Einleitung
Da Kohlebergwerke ihren Übergang zu intelligenten und automatisierten Abläufen beschleunigen, wird die intelligente Antriebssteuerung für Hochspannungs- und Hochleistungsgeräte wie Hauptförderbänder und Förderbänder immer wichtiger, um die Produktivität zu steigern und Betriebs- und Wartungskosten zu senken.
Hauptförderbänder, als kritischer Bestandteil unterirdischer Kohletransportsysteme, arbeiten typischerweise unter Hochlastbedingungen mit großer Förderkapazität und langen durchgehenden Betriebszyklen. Traditionelle hydraulische Kupplungsdrehzahlregelungssysteme leiden oft unter erheblichen Schlupfverlusten, niedriger Gesamteffizienz, eingeschränkter Geschwindigkeitsregelung und hohen Wartungsanforderungen. Diese Einschränkungen machen sie zunehmend ungeeignet für moderne intelligente Bergbauoperationen.
Die Hochspannungsfrequenzfrequenzantriebstechnologie (VFD) ist daher zu einer Schlüssellösung zur Aufrüstung unterirdischer Förderanlagen geworden. Mit einem großen Drehzahlreglerbereich, präziser Motorsteuerung, schneller dynamischer Reaktion und Softstart-Funktion können Hochspannungs-VFDs die Betriebsleistung von Schwerleistungs-Fördersystemen erheblich verbessern.
Speziell für unterirdische Kohlebergbauanwendungen entwickelt, ist FGI's HöhepunktH-Spannungs-Explosionsfeste VFD kombiniert Master-Slave-koordinierte Steuerung, hohes Startdrehmoment, zuverlässigen Betrieb und intelligente Leistungsbilanzum eine effizientere und zuverlässigere Antriebslösung für mehrmotorige Förderbänder bereitzustellen.
Typische Anwendung eines hochspannungs-explosionssicheren VFD für Förderbandsysteme
1. Systemkonfiguration
Systemprinzip
Die Jingfang-Kohlemine, eine Tochtergesellschaft der Shanxi Coal Import & Export Group, ist in der Rohkohle- und sauberen Kohleproduktion sowie in der umfassenden Nutzung von Kohle-Gangue tätig.
Das Hauptförderband der Mine wird von drei asynchronen Motoren angetrieben. Motors Nr. 1 und Nr. 2 sind mit derselben Welle verbunden und treiben eine Riemenrolle an, während Motor Nr. 3 unabhängig eine weitere Riemenrolle antreibt.
Jeder Motor hat eine Nennleistung von 550 kW und wird von einem einzelnen 6-kV-, 855-kW-Hochspannungs-Explosionsfesten VFD angetrieben.
Ein Förderband-Steuerschrank kommuniziert über Quarzfaser mit den drei VFDs, was Master-Slave-Koordination und Echtzeit-Leistungsverteilung zwischen den Motoren ermöglicht. Diese Konfiguration trägt dazu bei, eine stabile Drehmomentverteilung zu gewährleisten und gewährleistet einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Förderbandsystems.
Abbildung 1. Diagramm des Bandfördersystems
2. HochspannungsexplosiOn-Proof VFD-Systemstruktur
Die 6-kV-Netzspannung ist an einen phasenverschiebenden Transformator angeschlossen, der drei Schlüsselfunktionen erfüllt.
Zunächst wandelt er die eingehende Hochspannung in unabhängige dreiphasige 690-V-Netzteile um, um isolierte Stromversorgung für die Stromzellen bereitzustellen.
Zweitens führt die Extended Delta-Wicklungskonfiguration zu Phasenverschiebungen zwischen den Eingangsspannungen einzelner Leistungszellen und bildet so eine Mehrpuls-Gleichrichterstruktur, die die gitterseitige harmonische Verzerrung effektiv reduziert.
Drittens liefert der Transformator elektrisch isolierte Stromversorgungen für die kaskadierende Leistungszellenarchitektur.
