소개
석탄 광산이 지능형 및 자동화 운영으로 가속화됨에 따라, 주 벨트 컨베이어와 스크레이퍼 컨베이어 같은 고전압·고출력 장비의 지능형 구동 제어는 생산성 향상과 운영 및 유지보수 비용 절감에 점점 더 중요해지고 있습니다.
주요 벨트 컨베이어는 지하 석탄 운송 시스템의 핵심 부품으로, 일반적으로 큰 운반 용량과 긴 연속 운용 주기를 가진 고부하 조건에서 작동합니다. 전통적인 유압 커플링 속도 제어 시스템은 종종 심각한 미끄럼 손실, 낮은 전체 효율성, 제한된 속도 조절 성능, 그리고 요구되는 유지보수 요구를 겪습니다. 이러한 한계로 인해 현대 지능형 채굴 작업에는 점점 더 적합하지 않게 됩니다.
따라서 고전압 가변 주파수 구동기(VFD) 기술은 지하 운반 장비 업그레이드의 핵심 솔루션이 되었습니다. 넓은 속도 조절 범위, 정밀한 모터 제어, 빠른 동적 반응, 소프트 스타트 기능을 갖춘 고전압 VFD는 중장비 컨베이어 시스템의 작동 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
지하 석탄 채굴 용도로 특별히 설계된 FGI의 하이그수전압 폭발 방지 VFD는 마스터-슬레이브 조정 제어, 높은 시동 토크, 신뢰성 높은 작동, 지능형 전력 밸런싱을 결합합니다다중 모터 벨트 컨베이어에 더 효율적이고 신뢰할 수 있는 구동 솔루션을 제공하는 것.
벨트 컨베이어 시스템을 위한 고전압 방폭 VFD의 일반적인 적용
1. 시스템 구성
시스템 원리
징팡 탄광은 산시 석탄 수출입 그룹의 자회사로, 원탄 및 청정 석탄 생산과 석탄 광맥의 종합적 활용에 종사하고 있습니다.
광산의 주 벨트 컨베이어는 세 개의 비동기 모터에 의해 구동됩니다. 모터1번과 2번 모터는 같은 축에 연결되어 하나의 풀리를 구동하며, 모터 3번은 독립적으로 또 다른 풀리를 구동합니다.
각 모터는 정격 출력이 550 kW이며, 6 kV, 855 kW 고전압 폭발 방지 변기 변덕기로 구동됩니다.
벨트 컨베이어 제어 캐비닛은 쿼츠 광섬유를 통해 세 개의 VFD와 통신하여 마스터-슬레이브 조정과 모터 간 실시간 전력 밸런싱을 가능하게 합니다. 이 구성은 안정적인 토크 분포를 유지하고 컨베이어 시스템의 효율적이고 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다.
그림 1. 벨트 컨베이어 시스템 도면
2. 고전압 폭발증명 VFD 시스템 구조
6 kV 그리드 전압은 위상 변압기에 연결되어 있으며, 이 변압기는 세 가지 주요 기능을 수행합니다.
첫째, 들어오는 고전압을 독립적인 3상 690V 전원 공급장치로 변환하여 전원 셀에 절연 전력을 제공합니다.
둘째, 확장된 델타 권선 구성은 개별 전력 셀의 입력 전압 간에 위상 이동을 도입하여 다중 펄스 정류 구조를 형성하여 그리드 측 고조파 왜곡을 효과적으로 줄입니다.
셋째, 변압기는 계단식 파워셀 아키텍처를 위한 전기적으로 절연된 전원 공급 장치를 제공합니다.
전력 셀은 반송파 위상 이동 PWM 기술을 사용합니다. 인접한 반송파 신호 간에 적절한 위상 차이를 도입함으로써, 개별 전력 셀의 출력 전압 파형을 겹쳐 사인파형에 근접한 출력 파형을 생성합니다.
제어 시스템은 고속 DSP 프로세서를 중심으로 구축되었으며, 완전 디지털 벡터 제어 알고리즘을 사용합니다. 명령과 작동 상태 피드백은 광섬유 통신을 통해 주 제어 장치와 전력 모듈 간에 전송됩니다. 이 아키텍처는 빠른 응답, 높은 제어 정확도, 강력한 전자기 간섭 저항성을 제공하여 특히 지하 광산 환경에서 중요합니다.
그림 2. 고전압 방폭 VFD 시스템 구조
파워 셀 토폴로지
고전압 폭발 방지 VFD는 계단식 파워셀 토폴로지를 채택합니다. 각 전력 셀은 메인 컨트롤러로부터 사인파 변조 신호를 받고, 반송파 위상 이동을 통해 자체 SPWM 출력 파형을 생성합니다.
여러 전력 셀에서 나오는 출력 전압 파형을 겹쳐 거의 사인파 형태를 형성합니다. 그 결과 VFD 출력 파형은 표준 유틸리티 주파수 사인파 전압과 가깝습니다.
