Zusammenfassung: Dieser Artikel behandelt wichtige technische Aspekte der Entwicklung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern für Förderanlagen, darunter Energierückführung, Optimierung der Drehmomentkennlinie und Maßnahmen zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit. Es werden auch Daten aus dem Feldbetrieb vorgestellt. Schlüsselwörter: Förderanlage, Frequenzumrichter, Energierückführung. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter (6000/10000 V) der Serie JD-BP37/38 der Marke Fengguang für Förderanlagen wurde am 18. Dezember 2005 in Jinan einer technischen Produktprüfung auf Provinzebene unterzogen. Das Prüfungskomitee unter dem Vorsitz von Professor Chen Boshi und Professor Li Yongdong kam zu dem Schluss, dass der Hochspannungs-Frequenzumrichter der Serie JD-BP für Förderanlagen im Bergbau fortschrittliche technische Kennzahlen und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Er schließt eine Lücke im Bereich der kaskadierten Hochspannungs-Wechselrichtersteuerung in China, erreicht ein führendes Niveau und bietet erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile sowie einen hohen Anwendungswert, wodurch er sich für die Serienproduktion eignet. Dieser Artikel stellt einige wichtige technische Herausforderungen vor, die bei der Entwicklung dieses Frequenzumrichters auftraten, und bittet um Anregungen von Experten und Kollegen. Im Zuge der allgemeinen Bemühungen um die Sanierung Chinas boomt die Frequenzumrichterindustrie, und die Absatzentwicklung ist vielversprechend. Allerdings ist das Anwendungsgebiet von Hochspannungsmaschinen stark begrenzt. Obwohl die Bedienungsanleitungen verschiedener Hersteller eine lange Liste von Anwendungsbereichen aufführen, beschränkt sich die tatsächliche Nutzung meist auf Lüfter oder Wasserpumpen. Tatsächlich gibt es eine weitere Lastart, die dringend auf Frequenzumwandlung wartet: Förderanlagen im Bergbau. Aufgrund der starken Marktnachfrage[1] führte unser Unternehmen im Jahr 2000[2] eine Bewertungssitzung für Niederspannungs-Frequenzumrichter für Förderanlagen im Bergbau durch. Damals wurde festgestellt, dass diese eine Marktlücke im Inland schließen und in China eine führende Position einnehmen. Fünf Jahre später wurde der 6000/10000-V-Hochspannungs-Frequenzumrichter für Förderanlagen offiziell eingeführt. Die Einführung von Frequenzumrichtern für Hochspannungsförderanlagen birgt jedoch ein hohes Risiko. Selbst Robicon, der weltweit erste Hersteller solcher Hochspannungs-Frequenzumrichter, hat bisher keine Erfahrung mit deren Einsatz in Förderanlagen im Bergbau. Um im Markt für Förderanlagen Fuß zu fassen, müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: Vierquadrantenbetrieb, anspruchsvolle Drehmomentcharakteristika, hohe Zuverlässigkeit und häufige Start-Stopp-Vorgänge. Die folgende Diskussion konzentriert sich auf diese Schwierigkeiten. I. Vierquadrantenbetrieb – Energierückführung: Im Vierquadrantenbetrieb arbeitet der Motor einer Förderanlage im Generatorbetrieb, wenn die Anlage unter Last abgesenkt oder schnell abgebremst wird. Der Frequenzumrichter muss diese Energie adäquat verarbeiten. Aufgrund der Reihenschaltung der Einheiten ist die Methode mit energieverbrauchenden Widerständen nicht mehr anwendbar; die einzige praktikable Lösung besteht darin, die zurückgewonnene Energie ins Netz einzuspeisen. Der Schlüssel zum Vierquadrantenbetrieb ist die Energierückführung. Die in diesem Beitrag vorgestellte Lösung verwendet zwei Wechselrichter im Hauptstromkreis jeder Leistungseinheit. Die Versorgungsseite verfügt über einen dreiphasigen Wechselrichter, die Ausgangsseite über einen einphasigen Wechselrichter (siehe Abbildung 1). Im Motorbetrieb fließt Energie von der Versorgung zur Last. Wenn der Motor im Generatorbetrieb läuft, arbeitet der Wechselrichter auf der Ausgangsseite im Gleichrichtungsmodus, und der Wechselrichter auf der Versorgungsseite speist Energie ins Netz zurück. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Hauptschaltplan der Leistungseinheit[/ALIGN] Für den Rückkopplungsprozess gibt es zwei Regelungsstrategien: 1. Indirekte Stromregelung. Das Prinzip wird im Folgenden kurz beschrieben: Der vereinfachte Einphasenschaltkreis ist in Abbildung 2 dargestellt: [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Vereinfachter Schaltplan der indirekten Stromregelung[/ALIGN] ist die Versorgungsspannung und der stationäre Strom der vom Wechselrichter ausgegebenen Niederfrequenzspannung. Die Gesamtleistung des dreiphasigen Rückkopplungsnetzes beträgt: Durch Ändern des Winkels lässt sich die Größe der Rückkopplungsleistung anpassen. Das Vektordiagramm des Spannungsabfalls an der Induktivität ist in Abbildung 3 dargestellt: [ALIGN=CENTER] Abbildung 3: Vektordiagramm[/ALIGN] Soll der Rückkopplungsstrom gegenphasig zur Spannung sein (wodurch der Wirkungsgrad am höchsten ist), dann muss er entsprechend angepasst werden. Da die Reaktanz innerhalb des Geräts installiert werden muss, ist ein möglichst geringes Volumen erforderlich. Daher ist die Induktivität der Strombegrenzungsspule klein, deutlich kleiner als , d. h. <<. Der Winkel ist in diesem Fall klein, und es kann näherungsweise angenommen werden, dass tg ≈ sin ≈, . Wenn die Rückkopplungsenergie mit der vom Motor erzeugten Energie übereinstimmt, stellt sich ein Gleichgewicht ein, und die Busspannung bleibt stabil. Um sicherzustellen, dass der Rückkopplungsstrom stets phasenverschoben zur Versorgungsspannung ist, müssen Winkel und Amplitude gleichzeitig angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt durch Änderung des Modulationsindex. In der Praxis ist bei sehr niedriger Spannung der Winkel der Hauptfaktor, der die Rückkopplungsleistung beeinflusst. Daher kann die Rückkopplungsleistung bei geringen Änderungen der Busamplitude einfach durch Anpassen des Winkels verändert werden. Diese Regelungsmethode ist relativ einfach, und das System lässt sich leicht stabilisieren. Aufgrund des fehlenden Stromregelkreises ist die Rückkopplungswellenform jedoch ungenau. Zur Verbesserung der Rückkopplungsstromkurve sollte ein geschlossener Stromregelkreis, d. h. eine Gleichstromregelung, hinzugefügt werden. 2. Gleichstromregelung Die Gleichstromregelung kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, am häufigsten durch Hysteresestromregelung. Bei dieser Methode wird der gemessene Rückkopplungsstrom mit dem Referenzstrom verglichen und basierend auf der Differenz ein PWM-Signal zur Anpassung des Rückkopplungsstroms bereitgestellt. Durch die kontinuierliche Anpassung folgt der gemessene Rückkopplungsstrom dem Referenzstrom, und die Abweichung wird in einem akzeptablen Bereich gehalten. Verschiedene Regelungsverfahren können die Stromnachführung realisieren: SPWM, SVPWM, dq-Wandlungsregelung usw. Im Normalbetrieb sollte die Rückkopplungsenergie der vom Motor erzeugten Energie entsprechen, wobei die Busspannung konstant bleibt. Der Referenzstrom wird aus der Versorgungsspannung multipliziert mit einem Koeffizienten ermittelt, der sich aus der Differenz zwischen der gemessenen Busspannung und der vorgegebenen Bus-Referenzspannung berechnet. Das Systemblockdiagramm ist in Abbildung 4 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Blockdiagramm des Rückkopplungssystems[/ALIGN] Dabei ist U₀* die vorgegebene Busspannung, U₀ die gemessene Busspannung und U_m bzw. U_im die gemessene Versorgungsspannung bzw. der gemessene Versorgungsstrom (m = a, b, c). Das gesamte System ist ein doppelt geschlossenes Regelsystem. Der äußere Regelkreis ist der Spannungsregelkreis, der die konstante Busspannung gewährleistet. Der innere Regelkreis ist der Stromregelkreis, der sicherstellt, dass der Rückkopplungsstrom dem Referenzstrom stets folgt. Die Gleichstromregelung ermöglicht gleichzeitig die Aufrechterhaltung einer konstanten Busspannung und die Erzeugung einer optimalen Rückkopplungsstromkurve. Da es sich um ein doppelt geschlossenes und mehrpoliges Rückkopplungssystem handelt, kann es bei ungeeigneter Parameterwahl, insbesondere bei großen Änderungen der Rückkopplung, instabil werden. Bei Verwendung dieser Regelungsmethode sind Maßnahmen zur Gewährleistung der Systemstabilität erforderlich. II. Optimierung der Drehmomentkennlinie 1. Drehmomentkennlinie des Frequenzumrichters für Hebezeuge: Im Vergleich zu herkömmlichen Lüfter- und Wasserpumpenlasten stellt der Frequenzumrichter für Hebezeuge sehr hohe Anforderungen an das Drehmoment. (1) Hohes Anlaufdrehmoment: Das Anlaufdrehmoment beträgt in der Regel mehr als das 1,8-fache des Nenndrehmoments. (2) Hohes Beschleunigungsdrehmoment: Ein hohes Beschleunigungsdrehmoment gewährleistet ein gutes dynamisches Verhalten. (3) Hohes Bremsdrehmoment: Beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit ist die mechanische Bremse während der Phase der schnellen Verzögerung und des Absenkens schwerer Lasten noch nicht aktiviert. Das Bremsdrehmoment ist erforderlich, um ein Verrutschen der Lasten zu verhindern. (4) Hohes Drehmoment im niedrigen Frequenzbereich. Um die erforderlichen Drehmomentkennlinien zu erreichen, werden folgende Maßnahmen ergriffen: Das Ersatzschaltbild des Asynchronmotors ist in Abbildung 7 dargestellt: [ALIGN=CENTER] Abbildung 7 Einphasen-Ersatzschaltbild eines Asynchronmotors[/ALIGN] Die Klemmenspannung des Motors entspricht der induzierten elektromotorischen Kraft an den Motorklemmen und dem Statorfluss. Im Ersatzschaltbild wird sie durch den Spannungsabfall an der Gegeninduktivität dargestellt, der dem Luftspaltfluss entspricht. Dieser entspricht dem Rotorfluss. Bei frequenzproportionaler Regelung bleibt das maximale Drehmoment im Hochfrequenzbereich unverändert, was einer Drehzahlregelung mit konstantem Drehmoment entspricht. Bei niedrigen Frequenzen sinkt der Statorfluss aufgrund des Spannungsabfalls am Statorwiderstand, was das maximale Drehmoment beeinflusst. Daher muss bei niedrigen Frequenzen eine Spannungskompensation erfolgen. Das Anlaufdrehmoment des Hebezeugs ist deutlich größer als das Drehmoment bei konstanter Drehzahl, und auch das Beschleunigungsdrehmoment ist deutlich größer als das Drehmoment bei konstanter Drehzahl. Daher muss die Kompensation im Niederfrequenzbereich angemessen sein. Die Last des Hebezeugs variiert, mal ist es unbelastet, mal voll belastet. Wie lässt sich ein ausreichendes Motordrehmoment ohne starke Übererregung gewährleisten? Zwei Ansätze bieten sich an: (1) Bestimmung des Kompensationsbetrags anhand des gemessenen Drehmoments. Während jedes Hubvorgangs bleibt die Last des Hebezeugs konstant. Nach dem Anlauf wird zunächst das Lastdrehmoment des Motors gemessen und anschließend der Kompensationsbetrag bestimmt. Das Motordrehmoment berechnet sich nach folgender Formel: wobei k eine Konstante ist. Im Motorbetrieb ist das Drehmoment positiv, im Generatorbetrieb negativ. Unterschiedliche Drehmomente entsprechen unterschiedlichen Niederfrequenz-Kompensationswerten, die einer Tabelle entnommen werden können. Diese Methode ist einfach und leicht zu handhaben, jedoch nicht sehr genau. Sie zählt zur Regelung des magnetischen Flusses im offenen Regelkreis. • Messung des Motorflusses und Einstellung auf einen vorgegebenen Wert. Wird der Spannungsabfall am Statorwiderstand während des Betriebs kompensiert und das Verhältnis zur Frequenz konstant gehalten, ist ein konstanter Statorfluss gewährleistet. Wird der Spannungsabfall weiter kompensiert, ist der Luftspaltfluss garantiert konstant. Ebenso ist bei einer weiteren Kompensation des Spannungsabfalls der Rotorfluss garantiert konstant. Ein konstanter Statorfluss führt bei niedrigen Frequenzen zu einem maximalen Drehmoment, das höher ist als das Drehmoment bei konstantem V/F-Verhältnis. Das maximale Drehmoment nimmt jedoch mit sinkender Frequenz ab. Wird der Luftspaltfluss konstant gehalten, ist das maximale Drehmoment frequenzunabhängig. Bei konstantem Rotorfluss ist das Drehmoment proportional zum Schlupf. Die drei Flüsse sind miteinander verbunden und können ineinander umgerechnet werden; die Kenntnis eines Flusses ermöglicht die Berechnung der beiden anderen. Der in diesem Beitrag beschriebene Frequenzumrichter verfügt über zwei Betriebsmodi: offene und geschlossene Flussregelung. 2. Geschlossene Flussregelung: Vektorregelungssysteme positionieren das rotierende Koordinatensystem typischerweise im Magnetfeld des Rotors. In diesem Fall lautet die Spannungsgleichung des Asynchronmotors: wobei die Schlupfkreisfrequenz ist, und die Flussverkettungsgleichung: wobei die Polpaarzahl ist. Bei Stromfrequenzumrichtern trennt diese Transformation den Statorstrom in Erreger- und Drehmomentanteil und erreicht so eine vollständige Entkopplung. Der Zusammenhang zwischen dem Erregeranteil des Statorstroms und dem Rotorfluss lässt sich durch eine einfache Differentialgleichung erster Ordnung beschreiben. Ein konstanter Rotorfluss kann relativ einfach aufrechterhalten werden. Bei Spannungsfrequenzumrichtern ist die Situation deutlich anders. Ausgangsspannung und -strom eines Spannungsfrequenzumrichters stehen in einem komplexen Verhältnis zueinander. Um den Rotorfluss auf einen konstanten Wert zu regeln, muss zunächst der Zusammenhang zwischen Rotorfluss und Statorspannung bestimmt werden. Aus den obigen Gleichungen für die Spannungs- und Flussverkettung ergibt sich: Der Zusammenhang zwischen Rotorfluss und Statorspannung ist sehr komplex. Es handelt sich um eine Differentialgleichung zweiter Ordnung, die nicht vollständig entkoppelt ist. Sie enthält einen Rotationskopplungsterm. Die Gleichung enthält außerdem die Rotorzeitkonstante, und der Rotorwiderstand ist zeitvariabel. In manchen Fällen muss er online identifiziert werden. Ein solches System ist sehr komplex. In [3] wurde ein Regelungsverfahren namens „statorspannungsorientiertes Vektorregelungssystem“ vorgeschlagen. Dieses Verfahren leitet den Zusammenhang zwischen Statorspannung und Statorfluss als algebraische Gleichung her, die den Rotorwiderstand nicht berücksichtigt. Dadurch lässt sich die Flussregelung im geschlossenen Regelkreis erheblich vereinfachen. Die d-Achse des rotierenden Koordinatensystems wird auf den Statorspannungsvektor ausgerichtet. Die Spannungsgleichung des Asynchronmotors lautet: ……………………………. ……… (1) …………………………….... ……… (2) ……………………………………… (3) ……………………………………… (4) Der Statorfluss sei konstant………………………………… (5) Analog sei der Rotorfluss konstant, um zu erhalten……………………………………………….(6) Aus der Flussverkettungsgleichung:………………………….. ……… (7) …………………………………... (8) …………………………………… (9) …………………………………… (10) Durch Einsetzen der obigen Gleichung in Gleichung (6) und Gleichung (5) erhalten wir: ……………………(11) Dann aus der Flussverkettungsgleichung:…………..(12) …………………………………...(13) Aus (12) Aus Gleichung (13) erhalten wir: ... (14) ... (15) Durch Einsetzen der Gleichungen (14), (15) und (5) in Gleichung (11) erhalten wir: ... (16) Dabei ist das Quadrat des Rotorflusses. Wird der Rotorfluss konstant gehalten, so ist auch die Statorspannung konstant, und wir erhalten: ... (17) Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Strom des Motors und dem Statorfluss zur Berechnung der Statorspannung, die erforderlich ist, um den Rotorfluss konstant zu halten. Da es sich um eine algebraische Gleichung handelt, die keine Nebenbedingungen enthält, eignet sie sich hervorragend als Regelungsgleichung. Die Verwendung von Gleichung (17) als Regelungsgleichung zur Realisierung eines geschlossenen Flussregelkreises ist wesentlich einfacher als der geschlossene Flussregelkreis bei der Rotorfluss-Richtungsvektorregelung. III. Maßnahmen zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit: Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit werden folgende Maßnahmen ergriffen: • Redundanztechnologie: Dies umfasst Geräteredundanz (Spannungsredundanz, Stromredundanz usw.), Schaltungsredundanz, Einheitsredundanz usw. 2. Verbesserung des Absorptionsschaltungsdesigns zur Reduzierung der Spannungs- und Strombelastung des IGBT. 3. Design mit geringer Temperaturerhöhung: Die Lebensdauer von Leistungshalbleitern und Elektrolytkondensatoren hängt eng mit der Betriebstemperatur zusammen. Üblicherweise wird die Betriebslebensdauer bei 80 °C angegeben. Mit jedem Temperaturanstieg um 10 °C halbiert sich die Lebensdauer, mit jedem Temperaturabfall um 10 °C verdoppelt sie sich. Eine Minimierung des Gesamttemperaturanstiegs verbessert die Zuverlässigkeit deutlich. 4. Störfestigkeit Um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss die Störfestigkeit der gesamten Maschine maximiert werden. Dies lässt sich durch die Berücksichtigung folgender Aspekte erreichen: Konstruktion (Abschirmung, Erdung, Isolation usw.), Prozessgestaltung (optimales Layout und Verdrahtung), Stromversorgung (die Steuerstromversorgung muss gut gereinigt sein, um Störungen zu vermeiden), Schaltungsdesign, Softwareentwicklung, Fertigungsprozess usw. IV. Betriebsstatus vor Ort Zwei Prototypen sind derzeit vor Ort im Normalbetrieb. Die erste Maschine ist am Hilfsschachtförderer der Xin-San-Mine des Fengfeng-Bergbauamts in Handan installiert. Der Hilfsschacht ist ein Vertikalschacht und dient dem Absenken und Heben von Personal und Material. Der Motor hat 6000 V, 380 kW, eine Nennlast von 5 Tonnen und eine Nennhubgeschwindigkeit von 5,8 m/s. Nach Installation und Inbetriebnahme wurde der Frequenzumrichter verschiedenen Leistungstests unterzogen, darunter: Anlauf unter leichter Last; Kriechbetrieb unter leichter Last: Kriechfrequenz 2,2 Hz; Anlauf unter hoher Last: Nennlast (5 Tonnen); Überlast (maximale Last ca. 7 Tonnen); Kriechbetrieb unter hoher Last: Nennlast (5 Tonnen); Überlast (maximale Last ca. 7 Tonnen); Beschleunigungsbetrieb: Beschleunigungszeit vom Anlauf bis zur Nennfrequenz (50 Hz) 10 s bei Nennlast; Lastabsenkung: Absenken unter Nennlast, Beschleunigungszeit 8 s; Abschalt- und Verzögerungszeit 8 s; Absenkung unter Überlast: Absenken von ca. 7 Tonnen, Beschleunigungszeit 8 s, Beschleunigung auf 15 Hz, anschließende Stabilisierung bei niedrigerer Geschwindigkeit, Abschalt- und Verzögerungszeit 8 s. In allen oben genannten Tests arbeitete der Wechselrichter reibungslos und normal, und alle Leistungsparameter erfüllten die Anforderungen der Einsatzbedingungen vor Ort. Dieser Wechselrichter ist seit über sechs Monaten zuverlässig im Einsatz. Der zweite Wechselrichter ist in der Jiulong-Mine des Fengfeng-Bergbauamts an einer Untertageförderanlage installiert. Der Förderanlagenmotor hat eine Leistung von 6000 V und 240 kW und dient dem Kohletransport, der Materialförderung und dem Personentransport. Dieser Wechselrichter nahm im September 2005 offiziell seinen Betrieb auf. Der dritte Wechselrichter ist in der Jinpushan-Kohlemine in der Provinz Shanxi an einer Hilfsförderanlage installiert. Er hat eine Nennleistung von 6000 V und 320 kW und dient dem Fördern von Abraum. Diese Anlage wird derzeit vor Ort in Betrieb genommen. V. Fazit: Obwohl der speziell für Förderanlagen entwickelte Hochspannungs-Wechselrichter erfolgreich entwickelt wurde und von Anwendern und Experten Lob erhalten hat, ist uns bewusst, dass dies lediglich eine Ermutigung darstellt. Tatsächlich besteht noch erheblicher Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Produktleistung und der Langzeitstabilität. Wir werden die Regelungsmethode weiter optimieren und die Konstruktion verbessern, um der Bergbauindustrie bessere Umrichteranlagen bereitzustellen und so den Erfolg inländischer Marken weiter zu steigern. Über den Autor: Li Ruilai absolvierte sein Studium der Technischen Physik an der Tsinghua-Universität und ist derzeit Chefingenieur bei Shandong Xinfengguang Technology Development Co., Ltd. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Leistungselektronik. Referenzen: [1] He Hongchen: Der Markt fordert die Reaktion der Unternehmen. Drittes Unternehmerforum der Frequenzumrichterindustrie 2004. [2] Li Ruilai, He Hongchen, Han Wenzhao: Drehzahlregelungssystem für Förderanlagen im Bergbau. Variable Frequency Drive World 2000 (9). [3] Li Yongdong, de Fornel B, David M.: Spannungsorientierte Vektorregelung von PWM-betriebenen Asynchronmotoren. Electrical Drive, 1990 (4) 2-7.