Die Leistungszellen verwenden eine Trägerphasenverschiebungs-PWM-Technologie. Durch das Einführen geeigneter Phasendifferenzen zwischen benachbarten Trägersignalen werden die Ausgangsspannungswellen einzelner Leistungszellen überlagert, um eine Ausgangswellenform zu erzeugen, die einer sinusförmigen Wellenform nahekommt.
Das Steuerungssystem basiert auf einem Hochgeschwindigkeits-DSP-Prozessor und verwendet einen vollständig digitalen Vektorsteuerungsalgorithmus. Befehle und Betriebszustandsrückkopplung werden zwischen der Hauptsteuereinheit und den Leistungsmodulen über Glasfaserkommunikation übertragen. Diese Architektur bietet eine schnelle Reaktion, hohe Steuerungsgenauigkeit und eine starke Immunität gegen elektromagnetische Störungen, die besonders in unterirdischen Bergbauumgebungen von Bedeutung sind.
Abbildung 2. Hochspannungs-explosionssichere VFD-Systemstruktur
Topologie der Leistungszelle
Der hochspannungs-explosionssichere VFD verwendet eine kaskadierende Stromzellentopologie. Jede Leistungszelle empfängt ein sinusförmiges Modulationssignal vom Hauptcontroller und erzeugt durch Trägerphasenverschiebung ihre eigene SPWM-Ausgangswelle.
Die Ausgangsspannungswellen mehrerer Leistungszellen werden dann übereinandergelegt, um eine nahezu sinusförmige Spannungswelle zu bilden. Dadurch liegt die VFD-Ausgangswellenform nahe an der einer Standard-Utility-Frequenz-Sinusspannung.
Dieses Design entfällt einem zusätzlichen Ausgangsfilter und reduziert die harmonischen Interferenzen mit dem Motor erheblich.
Aufgrund des niedrigen Dv/DT belastet die Ausgangsspannung weniger elektrische Belastung für Motor- und Kabelisolierung. Das System kann daher mit Standardmotoren und -kabeln verwendet werden und gleichzeitig die Motorübertragung über Entfernungen von bis zu 5.000 m unterstützen.
In der Jingfang-Kohlemine sind die hochspannungs-explosionssicheren VFDs in einem Querschnitt etwa 100 m vom Förderband entfernt installiert.
Mit sehr niedriger harmonischer Interferenz auf der Gitterseite und besonders niedriger Obertonwirkung auf den Motor ist das System weithin als "grüne, niedrigharmonische VFD"-Lösung anerkannt.
Abbildung 3. Topologie der Leistungszelle
3. Kontrollstrategie und Anwendungsergebnisse
Bei Anwendungen mit mehreren Förderbanden kann eine ungleichmäßige Lastverteilung zwischen den Motoren eine große Herausforderung darstellen.
Sogar Motoren desselben Modells können Unterschiede in Materialeigenschaften und Fertigungstoleranzen aufweisen, was zu Unterschieden bei Drehzahl- und Drehmomenteigenschaften führt. Ohne effektive Koordination können diese Unterschiede zu einer unausgeglichenen Stromverteilung zwischen Master- und Slave-Laufwerken führen.
Um dieses Problem zu lösen, verwendet das Projekt ein Hochgeschwindigkeits-Master-Slave-Quarz-Glasfaser-Kommunikationssystem. Das Kommunikationsnetz ermöglicht einen schnellen Datenaustausch bei gleichzeitiger zuverlässiger Signalübertragung zwischen den VFDs.
Darüber hinaus verfügt FGIs hochvoltige, explosionsfeste VFD über eine vektorgesteuerte, auf Geschwindigkeits-Droop-Steuerung basierende Strategie. Durch dynamische Reaktion auf Änderungen des Motorstroms kann das System die Last präzise auf mehrere Motoren verteilen und eine ausgewogene Leistungsverteilung ohne manuelle Anpassung aufrechterhalten.
Bewerbungsergebnisse in der Jingfang-Kohlemine
1) Gleichmäßiges und kontrolliertes Starten des Förderbands
Der VFD ermöglicht einen echten Softstart-Betrieb für das Förderband.
