Proiectarea unor sisteme de alimentare sigure și fiabile pentru sursele electrice pentru industria minieră

În subteranele minelor din întreaga lume, echipamentele acționate electric transportă, zdrobesc și macină roca, transportă materii prime, luminează cavernele întunecate, pun în funcțiune pompe și ventilatoare de aerisire și alimentează burghie, mașini de tăiat, colectoare de praf și dispozitive de ridicare. Defecțiunile echipamentelor generează întreruperi costisitoare în procesul de producție, motiv pentru care este esențial să se asigure o funcționalitate fiabilă, chiar și în condiții de vibrații, impact, expunere la substanțe chimice, praf, căldură și umiditate.

Proiectarea rețelelor de alimentare electrică pentru acest mediu, asigurând în același timp siguranța lucrătorilor, reprezintă o provocare, însă este facilitată de disponibilitatea produselor electrice comerciale certificate conform standardelor operaționale și de siguranță internaționale. Pentru a simplifica designul sistemului și a asigura compatibilitatea între componente, proiectanții pot utiliza o singură sursă pentru o mare parte din echipamentele necesare pentru a construi o soluție completă.

Acest articol oferă o prezentare concisă a cerințelor de mediu și de calitate a energiei impuse echipamentelor electrice în domeniul mineritului. În continuare, sunt prezentate exemple de soluții specializate de la SolaHD și se explică modul în care acestea pot fi aplicate într-o abordare pe mai multe niveluri pentru a asigura calitatea energiei electrice și siguranța lucrătorilor.

Provocările ingineriei electrice subterane

În mine, echipamentele trebuie să facă față lichidelor corozive, prafului combustibil, murdăriei, substanțelor chimice agresive, vibrațiilor intense, impacturilor neprevăzute, supratensiunilor și variațiilor extreme de temperatură. Cu toate acestea, este de așteptat ca echipamentele și sistemele de alimentare ale acestora să fie sigure și fiabile.

Siguranța este consolidată de supravegherea din partea unor instituții precum U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) și Legea federală din 1977 privind siguranța și sănătatea lucrătorilor din mine. Un alt standard american este National Electrical Code (NEC) sau National Fire Protection Association (NFPA) 70. Acest standard se referă la instalarea în siguranță a cablurilor și echipamentelor electrice. Articolul 500 din NEC impune instalarea de echipamente conforme cu codul, testate și aprobate pentru pericole specifice, inclusiv cele întâlnite în mine și în împrejurimile acestora.

Asigurarea calității energiei electrice necesită înțelegerea arhitecturii de bază a energiei electrice și a problemelor asociate.

În general, minele se alimentează de la rețeaua de curent alternativ, deși se folosește și curentul de înaltă tensiune în curent continuu, furnizat prin conversia c.a/c.c. sau prin microrețele de c.c. la fața locului. Sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) sunt un exemplu. Sistemele urmează un design de bază: energia de înaltă tensiune din rețeaua de c.a. alimentează transformatoare de înaltă tensiune care alimentează o substație principală. Substația principală distribuie energia către mai multe substații secundare și direct către motoarele de mari dimensiuni din cadrul minei. Substațiile secundare alimentează cu energie electrică echipamentele sau dispozitivele care necesită alimentare cu tensiune medie și transformatoarele de medie/joasă tensiune conectate la alte echipamente.

Deși această rețea de alimentare este în general stabilă, apar adesea probleme legate de calitatea energiei electrice. Astfel de probleme apar sub forma întreruperilor de energie electrică, a scăderilor de tensiune, a căderilor de tensiune, a supratensiunilor, a tensiunilor tranzitorii, a distorsiunilor armonice și a zgomotului electric (Figura 1).

Figura 1: Sunt prezentate forme de undă care reprezintă probleme legate de calitatea energiei electrice. (Sursa imaginii: Autor, folosind informații de la SolaHD)

Luați în considerare cauza și efectul acestor probleme legate de calitatea energiei electrice:

Întreruperi de energie electrică: acestea sunt pierderi totale de energie electrică pentru un interval extins de timp, cauzate de obicei de un accident sau de o defecțiune a echipamentelor din rețeaua de producție sau de distribuție a companiei de utilități. Întreruperile de energie electrică pot provoca defecțiuni hardware și blocări ale echipamentelor informatice, pot întrerupe operațiunile și pot reduce durata de viață a echipamentelor electrice.

