Introducción
A medida que las minas de carbón aceleran su transición hacia operaciones inteligentes y automatizadas, el control inteligente de accionamiento para equipos de alta tensión y alta potencia, como las cintas transportadoras principales y las transportadoras de rascadores, se ha vuelto cada vez más importante para mejorar la productividad y reducir los costes operativos y de mantenimiento.
Las cintas transportadoras principales, como parte crítica de los sistemas subterráneos de transporte de carbón, suelen operar bajo condiciones de alta carga con gran capacidad de transporte y largos ciclos de funcionamiento continuos. Los sistemas tradicionales de control de velocidad de acoplamiento hidráulico suelen sufrir pérdidas significativas por deslizamiento, baja eficiencia global, rendimiento limitado en la regulación de velocidad y exigentes requisitos de mantenimiento. Estas limitaciones los hacen cada vez más inadecuados para las operaciones mineras inteligentes modernas.
Por ello, la tecnología de accionamiento de frecuencia variable de alta tensión (VFD) se ha convertido en una solución clave para la modernización del equipo de transporte subterráneo. Con un amplio rango de regulación de velocidad, control preciso del motor, respuesta dinámica rápida y capacidad de arranque suave, los VFD de alto voltaje pueden mejorar significativamente el rendimiento operativo de los sistemas de transportes de alta resistencia.
Diseñado específicamente para aplicaciones de minería subterránea de carbón, el hig de FGIEl VFD resistente a explosiones de voltaje h combina control coordinado maestro-esclavo, alto par de arranque, funcionamiento fiable y equilibrio inteligente de potenciapara proporcionar una solución de accionamiento más eficiente y fiable para transportadoras de cinta multimotor.
Aplicación típica de un VFD resistente a explosiones de alto voltaje para sistemas de cinta transportadora
1. Configuración del sistema
Principio del sistema
Jingfang Coal Mine, una filial del Grupo de Importación y Exportación de Carbón de Shanxi, se dedica a la producción de carbón crudo y carbón limpio, así como a la utilización integral de la ganga de carbón.
La cinta transportadora principal de la mina es accionada por tres motores asincrónicos. Motors No. 1 y No. 2 están conectados al mismo eje y accionan una polea, mientras que el Motor No. 3 acciona independientemente otra polea.
Cada motor tiene una potencia nominal de 550 kW y es accionado por un VFD individual de alto voltaje y resistente a explosiones de 6 kV y 855 kW.
Un armario de control de cinta transportadora se comunica con los tres VFD a través de fibra óptica de cuarzo, permitiendo la coordinación maestro-esclavo y el equilibrio de potencia en tiempo real entre los motores. Esta configuración ayuda a mantener una distribución estable del par y garantiza un funcionamiento eficiente y fiable del sistema de transportes.
Figura 1. Diagrama del sistema de cinta transportadora
2. Explosivos de alto voltajeEstructura del sistema VFD on-Proof
La tensión de rejilla de 6 kV está conectada a un transformador de desfase de fase, que cumple tres funciones clave.
Primero, convierte el voltaje de alta tensión entrante en fuentes de alimentación trifásicas independientes de 690 V para proporcionar energía aislada a las células de potencia.
En segundo lugar, la configuración de devanado delta extendido introduce desplazamientos de fase entre las tensiones de entrada de las celdas de potencia individuales, formando una estructura de rectificación multipulso que reduce eficazmente la distorsión armónica en el lado de la red.
Tercero, el transformador proporciona fuentes de alimentación eléctricamente aisladas para la arquitectura de celda de energía en cascada.
Las celdas de potencia utilizan una tecnología PWM de desplazamiento de fase por portador. Al introducir diferencias de fase apropiadas entre señales portadoras adyacentes, las formas de onda de tensión de salida de las pilas de potencia individuales se superponen para producir una forma de onda de salida que se asemeja mucho a una forma de onda sinusoidal.
El sistema de control está construido alrededor de un procesador DSP de alta velocidad y utiliza un algoritmo de control vectorial completamente digital. Los comandos y la retroalimentación del estado de funcionamiento se transmiten entre la unidad principal de control y los módulos de potencia mediante comunicación por fibra óptica. Esta arquitectura proporciona una respuesta rápida, alta precisión en el control y una fuerte inmunidad a interferencias electromagnéticas, que son especialmente importantes en entornos de minería subterránea.
Figura 2. Estructura del sistema VFD resistente a explosiones de alto voltaje
Topología de la celda de potencia
El VFD resistente a explosiones de alto voltaje adopta una topología de celda de potencia en cascada. Cada celda de potencia recibe una señal de modulación sinusoidal del controlador principal y genera su propia forma de onda de salida SPWM mediante el desplazamiento de fase de portadora.
