Bergbauantrieb - Entwicklung eines innovativen und leistungsvariablen Frequenzumrichters zur Versorgung von leistungsstarken Bergbauantrieben (bis 750 kW) und Motoren

Projektbeschreibung

Das Projekt beabsichtigt einen innovativen Frequenzumrichter für den Einsatz in Bergbauregionen mit instabilem Stromnetz zu entwickeln. Dort können Spannungsschwankungen und Stromausfälle zu Maschinenschäden und daraus resultierenden Grubenunglücken führen. Der innovative Frequenzumrichter soll dies verhindern, indem er eine stabile Stromversorgung für elektrische Maschinen (z.B. Pumpen, Förderbänder, Belüftungsanlagen, Aufzügen von Fördertürmen) ermöglicht.

Die zu entwickelnde Anlage muss, unter Anbetracht des Einsatzgebiets, besonders kompakt und explosions-, sowie brandsicher aufgebaut sein, so dass eine dauerhafte Personensicherheit gewährleistet werden kann. Deshalb geht das Projekt speziell auf die einzelne Komponentensicherheit und damit die mögliche sofortige Abschaltung im Störungsfall ein. Außerdem entwickelt es auch ein besonders robustes und explosionssicheres Gehäuse. Neben diesen Anforderungen soll das System viel höhere Ausgangsspannungen (1,14 kV und 3,3 kV) als herkömmliche Frequenzumrichter (380 V – 660 V) ermöglichen. Deshalb müssen im Gegensatz zu den alten Anlagen erweiterte Restriktionen, über den Niederspannungsrichtlinien hinaus, beachtet werden – was einen besonders hohen Aufwand bedeutet. Diese Änderungen im Spannungsniveau erlauben eine längere Leistungsübertragung, da bei höheren Spannungen geringere verlustbehaftete Ströme nötig sind um die gleiche Leistung übertragen zu können. Somit wird ein besonders energieeffizienter und umweltschonender Betrieb ermöglicht. Außerdem sinkt die Belastung der stromführenden Komponenten enorm. Diese verursachen dadurch weniger Verluste – was einen deutlich geringeren Wartungsbedarf bedeutet. Damit erhöht sich auch der gesamte Wirkungsgrad des Systems und die Leitungen können aufgrund der geringeren Verlustwärmen und niedrigeren Ströme viel kompakter ausgelegt werden. Dies begünstigt außerdem den kompakteren Aufbau des gesamten Systems, da alle stromführenden Komponenten kleiner dimensioniert werden können. Als weiteren Punkt sind die Kupfereinsparungen, der dünneren Leitungen zu nennen, sodass auf den üblichen sechs bis sieben Kilometern Länge enorme Kostenreduktionen ermöglicht werden. Der Frequenzumrichter soll die Variation der Ausgangsleistungen von 250 kW, 500 kW und 750 kW ermöglichen, damit dieser an besonders vielen Maschinen angeschlossen werden kann und somit ein sehr breites Anwendungsspektrum bietet. Mithilfe der Einbindung von Frequenzumrichtern, zwischen Versorgungsnetzen und elektrischen Verbrauchern wie Motoren, können somit sehr variable Einsatzmöglichkeiten erzielt und negative Netzeinflüsse reduziert werden.

Die vorgesehene Lösung besteht neben dem explosionssicheren Gehäuse aus einem Frequenzumrichter mit integriertem Active-Front-End – auf Basis von Pulsweitenmodulationen. Dabei werden eigensichere Ein- und Ausgänge sowie zuverlässige Steuerungsauslegungen implementiert, so dass eine dauerhafte einwandfreie Nutzung gewährleistet wird. Mittels zu programmierender Regelungs- und Steuerungsalgorithmen sollen die im System enthaltenen Motorstromrichter und Gleichrichter gezielt angesteuert werden, um somit eine sehr energieeffiziente und schnelle Regelung zu ermöglichen, ohne diese unnötig stark zu belasten. Die Verwendung von netzseitigen Filterkomponenten soll die Störfestigkeit des Systems maßgeblich beeinflussen, so dass die nachgeschalteten netzseitigen Gleichrichter keine Fehler in den Spannungszwischenkreis einbringen können. Dieser Zwischenkreis besteht aus einem zu entwickelnden und dimensionierenden Kondensator, der es ermöglicht die gleichgerichtete Spannung aufzunehmen und auf die motorseitigen Wechselrichter zu übertragen. Die motorseitigen Wechselrichter sollen im Anschluss eine frequenz- und spannungsvariable Ausgangsspannung liefern, so dass der nachgeschaltete Elektromotor gesteuert werden kann.

Aufgrund der elektrischen Ströme und der teils sehr schnellen Schalthandlungen entstehen hohe Wärmeentwicklungen, die – falls sie nicht abgeführt werden – zu einer Zerstörung der Schaltelemente und zu einer Explosion des Systems führen können. Um dies zu verhindern, benötigt das System eine aktive Kühlung, die durch die Entwicklung einer außenliegenden Wasserkühlung mit integrierten Kühlplatten für offene und geschlossene Regelkreis realisiert werden soll. In herkömmlichen Systemen werden dafür innenliegende Luftkühlungen – oder bei größeren Wärmeentwicklungen –  innenliegende Wasserkühlungen verwendet. Diese Kühlsysteme können, aufgrund der Explosionssicherheit nicht umgesetzt werden, da sie bei einer Beschädigung zu Gaseinbringung und Wasserstoffbildung führen und diese eine Explosion verursachen könnte. Deshalb ist es entscheidend, dass ein außenliegendes aktives Wasserkühlsystem entwickelt wird, die den Richtlinien des Explosionsschutzes entspricht. Dabei muss vor allem darauf geachtet werden, dass die hohen Umgebungstemperaturen der Untertagearbeiten einen großen Einfluss auf die Kühlleistung der Anlage haben. Außerdem ist zu ermitteln, mit welcher Temperatur das Kühlwasser in die Anlage geführt werden darf, ohne die Kühlleistung zu schmälern. Mittels zahlreicher Mess- und Schutzeinheiten (Über- und Unterspannungsschutz, Überstromschutz, Kurzschlussschutz, Erdschluss-, Phasenasymmetrie-, Schutzleiter-, Isolationsüberwachung) soll das System ausführlich analysiert und überwacht werden, so dass bereits vor dem Eintritt und der Auswirkung einer Störung reagiert werden kann. Probleme zeigen sich jedoch besonders in der Isolationsmessung, da diese bisher Minuten in Anspruch nimmt und für die explosionssichere Abschaltung innerhalb von 20 bis 25 Millisekunden völlig unzureichend ist. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Isolationsmessung über den Zwischenkreis schwierig und derzeit noch nicht möglich ist. Außerdem ist für die Messung kein reines Sinussignal vorhanden, so dass spezielle aktive Filter entwickelt werden müssen. Mit Hilfe der angestrebten Entwicklungen sollen gezielt die immer wieder auftretenden Grubenunglücke präventiv verhindert und gleichzeitig eine energieeffizientere sowie wartungsärmere Motorennutzung ermöglicht werden.