Scăderi de tensiune: acestea descriu situațiile în care tensiunea de alimentare este sub nivelurile minime normale pentru o perioadă lungă de timp. Apar atunci când supracapacitatea sau alte probleme ale rețelei obligă companiile de utilități să reducă tensiunea pentru a face față cererii. Efectele scăderilor de tensiune sunt similare cu cele ale întreruperilor.

Căderi de tensiune: căderile și subtensiunile sunt cele mai frecvente perturbații ale calității energiei electrice în domeniul mineritului. Apar atunci când o creștere semnificativă a sarcinii solicită alimentarea, determinând scăderea tensiunii de alimentare sub un nivel de prag. IEEE definește o cădere de tensiune ca fiind o reducere de 10 până la 90% a tensiunii sub tensiunea normală de 60 hertzi (Hz). Un eveniment de cădere durează mai puțin de un minut, dar mai mult de 8 milisecunde (ms). Subtensiunile durează mai mult de un minut.

Atât căderile, cât și subtensiunile pot cauza declanșările dăunătoare ale disjunctoarelor, funcționarea defectuoasă și oprirea echipamentului sau defectarea prematură a acestuia. Continuarea funcționării crește riscul de combustie sau de explozie. Printre semnele care indică aceste probleme se numără luminile a căror intensitate este estompată sau care prezintă scintilații, unitățile HVAC care funcționează necorespunzător, motoarele care se încălzesc excesiv, și sisteme de control automatizat și computere care se blochează sau se opresc.

Supratensiuni: o supratensiune sau o stare de supratensiune este o creștere temporară a nivelului de tensiune pentru o durată cuprinsă între o jumătate de ciclu de frecvență și câteva secunde. Aceste perturbări pot fi cauzate de oprirea motoarelor electrice de mare putere și de ciclurile normale ale sistemelor de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC). Expunerea repetată la supratensiuni poate solicita și slăbi sistemele și poate provoca declanșări false ale întrerupătoarelor și ale altor dispozitive de protecție.

O altă problemă asociată cu supratensiunile este degradarea izolației. Deteriorarea izolației pune în pericol funcționarea în siguranță a sistemului energetic al minei, servind drept catalizator pentru incendii sau declanșând explozii de metan sau de praf de cărbune.

Tensiuni tranzitorii: tensiunile tranzitorii, sau vârfurile de tensiune, rezultă din creșteri semnificative și bruște ale tensiunii, cauzate de factori externi, cum ar fi fulgerele și comutarea rețelei de utilități. De asemenea, acestea pot apărea în subteranele minelor din cauza scurtcircuitelor, a declanșării disjunctoarelor și a pornirii echipamentelor grele.

Echipamentele electronice sensibile sunt cele mai expuse riscului de a fi afectate de tensiuni tranzitorii care pot provoca blocarea sau defectarea sistemului, corupând sau ștergând date valoroase.

Distorsiunile armonice: problemele legate de tensiune apar atunci când în unda sinusoidală de alimentare apar multipli ai frecvenței fundamentale (cum ar fi 180 Hz într-un sistem de 60 Hz). Distorsiunile armonice apar din cauza caracteristicilor neliniare ale dispozitivelor, cum ar fi sistemele de acționare cu viteză variabilă (VSD) și a sarcinilor din sistemul de alimentare. Distorsiunile armonice cauzează creșterea temperaturii echipamentelor și a conductoarelor, defectarea VSD-urilor și pulsații ale cuplului în motoare. Alte simptome ale distorsiunilor armonice într-un sistem de energie din domeniul minier sunt interferențele cu sistemul de comunicații al minei, luminile care prezintă scintilații, declanșarea disjunctoarelor și conexiunile electrice slăbite.

Există multe motoare electrice în mine, dintre care cele mai multe sunt dotate cu VSD neliniare, ceea ce le face să fie principala sursă de distorsiuni armonice într-o exploatare minieră. În plus, utilizarea unui redresor cu undă completă în motoare îmbunătățește eficiența, dar generează distorsiuni armonice considerabile.

Zgomot electric: acesta este o perturbare de amplitudine mică, de curent mic și de înaltă frecvență generată în interiorul și în afara minei. Sursele includ loviturile de trăsnet de la distanță, sursele de alimentare cu comutație, circuitele electronice, contactele slabe ale periilor de motor și cablajul de calitate slabă.

Semnalele de zgomot sunt suprapuse peste formele de undă de tensiune și pot provoca erori de calcul și efecte nedorite în circuitele sistemelor de control.

