Anwendung des Fengguang-Wechselrichters in einer Förderanlage Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. Yang Guokui, Kong Liang, Zhao Xinjun, Guo Peibin Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Anwendung des Fengguang-Wechselrichters in einer Förderanlage bei Datun. Die Umrüstung zeigt eine bemerkenswerte Energieeinsparung und eine Steigerung der Produktionseffizienz. Schlüsselwörter: Fengguang- Wechselrichter, Förderanlage 1 Einleitung Die Datun Coal and Power Company mit Sitz im Kreis Peixian, Provinz Jiangsu, hat sich durch Kostensenkung und technologische Innovation seit 30 Jahren eine starke Marktwettbewerbsfähigkeit bewahrt und ist das einzige Unternehmen der chinesischen Kohleindustrie, das seit seiner Gründung keine Verluste erwirtschaftet hat. Die Datun-Kohleaufbereitungsanlage, eine Tochtergesellschaft der Datun Coal and Power Company, wurde im April 1979 errichtet und im September 1982 in Betrieb genommen. Sie verfügt über eine jährliche Verarbeitungskapazität von 2,1 Millionen Tonnen. Die Anlage nutzt zahlreiche fortschrittliche Verfahren und Technologien, wobei die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz weit verbreitet ist. Sie verfügt über zwei Rangierwinden, Spezialausrüstungen zum Transport von Eisenbahnwaggons aus dem Kohlebunker, die ganze Züge abfertigen können. 2. Probleme mit der Originalausrüstung: Die Kohleaufbereitungsanlage Datun besitzt zwei Rangierwinden, die von zweistufigen Drehstrom-Asynchronmotoren angetrieben werden. Die Motorparameter sind: Motormodell YDJ-45/55-4/8; Nennstrom 84,4/114,8 A; Nenndrehzahl 1473/733 U/min; Nennleistungsfaktor 0,8; Isolationsklasse B. Vor der Einführung eines Frequenzumrichters nutzte der Anwender einen 45-kW-Hochfrequenzmotor, um die Ochsen mit hoher Geschwindigkeit aus dem Stall zu ziehen. Dies dauerte 40 Minuten, bis die Ochsen ihre Position erreichten und zum Verladen an die Waggons angekoppelt werden konnten. Der Einsatz eines 55-kW-Motors für den Antrieb der Waggons mit niedriger Geschwindigkeit führte zu ungleichmäßiger Materialausbringung am Entladepunkt des Anwenders. Um die Zugbeladung zu koordinieren, mussten die Winden häufig an- und abgeschaltet werden, was einen hohen Anlaufstrom verursachte. Dies führte zu häufigen Schäden an den Schützkontakten und Spulen und beeinträchtigte die normale Zugbeladung. Zur Verbesserung der Beladungseffizienz entschied sich die Kohleaufbereitungsanlage Datun für den Einsatz des Frequenzumrichters JD-BP32-90T der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. zur Aufrüstung ihrer Rangierwinde mit frequenzbasierter Drehzahlregelung. Die Aufrüstung erzielte die erwarteten Ergebnisse. Der Aufrüstungsplan wird im Folgenden beschrieben. 3. Frequenzumrichter-Steuerungssystem für die Rangierwinde: Das Frequenzumrichter-Steuerungssystem für die Rangierwinde besteht aus einem Frequenzumrichter-Steuerschrank, einer SPS und einem Hauptbedienfeld. Die Stromversorgung erfolgt über 380 V Wechselstrom, 50 Hz, dreiphasig, vieradrig, und wird von einem externen Benutzerschalter zum Frequenzumrichter-Steuerschrank geführt, der über einen Hauptschalter verfügt. Die Nennleistung ist auf die installierte Gesamtleistung abgestimmt und bietet verschiedene Schutzfunktionen wie Kurzschluss-, Überlast- und Unterspannungsschutz. Die Steuer- und Signalversorgung erfolgt mit 220 V Wechselstrom über einen einphasigen Trenntransformator. Der Frequenzumrichter-Steuerschrank ist mit einem Lüfter zur Belüftung und Wärmeabfuhr ausgestattet. Der Hauptstromkreis besteht im Wesentlichen aus dem Motorstromkreis des Frequenzumrichters, der Steuerstromkreis aus einer Siemens-SPS, Detektionselementen, Magnetventilen, Zwischenrelais und Kontrollleuchten. (1) Frequenzumrichter-Steuerschrank: Er enthält einen Leistungsschalter zum Schutz des Frequenzumrichters, einen Wind- und Solar-Frequenzumrichter sowie einen dreiphasigen Umschalter. Das System verwendet einen speziell für Hebezeuge entwickelten Frequenzumrichter der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. Dieses Produkt zeichnet sich durch ein hohes Anlauf-, Beschleunigungs- und Bremsmoment aus. Der Motor kann in vier Quadranten betrieben werden und verfügt über eine Energierückkopplungseinheit zur Rückspeisung der beim Bremsen erzeugten Energie in das Stromnetz. Neben den üblichen Schutzfunktionen wie Überspannungs-, Unterspannungs-, Überlast-, Kurzschluss- und Überhitzungsschutz bietet dieses Produkt auch einen Anlaufschutz und eine automatische Drehzahlbegrenzung. Es eignet sich optimal für die hohen Drehmomente, häufigen Start-Stopp-Zyklen, Beschleunigungs- und Verzögerungszyklen sowie den Vierquadrantenbetrieb, die für die Förderwinde erforderlich sind. Daher ist es die ideale Wahl für die Frequenzumrichter-Nachrüstung von Förderwinden im Bergbau. Die digitalen Ein- und Ausgänge des Frequenzumrichters sind mit der SPS verbunden, um Informationen auszutauschen und die Betriebsdrehzahl der Förderwinde jederzeit zu steuern. Die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten können im Frequenzumrichter eingestellt werden. Die S-förmige Beschleunigungskurve minimiert die mechanischen Stöße beim Anlauf und sorgt so für hohe Sicherheit der Förderwinde. (2) SPS-Schaltschrank: Das SPS-Steuerungssystem basiert auf einer modularen Siemens-SPS-Serie und ist mit digitalen Ein- und Ausgängen, Analogmodulen, Netzteilen, CPU-Modulen usw. ausgestattet. In diesem System kommen die Siemens CPU224 und das Analogmodul EM232 zum Einsatz. Die CPU224 verfügt über 14 Eingänge (E/A) und 10 Ausgänge. Das Modul EM232 steuert die Betriebsfrequenz des Frequenzumrichters und damit die Motordrehzahl. Die digitalen Eingangssignale der SPS umfassen: Vorwärtsdrehungsbefehl, Rückwärtsdrehungsbefehl, Stoppbefehl, Befehl für niedrige Drehzahl, Befehl für mittlere Drehzahl, Not-Aus-Befehl, Rücksetzsignal für Frequenzumrichterfehler, Signal für östlichen Endschalter, Signal für westlichen Endschalter, Signal für Seilbruchschutz und Frequenzumrichterfehlersignal. Die Ausgangssignale der SPS umfassen Start-/Stopp-Signal, Vorwärts-/Rückwärtsdrehungssignal, Rücksetzsignal, Not-Aus-Signal und verschiedene Statusanzeigen. Die analogen Ausgangssignale der SPS dienen der Steuerung der Betriebsfrequenz des Frequenzumrichters. Die SPS verarbeitet die Eingangssignale programmgesteuert, wandelt sie in effiziente Steuerbefehle um, steuert die Aktoren und realisiert so die automatisierte Steuerung. (3) Hauptbedienfeld: Das Hauptbedienfeld ist mit einer Anzeige der zurückgelegten Strecke der Seilwinde ausgestattet, um die Bedienung durch den Fahrer zu erleichtern. Es wird über einen Hebel bedient. Um die gewohnten Bediengewohnheiten des Fahrers beizubehalten, wird das ursprüngliche Bedienfeld weiterhin verwendet. (4) Wind- und Solarwechselrichter JD-BP32-90T – Hauptmerkmale: Nennleistung 90 kW, Nennausgangsstrom 170 A, Eingangsfrequenz 45–55 Hz, zulässige Spannungsschwankung ±20 %, Frequenzauflösung 0,01 Hz, Überlastfähigkeit: 160 % (kontinuierlich, 1 Minute), 220 % (1,5 Sekunden). Drehmomentcharakteristik: Anlaufdrehmoment mehr als doppelt so hoch wie das Nenndrehmoment; Drehmoment bei niedriger Frequenz (6 Hz) mehr als 1,6-fach so hoch wie das Nenndrehmoment. Unterstützt werden DC-Bremsung, regenerative Bremsung und andere Bremsverfahren. Zusätzlich zu den üblichen Schutzfunktionen von Frequenzumrichtern verfügt der Wechselrichter über eine Anlaufverriegelung, eine automatische Drehzahlbegrenzung usw., um die Sicherheit der Winde zu gewährleisten und Unfälle zu vermeiden. (5) Verdrahtungsplan der 90-kW-Datun-Winde (1) Hauptstromkreis-Verdrahtungsplan Abbildung 1 Hauptstromkreis-Verdrahtungsplan Q1, Q2, Q3 Industrieller Frequenzumrichter K1 Dreiphasen-Umschalter K2 Dreiphasen-Umschalter BPQ JD-BP32-90T Wind- und Licht-Frequenzumrichter M Benutzerseitiger Dreiphasen-Asynchronmotor (2) SPS-Verdrahtungsplan In diesem System ist die Siemens-SPS-Verdrahtung wie in Abbildung 2 dargestellt: Abbildung 2 Siemens-SPS-Verdrahtungsplan KC0 ist der normalerweise offene Kontakt des internen Fehlerrelais des Frequenzumrichters. Der Benutzer gibt verschiedene Befehle über die Bedienkonsole ein, die von der SPS verarbeitet werden und verschiedene Aktionssignale wie Start und Stopp auslösen. Das Analogmodul EM232 empfängt die von der CPU224 ausgegebenen Befehle und gibt das analoge Spannungssignal zur Steuerung der Frequenz des Frequenzumrichters und damit der Drehzahl des Windenmotors aus. 6 SPS-Steuerungsablaufdiagramm und Programm (1) Der SPS-Steuerungsablauf des Systems ist in Abbildung 3 dargestellt: Abbildung 3 SPS-Steuerungsablaufdiagramm (2) Das SPS-Steuerungsprogramm des Systems lautet wie folgt: 7 Verarbeitung von Rückspeiseenergie Um Rückspeiseenergie in das Stromnetz einzuspeisen, verwendet der Hauptstromkreis des Frequenzumrichters ein bidirektionales Wechselrichterkonzept. Das Schaltbild des Hauptstromkreisprinzips ist in Abbildung 4 dargestellt . Abbildung 4 Schaltbild des Hauptstromkreisprinzips 8 Hauptvorteile des Frequenzumrichter-Steuerungssystems für die Windensteuerung: (1) Das Frequenzumrichtersystem ersetzt den im ursprünglichen elektrischen Steuerungssystem verwendeten AC-Schütz. Dadurch werden häufige Gerätestarts vermieden und die Systemzuverlässigkeit erhöht. (2) Das Frequenzumrichtersystem ermöglicht sanftes Anfahren und Anhalten bei niedriger Frequenz und Spannung. Die S-förmige Drehzahlkurve sorgt für einen stabileren Betrieb mit geringerer mechanischer Belastung und verlängert die Lebensdauer der mechanischen Ausrüstung. (3) Es wird eine deutsche Siemens-SPS verwendet, die eine hohe Störfestigkeit aufweist und auch unter relativ rauen Bedingungen eingesetzt werden kann. Dadurch lässt sie sich leicht an die Anforderungen des Produktionsstandorts anpassen und das Gesamtsystem ist kosteneffizient. (4) Durch den Einsatz von energiesparender Brems- und regenerativer Bremstechnologie wird das Problem der Energierückgewinnung bei schnellem Abbremsen oder plötzlichem Stopp der Förderwinde erfolgreich gelöst und der sichere Betrieb des Frequenzumrichters gewährleistet. (5) Deutliche Energieeinsparung. Messungen zufolge kann die Energieeinsparung nach der Frequenzumrichtermodifikation etwa 40 % betragen. (6) Nach der Einführung der Frequenzumrichtersteuerung muss der ursprüngliche Zweigangmotor nicht ausgetauscht werden. Er kann als 45-kW-Hochgeschwindigkeitsmotor weiterverwendet werden, wodurch die Investitionskosten des Anwenders gesenkt werden. (7) Verbesserte Produktionseffizienz. Nach der Einführung der Frequenzumrichtersteuerung fährt der Förderwagen bei hohem Materialausstoß am Auslauf mit mittlerer Drehzahl. Bei geringem Materialausstoß nutzt der Frequenzumrichter eine niedrige Drehzahl, um den Zug langsam zum Beladen anzufahren und so häufige Motorstarts zu vermeiden. Würde das ursprüngliche elektrische Steuerungssystem zum Beladen von 50 Waggons verwendet, bräuchte es 30 Minuten; nach der Umrüstung auf Frequenzumrichter verkürzt sich die Dauer auf 21 Minuten, wodurch die Beladeeffizienz deutlich gesteigert wird. 9. Fazit Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umrüstung des Frequenzumrichters JD-BP32-90T der Marke Fengguang an der Verladewinde der Kohleaufbereitungsanlage Datun erfolgreich war. Sie verbessert nicht nur die Produktionseffizienz erheblich, sondern führt auch zu einer signifikanten Energieeinsparung und kann in ähnlichen Situationen weit verbreitet eingesetzt werden. Referenzen [1] Shandong Xinfengguang Electronics Benutzerhandbuch Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd. Autorenvorstellung Yang Guokui (1978-) Männlich Absolvent der Shandong-Universität mit Schwerpunkt Automatisierung, derzeit verantwortlich für Niederspannungs-Frequenzumrichter bei Shandong Xinfengguang Electronics Technology Development Co., Ltd.