Өткенге шолу: Алғашқы электр қозғалтқыштары жерасты кен өндіруді қалай өзгертті

Кен өндіру электрлене бастаған сәт

Бағдарламаланатын контроллерлер, цифрлық жетектер және техникалық күйді бақылау жүйелері өнеркәсіптік нысандарда стандартқа айналғанға дейін көп бұрын, кен инженері одан да күрделі мәселеге тап болды: шалғай әрі қауіпті ортада терең жерасты жұмыстарына сенімді қуатты қалай жеткізуге болады?

Америка Құрама Штаттарының батысындағы кен өндіруші қалаларда, әсіресе Уоллес, Айдахо сияқты күміске бай өңірлерде, бу жетекті машиналардан электр қозғалтқышы жүйелеріне көшу пайдалы қазбаларды өндіру экономикасы мен қауіпсіздігін өзгертті. Ауқымды компрессорлар, көтергіштер және тасымалдау жүйелері өнеркәсіпті электрлендірудің алғашқы сынақ алаңдарына айналды.

Бұл жүйелерді бүгінгі күнге дейін таңғаларлық ететін нәрсе — олардың көлемі ғана емес, инженерлік қағидалардың қаншасы қазіргі жетектер мен қозғалысты басқару жүйелерінде әлі де өзектілігін сақтап отырғаны.

Электр қуаты шалғай кеніштерге жетеді

ХХ ғасырдың басында ірі өнеркәсіп орталықтарынан тыс жерлерде электр инфрақұрылымы шектеулі болды. Кеніштер көбіне тұрақты коммуналдық желілерден алыс, оқшауланған тауларда орналасты. Алғашқы барлау кезінде көмірмен жұмыс істейтін жүйелер дербес іске қосыла алатындықтан, бу қозғалтқыштары қолайлы шешім болып қала берді.

Кеніш ұзақ мерзімді рентабельділігін дәлелдегеннен кейін ғана операторлар электр тарату жүйелерін орнатуға қажетті инвестицияны негіздей алды. Соның нәтижесінде осы кезеңдегі көптеген машиналар әдейі бу және электр жетегі конфигурацияларын да қолдайтындай етіп жобаланды.

Бұл гибридті инженерлік тәсіл кен өндіруші компанияларға бүкіл механикалық жүйелерді ауыстырмай, электр қозғалтқыштарына біртіндеп көшуге мүмкіндік берді.

Сығылған ауа: жерасты жұмыстарының тіршілік көзі

Тарихи кен өндіру жұмыстарындағы ең маңызды жүйелердің бірі сығылған ауа өндіру болды. Жерасты кеңістігіндегі таза ауа ағыны жұмысшылардың аман қалуы үшін аса қажет еді, алайда сығылған ауа электр ұшқындары тұтану қаупін төндіретін қауіпті аймақтарға механикалық энергия жеткізудің қауіпсіздеу әдісін де ұсынды.

Жер бетіне орнатылған ірі компрессор станциялары желдетуді де, бұрғылау жабдықтарына, кен арбаларына және көтеру жүйелеріне арналған пневматикалық қуатты да қамтамасыз етті.

1-сурет. Алғашқы шахталық компрессор жүйелері жерасты жұмыстарына сығылған ауа өндіру үшін ірі маховиктер мен электр қозғалтқыштарын біріктірді.

Арқан жетекті механикалық беріліс

Заманауи тікелей жетекті қозғалтқыштардан өзгеше, алғашқы компрессор қондырғылары айналу энергиясын беру үшін орасан зор маховиктер мен арқан-белдікті беріліс жүйелеріне сүйенді. Бірнеше арқан ілмегі қазіргі серпантинді белдіктерге ұқсас жұмыс істеп, айналдыру моментін таратып, соққы жүктемесін азайтты.

Бұл жүйелер қозғалтқыш пен компрессор сатыларының бірқалыптырақ қосылуын қамтамасыз етіп, қарапайым механикалық іліністер ретінде де қызмет етті.

