Nr 22/10/2003

Ludwik Antal, Jan Zawilak

OSZCZÊDNOŒÆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ

W NAPÊDACH WENTYLATORÓW

KOPALÑ PODZIEMNYCH

ELECTRIC ENERGY SAVINGS IN FAN DRIVES IN MINES

Wroc³aw 2003

PCPM nr 22/10/2003

OSZCZÊDNOŒÆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ

W NAPÊDACH WENTYLATORÓW

KOPALÑ PODZIEMNYCH

ELECTRIC ENERGY SAVINGS

IN FAN DRIVES IN MINES

Ludwik Antal, Jan Zawilak

Politechnika Wroc³awska

Instytut Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych

3

1. WSTĘP
Wentylatory w kopalni podziemnej ze względu na ich moc i ilość mają duży wpływ na zu-
życie energii elektrycznej, a tym samym na koszty jej eksploatacji. Źródłem oszczędności
może być odpowiednie przystosowanie wydajności wentylatorów do dobowego,
miesięcznego i rocznego zapotrzebowania na powietrze. W kopalniach zagrożonych
wybuchem regulacja ilości dostarczanego powietrza jest nie tylko zagadnieniem
ekonomicznym ale również bezpieczeństwa i ochrony przeciwpożarowej. Zagadnienie to
nabiera szczególnego znaczenia wobec ograniczania wydobycia i skracania długości
chodników tworzących sieci wentylacyjne w kopalniach węglowych. Wentylatory główne,
projektowane na większe wydobycie obecnie wytwarzają nadmiar powietrza co może grozić
samozapłonem węgla.

Wydajność stacji wentylatorowych można zmieniać przez:
- zmianę liczby pracujących równolegle wentylatorów,
- dławienie przepływu powietrza,
- zmianę ustawienia łopatek aparatu kierowniczego,
- zmianę prędkości obrotowej silników napędzających.

Trzy pierwsze sposoby, stosowane dotychczas, nie zapewniają dostatecznych oszczędności
i elastyczności systemu przewietrzania. Wynika to z charakterystyk wentylatora.
Zmniejszenie wydajności wentylatora przez zwiększenie oporu przepływu, czyli przejście z
punktu 1 do 2 na rysunku 1, powoduje zmniejszenie sprawności (z punktu 1’ do 2’).

Ze względu na wymaganie normy [8], według której wentylator powinien pracować przy
sprawności nie mniejszej niż 0,8 sprawności maksymalnej, zakres regulacji tym
sposobem jest znacznie ograniczony. Jednocześnie moc wentylatora zmniejsza się
nieznacznie (od punktu 1’ do 2’ – rys.2). Gdy wentylator pracuje w zakresie wydajności
odpowiadającej opadającej części charakterystyki sprawności, dławienie przepływu
powietrza może spowodować niewielki wzrost sprawności i jednocześnie wzrost mocy
wentylatora. Dlatego takie sposoby regulacji wydajności nie prowadzą do oszczędności
energii. Istotny zysk energetyczny przy zmniejszeniu wydajności można uzyskać przy
praktycznie stałej sprawności, zmniejszając prędkość obrotową wentylatora (od punktu
1 do 3 i od punktu 1’ do 3’ – rys.1 i 2).

Wynika stąd, że ekonomicznie uzasadniona jest regulacja wydajności wentylatora przez
zmianę prędkości obrotowej, a tę w napędach elektrycznych prądu przemiennego uzyskuje
się przez:
- regulację parametrów napięcia zasilającego (częstotliwości, amplitudy),
- zmianę liczby biegunów pola magnetycznego.

4

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

50

100

150

200

250

300

350

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

V [m

3

/s]

∆ p [Pa]

∆ p = f(V )

n = 600 obr/min

n = 500 obr/min

R1

R2

η [%]

η = f(V )

1

2

3

n = 600 obr/min

1'

2'

3'

n = 500 obr/min

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

50

100

150

200

250

300

350

0

200

400

600

800

1000

1200

V [m

3

/s]

∆ p [Pa]

∆ p = f(V )

n = 600 obr/min

n = 500 obr/min

R1

R2

N= f(V )

1

2

3

n = 600 obr/min

N [kW]

n = 500 obr/min

1'

2'

3'

Regulacja parametrów napięcia zasilającego umożliwia zmianę prędkości obrotowej układu
napędowego w szerokim zakresie, łagodzi procesy rozruchowe, pozwala na sterowanie pro-
cesami hamowania, pozwala dopasować moc silnika do zapotrzebowania maszyny roboczej,
ma niskie koszty eksploatacyjne. Związana jest jednak z dużymi kosztami inwestycyjnymi
tj. zakupem urządzeń energoelektronicznych i współpracujących transformatorów. Zasto-
sowanie takiego rozwiązania wymaga często przebudowy budynku rozdzielni.

