Introdução
À medida que as minas de carvão aceleram sua transição para operações inteligentes e automatizadas, o controle inteligente de acionamento para equipamentos de alta voltagem e alta potência, como esteiras principais e raspadoras, tornou-se cada vez mais importante para melhorar a produtividade e reduzir custos operacionais e de manutenção.
Os transportadores principais de esteira, como parte crítica dos sistemas subterrâneos de transporte de carvão, normalmente operam sob condições de alta carga, com grande capacidade de transporte e longos ciclos operacionais contínuos. Sistemas tradicionais de controle de velocidade de acoplamento hidráulico frequentemente sofrem com perdas significativas por deslizamento, baixa eficiência geral, desempenho limitado na regulação da velocidade e exigências de manutenção exigentes. Essas limitações tornam-nos cada vez mais inadequados para operações modernas de mineração inteligente.
A tecnologia de acionamento de frequência variável de alta tensão (VFD) tornou-se, portanto, uma solução chave para a modernização dos equipamentos de transporte subterrâneos. Com uma ampla faixa de regulação de velocidade, controle preciso do motor, resposta dinâmica rápida e capacidade de partida suave, VFDs de alta voltagem podem melhorar significativamente o desempenho operacional de sistemas de esteiras de alta resistência.
Projetado especificamente para aplicações de mineração subterrânea de carvão, o FGI higO VFD à prova de explosão de h-voltage combina controle coordenado mestre-escravo, alto torque inicial, operação confiável e balanceamento inteligente de potênciapara fornecer uma solução de acionamento mais eficiente e confiável para transportadores de esteiras multimotoras.
Aplicação típica de um VFD à prova de explosão de alta tensão para sistemas de esteiras transportadoras
1. Configuração do Sistema
Princípio do Sistema
A Mina de Carvão Jingfang, subsidiária do Grupo de Importação e Exportação de Carvão de Shanxi, atua na produção de carvão bruto e carvão limpo, bem como na utilização abrangente da ganga de carvão.
A esteira transportadora principal da mina é acionada por três motores assíncronos. Motors No. 1 e No. 2 estão conectados ao mesmo eixo e acionam uma polia, enquanto o Motor No. 3 aciona independentemente outra polia.
Cada motor tem potência nominal de 550 kW e é acionado por um VFD individual de alta tensão e prova de explosões de 6 kV e 855 kW.
Um gabinete de controle com esteira transportadora se comunica com os três VFDs por meio de fibra óptica de quartzo, permitindo coordenação mestre-escravo e balanceamento de potência em tempo real entre os motores. Essa configuração ajuda a manter uma distribuição estável de torque e garante a operação eficiente e confiável do sistema de transportadora.
Figura 1. Diagrama do Sistema de Transportadores de Esteiras
2. Explosivos de Alta TensãoEstrutura do Sistema VFD on-Proof
A tensão de grade de 6 kV é conectada a um transformador de deslocamento de fase, que desempenha três funções principais.
Primeiro, converte a alta voltagem de entrada em fontes de alimentação trifásicas independentes de 690 V para fornecer energia isolada para as células de energia.
Segundo, a configuração de enrolamento de delta estendido introduz deslocamentos de fase entre as tensões de entrada das células de potência individuais, formando uma estrutura de retificação multi-pulso que reduz efetivamente a distorção harmônica do lado da grade.
Terceiro, o transformador fornece fontes de alimentação eletricamente isoladas para a arquitetura de células de energia em cascata.
As células de energia utilizam tecnologia PWM por deslocamento de fase por portador. Ao introduzir diferenças de fase apropriadas entre sinais portadores adjacentes, as formas de onda de tensão de saída das células de potência individuais são sobrepostas para produzir uma forma de onda de saída que se aproxima de perto de uma forma de onda sinusoidal.
O sistema de controle é construído em torno de um processador DSP de alta velocidade e utiliza um algoritmo de controle vetorial totalmente digital. Comandos e feedback de status operacional são transmitidos entre a unidade principal de controle e os módulos de potência por meio de comunicação por fibra óptica. Essa arquitetura proporciona resposta rápida, alta precisão nos controles e forte imunidade a interferências eletromagnéticas, que são particularmente importantes em ambientes de mineração subterrânea.
Figura 2. Estrutura do Sistema VFD à Prova de Explosão em Alta Tensão
Topologia da Célula de Potência
O VFD à prova de explosão de alta tensão adota uma topologia de célula de potência em cascata. Cada célula de potência recebe um sinal de modulação senoidal do controlador principal e gera sua própria forma de onda de saída SPWM por meio do deslocamento de fase da portadora.
As formas de onda de tensão de saída de múltiplas células de energia são então sobrepostas para formar uma forma de onda de tensão quase sinusoidal. Como resultado, a forma de onda de saída do VFD é próxima da de uma tensão senoidal padrão de frequência utilitária.
Esse projeto elimina a necessidade de um filtro de saída adicional e reduz significativamente a interferência harmônica no motor.
Devido à baixa tensão de saída em dv/dt, a tensão de saída exerce menos tensão elétrica no isolamento do motor e dos cabos. O sistema pode, portanto, ser usado com motores e cabos padrão, enquanto suporta transmissão de potência do motor em distâncias de até 5.000 m.
Na Mina de Carvão Jingfang, os VFDs de alta voltagem e à prova de explosão são instalados em uma transposição aproximadamente 100 m de distância da esteira transportadora.
Com muito baixa interferência harmônica no lado da grade e particularmente baixo impacto harmônico no motor, o sistema é amplamente reconhecido como uma solução "verde e de baixo harmônico VFD".
Figura 3. Topologia da Célula de Potência
3. Estratégia de Controle e Resultados de Aplicação
Em aplicações de esteiras transportadoras com múltiplos motores, a distribuição desigual de carga entre os motores pode ser um grande desafio.
Mesmo motores do mesmo modelo podem apresentar diferenças nas características do material e nas tolerâncias de fabricação, resultando em variações nas características de velocidade e torque. Sem coordenação eficaz, essas diferenças podem levar a uma distribuição desequilibrada de energia entre os motores mestre e escravo.
Para resolver esse problema, o projeto utiliza um sistema de comunicação por fibra óptica de quartzo mestre-escravo de alta velocidade. A rede de comunicação permite a troca rápida de dados enquanto mantém a transmissão confiável de sinais entre os VFDs.
Além disso, o VFD à prova de explosões de alta voltagem da FGI incorpora uma estratégia de controle de velocidade de descida baseada em vetor. Ao responder dinamicamente a mudanças na corrente do motor, o sistema pode distribuir a carga com precisão entre múltiplos motores e manter um compartilhamento equilibrado de potência sem ajuste manual.
Resultados da Aplicação na Mina de Carvão Jingfang
1) Partida suave e controlada de esteiras transportadoras
O VFD permite uma operação genuína de arranque suave para a esteira transportadora.
Em operação de baixa frequência, o VFD pode fornecer até 2,2 vezes o torque nominal, enquanto o tempo de partida pode ser ajustado continuamente de 1 a 3.600 segundos. Isso permite que o sistema atenda aos exigentes requisitos do arranque de transportadores de carga pesada.
2) Equilíbrio de Poder Preciso
O sistema alcança um balanceamento preciso de torque e potência entre quatro motores na cabeça e dois motores na cauda, operando em uma distância de transporte de até 5.000 m.
O desequilíbrio entre motores individuais é mantido em menos de 2%, melhorando significativamente a estabilidade da operação multimotor.
3) Comutação de Drive Online
O sistema suporta comutação online e redundância.
Se um VFD for retirado de operação devido a uma falha, o VFD de reserva pode ser ativado imediatamente. Isso ajuda a manter a operação contínua das esteiras e reduz o risco de interrupções na produção.
4) Ajuste Automático da Velocidade da Esteira
Trabalhando em conjunto com um sensor de fluxo de carvão, o sistema de controle pode ajustar automaticamente a velocidade da esteira de acordo com o fluxo real do material.
Em termos simples: mais carvão, maior velocidade; menos carvão, menor velocidade.
Ao ajustar a velocidade da esteira com a carga real, o sistema reduz operações desnecessárias em alta velocidade e melhora a eficiência geral do transporte.
5) Economia de Energia e Redução dos Custos Operacionaiss
A aplicação da tecnologia de variação de frequência proporciona benefícios significativos de economia de energia e econômicos.
A partida suave do VFD reduz o impacto mecânico e elétrico durante a partida. A regulação de velocidade baseada em carga também reduz o tempo em que a esteira opera em velocidades desnecessariamente altas.
Como resultado, o desgaste mecânico em motores, polias, locomotivas, correias e outros componentes da transmissão pode ser reduzido, ajudando a prolongar a vida útil dos equipamentos enquanto reduz os requisitos e custos de manutenção.
A operação de motor em baixa velocidade também consome significativamente menos energia elétrica do que a operação contínua em alta velocidade sob condições de carga adequadas.
Para grandes sistemas de esteiras transportadoras subterrâneas, essas melhorias podem trazer benefícios substanciais em termos de eficiência energética, proteção de equipamentos, redução de manutenção e controle de custos operacionais.