Im Niederfrequenzbetrieb kann der VFD bis zu 2,2-faches des angegebenen Drehmoments liefern, während die Startzeit kontinuierlich von 1 bis 3.600 Sekunden angepasst werden kann. Dies ermöglicht es dem System, die anspruchsvollen Anforderungen des Schwerlast-Förderbandstarts zu erfüllen.
2) Präzise Leistungsverteilung
Das System erreicht eine genaue Drehmoment- und Leistungsverteilung zwischen vier Kopfendmotoren und zwei Heckmotoren, die über eine Förderstrecke von bis zu 5.000 m arbeiten.
Das Ungleichgewicht zwischen den einzelnen Motoren wird bei weniger als 2 % gehalten, was die Stabilität des Mehrmotorbetriebs deutlich verbessert.
3) Online-Laufwerkswechsel
Das System unterstützt Online-Switching und Redundanz.
Wenn ein VFD aufgrund eines Fehlers außer Betrieb genommen wird, kann der Standby-VFD sofort wieder in Betrieb genommen werden. Dies hilft, den kontinuierlichen Förderbandbetrieb aufrechtzuerhalten und das Risiko von Produktionsunterbrechungen zu verringern.
4) Automatische Drehzahlanpassung des Förderbands
In Zusammenarbeit mit einem Kohledurchflusssensor kann das Steuersystem die Bandgeschwindigkeit automatisch entsprechend dem tatsächlichen Materialfluss anpassen.
Einfach ausgedrückt: mehr Kohle, höhere Geschwindigkeit; Weniger Kohle, geringere Geschwindigkeit.
Durch die Anpassung der Förderbandgeschwindigkeit an die tatsächliche Ladung reduziert das System unnötigen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und verbessert die gesamte Transporteffizienz.
5) Energieeinsparungen und niedrigere Betriebskostens
Der Einsatz der Frequenzverkehrsantriebstechnologie bringt erhebliche energiesparende und wirtschaftliche Vorteile.
VFD-Weichstart reduziert die mechanische und elektrische Belastung beim Anlauf. Die lastbasierte Geschwindigkeitsregelung reduziert zudem die Zeit, in der das Förderband bei unnötig hohen Geschwindigkeiten arbeitet.
Dadurch kann der mechanische Verschleiß an Motoren, Riemenscheiben, Leerlauf, Riemen und anderen Getriebekomponenten reduziert werden, was die Lebensdauer der Geräte verlängert und gleichzeitig den Wartungsbedarf und die Kosten senkt.
Der Motorbetrieb mit niedrigeren Drehzahlen verbraucht außerdem deutlich weniger elektrische Energie als kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsbetrieb unter geeigneten Lastbedingungen.
Bei großen unterirdischen Förderbandsystemen können diese Verbesserungen erhebliche Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Geräteschutz, Wartungsreduzierung und Betriebskostenkontrolle bringen.
4. Wichtige Vorteile für intelligente Bergbauanwendungen
1) Kompaktes Design und vereinfachte Wartung
Ein gängiger Ansatz in der Branche ist die Verwendung eines mobilen Transformators zusammen mit einem VFD. Diese Konfiguration erfordert zusätzlichen Installationsplatz und erfordert umfangreiche Kabelverlegung vor Ort sowie elektrische Anschlüsse.
FGI integriert Transformator und VFD in einer einzigen integrierten Einheit, mit sowohl 10 kV- als auch 6 kV-Hochspannungs-VFD-Konfigurationen. Dies reduziert den Installationsplatz erheblich und vereinfacht den Bau vor Ort.
Die hochspannungs-explosionssichere VFD verwendet ebenfalls ein modulares Design. Funktionale Module können je nach tatsächlichen Anforderungen ersetzt oder aufgerüstet werden, was die anschließende Wartung bequemer macht und die Wartungszeit verkürzt.
Abbildung 4. Vergleich zwischen FGI-VFD und Lösungen anderer Hersteller
2) Mehrere Schutzschichten für einen zuverlässigen Betrieb
Zusätzlich zur systembezogenen Online-Redundanz unterstützt jede Phase des VFD drei redundante Stromzellen.
