Zhao Shuguo¹, Sun Feng², Ji Shengchun³, Guo Peibin¹ (¹Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd., Wenshang 272500, China; ²Jiulong Mine, Fengfeng Mining Group Co., Ltd., Handan, Hebei 056010, China; ³Tianjin Jinyoulian Electrical Control Equipment Co., Ltd., Tianjin 300020, China) Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich den Zweck, den Implementierungsprozess und die wichtigsten technischen Lösungen eines Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems für Förderwinden im Kohlebergbau. Das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem verwendet einen Hochspannungs-Frequenzumrichter für Fördermaschinen der Firma Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. Betriebsversuche des elektrischen Steuerungssystems zeigen, dass die erwarteten Ziele erreicht wurden und es vielversprechende Marktperspektiven bietet. Schlüsselwörter: Winde; Hochspannungs-Frequenzumrichter; elektronisches Steuerungssystem. Anwendung eines elektrisch gesteuerten Hochspannungs-Wechselrichtersystems für Kohlebergwerksförderanlagen im Schacht. ZHAO Shu-guo 1, SUN Feng 2, JI Sheng-chun 3, GUO Pei-bin 1 • Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develops Co.,Ltd, Wenshang 272500, China; 2. Hebei Handan Fengfeng Mining Industry Group Company Kowloon Ore , Handan 056010, China ; 3. Tianjin Jinyoulian Electricity Control Device Limited Company, Tianjin 300020, China) Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Zweck, den Implementierungsprozess und die technischen Lösungsansätze des Hochspannungssystems für Förderanlagen im Kohlebergbau. Das Hochspannungswechselrichtersystem verwendet einen Hochspannungs-Wechselrichter der Firma Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develops Co., Ltd. Die Ergebnisse des Bewegungsversuchs mit diesem elektrisch gesteuerten System zeigen, dass die angestrebten Ziele erreicht wurden und ein breites Marktpotenzial besteht. Schlüsselwörter: Förderanlage; Hochspannungswechselrichter; elektrisch gesteuertes System 0 Einleitung Eine Auswertung der nationalen und internationalen Literatur zu Drehzahlregelungssystemen für Schrägschachtförderanlagen zeigt, dass die Antriebsmotoren von Förderanlagen im Kohlebergbau in der Regel dreiphasige Schleifringläufer-Asynchronmotoren sind. Die Drehzahlregelung erfolgt durch das Hinzufügen eines Metallwiderstands zum Rotorkreis des Motors und durch die Verwendung eines Master-Controllers, der den Widerstand schrittweise abschaltet, um Beschleunigung, Verzögerung und Drehzahlregelung zu erreichen. Die Bremsmethode dieses Rotorwiderstands-Drehzahlregelungssystems ist eine energieverbrauchende Bremsung, bei der die gesamte Bremsenergie im Widerstand verbraucht wird. Die Drehzahlregelung des Motors erfolgt stufenweise und im offenen Regelkreis mit kleinem Drehzahlbereich, geringer Regelgenauigkeit und Schwierigkeiten bei der Kriechgeschwindigkeit. Insbesondere beim Absenken schwerer Lasten ist eine Koordination von Leistungsbremsung, Rotorwiderstand und Bremse erforderlich, was die Steuerung für den Fahrer erschwert und die Sicherheit beeinträchtigt. Beim Abbremsen und Absenken schwerer Lasten verbraucht die Leistungsbremsung nicht nur externe Gleichstromenergie, sondern auch die im Rotorwiderstand gespeicherte Rückgewinnungsenergie des Motors, was zu einem hohen Energieverlust führt. Zudem ist der Betriebs- und Wartungsaufwand hoch, was hohe Wartungskosten verursacht. Eine weitere Regelungsmethode ist die Frequenzumrichterregelung, die jedoch auf Niederspannungssysteme