Las formas de onda de tensión de salida de múltiples celdas de potencia se superponen para formar una forma de onda de voltaje casi sinusoidal. Como resultado, la forma de onda de salida del VFD es cercana a la de un voltaje sinusoidal estándar de frecuencia de utilidad.
Este diseño elimina la necesidad de un filtro de salida adicional y reduce significativamente la interferencia armónica en el motor.
Debido al bajo DV/DT, el voltaje de salida ejerce menos esfuerzo eléctrico sobre el aislamiento del motor y el cable. Por tanto, el sistema puede utilizarse con motores y cables estándar, al tiempo que soporta la transmisión de potencia del motor a distancias de hasta 5.000 m.
En la mina de carbón Jingfang, los VFD de alto voltaje y a prueba de explosiones se instalan en un corte transversal aproximadamente a 100 m de la cinta transportadora.
Con muy poca interferencia armónica en el lado de la rejilla y un impacto armónico particularmente bajo en el motor, el sistema es ampliamente reconocido como una solución "verde y de bajo armónico VFD".
Figura 3. Topología de la celda de potencia
3. Estrategia de control y resultados de aplicación
En aplicaciones de cintas transportadoras con múltiples motores, la distribución desigual de la carga entre motores puede suponer un gran desafío.
Incluso los motores del mismo modelo pueden presentar diferencias en las características de los materiales y las tolerancias de fabricación, lo que resulta en variaciones en la velocidad y el par motor. Sin una coordinación efectiva, estas diferencias pueden llevar a una distribución desequilibrada de potencia entre los motores maestro y esclavo.
Para abordar este problema, el proyecto utiliza un sistema de comunicación de fibra óptica de cuarzo maestro-esclavo de alta velocidad. La red de comunicación permite un intercambio rápido de datos manteniendo una transmisión fiable de señales entre los VFD.
Además, el VFD de alto voltaje y resistente a explosiones de FGI incorpora una estrategia de control de caída de velocidad basada en control vectorial. Al responder dinámicamente a los cambios en la corriente del motor, el sistema puede distribuir con precisión la carga entre varios motores y mantener un equilibrio de potencia sin ajuste manual.
Resultados de la solicitud en la mina de carbón Jingfang
1) Arranque suave y controlado de cinta transportadora
El VFD permite un funcionamiento de arranque suave genuino para la cinta transportadora.
En funcionamiento a baja frecuencia, el VFD puede proporcionar hasta 2,2 veces el par nominal, mientras que el tiempo de arranque puede ajustarse continuamente de 1 a 3.600 segundos. Esto permite que el sistema cumpla con los exigentes requisitos del arranque de cintas transportadoras de carga pesada.
2) Equilibrio de Potencia Preciso
El sistema logra un equilibrio preciso de par y potencia entre cuatro motores en la cabeza y dos motores en la cola que operan a lo largo de una distancia de hasta 5.000 m.
El desequilibrio entre motores individuales se mantiene en menos del 2%, mejorando significativamente la estabilidad del funcionamiento multimotor.
3) Conmutación de unidades en línea
El sistema soporta conmutación en línea y redundancia.
Si un VFD es retirado de la operación debido a un fallo, el VFD de reserva puede ponerse en línea inmediatamente. Esto ayuda a mantener el funcionamiento continuo de la cinta transportadora y reduce el riesgo de interrupciones en la producción.
4) Ajuste automático de la velocidad de la cinta transportadora
Trabajando junto con un sensor de flujo de carbón, el sistema de control puede ajustar automáticamente la velocidad de la cinta según el flujo real del material.
En términos sencillos: más carbón, mayor velocidad; menos carbón, menor velocidad.
Al ajustar la velocidad de la cinta transportadora a la carga real, el sistema reduce la operación innecesaria a alta velocidad y mejora la eficiencia general del transporte.
5) Ahorro energético y menor coste operativos
La aplicación de la tecnología de variadores de frecuencia proporciona beneficios significativos de ahorro energético y económicos.
El arranque suave VFD reduce el impacto mecánico y eléctrico durante el arranque. La regulación de velocidad basada en la carga también reduce el tiempo que la cinta transportadora opera a velocidades innecesariamente altas.
Como resultado, el desgaste mecánico de motores, poleas, locomotores, correas y otros componentes de la transmisión puede reducirse, ayudando a prolongar la vida útil del equipo y reduciendo los requisitos y costes de mantenimiento.
El funcionamiento de motores a menor velocidad también consume significativamente menos energía eléctrica que el funcionamiento continuo a alta velocidad bajo condiciones de carga adecuadas.
Para grandes sistemas de cintas transportadoras subterráneas, estas mejoras pueden aportar beneficios sustanciales en términos de eficiencia energética, protección de equipos, reducción de mantenimiento y control de costes operativos.
4. Ventajas clave para aplicaciones de minería inteligente
1) Diseño compacto y mantenimiento simplificado
Un enfoque común en la industria es usar un transformador móvil junto con un VFD. Esta configuración requiere espacio adicional de instalación y implica un considerable trabajo de trazado de cables y conexión eléctrica in situ.
FGI integra el transformador y el VFD en una única unidad integrada, con configuraciones de VFD de alta tensión de 10 kV y 6 kV disponibles. Esto reduce significativamente el espacio de instalación y simplifica la construcción in situ.
El VFD de alto voltaje y resistente a explosiones también adopta un diseño modular. Los módulos funcionales pueden ser reemplazados o actualizados según los requisitos reales, haciendo que el mantenimiento posterior sea más cómodo y reduciendo el tiempo de servicio.
Figura 4. Comparación entre FGI VFD y soluciones de otros fabricantes
2) Múltiples capas de protección para un funcionamiento fiable
Además de la redundancia en línea a nivel de sistema, cada fase del VFD soporta tres celdas de energía redundantes.
Si falla una celda de energía, el sistema puede evitar automáticamente la unidad defectuosa mientras mantiene en funcionamiento las celdas restantes. Esto minimiza el impacto de fallos individuales en componentes en el proceso de producción y mejora la disponibilidad general del sistema.
Figura 5. Proceso de derivación de celdas de energía
3) Compartición adaptativa de carga y equilibrio automático de potencia
El VFD se adapta automáticamente a diferentes condiciones de carga.
Para aplicaciones con múltiples accionamientos, el sistema proporciona equilibrio automático de potencia sin intervención manual y soporta el control maestro-esclavo de hasta 10 unidades VFD.
Esto hace que el sistema sea especialmente adecuado para grandes cintas transportadoras y otras aplicaciones multimotor de alta resistencia donde es esencial un reparto preciso de carga.
4) Interfaces de comunicación para minería inteligente
El VFD soporta los requisitos de comunicación para sistemas de minería inteligente y ofrece múltiples opciones de comunicación, incluyendo fibra óptica, Ethernet y redes inalámbricas.
En la mina de carbón Jingfang, la comunicación Ethernet se utiliza para transmitir datos operativos a los sistemas de monitorización subterráneos y superficiales.
El sistema también soporta monitorización remota y diagnóstico de fallos. A través de un PC o una aplicación móvil, los operadores pueden monitorizar parámetros operativos, analizar fallos y evaluar la vida útil esperada de los componentes clave.
Esto proporciona una base para una gestión más inteligente de equipos y un mantenimiento predictivo.
Conclusión
La industria minera avanza rápidamente hacia operaciones a mayor escala, más automatizadas e inteligentes. A medida que continúan desarrollándose iniciativas de minería inteligente, los sistemas de transmisión de frecuencia variable de alta tensión y alta potencia se están volviendo cada vez más importantes para equipos críticos como cintas transportadoras y rascadores.
Uno de los principales retos en aplicaciones subterráneas es la distorsión armónica de los sistemas de accionamiento convencionales, que puede afectar tanto a la calidad de la potencia como al funcionamiento del motor.
El VFD de alto voltaje y resistente a explosiones de FGI se ha aplicado con éxito en la mina de carbón Jingfang, demostrando las ventajas de su transformador de desplazamiento de fase, la topología de celdas de potencia en cascada, el control vectorial y la tecnología inteligente de balanceo de potencia maestro-esclavo.
El sistema logra una distorsión armónica de entrada inferior al 3% y una distorsión armónica de tensión de salida inferior al 2%, proporcionando una solución de accionamiento de baja armónica para equipos de minería subterránea.
La estrategia de control de caída maestro-esclavo soporta la transmisión de potencia del motor a distancias de hasta 5.000 m, mientras que el sistema alcanza un factor de potencia de hasta 0,99. Combinada con comunicación por fibra óptica, alerta de fallos, monitorización remota y balanceo adaptativo de potencia, la solución mejora la eficiencia y fiabilidad general de los sistemas de transmisión de cinta.
Al aplicar tecnología avanzada de accionamiento de frecuencia variable a equipos de minería subterránea, FGI ayuda a reducir el consumo energético innecesario, el desgaste mecánico y los requisitos de mantenimiento, al tiempo que apoya la transición de la industria hacia operaciones mineras más seguras, eficientes e inteligentes.
A medida que la minería inteligente continúa expandiéndose, los VFD a prueba de explosiones de alto voltaje desempeñarán un papel cada vez más importante en aplicaciones como cintas transportadoras, transportadoras rascadoras, polipastos, bombas, ventiladores y otros equipos de minería de alta potencia.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
