プロジェクト概要

信頼性の高い揚げ上げは、重荷重、長距離移動、厳しい地下環境により駆動制御や機器の信頼性に高い要求が求められる深坑採掘において不可欠です。中国山東省の三山道金鉱では、FGIの四象限高電圧インバーターが、海面下1,915メートルに達する垂直シャフトを扱うプロジェクトで鉱山揚げモーターの制御に選ばれました。

この応用は、高電圧可変周波数駆動技術とマスター・スレーブ制御が、要求の高い採掘作業においてモーターの調整、揚げ性能、エネルギー効率を向上させることを示しています。

1. プロジェクトの背景:複雑な条件下での深坑採掘

ライジョウ湾近くに位置する三山道金鉱は、複雑な地質条件を持つ沖合採掘プロジェクトです。この坑道は深さ1,915メートルに達することを想定して設計され、完成した坑道の直径は10.5メートル、掘削径は11.5メートルです。プロジェクト報告書当時、これはアジア初、世界で5番目に深い垂直坑道として建設中と説明されていました。

坑道建設中は、高い地盤応力、亀裂岩中の水圧、腐食性地下水、地下温度の上昇など、いくつかの課題に直面しています。これらの条件は、揚げ電気制御システムの信頼性と運用安定性に厳しい要件を課します。

揚帆システムは2台の巻揚機を使用し、それぞれ2つのモーターを搭載し、共通のドラムを駆動し、デュアルモーターとデュアルギアボックスの配置を形成しています。このシステムは単一モーターおよび二重モーターの両方の動作をサポートし、異なる構造条件や負荷条件に柔軟性を提供します。

これらの要件を満たすため、プロジェクトは4台のFGI JD-BP37-2250T 4象限高電圧インバーターユニットを選定し、それぞれ2,250 kWと6 kVの定格で、4基の2,000 kW高電圧モーターを制御しました。

2. FGI四象限高電圧インバーター:主要技術仕様

JD-BP37-Tシリーズは、ベクトル制御、回生エネルギーフィードバック、高出力IGBT技術を組み合わせ、要求の高い産業用駆動アプリケーションに対応しています。

直接高電圧入力・出力構成により、インバータは駆動配置の一部として中間の降圧変圧器を必要とせずに既存の6kVモーターシステムに接続できます。

四象限操作と回生ブレーキ

フォークォドラント高電圧インバーターの重要な特徴は、運転モードと回生モードの両方で動作できることです。

揚げる際、インバーターは電力を制御されたモーター出力に変換します。回生運転中、例えばホイストが重い荷物を降ろす際には、モーターが発電機として動作します。インバーターは回収した電気エネルギーを、従来のブレーキで熱としてすべて放散するのではなく、交流グリッドに戻します。

この双方向のエネルギーフローは回生ブレーキをサポートし、ブレーキに伴うエネルギー損失を減少させ、揚げシステム全体のエネルギー効率の向上に寄与します。

PWM制御入力段は、グリッド側電流の調整や力率向上、適切な動作条件下での高調波電流注入の制限にも役立ちます。

制御性能と運用保護

地雷ホイスト用途では、安定したトルクと制御された加速・減速が特に重要です。JD-BP37-Tシリーズはベクトル制御を採用し、高い始動トルク、応答性の高いトルク制御、正確な速度調整を実現します。

このシステムはまた、以下のようなアプリケーション指向機能も組み込んでいます:

• 自動パワーユニットバイパス:故障した動力ユニットをサポート可能な故障条件下でバイパスし、必要な動作条件が満たされたときにシステムが動作サイクルを完了するのに役立ちます。

• 停電保護:予期せぬ供給中断に対する保護措置を提供し、重負荷降下時に重要な考慮事項となります。

• 待機損失が少ない:スタンバイ中のドライブの無負荷損失を低減します。

• 複数のブレーキ方法:回生、直流、安全、動的ブレーキ機能をサポートします。

• 独立制御力:主高電圧回路に通電することなく、点検、試運転、保守を容易にします。

• 統合制御インターフェース:ホイスト電気制御システムとの信号交換をサポートします。

これらの機能は、運用の連続性と協調した保護が不可欠な重荷重荷上げの実務的要件に対応するのに役立ちます。

3. 二重モーター揚げのためのマスター・スレーブ制御

なぜマスター・スレーブ・コントロールが選ばれたのか

各ホイストマシンは2つのモーターを使って共通のドラムを駆動します。主な制御課題は、モーターの速度、トルク、出力を適切に調整することです。

単一インバーター・2モーターの配置は、モーターと機械的伝達部品の特性が異なる場合、最適化が難しいことがあります。負荷分担が不均等になると、一方のモーターが過剰な負荷を負い、もう一方のモーターが負担を減らし、モーターの過負荷や駆動系への負荷が高まることがあります。

このプロジェクトでは、FGIが2つの独立したインバーターが2つのモーターを別々に駆動するマスター・スレーブ制御方式を実装しました。

制御システムの仕組み

一方のインバーターはマスターとして動作し、もう一方はスレーブとして動作します。オペレーターステーションは動作命令と速度参照をマスターインバータに送信します。2つのインバータは光ファイバー通信を通じて制御情報を交換します。

操作方式は以下の通りです。

1. マスター速度制御:マスターインバーターはホイスト制御システムから速度基準を受け取り、モーター速度を調整します。

2. スレーブトルクコントロール:スレーブインバーターはマスターの協調制御命令に従い、モータートルクを調整します。

3. 負荷分担の調整:システムはアクティブカレント情報を監視し、駆動動作を調整してモーターの出力とトルクのバランスを調整します。

4. 運用モードの柔軟性:制御構成はデュアルモーター動作をサポートし、制御インターフェースを通じてシングルモーターモード選択を可能にします。

この配置により、2つのモーターは独立した駆動制御とモーター固有の保護機能を保持しつつ、連携して動作することが可能です。

ディープマインホイストでは、効果的なマスター・スレーブの連携により不均一な荷重が減り、加速や減速が滑らかになり、全体の揚起プロセスの一貫性が向上します。

4. ホイスト電気制御システムとの統合

フォークアドラント高電圧インバーターは、ホイストドライブおよび電気制御アーキテクチャの中核部分を形成しています。

オペレーターステーションは前進・後退コマンド、緊急停止コマンド、アナログ速度基準を提供します。インバータは動作準備完了、故障信号、安全回路の状態信号、さらに制御システム用のアナログ監視信号を返します。

高電圧絶縁スイッチは安全な保守をサポートします。インバータの高電圧故障トリップ信号は上流の回路ブレーカーと相互ロックされており、インバーターの故障が対応する上流切断を引き起こす可能性があります。

より広いホイスト制御システムは、オーバースピード、オーバートラベル、逆回転、ブレーキシステムの異常、ロープのたるみ、潤滑状態およびその他の作動故障に対する保護機能も組み込んでいます。検知された状態に応じて、システムは緊急ブレーキを含む適切な保護反応を発動させることができます。

駆動制御、作動フィードバック、保護インターロックの統合は、高出力地雷揚起装置の安全な運用に不可欠です。

5. 試運転結果と運用上のメリット

三山道地雷揚起システムは、元のプロジェクト報告書によると2021年12月下旬に無事稼働しました。報告書は、就役後2年以上の正常運用を記録しています。

現地での応用は、いくつかの実用的な利点を示しました。

• 揚起制御の改善:可変周波数制御により、加速と減速がより滑らかになりました。

• より良い二重運動協調:マスター・スレーブ制御は、共通のドラムを駆動する2つのモーターの出力を調整していました。

• 再生エネルギー回収:四象限運転により、回生運転中に電力をグリッドに還流することが可能となりました。

• 運用信頼性の向上:ドライブ保護機能、故障連動、協調制御により安定したシステム運用が支えられました。

• 柔軟な運用モード:シングルモーターとデュアルモーターの動作は、シャフト構造における異なる要件に対応していました。

元の報告書では省エネ効果が重要であると説明されていましたが、定量化された省エネの割合は示していませんでした。実際の節約は、揚げ作業サイクル、荷重プロファイル、制動条件、システム全体の構成によって異なります。

6. 深海採掘および地雷ホイストの適用価値

三山道プロジェクトは、要求の高い鉱業用途における高電圧可変周波数駆動装置の役割を示しています。深い垂直シャフトの場合、駆動システムはモーター速度の調整だけでなく、複数のモーターを調整し、再生エネルギーを管理し、ホイストの保護制御構造と統合しなければなりません。

FGIの4象限高電圧インバーターは、新規の鉱山揚げ設置、シャフト建設ホイスト、既存の交流ホイストドライブを用いた近代化プロジェクトに適しています。ベクトル制御、回生ブレーキ、マスター・スレーブの調整の組み合わせにより、重負荷の採掘作業における駆動性能とエネルギー利用率の向上に実用的なアプローチを提供します。

鉱山運営者やシステムインテグレーターにとって、駆動ソリューションの選択はモーター定格、シャフト深さ、荷重特性、制動要件、制御インターフェース、必要な安全アーキテクチャを考慮する必要があります。

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