Master-Slave-Betrieb, Synchronisierung und Energierückspeisung

Bergbau erfordert robuste Frequenzumrichter

Der Walzenschrämlader stellt hohe Anforderungen an die Frequenzumrichter Bild: Eickhoff Walzenlader SL 750, Eickhoff Bergbautechnik GmbH

Der Bergbau stellt an Mensch und Maschine hohe Anforderungen was Leistungsfähigkeit und Sicherheit angeht, denn die Bedingungen unter Tage sind auch heute noch hart. Die moderne Technik erleichtert allerdings die Arbeit gegenüber früher enorm. Dazu müssen aber alle Komponenten extremen Anforderungen genügen. Speziell für den Bergbau entwickelte Frequenzumrichter tragen dem Rechnung. Sie trotzen Vibration und Schock, erlauben einen Master/Slave-Betrieb von Antrieben und punkten mit sehr hoher Verfügbarkeit bei langer Lebensdauer.

Unter Tage gelten andere Bedingungen als in der übrigen Industrie. Für Anlagen und speziell Antriebe und deren Regelung ist daher bei der Auslegung einiges zu beachten. Die Spezialisten für Antriebsregelung von Refu-Elektronik aus Pfullingen entwickelten daher speziell für Bergbauanwendungen ausgelegte Frequenzumrichter. Die Umrichter sind nicht nur auf die unwirtlichen Bedingungen im Bergbau ausgelegt, sie tragen auch den speziellen, dort geforderten Automatisierungsanforderungen Rechnung.

Komplexe Anforderungen

Variantenreiche Familie der (Bergbau)Frequenzumrichter Bild: REFU Elektronik

Variantenreiche Familie der (Bergbau)Frequenzumrichter

Nimmt man die Kohleförderung als Paradebeispiel für den modernen Bergbau, so fallen als Erstes die Komplexität und Vernetzung aller Komponenten auf. Stollen müssen bewettert (belüftet) werden, der Abtransport von Kohle und Abraum koordiniert und vieles mehr. Das alles kostet rund um die Uhr Geld und ist nur bei hoher Förderleistung rentabel. Ein Stillstand beispielsweise durch Ausfall eines Frequenzumrichters in einem Abbaugerät kann so in kürzester Zeit Zehntausende Euro kosten. Eine extrem hohe Verfügbarkeit aller Komponenten hat also oberste Priorität. Gleichzeitig ist auch Sicherheit ein hohes Gut, denn im Störfall ist man im Stollen recht unbeweglich. Mit Eigenintelligenz ausgestattete Frequenzumrichter helfen hier weiter, denn sie entlasten nicht nur die übergeordnete Steuerung, sondern können auch viel schneller, quasi in Echtzeit, auf geänderte Bedingungen bzw. Belastungen reagieren. Das steigert nicht nur die Fördermenge, sondern schont auch die Mechanik sowie die Motoren der Maschine. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit erhöht. Die robusten REFUdrive Frequenzumrichter tragen diesen Anforderungen Rechnung. Die übergeordnete Steuerung (SPS oder PC mit Bussystem) gibt nur die Sollwertvorgabe, die interne Master/Slave-Regelung der Umrichter sorgt für eine konstante Aufteilung der Last auf alle angeschlossenen Motoren oder auch für einen absoluten Gleichlauf der Antriebe. Das reduziert den Steuer- und Regelungsaufwand für die übergeordnete Steuerung, bei gleichzeitig reflexartigen Reaktionszeiten am Antrieb. Unterschiedliche Leistungsklassen von 40 bis 200 kW bei Eingangsspannungen von 400 bis hin zu 1140 V bei einem Wirkungsgrad von 98 % stehen zur Verfügung. Eine integrierte Netzrückspeisung vermindert die abzuführende Wärmemenge und spart gleichzeitig Kosten durch die Rückspeisung der Bremsenergie in das Versorgungsnetz. Eine Nutzung dieser Energie in anderen Anlagenteilen ist damit möglich. Entsprechend den Arbeitsbedingungen im Bergbau tolerieren die Umrichter problemlos 60 Sekunden lang 1,5 fache Überlast. Alle Umrichter sind mit ColdPlate-Kühlung ausgestattet, so lassen sie sich schnell und ohne Eingriffe in einen Wasserkühlkreislauf einsetzen. Die Beispiele Walzenschrämlader und Antrieb einer Einschienenbahn zeigen deutlich, dass moderne Komponenten für den Bergbau bei besonderer Sorgfalt in Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung im wahrsten Wortsinn „Berge versetzen können“.

Einsatzbeispiele aus der Praxis: Kohleförderung vor Ort …

Zum Kohleabbau in größeren Flözen ab 1,8 m Höhe wird oft ein Walzenschrämlader eingesetzt. Schneidwalzen mit Asynchronmotoren, die direkt am Netz laufen, lösen dabei die Kohle aus dem Berg, ein Transportband befördert sie dann aus dem Streb. Bis zu vier Antriebsmaschinen, die per Getriebe auf den Triebstock (eine Art Kette) wirken, übernehmen den Vortrieb des Schrämers. Auf diese Weise fördert ein Walzenschrämer Kohle im Wert von rund 1 Mio. EUR im Monat. Die Forderung nach Verfügbarkeit von mindestens 98,5 % ist daher leicht einzusehen. Damit dieser Wert erreicht werden kann, müssen die einzelnen Komponenten in dieser Kette bei Weitem höhere Verfügbarkeiten bieten.

