Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Rekonstruktion eines inländischen Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems für eine Fördermaschine im Bergbau. Er stellt kurz das ursprüngliche Fördermaschinensystem und das Frequenzumrichtersystem vor und erörtert anschließend das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem. Die Betriebsergebnisse zeigen den Erfolg der Rekonstruktion. Schlüsselwörter: inländisches Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem, Fördermaschine, Energierückführung. 1. Einleitung: Derzeit wird ein Großteil der Fördermaschinen im chinesischen Bergbau von Elektromotoren mit einer Leistung von 100 kW bis 500 kW angetrieben. Aus historischen Gründen wurden diese Fördermaschinen bisher immer mit der elektrischen Steuerungsmethode für Hochspannungsmotoren betrieben – mittels Wechselstrom-Schleifringläufermotoren mit Rotorwiderstand zur Drehzahlregelung. Diese Drehzahlregelungsmethode ist veraltet und ihre Betriebsleistung ist alles andere als optimal. Fördermaschinen mit einer Leistung von über 500 kW, die eine hohe Leistung erfordern, verwenden meist Gleichstromantriebe. Die Komplexität von Gleichstrommotoren führt jedoch zu hohen Wartungskosten im Betrieb. Die Technologie zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren ist mittlerweile sehr ausgereift. Ihre elektrische Regelungsleistung ist mit Gleichstromantrieben vergleichbar, wenn nicht sogar überlegen, und hat sich daher in der industriellen Steuerungstechnik weit verbreitet. Ihre Zuverlässigkeit ist sehr hoch. Daher sollte der direkte Antrieb eines Kurzschlussläufermotors mittels eines Wechselstrom-Frequenzumrichters die bevorzugte elektrische Antriebslösung für Förderanlagen im Bergbau sein. Ein Vektor-Frequenzumrichter mit Energierückkopplung treibt den Kurzschlussläufermotor direkt an und bildet so das elektrische Steuerungssystem. Er weist ähnliche oder sogar bessere mechanische Eigenschaften als Gleichstrommotoren auf, mit einem Leistungsfaktor nahe 1 und einem Wirkungsgrad von über 95 %, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Dies verbessert nicht nur die Leistung des Förderprozesses, sondern vereinfacht auch die Bedienung und Wartung, steigert die Gesamteffizienz der Maschine deutlich und sollte die zukünftige Entwicklungsrichtung für elektrische Steuerungssysteme von Förderanlagen sein. 2. Einführung in das ursprüngliche Drehzahlregelungssystem und das elektrische Frequenzumrichtersystem der Förderanlage. Die Hebei Handan Fengfeng Mining Group Co., Ltd. ist ein großes staatliches Unternehmen und eines der 100 größten Kohleunternehmen Chinas. Die Mine Nr. 3 des Konzerns verfügte ursprünglich über eine Förderanlage. Deren Winde nutzte einen Schleifringläufer-Asynchronmotor, dessen Drehzahlregelung über den Rotorwiderstand erfolgte. Dieses System mit Stufendrehzahlregelung weist Nachteile wie geringes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, hohe Schlupfleistung, hohe Anlauf- und Schaltstromspitzen, starke Vibrationen bei mittleren und hohen Drehzahlen, unzuverlässiges und unsicheres Bremsen, schlechte Nutzung der Rückgewinnungsenergie und eine Tendenz zum Überdrehen bei niedrigen Drehzahlen auf. Zudem weist es eine hohe Ausfallrate und einen geringen Wirkungsgrad auf. Der Minenbetrieb läuft rund um die Uhr, und selbst kurze Wartungsstillstände können erhebliche Produktionsausfälle verursachen. Die Konzernleitung beschloss daher, das elektrische Steuerungssystem der Förderanlage zu modernisieren. Unser Unternehmen, Jiaozuo Huafeng, ist Chinas größter Produktionsstandort für elektrische Steuerungssysteme für Förderanlagen. Daher haben wir uns für unser KTDK-PC-basiertes, hochmodernes elektrisches Frequenzumrichter-Steuerungssystem entschieden. Dieses Steuerungssystem zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: 1. Der Drehzahlregler arbeitet mit einem Vektor-Frequenzumrichter und ermöglicht so ein hohes Drehmoment, hohe Präzision und einen breiten Drehzahlbereich. Die Energierückspeisung ins Stromnetz führt zu erheblichen Energieeinsparungen. 