はじめに
炭鉱がインテリジェントかつ自動化された運転へと急速に移行する中、メインベルトコンベヤーやスクレーパーコンベヤーなどの高電圧・高出力機器のインテリジェントドライブ制御は、生産性の向上と運用・保守コストの削減にますます重要になっています。
メインベルトコンベヤーは地下石炭輸送システムの重要な一部であり、通常は高負荷条件下で大きな輸送能力と長時間の連続運転サイクルで運転されます。従来の油圧カップリング速度制御システムは、重大なスリップ損失、全体の効率の低さ、速度調整性能の制限、そして厳しいメンテナンス要件に悩まされることが多いです。これらの制約により、現代のインテリジェント採掘作業にはますます適さなくなっています。
したがって、高電圧可変周波数駆動(VFD)技術は地下輸送設備のアップグレードにおける重要な解決策となっています。広い速度調整範囲、精密なモーター制御、高速な動的応答、ソフトスタート機能により、高電圧VFDは重負荷コンベヤーシステムの動作性能を大幅に向上させます。
地下石炭採掘用途向けに特別に設計されたFGIのハイグH電圧耐爆VFDは、マスタースレーブの協調制御、高い起動トルク、信頼性の高い運転、そしてインテリジェントな電力バランスを組み合わせていますマルチモーターベルトコンベヤーに対して、より効率的で信頼性の高い駆動ソリューションを提供することです。
ベルトコンベヤーシステムにおける高電圧耐爆変頻器の典型的な応用
1. システム構成
システム原理
京芳炭鉱は山西石炭輸出入グループの子会社であり、原石炭およびクリーンコアの生産、石炭脈石の包括的利用に従事しています。
鉱山のメインベルトコンベヤーは3基の非同期モーターで駆動されています。モーター1号と2号は同じ軸に接続され、1つのプーリーを駆動し、モーター3号は独立して別のプーリーを駆動します。
各モーターは定格出力550kWで、個別の6kV、855kWの高電圧耐爆変周波数装置によって駆動されています。
ベルトコンベヤー制御キャビネットは、クォーツ光ファイバーを介して3台のVFDと通信し、マスタースレーブの調整やモーター間のリアルタイム電力バランスを可能にします。この構成によりトルク分布が安定し、コンベヤーシステムの効率的かつ信頼性の高い運用が保証されます。
図1。ベルトコンベヤーシステム図
2. 高電圧爆発オンプルーフVFDシステム構造
6 kVのグリッド電圧は位相シフト変圧器に接続されており、3つの重要な機能を果たします。
まず、入力する高電圧を独立した三相690V電源に変換し、パワーセルに絶縁電力を提供します。
次に、拡張デルタ巻線構成により、個々のパワーセルの入力電圧間に位相シフトが生じ、グリッド側の高調波歪みを効果的に低減する多パルス整流構造が形成されます。
第三に、トランスはカスケード型パワーセルアーキテクチャのために電気的に絶縁された電源を提供します。
パワーセルはキャリア位相シフトPWM技術を使用しています。隣接する搬送波信号間に適切な位相差を導入することで、個々のパワーセルの出力電圧波形を重ね合わせ、正弦波形に近似する出力波形を生成します。
制御システムは高速DSPプロセッサを中心に構築されており、完全デジタルベクトル制御アルゴリズムを使用しています。コマンドや動作状態のフィードバックは、メイン制御ユニットとパワーモジュール間で光ファイバー通信を通じて送信されます。このアーキテクチャは高速応答、高い制御精度、強力な電磁干渉耐性を提供し、特に地下採掘環境で重要です。
図2。高電圧耐爆変頻器システム構造
パワーセルトポロジー
高電圧耐爆変頻器はカスケード型パワーセルトポロジーを採用しています。各パワーセルはメインコントローラから正弦波変調信号を受け取り、キャリア位相シフトを通じて独自のSPWM出力波形を生成します。
複数のパワーセルからの出力電圧波形を重ね合わせて、ほぼ正弦波のような電圧波形を形成します。その結果、VFDの出力波形は標準的なユーティリティ周波数の正弦波電圧に近いです。
