за постоянен ток използвали открити четки на комутатора за превключване на тока в ротора и работа с променлива скорост.

Въпреки че съвременната индустрия до голяма степен е преминала към системи, задвижвани от променливотокови инвертори, много от концепциите за управление на въртящия момент, разработени през ерата на двигателите за постоянен ток, продължават да влияят върху архитектурите на съвременните индустриални задвижвания, използвани в минната промишленост и тежките преработвателни производства.

Мотор-генераторни агрегати преди съвременната силова електроника

Едно от най-впечатляващите инженерни решения от този период бил мотор-генераторният агрегат. Тъй като двигателите за променлив ток с фиксирана честота не можели лесно да осигурят нискоскоростна работа с висок въртящ момент без големи редукторни предавки, инженерите разработили ротационни системи за преобразуване.

Променливотоков двигател механично задвижвал генератор за постоянен ток, който подавал контролиран постоянен ток към двигателя на компресора. Тази конфигурация позволявала на операторите да постигнат по-плавно регулиране на скоростта без прекомерно големи механични редуктори.

Фигура 4. Ротационните мотор-генераторни системи осигурявали регулируем постоянен ток преди появата на полупроводниковите задвижвания.

В много отношения тези системи били индустриалните предшественици на съвременните регенеративни задвижващи системи и платформите за преобразуване на енергия, които днес широко се използват в мащабната минна автоматизация.

Подемът на руда изисквал нещо повече от груба мощност

Извличането на руда вертикално от дълбоки шахти поставяло още едно значително инженерно предизвикателство: контролираното забавяне. Тежките кофи с руда, спускащи се под действието на гравитацията, генерирали огромна въртелива енергия в подемните системи.

Без подходящ контрол на спирането кабелните барабани можели да развият прекомерна скорост, създавайки сериозни механични рискове.

Минните оператори решавали този проблем чрез спирачни системи с резистори, които преобразували излишната електрическа енергия в топлина. Макар и примитивен според днешните стандарти, принципът на работа силно наподобява съвременните методи за динамично спиране, използвани в индустриалните задвижвания.

Фигура 5. Ранните спирачни резистори помагали за контролиране на скоростта на спускане на подемника и намалявали механичното износване на минното оборудване.

Днес тези концепции са се развили в усъвършенствани рекуперативни технологии, интегрирани в съвременни платформи за VFD и променливотокови задвижвания, които позволяват на минните предприятия да възстановяват и преразпределят спирачната енергия с много по-голяма ефективност.

Системи за минни колички с батерии и пневматично задвижване

Транспортирането в подземни тунели изисквало компактни и надеждни мобилни енергийни системи. Появили се две основни решения: локомотиви със сгъстен въздух и електрически колички, задвижвани с батерии.

Пневматичните системи предлагали значително предимство по отношение на безопасността, тъй като предотвратявали електрическото искрене във взривоопасна подземна атмосфера. Капацитетът за съхранение на сгъстен въздух обаче ограничавал продължителността на работа.

Задвижваните с батерии колички осигурявали по-голяма оперативна гъвкавост, но създавали опасения, свързани с образуването на искри от двигателите с четки и ограничения живот на батериите. Дори в тези ранни системи минните инженери вече започнали да балансират между безопасността, ефективността и времето на работа — предизвикателства, които и днес са в центъра на промишлената електрификация.

Основите на съвременното промишлено управление на движението

Погледът към тези ранни минни системи разкрива как много съвременни промишлени технологии са се развили от фундаментални механични и електрически принципи, разработени преди повече от век.

Независимо дали се изследват управлението на въртящия момент при постояннотокови двигатели, рекуперативното спиране, преобразуването на електроенергия чрез въртящи се преобразуватели или синхронизацията на движението, инженерното ДНК на съвременните системи за автоматизация може да бъде проследено пряко до тези минни инсталации.

В много отношения историческата минна инфраструктура представлява една от най-ранните мащабни демонстрации на интегрирано управление на промишленото движение.

Фигура 6. Експозициите, посветени на минното наследство, съхраняват някои от най-ранните системи за промишлена електрификация, които все още могат да се видят днес.

Защо тези машини все още са важни

Съвременните минни обекти вече разчитат на прогнозна диагностика, цифрови двойници, мониторинг на състоянието и високоефективни задвижвания с променлива скорост. Основната задача обаче остава непроменена: материалите да се преместват безопасно, надеждно и ефективно при екстремни експлоатационни условия.

Авторът смята, че тези исторически системи заслужават повече внимание от днешните инженери по автоматизация, защото показват как елегантни инженерни решения са възникнали много преди съществуването на цифровото управление. Много от концепциите в основата на съвременните системи за управление на двигатели са били решени механично и електрически от инженери, разполагащи с много по-малко инструменти.

Даниел Мърсър | Старши репортер за промишлени системи

Даниел Мърсър има над 14 години опит в областта на промишлената електрификация, въртящите се машини и инфраструктурата за автоматизация. Професионалният му опит включва проекти за управление на движението със задвижващи системи Siemens, промишлени двигатели GE и приложения за мониторинг на състоянието в тежката преработвателна промишленост.