Kohleunternehmen sind große Stromverbraucher, deren Stromverbrauch einen erheblichen Teil der Produktionskosten ausmacht. Studien zeigen, dass Anlagen wie Ventilatoren, Wasserpumpen, Kompressoren, Hebezeuge und Gasableitungssysteme über 40 % des gesamten Stromverbrauchs im Kohlebergbau verbrauchen. Die Entwicklung von Frequenzumrichtern (VFD) behebt effektiv Probleme wie unflexible Steuerungsprozesse, schlechte Echtzeitreaktion und geringen Automatisierungsgrad.

1. Prinzipien und Energiesparvorteile der VFD-Technologie

(1) Grundsätze der VFD-Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ist eine relativ neue Technologie, die erst in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurde. Sie gilt als eine der vielversprechendsten Methoden zur Drehzahlregelung und bietet überlegene Leistung, erhebliche Energieeinsparungen und breite Anwendbarkeit in verschiedenen Branchen.

Die VFD-Technologie integriert Mikroelektronik, Leistungselektronik und Motorsteuerungssysteme. Ihr Grundprinzip besteht darin, Wechselspannung mit fester Frequenz über einen Gleichrichter in Gleichspannung umzuwandeln und diese anschließend mithilfe eines Wechselrichters wieder in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung zum Antrieb des Motors umzuwandeln. Dies ermöglicht eine gleichmäßige, stufenlose Drehzahlregelung ohne zusätzliche Schlupfverluste und sorgt für hohe Effizienz.

Durch die Kombination von Stark- und Schwachstromsystemen mit elektromechanischer Integration passt die VFD-Technologie die Motordrehzahl dynamisch an den Lastbedarf an und ermöglicht so eine automatische und sanfte Beschleunigung bzw. Verzögerung. Dadurch wird die Energieeffizienz bei gleichbleibend hoher Leistung deutlich verbessert.

(2) Energiesparende Vorteile der VFD-Technologie

Dank der Fortschritte in Elektronik, Computertechnologie, Automatisierung und Hochleistungssystemen hat die Frequenzumrichtertechnologie für Wechselstrommotoren bahnbrechende Fortschritte erzielt. Sie ist zu einer Schlüsselmethode für Energieeinsparung, Umweltschutz und technologischen Fortschritt geworden.

Aufgrund ihrer deutlichen Energieeinsparungen (typischerweise 20–60 % bei flüssigkeitsbasierten Lasten) und ihrer überlegenen Regelleistung wird die VFD-Technologie zunehmend in Kohlebergwerken eingesetzt. Leistungsstarke, multifunktionale und äußerst zuverlässige Frequenzumrichter sind heute weit verbreitet und reduzieren den Stromverbrauch deutlich.

Das Energiesparprinzip der VFD-Steuerung umfasst:

Sanfter Start und gleichmäßige Drehzahlregelung, wodurch hohe Einschaltströme vermieden werden.

Verbesserter Leistungsfaktor, wodurch Blindleistungsverluste reduziert werden.

Konstante Drehmomentabgabe unterhalb der Grundfrequenz**, wobei der Stromverbrauch proportional zur Geschwindigkeit variiert.

2. Praktische Anwendungen im Kohlebergbau: Fallstudie Bandförderer

(1) Herausforderungen bei der Energieeinsparung bei Bandförderern

Bandförderer sind für den Kohletransport unerlässlich, insbesondere bei hohen Erträgen, langen Strecken und Schwerlasttransporten. Herkömmliche Antriebssysteme sind jedoch mit folgenden Problemen konfrontiert:

Hoher Anlaufstrom** (6–7-mal so hoch wie der Nennstrom), wodurch das Risiko eines Motordurchbrennens und von Spannungsabfällen besteht.

Mechanische Stöße und Verschleiß durch plötzliche Beschleunigung/Verzögerung.

Ineffiziente Leistungsverteilung bei Mehrmotorenantrieben, die zu ungleichmäßigen Lasten führt.

Herkömmliche Lösungen wie Hydraulikkupplungen oder Rotorwiderstandsstarts leiden immer noch unter hohen Stromstößen, Wärmeentwicklung und Wartungsproblemen.

(2) VFD-Anwendungen in Bandförderern

Ein VFD-basiertes Steuerungssystem für Bandförderer umfasst:

Erkennungseinheit: Stromwandler, Geschwindigkeitssensoren und Bandwaagen zur Überwachung von Last und Geschwindigkeit in Echtzeit.

Steuereinheit (SPS): Verarbeitet Signale, um einen sanften Start/Stopp, einen Lastausgleich und einen Fehlerschutz (z. B. Riemenbruch, Schlupf, Überhitzung) zu ermöglichen.

Execution Unit (VFD): Passt die Motordrehzahl präzise an und sorgt so für einen reibungslosen Betrieb und Energieoptimierung.

Hauptvorteile nach der VFD-Nachrüstung:

Durch sanftes Starten/Stoppen wird die mechanische Belastung vermieden und die Lebensdauer der Geräte verlängert.

Leistungsfaktor ≥ 0,9, wodurch Blindleistungsverluste reduziert werden.

5–10 % höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu hydraulischen Kupplungen.

Automatische lastabhängige Geschwindigkeitsanpassung, wodurch Energieverschwendung vermieden wird.

Regeneratives Bremsen (in 4-Quadranten-VFDs) senkt den Energieverbrauch zusätzlich.

Reduzierte Wartungskosten durch Beseitigung von Problemen mit der Hydraulikkupplung.

3. Fazit

Die VFD-Technologie hat sich im Kohlebergbau als äußerst effektiv erwiesen und ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen und betriebliche Verbesserungen. Mit der Weiterentwicklung der Leistungselektronik wird ihre Rolle bei der Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit im Bergbau weiter zunehmen und zu noch größeren wirtschaftlichen Vorteilen führen.