Rys. 1. Charakterystyki wentylatora – spiętrzenie

∆p i sprawność η w funkcji wydajności V

przy zmianie oporu przepływu R i zmianie prędkości obrotowej n.

Rys. 2. Charakterystyki wentylatora – spiętrzenie

∆p i moc N w funkcji wydajności V

przy zmianie oporu przepływu R i zmianie prędkości obrotowej n.

5

Zastosowanie wielobiegowych silników napędowych umożliwia skokową regulację prędkości
obrotowej (również wydajności i mocy wentylatora). Jest to rozwiązanie o mniejszych możli-
wościach, spełniające zazwyczaj wymagane warunki pracy wentylatora, a jednocześnie znacz-
nie tańsze od układów przekształtnikowych dużej mocy. Zbudowanie wielobiegowych (dwu-
biegowych) silników indukcyjnych (szczególnie klatkowych) o odpowiednim stosunku prędko-
ści obrotowych nie sprawia obecnie większych trudności. Jednakże w układach napędowych
wentylatorów głównego przewietrzania kopalni powszechnie stosuje się silniki synchroniczne,
których dodatkowym zadaniem jest regulacja mocy biernej zakładu.

Wykazanie zalet jednouzwojeniowych, dwubiegowych silników prądu przemiennego do
napędu wentylatorów kopalnianych jest celem niniejszej pracy.


2. WENTYLATORY GŁÓWNEGO PRZEWIETRZANIA KOPALNI
Ze względu na możliwości kompensacji mocy biernej zakładu do napędów wentylatorów
głównych powszechnie stosowane są silniki synchroniczne.

Przebudowa silnika synchronicznego polega na skonstruowaniu i dopasowaniu do istnieją-
cego magnetowodu przełączalnego uzwojenia twornika oraz odpowiedniego przełączaniu
biegunów uzwojenia wzbudzenia przez zabudowanie dodatkowej pary pierścieni ślizgo-
wych na wale silnika. Sposoby konstruowania, obliczania i wykonania takiego silnika opi-
sano w [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Uzwojenie twornika optymalizowane dla dwóch różnych prędkości obrotowych jest syme-
tryczne elektrycznie i niesymetryczne magnetycznie dla obu układów połączeń. Dąży się
jednak do tego by dla prędkości większej, z którą silnik pracuje częściej i dłużej, symetria
pola była większa. Uzwojenie wzbudzenia dla prędkości większej jest symetryczne, gdyż
połączone jest tak jak w silniku jednobiegowym. Dla prędkości mniejszej wywołuje się w
nim celową niesymetrię przez odwrócenie kierunku prądu w niektórych biegunach lub ich
odłączenie.

Zgodnie z tymi zasadami zmodernizowano szereg silników o mocach 400–3150 kW
i prędkościach 600–375 obr/min (tabela 1). Dla niektórych typów maszyn wykonano kilka
egzemplarzy zmodernizowanych silników.

Typ

GAe

1412p

GAe

1510p

GAe

1512s

GAe

1716t

P

n

kW 500

1250

1600

3150

n

n

obr/min 500 600 500 375

n

2n

obr/min 375 500 375 300

Dwubiegowy silnik synchroniczny typu GAe - 1510/12p jest najtrudniejszym w realizacji ze
wszystkich zmodernizowanych silników. Zamodelowanie 12-biegunowego pola wzbudze-
nia w wirniku 10–biegunowym wymagało odłączenia dwóch biegunów przy pracy z mniej-

do napędów wentylatorów głównych

Tabela 1. Dane znamionowe najczęściej stosowanych silników synchronicznych

6

szą prędkością obrotową. W wyniku takich działań pole magnetyczne w szczelinie tej ma-
szyny jest szczególnie silnie odkształcone (rys. 3).

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

0

60

120

180

240

300

360

B [T]

B

ϕ

B

r

ϕ [deg]

Konsekwencją takiego odkształcenia pola jest większa deformacja kątowej charakterystyki
momentu, zmniejszenie zakresu kompensacji mocy biernej i wzrost poziomu drgań. Mimo
to silnik ten spełnia swoje zadania.
Mniejsza deformacja pola magnetycznego występuje w silniku typu GAe 1716/20t (rys. 4).

Rys. 3. Pole wypadkowe w szczelinie obciążonego silnika GAe 1510/12p dla 2p = 12

7

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

ϕ [deg]

B [

T]

Bn

Bt

Efekty wynikające z zastosowania jednouzwojeniowych, dwubiegowych silników synchro-
nicznych w napędach wentylatorów głównych pokazano na przykładzie największego ze
zmodernizowanych silników typu GAe 1716/20t o danych znamionowych zestawionych w
tabeli 2.

przed modernizacją

po modernizacji

wielkość 2p=16 2p=16 2p=20

P

n

kW 3150

2600 1100

n

n

obr/min

375 375 300

U

n

V 6000

6000

6000

I

n

A 350

300

200

cos

ϕ

n

- 0,9poj

0,9poj

indukc.

η

- 0,963

0,95

0,82

I

fn

A 350

330

250

I

r

A 2600

2600

610

2.1. Efekty ekonomiczne wynikające z regulacji prędkości obrotowej silnika

Analizowany silnik napędza powszechnie stosowany wentylator typu WPK 5.3.
Przy prędkości obrotowej 375 obr/.min i całkowicie otwartym aparacie kierowniczym wen-
tylator ma wydajność 1100 m

3

/s, a silnik pobiera moc czynną 1950 kW. Przy prędkości ob-

rotowej 300 obr/.min i całkowicie otwartym aparacie kierowniczym wentylator ma wydaj-

Rys. 3. Pole wypadkowe w szczelinie obciążonego silnika GAe 1716/20t dla 2p = 20

Tabela 2. Dane znamionowe zmodernizowanego silnika synchronicznego typu GAe1716/20t

8

ność 825 m

3

/s, a silnik pobiera moc czynną 1080 kW. Tak więc różnica mocy pobieranej po

zmianie prędkości obrotowej wynosi 870 kW.

Z analizy zapotrzebowania na powietrze wynika, że mniejsza prędkość obrotowa będzie
wykorzystywana codziennie w dni robocze - w czasie jazdy ludzi (3 godz./dobę) i w czasie
rewizji szybu (3 godz./dobę), w soboty (16 godz.), oraz wszystkie niedziele i święta Liczba
godzin pracy napędu wentylatora przy mniejszej prędkości obrotowej w ciągu roku wynie-
sie 3 880 godzin. Wynika stąd, że roczna oszczędność energii wynikająca z pracy jednego
silnika synchronicznego typu GAe-1716/20t to 3 375 600 kWh. Przyjmując średnią cenę
jednostki energii elektrycznej 0,20 zł/kWh – roczna oszczędność wynosi 675 120 zł.

Koszt modernizacji jednego silnika tego typu zależy od wytwórcy i wynosi od 90 000 do
190 000 zł. Najczęściej przy okazji modernizacji silnika napędowego wymieniany jest układ
zasilania, zabezpieczeń, sterowania oraz instalowany układ wizualizacji stanu pracy stacji
wentylatorowej. Z dotychczasowych doświadczeń Autorów wynika, że koszt modernizacji
jednego układu napędowego w stacji trójwentylatorowej wynosi od 450 000 do 780 000 zł.
i zależy nie tylko od zakresu pracy ale również od wykonawcy.