2. Extrem kurze Inbetriebnahmezeit: Das Frequenzumrichter-Steuerungssystem ist in maximal drei Tagen betriebsbereit (zuzüglich einer anfänglichen Vorbereitungszeit von sieben bis zehn Tagen, zwei Stunden pro Tag). 3. Fernüberwachung des Betriebszustands und Fehlerdiagnose: Die Fernkommunikation mit Hardware und Software der Mitsubishi Corporation (Japan) ermöglicht es jedem autorisierten Computer, den Betriebszustand des Steuerungssystems über eine Telefonleitung zu überwachen. 4. Drahtlose induktive dynamische Wägung – durch Druckmessung und FSK-Modulation ermöglicht die drahtlose induktive dynamische Wägungstechnologie eine präzise und zuverlässige Durchführung des automatisierten Ladevorgangs. 5. Die Hauptsteuerkonsole umfasst ein Signalsystem. 6. Temperaturüberwachung an 15 Schlüsselstellen. 7. Integrierter Schutzregler für die Förderanlage – entwickelt mit unserer bewährten elektrischen Steuerungstechnologie für Förderanlagen, dient er als umfassender Schutz für das bestehende elektrische Steuerungssystem der Förderanlagen. 8. Mehrstufiges Signalsystem für die Förderanlage – die Signalübertragung zwischen den Komponenten erfolgt über eine Zweidraht-485-Port-Kommunikation mit Vollduplex-Verstärkung. Es ermöglicht die Vollduplex-Kommunikation vom Mineneingang bis zum Untertagebau und von dort bis zur Werkstatt. Parameter des originalen Förderanlagenmotors: Modell JR158-8, Leistung 380 kW, Stromstärke 47 A, Spannung 6000 V, Drehzahl 735 U/min. 3. Besondere Anforderungen an Hebezeuge für Frequenzumrichter Aufgrund der vielen besonderen Anforderungen an Frequenzumrichter bei Hebezeugen können herkömmliche Frequenzumrichter nicht direkt eingesetzt werden. Die wichtigsten Anforderungen an Frequenzumrichter für Hebezeuge sind: (1) Hohe Zuverlässigkeit (2) Vierquadrantenbetrieb zur Vermeidung von Energierückkopplung (3) Vollständige digitale Steuerung (4) Hohe technische Kennwerte (z. B. Anlaufdrehmoment mehr als doppelt so hoch, Dauerbetrieb unter 150 % des Nennstroms und Schutz gegen 200 % des Nennstroms für eine Minute) (5) Anpassungsfähigkeit an raue Betriebsumgebungen (6) Standardisierte digitale Kommunikationsschnittstelle (7) S-förmige Drehzahlkennlinie mit gleichmäßiger Beschleunigung und Verzögerung . 4. Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37 von Xinfeng Optoelectronic Co., Ltd. Die Shandong Xinfeng Optoelectronic Technology Development Co., Ltd. zählt zu den Pionieren der Frequenzumrichterentwicklung in China und ist eine der nationalen Prüfstellen für Frequenzumrichter. Das Unternehmen verfügt über umfassende technische Kompetenz und hält nationale Patente für Frequenzumrichter in Hebezeugen. Auf Kundenwunsch bietet Xinfeng den Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37-400T (400 kW) an. Im Folgenden wird der Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37 näher beschrieben. 4.1 Einführung in den Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37: Der Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37 nutzt modernste IGBTs als Hauptsteuerelemente, arbeitet volldigital und verfügt über einen farbigen LCD-Touchscreen. Dieser hochwertige Frequenzumrichter wurde für hohe Zuverlässigkeit, einfache Bedienung und hohe Leistung entwickelt und nutzt eine fortschrittliche Vektorregelungstechnologie zur Drehzahlregelung, um den Vierquadrantenbetrieb des Hebezeugs zu ermöglichen. Er dient zur Steuerung von Kurzschlussläufermotoren oder Schleifringläufermotoren und eignet sich sowohl für Neubauprojekte als auch für die Modernisierung bestehender Bergwerke. Der Fengguang-Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebezeuge verwendet mehrere in Reihe geschaltete Niederspannungs-Wechselrichter, um eine direkte Hochspannung zu erzeugen. Der 