Zusammenfassung: Der Einsatz eines Drehzahlregelungssystems mit variabler Frequenz kann viele Nachteile herkömmlicher Drehzahlregelungssysteme überwinden. Dieser Artikel gibt eine allgemeine Einführung in dieses System am Beispiel des Spezialumrichters einer Fengguang-Förderanlage. Schlüsselwörter : Förderanlage, Spezialumrichter für Förderanlagen, Energierückführung, Drehzahlregelungssystem. I. Einleitung. Aktuell wird die Drehzahlregelung von Förderanlagen im Allgemeinen über einen Reihenwiderstand im Rotor des Wicklungsmotors realisiert. Dieses System weist folgende Nachteile auf: (1) Der hohe Energieverbrauch im Schleifwiderstand führt zu erheblicher Energieverschwendung. Zudem benötigt der Widerstand viel Platz. (2) Das Steuerungssystem ist komplex und daher anfällig für Ausfälle. Schütze, Widerstände und Kohlebürsten des Wicklungsmotors sind verschleißanfällig, und der Wartungsaufwand ist hoch, was die Produktionseffizienz direkt beeinträchtigt. (3) Im Kriechgang und bei niedrigen Drehzahlen erfolgt die Drehzahlregelung über die Reibung der Bremsbeläge an der Trommel. Insbesondere bei Laständerungen ist eine konstante Verzögerungsregelung schwierig, was zu einer diskontinuierlichen Drehzahlregelung und einer unzureichenden Drehzahlregelungsleistung führt. (4) Der Anlauf- und Schaltstrom ist hoch und verursacht starke mechanische Stöße, die die Lebensdauer des Motors erheblich verkürzen und ein Entgleisen begünstigen. (5) Der Automatisierungsgrad ist gering, was die Abbaukosten erhöht und die Produktion beeinträchtigt. (6) Im Niederspannungs- und Niedrigdrehzahlbereich ist das Anlaufdrehmoment niedrig und die Tragfähigkeit gering, wodurch eine konstante Drehmomentsteigerung nicht möglich ist. Der Einsatz eines Frequenzumrichters kann die genannten Nachteile beheben. Dieser Artikel beschreibt anhand des Frequenzumrichters der Marke Fengguang für Förderanlagen im Bergbau detailliert das Systemschema des Frequenzumrichters. II. Vorteile eines Frequenzumrichters: (1) Innerhalb eines Bereichs von ±20 % der Netzschwankungen wird eine konstante Drehmomentsteigerung erreicht, und die Laststeigerung wird nicht durch Netzschwankungen beeinflusst. (2) Der Motor läuft sanft an und zeichnet sich durch ein hohes Anlaufdrehmoment und eine starke Belastbarkeit aus. (3) Die Drehzahl des Motors lässt sich stufenlos regeln. Beschleunigung und Verzögerung erfolgen sehr gleichmäßig mit geringen Stromspitzen, wodurch die mechanische Belastung deutlich reduziert wird. (4) Die Kombination aus integrierter Chipsteuerung und externer SPS-Schnittstelle gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit des Drehzahlregelungssystems. Gleichzeitig ermöglicht die leistungsstarke Steuerung der SPS einen flexiblen Betriebsmodus. (5) Die Maschine verfügt über eine integrierte Rückkopplungseinheit. Die Rückkopplungsenergie wird direkt ins Stromnetz eingespeist und ist nicht durch die Größe der Rückkopplungsenergie begrenzt. Dies ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum, deutliche Energieeinsparungen und einen Vierquadrantenbetrieb. (6) Umfassende Sicherheitsfunktionen sind integriert. Neben Selbstschutzfunktionen wie Überspannungs-, Unterspannungs-, Überlast-, Überhitzungs- und Kurzschlussschutz verfügt die Maschine über Verriegelungsschutz für die externe Steuerung. Dazu gehören die Verriegelung des Bremssignals mit den Vorwärts- und Rückwärtssignalen, die Verriegelung des Wechselrichter-Fehlersignals mit der Systemsicherheitsschaltung sowie ein automatisches Verzögerungsprogramm. III. Schnittstellenschaltung Der Frequenzumrichter bietet eine vollständige Schnittstellenschaltung mit integrierter SPS und kann sowohl für Neuinstallationen als auch für die Modernisierung bestehender Systeme verwendet werden. Er verarbeitet industriestandardmäßige Signale von 0–5 V DC, 0–10 V DC und 4–20 mA. Bei Systemmodernisierungen ermöglicht der Einsatz einer Fernbedienung die gegenseitige Umwandlung zwischen Netzfrequenz und Frequenzumrichter sowie die Überwachung des Betriebszustands des Systems. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1 Schnittstellenschaltung des hubwerkspezifischen Frequenzumrichters[/ALIGN] Die Schnittstellenschaltung stellt die Verbindung zwischen dem Frequenzumrichter und dem Steuerungssystem her. Sie umfasst Vorwärts- und Rückwärtssteuerung, Drehzahlregelung (über Gangverstellung oder Analogeingang), Verriegelungsfunktionen mit externen Schaltungen (Bremsfreigabe- und Not-Aus-Signale verriegeln mit Bremse und Bremspumpe, Sicherheits- und Fehlerausgangssignale verriegeln mit der Systemsicherheitsschaltung), verschiedene Statusanzeigen und weitere Funktionen. IV. Hauptschaltungsstruktur [ALIGN=CENTER] (a) (b) Abbildung 2 Niederspannungs-Serienschaltung Hauptschaltungsstruktur Abbildung 3 Hochspannungs-6-10-kV-Mehrfachschaltungsstruktur[/ALIGN] V. Kurzbeschreibung der Hauptfunktionen des Hubwerk-Frequenzumrichters (1) Regeneratives Bremsen Der Frequenzumrichter speist mithilfe einer Energierückkopplungseinheit die zurückgewonnene Energie ins Netz ein und ermöglicht so den Vierquadrantenbetrieb. (2) Energieverbrauchsbremsung: Die Energieverbrauchsbremseinheit kann allein oder in Verbindung mit der Energierückführungseinheit verwendet werden. (3) Gleichstrombremsung: Nachdem die Hauptsteuerung den Befehl „Vorwärts“ oder „Rückwärts“ gegeben hat und kein Signal zum Lösen der Bremse vorliegt, legt der Frequenzumrichter ein Gleichstrombremsmoment an den Motor an, um zu verhindern, dass das beladene Fahrzeug beim Lösen der Bremse abrutscht. Nach dem Anlegen des Signals zum Lösen der Bremse startet der Frequenzumrichter. Wenn nach dem Einschalten der Bremsölpumpe die Bremse versehentlich gelöst wird und der Endschalter zum Lösen der Bremse ausgelöst wird, empfängt der Frequenzumrichter das Signal zum Lösen der Bremse und legt gleichzeitig ein Gleichstrombremsmoment an den Motor an, um ein Abrutschen des beladenen Fahrzeugs zu verhindern. Wenn das beladene Fahrzeug in der Mitte der Welle zum Stillstand kommt, legt der Frequenzumrichter ein Gleichstrombremsmoment an, um den Motor nach dem Abbremsen aus hoher Drehzahl zu stoppen. Sobald die mechanische Bremse wirkt, wird die Gleichstrombremse aufgehoben, und das beladene Fahrzeug kommt durch die mechanische Bremse zum Stehen. (4) Der Mehrgang-Frequenzumrichter verfügt über fünf voreingestellte Drehzahlbereiche, die den Betriebsfrequenzen des Frequenzumrichters von 6 Hz, 15 Hz, 25 Hz, 35 Hz und 50 Hz entsprechen, um die Anforderungen des Steuerungssystems für unterschiedliche Betriebsgeschwindigkeiten des Hebezeugs zu erfüllen. Die Frequenz jedes Drehzahlbereichs kann separat eingestellt werden, um den Anforderungen verschiedener Betriebsbedingungen gerecht zu werden. (5) Nach Empfang des Verzögerungssignals vom System startet der automatische Verzögerungs-Frequenzumrichter das Verzögerungsprogramm der Maschine und reduziert die Betriebsgeschwindigkeit des Hebezeugs schrittweise gemäß den eingestellten Anforderungen. (6) Der Not-Aus-Frequenzumrichter verfügt