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Un levage fiable est essentiel pour l’exploitation minière en profondeur, où des charges lourdes, de longues distances de déplacement et des conditions souterraines exigeantes imposent des exigences élevées en matière de contrôle de transmission et de fiabilité des équipements. À la mine d’or de Sanshandao dans la province du Shandong, en Chine, l’onduleur haute tension à quatre quadrants de FGI a été choisi pour contrôler les moteurs de palan dans un projet impliquant un puits vertical conçu pour atteindre 1 915 mètres sous le niveau de la mer.
L’application démontre comment la technologie de variation de fréquence haute tension et le contrôle maître-esclave peuvent améliorer la coordination motrice, la performance de levage et l’efficacité énergétique dans des opérations minières exigeantes.
Située près de la baie de Laizhou, la mine d’or de Sanshandao est un projet minier offshore aux conditions géologiques complexes. Le puits a été conçu pour atteindre une profondeur de 1 915 mètres, avec un diamètre de puits fini de 10,5 mètres et un diamètre de fouille de 11,5 mètres. Au moment du rapport de projet, il était décrit comme le premier puits vertical en construction d’Asie et le cinquième plus profond au monde.
La mine fait face à plusieurs défis lors de la construction du puits, notamment une forte contrainte au sol, la pression de l’eau dans la roche fracturée, la corrosion des eaux souterraines et l’augmentation des températures souterraines. Ces conditions imposent des exigences exigeantes quant à la fiabilité et à la stabilité opérationnelle du système de contrôle électrique de levage.
Le système de levage utilise deux machines à enrouler, chacune équipée de deux moteurs entraînant un tambour commun via une configuration à double moteur et double boîte de vitesses. Le système supporte à la fois le fonctionnement monomoteur et bimoteur, offrant une flexibilité selon les conditions de construction et de charge.
Pour répondre à ces exigences, le projet a sélectionné quatre unités FGI JD-BP37-2250T à quatre quadrants à onduleur haute tension, chacune d’une puissance de 2 250 kW et 6 kV, pour contrôler quatre moteurs haute tension de 2 000 kW.
La série JD-BP37-T combine le contrôle vectoriel, le retour d’énergie régénératif et la technologie IGBT haute puissance pour des applications industrielles exigeantes.
| Paramètre | Spécification |
|---|---|
| Modèle à onduleur | JD-BP37-2250T |
| Puissance nominale | 2 250 kW par unité |
| Tension d’entrée | 6 kV |
| Tension de sortie | 0–6 kV |
| Courant de sortie nominal | 270 A |
| Plage de fréquences | 0–50 Hz |
| Capacité de surcharge continue | 110% |
| Capacité de surcharge à court terme | 150 % pendant 1 minute ; 220 % pendant 1,5 seconde |
| Puissance motrice contrôlée | 2 000 kW par moteur |
| Quantité installée de l’onduleur | 4 unités |
La configuration directe d’entrée et de sortie haute tension permet à l’onduleur de se connecter au système moteur 6 kV existant sans nécessiter un transformateur intermédiaire de réduction dans le cadre de l’installation de transmission.
Une caractéristique clé de l’onduleur haute tension à quatre quadrants est sa capacité à fonctionner à la fois en mode moteur et régénératif.
Lors du levage, l’onduleur convertit la puissance électrique en sortie moteur contrôlée. Lors du fonctionnement régénératif, comme lorsque le palan abaisse une charge lourde, le moteur peut fonctionner comme un générateur. L’onduleur renvoie l’énergie électrique récupérée au réseau alternatif plutôt que de la dissiper entièrement sous forme de chaleur par le freinage conventionnel.
Ce flux d’énergie bidirectionnel soutient le freinage régénératif, réduit les pertes d’énergie liées au freinage et contribue à améliorer l’efficacité énergétique globale du système de levage.
L’étage d’entrée contrôlé par PWM aide également à réguler le courant côté grille et à améliorer le facteur de puissance tout en limitant l’injection de courant harmonique dans des conditions de fonctionnement appropriées.
Pour les applications de palan de mine, un couple stable ainsi qu’une accélération et une décélération contrôlées sont particulièrement importants. La série JD-BP37-T utilise un contrôle vectoriel pour fournir un couple de démarrage élevé, un contrôle du couple réactif et une régulation précise de la vitesse.
Le système intègre également des fonctions orientées application, notamment :
Dérivation automatique de l’unité motrice :Permet de contourner un groupe de puissance défectueux sous conditions de défaut supportées, aidant ainsi le système à compléter un cycle de fonctionnement lorsque les conditions requises sont satisfaites.
Protection contre la perte de puissance :Fournit des mesures de protection contre les interruptions d’approvisionnement inattendues, un aspect important lors de l’abaissiment à charge lourde.
Pertes en réserve faibles :Réduit les pertes sans charge lorsque le disque est en veille.
Plusieurs méthodes de freinage :Prend en charge les fonctions régénératives, DC, de sécurité et de freinage dynamique.
Pouvoir de contrôle indépendant :Facilite l’inspection, la mise en service et la maintenance sans alimenter le circuit principal haute tension.
Interfaces de contrôle intégrées :Prend en compte l’échange de signaux avec le système de contrôle électrique du palan.
Ces fonctions contribuent à répondre aux exigences pratiques du levage lourd, où la continuité opérationnelle et la protection coordonnée sont essentielles.
Chaque machine de levage utilise deux moteurs pour entraîner un tambour commun. Le principal défi de contrôle est de maintenir la vitesse, le couple et la puissance des moteurs bien coordonnés.