Prinzipschaltbild der Umrichter im Walzenschrämlader Bild: REFU Elektronik

Prinzipschaltbild der Umrichter im Walzenschrämlader
Bild: REFU Elektronik

Die Frequenzumrichter aus dem Hause REFU Elektronik weisen eine Verfügbarkeit von 99,5 % auf. Da die Kohle unterschiedlich hart bzw. auch mit Felsen durchsetzt ist, treten Stöße, Vibration und Lastspitzen praktisch permanent auf. Der mechanischen Belastung wird durch einen besonders robusten Aufbau begegnet, den Lastspitzen auf zweierlei Weise: Zum einen können die Umrichter für 60 s um das 1,5 fache überlastet werden, zum andern sorgt der variable Master/Slave-Betrieb für eine gleichmäßige Auslastung aller Motoren. Dabei übernimmt automatisch der last- und bewegungsabhängig besser geeignete Umrichter die Master-Funktion und regelt die nachfolgenden Umrichter in wenigen Millisekunden entsprechend nach. Die SPS wird damit nicht belastet.

Auch die Möglichkeit, Bremsenergie rückzuspeisen wird in dieser Anwendung genutzt: Bei schräg im Berg stehenden Flözen kann im Abwärtsbetrieb erhebliche Bremsenergie anfallen. Im generatorischen Betrieb wird dann per Netzrückspeisung die Energie ins Betriebsnetz zurückgespeist. Da die Umrichter an bis zu 1140 V angeschlossen werden können, entfallen in solchen Fällen die sonst nötigen Transformatoren, ein weiterer nicht zu unterschätzender Kosten- und Platzvorteil.

und „Nahverkehrsmittel“ unter Tage

Die Einschienenhängebahn arbeitet mit Umrichtern im Master/Slave-Betrieb besonders ruhig und wirtschaftlich Bild: SMT Scharf GmbH

Die Einschienenhängebahn arbeitet mit Umrichtern im Master/Slave-Betrieb besonders ruhig und wirtschaftlich
Bild: SMT Scharf GmbH

Bei den meist recht langen Strecken vom Förderschacht zur Abbaustelle übernehmen oft Einschienenhängebahnen den Transport von Mensch und Material. Vorteil dieser Lösung, sie ist unempfindlich gegenüber Sohlenhebungen und zudem sehr flexibel. Als Kombination von Umrichter und Elektromotor aus dem Netz betrieben, bietet sie zudem einen hohen Wirkungsgrad und eine für den Maschinenhersteller einfache Regelung der Anlage. Diese Regelbarkeit wird durch die Zusammenstellung von einzelnen Zügen und Waggons im Zugverband beeinflusst. In der Praxis bedeutet das, wie bei der Eisenbahn, dass sich die einzelnen „Waggons“ beim Start auseinanderziehen und beim Bremsen zusammenschieben. Um dabei harte Stöße, Rucke oder sogar sich aufschwingende Züge zu vermeiden, übernimmt der vorderste Umrichter im Zug wiederum die Masterfunktion, die im ganzen Zugverband verteilten Slave-Antriebe folgen diesem und sorgen für die entsprechend optimale Funktion des Zuges.

Prinzipschaltbild der Umrichter in der Einschienenhängebahn Bild: REFU Elektronik

Prinzipschaltbild der Umrichter in der Einschienenhängebahn
Bild: REFU Elektronik

Ob Anfahren oder Bremsbetrieb, aufgrund der sehr schnellen Reaktion der Umrichter werden alle Antriebe gleichmäßig belastet, die Regelung sorgt für weiche bzw. schwing-, stoß- und ruckfreie Übergänge. Unbestimmte Zustände sind damit ausgeschlossen; es kann also beispielsweise nicht sein, dass der vorderste Motor schon im Bremsbetrieb arbeitet, während der hintere noch für Vortrieb sorgt. Das schont die Antriebe und das Material der Hängebahn bei gleichzeitig verbessertem Fahrkomfort.

Die Frequenzumrichter, die – neben den obligatorischen Sicherheitsanforderungen – konstruktiv auch weitere Eigenheiten der Antriebe im Bergbau berücksichtigen, tragen so wesentlich dazu bei, die Kosten zu reduzieren.

Über REFU
Schwerpunkt der Firma REFU Elektronik, gegründet 1965, war von Anfang an Entwicklung und Bau von elektronischen Frequenz-Umformern. Bekannt ist das Unternehmen als Pionier für antriebstechnische Lösungen mit höchstem Qualitätsanspruch. Seit den Gründerjahren hatte man sich auf die Techniken der regelbaren Leistungselektronik und des Schaltschrankbaus spezialisiert. Später kamen Produkte wie Energiespeichersysteme und Lösungen für Elektromobilität hinzu. Das Unternehmen beschäftigt rund 130 Mitarbeiter. Die über 4.000 m² Produktionsfläche bieten ausreichend Platz für Kleinserien- und Serienfertigung.

Titelbild: Eickhoff Walzenlader SL 750, Eickhoff Bergbautechnik GmbH

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter http://www.refu-elektronik.de/

Steffen Notz

Leiter Applikation, REFU Elektronik GmbH

Andreas Zeiff

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

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