Introduction
À mesure que les mines de charbon accélèrent leur transition vers des opérations intelligentes et automatisées, le contrôle intelligent de la transmission pour les équipements haute tension et haute puissance tels que les convoyeurs à bande principale et les convoyeurs à racleurs est devenu de plus en plus important pour améliorer la productivité et réduire les coûts d’exploitation et de maintenance.
Les convoyeurs à bande principale, en tant que partie essentielle des systèmes de transport souterrains du charbon, fonctionnent généralement sous des conditions de forte charge avec une grande capacité de transport et de longs cycles de fonctionnement continus. Les systèmes traditionnels de contrôle de vitesse hydraulique souffrent souvent de pertes de glissement importantes, d’une faible efficacité globale, d’une régulation de vitesse limitée et d’exigences d’entretien exigeantes. Ces limitations les rendent de plus en plus inadaptés aux opérations minières intelligentes modernes.
La technologie de variation de fréquence haute tension (VFD) est donc devenue une solution clé pour moderniser les équipements de transport souterrain. Avec une large plage de régulation de vitesse, un contrôle précis des moteurs, une réponse dynamique rapide et une capacité de démarrage en douceur, les VFD haute tension peuvent considérablement améliorer les performances opérationnelles des convoyeurs lourds.
Conçu spécifiquement pour les applications minières souterraines du charbon, le hig de FGILe VFD à l’épreuve des explosions en h-voltage combine un contrôle coordonné maître-esclave, un couple de démarrage élevé, un fonctionnement fiable et un équilibrage intelligent de la puissancepour fournir une solution de transmission plus efficace et fiable pour les convoyeurs à bande multi-moteurs.
Application typique d’un VFD à haute tension à l’épreuve des explosions pour les systèmes de convoyeurs à bande
1. Configuration du système
Principe du système
La mine de charbon Jingfang, filiale du Shanxi Coal Import & Export Group, est engagée dans la production de charbon brut et de charbon propre ainsi que dans l’utilisation complète de la gangue de charbon.
Le convoyeur principal de la mine est entraîné par trois moteurs asynchrones. Moteurles n° 1 et n° 2 sont reliés au même arbre et entraînent une poulie, tandis que le moteur n° 3 entraîne indépendamment une autre poulie.
Chaque moteur a une puissance nominale de 550 kW et est entraîné par un VFD individuel à haute tension et résistant aux explosions de 6 kV, 855 kW.
Une cabine de contrôle à convoyeur à bande communique avec les trois VFD via la fibre optique de quartz, permettant la coordination maître-esclave et l’équilibrage de puissance en temps réel entre les moteurs. Cette configuration permet de maintenir une distribution stable du couple et garantit un fonctionnement efficace et fiable du système de convoyeur.
Figure 1. Diagramme du système de convoyeur à bande
2. Explosifs à haute tensionStructure du système VFD on-Proof
La tension de grille de 6 kV est connectée à un transformateur à décalage de phase, qui remplit trois fonctions clés.
Premièrement, il convertit la haute tension entrante en alimentations triphasées indépendantes de 690 V afin de fournir une alimentation isolée aux cellules électriques.
Deuxièmement, la configuration d’enroulement à delta étendu introduit des décalages de phase entre les tensions d’entrée des cellules de puissance individuelles, formant une structure de rectification multi-impulsions qui réduit efficacement la distorsion harmonique côté grille.
Troisièmement, le transformateur fournit des alimentations électriquement isolées pour l’architecture à cellules d’alimentation en cascade.
Les cellules de puissance utilisent une technologie PWM à déphasage porteur. En introduisant des différences de phase appropriées entre des signaux porteurs adjacents, les formes d’onde de tension de sortie des cellules de puissance individuelles sont superposées pour produire une forme d’onde de sortie qui s’approche étroitement d’une forme d’onde sinusoïdale.
Le système de contrôle est construit autour d’un processeur DSP à haute vitesse et utilise un algorithme de contrôle vectoriel entièrement numérique. Les commandes et le retour d’état de fonctionnement sont transmis entre l’unité de contrôle principale et les modules d’alimentation via la communication par fibre optique. Cette architecture offre une réponse rapide, une grande précision de contrôle et une forte immunité aux interférences électromagnétiques, ce qui est particulièrement important dans les environnements miniers souterrains.
Figure 2. Structure du système VFD à haute tension à l’épreuve des explosions
Topologie des cellules de puissance
Le VFD à haute tension à l’épreuve des explosions adopte une topologie de pile de puissance en cascade. Chaque cellule de puissance reçoit un signal de modulation sinusoïdale du contrôleur principal et génère sa propre forme d’onde de sortie SPWM grâce au décalage de phase de la porteuse.