4. Principais Vantagens para Aplicações de Mineração Inteligente
1) Projeto compacto e manutenção simplificada
Uma abordagem comum na indústria é usar um transformador móvel junto com um VFD. Essa configuração exige espaço adicional de instalação e envolve considerável trabalho de roteamento de cabos e conexão elétrica no local.
O FGI integra o transformador e o VFD em uma única unidade integrada, com configurações de VFD de alta tensão de 10 kV e 6 kV disponíveis. Isso reduz significativamente o espaço de instalação e simplifica a construção no local.
O VFD à prova de explosões de alta tensão também adota um design modular. Módulos funcionais podem ser substituídos ou atualizados de acordo com as necessidades reais, tornando a manutenção subsequente mais conveniente e reduzindo o tempo de serviço.
Figura 4. Comparação entre FGI VFD e soluções de outros fabricantes
2) Múltiplas camadas de proteção para operação confiável
Além da redundância online em nível de sistema, cada fase do VFD suporta três células de energia redundantes.
Se uma célula de energia falhar, o sistema pode automaticamente contornar a unidade defeituosa enquanto mantém as células de energia restantes em operação. Isso minimiza o impacto de falhas individuais em componentes no processo de produção e melhora a disponibilidade geral do sistema.
Figura 5. Processo de Bypass de Célula de Energia
3) Compartilhamento Adaptativo de Carga e Balanceamento Automático de Potência
O VFD se adapta automaticamente a diferentes condições de carga.
Para aplicações multi-acionamento, o sistema oferece balanceamento automático de potência sem intervenção manual e suporta controle mestre-escravo de até 10 unidades VFD.
Isso torna o sistema particularmente adequado para grandes esteiras e outras aplicações multimotores de alta resistência, onde o compartilhamento preciso de carga é essencial.
4) Interfaces de Comunicação para Mineração Inteligente
O VFD suporta requisitos de comunicação para sistemas inteligentes de mineração e oferece múltiplas opções de comunicação, incluindo fibra óptica, Ethernet e redes sem fio.
Na Mina de Carvão Jingfang, a comunicação Ethernet é usada para transmitir dados operacionais para os sistemas de monitoramento subterrâneo e superficial.
O sistema também suporta monitoramento remoto e diagnóstico de falhas. Por meio de um PC ou aplicativo móvel, os operadores podem monitorar parâmetros operacionais, analisar falhas e avaliar a vida útil esperada dos componentes-chave.
Isso fornece uma base para uma gestão mais inteligente de equipamentos e manutenção preditiva.
Conclusão
A indústria de mineração está rapidamente caminhando para operações em maior escala, mais automatizadas e mais inteligentes. À medida que as iniciativas de mineração inteligente continuam a se desenvolver, sistemas de acionamento de frequência variável de alta voltagem e alta potência estão se tornando cada vez mais importantes para equipamentos críticos, como esteiras transportadoras e esteiras raspadoras.
Um dos principais desafios em aplicações subterrâneas é a distorção harmônica dos sistemas convencionais de acionamento, que pode afetar tanto a qualidade da energia quanto o funcionamento do motor.
O VFD de alta tensão à prova de explosões da FGI foi aplicado com sucesso na Mina de Carvão Jingfang, demonstrando as vantagens de seu transformador de deslocamento de fase, topologia de células de energia em cascata, controle vetorial e tecnologia inteligente de balanceamento de potência mestre-escravo.
O sistema alcança uma distorção harmônica de entrada inferior a 3% e uma distorção harmônica de tensão de saída inferior a 2%, proporcionando uma solução de acionamento de baixa harmônica para equipamentos de mineração subterrânea.
A estratégia de controle de caimento mestre-escravo suporta a transmissão de potência do motor em distâncias de até 5.000 m, enquanto o sistema atinge um fator de potência de até 0,99. Combinada com comunicação por fibra óptica, alerta de falhas, monitoramento remoto e balanceamento adaptativo de potência, a solução melhora a eficiência geral e a confiabilidade dos sistemas de acionamento de esteiras.
Ao aplicar tecnologia avançada de acionamento de frequência variável a equipamentos de mineração subterrânea, a FGI ajuda a reduzir o consumo desnecessário de energia, desgaste mecânico e exigências de manutenção, ao mesmo tempo em que apoia a transição da indústria para operações de mineração mais seguras, eficientes e inteligentes.
À medida que a mineração inteligente continua a se expandir, VFDs à prova de explosão de alta voltagem desempenharão um papel cada vez mais importante em aplicações como esteiras transportadoras, transportadoras raspadoras, guinchos, bombas, ventiladores e outros equipamentos de mineração de alta potência.
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