über einen Eingang für das Not-Aus-Signal. Nach Aktivierung des Not-Aus-Signals stoppt der Frequenzumrichter sofort die Ausgangsleistung, der Motor läuft im Leerlauf weiter und wird anschließend durch die mechanische Bremse gestoppt. VI. Systemschema (1) Systemschema mit passendem Wechselrichter a. Die dreiphasige Wechselstromversorgung des Hauptstromkreises ist über einen automatischen Umschalter mit dem dreiphasigen Eingangsanschluss des Wechselrichters verbunden, und der dreiphasige Ausgangsanschluss des Wechselrichters ist mit dem Motor verbunden. Siehe Abbildung 4. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Verdrahtungsplan des Hauptstromkreises des passenden Wechselrichters[/ALIGN] b. Das elektrische Steuerungssystem des Steuerstromkreises wird in Verbindung mit dem Wechselrichter verwendet. Das System verfügt über eine Schnittstelle zum Wechselrichter und kann gemäß den jeweiligen Verdrahtungsanweisungen korrekt angeschlossen werden. (2) Schema des modifizierten Wechselrichtersystems: Der modifizierte Wechselrichter basiert auf dem ursprünglichen elektrischen Steuerungssystem des Hebezeugs. Die ursprüngliche Netzfrequenz-Drehzahlregelung wird durch eine Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ersetzt, wobei die Netzfrequenz-Drehzahlregelung beibehalten wird. Dadurch können die beiden Systeme als Backup füreinander dienen und die Betriebssicherheit des Systems erhöhen. Bei der Modifizierung müssen Netzfrequenz- und Frequenzumwandlungsfunktionen hinzugefügt werden. Vor Inbetriebnahme des Systems müssen die Umschalter des Hauptstromkreises und des Steuerstromkreises auf die entsprechenden Positionen für variable Frequenz oder Netzfrequenz umgeschaltet werden. Die genaue Anschlussmethode ist wie folgt: a. Drei dreipolige Umschalter (QS1, QS2, QS3) dienen als Hauptstromkreisschalter. Die Drehstromversorgung, die Statorwicklung und die Rotorwicklung sind jeweils mit den entsprechenden Schalterstellungen verbunden. Siehe Abbildung 5 (a) und (b). [ALIGN=CENTER] (a) (b) Abbildung 5 Schaltplan der Hauptstromversorgung und Frequenzumwandlung[/ALIGN] Befinden sich alle Schalter in der Frequenzumwandlungsstellung, ist die Drehstromversorgung über den Umschalter QS1 und den automatischen Luftschalter QA mit den Eingangsklemmen (R, S, T) des Frequenzumrichters verbunden (gleichzeitig ist der Neutralleiter mit der Neutralleiterklemme N des Frequenzumrichters verbunden). Die Ausgangsklemmen (U, V, W) des Frequenzumrichters sind über den Umschalter QS2 mit der Motorstatorwicklung verbunden. Die Rotorwicklung des Motors wird nach dem Durchlaufen des Umschalters QS3 kurzgeschlossen. Wenn alle Schalter auf Netzfrequenz gestellt sind, wird die Drehstromversorgung über die Umschalter QS1 und QS2 an die Statorspule angeschlossen. Die Rotorwicklung des Motors ist über QS3 mit dem ursprünglichen Drehzahlregler verbunden. b. Die Fernbedienung für den Frequenzumrichter im Regelkreis dient als Schaltelement zwischen dem Netzfrequenz- und dem Frequenzumrichter-Regelkreis. Die Fernbedienung verwendet sieben zweipolige Umschalter für Vorwärts-, Rückwärts- und Fünfgangbetrieb (siehe Abbildung 6). [ALIGN=CENTER] Abbildung 6: Schaltplan der Netzfrequenzumrichter-Regelung im Regelkreis[/ALIGN] In Abbildung 6 stellt der gestrichelte Kasten einen zweipoligen Umschalter dar. LK3 und LK4 bezeichnen die Vorwärts- bzw. Rückwärtskontakte des Hauptreglers, LK5, LK6, LK7, LK9 und LK11 die Fünfgangkontakte. VII. Betrieb und Steuerung: Da der Frequenzumrichter eine vollständige