이 설계는 추가 출력 필터의 필요성을 없애고 모터에 대한 고조파 간섭을 크게 줄여줍니다.
낮은 dv/dt 덕분에 출력 전압이 모터와 케이블 절연에 가해지는 전기 스트레스가 줄어듭니다. 따라서 이 시스템은 표준 모터와 케이블과 함께 최대 5,000 m 거리에서 모터 동력 전달을 지원할 수 있습니다.
징팡 탄광에서는 고전압 방폭 변덕 장치가 벨트 컨베이어에서 약 100m 떨어진 교차 절단 구간에 설치되어 있습니다.
그리드 측에서 매우 낮은 고조파 간섭과 모터에 미치는 고조파 영향이 특히 적어 이 시스템은 '친환경적이고 저고조파 VFD' 솔루션으로 널리 알려져 있습니다.
그림 3. 파워 셀 토폴로지
3. 통제 전략 및 적용 결과
다중 모터 벨트 컨베이어 응용에서는 모터 간 부하 분포가 고르지 않아 큰 도전 과제가 될 수 있습니다.
같은 모델의 모터도 재료 특성과 제조 허용 차가 달라져 속도와 토크 특성에 차이가 있을 수 있습니다. 효과적인 조정이 없으면 이러한 차이가 마스터와 슬레이브 드라이브 간의 전력 분배 불균형을 초래할 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 프로젝트는 고속 마스터-슬레이브 석영 광섬유 통신 시스템을 사용합니다. 통신 네트워크는 VFD 간 신뢰성 있는 신호 전송을 유지하면서 빠른 데이터 교환을 가능하게 합니다.
또한, FGI의 고전압 폭발 방지 VFD는 벡터 제어 기반의 속도 드룹 제어 전략을 통합하고 있습니다. 모터 전류 변화에 동적으로 반응함으로써 시스템은 여러 모터에 부하를 정확히 분배하고 수동 조정 없이도 균형 잡힌 전력 분배를 유지할 수 있습니다.
징팡 탄광 지원 결과
1) 부드럽고 제어된 벨트 컨베이어 시동
VFD는 벨트 컨베이어의 진정한 소프트 스타트 작동을 가능하게 합니다.
저주파 운전 시 VFD는 최대 2.2배의 정격 토크를 제공할 수 있으며, 시동 시간은 1초에서 3,600초까지 연속적으로 조절할 수 있습니다. 이로 인해 시스템은 중부하 컨베이어 시동 요구사항을 충족할 수 있습니다.
2) 정밀 전력 균형
이 시스템은 네 개의 헤드엔드 모터와 두 개의 테일엔드 모터가 최대 5,000m의 운반 거리에서 작동하는 동안 정확한 토크와 출력 균형을 달성합니다.
개별 모터 간의 불균형은 2% 미만으로 유지되어 다중 모터 작동의 안정성을 크게 향상시킵니다.
3) 온라인 드라이브 전환
이 시스템은 온라인 스위칭과 중복성을 지원합니다.
한 VFD가 고장으로 인해 작동을 중단하면, 대기 VFD는 즉시 온라인으로 전환할 수 있습니다. 이로 인해 벨트 컨베이어 연속 작동이 유지되고 생산 중단 위험을 줄일 수 있습니다.
4) 자동 컨베이어 속도 조절
석탄 유량 센서와 협력하여 제어 시스템은 실제 재료 흐름에 따라 벨트 속도를 자동으로 조정할 수 있습니다.
간단히 말해: 더 많은 석탄, 더 높은 속도; 석탄이 적으면 속도가 줄어듭니다.
컨베이어 속도와 실제 적재량을 맞추어 불필요한 고속 운행을 줄이고 전체 운송 효율을 향상시킵니다.
5) 에너지 절약 및 운영 비용 절감s
가변 주파수 구동 기술의 적용은 상당한 에너지 절약 및 경제적 이점을 제공합니다.
VFD 소프트 스타트는 시동 시 기계적 및 전기적 충격을 줄입니다. 부하 기반 속도 조절은 컨베이어가 불필요하게 높은 속도로 작동하는 시간을 줄여줍니다.
그 결과 모터, 풀리, 아이들러, 벨트 및 기타 변속기 부품의 기계적 마모를 줄여 장비 수명을 연장하고 유지보수 요구와 비용을 낮출 수 있습니다.
저속 모터 작동은 적절한 부하 조건에서 연속 고속 작동보다 훨씬 적은 전기 에너지를 소비합니다.
대형 지하 벨트 컨베이어 시스템의 경우, 이러한 개선은 에너지 효율, 장비 보호, 유지보수 감소, 운영 비용 절감 측면에서 상당한 이점을 제공할 수 있습니다.
