ย้อนรำลึก: มอเตอร์ไฟฟ้ายุคแรกเปลี่ยนแปลงการทำเหมืองใต้ดินอย่างไร

ช่วงเวลาที่เหมืองแร่เริ่มเปลี่ยนมาใช้ไฟฟ้า

ก่อนที่คอนโทรลเลอร์แบบโปรแกรมได้ ไดรฟ์ดิจิทัล และระบบตรวจติดตามสภาพจะกลายเป็นมาตรฐานในโรงงานอุตสาหกรรม วิศวกรเหมืองแร่ต้องเผชิญความท้าทายที่ยากยิ่งกว่า นั่นคือการส่งจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ลงไปใต้ดินลึก ในสภาพแวดล้อมห่างไกลและเป็นอันตราย

ในเมืองเหมืองแร่ทั่วภาคตะวันตกของสหรัฐอเมริกา โดยเฉพาะในพื้นที่ที่อุดมด้วยแร่เงิน เช่น วอลเลซ รัฐไอดาโฮ การเปลี่ยนจากเครื่องจักรพลังไอน้ำมาเป็นระบบมอเตอร์ไฟฟ้าได้ปรับเปลี่ยนเศรษฐศาสตร์และความปลอดภัยของการสกัดแร่ คอมเพรสเซอร์ เครื่องกว้าน และระบบขนส่งขนาดมหึมากลายเป็นพื้นที่ทดสอบแรก ๆ สำหรับการใช้ไฟฟ้าในอุตสาหกรรม

สิ่งที่ทำให้ระบบเหล่านี้น่าทึ่งแม้ในปัจจุบัน ไม่ใช่เพียงขนาดของมัน แต่ยังรวมถึงหลักวิศวกรรมจำนวนมากที่ยังคงมีความเกี่ยวข้องอยู่ภายในระบบขับเคลื่อนและควบคุมการเคลื่อนที่สมัยใหม่

ไฟฟ้าเข้าถึงเหมืองแร่ห่างไกล

ในช่วงต้นศตวรรษที่ยี่สิบ โครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้านอกศูนย์กลางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ยังมีจำกัด เหมืองแร่มักตั้งอยู่บนภูเขาห่างไกล ไกลจากเครือข่ายสาธารณูปโภคที่มั่นคง เครื่องจักรไอน้ำยังคงเป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยมในช่วงสำรวจระยะแรก เนื่องจากระบบที่ใช้ถ่านหินสามารถทำงานได้อย่างอิสระ

ผู้ประกอบการจะเห็นว่าการลงทุนติดตั้งระบบจ่ายไฟฟ้ามีเหตุผลก็ต่อเมื่อเหมืองแสดงให้เห็นว่าสามารถทำกำไรได้ในระยะยาว ด้วยเหตุนี้ เครื่องจักรจำนวนมากในยุคดังกล่าวจึงได้รับการออกแบบโดยตั้งใจให้รองรับทั้งการขับเคลื่อนด้วยไอน้ำและไฟฟ้า

แนวคิดวิศวกรรมแบบผสมผสานนี้ช่วยให้บริษัทเหมืองแร่ค่อย ๆ เปลี่ยนไปใช้มอเตอร์ไฟฟ้าโดยไม่ต้องเปลี่ยนระบบกลไกทั้งหมด

อากาศอัด: เส้นเลือดใหญ่ของงานใต้ดิน

หนึ่งในระบบที่สำคัญที่สุดในการทำเหมืองแร่สมัยก่อนคือการผลิตอากาศอัด การไหลเวียนของอากาศบริสุทธิ์ใต้ดินมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของคนงาน แต่อากาศอัดยังเป็นวิธีถ่ายโอนพลังงานกลไปยังพื้นที่อันตรายที่ปลอดภัยกว่า ซึ่งประกายไฟฟ้าอาจก่อให้เกิดการลุกไหม้ได้

สถานีคอมเพรสเซอร์ขนาดใหญ่ที่ติดตั้งบนพื้นดินจ่ายทั้งอากาศสำหรับการระบายอากาศและพลังงานลมสำหรับอุปกรณ์เจาะ รถเข็นเหมืองแร่ และระบบยก

รูปที่ 1. ระบบคอมเพรสเซอร์เหมืองแร่ยุคแรกผสานล้อช่วยแรงขนาดใหญ่กับมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อผลิตอากาศอัดสำหรับการปฏิบัติงานใต้ดิน

ระบบส่งกำลังกลไกขับเคลื่อนด้วยเชือก

ต่างจากมอเตอร์ขับตรงสมัยใหม่ ระบบคอมเพรสเซอร์ยุคแรกอาศัยล้อช่วยแรงขนาดมหึมาและระบบส่งกำลังด้วยสายพานเชือกเพื่อถ่ายโอนพลังงานหมุน วงเชือกหลายวงทำหน้าที่คล้ายสายพานเซอร์เพนไทน์สมัยใหม่ ช่วยกระจายแรงบิดและลดแรงกระแทกจากการรับภาระ