Une configuration à onduleur unique et deux moteurs peut être difficile à optimiser lorsque les moteurs et les composants mécaniques de la transmission présentent des caractéristiques différentes. Un partage inégal de charge peut amener un moteur à supporter une charge excessive tandis que l’autre contribue moins, augmentant ainsi le risque de surcharge moteur et de stress dans le système d’entraînement.
Pour ce projet, FGI a mis en place un schéma de contrôle maître-esclave dans lequel deux onduleurs indépendants entraînent deux moteurs séparément.
Un onduleur agit comme maître, tandis que l’autre agit comme esclave. La station opératrice envoie les commandes de fonctionnement et la référence de vitesse à l’onduleur maître. Les deux onduleurs échangent des informations de contrôle via la communication par fibre optique.
La configuration des commandes fonctionne comme suit :
Contrôle de vitesse master :L’onduleur maître reçoit la référence de vitesse du système de contrôle du palan et régule la vitesse du moteur.
Contrôle du couple esclave :L’onduleur esclave suit les commandes coordonnées du maître et régule le couple du moteur.
Coordination du partage de charge :Le système surveille les informations sur le courant actif et ajuste le fonctionnement de la transmission pour aider à équilibrer la puissance du moteur et le couple.
Flexibilité du mode de fonctionnement :La configuration de commande supporte le fonctionnement à double moteur et permet la sélection du mode monomoteur via l’interface de contrôle.
Cette configuration permet aux deux moteurs de fonctionner ensemble tout en conservant un contrôle indépendant de la conduite et des capacités de protection spécifiques au moteur.
Pour un palan de mine profond, une coordination maître-esclave efficace aide à réduire les charges inégales, favorise une accélération et une décélération plus fluides, et améliore la régularité du processus global de levage.
L’onduleur haute tension à quatre quadrants constitue une partie centrale de l’entraînement du palan et de l’architecture de contrôle électrique.
La station opérateur fournit des commandes avant et arrière, une commande d’arrêt d’urgence et une référence de vitesse analogique. L’onduleur renvoie les signaux de fonctionnement opérationnel, de défaut et de statut du circuit de sécurité, ainsi que des signaux de surveillance analogique pour le système de contrôle.
Les interrupteurs d’isolation haute tension assurent une maintenance sécurisée. Le signal de rupture de défaillance haute tension de l’onduleur est verrouillé avec le disjoncteur en amont afin qu’une panne de l’inverseur puisse déclencher la déconnexion en amont correspondante.
Le système de contrôle du palan plus large intègre également des fonctions de protection contre la survitesse, les dépassements de course, la rotation inverse, les anomalies du système de freinage, le jeu de la corde, les conditions de lubrification et autres défauts de fonctionnement. Selon la condition détectée, le système peut déclencher une réponse de protection appropriée, y compris le freinage d’urgence.
L’intégration du contrôle de transmission, du retour de retour de fonctionnement et des verrouillages de protection est essentielle pour le fonctionnement sûr des équipements de levage de mines à haute puissance.
Le système de treuil de mine Sanshandao a été mis en service avec succès fin décembre 2021, selon le rapport du projet original. Le rapport a enregistré un fonctionnement normal pendant plus de deux ans après sa mise en service.
L’application sur le terrain a démontré plusieurs avantages pratiques :
Contrôle amélioré du levage :Le contrôle de fréquence variable permettait une accélération et une décélération plus douces.
Meilleure coordination des deux moteurs :Le contrôle maître-esclave aidait à coordonner la sortie de deux moteurs entraînant un tambour commun.
Récupération d’énergie régénérative :Le fonctionnement à quatre quadrants permettait de renvoyer de l’énergie électrique au réseau lors du fonctionnement régénératif.
Fiabilité opérationnelle renforcée :Les fonctions de protection du disque, l’enclenchement des pannes et le contrôle coordonné soutenaient un fonctionnement stable du système.
Modes de fonctionnement flexibles :Le fonctionnement à moteur unique et à double moteur répondait à différentes exigences lors de la construction de l’arbre.
Le rapport original décrivait l’effet d’économie d’énergie comme significatif mais ne fournissait pas de pourcentage d’économie d’énergie quantifié. Les économies réelles dépendent du cycle de travail de levage, du profil de charge, des conditions de freinage et de la configuration globale du système.
Le projet Sanshandao illustre le rôle des variateurs de fréquence variable haute tension dans les applications minières exigeantes. Pour les arbres verticaux profonds, le système d’entraînement doit faire plus que réguler la vitesse du moteur : il doit également coordonner plusieurs moteurs, gérer l’énergie régénérative et s’intégrer à l’architecture de contrôle protectrice du palan.
L’onduleur haute tension à quatre quadrants de FGI convient à la prise en compte dans de nouvelles installations de levage de mines, des palans de construction de puits et des projets de modernisation impliquant des entraînements de palans AC existants. Sa combinaison de contrôle vectoriel, freinage régénératif et coordination maître-esclave offre une approche pratique pour améliorer les performances de la propulsion et l’utilisation de l’énergie dans les opérations minières lourdes.
Pour les opérateurs miniers et les intégrateurs de systèmes, le choix d’une solution d’entraînement doit prendre en compte les capacités nominales du moteur, la profondeur de l’arbre, les caractéristiques de la charge, les exigences de freinage, les interfaces de contrôle et l’architecture de sécurité requise.
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