2-сурет. Арқанды белдікті шкивтер айналу жылдамдығын азайтып, тұрақты ток қозғалтқышынан компрессор торабына айналдыру моментін беруге көмектесті.

Щеткалы тұрақты ток қозғалтқыштарының өрлеуі

Щеткалы тұрақты ток қозғалтқыштары тау-кен саласында тартымды болды, өйткені заманауи жиілік түрлендіргішті жетектер пайда болғанға дейін-ақ олар іске қосу кезінде жоғары айналдыру моментін және реттелетін жылдамдық сипаттамаларын қамтамасыз етті.

Коллектор мен щеткалар торабы ротор орамдарындағы ток бағытын механикалық түрде ауыстырып, үздіксіз айналуды және салыстырмалы түрде қарапайым жылдамдықты басқаруды қамтамасыз етті.

3-сурет. Алғашқы тұрақты ток қозғалтқыштарында ротор тогын ауыстырып, жылдамдықты реттеу үшін ашық орналасқан коллекторлық щеткалар қолданылды.

Қазіргі өнеркәсіптің басым бөлігі айнымалы ток инверторлары арқылы басқарылатын жүйелерге көшкенімен, тұрақты ток қозғалтқыштары дәуірінде жасалған айналдыру моментін басқару тұжырымдамалары тау-кен және ауыр технологиялық өнеркәсіптерде қолданылатын қазіргі өнеркәсіптік жетек архитектураларына әлі де ықпал етеді.

Заманауи күштік электроникаға дейінгі мотор-генератор агрегаттары

Сол кезеңдегі ең қызықты инженерлік шешімдердің бірі мотор-генератор агрегаты болды. Тұрақты жиілікті айнымалы ток қозғалтқыштары үлкен беріліс төмендеткіштерінсіз төмен жылдамдықта жоғары айналдыру моментін оңай бере алмағандықтан, инженерлер айналмалы түрлендіру жүйелерін әзірледі.

Айнымалы ток қозғалтқышы тұрақты ток генераторын механикалық түрде айналдырды, ал генератор компрессор қозғалтқышына басқарылатын тұрақты ток қуатын берді. Бұл құрылым операторларға өлшемі үлкен механикалық редукторларды қолданбай-ақ, жылдамдықты бірқалыпты реттеуге мүмкіндік берді.

4-сурет. Жартылай өткізгішті жетек технологиясы пайда болғанға дейін айналмалы мотор-генератор жүйелері реттелетін тұрақты ток қуатын қамтамасыз етті.

Көп жағынан бұл жүйелер қазіргі кезде ауқымды тау-кен автоматтандыруында кең қолданылатын заманауи рекуперативті жетектер мен қуатты түрлендіру платформаларының өнеркәсіптік бастау көзі болды.

Кенді көтеру үшін тек қуат жеткіліксіз болды

Терең оқпандардан кенді тігінен шығару тағы бір маңызды инженерлік мәселені — басқарылатын баяулатуды туындатты. Ауыр кен шелектері ауырлық күшінің әсерінен төмен түскенде, көтергіш жүйелерінің ішінде орасан зор айналмалы энергия пайда болды.

Тиісті тежеу басқаруы болмаса, арқан барабандары шамадан тыс жылдамдыққа жетіп, ауыр механикалық қауіптер туғызуы мүмкін еді.

Тау-кен операторлары бұл мәселені артық электр энергиясын жылуға айналдыратын резисторлық тежеу жүйелері арқылы шешті. Бүгінгі өлшемдер бойынша қарапайым болғанымен, оның жұмыс істеу қағидаты өнеркәсіптік жетектерде қолданылатын заманауи динамикалық тежеу әдістеріне өте ұқсас.

5-сурет. Алғашқы тежеу резисторлары көтергіштің түсу жылдамдығын бақылауға және тау-кен жабдықтарының механикалық тозуын азайтуға көмектесті.

Бүгінде бұл тұжырымдамалар заманауи VFD және айнымалы ток жетектері платформаларына біріктірілген озық рекуперативті технологияларға айналды. Олар тау-кен нысандарына тежеу энергиясын әлдеқайда жоғары тиімділікпен қайта алуға және қайта бөлуге мүмкіндік береді.

Аккумуляторлы және пневматикалық тау-кен вагонеткасы жүйелері

Жерасты туннельдерінің ішінде тасымалдау үшін ықшам әрі сенімді жылжымалы қуат жүйелері қажет болды. Екі негізгі шешім қалыптасты: сығылған ауамен жүретін локомотивтер және аккумулятормен жұмыс істейтін электр вагонеткалар.

Пневматикалық жүйелер жарылыс қаупі бар жерасты атмосферасында электр доғасының пайда болуын болдырмағандықтан, қауіпсіздік тұрғысынан елеулі артықшылық ұсынды. Алайда сығылған ауаны сақтау сыйымдылығы жұмыс ұзақтығын шектеді.

Аккумулятормен жұмыс істейтін вагонеткалар пайдалану икемділігін арттырды, бірақ щеткалы қозғалтқыштардан ұшқын шығуы және аккумулятордың жұмыс істеу ұзақтығының шектеулі болуы сияқты мәселелер туғызды. Тіпті осы алғашқы жүйелердің өзінде тау-кен инженерлері қауіпсіздікті, тиімділікті және жұмыс уақытының көрсеткіштерін теңгеруге тырысты — бұл мәселелер бүгінгі өнеркәсіптік электрлендіруде де маңызды болып қала береді.

Қазіргі өнеркәсіптік қозғалысты басқарудың негіздері

Осы алғашқы тау-кен жүйелеріне көз жүгіртсек, қазіргі өнеркәсіптік технологиялардың көпшілігі бір ғасырдан астам уақыт бұрын әзірленген іргелі механикалық және электрлік қағидалардан қалай дамығанын көреміз.

Тұрақты токтағы моментті басқаруды, рекуперативті тежеуді, айналмалы қуатты түрлендіруді немесе қозғалысты синхрондауды зерттегенде, қазіргі автоматтандыру жүйелерінің инженерлік өзегін осы тау-кен қондырғыларынан тікелей байқауға болады.

Көп жағынан алғанда, тарихи тау-кен инфрақұрылымы өнеркәсіптік қозғалысты кешенді басқарудың алғашқы ауқымды көріністерінің бірі болды.

6-сурет. Тау-кен мұрасы экспонаттары бүгінге дейін көрініп тұрған өнеркәсіптік электрлендіру жүйелерінің ең алғашқы үлгілерінің кейбірін сақтап келеді.

Бұл машиналар әлі де неге маңызды

Қазіргі тау-кен нысандары болжамды диагностикаға, цифрлық егіздерге, күйді бақылауға және жоғары тиімді айнымалы жылдамдықты жетектерге сүйенеді. Дегенмен негізгі міндет өзгерген жоқ: төтенше пайдалану жағдайларында материалды қауіпсіз, сенімді әрі тиімді тасымалдау.

Автордың пікірінше, бұл тарихи жүйелер бүгінгі автоматтандыру инженерлерінің көбірек назар аударуына лайық, өйткені олар цифрлық басқару пайда болмай тұрып-ақ, инженерлік шешімдердің қаншалықты ұтымды болғанын көрсетеді. Қазіргі қозғалтқыштарды басқару жүйелерінің негізіндегі көптеген тұжырымдамаларды әлдеқайда аз құралмен жұмыс істеген инженерлер механикалық және электрлік жолмен шешкен.

Дэниел Мерсер | Өнеркәсіптік жүйелер жөніндегі аға тілші

Дэниел Мерсердің өнеркәсіптік электрлендіру, айналмалы машиналар және автоматтандыру инфрақұрылымы салаларында 14 жылдан астам тәжірибесі бар. Оның тәжірибесіне Siemens жетектер жүйелері, GE өнеркәсіптік қозғалтқыштары қолданылған қозғалысты басқару жобалары және ауыр өнеркәсіптік процестерге арналған күйді бақылау қолданбалары кіреді.