Jak twierdzą inżynierowie R&D jednego z największych w Polsce producentów maszyn i urządzeń dla sektora górniczego – firmy KGHM Zanam S.A., pojazdy elektryczne mają poprawić warunki pracy górników poprzez zwiększenie sprawności napędów, a także ograniczenie emisji ciepła oraz spalin. Firma jako spółka córka jednego z największych producentów miedzi i srebra rafinowanego na świecie – KGHM Polska Miedź S.A. pracuje obecnie nad pojazdami z napędami elektrycznymi. Jednym z nich jest terenowy pojazd górniczy ZANPER 2.0, który może przewozić 14 osób, w tym także poszkodowanych w wyniku wypadków górniczych. Dodatkowo można używać go również do transportu różnego rodzaju materiałów. ZANPER 2.0 ma 1,4 tony ładowności i przeznaczony jest do pracy w kopalniach niezagrożonych wybuchem.

Pojazd jest w 100% elektryczny, napęd główny zrealizowano w oparciu o synchroniczny silnik elektryczny z magnesami trwałymi o wysokiej gęstości mocy BOSCH serii SMG220 (w prototypie SMG180),  poprzez ważący jedyne 10 kg inwerter INVCON3.3 zasilany z prosto z baterii 400 V. Odzyskuje on energię elektryczną (rekuperacja) przy stromych kopalnianych zjazdach oraz podczas hamowania, a ze względu na możliwość osiągania przez silniko-generatory BOSCH SMG220 wysokich prędkości obrotowych, jego napędowa linia transmisyjna została wyposażona w przekładnie Rexroth serii eGFZ9125 (w prototypie EDT180).

Projekt tego elektrycznego pojazdu był współfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, a jego podwozie i nadwozia to autorska konstrukcja inżynierów spółki, co otwiera drogę do uruchomienia jego produkcji seryjnej. Pojazd przeszedł testy, przepracował 273 dni i przejechał 8500 km w podziemnych warunkach kopalni KGHM, gdzie był wykorzystywany w codziennej pracy jako samojezdny wóz transportowy z napędem elektrycznym, udowadniając tym samym swoją funkcjonalność i zasadność dalszego rozwoju w tym kierunku.

Warunki w kopalniach KGHM są bardzo trudne, wręcz ekstremalne, co dało również możliwość sprawdzenia komponentów służących do elektryfikacji maszyn mobilnych firmie Bosch Rexroth. Wywodzący się z automotive silniko-generator BOSCH SMG220 o mocy znamionowej 120 kW posiada stopień ochrony IP 6K9K i wysoką odporność mechaniczną na wibracje oraz na udar do 51 G.

Elektryczny pojazd ZANPER 2.0 to nowa jakość oraz obiecująca wizja przyszłości, z tego powodu producenci maszyn górniczych intensywnie pracują nad rozwiązaniami bateryjnymi, wykorzystując dynamiczny rozwój technologii w tym obszarze. Zastosowanie mogą tu znaleźć między innymi podzespoły firmy Bosch Rexroth i rozwiązania z portfolio eLION do elektryfikacji tego typu pojazdów, które sprawdzają się nie tylko na powierzchni, ale przede wszystkim w tak wymagających warunkach, jakimi są podziemia kopalni. Portfolio napędów elektrycznych Bosch Rexroth opracowane jest z myślą o zastosowaniach w pojazdach roboczych o różnych rozmiarach, charakteryzuje się modułową i skalowalną konstrukcją. Moc znamionowa silników elektrycznych wynosi od 20 do 200 kW (moc szczytowa – ponad 400 kW). Aby umożliwić producentom pojazdów roboczych szybkie znalezienie znormalizowanych rozwiązań dla różnych typów napędów (np. w pełni elektrycznych, hybrydowych lub spalinowo-elektrycznych), oprócz silników elektrycznych i inwerterów oferta obejmuje również niezbędne komponenty systemowe, takie jak przetwornice DC/DC, ładowarki pokładowe i kable wysokiego napięcia.

Pojazdy ZANPER 2.0 na jednym ładowaniu, w warunkach górniczych, są w stanie przejechać do 200 km, a czas ładowania oscyluje w granicach 60–90 minut. Dyspozycyjność pojazdów utrzymuje się na poziomie 90%, co stanowi bardzo dobry wynik. Geneza nazwy maszyny wywodzi się od dwóch słów – ZANAM oraz amper. Jako w pełni elektryczny pojazd terenowy, bezemisyjny i ekologiczny doskonale wpisuje się w ramy transformacji energetycznej, zrównoważonego rozwoju i planów KGHM do osiągnięcia neutralności klimatycznej.