この設計により、追加の出力フィルターが不要となり、モーターへの高調波干渉を大幅に低減します。
低いdv/dtのため、出力電圧はモーターやケーブル絶縁にかかる電気的負荷が少なくなります。したがって、標準的なモーターとケーブルで使用でき、最大5,000 mの距離でモーターの動力伝達を支えます。
景芳炭鉱では、高電圧耐爆変頻器がベルトコンベヤーから約100m離れた横断に設置されています。
グリッド側の高調波干渉が非常に少なく、特にモーターへの高調波影響が低いため、このシステムは「グリーンで低高調波のVFD」ソリューションとして広く認識されています。
図3。パワーセルトポロジー
3. 制御戦略と応用結果
マルチモーターベルトコンベヤーの用途では、モーター間の負荷分布が不均一であることが大きな課題となり得ます。
同じモデルのモーターでも、材料特性や製造公差に違いがあり、速度やトルク特性に違いが生じることがあります。効果的な調整がなければ、これらの違いがマスタードライブとスレーブドライブ間の電力分配の不均衡を招くことがあります。
この問題に対処するため、プロジェクトでは高速マスタースレーブの石英光ファイバー通信システムを使用しています。通信ネットワークは、VFD間の信頼性の高い信号伝送を維持しつつ、迅速なデータ交換を可能にします。
さらに、FGIの高電圧耐爆VFDはベクトル制御に基づく速度ドループ制御戦略を組み込んでいます。モーター電流の変化に動的に反応することで、複数のモーター間で負荷を正確に分配し、手動調整なしでバランスの取れた電力分配を維持できます。
景方炭鉱での応募結果
1) スムーズかつ制御されたベルトコンベヤーの始動
VFDはベルトコンベヤーの本格的なソフトスタート運転を可能にします。
低周波運転時には、VFDは最大2.2倍の定格トルクを提供でき、起動時間は1秒から3,600秒まで連続的に調整可能です。これにより、重負荷コンベヤーの始動という厳しい要件を満たすことができます。
2) 精密なパワーバランス
このシステムは、4基のヘッドエンドモーターと2基のテールエンドモーター間で、最大5,000mの輸送距離で正確なトルクとパワーバランスを実現しています。
個々のモーター間の不均衡は2%未満に抑えられ、多モーター動作の安定性が大幅に向上します。
3) オンラインドライブの切り替え
システムはオンラインスイッチングと冗長性をサポートしています。
もし故障により1つのVFDが動作停止した場合、待機VFDは即座にオンラインに切り替えることができます。これによりベルトコンベヤーの連続運転を維持し、生産中断のリスクを減らします。
4) 自動コンベヤー速度調整
石炭流量センサーと連携することで、制御システムは実際の材料流量に応じてベルト速度を自動的に調整できます。
簡単に言えば、石炭が増え、速度も上がり、石炭が減れば速度も遅くなる。
コンベヤーの速度を実際の積載量に合わせることで、不要な高速運転を減らし、全体の輸送効率を向上させます。
5) エネルギー節約と運用コストの低減s
可変周波数駆動技術の応用は、エネルギー効率と経済面で大きなメリットをもたらします。
VFDソフトスタートは起動時の機械的および電気的負荷を軽減します。負荷ベースの速度調整は、コンベヤーが不必要に高速で運転する時間を短縮します。
その結果、モーター、プーリー、アイドラー、ベルト、その他のトランスミッション部品の機械的摩耗を減らし、機器の使用寿命を延ばすとともに、メンテナンスの必要性やコストを削減できます。
また、低速モーター運転は適切な負荷条件下での連続高速運転よりもはるかに少ない電力消費を得ます。
大規模な地下ベルトコンベヤーシステムにおいては、これらの改良によりエネルギー効率、機器保護、保守削減、運用コスト抑制の面で大きな利点が得られます。
4. インテリジェントマイニング応用の主な利点
1) コンパクトな設計とメンテナンスの簡素化
業界で一般的なアプローチは、モバイルトランスとVFDを組み合わせて使用することです。この構成は追加の設置スペースを必要とし、現場でのケーブル配線や電気接続作業がかなり必要です。
FGIは変圧器とVFDを一体化ユニットに統合し、10 kVおよび6 kVの高電圧VFD構成が利用可能です。これにより設置スペースが大幅に削減され、現場での施工が簡素化されます。
高電圧耐爆変周波数装置もモジュール式設計を採用しています。機能モジュールは実際の要件に応じて交換やアップグレードが可能で、その後のメンテナンスがより便利になり、サービス時間も短縮されます。
図4。FGI VFDと他社のソリューションの比較
2) 信頼性の高い運用のための多層保護
システムレベルのオンライン冗長性に加え、VFDの各相は3つの冗長パワーセルをサポートしています。
パワーセルが故障した場合、システムは自動的に故障ユニットをバイパスしつつ、残りのパワーセルは稼働させ続けます。これにより、個々の部品の故障が生産プロセスに与える影響を最小限に抑え、システム全体の可用性が向上します。
図5。パワーセルバイパスプロセス
3) 適応的負荷分配と自動電力分散
VFDは異なる負荷条件に自動的に適応します。
マルチドライブ用途では、手動介入なしの自動電力バランスを提供し、最大10台のVFDユニットのマスター・スレーブ制御をサポートします。
これにより、このシステムは大型ベルトコンベヤーや、正確な負荷分担が求められる重負荷の多モーター用途に特に適しています。
4) インテリジェントマイニングのための通信インターフェース
VFDはインテリジェントマイニングシステムの通信要件をサポートし、光ファイバー、イーサネット、無線ネットワークなど複数の通信オプションを提供します。
景芳炭鉱では、イーサネット通信が地下および地上監視システムへの運用データを送信するために使用されています。
また、リモート監視や故障診断もサポートしています。PCやモバイルアプリケーションを通じて、オペレーターは動作パラメータを監視し、故障を解析し、主要コンポーネントの期待寿命を評価できます。
これにより、より賢明な機器管理や予知保全の基盤が築かれます。
結論
鉱業業界は急速に大規模で自動化された、より知能的な操業へと移行しています。インテリジェント鉱山の取り組みが発展し続ける中で、高電圧・高出力の可変周波数ドライブシステムは、ベルトコンベヤーやスクレーパーコンベヤーなどの重要機器にとってますます重要になっています。
地下用途における主な課題の一つは、従来の駆動システムからの高調波歪みであり、これは電力品質やモーターの動作の両方に影響を与える可能性があります。
FGIの高電圧耐爆変周波数装置は景芳炭鉱で成功裏に応用され、位相シフト変圧器、カスケード式パワーセルトポロジー、ベクトル制御、インテリジェント・マスタースレーブ電力バランス技術の利点を示しました。
このシステムは入力高調波歪みを3%未満、出力電圧を2%未満に抑え、地下採掘機器に対して低高調波駆動の解決策を提供します。
マスター・スレーブ・ドループ制御戦略は最大5,000 mの距離でモーター動力伝達をサポートし、システムは最大0.99のパワーファクターを達成します。光ファイバー通信、故障警告、リモート監視、適応電力バランスと組み合わせることで、コンベヤードライブシステムの全体的な効率と信頼性を向上させます。
先進的な可変周波数駆動技術を地下採掘機器に適用することで、FGIは不要なエネルギー消費、機械的摩耗、メンテナンスの削減に寄与し、業界のより安全で効率的、かつ知能の高い採掘作業への移行を支援します。
インテリジェントマイニングが拡大し続ける中で、高電圧の防爆VFDはベルトコンベヤー、スクレーパーコンベヤー、ホイスト、ポンプ、ファン、その他の高出力鉱山機器などの用途でますます重要な役割を果たすでしょう。
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