mit 660 V oder 380 V beschränkt ist. Die gängigen Technologien zur Frequenzumrichtertechnik, insbesondere die Vierquadranten-Frequenzumrichtertechnik und die SPS-gesteuerte Windensteuerung, sind heutzutage ausgereift und im In- und Ausland weit verbreitet. Es liegen jedoch keine Berichte oder Anwendungen für ein elektrisches Steuerungssystem mit 6000-V-Frequenzumrichter für Seilwinden vor. Untersuchungen zufolge existiert in den Kohlebergwerken meines Landes kein geeignetes 6000-V-System für Untertageförderanlagen. Daher ist es unerlässlich, die 6000-V-Vierquadranten-Frequenzumrichtertechnologie und die SPS-Steuerungstechnik für Seilwinden umfassend auf Schrägschachtförderanlagen anzuwenden und die Anforderungen der „Sicherheitsvorschriften für Kohlebergwerke“ zu erfüllen, um einen optimalen Schutz der Anlagen zu gewährleisten. Dies ist auch ein effektiver Weg, um den sicheren und effizienten Betrieb von Schrägschachtförderanlagen zu gewährleisten. 1 Schlüsseltechnologien: (1) Eine eigensichere digitale Schaltung ermöglicht den Zweileiterbetrieb der explosionsgeschützten Schrägschachtförderanlage. (2) Einsatz eines inländischen Hochspannungs-Frequenzumrichters mit Reihenmultiplextechnologie für die Förderanlagen. (3) Die variable Frequenz-Drehzahlregelung wandelt den Energieverbrauch beim Bremsen des Schrägschachts in eine energieerzeugende Rückkopplungsbremsung um. (4) Zur Realisierung niedriger Drehzahlen bei gleichzeitig hohem Drehmoment und hohem Anlaufdrehmoment wird Vektorsteuerungstechnologie eingesetzt. (5) Die digitalen, Netzwerk- und Rechenfunktionen der SPS werden voll ausgeschöpft, wodurch die Förderanlage über umfassendere Software- und Hardware-Schutzfunktionen verfügt und die Hauptschutzsysteme ein Zweileitungssystem realisieren. (6) Die Anforderungen an häufiges Starten und Stoppen des Förderbetriebs werden erfüllt. (7) Die Anforderungen an 100 % Luftfeuchtigkeit im Bergwerk werden erfüllt. 2 Projektstatus (1) Vorhandene Technologie und Rahmenbedingungen Die Jiulong-Mine der Fengfeng-Gruppe ist eine Mine mit einer jährlichen Auslegungskapazität von 1,2 Millionen Tonnen. Derzeit wird das Kohleflöz der ersten Sohle abgebaut, und es werden Erschließungs- und Erweiterungsprojekte für den Abbau der zweiten Sohle durchgeführt. Hochspannungs-Frequenzumrichter sind im Einsatz für Lüfter und Pumpen bereits relativ ausgereift, und auch die SPS-Technologie sowie Niederspannungs-Frequenzumrichter gewinnen im Einsatz für Förderanlagen zunehmend an Reife. (2) Bedingungen vor Ort: Die Umgebung der Winde Süd Nr. 2 in der Jiulong-Mine der Fengfeng-Gruppe ist rau. Während der Modernisierung der elektrischen Steuerungsanlage herrschten im Sommer dichter Nebel und extrem hohe Luftfeuchtigkeit im Windenraum. Gleichzeitig schwankte die Spannung aufgrund der Belastung durch das Kraftwerk des Bergwerks zwischen 5700 V und 6800 V, wodurch der südliche Hangstollen 2 stark beschädigt wurde. Die Frage, ob die Vier-Quadranten-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerung der 6-kV-Förderwinde diesen extremen Bedingungen standhalten und den industriellen Tests gewachsen sein würde, stellte die drei Projektbeteiligten vor eine Herausforderung. Durch die gemeinsame Anstrengung aller Beteiligten konnten die während der Versuche aufgetretenen Probleme gelöst werden, und die verschiedenen Betriebskennwerte der Winde entsprachen den Anforderungen. Die Winde erreichte somit ihr Modernisierungsziel. Betriebsparameter und Umgebungsbedingungen der Winde Süd Zwei Modell JK-2K Hauptmotorleistung: 240 kW Nennspannung: Dreiphasig AC 6 kV Maximale Geschwindigkeit: 4 m/s Steigungslänge: 930 m Diese Winde transportiert Material, Personal und Ausrüstung im Bereich Süd Zwei der Jiulong-Mine. Die Last schwankt unregelmäßig um 15 Tonnen. Die Steigung der Strecke Süd Zwei ist in 7 Abschnitte unterteilt, und die Winde startet und stoppt häufig. (3) 6-kV-Winden-Frequenzumrichter Das 6-kV-Winden-Frequenzumrichtersystem besteht im Wesentlichen aus einem Frequenzumrichter, einem Bedienpult und Sensoren. Details: ① JD-BP37 Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebevorgänge der Xinfeng Photovoltaic Company: Der JD-BP37 Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebevorgänge verwendet einen neuartigen IGBT als Hauptsteuergerät. Das volldigitale System wird über einen Farb-LCD-Touchscreen gesteuert und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, einfache Bedienung und hohe Leistung aus. Es nutzt fortschrittliche Vektorregelungstechnologie zur Drehzahlregelung und ermöglicht so den Vier-Quadranten-Betrieb des Hebezeugs. Es dient zur Steuerung von Kurzschlussläufermotoren oder Schleifringläufermotoren und kann sowohl in neuen Bergwerken als auch zur Modernisierung bestehender Bergwerke eingesetzt werden. Der Xinfeng Photovoltaik-Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebezeuge verwendet mehrere in Reihe geschaltete Niederspannungs-Wechselrichter, um eine direkte Hochspannung zu erzeugen. Der eingesetzte 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebezeuge verfügt über 18 Sekundärwicklungen im Transformator, wobei jede Phase in 6 Leistungseinheiten unterteilt ist, insgesamt also 18 Einheiten über drei Phasen. Er arbeitet mit 36-Puls-Gleichrichtung, und der Oberwellengehalt am Eingang liegt weit unter dem nationalen Standard. Das Systemstrukturdiagramm des Hochspannungs-Frequenzumrichters für Hebezeuge ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Schaltplan der Leistungseinheit ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 1: Systemstrukturdiagramm des Hochspannungs-Frequenzumrichters. Abbildung 2: Schaltplan der Leistungseinheit. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter ist eine Kernkomponente des gesamten elektrischen Steuerungssystems und verfügt über verschiedene systemkompatible Schnittstellen. Er empfängt Betriebsbefehle vom Steuerungssystem, darunter Start/Stopp-, Vorwärts-/Rückwärts-, Brems- und Drehzahlbefehle, und führt diese entsprechend aus. Gleichzeitig übermittelt er kontinuierlich Betriebszustandsinformationen, einschließlich Betriebsfrequenz, Motorstrom, Versorgungsspannung, Stromstärke und Fehlerinformationen, an das Steuerungssystem. Der Umrichter selbst zeichnet Betriebssignale und -zustände automatisch zur späteren Verwendung auf. Alle Ein- und Ausgänge des Umrichters sind störungsfrei isoliert. Nach eingehender Prüfung wurde entschieden, den Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37-300T der Firma Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. zur Drehzahlregelung des Windenmotors einzusetzen. • Xinfeng Photovoltaic Co., Ltd. JD-BP37-300T Hochspannungs-Boost-Wechselrichter – Hauptleistungsdaten: Wechselrichterleistung: 300 kW; Nennausgangsstrom: 36 A; Eingangsfrequenz: 50 Hz ± 5 Hz; Nenneingangsspannung: 6 kV; Zulässige Spannungsschwankung: ±20 %; Eingangsleistungsfaktor: ≥ 0,98; Ausgangsfrequenzbereich: 0–50 Hz; Ausgangsspannungsbereich: 0–6 kV; Frequenzauflösung: 0,01 Hz; Beschleunigungszeit: Benutzerkonfigurierbar; Verzögerungszeit: Benutzerkonfigurierbar; Wechselrichterwirkungsgrad: ≥ 96 %; Bedienoberfläche: Chinesischer Farb-LCD-Touchscreen; Schnittstellensprache: Vereinfachtes Chinesisch; Überlastfähigkeit: 100 % (Dauerbetrieb); 160 % (Dauerbetrieb für 1 Minute); 220 % (zulässig für 1,5 Sekunden) Bietet verschiedene Bremsmethoden, darunter Gleichstrombremsung und regenerative Bremsung; erfüllt die Anforderungen für den Vierquadrantenbetrieb von Motoren. ② Bedienfeld (Doppel-SPS-System und Zwischenrelais): Das Bedienfeld ist mit verschiedenen Betriebszustandsanzeigen ausgestattet, wobei ein Farb-LCD-Bildschirm als Hauptanzeigegerät dient. Es ermöglicht die Anzeige des SPS-Betriebszustands, des Aktionszustands jedes externen Kontakts, des Status jedes Analogkreises usw., was die Wartung vereinfacht. Gleichzeitig verfügt es über die notwendige digitale Anzeige von Schalt- und Analogwerten und liefert unabhängig die erforderlichen Hubdaten, darunter: Kontrollleuchte für Sicherheitskreise, digitale Anzeige des Hydraulikdrucks, Manometer, Anzeige von Verzögerungs- und Fehleralarmen (akustisch und optisch), Hoch- und Niederdruckmanometer, Amperemeter usw. ③ Diverse Sensoren. 3 6-kV-Winde, Frequenzumrichter, Drehzahlregelung, elektrisches Steuerungssystem, elektrischer Schutz. Das System verfügt über folgende Schutzfunktionen: (1) Sofortige automatische Sicherheitsfehlererkennung: Diese Art von Fehler ist in den Hardware- und Software-Sicherheitsschaltkreis integriert. Der Sicherheitsschaltkreis ist im Normalbetrieb aktiviert und wird im Notfall deaktiviert. Sobald der Sicherheitskreis freigegeben wird, blockiert er sofort den Frequenzumrichter, schaltet die Bremsölpumpe ab und steuert das Magnetventil des Hydrauliksystems, um die Sicherheitsbremsung einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Die wichtigsten Fehlerquellen der Sicherheitsbremsung sind: ① Fehler im Rotationssystem: z. B. Stromversorgungsfehler im Haupt- und Steuerkreis, Überhitzung und Blockierung des Hauptmotors, Fehler im Frequenzumrichter usw. ② Überwicklungsfehler. ③ Überdrehzahlfehler: z. B. konstante Drehzahl, Überdrehzahl, Überdrehzahl an einem festen Punkt und kontinuierliche Überdrehzahl im Verzögerungsbereich usw. ④ Notfälle. ⑤ Fehler im hydraulischen Bremssystem: z. B. Auslösung der Bremsölpumpe, zu hoher Öldruck im System usw. ⑥ Fehlausrichtung. ⑦ Unterbrechung der Drehzahlmessung und des Wellengebers (deutlich: Wellenbruch). ⑧ Fehler durch lose Seile. (2) Fehler bei der elektrischen Bremsung, gefolgt von Sicherheitsbremsfehlern: Bei einem solchen Fehler verlangsamt sich das Rotationssystem automatisch und schaltet beim Erreichen der Kriechgeschwindigkeit sofort auf Notbremsung um. Die Hauptfehlerarten sind: Unfallstopp und Bremsbelagverschleiß. (3) Fehler, die einen Neustart nach dem Startvorgang verhindern: Tritt dieser Fehler vor dem Start auf, kann der Motor nicht gestartet werden. Tritt er während des Betriebs auf, kann der Startvorgang abgeschlossen werden, ein Neustart ist jedoch erst nach Behebung des Fehlers möglich. Zu den Hauptfehlerarten gehören Motorüberhitzungsalarm und zu hohe Öltemperatur der Hydraulikstation. Wir haben Schutztests für Überwicklung, Überdrehzahl, Fehlrichtung, Geberdrahtbruch, loses Seil, Überlast, Unterspannung, Phasenausfall und Bremsbelagverschleiß durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Schutzfunktionen zuverlässig arbeiten und die Anzeige empfindlich und korrekt ist und somit die Konstruktionsanforderungen erfüllt. 