Les formes d’onde de tension de sortie provenant de plusieurs cellules de puissance sont alors superposées pour former une forme d’onde de tension quasi sinusoïdale. En conséquence, la forme d’onde de sortie du VFD est proche de celle d’une tension sinusoïdale standard à fréquence utilitaire.
Cette conception élimine le besoin d’un filtre de sortie supplémentaire et réduit considérablement les interférences harmoniques avec le moteur.
En raison de la faible tension dv/dt, la tension de sortie exerce moins de contrainte électrique sur l’isolation des moteurs et des câbles. Le système peut donc être utilisé avec des moteurs et câbles standards tout en supportant la transmission de puissance du moteur sur des distances allant jusqu’à 5 000 m.
À la mine de charbon de Jingfang, les VFD à haute tension et à l’épreuve des explosions sont installés dans une tranche à environ 100 m du convoyeur à bande.
Avec une très faible interférence harmonique côté grille et un impact harmonique particulièrement faible sur le moteur, le système est largement reconnu comme une solution « verte et basse harmonique VFD ».
Figure 3. Topologie des cellules de puissance
3. Stratégie de contrôle et résultats d’application
Dans les applications de convoyeurs à bande multi-moteurs, une répartition inégale de la charge entre les moteurs peut représenter un défi majeur.
Même les moteurs du même modèle peuvent présenter des différences dans les caractéristiques des matériaux et les tolérances de fabrication, entraînant des variations de vitesse et de couple. Sans coordination efficace, ces différences peuvent entraîner une répartition déséquilibrée de la puissance entre les moteurs maître et esclave.
Pour répondre à ce problème, le projet utilise un système de communication à fibre optique à quartz maître-esclave à haute vitesse. Le réseau de communication permet un échange rapide de données tout en maintenant une transmission fiable du signal entre les VFD.
De plus, le VFD à haute tension et anti-explosion de FGI intègre une stratégie de contrôle de la descente de vitesse basée sur le contrôle vectoriel. En répondant dynamiquement aux variations de courant du moteur, le système peut répartir la charge avec précision entre plusieurs moteurs et maintenir un partage équilibré de la puissance sans réglage manuel.
Résultats des demandes à la mine de charbon de Jingfang
1) Démarrage de convoyeur à bande lisse et contrôlé
Le FFD permet un véritable démarrage en douceur pour le convoyeur à bande.
En fonctionnement basse fréquence, le VFD peut fournir jusqu’à 2,2 fois le couple nominal, tandis que le temps de démarrage peut être ajusté en continu de 1 à 3 600 secondes. Cela permet au système de répondre aux exigences exigeantes du démarrage de convoyeurs lourds.
2) Équilibre précis de la puissance
Le système permet un équilibre précis du couple et de la puissance entre quatre moteurs de tête et deux moteurs de queue fonctionnant sur une distance de transport allant jusqu’à 5 000 m.
Le déséquilibre entre les moteurs individuels est maintenu à moins de 2 %, améliorant significativement la stabilité du fonctionnement multi-moteur.
3) Commutation de lecteurs en ligne
Le système prend en charge la commutation en ligne et la redondance.
Si un VFD est retiré de l’exploitation à cause d’un défaut, le VFD de secours peut être mis en ligne immédiatement. Cela permet de maintenir un fonctionnement continu du convoyeur à bande et réduit le risque d’interruptions de production.
4) Réglage automatique de la vitesse du convoyeur
En travaillant conjointement avec un capteur de débit de charbon, le système de contrôle peut ajuster automatiquement la vitesse de la bande en fonction du débit réel du matériau.
En termes simples : plus de charbon, plus grande vitesse ; moins de charbon, vitesse plus basse.
En adaptant la vitesse du convoyeur à la charge réelle, le système réduit les opérations à grande vitesse inutiles et améliore l’efficacité globale du transport.
5) Économies d’énergie et coûts d’exploitation réduitss
L’application de la technologie de variation en fréquence offre des avantages significatifs en matière d’économie d’énergie et d’économie.
Le démarrage en douceur VFD réduit les impacts mécaniques et électriques lors du démarrage. La régulation de la vitesse basée sur la charge réduit également le temps pendant lequel le convoyeur fonctionne à des vitesses inutilement élevées.
En conséquence, l’usure mécanique des moteurs, poulies, roues folles, courroies et autres composants de transmission peut être réduite, contribuant ainsi à prolonger la durée de vie de l’équipement tout en diminuant les besoins et coûts d’entretien.
Le fonctionnement moteur à basse vitesse consomme également nettement moins d’énergie électrique que le fonctionnement continu à grande vitesse sous des conditions de charge appropriées.
Pour les grands systèmes de convoyeurs souterrains à bande roulante, ces améliorations peuvent apporter des avantages substantiels en termes d’efficacité énergétique, de protection des équipements, de réduction de la maintenance et de contrôle des coûts d’exploitation.
4. Avantages clés pour les applications de minage intelligent
1) Conception compacte et maintenance simplifiée
Une approche courante dans l’industrie consiste à utiliser un transformateur mobile avec un VFD. Cette configuration nécessite un espace d’installation supplémentaire et implique un travail important de passage de câbles et de raccordement électrique sur site.
Le FGI intègre le transformateur et le VFD dans une seule unité intégrée, avec des configurations VFD haute tension de 10 kV et 6 kV disponibles. Cela réduit considérablement l’espace d’installation et simplifie la construction sur site.
Le VFD à haute tension et à l’épreuve des explosions adopte également une conception modulaire. Les modules fonctionnels peuvent être remplacés ou améliorés selon les besoins réels, rendant la maintenance ultérieure plus pratique et réduisant le temps de service.
Figure 4. Comparaison entre FGI VFD et les solutions d’autres fabricants
2) Plusieurs couches de protection pour un fonctionnement fiable
En plus de la redondance en ligne au niveau système, chaque phase du VFD supporte trois cellules d’alimentation redondantes.
Si une cellule d’alimentation tombe en panne, le système peut automatiquement contourner l’unité défectueuse tout en maintenant les cellules d’alimentation restantes en fonctionnement. Cela minimise l’impact des défaillances individuelles des composants sur le processus de production et améliore la disponibilité globale du système.
Figure 5. Processus de contournement des cellules de puissance
3) Partage de charge adaptatif et équilibrage automatique de la puissance
Le VFD s’adapte automatiquement à différentes conditions de charge.
Pour les applications multi-disques, le système assure un équilibrage automatique de puissance sans intervention manuelle et prend en charge le contrôle maître-esclave de jusqu’à 10 unités VFD.
Cela rend le système particulièrement adapté aux grands convoyeurs à bande et autres applications multi-moteurs lourdes où un partage précis de la charge est essentiel.
4) Interfaces de communication pour l’exploitation minière intelligente
Le VFD prend en charge les besoins de communication pour les systèmes miniers intelligents et offre de multiples options de communication, notamment la fibre optique, l’Ethernet et les réseaux sans fil.
À la mine de charbon Jingfang, la communication Ethernet est utilisée pour transmettre les données opérationnelles aux systèmes de surveillance souterraine et de surface.
Le système prend également en charge la surveillance à distance et le diagnostic des pannes. Grâce à un PC ou une application mobile, les opérateurs peuvent surveiller les paramètres de fonctionnement, analyser les pannes et évaluer la durée de vie attendue des composants clés.
Cela constitue une base pour une gestion des équipements plus intelligente et une maintenance prédictive plus intelligente.
Conclusion
L’industrie minière évolue rapidement vers des opérations à plus grande échelle, plus automatisées et plus intelligentes. À mesure que les initiatives minières intelligentes continuent de se développer, les systèmes à entraînement à fréquence variable haute tension et haute puissance deviennent de plus en plus importants pour les équipements critiques tels que les convoyeurs à bande et les convoyeurs racleurs.
L’un des principaux défis dans les applications souterraines est la distorsion harmonique des systèmes d’entraînement conventionnels, qui peut affecter à la fois la qualité de l’alimentation et le fonctionnement du moteur.
Le VFD à haute tension et anti-explosion de FGI a été appliqué avec succès à la mine de charbon Jingfang, démontrant les avantages de son transformateur à décalage de phase, de la topologie des cellules de puissance en cascade, du contrôle vectoriel et de la technologie intelligente d’équilibrage de puissance maître-esclave.
Le système atteint une distorsion harmonique d’entrée inférieure à 3 % et une distorsion harmonique de tension de sortie inférieure à 2 %, offrant une solution d’entraînement à faible harmonique pour les équipements miniers souterrains.
La stratégie de contrôle de la chupe maître-esclave permet la transmission de puissance moteur sur des distances allant jusqu’à 5 000 m, tandis que le système atteint un facteur de puissance allant jusqu’à 0,99. Combinée à la communication par fibre optique, à l’alerte en cas de panne, à la surveillance à distance et à l’équilibrage adaptatif de la puissance, la solution améliore l’efficacité globale et la fiabilité des systèmes d’entraînement de convoyeurs.
En appliquant une technologie avancée de variation en fréquence aux équipements miniers souterrains, FGI contribue à réduire la consommation d’énergie inutile, l’usure mécanique et les besoins de maintenance tout en soutenant la transition de l’industrie vers des opérations minières plus sûres, plus efficaces et plus intelligentes.
À mesure que l’exploitation minière intelligente continue de s’étendre, les VFD à haute tension et à l’épreuve joueront un rôle de plus en plus important dans des applications telles que les convoyeurs à bande, les convoyeurs racleurs, les palans, les pompes, les ventilateurs et autres équipements miniers à haute puissance.
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