6-kV-Hochspannungs-Frequenzumrichter für Hebezeuge nutzt einen Transformator mit 18 Sekundärwicklungen, aufgeteilt in 6 Leistungseinheiten pro Phase, insgesamt also 18 Einheiten über drei Phasen. Er arbeitet mit 36-Puls-Gleichrichtung, und die Oberwellenanteile am Eingang entsprechen den nationalen Normen. Die Systemstruktur des Hochspannungs-Frequenzumrichters ist in Abbildung 1 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1. Strukturdiagramm des Hochspannungs-Boost-Wechselrichtersystems[/ALIGN] Das Drehzahlregelungssystem des Hochspannungs-Boost-Wechselrichters JD-BP37 besteht aus einem Phasenschiebertransformator, Leistungseinheiten und einer Steuerung. 4.2 Schaltung der Leistungseinheiten Jede Leistungseinheit ist strukturell identisch und austauschbar. Ihre Hauptschaltung ist in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um eine grundlegende bidirektionale AC-DC-AC-Wechselrichterschaltung. Die dreiphasige Vollbrückengleichrichtung erfolgt über eine Gleichrichterbrücke. Die gleichgerichtete Energie lädt den Filterkondensator und bestimmt so die Zwischenkreisspannung. Die einphasige Inversion wird durch sinusförmige PWM-Steuerung der IGBT-Wechselrichterbrücke im Wechselrichterblock B erreicht. Sobald der Motor in den Generatorbetrieb wechselt, führen die Dioden im Wechselrichterblock B eine Freilauf- und Vollwellengleichrichtung durch, wodurch Energie auf den Filterkondensator übertragen wird. Dadurch steigt die Zwischenkreisspannung. Nach Erreichen eines bestimmten Wertes wird der Wechselrichterblock A für die SPWM-Inversion gestartet. Über die Eingangsinduktivität wird die Energie zur Sekundärseite des Phasenschiebertransformators zurückgeführt, der sie dann ins Netz einspeist. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Schaltplan der Leistungseinheit[/ALIGN] 4.3 Steuerung Die Steuerung basiert auf einem Hochgeschwindigkeits-DSP und einem Industrie-PC. Ein sorgfältig entwickelter Algorithmus gewährleistet optimale Motorleistung. Der Industrie-PC bietet eine benutzerfreundliche, vollständig chinesische Windows-Oberfläche für Überwachung und Bedienung und ermöglicht zudem Fernüberwachung und Netzwerksteuerung. Die Steuerung verarbeitet Schaltsignale im Schaltschrank und koordiniert verschiedene Betriebs- und Statussignale vor Ort, wodurch die Systemflexibilität erhöht wird. 5. Technische Hauptmerkmale des JD-BP37 Hochspannungs-Frequenzumrichters 5.1 Hochspannungs-Frequenzumrichter mit direktem 6-kV-Eingang und -Ausgang. Kein Ausgangstransformator oder Filter erforderlich. Geeignet für gängige Hochspannungsmotoren. Keine Beschädigung von Motor und Kabelisolierung. 5.2 Hoher Leistungsfaktor, geringe Stromoberschwingungen, keine Leistungsfaktorkorrektur oder Oberschwingungsunterdrückung erforderlich. 5.3 Modulares Design der Schaltkreiseinheit, einfache Wartung und gute Austauschbarkeit. 5.4 Gestaffelte Sinus-PWM-Ausgangswellenform. 5.5 Bietet mehr als das doppelte Anlaufdrehmoment. 5.6 Bietet verschiedene Bremsmethoden, einschließlich Gleichstrombremsung und regenerativer Bremsung. 5.7 Erfüllt die Anforderungen für den Vierquadrantenbetrieb von Motoren. 5.8 Die Glasfaserverbindung zwischen Hochspannungs-Hauptstromkreis und Steuerung gewährleistet starke und schwache Stromtrennung und garantiert so Sicherheit und Zuverlässigkeit. 5.9 Umfassende Fehlererkennung, präziser Fehlerschutz sowie genaue Positionsanzeige und Alarmierung. 5.10 Die integrierte SPS ermöglicht die einfache Anpassung der Steuerungslogik, die flexible Auswahl zwischen Vor-Ort- und Fernsteuerung sowie die Anpassung an wechselnde Anforderungen vor Ort. 5.11 Nutzt die Trägerphasenverschiebungssteuerung, um Oberwellenanteile der Ausgangsspannung deutlich zu unterdrücken und eine perfekte Sinuswellenform zu gewährleisten. 5.12 Die Steuerstromversorgung ist unabhängig von der Hochspannungsversorgung; die Wechselrichterausgangsleistung kann auch ohne Hochspannung erfasst werden, was die Fehlersuche vor Ort, die Bedienerschulung und die Wartung vereinfacht. 