Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt das Funktionsprinzip des Ein-Grabenförderer-Frequenzumrichters vor, erläutert die Herausforderungen bei der Herstellung dieses Wechselrichtertyps und hebt die Bedeutung der regenerativen Bremsung bei der Wechselrichterfertigung hervor. Anhand von Praxisbeispielen werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Förderer-Frequenzumrichters aufgezeigt. Schlüsselwörter: Energierückgewinnung, Wechselrichter, Energierückgewinnung, Bremse. 1. Einleitung In der Kohleförderung spielen Förderanlagen eine entscheidende Rolle beim Fördern von Kohle und beim Materialtransport und nehmen damit eine wichtige Position im gesamten Produktionsprozess ein. Die Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. hat, um den Anforderungen der Kohlebergwerke gerecht zu werden, erhebliche Anstrengungen in die Forschung und Entwicklung von Förderanlagen-Frequenzumrichtern investiert. Durch kontinuierliche technologische Innovationen haben wir erfolgreich einen speziell für Förderanlagen entwickelten Frequenzumrichter entwickelt. Dieser Frequenzumrichter ist ein neuartiges Produkt, das auf Basis der Anforderungen an die Umrüstung elektromechanischer Anlagen im Kohlebergbau und der Betriebseigenschaften von Förderanlagen entwickelt und gefertigt wurde. Das wichtigste Merkmal dieses Frequenzumrichters ist sein Vierquadrantenbetrieb, der es ihm ermöglicht, die Energierückführung bei starker Lastabsenkung und Notstopps – eine zentrale Herausforderung für diesen Umrichtertyp – korrekt und effizient zu handhaben. Unsere Techniker haben dieses Problem auf Basis dieser Eigenschaft erfolgreich durch den Einsatz von regenerativer Bremsung, energieverbrauchender Bremsung oder Superkondensator-Absorptionstechnologie gelöst. Wir sind derzeit der einzige inländische Hersteller von Frequenzumrichtern, die regenerierten Strom ins Netz einspeisen können. Seit seiner Markteinführung hat dieses Produkt durch stufenlose, sanfte Drehzahlregelung, stabilen und zuverlässigen Betrieb sowie Energieeinsparung hervorragende wirtschaftliche und soziale Vorteile erzielt und wird von den Anwendern sehr geschätzt. Der Frequenzumrichter für Ein-Schacht-Förderanlagen ist ein weiteres Produkt unserer Förderanlagenreihe, das auf dem Frequenzumrichter für Zwei-Schacht-Förderanlagen basiert. Eines der wichtigsten Merkmale einer Ein-Schacht-Förderanlage ist ihre hohe Energierückführung. Sobald die Förderkabine den Schacht verlässt, zieht sie den Motor während der Absenkung durch die Schwerkraft nach unten und erzeugt so Strom, indem sie die Synchrondrehzahl überschreitet. Daher befindet sich der gesamte Abstiegsprozess in einem Zustand der Energieerzeugung, und die Energierückführung ist beträchtlich. Dies stellt auch die Herausforderung bei der Entwicklung eines effizienten Frequenzumrichters für einen Ein-Graben-Aufzug dar. Der Umgang mit diesem Energieanteil zur Gewährleistung des zuverlässigen Betriebs des Frequenzumrichters ist der Schlüssel für diesen Frequenzumrichtertyp. Unser Unternehmen hat seine Erfahrung mit Frequenzumrichtern für Zwei-Graben-Aufzüge genutzt, um eine unabhängige Rückkopplungseinheit zu implementieren und eine synchrone PWM-Signalsteuerung einzusetzen. Dadurch wird die erzeugte Energie ins Netz zurückgespeist, was einen reibungslosen, sicheren und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichters ermöglicht. Dutzende Einheiten sind bereits im Einsatz. Die Anwendung zeigt, dass der Frequenzumrichter stabil läuft und deutlich Energie spart. Dies liefert wertvolle praktische Erfahrungen für die Entwicklung effizienter Frequenzumrichter für Aufzüge. 2. Vorteile der variablen Frequenzregelung bei Ein-Graben-Aufzügen Die Vorteile der variablen Frequenzregelung gegenüber dem ursprünglichen Steuerungssystem für Ein-Graben-Aufzüge zeigen sich in folgenden Aspekten: (1) Sanftes Anfahren und Anhalten werden ermöglicht, mechanische Stöße reduziert und der Betrieb stabiler und zuverlässiger gestaltet. (2) Die Drehzahlregelung ist stufenlos und komfortabel, kann segmentweise voreingestellt und stufenlos angepasst werden. (3) Der Anlaufstrom beim Anfahren und Beschleunigen ist sehr gering, was die Belastung des Stromnetzes reduziert, die Bedienung vereinfacht und die körperliche Belastung der Bediener verringert. (4) Die Drehzahlkurve verläuft S-förmig, wodurch Beschleunigung und Verzögerung sanft und ruckfrei erfolgen. (5) Die Sicherheitsfunktionen sind umfassend. Neben dem Schutz vor Überspannung, Unterspannung, Überlast, Kurzschluss und Überhitzung gibt es auch Verriegelungs- und automatische Drehzahlbegrenzungsfunktionen. (6) Der im ursprünglichen System für die Beschleunigung verwendete Rotorwiderstand, der Wechselstromschütze und das Zeitrelais wurden entfernt, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht und die Arbeitsbedingungen für die Bediener deutlich verbessert. (7) Mehrere Bremsmethoden wie Gleichstrombremsung, energieverbrauchende Bremsung und regenerative Bremsung sorgen für zusätzliche Sicherheit. (8) Das System arbeitet in vier Quadranten, und die regenerative Energie wird direkt ins Stromnetz zurückgespeist und ist nicht durch ihre Größe begrenzt. Es bietet ein breites Anwendungsspektrum und erzielt einen deutlichen Energiespareffekt. 3. Funktionsprinzip des Frequenzumrichters für Einschienen-Hebezeuge Wir haben einen Frequenzumrichter (FU) für Einschienen-Hebezeuge nach strengen Industriestandards entwickelt und gefertigt, wobei die Betriebseigenschaften des Hebezeugs berücksichtigt wurden. Bremskreis, Rückkopplungskreis, Filter, Netzreaktor und SPS wurden in den FU integriert, wodurch die Gesamtzuverlässigkeit der Maschine erhöht wurde. Der FU für Einschienen-Hebezeuge ist ein AC/DC/AC-Spannungs-Frequenzumrichter. Das zugehörige Schaltbild ist unten dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung: Schaltbild des Frequenzumrichters für Einschienen-Hebezeuge[/ALIGN] Der Betrieb dieses Systems lässt sich im Wesentlichen in zwei Prozesse unterteilen: (1) Der Prozess, bei dem der Windenmotor als Motor fungiert, d. h. der normale Umkehrprozess. Dieser Prozess besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Gleichrichtung, Filterung und normaler Umkehrung (siehe Abbildung 1). Der normale Wechselrichterprozess ist der Kern des Systems. Er ändert die Netzfrequenz des Motorstators, wodurch die Ausgangsspannung angepasst und die Drehzahl geregelt wird. (2) Der Windenmotor fungiert als Generator, d. h. es findet eine Energierückführung statt. Dieser Prozess besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Gleichrichtung, Rückkopplungswechselrichter und Ausgangsfilterung (siehe Abbildung 1). Die Gleichrichtung erfolgt durch die Freilaufdioden der IGBTs im normalen Wechselrichterbereich. Die Dioden D1 und D2 sind Trenndioden, die den normalen Wechselrichterbereich vom Rückkopplungswechselrichterbereich trennen. Der Elektrolytkondensator E2 dient der Bereitstellung einer stabilen Spannungsquelle für den Rückkopplungswechselrichter und gewährleistet so einen zuverlässigeren Betrieb. Der Rückkopplungswechselrichter ist das Herzstück des gesamten Rückkopplungsprozesses und stellt sicher, dass die Phase der Ausgangsspannung mit der Phase der Netzspannung übereinstimmt. Da die Ausgangsspannung des Rückkopplungswechselrichters moduliert ist, wird ein Ausgangsfilter hinzugefügt, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Wechselrichters zu gewährleisten und Störungen im Netz zu reduzieren. Dadurch wird das System zuverlässiger und stabiler. 