4. Betriebsprotokoll des 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystems der Winde. Während der Prüfung des Steuerungssystems wurde der Betriebszustand der Winde kontinuierlich überwacht und protokolliert, insbesondere in folgenden Punkten: (1) Das 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerungssystem der Winde arbeitete 8 Monate lang unter extrem feuchten Bedingungen unfallfrei und sicher. (2) Das Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerungssystem der Winde erreichte einen kontinuierlich sicheren Betrieb in allen vier Quadranten. Wir führten ein Experiment zum Absenken schwerer Lasten durch. Beim Absenken von 6 Ballastbehältern wurde der Strom bei maximaler Geschwindigkeit (4 m/s) statistisch analysiert (siehe Tabelle 5). Tabelle 1: Statistik des elektrischen Stroms. (3) Das 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerungssystem der Winde ist für die Arbeitsbedingungen mit häufigem Starten und Stoppen der Winde geeignet. Am südlichen zweiten Hang des Bergwerks Jiulong befinden sich 7 Öffnungen, die den Transport von Personal, Material, Ausrüstung usw. erfordern. Der tägliche Betrieb kann mehr als 60 Haken erreichen. Nach acht Monaten unfallfreiem Betrieb hat sich gezeigt, dass das System den Anforderungen des häufigen An- und Abschaltens der Winde gerecht wird. (4) Das 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Steuerungssystem der Winde ermöglicht einen Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment. Es wurde im Dezember 2005 im Abbaufeld 220 des Südflügels der Jiulong-Mine installiert. Beim Transport der vollmechanisierten Ausbauausrüstung musste die Winde aufgrund der steilen Gleisneigung aus Sicherheitsgründen mit niedriger Drehzahl betrieben werden. Das Frequenzumrichter-Steuerungssystem der Winde nutzte seine Fähigkeit zum Betrieb mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl optimal aus und führte den Ausbautransport sicher und effizient durch. (5) Im Versuch lief die Winde sanft an und beschleunigte normal. Während des Betriebs passte der Fahrer die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters über den Hauptsteuerhebel an, um eine stufenlose Drehzahlregelung, automatisches Abbremsen am Stillstandspunkt und sanftes Anhalten zu erreichen. 5 6-kV-Winden-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem: Gesamtbetrieb und Fazit. Das 6-kV-Winden-Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem wurde im August 2005 in der Jiulong-Mine in Betrieb genommen. Seitdem arbeitet die Anlage zuverlässig und hat die Sicherheit des Systems deutlich verbessert, den Energieverbrauch und die Wartungskosten gesenkt und so einen sicheren und effizienten Windenbetrieb gewährleistet. Das Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem bietet zahlreiche Vorteile wie hervorragende Regelgenauigkeit, einfache Bedienung, hohe Betriebseffizienz und geringen Wartungsaufwand. Angesichts der zunehmenden Reife der Frequenzumrichter-Technologie und des unaufhaltsamen Trends zu Energieeinsparungen entwickelt sie sich zur Zukunft der Fördertechnik im Bergbau. Statistiken zufolge gibt es in China über 1.000 große Kohlebergwerke. Eine landesweite Einführung des Systems in Kohlebergwerkswinden würde die wirtschaftlichen Vorteile noch deutlich erhöhen. Das System hat ein großes Marktpotenzial. Über den Autor: Zhao Shuguo (1978-), männlich, Absolvent der Dalian Naval Academy im Jahr 2002 und derzeit verantwortlich für Hochspannungs-Frequenzumrichter in der technischen Abteilung der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd.