Giới thiệu
Khi các mỏ than tăng tốc chuyển đổi sang vận hành thông minh và tự động hóa, hệ điều khiển truyền động thông minh cho các thiết bị điện áp cao, công suất lớn như băng tải băng tải chính và băng tải cào ngày càng trở nên quan trọng để nâng cao năng suất và giảm chi phí vận hành, bảo trì.
Băng tải băng tải chính, là phần quan trọng của hệ thống vận chuyển than dưới lòng đất, thường hoạt động dưới điều kiện tải trọng cao với công suất vận chuyển lớn và chu kỳ vận hành liên tục kéo dài. Các hệ thống điều khiển tốc độ khớp nối thủy lực truyền thống thường gặp phải tổn thất trượt đáng kể, hiệu suất tổng thể thấp, hiệu suất điều chỉnh tốc độ hạn chế và yêu cầu bảo trì khắt khe. Những hạn chế này khiến chúng ngày càng không phù hợp cho các hoạt động khai thác thông minh hiện đại.
Công nghệ truyền động tần số biến đổi điện áp cao (VFD) do đó đã trở thành giải pháp then chốt để nâng cấp thiết bị vận chuyển ngầm. Với dải điều chỉnh tốc độ rộng, điều khiển động cơ chính xác, phản hồi động nhanh và khả năng khởi động mềm, VFD điện áp cao có thể cải thiện đáng kể hiệu suất vận hành của hệ thống băng tải hạng nặng.
Được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng khai thác than dưới lòng đất, thiết kế cao của FGIVFD chống nổ điện áp H kết hợp điều khiển phối hợp chủ-tớ, mô-men xoắn khởi động cao, vận hành đáng tin cậy và cân bằng công suất thông minhcung cấp giải pháp truyền động hiệu quả và đáng tin cậy hơn cho băng tải băng tải đa động cơ.
Ứng dụng điển hình của VFD chống nổ điện áp cao cho hệ thống băng tải
1. Cấu hình hệ thống
Nguyên lý hệ thống
Mỏ than Jingfang, một công ty con của Tập đoàn Nhập khẩu & Xuất khẩu Than Shanxi, hoạt động sản xuất than thô và than sạch cũng như khai thác toàn diện than đá.
Băng tải chính của mỏ được dẫn động bởi ba động cơ không đồng bộ. Động cơSố 1 và số 2 được kết nối với cùng một trục và điều khiển một ròng rọc, trong khi động cơ số 3 độc lập điều khiển một ròng rọc khác.
Mỗi động cơ có công suất định mức 550 kW và được dẫn động bởi một VFD chống nổ điện áp cao 6 kV, công suất 855 kW riêng biệt.
Tủ điều khiển băng tải băng tải giao tiếp với ba VFD qua sợi quang thạch anh, cho phép phối hợp master-slave và cân bằng công suất thời gian thực giữa các động cơ. Cấu hình này giúp duy trì phân bố mô-men xoắn ổn định và đảm bảo vận hành hệ thống băng tải hiệu quả, đáng tin cậy.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống băng tải
2. Thiết bị nổ điện áp caoCấu trúc hệ thống VFD chống phát triển
Điện áp lưới 6 kV được kết nối với máy biến áp dịch pha, thực hiện ba chức năng chính.
Đầu tiên, nó chuyển đổi điện áp cao đầu vào thành các nguồn điện độc lập ba pha 690 V để cung cấp nguồn cách ly cho các tế bào nguồn.
Thứ hai, cấu hình cuộn dây mở rộng delta tạo ra sự dịch pha giữa các điện áp đầu vào của từng tế bào công suất, tạo thành cấu trúc chỉnh lưu đa xung giúp giảm hiệu quả méo sóng hài phía lưới.
Thứ ba, máy biến áp cung cấp nguồn điện cách ly cho kiến trúc pin điện nối tiếp.
Các pin công suất sử dụng công nghệ PWM dịch pha mang điện. Bằng cách tạo ra sự khác biệt pha phù hợp giữa các tín hiệu sóng mang liền kề, các dạng sóng điện áp đầu ra của từng tế bào nguồn được chồng lên nhau để tạo ra dạng sóng đầu ra gần giống với dạng sóng hình sin.
Hệ thống điều khiển được xây dựng xung quanh bộ xử lý DSP tốc độ cao và sử dụng thuật toán điều khiển vector kỹ thuật số hoàn toàn. Các lệnh và phản hồi trạng thái hoạt động được truyền giữa bộ điều khiển chính và các mô-đun nguồn thông qua truyền thông cáp quang. Kiến trúc này cung cấp phản hồi nhanh, độ chính xác điều khiển cao và khả năng chống nhiễu điện từ mạnh mẽ, đặc biệt quan trọng trong môi trường khai thác dưới lòng đất.
Hình 2. Cấu trúc hệ thống VFD chống nổ điện áp cao
Cấu trúc pin nguồn
VFD chống cháy nổ điện áp cao áp áp dụng cấu trúc tế bào công suất nối chuỗi. Mỗi pin nguồn nhận tín hiệu điều chế hình sin từ bộ điều khiển chính và tạo ra dạng sóng đầu ra SPWM riêng thông qua dịch pha mang.
Các dạng sóng điện áp đầu ra từ nhiều tế bào công suất sau đó được chồng lên nhau để tạo thành một dạng sóng điện áp gần như hình sin. Do đó, dạng sóng đầu ra VFD gần với điện áp sin tần số tiện ích tiêu chuẩn.
Thiết kế này loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lọc đầu ra bổ sung và giảm đáng kể nhiễu hài đến động cơ.
Do dv/dt thấp, điện áp đầu ra gây áp lực điện ít hơn lên động cơ và cách điện cáp. Do đó, hệ thống có thể sử dụng với các động cơ và cáp tiêu chuẩn đồng thời hỗ trợ truyền động cơ trên khoảng cách lên đến 5.000 m.
Tại Mỏ Than Jingfang, các VFD chống nổ điện áp cao được lắp đặt theo đường cắt ngang cách băng tải khoảng 100 m.
Với nhiễu hài rất thấp ở phía lưới và tác động hài đặc biệt thấp lên động cơ, hệ thống này được công nhận rộng rãi là giải pháp "VFD xanh, hài thấp".
Hình 3. Cấu trúc pin nguồn
3. Chiến lược kiểm soát và kết quả ứng dụng
Trong các ứng dụng băng tải đa động cơ, sự phân bổ tải không đều giữa các động cơ có thể là một thách thức lớn.
Ngay cả các động cơ cùng mẫu cũng có thể có sự khác biệt về đặc tính vật liệu và dung sai sản xuất, dẫn đến sự khác biệt về đặc tính tốc độ và mô-men xoắn. Nếu không có sự phối hợp hiệu quả, những khác biệt này có thể dẫn đến phân bổ công suất không cân bằng giữa ổ chủ và ổ tớ.
Để giải quyết vấn đề này, dự án sử dụng hệ thống truyền thông cáp quang thạch anh master-slave tốc độ cao. Mạng truyền thông cho phép trao đổi dữ liệu nhanh chóng đồng thời duy trì truyền tín hiệu đáng tin cậy giữa các VFD.
Ngoài ra, VFD chống nổ điện áp cao của FGI còn tích hợp chiến lược kiểm soát tốc độ rơi dựa trên điều khiển vector. Bằng cách phản ứng động với sự thay đổi dòng điện động cơ, hệ thống có thể phân phối tải chính xác giữa nhiều động cơ và duy trì chia sẻ công suất cân bằng mà không cần điều chỉnh thủ công.
Kết quả ứng tuyển tại Mỏ Than Jingfang
1) Khởi động băng tải mượt mà và kiểm soát tốt
VFD cho phép vận hành khởi động mềm thực sự cho băng tải.
Ở tần số thấp, VFD có thể cung cấp mô-men xoắn định mức lên đến 2,2 lần, trong khi thời gian khởi động có thể điều chỉnh liên tục từ 1 đến 3.600 giây. Điều này cho phép hệ thống đáp ứng các yêu cầu khắt khe của việc khởi động băng tải nặng.
2) Cân bằng công suất chính xác
Hệ thống đạt được sự cân bằng mô-men xoắn và công suất chính xác giữa bốn động cơ đầu và hai động cơ cuối hoạt động trên phạm vi vận chuyển lên đến 5.000 m.
Sự mất cân bằng giữa các động cơ riêng lẻ được duy trì dưới 2%, cải thiện đáng kể độ ổn định của hoạt động đa động cơ.
3) Chuyển đổi ổ đĩa trực tuyến
Hệ thống hỗ trợ chuyển mạch trực tuyến và dự phòng.
Nếu một VFD bị ngừng hoạt động do lỗi, VFD dự phòng có thể được đưa vào hoạt động ngay lập tức. Điều này giúp duy trì hoạt động liên tục của băng tải và giảm nguy cơ gián đoạn sản xuất.
4) Tự động điều chỉnh tốc độ băng tải
Kết hợp với cảm biến lưu lượng than, hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh tốc độ băng tải theo dòng vật liệu thực tế.
Nói một cách đơn giản: nhiều than hơn, tốc độ cao hơn; Ít than hơn, tốc độ thấp hơn.
Bằng cách điều chỉnh tốc độ băng tải phù hợp với tải trọng thực tế, hệ thống giảm vận hành tốc độ cao không cần thiết và nâng cao hiệu quả vận chuyển tổng thể.
5) Tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hànhs
Việc ứng dụng công nghệ truyền động tần số biến thiên mang lại lợi ích tiết kiệm năng lượng và kinh tế đáng kể.
Khởi động mềm VFD giúp giảm tác động cơ học và điện khi khởi động. Điều chỉnh tốc độ dựa trên tải trọng cũng giúp giảm thời gian băng tải hoạt động ở tốc độ cao không cần thiết.
Nhờ đó, sự mài mòn cơ học trên động cơ, ròng rọc, trục lường, dây đai và các bộ phận truyền động khác có thể được giảm bớt, giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị đồng thời giảm yêu cầu bảo trì và chi phí.
Hoạt động động cơ tốc độ thấp cũng tiêu thụ ít năng lượng điện hơn đáng kể so với vận hành liên tục tốc độ cao trong điều kiện tải thích hợp.
Đối với các hệ thống băng tải ngầm lớn, những cải tiến này có thể mang lại lợi ích đáng kể về hiệu quả năng lượng, bảo vệ thiết bị, giảm bảo trì và kiểm soát chi phí vận hành.
4. Ưu điểm chính cho các ứng dụng khai thác thông minh
1) Thiết kế nhỏ gọn và bảo trì đơn giản
Một cách tiếp cận phổ biến trong ngành là sử dụng biến áp di động cùng với VFD. Cấu hình này đòi hỏi thêm không gian lắp đặt và đòi hỏi nhiều công việc đi dây cáp và kết nối điện tại chỗ.
FGI tích hợp máy biến áp và VFD thành một thiết bị tích hợp duy nhất, với cả cấu hình VFD cao áp 10 kV và 6 kV có sẵn. Điều này giúp giảm đáng kể diện tích lắp đặt và đơn giản hóa việc xây dựng tại chỗ.
VFD chống nổ điện áp cao cũng sử dụng thiết kế mô-đun. Các mô-đun chức năng có thể được thay thế hoặc nâng cấp theo yêu cầu thực tế, giúp việc bảo trì sau này thuận tiện hơn và giảm thời gian sử dụng.
Hình 4. So sánh giữa FGI VFD và các giải pháp của các nhà sản xuất khác
2) Nhiều lớp bảo vệ để vận hành ổn định
Ngoài dự phòng trực tuyến ở cấp hệ thống, mỗi pha của VFD còn hỗ trợ ba pin nguồn dự phòng.
Nếu một tế bào nguồn bị hỏng, hệ thống có thể tự động bỏ qua thiết bị lỗi trong khi vẫn giữ cho các tế bào nguồn còn lại hoạt động. Điều này giúp giảm thiểu tác động của các hỏng hóc linh kiện riêng lẻ lên quy trình sản xuất và cải thiện khả năng sẵn sàng của hệ thống tổng thể.
Hình 5. Quy trình bypass pin nguồn
3) Chia sẻ tải thích ứng và cân bằng năng lượng tự động
VFD tự động thích ứng với các điều kiện tải khác nhau.
Đối với các ứng dụng đa ổ đĩa, hệ thống cung cấp cân bằng công suất tự động mà không cần can thiệp thủ công và hỗ trợ điều khiển master-slave lên đến 10 thiết bị VFD.
Điều này làm cho hệ thống đặc biệt phù hợp với băng tải băng tải lớn và các ứng dụng đa động cơ tải nặng khác, nơi cần chia sẻ tải chính xác.
4) Giao diện truyền thông cho khai thác thông minh
VFD hỗ trợ các yêu cầu truyền thông cho hệ thống khai thác thông minh và cung cấp nhiều tùy chọn giao tiếp, bao gồm cáp quang, Ethernet và mạng không dây.
Tại mỏ than Jingfang, truyền thông Ethernet được sử dụng để truyền dữ liệu vận hành đến hệ thống giám sát dưới lòng đất và bề mặt.
Hệ thống cũng hỗ trợ giám sát từ xa và chẩn đoán lỗi. Thông qua máy tính cá nhân hoặc ứng dụng di động, các nhà vận hành có thể giám sát các thông số vận hành, phân tích lỗi và đánh giá tuổi thọ dự kiến của các linh kiện quan trọng.
Điều này tạo nền tảng cho quản lý thiết bị thông minh hơn và bảo trì dự đoán trước.
Kết luận
Ngành khai thác mỏ đang nhanh chóng chuyển sang các hoạt động quy mô lớn hơn, tự động hóa hơn và thông minh hơn. Khi các sáng kiến khai thác thông minh tiếp tục phát triển, các hệ thống truyền động tần số biến thiên điện áp cao, công suất cao ngày càng trở nên quan trọng đối với các thiết bị quan trọng như băng tải băng tải và băng tải cào.
Một trong những thách thức lớn trong ứng dụng dưới lòng đất là biến dạng hài từ các hệ thống truyền động truyền thống, có thể ảnh hưởng đến cả chất lượng công suất và hoạt động của động cơ.
Hệ thống VFD chống nổ điện áp cao của FGI đã được ứng dụng thành công tại Mỏ Than Jingfang, thể hiện ưu điểm của biến áp dịch pha, cấu trúc tế bào điện nối tiếp, điều khiển vectơ và công nghệ cân bằng công suất master-slave thông minh.
Hệ thống đạt được méo hài đầu vào dưới 3% và biến dạng hài điện áp đầu ra dưới 2%, mang lại giải pháp truyền động hài thấp cho thiết bị khai thác dưới lòng đất.
Chiến lược điều khiển rụng master-slave hỗ trợ truyền động cơ trên khoảng cách lên đến 5.000 m, trong khi hệ thống đạt hệ số công suất lên đến 0,99. Kết hợp với truyền thông cáp quang, cảnh báo lỗi, giám sát từ xa và cân bằng năng lượng thích ứng, giải pháp này nâng cao hiệu quả tổng thể và độ tin cậy của hệ thống truyền động băng tải.
Bằng cách áp dụng công nghệ truyền động tần số biến thiên tiên tiến vào thiết bị khai thác dưới lòng đất, FGI giúp giảm tiêu thụ năng lượng không cần thiết, mài mòn cơ học và yêu cầu bảo trì, đồng thời hỗ trợ ngành chuyển đổi sang hoạt động khai thác an toàn hơn, hiệu quả hơn và thông minh hơn.
Khi khai thác thông minh tiếp tục mở rộng, VFD chống cháy nổ điện áp cao sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng như băng tải, băng tải cào, cời, máy bơm, quạt và các thiết bị khai thác công suất cao khác.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