4. Eigenschaften von Ein-Nut-Hebezeug-Wechselrichtern: Im Vergleich zu Zwei-Nut-Hebezeugen zeichnen sich Ein-Nut-Hebezeuge durch eine hohe Rückkopplungsenergie aus. Wir verwenden eine unabhängige Rückkopplungseinheit und wählen Brems- und Rückkopplungsmodul entsprechend der maximalen Absenkgrenze des voll beladenen Fahrzeugs aus. Steigt die Generator-Busspannung, wird die Rückkopplungseinheit aktiviert, um Energie ins Netz zurückzuspeisen, oder die Bremseinheit, um Energie abzugeben. Da die Rückkopplungsenergie eines Kanals hoch ist, kann die Rückkopplungseinheit oder die Bremseinheit gleichzeitig gestartet werden, um die Sicherheit des Geräts zu gewährleisten. Folgende Punkte sind zu beachten: (1) Die Bremsgrenze muss angemessen eingestellt werden. Dieser Schaltkreis sollte sich hauptsächlich auf die Rückkopplung konzentrieren. Wird zu früh gebremst, arbeitet der Bremswiderstand über einen längeren Zeitraum, was zu unnötigem Energieverlust führt. Der Bremswiderstand kann außerdem durch Überhitzung beschädigt werden. Eine Beschädigung hat schwerwiegende Folgen und kann den gesamten Wechselrichter unsicher machen. (2) Da das Rückkopplungsausgangssignal eine modulierte PWM-Wellenform ist, ist dessen Phasensteuerung für eine möglichst netzkonforme Ansteuerung von entscheidender Bedeutung. Es muss sichergestellt werden, dass die Ausgangswellenform exakt mit dem Stromnetz synchronisiert ist. Zusätzlich ist eine LC-Filterung unerlässlich, um Störungen im Stromnetz zu vermeiden. Je größer die Rückkopplungsmenge, desto höher der Filterkoeffizient. (3) Die Rückkopplungssteuerplatine verfügt über eine Anzeigeschnittstelle. Hier kann eine Anzeigeplatine angeschlossen werden, um die Referenzspannung und die Busspannung zu überwachen. Dies vereinfacht die Installation und Inbetriebnahme. 5. Grundlegende Steuerungsanforderungen an den Frequenzumrichter für Ein-Graben-Hebezeuge (1) Drehzahlregelung: Um mechanische Stöße im Betrieb zu reduzieren, erfolgt die Beschleunigung beim Anfahren und Anhalten des Hebezeugs kontinuierlich. Unterschiedliche Frequenzen entsprechen unterschiedlichen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsraten für verschiedene Frequenzen sind in einer Tabelle für die Steuerung des Geräts vorgesehen. Während des Betriebs werden Beschleunigungs- und Verzögerungsrate bei der entsprechenden Frequenz anhand einer Tabelle ermittelt, um einen ruhigen Lauf des Hebezeugs und die Reduzierung mechanischer Stöße zu gewährleisten. (2) Automatischer Geschwindigkeitsbegrenzungsschutz: Erreicht das Hebezeug den Endpunkt, gibt der Geschwindigkeitsbegrenzungsschalter ein Verzögerungssignal aus. Die SPS erkennt dieses Signal, sendet es an die Steuerung, die daraufhin das automatische Verzögerungsprogramm startet. Die Arbeitsfrequenz wird so schrittweise auf niedrige Drehzahlen reduziert. Das Hebezeug ist mit einem Tachogenerator ausgestattet. Bei Überdrehzahlsignal des Tachogenerators erkennt die SPS dieses Signal und leitet die automatische Verzögerung ein. (3) Gleichstrombremsung: Nach dem Befehl „Vorwärts“ oder „Rückwärts“ durch die Steuerung und ohne Bremslösesignal betätigt der Frequenzumrichter den Motor mit einem Gleichstrombremsmoment, um ein Abrutschen des beladenen Fahrzeugs beim Lösen der Bremse zu verhindern. Nach dem Bremslösesignal startet der Frequenzumrichter. Nach dem Anlaufen der Bremspumpe und falls die Bremse versehentlich gelöst wird und der Endschalter „Bremsenlösung“ auslöst, empfängt der Frequenzumrichter das Signal „Bremsenlösung“ und leitet ein Gleichstrom-Bremsmoment an den Motor weiter, um ein Abrutschen des Schwerlastfahrzeugs zu verhindern. Sobald das Schwerlastfahrzeug in der Mitte der Förderstrecke zum Stehen kommt, leitet der Frequenzumrichter ein Gleichstrom-Bremsmoment ein, um den Motor nach dem Abbremsen aus der hohen Drehzahl zu stoppen. Sobald die mechanische Bremse wirkt, wird die Gleichstrombremse aufgehoben und das Schwerlastfahrzeug kommt durch die mechanische Bremse zum Stehen. 