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 осигурят надеждно електрозахранване дълбоко под земята в отдалечени и опасни среди.

В минните градове в западната част на Съединените щати, особено в богатите 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. Огромните компресори, подемници и транспортни системи са се превърнали в първите изпитателни площадки за промишлената електрификация.

Забележителното в тези системи дори днес не е само техният размер, а и фактът, че много инженерни принципи все още са актуални в съвременните системи за задвижване и управление на движението.

Електричеството достига отдалечените минни обекти

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

Едва след като дадена мина е демонстрирала 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 подземния труд

Една от най-критичните системи в историческите минни операции е било производството на сгъстен въздух. Свежият въздушен поток 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 възпламеняване.

Големи компресорни станции, инсталирани 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 операции.

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 контури са действали подобно на съвременните серпентинни ремъци, разпределяйки въртящия момент и едновременно намалявайки ударното натоварване.

Тези системи са служели и като примитивни механични съединители, позволявайки по-плавно включване между двигателния и компресорния етап.

Фигура 2. Въжено-ремъчните шайби намалявали скоростта на въртене, като същевременно подпомагали предаването на въртящия момент от постояннотоковия двигател към възела на компресора.

Възходът на постояннотоковите двигатели с четки

Постояннотоковите двигатели с четки станали предпочитани в минното дело, защото осигурявали висок пусков въртящ момент и възможност за регулиране на скоростта 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 лесен контрол на скоростта.

Фигура 3. Ранните постояннотокови двигатели използвали открити комутаторни четки за превключване на тока в ротора и работа с променлива скорост.

Въпреки че съвременната индустрия до голяма степен преминала към системи, задвижвани от инвертори за променлив ток, много от концепциите за контрол на въртящия момент, разработени през ерата на постояннотоковите двигатели, продължават да влияят върху архитектурите на съвременните промишлени задвижвания, използвани в минното дело и тежката преработвателна промишленост.

Мотор-генераторни групи преди съвременната силова електроника

Едно от най-забележителните инженерни решения от този период била мотор-генераторната група. Тъй като двигателите за променлив ток с фиксирана честота не можели лесно да осигурят висока въртяща сила при ниски скорости без големи редукции, инженерите разработили ротационни системи за преобразуване.

Двигателят за променлив ток механично задвижвал генератор за постоянен ток, който след това подавал регулирано постояннотоково захранване 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 регулируемо постояннотоково захранване преди появата на задвижващата технология на основата на полупроводници.

В много отношения тези системи били индустриалните предшественици на съвременните регенеративни задвижващи системи и платформите за преобразуване на електроенергия, които днес са широко разпространени в автоматизацията на мащабни минни операции.

Подемът на руда изисквал повече от сурова мощност

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

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

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

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

Днес тези концепции са се развили в усъвършенствани рекуперативни технологии, интегрирани в съвременни платформи с честотни преобразуватели и променливотокови задвижвания, което позволява на минните обекти да възстановяват и преразпределят спирачната енергия с много по-голяма ефективност.

Системи с батерийни и пневматични минни вагонетки

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

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

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

Основите на съвременното индустриално управление на движението

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

Независимо дали разглеждаме управление на въртящия момент при постояннотокови двигатели, рекуперативно спиране, преобразуване на въртяща се мощност или синхронизация на движението, инженерното наследство на съвременните системи за автоматизация може да бъде проследено директно до тези минни инсталации.

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

Фигура 6. Експонатите, свързани с минното наследство, съхраняват някои от най-ранните системи за индустриална 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 работни условия.

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

Даниел Мърсър | Старши репортер за индустриални системи

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