Rezolvarea problemelor legate de calitatea energiei electrice

Cel mai bun mod de a răspunde provocărilor critice ale cererii continue de energie electrică de înaltă calitate în minerit, asigurând în același timp robustețea și niveluri ridicate de siguranță electrică, este adoptarea unei abordări pe mai multe niveluri, utilizând echipamente certificate care includ UPS-uri, aparate de condiționare a energiei, dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor (SPD), transformatoare și surse de alimentare.

Tabelul 1 rezumă cel mai bun echipament pentru a controla o anumită problemă legată de calitatea energiei electrice.

Tabelul 1: Sunt necesare o serie de dispozitive de protecție pentru a face față tuturor problemelor legate de calitatea energiei electrice care ar putea apărea în mediul minier. (Sursa imaginii: SolaHD)

Este util să lucrați cu o singură sursă, cum ar fi SolaHD, pentru o abordare pe mai multe niveluri a calității energiei electrice, pentru a simplifica procesul de proiectare, achiziție și implementare, precum și pentru a asigura compatibilitatea. De exemplu, UPS-ul offline SDU500B al companiei asigură energie de rezervă timp de 4 minute (min.) și 20 de secunde (s) la sarcină maximă și 14 minute și 30 de secunde la jumătate de sarcină în cazul unei întreruperi a alimentării cu energie electrică (Figura 2). După cum se arată în tabelul 1, această UPS susține, de asemenea, alimentarea principală cu energie electrică în caz de scăderi de tensiune, căderi de tensiune, supratensiuni, tensiuni tranzitorii și distorsiuni armonice.

Figura 2: UPS-ul offline SDU500B asigură energie de rezervă timp de 4 minute și 20 de secunde la sarcină maximă. (Sursa imaginii: SolaHD)

UPS-ul este montat pe șină DIN și utilizează baterii cu plumb-acid sigilate (SLA) care nu necesită întreținere și care se încarcă complet în opt ore. Acesta oferă o ieșire de 300 de wați, 120 de volți, cu o undă sinusoidală simulată de 50 până la 60 Hz și un timp de transfer mai mic de 8 ms. UPS-ul poate funcționa într-o gamă de temperaturi cuprinse între 0 și 50˚C și este o „componentă recunoscută” pentru utilizare în zone clasificate ca periculoase conform E491259, ceea ce îl face potrivit pentru operațiunile miniere.

De asemenea, aparatele de condiționare a energiei SolaHD pot să regleze o tensiune cu o precizie de ±1% pentru variații de intrare de până la +10/-20%, asigură o atenuare superioară a zgomotului și sunt proiectate să reziste la cele mai dure medii electrice.

Aparatele de condiționare a energiei utilizează o tehnică de proiectare a transformatorului numită ferorezonanță, care creează două căi magnetice separate în dispozitiv cu cuplaj limitat. În cadrul acestui design, curentul de intrare conține un curent armonic neglijabil în raport cu cel fundamental, iar acest lucru constituie un avantaj. Partea de ieșire a transformatorului are un circuit rezervor rezonant paralel și extrage energie din primar pentru a înlocui energia livrată sarcinii.

De exemplu, regulatorul MCR Hardwire 63-23-112-4 de la SolaHD, de 120 volt-amperi (VA), este un aparat de condiționare a energiei care oferă o ieșire de 120 de volți (±3%) de la o intrare de 120, 208, 240 sau 480 de volți. Acesta asigură o filtrare eficientă a zgomotului și protecție împotriva supratensiunilor, incluzând și funcționalitatea de reglare a tensiunii. Atenuarea zgomotului este de 120 decibeli (dB) în modul comun și de 60 dB în modul transversal. Protecția sa împotriva supratensiunilor este testată conform standardelor ANSI/IEEE C62.41, pentru valori de undă de tip A și B. Regulatorul MCR Hardwire este o alegere bună atunci când sunt de așteptat scăderi de tensiune, căderi de tensiune, supratensiuni, tensiuni tranzitorii, distorsiuni armonice și zgomot electric.

SPD-urile protejează împotriva tensiunilor tranzitorii care dăunează echipamentelor. SPD-ul supresor de vârfuri de tensiune (TVSS) STV25K-24S de la SolaHD este un dispozitiv montat pe șină DIN, conceput pentru a opera la o intrare de 240 de volți (până la 20 A) și furnizează protecție la punctul de utilizare prin utilizarea unui varistor de oxid de metal (MOV) (Figura 3).

Figura 3: SPD-ul TVSS STV25K-24S este un dispozitiv montat pe șină DIN care funcționează de la o intrare de 240 de volți (până la 20 A) și oferă protecție împotriva supratensiunilor la punctul de utilizare. (Sursa imaginii: SolaHD)

SPD-ul de la SolaHD este potrivit pentru instalarea în dulapuri de control în medii industriale dure, cum ar fi o unitate minieră. Dispozitivul oferă 25.000 A de protecție împotriva supratensiunilor per fază. Timpul de răspuns la un fenomen tranzitoriu este mai mic de 5 nanosecunde (ns). SPD-ul încorporează o siguranță termică pentru a preveni supraîncălzirea MOV cauzată de nivelurile excesive de curent.

Precizarea detaliată a transformatoarelor de izolație și a surselor de alimentare

În plus față de creșterea sau scăderea tensiunii de intrare de curent alternativ la o valoare de ieșire adecvată, transformatoarele de izolație pot proteja dispozitivele conectate la partea secundară împotriva distorsiunilor armonice și a zgomotului electric.

Un exemplu este E2H112S de la SolaHD. Acest transformator de izolație este un transformator de tip uscat eficient din punct de vedere energetic, care dispune de un scut împotriva intemperiilor. Are o intrare primară de 480 de volți (până la 135 A), oferă 208 sau 120 de volți de la secundar (până la 315 A) și are o putere nominală de 112,5 kilovolți-amperi (kVA) (Figura 4). Transformatorul atenuează, de asemenea, distorsiunile armonice și zgomotul electric.

Figura 4: Transformatorul de izolație E2H112S primește o intrare de 480 de volți pe primar și oferă 208 sau 120 de volți pe secundar. Transformatorul atenuează, de asemenea, distorsiunile armonice și zgomotul electric. (Sursa imaginii: SolaHD)

Transformatorul trebuie să fie protejat împotriva curenților de pornire prin intermediul unui disjunctor. Selectarea unui disjunctor cu o întârziere corespunzătoare reprezintă o practică de proiectare eficientă pentru a preveni declanșările dăunătoare. Acest fenomen apare atunci când curentul de pornire este înalt, dar nu are o durată suficientă pentru a deteriora transformatorul.

Sursele de alimentare sunt vitale pentru orice sistem de alimentare cu energie electrică, furnizând energie c.a. sau c.c. pentru echipamente și ajutând la filtrarea zgomotului electric din sursa principală. Versiunile cu montare pe șină DIN se pot aranjata într-un mod organizat și eficient și economisesc spațiu. Sunt disponibile modele monofazate și trifazate de c.a.; este, de asemenea, posibil să se specifice dispozitive capabile să gestioneze căderi de tensiune până la jumătate din tensiunea de linie, fără întreruperea puterii de ieșire.

SolaHD oferă o gamă de surse de alimentare pe șină DIN, cum ar fi sursa c.a/c.c. SDN5-24-100C (Figura 5). Aceasta este o sursă monofazată, conformă cu specificația E234790 pentru zone periculoase. Acesta poate accepta o intrare de 85-264 volți c.a.(V c.a.) sau o intrare de 90-375 volți c.c. (V c.c.), furnizând o ieșire nominală de 24 de volți. Curentul de ieșire este de 5 A. Unda de tensiune la ieșire este mai mică de 50 de milivolți (mV) de la vârf la vârf. Sursa de alimentare are o imunitate ridicată la interferențe electromagnetice (EMI) și o gamă de temperaturi de funcționare între -25 și +60˚C. Este compactă, măsurând 123 x 50 x 111 mm, și este protejată împotriva scurtcircuitului continuu, a suprasarcinii continue și a defecțiunilor de circuit deschis continuu.

Figura 5: SDN5-24-100C este o sursă de alimentare compactă, montată pe șină DIN, care măsoară 123 x 50 x 111 mm. (Sursa imaginii: SolaHD)

Concluzie

Minele sunt medii dificile atât din punct de vedere fizic, cât și din punct de vedere electric, pentru a asigura calitatea energiei electrice și siguranța lucrătorilor. Proiectanții ar trebui să adopte o abordare pe mai multe niveluri, în care fiecare componentă a sistemului de alimentare cu energie electrică să poată funcționa în mod fiabil, atenuând în același timp provocările legate de calitatea energiei electrice. De asemenea, echipamentul energetic trebuie să respecte reglementările relevante în materie de siguranță. Lucrând cu un singur furnizor, proiectanții pot construi rapid o rețea electrică care să îmbunătățească fiabilitatea sitului, să reducă costurile de întreținere, să asigure siguranța și să atenueze problemele de calitate a energiei electrice înainte ca acestea să afecteze operațiunile.