Обзор проекта

Надёжное подъемное оборудование крайне важно для глубокошахтной добычи, где тяжёлые нагрузки, большие расстояния и сложные подземные условия предъявляют высокие требования к управлению приводом и надёжности оборудования. На золотом руднике Саншаньдао в провинции Шаньдун, Китай, был выбран четырехквадрантный высоковольтный инвертор FGI для управления моторами шахтного подъёмника в проекте, включавшем вертикальный ствол, рассчитанный на глубину 1915 метров ниже уровня моря.

Приложение демонстрирует, как технология высоковольтных приводов с переменной частотой и управление мастер-слейв могут улучшить координацию двигателей, производительность подъёма и энергоэффективность в сложных горнодобывающих работах.

1. Предыстория проекта: Добыча в глубоких шахтах в сложных условиях

Расположенный недалеко от залива Лайчжоу, золотой рудник Саншаньдао — это офшорный горнодобывающий проект со сложными геологическими условиями. Ствол был спроектирован на глубину 1915 метров, с готовым диаметром 10,5 метра и диаметром выемки 11,5 метра. На момент подготовки отчёта о проекте он был описан как первый в Азии и пятый по глубине вертикальный ствол, находящийся в стадии строительства.

Шахта сталкивается с рядом трудностей при строительстве шахт, включая высокое грунтовое напряжение, давление воды в трещиноватых породах, коррозионные грунтовые воды и повышение температуры под землёй. Эти условия предъявляют строгие требования к надёжности и эксплуатационной устойчивости системы управления подъемной системой.

Система подъёма использует две намоточные машины, каждая из которых оснащена двумя моторами, приводящими в движение общий барабан через двухмоторную и двухкоробочную коробку передач. Система поддерживает работу как с одним двигателем, так и с двумя двигателями, обеспечивая гибкость при различных условиях конструкции и нагрузки.

Для выполнения этих требований проект выбрал четыре инвертора FGI JD-BP37-2250T Four Quadrant High Voltage Inverter, каждый мощностью 2 250 кВт и 6 кВ для управления четырьмя высоковольтными двигателями мощностью 2 000 кВт.

2. Инвертор FGI с четырьмя квадрантами высокого напряжения: ключевые технические характеристики

Серия JD-BP37-T сочетает векторное управление, регенеративную энергетическую обратную связь и высокомощную технологию IGBT для требовательных промышленных приводов.

Прямая высоковольтная входная и выходная конфигурация позволяет инвертору подключаться к существующей системе моторов напряжением 6 кВ без необходимости использования промежуточного понижающего трансформатора в рамках схемы привода.

Четырёхквадрантная эксплуатация и рекуперативное торможение

Ключевой особенностью инвертора с четырьмя квадрантами является его способность работать как в моторном, так и в регенеративном режимах.

Во время подъёма инвертор преобразует электрическую мощность в управляемый выход двигателя. Во время рекуперативной работы, например, когда подъемник опускает тяжёлую нагрузку, мотор может работать как генератор. Инвертор возвращает восстановленную электрическую энергию в переменную сеть, а не рассеивает её в виде тепла при обычном торможении.

Этот двухнаправленный поток энергии поддерживает рекуперативное торможение, снижает потери энергии, связанные с торможением, и помогает повысить общую энергоэффективность системы подъёма.

Входная ступень с управлением ШИМ также помогает регулировать ток на стороне сети и повышает коэффициент мощности, при этом ограничивая впрыск гармонического тока при соответствующих условиях работы.

Эффективность управления и операционная защита

Для шахтных подъёмников особенно важны стабильный крутящий момент и контролируемое ускорение и замедление. Серия JD-BP37-T использует векторное управление для обеспечения высокого стартового крутящего момента, отзывчивого управления крутящим моментом и точной регулировки скорости.

Система также включает прикладно-ориентированные функции, включая:

• Автоматический обход силового агрегата:Позволяет обойти неисправный блок питания при поддерживаемых условиях отказа, помогая системе завершить рабочий цикл при выполнении требуемых условий.

• Защита от потери питания:Обеспечивает меры защиты от неожиданных перебоев в подаче, что является важным фактором при снижении интенсивной нагрузки.

• Низкие потери в резерве:Снижает потери без нагрузки при режиме ожидания.

• Несколько способов торможения:Поддерживает функции рекуперативного, постоянного тока, безопасности и динамического торможения.

• Независимая власть:Облегчает инспекцию, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание без включения основной высоковольтной цепи.

• Интегрированные интерфейсы управления:Поддерживает обмен сигналами с электрической системой управления подъемником.

Эти функции помогают решать практические требования тяжелотяжёлого подъема, где крайне важны оперативная непрерывность и скоординированная защита.

3. Управление мастер-слейв для двухмоторного подъёма

Почему был выбран контроль между мастером и рабом

Каждая подъемная машина использует два двигателя для привода общего барабана. Основная задача управления — правильно координировать скорость, крутящий момент и мощность двигателей.

Одноинверторную и двухмоторную схему сложно оптимизировать, если двигатели и механические компоненты трансмиссии имеют разные характеристики. Неравномерное распределение нагрузки может привести к тому, что один двигатель будет нести чрезмерную нагрузку, а другой вносит меньший вклад, увеличивая риск перегрузки мотора и нагрузки на приводную систему.

Для этого проекта FGI реализовала схему управления мастер-слейв, при которой два независимых инвертора приводят в движение два двигателя отдельно.

Как работает система управления

Один инвертор работает как главный, а другой — как подчинённый. Операторская станция передаёт команды на работу и ориентир скорости на главный инвертор. Оба инвертора обмениваются управляющей информацией через оптическую связь.

Система управления работает следующим образом:

1. Главное управление скоростью:Главный инвертор получает эталонную скорость от системы управления подъёмником и регулирует скорость двигателя.

2. Управление крутящим моментом на подчинённом режиме:Ведомый инвертор выполняет координированные команды управления главным и регулирует крутящий момент двигателя.

3. Координация распределения нагрузки:Система отслеживает информацию об активном токе и регулирует работу привода для баланса мощности двигателя и крутящего момента.

4. Гибкость в режиме работы:Конфигурация управления поддерживает работу с двумя моторами и позволяет выбирать режим одного мотора через интерфейс управления.

Такое расположение позволяет двум двигателям работать вместе, сохраняя при этом независимое управление приводом и специфические для двигателя возможности защиты.

Для глубокого подъёмника эффективная координация мастер-раб помогает снизить неравномерную нагрузку, обеспечивает более плавное ускорение и замедление, а также улучшает согласованность общего процесса подъёма.

4. Интеграция с системой электрического управления подъемником

Инвертор с четырьмя квадрантами высокого напряжения является основной частью архитектуры привода подъёмника и электрического управления.

Операторская станция предоставляет команды вперёд и назад, аварийную команду стопа и аналоговую референс скорости. Инвертор возвращает сигналы готовности к работе, сигналы о состоянии неисправности и безопасности цепи, а также аналоговые сигналы мониторинга системы управления.

Высоковольтные изоляционные выключатели обеспечивают безопасное обслуживание. Высоковольтный сигнал неисправности инвертора связан с автоматическим выключателем, чтобы неисправность инвертора могла инициировать соответствующее отключение вверх.

Более широкая система управления подъёмником также включает защитные функции от превышения скорости, перехода, обратного вращения, аномалий тормозной системы, провисновения верёвки, условий смазки и других неисправностей. В зависимости от обнаруженного состояния система может активировать соответствующую защитную реакцию, включая экстренное торможение.

Интеграция управления приводом, операционной обратной связи и защитных блокировок необходима для безопасной эксплуатации мощного оборудования для подъёма мин.

5. Результаты ввода в эксплуатацию и операционные выгоды

Система подъемников шахты Саншаньдао была успешно введена в эксплуатацию в конце декабря 2021 года, согласно первоначальному отчёту проекта. В отчете была зафиксирована нормальная работа более двух лет после ввода в строй.

Полевое применение продемонстрировало несколько практических преимуществ:

• Улучшенное управление подъёмом:Регулируемое управление частотой обеспечивало более плавное ускорение и замедление.

• Лучшая координация двух моторов:Управление мастер-слейв помогало координировать выход двух двигателей, приводящих в движение общий барабан.

• Регенеративное восстановление энергии:Работа в четырёх квадрантах позволяла возвращать электрическую энергию в сеть во время регенеративной работы.

• Повышенная надёжность эксплуатации:Функции защиты дисков, блокировка отказов и скоординированное управление обеспечивали стабильную работу системы.

• Гибкие режимы работы:Работа с одним и двумя двигателями учитывала разные требования при строительстве вала.

В оригинальном отчёте эффект энергосбережения был охарактеризован как значительный, но не приводился количественный процент энергосбережения. Фактическая экономия зависит от рабочего цикла подъёма, профиля нагрузки, условий торможения и общей конфигурации системы.

6. Практическая ценность для глубокой добычи и шахтных подъёмников

Проект Sanshandao иллюстрирует роль высоковольтных приводов с переменной частотой в требовательных майнинговых приложениях. Для глубоких вертикальных валов приводная система должна делать не только регулировать скорость мотора: она также должна координировать несколько двигателей, управлять рекуперативной энергией и интегрироваться с защитной архитектурой управления подъёмника.

Четырехквадрантный высоковольтный инвертор FGI подходит для использования в новых шахтных подъёмных установках, шахтовых подъемниках и проектах по модернизации с использованием существующих приводов переменного тока. Её сочетание управления векторами, рекуперативного торможения и координации главного и рабочего управляющего обеспечивает практический подход к улучшению производительности привода и энергопотребления в тяжелоемочных горнодобывающих операциях.

Для горнодобывающих операторов и системных интеграторов выбор приводного решения должен учитывать характеристики двигателя, глубину вала, характеристики нагрузки, требования к тормозу, интерфейсы управления и необходимую архитектуру безопасности.

Ищете высоковольтное инверторное решение для подъёма шахт или тяжёлых промышленных приводов?Свяжитесь с FGI, чтобы обсудить параметры вашего мотора, условия эксплуатации и требования к применению.