Rekonstruktion der Elektrotechnik eines Löffelbaggers EKG 5A

1  Einleitung
Karsdorf, eine Gemeinde im Burgenlandkreis des Landes ­Sachsen-Anhalt, liegt etwa 40 km westlich von Leipzig. Im Jahr 2006 akquirierte ABB hier einen neuen Auftrag in der diskontinuierlichen Tagebautechnologie zur elektrotechnischen Rekonstruktion eines EKG  5. Der Auftraggeber – Lafarge Zement – zählt in Deutschland zu den führenden Zementherstellern. Das Unternehmen Lafarge Zement bietet ein umfassendes Angebot an qualitativ hochwertigen Zementen. Für die Kunden des Auftraggebers ist es von größter Wichtigkeit, dass eine gleich bleibend hohe Qualität der Produkte beibehalten wird. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die aufeinander abgestimmten Prozesse kontinuierlich und störungsfrei nach den jeweiligen Vorgaben ablaufen. Dazu bedient sich der Auftraggeber auch modernster Anlagentechnik.
 
Nach einer internen Analyse bei Lafarge über die bergbauliche Nutzung von neuen hydraulischen Baggern im Vergleich zu den Hochlöffelbaggern des Typs EKG  5, wurden sowohl finanzielle als auch bergbautechnologische Vorteile für den Löffelbagger offensichtlich. Der Löffelbagger ist technologisch beim Abbau in hohem Stoß und hoher Ladehöhe (Brecherbeladung) durch den relativ langen Ausleger besser geeignet. Dies ist auch ein Arbeitssicherheitsaspekt.
 
Löffelbagger sind mechanisch sehr robust und haben einen relativ geringen Wartungsaufwand. Mit der Modernisierung sind Löffelbagger für einen weiteren Lebenszyklus von 10 bis 15 Jahren vorgesehen. (Beim hydraulischen Bagger geht man von 7 bis 10 Jahren aus.) Die elektrische Funktionssicherheit der Altanlage in Analogtechnik war nur mit erhöhtem Aufwand möglich (häufige Reparaturen). Not-Aus-Sicherheitsfunktionen waren nicht installiert und ein Risiko für die Betriebssicherheit. Die Investmentkosten für das EKG  5 Retrofit liegen bei etwa 50  % im Vergleich zur Neuanschaffung eines vergleichbaren hydraulischen Baggers.
 
Lafarge hat sich nach der Vergleichsstudie über die Betriebskosten zu hydraulischen Baggern aus Kosten- und Technologiegründen für den Weiterbetrieb der Elektro-Seilbagger entschieden. Es handelt sich bei dem vorhandenen Bagger EKG  5 um ein Produkt des Herstellers Uralmasch (UHM), seinerzeit ansässig in der ehemaligen Sowjetunion, aus dem Baujahr 1986. Vom Hersteller wurde der Bagger mit einer 6-kV-Schaltanlage und Leonardumformer ausgerüstet. Die Regelung der Gleichstrom-Antriebsmotoren erfolgte mit Transduktoren zur Generatorfeldstellung.
 
Ein großer Teil der heute in Betrieb befindlichen ­Löffelbagger EKG 5 sind in den 1970er- und 1980er-Jahren hergestellt worden. Obgleich sie sehr robust sind und durch vorbeugende ­Instandhaltung gewartet wurden, gelangen diese Geräte nach ca. 30 Betriebsjahren an eine „natürliche“ Verschleißgrenze.

Dies betrifft neben der Mechanik vor allem die elektrotechnische Ausrüstung (Bild 1; Tabelle 1). Abnehmende Verfügbarkeit, technisch veraltete Anlagen, immer schwerer zu beschaffende Ersatzteile und deutliche konzeptionelle Nachteile gegenüber modernen Ausrüstungen veranlassen zahlreiche Betreiber, sich nach Alternativen umzusehen. Dabei muss die Entscheidung immer zwischen Neukauf und Rekonstruktion fallen. Die elektrotechnische Rekonstruktion bietet eine Alternative, die zunehmend genutzt wird.
 
2    Ausgeführte Konstruktionsänderungen
Der Maschineraum wurde für die neue Antriebstechnik angepasst. Die Konstruktionsänderungen mit separatem Elektroraum sind in Bild 2 dargestellt. Um die Schaltanlage den hohen Anforderungen der Umgebungsbedingungen anzupassen, sind folgende Modifikationen vorgenommen worden:
­–    Solider Grundrahmen, Dachverstärkung
­–    Spezielles Befestigungssystem zum Grundrahmen,
­–    Gesicherte und stärkere Schraubverbindungen,
­–    Stärkere und zusätzliche Profile,
­–    Zusätzliche Schraubverbindungen für Module
­–    Schutzart IP42
 
Die Stromrichtermodule wurden in NS-Schränke eingebaut, welche speziell für diesen Bagger platzoptimiert und tagebautauglich modifiziert wurden.
 