5.13 Nutzt die quasi-optimierte SPWM-Modulationstechnologie für die Hochspannungsnutzung. 5.14 Die Leistungseinheit wird einem 24-stündigen Hochtemperatur-Alterungstest und einem 150%-Lasttest unterzogen, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. 5.15 Das System verfügt über eine chinesische Windows-Benutzeroberfläche mit Farb-LCD-Touchscreen. Die benutzerfreundliche und umfassende Überwachungssystemschnittstelle umfasst einen Host-Computer (Standard-PC), Slave-Computer (Industrie-PCs) und einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller bietet dem Benutzer ein 4-stelliges LED-Digitaldisplay und ein 12-Tasten-Tastenfeld, das die vollständige Bedienung des Wechselrichters ermöglicht, einschließlich Parametereinstellungen und verschiedener Betriebsbefehle. Der Industrie-PC bietet eine umfassendere Bedienplattform mit Touchscreen und Universaltastatur, einschließlich Parameter- und Funktionseinstellungen, Bedienung, Druck von Betriebsdaten, Fehlerdiagnose usw. Der Host-Computer (handelsüblicher PC) befindet sich im zentralen Kontrollraum und kann mehrere Umrichter fernsteuern und messen. Bei nur einem Umrichter kann der Host-Computer entfallen oder kundenspezifisch angepasst werden. 5.16 Er kann mehrere industrielle Standardsignale empfangen und ausgeben. 5.17 Er kann Betriebsberichte drucken. 6. Grundlegende Steuerungsanforderungen 6.1 Gleichstrombremsung: Dieses Hebezeug verwendet einen Frequenzumrichter. Die Gleichstrombremsung spielt eine entscheidende Rolle für den sicheren Betrieb des Hebesystems. Wenn das beladene Fahrzeug in der Mitte der Fahrt anhält, erkennt die SPS das Stoppsignal und sendet ein Signal an die Steuerung, wodurch das Hebezeug sanft von hoher auf niedrige Geschwindigkeit abgebremst wird. Anschließend sendet die Steuerung ein Gleichstrombremssignal, um das Hebezeug anzuhalten. Nachdem die SPS das mechanische Bremssignal erkannt hat, sendet sie ein Signal an die Steuerung, um das Gleichstrom-Bremssignal zu entfernen. Dadurch kann der Hebezeug mit einer mechanischen Bremse oder einer ähnlichen Vorrichtung betrieben werden. Beim Anfahren wird dem Hebezeug zunächst ein Gleichstrom-Bremssignal zugeführt. Nachdem die SPS das mechanische Bremssignal erkannt hat, sendet sie ein Signal an die Steuerung, um das Gleichstrom-Bremssignal zu entfernen. Anschließend legt die Steuerung eine Anlaufspannung an, um das Hebezeug zu starten. 6.2 Drehzahlregelung: Um mechanische Stöße während des Betriebs zu reduzieren, wird beim Anfahren und Abschalten des Hebezeugs eine kontinuierliche Beschleunigung sichergestellt. Da unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Beschleunigungs- und Verzögerungswerte entsprechen, verwendet das Steuerungssystem dieses Geräts eine Tabelle, die die Beschleunigungs- und Verzögerungswerte bei verschiedenen Frequenzen darstellt. Während des Betriebs wird anhand der Tabelle der entsprechende Beschleunigungs- und Verzögerungswert für jede Frequenz ermittelt, um einen ruhigen Hebezeugbetrieb zu gewährleisten und mechanische Stöße zu reduzieren. 6.3 Automatischer Drehzahlbegrenzungsschutz: Beim Erreichen des Ziels gibt der Drehzahlbegrenzungsschalter ein Verzögerungssignal aus. Die SPS erkennt das Verzögerungssignal und sendet es an die Steuerung, die daraufhin das automatische Verzögerungsprogramm startet und die Betriebsfrequenz gemäß den eingestellten Anforderungen schrittweise auf eine niedrige Drehzahl reduziert. Der Hebezeug ist mit einem Tachogenerator ausgestattet. Gibt der Tachogenerator ein Überdrehzahlsignal aus, erkennt die SPS dieses Signal und sendet es an die Steuerung, um den automatischen Verzögerungsvorgang einzuleiten. 