6. Feldanwendung: Wir installierten jeweils einen 75-kW- und einen 160-kW-Frequenzumrichter für Grabenförderanlagen bei der Xinjiang Manas Yong'an Coal Industry Co., Ltd. bzw. der Inner Mongolia Eketo Banner Wurenduxi Coal and Coke Co., Ltd. Der 75-kW-Umrichter wurde in einem neuen Förderbrunnen, der 160-kW-Umrichter bei der Sanierung eines alten Förderbrunnens installiert. Aus der praktischen Anwendung: (1) Der 75-kW-Frequenzumrichter erreicht bei Rückkopplung einen Strom von ca. 40 A, der 160-kW-Frequenzumrichter ca. 80 A. Der Frequenzumrichter arbeitet mit Rückkopplung, d. h. die Busspannung wird entsprechend ihrer Überschreitung der Referenzspannung zurückgekoppelt. Bei einer Spannung über ca. 700 V wird die Bremseinheit aktiviert und die überschüssige Energie über den Energieverbrauchswiderstand abgeführt, wodurch die Sicherheit der Hauptkomponenten gewährleistet wird. Bei der Prüfung der Busspannung wurden keine größeren Spannungsschwankungen festgestellt. (2) Die Rückkopplungswellenform ist gut. Nach Anwendung eines geeigneten LC-Filters wurde die Wellenform am Eingang mit einem Oszilloskop gemessen und entspricht nahezu einer Sinuswelle. Dies führt zu geringen Störungen im Stromnetz und bietet eine gute Filterwirkung. (3) Die Energieeinsparung ist signifikant. Im Vergleich zur Netzfrequenz beträgt die Summe aus Blind- und Wirkstrom bei einem 160-kW-Hebezeug ca. 180 A. Wenn der Frequenzumrichter in Betrieb ist, ist der Blindstrom praktisch nicht messbar, der Wirkstrom beträgt nur etwa 80 A. Allein durch die Stromreduzierung wird der Stromverbrauch um ca. 100 A gesenkt, was einer Gesamtenergieeinsparung von ca. 30 % entspricht. (4) Reduzierte Investitionskosten. Da es sich bei dem 75-kW-Hebezeug um eine neue Anlage handelt, wurde direkt ein Standard-Käfigläufermotor gewählt. Die Drehzahl kann durch Frequenzumrichter anstelle eines Schleifringläufermotors stufenlos geregelt werden. Der Käfigläufermotor ist etwa ein Drittel günstiger als der Schleifringläufermotor. Dadurch sinken die Investitionskosten für den Anwender und die Wartung wird vereinfacht. (5) Durch die Umstellung auf die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter entfallen der ursprünglich für die Drehzahlsegmentschaltung verwendete Wechselstromschütz und der Drehzahlregelwiderstand, was die Arbeitsbedingungen für die Bediener deutlich verbessert. Die Drehzahlregelung erfolgt stufenlos und reduziert die Belastung des Stromnetzes sowie die Schaltvorgänge. Die Stromänderung ist stabil und im Vergleich zum ursprünglichen Netzfrequenzbetrieb deutlich geringer. 7. Fazit Die erfolgreiche Anwendung der Frequenzumwandlung bei Förderanlagen im Tagebau, insbesondere bei Ein-Schacht-Förderanlagen, dient als Vorbild für den Einsatz von Frequenzumrichtern in Hebezeugen. Laut inländischen Daten nutzen nur sehr wenige Frequenzumrichter die Bremsenergierückgewinnung. Auch der Einsatz von Frequenzumrichtern in Förderanlagen ist noch recht selten. Daher wird die großflächige Einführung von Frequenzumrichtern für Förderanlagen zweifellos einen riesigen Markt für die Frequenzumrichterproduktion eröffnen. Referenzen: [1] Li Ruilai, He Hongchen, Han Wenzhao, Drehzahlregelungssystem für Förderanlagen im Tagebau, September 2000 [2] Zhou Jiasheng, Nachrüstung von Förderanlagen mit Drehzahlregelung im Tagebau, Mai 2003 [3] Liu Xuecheng, Nachrüstung von Förderanlagen mit Drehzahlregelung im Tagebau, Mai 2004 Über den Autor: Zhou Jiasheng, männlicher Ingenieur, Absolvent der Fakultät für Elektrotechnik der Technischen Universität Shandong im Jahr 1990 mit Schwerpunkt Industrieautomation. Derzeit ist er bei Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. mit der Entwicklung und Forschung von Frequenzumrichtern beschäftigt.