3    Eingebaute Elektrotechnik
Im Rahmen der Rekonstruktion wurden die alte 6-kV-Schaltanlage und der Leonardumformer (Bild 3) mit Magnetverstärker entfernt und die neue DC-Antriebstechnik mit SPS-Steuerung eingebaut (Bild 4):
­–    Luftisolierte Mittelspannungsanlage mit Vakuum Leistungsschalter
–    Transformator, Trocken-Gießharz, 390 kVA, 6 kV/415 V
­–    Niederspannungsschaltanlage
­–    Stromrichter DCS800-S02
­–    Dynamische Blindleistungskompensation ACS800-207, 260 kVA
­–    Steuerungssystem mit Drive Controller AC800 M
­–    Bedieneinheiten für den Baggerfahrer
 
Beim Betrieb der Stromrichter mit hoher Leistung im unteren Drehzahlbereich entsteht ein erheblicher Anteil Steuerblindleistung im 415-V-Stromrichternetz. Um die vorgeschalteten Energieübertragungseinrichtungen und den Trafo nicht unzulässig hoch zu belasten, wird die Blindleistung der Stromrichter gleich am Entstehungsort kompensiert. Dafür ist eine dynamische Blindleistungskompensation – ACS800-207 – vorgesehen, die im automatischen Betrieb arbeitet und die erforderliche Kompensationsleistung stufenlos regelt.
 
4    Eigenschaften des neuen Antriebssystems
Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Effizienz der eingesetzten Technik sind wichtige Einflussgrößen auf die Zufriedenheit der Kunden. Der voll digitalisierte Stromrichter und seine Antriebssteuerung und -regelung bieten eine hohe Funktionssicherheit. Durch eine Drehmomentenüberwachung und getriebeschonende Fahrweise (backlash protection) der Bewegungsantriebe werden die Stressfaktoren für die Maschine während des Baggerbetriebes vermindert.
 
Komponenten der Antriebstechnik lassen sich durch die modulare Bauweise leicht austauschen. Der Aufwand für vorbeugende Instandhaltung wird durch die digitale Technik wesentlich verringert. Hohe Feuchtigkeit und Staubbelastung sowie Temperaturextreme (– 25 bis 40 °C) gehören zu den harten Umgebungsbedingungen im Tagebau. Die Stromrichter, der Blindleistungskompensator, Steuerfeld, Mittel- und Niederspannungs­schaltanlagen wurden im separaten E-Raum mit Heizung und Luftfilterung eingebaut. Der abgeschlossene E-Raum entstand durch Einziehen einer Trennwand in das Maschinenhaus.
 
Für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen sind Heizelemente mit automatischer Steuerung vorgesehen. Sollte das Gerät komplett ausgekühlt sein, müssen sowohl der E-Raum als auch die Schaltfelder auf + 5 °C vorgeheizt werden. Diese Prozedur erfolgt automatisch und mit kurzer Vorheizzeit nach dem Zuschalten der Mittelspannung. Ebenso werden die Steuerspannungen für die elektronischen Geräte nach dem Vorheizen automatisch zugeschaltet.
 
5    Technische Lösungen und ihre Vorteile
auf einen Blick
5.1 Stromrichter mit Thyristoren und IGBT-Technik
Dieses Konzept zeichnet sich dadurch aus, dass es sehr kostengünstig ist. Der Einsatz moderner Stromrichtertechnik erlaubt die weitere Nutzung der vorhandenen Gleichstrommotoren. Die neuen Stromrichter DCS800 bieten einen wirksamen Anlagenschutz durch einstellbare Drehmomentgrenzen sowie umfangreiche Diagnosemöglichkeiten für den Antrieb. Es bestehen ein verringerter Wartungsaufwand und höhere Verfügbarkeit durch bewährte Stromrichtertechnik. Durch die modulare und kompakte Bauweise der Komponenten wird eine optimierte Schaltanlage zugelassen, welche für die engen Platzverhältnisse auf dem Bagger gut geeignet ist (Bild 5). Ersatzteile sind preiswert und auf lange Sicht verfügbar
 
5.2 Digitale Steuerung
Der voll digitalisierte Stromrichter und seine Antriebssteuerung bieten hohe Funktionssicherheit. Dabei kann die Dynamik der Regelantriebe wesentlich erhöht werden. Schnelleres Umsteuern von Drehen auf Fahren führt zur Produktivitätserhöhung. Der Betrieb kann in einer geberlosen Fahrweise erfolgen, da die wesentlichen Parameter – Moment und Drehzahl – aus der Antriebssteuerung kommen. Ein Netzausfall wird unter technologischen und sicherheitstechnischen Aspekten beherrscht. Die leistungsfähige Antriebsteuerung (AC 800M) erlaubt es, die bisher aufwändigen Schnittstellen zu minimieren (Relaissteuerung, Drahtschnittstellen usw.)
 
5.3 Aktive Blindleistungskompensation
Durch die aktive Blindleistungskompensation, die rückspeisefähig ist, treten weniger Verluste auf. Ein um 25  % verringerter Spitzenstrom wird durch den Frequenzumrichter erreicht.
 
5.4 Vollisolierter und geschlossener E-Raum
Ein solcher E-Raum weist eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Einsatzbedingungen des Bergbaus auf.
 
6    Höchste Verfügbarkeit mit digitaler Technik
Der Einsatz modernster ABB-Stromrichtertechnik DCS800 und einer ABB-Compact-Steuerung AC800 M führen zu einer effizienten und hochdynamischen Systemsteuerung für den Bagger. Die digitale Technik garantiert eine höhere Betriebs­sicherheit und Verfügbarkeit des Gerätes EKG 5. ABB ­Cottbus realisierte mit diesem Projekt eine interessante Alternative für Retrofits dieser Art kleiner Kompaktbagger.
 
7    Energieeinsparung
Der Wirkungsgrad der Stromrichter DCS800 liegt bei ca. 98  %. Es treten keine Leerlaufverluste mit Stromrichter bei Stand-by-Betrieb auf. Daraus resultiert eine Energieeinsparung von ~ 15  % (Tabelle 2). Wenn man 5000 Betriebsstunden/Jahr annimmt, ergibt das eine Kostenersparnis von ca. 12 500 € Einsparung/Jahr (Industriepreis 0,08 Euro/kWh).
 
8    Inbetriebnahme und Wartung
DriveWindow 2 (Bild 6) ist ein einfach zu bedienendes Programm für Industrial Drives und Mittelspannungsantriebe der Typen ACS600, ACS800, DCS600, DCS800, ACS1000 und ACS6000 von ABB. Es ist ein leistungsfähiges und schnelles Tool für die Inbetriebnahme und Wartung von ABB-Antrieben, die auch über LAN angeschlossen werden können. Mit dem übersichtlichen grafischen Aufbau, vielseitigen Monitoring- und Backup- und den Speicherfunktionen ist DriveWindow ein sehr nützliches Tool für das Bedienungs- und Servicepersonal.
 
8.1 Monitoring von Antrieben
Mit DriveWindow können bis zu sechs Signale von unterschiedlichen Antrieben gleichzeitig dargestellt und überwacht werden. Mit dem Datenspeicher können die Daten vieler Betriebsstunden auf einem PC gespeichert, bei Bedarf ausgedruckt oder als Datei gespeichert werden. Die Überwachungsfunktion ermöglicht, Daten ein- und auszuzoomen, Ist-Werte grafisch anzuzeigen, Werte zu skalieren usw. Der Datalogger ist praktisch ein digitales Oszilloskop im Antrieb, mit dem Antriebsdaten gespeichert werden können. Er wird mit DriveWindow ausgewertet. Die Daten können in grafischer Form angezeigt oder als Datei gespeichert werden.
 
8.2 Vielseitige Back-up-Funktionen
Mit DriveWindow können Antriebsparameter in einer Datei gesichert und bei Bedarf in den Antrieb zurückgeladen werden. Auch die Parameter von Antrieben können mit den ge­speicherten Dateien verglichen werden. DriveWindow kann die gesamte Software einer Regelungseinheit mit wenigen Klicks sichern und bei Bedarf wieder zurückladen. Bei den ACS800-Frequenzumrichtern ist z.  B. nur eine einzige Regelungs- und E/A-Einheit (RMIO-Karte) als Ersatzteil für mehrere verschiedene Frequenzumrichtergrößen ausreichend.
 
8.3 High-speed-Kommunikation
DriveWindow kommuniziert über ein high-speed LWL-Netz mit den Antrieben. Ein LWL-Netzwerk ist sicher und extrem immun gegen externe Störungen. Die Konfiguration des Netzwerks kann entweder in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder in einem ring- oder sternfömigen Anschluss erfolgen. Für den sternförmigen Anschluss werden optische Verteilereinheiten benötigt.
 
8.4 Bedienung der Antriebe
Mit der Steuerkonsole, die zum DriveWindow-Paket gehört, können der Antrieb gestartet und gestoppt, die Drehrichtung des Motors geändert und ein Drehzahl- oder Drehmoment-Sollwert für den Antrieb eingestellt werden. Zusätzlich hat die DriveWindow-Steuerkonsole eine Schritt-Funktion für Schritt-Antwort-Tests. Der Fehler- und Ereignisspeicher des Antriebs kann von DriveWindow ausgewertet und gelöscht werden.
 
8.5 Highlights
­–    Monitoring, Anzeigen und Vergleichen von Parametereinstellungen
–    ­Gleichzeitiges Überwachen mehrerer Antriebe
–    ­Vielseitige Back-up-Funktionen
­–    Daten-, Fehler- und Ereignisspeicher
­–    High-speed-LWL-Kommunikation
­–    Zentrale Verwaltung mehrer dezentraler Antriebe
 
8.6 DriveWindow-2-Systemanforderungen
­–    Windows NT/2000/XP
­–    Hardware für die LWL-Kommunikation am PC: NDPA- PC-Card oder NDPA-PC-Card mit PCI-PC-Card-Adapter
­–    LWL-Verbindungen
­–    LWL-Anschlüsse am Antrieb