4. 지능형 채굴 응용의 주요 장점
1) 컴팩트 설계 및 간소화된 유지보수
업계에서 흔히 사용되는 방법은 모바일 변압기와 VFD를 함께 사용하는 것입니다. 이 구성은 추가 설치 공간이 필요하며, 상당한 현장 케이블 배선 및 전기 연결 작업이 필요합니다.
FGI는 변압기와 VFD를 하나의 통합 유닛으로 통합하며, 10 kV 및 6 kV 고전압 VFD 구성을 모두 제공합니다. 이로 인해 설치 공간이 크게 줄어들고 현장 건설이 간소화됩니다.
고전압 방폭 VFD도 모듈식 설계를 채택합니다. 기능 모듈은 실제 요구사항에 따라 교체 또는 업그레이드가 가능하여 이후 유지보수가 더 편리하고 서비스 시간을 단축할 수 있습니다.
그림 4. FGI VFD와 다른 제조사 솔루션 비교
2) 신뢰성 높은 작동을 위한 다중 보호 계층
시스템 수준의 온라인 중복 외에도, VFD의 각 단계는 세 개의 중복 전력 셀을 지원합니다.
파워셀이 고장 나면 시스템은 고장 난 유닛을 자동으로 우회하면서 나머지 파워셀은 계속 작동시킬 수 있습니다. 이는 개별 부품 고장이 생산 공정에 미치는 영향을 최소화하고 전체 시스템 가용성을 향상시킵니다.
그림 5. 파워 셀 우회 과정
3) 적응형 부하 분배 및 자동 전력 밸런싱
VFD는 다양한 부하 조건에 자동으로 적응합니다.
다중 구동 애플리케이션에서는 수동 개입 없이 자동 전력 밸런싱을 제공하며 최대 10개의 VFD 장치에 대한 마스터-슬레이브 제어를 지원합니다.
이로 인해 이 시스템은 정밀한 부하 분담이 필요한 대형 벨트 컨베이어 및 기타 중장비 다중 모터 응용 분야에 특히 적합합니다.
4) 지능형 채굴을 위한 통신 인터페이스
VFD는 지능형 채굴 시스템의 통신 요구사항을 지원하며, 광섬유, 이더넷, 무선 네트워크 등 다양한 통신 옵션을 제공합니다.
징팡 탄광에서는 이더넷 통신을 통해 운영 데이터를 지하 및 지상 모니터링 시스템으로 전송합니다.
또한 원격 모니터링과 고장 진단도 지원합니다. PC나 모바일 애플리케이션을 통해 운영자는 작동 매개변수를 모니터링하고, 결함을 분석하며, 주요 부품의 예상 수명을 평가할 수 있습니다.
이는 보다 지능적인 장비 관리와 예측 유지보수의 기반을 제공합니다.
결론
광산 산업은 빠르게 더 대규모, 자동화된, 더 지능적인 운영으로 나아가고 있습니다. 지능형 채굴 이니셔티브가 계속 발전함에 따라, 벨트 컨베이어와 스크레이퍼 컨베이어와 같은 중요한 장비에서 고전압, 고출력 가변 주파수 구동 시스템이 점점 더 중요해지고 있습니다.
지하 적용에서 주요 과제 중 하나는 기존 구동 시스템에서 발생하는 고조파 왜곡으로, 이는 전력 품질과 모터 작동에 영향을 줄 수 있습니다.
FGI의 고전압 방폭 VFD는 징팡 탄광에서 성공적으로 적용되어 위상 이동 변압기, 계단 전력 셀 토폴로지, 벡터 제어, 지능형 마스터-슬레이브 전력 밸런싱 기술의 장점을 입증했습니다.
이 시스템은 입력 고조파 왜곡을 3% 미만, 출력 전압 고조파 왜곡을 2% 미만으로 달성하여 지하 광산 장비에 저조파 구동 솔루션을 제공합니다.
마스터-슬레이브 드롭 제어 전략은 최대 5,000m 거리에서 모터 동력 전달을 지원하며, 시스템은 최대 0.99의 역률을 달성합니다. 광섬유 통신, 고장 경고, 원격 모니터링, 적응형 전력 밸런싱과 결합되어 컨베이어 드라이브 시스템의 전반적인 효율성과 신뢰성을 향상시킵니다.
첨단 가변 주파수 구동 기술을 지하 채굴 장비에 적용함으로써, FGI는 불필요한 에너지 소비, 기계적 마모 및 유지보수 요구를 줄이고, 산업이 더 안전하고 효율적이며 지능적인 채굴 운영으로의 전환을 지원합니다.
지능형 채굴이 계속 확장됨에 따라, 고전압 폭발 방지 VFD는 벨트 컨베이어, 스크레이퍼 컨베이어, 호이스트, 펌프, 팬 및 기타 고출력 채굴 장비 등 다양한 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
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