Schnittstelle für Hebezeuganwendungen bietet, ist ein flexibler Betrieb durch geeignete Verdrahtungsmethoden je nach Hebezeugsteuerungssystem möglich. Bei der Nachrüstung alter Systeme kann der Frequenzumrichter über das ursprüngliche Betriebssystem gesteuert werden, um die bestehenden Betriebsgewohnheiten beizubehalten. Die Fernbedienung ermöglicht das Umschalten zwischen Netzfrequenz- und Frequenzumrichterbetrieb und gewährleistet so eine nahtlose Verbindung beider Systeme. Das Drehzahlregelungssystem mit variabler Frequenz bietet zwei Betriebsmodi: automatischen und manuellen Betrieb. (1) Automatischer Betriebsmodus: Dank der leistungsstarken Steuerungsfunktionen der SPS kann der Frequenzumrichter durch die Einstellung geeigneter Parameter automatisch arbeiten, was die Betriebseffizienz des Hebezeugs deutlich steigert. [ALIGN=CENTER] (a) Geschwindigkeitskurve bei Vorwärtsdrehung (b) Geschwindigkeitskurve bei Rückwärtsdrehung Abbildung 7 Automatischer Betriebsmodus[/ALIGN] In Abbildung 7 ist die Vorwärtsdrehung als Beispiel dargestellt. Die Anlaufzeit t1 bei niedriger Geschwindigkeit, die Verzögerung t2 nach dem Bremssignal, die Laufzeit bei mittlerer Geschwindigkeit t3 und die Anlaufzeit t4 vor dem Stillstand können je nach Baustellenbedingungen frei eingestellt werden. Während des Betriebs des Hebezeugs ist außer dem Starten und Stoppen kein manueller Eingriff erforderlich. (2) Manueller Betriebsmodus. In diesem Modus steuert der Bediener die Motordrehzahl über die Hauptsteuerung, um Anlauf, Beschleunigung, Bremsung und Konstantdrehzahlbetrieb zu realisieren. Nach dem Bremssignal startet der Frequenzumrichter jedoch aus Sicherheitsgründen das automatische Bremsprogramm der Maschine. VIII. Anwendungsstatus: Unser Unternehmen begann im Jahr 2000 mit der Entwicklung von Frequenzumrichtern speziell für Hebezeuge. Von 2002 bis heute wurden Dutzende unserer Produkte nach Shanxi, in die Innere Mongolei, nach Xinjiang, Henan, Hebei, Sichuan, Heilongjiang und in weitere Regionen geliefert. Dies umfasst sowohl Neuinstallationen als auch Modernisierungen bestehender Systeme für verschiedene Betriebsbedingungen wie Ein- und Zweitrommel-, Vertikal- und Schrägwellenaufzüge. Die Energieeinsparungen lagen laut Anwendungserfahrung konstant über 30 %. Das Frequenzumrichter-Drehzahlregelungssystem für Hebezeuge zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit und einfache Bedienung aus. Verschiedene Steuerungsfunktionen lassen sich problemlos über die interne SPS-Schnittstelle implementieren, wodurch der Automatisierungsgrad des Hebezeugbetriebs deutlich erhöht wird. IX. Fazit: Spezielle Frequenzumrichter für Hebezeuge mit ihrer auf Hebezeuglasten abgestimmten Steuerungssoftware berücksichtigen die vielfältigen Anforderungen des realen Hebezeugbetriebs und gewährleisten durch verschiedene Maßnahmen einen sicheren Systembetrieb. Aufgrund ihrer im Vergleich zu herkömmlichen Drehzahlregelungssystemen unübertroffenen Drehzahlregelungs- und Steuerungsleistung ist ihr Ersatz für diese Systeme ein unaufhaltsamer Trend. Referenzen: [1] Li Ruilai, He Hongchen, Han Wenzhao, Drehzahlregelungssystem für Förderanlagen mit variabler Frequenz, Variable Frequency World. 2000.9. Biografie der Autorin: Du Xiuhong, weiblich, Ingenieurin, geboren im Oktober 1968, schloss 1990 ihr Studium der Elektroautomatisierung an der Technischen Universität Shandong ab, derzeit Leiterin der Technologieabteilung (Förderanlagenabteilung) der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd.