Introduzione
Con l'accelerazione della transizione delle miniere di carbone verso operazioni intelligenti e automatizzate, il controllo intelligente della trasmissione per apparecchiature ad alta tensione e alta potenza come i nastri trasportatori principali e i nastri trasportatori è diventato sempre più importante per migliorare la produttività e ridurre i costi operativi e di manutenzione.
I nastri trasportatori principali, parte critica dei sistemi di trasporto sotterraneo del carbone, operano tipicamente in condizioni di carico elevato con grande capacità di trasporto e lunghi cicli operativi continui. I tradizionali sistemi di controllo della velocità di accoppiamento idraulico spesso soffrono di significative perdite da slittamento, bassa efficienza complessiva, prestazioni limitate di regolazione della velocità e requisiti di manutenzione rigorosi. Queste limitazioni li rendono sempre più inadatti alle moderne operazioni di estrazione intelligente.
La tecnologia a variazione di frequenza ad alta tensione (VFD) è quindi diventata una soluzione chiave per l'aggiornamento delle apparecchiature di trasporto sotterranee. Con un ampio intervallo di regolazione della velocità, un controllo preciso del motore, una risposta dinamica rapida e la capacità di avviamento soft, i VFD ad alta tensione possono migliorare significativamente le prestazioni operative dei sistemi a nastri trasportatori pesanti.
Progettato specificamente per applicazioni minerarie sotterranee di carbone, il FGI higIl VFD a prova di esplosioni h-voltage combina controllo coordinato master-slave, alta coppia di avviamento, funzionamento affidabile e bilanciamento intelligente della potenzafornire una soluzione di azionamento più efficiente e affidabile per i nastri trasportatori a più motori.
Applicazione tipica di un VFD ad alta tensione resistente all'esplosione per sistemi di nastro trasportatori
1. Configurazione del sistema
Principio di Sistema
Jingfang Coal Mine, una controllata del gruppo Shanxi Coal Import & Export, si occupa della produzione di carbone grezzo e carbone pulito, nonché dell'utilizzo completo della ganga del carbone.
Il nastro trasportatore principale della miniera è azionato da tre motori asincroni. Motores No. 1 e No. 2 sono collegati allo stesso albero e azionano una carrucola, mentre il Motore No. 3 aziona indipendentemente un'altra carrucola.
Ogni motore ha una potenza nominale di 550 kW ed è azionato da un singolo VFD ad alta tensione e resistente all'esplosione da 6 kV e 855 kW.
Un cabinet di controllo a nastro comunica con i tre VFD tramite fibra ottica di quarzo, consentendo coordinamento master-slave e bilanciamento di potenza in tempo reale tra i motori. Questa configurazione aiuta a mantenere una distribuzione stabile della coppia e garantisce un funzionamento efficiente e affidabile del sistema di nizzolatura.
Figura 1. Diagramma del sistema di trasportatori a nastro
2. Esplosivi ad alta tensioneStruttura del sistema VFD on-Proof
La tensione di rete di 6 kV è collegata a un trasformatore a sfasamento di fase, che svolge tre funzioni chiave.
Innanzitutto, converte l'alta tensione in ingresso in alimentatori indipendenti trifase da 690 V per fornire energia isolata alle celle di potenza.
In secondo luogo, la configurazione dell'avvolgimento a delta esteso introduce sfasamenti tra le tensioni di ingresso delle singole celle di potenza, formando una struttura di rettificazione multi-impulso che riduce efficacemente la distorsione armonica lato griglia.
In terzo luogo, il trasformatore fornisce alimentatori elettricamente isolati per l'architettura a celle di potenza a cascata.
Le celle di potenza utilizzano una tecnologia PWM a spostamento di fase a portatore. Introducendo differenze di fase appropriate tra segnali portanti adiacenti, le forme d'onda di tensione di uscita delle singole celle di potenza vengono sovrapposte per produrre un'onda di uscita che si avvicina molto a una forma sinusoidale.
Il sistema di controllo è costruito attorno a un processore DSP ad alta velocità e utilizza un algoritmo di controllo vettoriale completamente digitale. Comandi e feedback di stato operativo vengono trasmessi tra l'unità di controllo principale e i moduli di alimentazione tramite comunicazione in fibra ottica. Questa architettura offre una risposta rapida, alta precisione del controllo e una forte immunità alle interferenze elettromagnetiche, particolarmente importanti negli ambienti minerari sotterranei.
Figura 2. Struttura del sistema VFD ad alta tensione e prova di esplosione
Topologia della cella di potenza
Il VFD ad alta tensione a prova di esplosioni adotta una topologia a cella di potenza a cascata. Ogni cella di potenza riceve un segnale di modulazione sinusoidale dal controller principale e genera la propria forma d'onda SPWM tramite lo spostamento di fase della portante.
Le forme d'onda di tensione di uscita provenienti da più celle di potenza vengono quindi sovrapposte per formare un'onda di tensione quasi sinusoidale. Di conseguenza, la forma d'onda di uscita VFD è vicina a quella di una tensione sinusoidale standard a frequenza utility.
Questo design elimina la necessità di un filtro di uscita aggiuntivo e riduce significativamente le interferenze armoniche con il motore.
A causa della bassa dv/dt, la tensione di uscita esercita meno stress elettrico sull'isolamento di motore e cavi. Il sistema può quindi essere utilizzato con motori e cavi standard supportando la trasmissione di potenza del motore su distanze fino a 5.000 m.
Alla miniera di carbone di Jingfang, i VFD ad alta tensione e a prova di esplosione sono installati in un canale trasversale a circa 100 m dal nastro trasportatore.
Con un'interferenza armonica molto bassa sul lato della griglia e un impatto armonico particolarmente basso sul motore, il sistema è ampiamente riconosciuto come una soluzione "verde e a basso armonico VFD".
Figura 3. Topologia della cella di potenza
3. Strategia di controllo e risultati applicativi
Nelle applicazioni con nastri trasportatori multimotore, la distribuzione disomogenea del carico tra i motori può rappresentare una sfida importante.
Anche i motori dello stesso modello possono presentare differenze nelle caratteristiche dei materiali e nelle tolleranze di fabbricazione, causando variazioni nelle caratteristiche di velocità e coppia. Senza una coordinazione efficace, queste differenze possono portare a una distribuzione sbilanciata della potenza tra i motori master e slave.
Per affrontare questo problema, il progetto utilizza un sistema di comunicazione in fibra ottica di quarzo master-slave ad alta velocità. La rete di comunicazione consente uno scambio rapido di dati mantenendo una trasmissione affidabile del segnale tra i VFD.
Inoltre, il VFD ad alta tensione e prova di esplosione di FGI incorpora una strategia di controllo della riduzione della velocità basata sul controllo vettoriale. Rispondendo dinamicamente alle variazioni della corrente del motore, il sistema può distribuire accuratamente il carico tra più motori e mantenere una condivisione equilibrata della potenza senza regolazione manuale.
Risultati delle applicazioni presso la miniera di carbone di Jingfang
1) Avviamento del nastro trasportatore in modo fluido e controllato
Il VFD consente una vera operazione di avviamento morbido per il nastro trasportatore.
A bassa frequenza, il VFD può fornire fino a 2,2 volte la coppia nominale, mentre il tempo di avviamento può essere regolato continuamente da 1 a 3.600 secondi. Questo permette al sistema di soddisfare i requisiti impegnativi dell'avviamento di nastri trasportatori a carico pesante.
2) Bilanciamento preciso della potenza
Il sistema garantisce un preciso bilanciamento di coppia e potenza tra quattro motori di testa e due motori di coda che operano su una distanza di trasporto fino a 5.000 m.
Lo squilibrio tra i singoli motori è mantenuto a meno del 2%, migliorando significativamente la stabilità del funzionamento multimotore.
3) Commutazione di unità online
Il sistema supporta la commutazione online e la ridondanza.
Se un VFD viene rimosso dall'uso a causa di un guasto, il VFD di riserva può essere attivato immediatamente. Questo aiuta a mantenere il funzionamento continuo dei nastri trasportatori e riduce il rischio di interruzioni della produzione.
4) Regolazione automatica della velocità del nastro trasportatore
Lavorando insieme a un sensore di flusso di carbone, il sistema di controllo può regolare automaticamente la velocità del nastro in base al flusso effettivo del materiale.
In termini semplici: più carbone, velocità più alta; Meno carbone, velocità più bassa.
Adattando la velocità del nestastro trasportatore al carico effettivo, il sistema riduce l'uso inutili ad alta velocità e migliora l'efficienza complessiva del trasporto.
5) Risparmio energetico e costi operativi più bassis
L'applicazione della tecnologia di trasmissione a frequenza variabile offre significativi benefici di risparmio energetico ed economici.
L'avviamento morbido VFD riduce l'impatto meccanico ed elettrico durante l'avviamento. La regolazione della velocità basata sul carico riduce anche il tempo in cui il nastro trasportatore opera a velocità inutilmente elevate.
Di conseguenza, l'usura meccanica di motori, carrucole, folli, cinghie e altri componenti della trasmissione può essere ridotta, aiutando a prolungare la durata operativa delle apparecchiature e riducendo i costi e le esigenze di manutenzione.
Il funzionamento a bassa velocità del motore consuma anche significativamente meno energia elettrica rispetto al funzionamento continuo ad alta velocità sotto condizioni di carico appropriate.
Per i grandi sistemi di nastro trasportatore sotterraneo, questi miglioramenti possono offrire benefici sostanziali in termini di efficienza energetica, protezione delle attrezzature, riduzione della manutenzione e controllo dei costi operativi.
4. Vantaggi chiave per applicazioni di mining intelligente
1) Progettazione compatta e manutenzione semplificata
Un approccio comune nel settore è l'uso di un trasformatore mobile insieme a un VFD. Questa configurazione richiede ulteriore spazio di installazione e comporta notevoli lavori di instradamento dei cavi e collegamenti elettrici in loco.
FGI integra il trasformatore e il VFD in un'unica unità integrata, con configurazioni VFD ad alta tensione da 10 kV e 6 kV disponibili. Questo riduce significativamente lo spazio di installazione e semplifica la costruzione in loco.
Il VFD ad alta tensione e prova di esplosioni adotta anch'esso un design modulare. I moduli funzionali possono essere sostituiti o aggiornati in base alle esigenze reali, rendendo la manutenzione successiva più comoda e riducendo i tempi di manutenzione.
Figura 4. Confronto tra FGI VFD e soluzioni di altri produttori
2) Strati multipli di protezione per un funzionamento affidabile
Oltre alla ridondanza online a livello di sistema, ogni fase del VFD supporta tre celle di potenza ridondanti.
Se una cella di potenza si guasta, il sistema può automaticamente bypassare l'unità difettosa mantenendo in funzione le celle di potenza rimanenti. Questo riduce l'impatto dei guasti dei singoli componenti sul processo produttivo e migliora la disponibilità complessiva del sistema.
Figura 5. Processo di bypass a celle di potenza
3) Condivisione adattiva del carico e bilanciamento automatico della potenza
Il VFD si adatta automaticamente a diverse condizioni di carico.
Per applicazioni multi-disco, il sistema fornisce un bilanciamento automatico della potenza senza intervento manuale e supporta il controllo master-slave di fino a 10 unità VFD.
Questo rende il sistema particolarmente adatto per grandi nastri trasportatori e altre applicazioni multi-motore pesanti dove è essenziale una condivisione precisa del carico.
4) Interfacce di comunicazione per l'estrazione intelligente
Il VFD supporta i requisiti di comunicazione per sistemi di estrazione intelligenti e offre molteplici opzioni di comunicazione, tra cui fibra ottica, Ethernet e reti wireless.
Alla miniera di carbone di Jingfang, la comunicazione Ethernet viene utilizzata per trasmettere i dati operativi ai sistemi di monitoraggio sotterraneo e superficiale.
Il sistema supporta anche il monitoraggio remoto e la diagnosi dei guasti. Attraverso un PC o un'applicazione mobile, gli operatori possono monitorare i parametri operativi, analizzare guasti e valutare la durata prevista dei componenti chiave.
Questo fornisce una base per una gestione delle apparecchiature più intelligente e una manutenzione predittiva.
Conclusione
L'industria mineraria si sta rapidamente spostando verso operazioni su scala più ampia, più automatizzate e più intelligenti. Con lo sviluppo delle iniziative di estrazione intelligente, i sistemi di trasmissione a frequenza variabile ad alta tensione e alta potenza stanno diventando sempre più importanti per apparecchiature critiche come nastri trasportatori e raschiatori.
Una delle principali sfide nelle applicazioni sotterranee è la distorsione armonica dei sistemi di azionamento convenzionali, che può influire sia sulla qualità dell'alimentazione che sul funzionamento del motore.
Il VFD ad alta tensione e esplosioni di FGI è stato applicato con successo presso la miniera di carbone di Jingfang, dimostrando i vantaggi del suo trasformatore a spostamento di fase, della topologia a celle di potenza a cascata, del controllo vettoriale e della tecnologia intelligente di bilanciamento di potenza master-slave.
Il sistema ottiene una distorsione armonica in ingresso inferiore al 3% e una distorsione armonica della tensione in uscita inferiore al 2%, fornendo una soluzione di azionamento a basso livello armonico per le attrezzature minerarie sotterranee.
La strategia di controllo del droop master-slave supporta la trasmissione di potenza del motore su distanze fino a 5.000 m, mentre il sistema raggiunge un fattore di potenza fino a 0,99. Combinata con comunicazione in fibra ottica, avviso di guasto, monitoraggio remoto e bilanciamento adattivo dell'alimentazione, la soluzione migliora l'efficienza complessiva e l'affidabilità dei sistemi di trasmissione dei nescolatori.
Applicando una tecnologia avanzata di trasmissione a frequenza variabile alle apparecchiature minerarie sotterranee, FGI contribuisce a ridurre il consumo energetico inutile, l'usura meccanica e le necessità di manutenzione, supportando al contempo la transizione del settore verso operazioni minerarie più sicure, efficienti e intelligenti.
Con l'espansione dell'estrazione intelligente dell'estrazione intelligente, i VFD ad alta tensione e deplosioni avranno un ruolo sempre più importante in applicazioni come nastri trasportatori, trasportatori raschiatore, paranca, pompe, ventilatori e altre attrezzature minerarie ad alta potenza.
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