3. WENTYLATORY KOPALNIANE PRZODKOWE

Sieć wentylacyjną kopalni tworzą chodniki a rozpływ powietrza regulowany jest przegro-
dami. W kopalni istnieją strefy szczególnego zagrożenia, wymagające intensywnej lokalnej
wentylacji podczas pracy górników. Lokalny przepływ powietrza wymuszany jest wentyla-
torami przodkowymi z silnikami o mocy od 10 do 60 kW. Czas pracy górników w przodku
wynosi w okresie zmiany 4-5 godzin. W pozostałym czasie, również w dniach wolnych od
pracy, praca wentylatorów przodkowych jest zbędna. Nie można ich jednak wyłączyć ze
względu na zawilgacanie się izolacji silników, które mają budowę maszyn zamkniętych
powszechnego zastosowania. Można natomiast obniżyć ich zużycie energii elektrycznej
przez zmniejszenie prędkości obrotowej. Do napędu tych wentylatorów zaproponowano
dwubiegowe silniki indukcyjne o przełączalnych uzwojeniach trójfazowych i regulowanej
prędkości obrotowej, warunkowanej zmianą liczby biegunów pola magnetycznego. Ponie-
waż w czasie pracy górników wentylator ma mieć zachowany przepływ znamionowy, dla-
tego dla większej prędkości obrotowej musi mieć takie same parametry. Większą liczbę
biegunów uzwojenia (odpowiadającą mniejszej prędkości obrotowej, zwaną dalej energo-
oszczędną) dobiera się ze względu na minimalny wydatek powietrza określony przez
specjalistów z zakresu wentylacji.

układu napędowego wentylatora lokalnego na dwubiegowy przedstawiono na podstawie
wentylatora typu PWS-10 przy założeniu, że:
- zakres zmiany prędkości obrotowej normalnej i energooszczędnej wynosi 1:7 (odpowiada-

ją temu liczby biegunów pola magnetycznego 2p=14 i 4),

- wydobycie rudy odbywa się przez pięć dni w tygodniu,

3.1. Efekty ekonomiczne wynikające z zastosowania dwubiegowego napędu wentylatora

Efekty ekonomiczne dotyczące kosztów, zysków i czasu zwrotu nakładów na przebudowę

9

- średni efektywny czas pracy w ciągu zmiany wydobywczej wynosi 4,5 godziny i wentyla-

tor pracuje wówczas przy pełnej wydajności,

- w czasie międzyzmianowym oraz w dni wolne od pracy wentylator pracuje przy mniej-

szej, energooszczędnej prędkości obrotowej,

- koszt zakupu energii elektrycznej wynosi 0,20 zł/kWh.

Koszty

- wymiana uzwojenia stojana

825 zł

- wykonanie układu sterującego (łączniki, zabezpieczenia zwarciowe, zabezpieczenia prze-

ciążeniowe, zabezpieczenie podnapięciowe i przed pracą dwufazową, zabudowane w
skrzynce montażowej IP 54)

2 650 zł

- razem koszty

3 475 zł

Oszczędności

- różnica mocy pobieranej przez silnik wentylatora przy większej i mniejszej prędkości ob-

rotowej

9280 - 600 = 8680 W

- czas pracy wentylatora przy mniejszej prędkości obrotowej w dniach roboczych

a. dziennie

24-2x4,5=15 godz.

b. miesięcznie

15 godz.x20 dni=300 godz.

- czas pracy wentylatora przy mniejszej prędkości obrotowej w dniach wolnych od pracy

8 dni x 24 godz. = 192 godz

- razem, miesięczny czas pracy wentylatora przy mniejszej prędkości obrotowej

300 + 192 = 492 godz.

- miesięczna oszczędność energii elektrycznej

492 godz x 8,68 kW = ok.4270 kWh

- wartość zaoszczędzonej energii miesięcznie

4270 kWh x 0,20 zł/kWh = 854 zł.

Czas zwrotu kosztów

koszty (3 475 zł) : oszczędności miesięczne (854 zł) = ok. 4 miesiące.

Mimo, że moc jednostkowa wentylatora przodkowego jest niewielka to w skali kopalni suma-
ryczna moc pobierana przez tego typu urządzenia jest duża. Wynika to z liczby zainstalowa-
nych jednostek. W kopalni rudy miedzi średniej wielkości zainstalowanych jest ok. 180 wen-
tylatorów przodkowych co w skali roku może powodować oszczędności ok. 1 844 000 zł.

10

4. ROZRUCH SILNIKÓW DWUBIEGOWYCH

Istotnym zagadnieniem z zakresu napędów elektrycznych dużej mocy jest dokonanie rozru-
chu. W napędach elektrycznych dużej mocy z silnikami synchronicznymi, o rozruchu asyn-
chronicznym, łagodzenie procesów rozruchowych możliwe jest przez oddziaływanie na pa-
rametry zasilania uzwojenia twornika: regulację częstotliwości lub wartości napięcia. Regu-
lacja częstotliwości za pomocą układów energoelektronicznych stwarza wiele możliwości
lecz jest obecnie bardzo kosztowna szczególnie dla silników o napięciu średniego napięcia.
Wadą obniżania napięcia zasilającego jest zmniejszenie momentu elektromagnetycznego.
Wada ta nie dyskwalifikuje tej metody i jest zaletą w napędach o wentylatorowej charakte-
rystyce obciążenia.

Odpowiednią konfigurację uzwojenia twornika silnika dwubiegowego można również wy-
korzystać do łagodzenia procesów rozruchu szczególnie w napędach o wentylatorowej cha-
rakterystyce mechanicznej.

Zastosowanie dwustopniowego rozruchu za pomocą dwubiegowego silnika synchroniczne-
go pokazano na przykładzie silnika typu GAe 1716/20 t (rys. 4). W rozwiązaniu tym uzy-
skano złagodzenie procesów rozruchowych polegające na zmniejszeniu prądu pobieranego z
sieci z Ir=2150 A do Ir=880 A, oraz mocy pozornej z 18 MVA do 8,5 MVA.

jednobiegowego b) silnika dwubiegowego

Rys. 4 Wykres mocy pozornej pobieranej podczas rozruchu podczas rozruchu a) silnika

11

5. WNIOSKI

Na podstawie wykonanej analizy ekonomicznej wykazano, że celowym jest stosowanie silni-
ków dwubiegowych w napędach wentylatorów kopalnianych obecnie przewymiarowanych.

Okres zwrotu kosztów inwestycyjnych wynosi od kilku miesięcy, dla wentylatorów średniej
mocy, do kilkunastu miesięcy dla wentylatorów największej mocy.

Zastosowanie silników dwubiegowych umożliwia łagodny rozruch układu napędowego bez
stosowania dodatkowych urządzeń.

6. LITERATURA

[1] Antal L. Zawilak J.: Pole magnetyczne dwubiegowego silnika synchronicznego z wirnikiem

o biegunach jawnych, - mat. konf. XXX Symp. Maszyn Elektr. Kazimierz 1994 r.

[2] Antal L., Zawilak J.: Silnik synchroniczny jawnobiegunowy o dwóch prędkościach obrotowych,

mat. konf. XXXI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń 1995

[3] Antal L., Zawilak J.: Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch

prędkościach obrotowych, Zagadnienia maszyn i napędów elektrycznych, 1996, Prace Nauk. In-
stytutu Maszyn i Napędów Elektrycz. PWr. nr 45, Studia i Materiały nr 19

[4] Antal L. Zawilak J.,: Torque of two-speed synchronous motor, - mat. konf. XXXIV Symp. Ma-

szyn Elektr. Łódź 1998

[5] Antal L. Zawilak J.: Kompensacja mocy biernej silnikiem synchronicznym, dwubiegowym

o ułamkowym stosunku prędkości, Prace Nauk. Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elek-
trycz. PWr. nr 48, Studia i Materiały nr 20 - mat. konf. XXXVI Symp. Maszyn Elektr. Szklarska
Poręba 2000

[6] Zawilak J.: Projektowanie trójfazowych uzwojeń ułamkowo-żłobkowych, Pr. Nauk Inst. Układów

Elektromasz. PWr. Nr 43 seria SiM nr 18, 1993

[7] Zawilak J.: Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Pr. Nauk.

Inst. Układów Maszynowych PWr. nr 37 seria M. nr 7 Wrocław 1986

Adres Autorów:
Politechnika Wrocławska
Instytut Maszyn i Napędów Elektrycznych
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-372 Wrocław
faks: 071-3203467
e-mail: [e-mail]
[e-mail]

Nr 22/10/2003

Ludwik Antal, Jan Zawilak

OSZCZÊDNOŒÆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ

W NAPÊDACH WENTYLATORÓW

KOPALÑ PODZIEMNYCH

ELECTRIC ENERGY SAVINGS IN FAN DRIVES IN MINES