ระบบเหล่านี้ยังทำหน้าที่เป็นคลัตช์กลไกแบบดั้งเดิม ช่วยให้การส่งกำลังระหว่างมอเตอร์กับชุดคอมเพรสเซอร์เป็นไปอย่างนุ่มนวลยิ่งขึ้น

รูปที่ 2 ลูกรอกสายพานเชือกช่วยลดความเร็วการหมุน พร้อมช่วยถ่ายโอนแรงบิดจากมอเตอร์ DC ไปยังชุดคอมเพรสเซอร์

การเพิ่มขึ้นของมอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่าน

มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านเป็นที่นิยมในเหมืองแร่ เพราะให้แรงบิดเริ่มต้นสูงและมีคุณลักษณะความเร็วที่ปรับได้ ตั้งแต่ก่อนที่ชุดขับเคลื่อนความถี่แปรผันสมัยใหม่จะถือกำเนิดขึ้นเป็นเวลานาน

ชุดคอมมิวเตเตอร์และแปรงถ่านจะสลับทิศทางกระแสผ่านขดลวดโรเตอร์ด้วยกลไก ทำให้เกิดการหมุนอย่างต่อเนื่องและควบคุมความเร็วได้ค่อนข้างง่าย

รูปที่ 3 มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่านในยุคแรกใช้แปรงถ่านคอมมิวเตเตอร์แบบเปิดเพื่อสลับกระแสในโรเตอร์และการทำงานที่ความเร็วแปรผัน

แม้ภาคอุตสาหกรรมสมัยใหม่ส่วนใหญ่จะเปลี่ยนไปใช้ระบบที่ขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์ AC แล้ว แต่แนวคิดมากมายเกี่ยวกับการควบคุมแรงบิดที่พัฒนาขึ้นในยุคมอเตอร์ DC ยังคงมีอิทธิพลต่อสถาปัตยกรรมชุดขับเคลื่อนอุตสาหกรรมในปัจจุบันที่ใช้ในอุตสาหกรรมเหมืองแร่และอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตขนาดใหญ่

ชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้าก่อนยุคอิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่

หนึ่งในโซลูชันทางวิศวกรรมที่น่าทึ่งที่สุดจากยุคนี้คือชุดมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เนื่องจากมอเตอร์ AC ความถี่คงที่ไม่สามารถให้สมรรถนะความเร็วต่ำและแรงบิดสูงได้โดยง่าย หากไม่มีการทดเฟืองขนาดใหญ่ วิศวกรจึงพัฒนาระบบแปลงพลังงานแบบหมุน

มอเตอร์ AC ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC ด้วยกลไก จากนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะจ่ายไฟ DC ที่ควบคุมได้ให้กับมอเตอร์คอมเพรสเซอร์ การจัดวางเช่นนี้ช่วยให้ผู้ควบคุมปรับความเร็วได้ราบรื่นยิ่งขึ้นโดยไม่ต้องใช้ชุดเฟืองกลขนาดใหญ่เกินความจำเป็น

รูปที่ 4 ระบบมอเตอร์-เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบหมุนจ่ายไฟฟ้า DC ที่ปรับค่าได้ก่อนการมาถึงของเทคโนโลยีชุดขับเคลื่อนที่ใช้สารกึ่งตัวนำ

ในหลายแง่มุม ระบบเหล่านี้เป็นบรรพบุรุษทางอุตสาหกรรมของระบบขับเคลื่อนแบบคืนพลังงานและแพลตฟอร์มแปลงพลังงานสมัยใหม่ ซึ่งปัจจุบันใช้กันทั่วไปในระบบอัตโนมัติสำหรับเหมืองแร่ขนาดใหญ่

การยกแร่ต้องการมากกว่าพลังงานดิบ

การลำเลียงแร่ขึ้นจากปล่องลึกในแนวดิ่งทำให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญอีกประการหนึ่ง นั่นคือการชะลอความเร็วอย่างควบคุมได้ ถังแร่หนักที่เคลื่อนลงภายใต้แรงโน้มถ่วงก่อให้เกิดพลังงานการหมุนมหาศาลภายในระบบยก

หากไม่มีการควบคุมการเบรกที่เหมาะสม ดรัมม้วนสายเคเบิลอาจหมุนเร็วเกินกำหนดและก่อให้เกิดความเสี่ยงทางกลอย่างรุนแรง

ผู้ประกอบการเหมืองแร่แก้ไขปัญหานี้ด้วยระบบเบรกที่ใช้ตัวต้านทาน ซึ่งเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินให้เป็นความร้อน แม้จะล้าสมัยเมื่อเทียบกับมาตรฐานปัจจุบัน แต่หลักการทำงานมีความคล้ายคลึงอย่างมากกับวิธีการเบรกแบบไดนามิกสมัยใหม่ที่ใช้ในชุดขับเคลื่อนอุตสาหกรรม

รูปที่ 5 ตัวต้านทานเบรกในยุคแรกช่วยควบคุมความเร็วขาลงของเครื่องยกและลดการสึกหรอทางกลของอุปกรณ์เหมืองแร่

ปัจจุบัน แนวคิดเหล่านี้พัฒนาเป็นเทคโนโลยีคืนพลังงานขั้นสูงที่ผสานรวมอยู่ในแพลตฟอร์ม VFD และไดรฟ์ AC สมัยใหม่ ช่วยให้เหมืองสามารถกู้คืนและกระจายพลังงานจากการเบรกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมาก

ระบบรถเข็นเหมืองพลังงานแบตเตอรี่และระบบนิวแมติก

การขนส่งภายในอุโมงค์ใต้ดินจำเป็นต้องใช้ระบบพลังงานเคลื่อนที่ที่กะทัดรัดและเชื่อถือได้ จึงเกิดโซลูชันหลักสองรูปแบบ ได้แก่ หัวรถจักรลมอัดและรถเข็นไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่

ระบบนิวแมติกมีข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยอย่างมาก เพราะหลีกเลี่ยงการเกิดอาร์กไฟฟ้าในบรรยากาศใต้ดินที่อาจเกิดการระเบิดได้ อย่างไรก็ตาม ความจุในการกักเก็บลมอัดจำกัดระยะเวลาการทำงาน

รถเข็นพลังงานแบตเตอรี่ให้ความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงานมากขึ้น แต่ก็นำมาซึ่งข้อกังวลเกี่ยวกับการเกิดประกายไฟจากมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านและระยะเวลาการใช้งานแบตเตอรี่ที่จำกัด แม้แต่ในระบบยุคแรก ๆ เหล่านี้ วิศวกรเหมืองก็เริ่มสร้างสมดุลระหว่างความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และสมรรถนะด้านระยะเวลาการใช้งานแล้ว ซึ่งเป็นความท้าทายที่ยังคงเป็นหัวใจสำคัญของการใช้ไฟฟ้าในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

รากฐานของการควบคุมการเคลื่อนที่ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่

เมื่อย้อนมองระบบเหมืองยุคแรก ๆ เหล่านี้ จะเห็นว่าเทคโนโลยีอุตสาหกรรมสมัยใหม่จำนวนมากพัฒนามาจากหลักการพื้นฐานทางกลและไฟฟ้าที่วิศวกรพัฒนาขึ้นเมื่อกว่าหนึ่งศตวรรษก่อน

ไม่ว่าจะเป็นการตรวจสอบการควบคุมแรงบิดของไฟฟ้ากระแสตรง การเบรกแบบคืนพลังงาน การแปลงพลังงานแบบหมุน หรือการประสานการเคลื่อนที่ ดีเอ็นเอทางวิศวกรรมของระบบอัตโนมัติสมัยใหม่สามารถสืบย้อนกลับไปยังระบบติดตั้งในเหมืองเหล่านี้ได้โดยตรง

ในหลายแง่มุม โครงสร้างพื้นฐานการทำเหมืองในอดีตถือเป็นหนึ่งในการสาธิตขนาดใหญ่ยุคแรก ๆ ของการควบคุมการเคลื่อนที่ในอุตสาหกรรมแบบบูรณาการ

รูปที่ 6 นิทรรศการมรดกการทำเหมืองช่วยอนุรักษ์ระบบการใช้ไฟฟ้าในอุตสาหกรรมยุคแรก ๆ ที่ยังมองเห็นได้ในปัจจุบัน

เหตุใดเครื่องจักรเหล่านี้จึงยังคงสำคัญ

ปัจจุบันเหมืองสมัยใหม่พึ่งพาการวินิจฉัยเชิงคาดการณ์ ดิจิทัลทวิน ระบบตรวจติดตามสภาพ และระบบขับเคลื่อนปรับความเร็วรอบประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม ภารกิจพื้นฐานยังคงเดิม นั่นคือการเคลื่อนย้ายวัสดุอย่างปลอดภัย เชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง

ผู้เขียนเชื่อว่าระบบประวัติศาสตร์เหล่านี้สมควรได้รับความสนใจมากขึ้นจากวิศวกรระบบอัตโนมัติในปัจจุบัน เพราะระบบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าโซลูชันทางวิศวกรรมอันสง่างามเกิดขึ้นได้อย่างไรก่อนที่จะมีระบบควบคุมแบบดิจิทัล แนวคิดมากมายที่อยู่เบื้องหลังระบบควบคุมมอเตอร์ในปัจจุบันได้รับการแก้ไขด้วยกลไกและไฟฟ้าโดยวิศวกรที่มีเครื่องมือน้อยกว่ามาก

Daniel Mercer | ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอุตสาหกรรม

Daniel Mercer มีประสบการณ์มากกว่า 14 ปีในการรายงานข่าวด้านการใช้ไฟฟ้าในอุตสาหกรรม เครื่องจักรกลหมุน และโครงสร้างพื้นฐานระบบอัตโนมัติ ประสบการณ์ของเขาครอบคลุมโครงการควบคุมการเคลื่อนที่ที่เกี่ยวข้องกับระบบขับเคลื่อนของ Siemens มอเตอร์อุตสาหกรรมของ GE และการประยุกต์ใช้ระบบตรวจติดตามสภาพสำหรับอุตสาหกรรมกระบวนการหนัก