Fällt eine Stromzelle aus, kann das System die fehlerhafte Einheit automatisch umgehen, während die verbleibenden Stromzellen weiterhin in Betrieb bleiben. Dies minimiert die Auswirkungen einzelner Bauteilausfälle auf den Produktionsprozess und verbessert die Gesamtverfügbarkeit des Systems.
Abbildung 5. Leistungszellen-Bypass-Prozess
3) Adaptive Lastverteilung und automatische Stromverteilung
Der VFD passt sich automatisch an verschiedene Lastbedingungen an.
Für Multi-Drive-Anwendungen ermöglicht das System eine automatische Leistungsverteilung ohne manuelles Eingreifen und unterstützt die Master-Slave-Steuerung von bis zu 10 VFD-Einheiten.
Dies macht das System besonders geeignet für große Förderbänder und andere schwere mehrmotorige Anwendungen, bei denen eine präzise Lastenteilung unerlässlich ist.
4) Kommunikationsschnittstellen für intelligenten Bergbau
Das VFD unterstützt die Kommunikationsanforderungen für intelligente Mining-Systeme und bietet mehrere Kommunikationsmöglichkeiten, darunter Glasfaser, Ethernet und drahtlose Netzwerke.
In der Jingfang-Kohlemine wird die Ethernet-Kommunikation genutzt, um Betriebsdaten an die unterirdischen und Oberflächenüberwachungssysteme zu übertragen.
Das System unterstützt außerdem Fernüberwachung und Fehlerdiagnose. Über einen PC oder eine mobile Anwendung können Betreiber Betriebsparameter überwachen, Fehler analysieren und die erwartete Lebensdauer wichtiger Komponenten bewerten.
Dies bietet die Grundlage für intelligenteres Gerätemanagement und vorausschauende Wartung.
Fazit
Die Bergbauindustrie bewegt sich rasant hin zu größeren, automatisierteren und intelligenteren Betrieben. Mit der fortschreitenden Entwicklung intelligenter Bergbauinitiativen werden Hochspannungs- und Hochleistungs-Frequenzantriebssysteme für kritische Geräte wie Bänderförderbänder und Schrapförderbänder immer wichtiger.
Eine der größten Herausforderungen bei unterirdischen Anwendungen ist die harmonische Verzerrung durch herkömmliche Antriebssysteme, die sowohl die Stromqualität als auch den Motorbetrieb beeinträchtigen kann.
FGIs hochvoltige, explosionssichere VFD wurde erfolgreich in der Jingfang-Kohlemine eingesetzt und demonstriert die Vorteile seines phasenverschiebenden Transformators, der kaskadierenden Stromzellentopologie, der Vektorsteuerung und der intelligenten Master-Slave-Stromausgleichstechnologie.
Das System erreicht eine Eingangs-harmonische Verzerrung von weniger als 3 % und eine Ausgangsspannung von weniger als 2 %, was eine niedrig-harmonische Antriebslösung für unterirdische Bergbauanlagen bietet.
Die Master-Slave-Droop-Steuerung unterstützt die Motorübertragung über Distanzen von bis zu 5.000 m, während das System einen Leistungsfaktor von bis zu 0,99 erreicht. In Kombination mit Glasfaserkommunikation, Fehlerwarnung, Fernüberwachung und adaptiver Leistungsverteilung verbessert die Lösung die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit der Förderbandsysteme.
Durch den Einsatz fortschrittlicher variabler Frequenzantriebstechnologie auf Untertagebergbauanlagen hilft FGI, unnötigen Energieverbrauch, mechanischen Verschleiß und Wartungsanforderungen zu reduzieren und gleichzeitig den Übergang der Branche zu sichereren, effizienteren und intelligenteren Bergbaubetrieben zu unterstützen.
Da der intelligente Bergbau weiter wächst, werden hochspannungs-explosionssichere VFDs eine immer wichtigere Rolle in Anwendungen wie Förderbändern, Schabförderbänder, Aufzügen, Pumpen, Ventilatoren und anderen Hochleistungs-Bergbaugeräten spielen.
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