Artykuł opracowali:

mgr inż. Daniel Bajus – Z-ca Głównego Inżyniera ds. Zarządzania Projektami Działu Badań i Rozwoju

KGHM ZANAM S.A.
ul. Kopalniana 7
59-101 Polkowice
+48 76 749 91 65

mgr inż. Pawel Pandzierski – Elektronika Mobilna i Napędy eDRIVE

Bosch Rexroth Sp. z o.o.
ul. Jutrzenki 102/104
02-230 Warszawa
+48 22 738 18 65

Artykuł ZANPER 2.0 – nowoczesny pojazd transportowy KGHM Zanam z napędem elektrycznym pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Wprowadzenie

Konstruktorzy nieustannie zmagają się z naciskami, by budować nowocześniejsze maszyny o lepszej wydajności produkcyjnej. Coraz częściej stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie sterowanych częstotliwościowo napędów o zmiennej prędkości obrotowej. Choć niewątpliwie zdaje to egzamin, takie podejście może spowodować, że wyłącznik różnicowy (RCD) będzie załączał się bez potrzeby, lub doprowadzi nawet do całkowitej utraty funkcji ochronnych. Dlatego tak istotny jest wybór odpowiednego zabezpieczenia.

Sprawność takiego rozwiązania zależy od dokładnego zrozumienia budowy napędu i wyłącznika RCD oraz zasady ich współdziałania. Wybór jest uzależniony od miejsca, w którym pojawia się prąd upływu generowany przez napęd, a także od jego wartości, kształtu fali i składowych częstotliwości.

Napęd elektryczny i przetwornica częstotliwości – podstawy

Zmienna prędkość obrotowa znacznie rozszerza funkcjonalność napędu. Wykorzystanie modulacji częstotliwości umożliwia osiągnięcie dużej dokładności pozycjonowania za pomocą konsekwentnej regulacji prędkości obrotowej silnika. Takie rozwiązanie może jednak powodować powstawanie nadmiaru prądów upływu, nie tylko w przypadku zwarcia, ale też podczas normalnej pracy.

W przypadku dysproporcji faz zasilania prądem zmiennym lub gdy podłączona zostanie znaczna liczba napędów, prąd upływowy zmienny i stały może pojawić się przy częstotliwościach w zakresie MHz. Wartość takiego prądu może przekraczać 100 mA, co wystarczy do błędnego załączenia wyłącznika RCD.

Przetwornice częstotliwości prostują napięcie sieci zasilającej za pomocą mostków diodowych. Napięcie prądu stałego jest wygładzane przed przetworzeniem do postaci napięcia wyjściowego, które może różnić się wartością i częstotliwością.

Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem wartości prądu upływowego maleje emitowana interferencja pojemnościowa i przewodzone napięcie zakłóceniowe o wysokiej częstotliwości. Oznacza to, że konstruktorzy pozwalają czasem na wzrost prądu upływowego w celu ograniczenia częstotliwości radiowej zakłóceń.

Wyłączniki RCD współpracujące z napędami o zmiennej prędkości obrotowej

Nie da się obliczyć, ile napędów można podłączyć za wyłącznikiem RCD bez jego niepotrzebnego załączania, ponieważ jakość wykonania instalacji ma ogromny wpływ na poziom prądu upływowego. Można jednak przyjąć ogólną zasadę, że za wyłącznikiem mogą być podłączone maksymalnie trzy napędy, o ile instalacja została wykonana prawidłowo.

Wyłączniki RCD typu F zostały opracowane z myślą o jednofazowych falownikach, zapewniając wystarczającą ochronę na wypadek zwarcia doziemnego spowodowanego generowaną przez falownik zawartością harmoniczną, a także ograniczając liczbę niepotrzebnych załączeń wyłącznika.

Ten rodzaj wyłączników oferuje taki sam zakres ochrony i funkcjonalności jak wyłączniki typu A i wykrywa zarówno sinusoidalne prądy zmienne, jak i pulsujące prądy stałe. Dzięki rozbudowanej funkcjonalności, w przypadku współpracy z jednofazowymi falownikami, wyłączniki typu F zapewniają większe bezpieczeństwo i wyższą stabilność systemu w porównaniu z wyłącznikami typu A.

Wyłączniki RCD typu B wykrywają sinusoidalny prąd zmienny, pulsujący prąd stały oraz zakłóceniowy prąd stały o gładkim przebiegu, dzięki czemu mają szerokie zastosowanie. Przystosowane są do pracy w układach trójfazowych o częstotliwości 50/60 Hz. Ponadto wyłączniki różnicowoprądowe typu B wyzwalane są przez prądy zakłóceniowe o częstotliwości do 1 kHz.

Wyłączniki RCD typu Bfq są zgodne z wymogami typu B (norma IEC/EN 62423), choć przewidziane są do użytku w obwodach z przetwornicami częstotliwości dla napędów o zmiennej prędkości obrotowej. Charakteryzują się odpowiednio poprowadzoną krzywą wyłączania obejmującą zakres częstotliwości do 50 kHz, co pozwala uniknąć uciążliwego, błędnego załączania wyłącznika. Przebieg krzywych zdradza obniżoną czułość na prąd upływowy o wyższej częstotliwości.

Wyłączniki RCD typu B+ spełniają wymogi normy VDE 0664-400, a ich skuteczność reagowania na częstotliwość obejmuje zakres do 20 kHz. Maksymalny prąd wyłączeniowy przy wyższych częstotliwościach jest w ich przypadku ograniczony do 420 mA. To zapewnia doskonałą ochronę przed pożarami wywoływanymi przez prąd ziemnozwarciowy w układach wyposażonych w napędy elektroniczne.

Warto zwrócić uwagę, że przy złożonym kształcie fali prądowej do załączenia wyłącznika RCD wystarczy, że prąd skuteczny na jednej częstotliwości osiągnie krzywą załączania, ponieważ często prąd załączenia wyłącznika określany jest na poziomie zaledwie 50/60 Hz.

Wyłączniki RCD typu B, Bfq i B+ (do 63 A) są standardowo wyposażone w funkcje cyfrowych wyłączników różnicowoprądowych, co daje dwie kluczowe korzyści przy zastosowaniu ich z falownikami częstotliwości. Po pierwsze cyfrowe wyłączniki RCD posiadają diodę LED sygnalizującą upływ prądu. To ułatwia użytkownikowi obserwowanie, czy prąd upływowy nie przekracza wartości granicznej. Po drugie działają z dużą dokładnością, dzięki czemu wartość załączenia może być bliższa 100% IΔn. W rezultacie można uniknąć przedwczesnego załączenia wyłącznika.

Zasadniczo wyłączniki RCD typu F, B, Bfq oraz B+ pozwalają zwiększyć bezawaryjność systemu, ponieważ są w znacznym stopniu odporne na niepotrzebne załączenia (obojętność na prąd udarowy ≤ 3 kA i opóźnione załączenie).

Podsumowanie

Aby nadążyć za oczekiwaniami użytkowników, konstruktorzy maszyn muszą być w stanie zaprojektować zharmonizowany układ złożony z wyłączników RCD i napędów, który zagwarantuje jednocześnie najwyższy możliwy poziom ochrony i wydajne sterowanie silnikiem. Cykl życia produktów jest coraz krótszy, w związku z czym od inżynierów i przedsiębiorstw oczekuje się coraz intensywniejszego poprawiania wydajności i zdolności produkcyjnych.

Aby zachować konkurencyjność i sprostać tym wyzwaniom, przedsiębiorstwa muszą nieustannie dopracowywać procesy, skracając czas i ograniczając koszt etapów projektowania, rozwoju, eksploatacji i optymalizacji wykorzystywanych przez siebie systemów automatyki przemysłowej.

Zharmonizowany układ obejmujący wyłącznik RCD i falownik częstotliwości zapewni konstruktorom maszyn dodatkową przewagę nad konkurencją, umożliwiając skrócenie przestojów i obniżenie kosztów eksploatacji ponoszonych przez zakłady produkcyjne będące odbiorcami konstrukcji. Odpowiednio dobrane urządzenia tylko usprawnią stosowane przez nich rozwiązania konstrukcyjne.

Autor: Bartłomiej Jaworski, Senior Product Manager – Eaton

>> Przejdź do produktów Eaton

Artykuł Jak wybrać odpowiedni wyłącznik RCD do współpracy z przetwornicami częstotliwości? pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.