6.4 Verarbeitung der Rückspeisungsenergie: Die Rückspeisungsenergie wird über die Leistungseinheit verarbeitet, wie in Abbildung 3 dargestellt: [ALIGN=CENTER] Abbildung 3 Blockdiagramm der Leistungseinheit[/ALIGN] Im Generatorbetrieb des Motors steigt die Busspannung Vbus der Leistungseinheit. Sobald die Busspannung das 1,1-fache der Netzspannung überschreitet, gibt die CPU basierend auf den Ergebnissen der Komparator- und Phasenerkennung sechs SPWM-Wellenformen aus, wodurch die IGBTs im Wechselrichterblock A angesteuert werden. Über die Eingangsinduktivität wird die Rückspeisungsenergie des Motors schließlich über den Phasenschiebertransformator in das Netz zurückgespeist. 7. Umstellung des ursprünglichen Drehzahlregelungssystems auf das Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem: Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, arbeiten das Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem und das ursprüngliche Drehzahlregelungssystem parallel. Sie dienen als gegenseitige Backups und ermöglichen ein einfaches Umschalten. Um zu verhindern, dass die Bediener ihre Arbeitsgewohnheiten ändern, werden beide Systeme mit den ursprünglichen Bedienmechanismen gesteuert (siehe Abbildung 4): [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Umschaltung zwischen Haupt- und Frequenzumrichter-System[/ALIGN] 8. Anwendung und Betriebsergebnisse: Das Projekt zur Anlagenmodifikation wurde im April 2005 erfolgreich in Betrieb genommen. Der Einsatz des Frequenzumrichters (FU) bietet folgende Vorteile: 8.1 Das FU-System macht die im ursprünglichen elektrischen Steuerungssystem verwendeten AC-Schütze und Drehzahlregler überflüssig. Dies erhöht die Systemzuverlässigkeit, verbessert die Arbeitsbedingungen für den Bediener und reduziert Geräusche und Raumtemperatur. 8.2 Stufenlose und komfortable Drehzahlregelung mit sanfter Anpassung. 8.3 Durch den Einsatz von Niederfrequenz- und Niederspannungs-Sanftanlauf und -sanftstopp wird ein ruhigerer Betrieb, geringere mechanische Stöße und die Vermeidung von Gleisentgleisungen erreicht. 8.4 Der Anlaufstrom beim Anfahren und Beschleunigen ist gering. Während der Beschleunigung überschreitet der Maximalstrom nicht das 1,3-fache des Nennstroms. Unter hoher Last beschleunigt die Hebevorrichtung sanft und stufenlos von niedriger auf maximale Geschwindigkeit, ohne dass hohe Ströme auftreten. Dadurch wird die Belastung des Stromnetzes reduziert. 8.5 Die zusätzliche Gleichstrombremsfunktion sorgt für ein stabileres Anhalten des Fahrzeugs unter Last und verhindert effektiv das Durchrutschen. 8.6 Die regenerative Bremstechnologie löst das Problem der Nutzung der regenerativen Energie bei schnellen Verzögerungen oder Notstopps potenzieller Lasten und gewährleistet so den sicheren Betrieb des Frequenzumrichters. 8.7 Deutliche Energieeinsparung. Messungen zeigen signifikante Energieeinsparungen bei niedrigen Geschwindigkeiten von in der Regel über 37 %. 8.8 Dank der Frequenzumrichtersteuerung kann der ursprüngliche Schleifringläufermotor durch einen konventionellen Motor ersetzt werden. Dies reduziert nicht nur die Kosten – konventionelle Motoren sparen im Vergleich zu Schleifringläufermotoren ein Drittel der Investitionskosten –, sondern vermeidet auch das Durchbrennen und die Wartung der Rotorkohlebürsten. 9. Fazit: Das Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem für Förderanlagen im Tagebau bietet viele Vorteile, wie z. B. hervorragende Regelgenauigkeit, einfache Bedienung, hohe Betriebseffizienz und geringen Wartungsaufwand. Mit der zunehmenden Reife der Frequenzumrichter-Technologie und dem unaufhaltsamen Trend zu Energieeinsparungen entwickelt sie sich zur Zukunft der Antriebstechnik für Förderanlagen im Tagebau. Referenzen: [1] Benutzerhandbuch für das elektrische Frequenzumrichter-Steuerungssystem für Förderanlagen der Huafeng Company, Henan Jiaozuo Huafeng Company. [2] Benutzerhandbuch für den Hochspannungs-Frequenzumrichter für Förderanlagen der Shandong Xinfengguang Electronics, Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd.