礦用球磨機(jī)的變頻調(diào)速改造設(shè)計(jì)

高志明 姬建鋼 陳松戰(zhàn) 王一冬

(1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司；2.礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中信重工機(jī)械股份有限公司)

礦用球磨機(jī)的變頻調(diào)速改造設(shè)計(jì)

高志明1，2，3姬建鋼1，2，3陳松戰(zhàn)1，2，3王一冬2，3

(1.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司；2.礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中信重工機(jī)械股份有限公司)

介紹了礦用球磨機(jī)的基本運(yùn)行工況，分析了變頻改造的必要性，設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速改造的控制系統(tǒng)，以及變頻器的結(jié)構(gòu)和功能，闡述了操作運(yùn)行的基本步驟，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效益具有重要的意義。

礦用球磨機(jī) 變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 變頻器設(shè)計(jì)

磨機(jī)的綠色、節(jié)能、精細(xì)化作業(yè)，是當(dāng)前選礦工藝系統(tǒng)發(fā)展研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的定速磨機(jī)能耗消耗量大，對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊大，返砂量高、能耗大等因素制約了礦山企業(yè)效益的提高，隨著人們對(duì)于節(jié)能減排的逐步重視，現(xiàn)代礦山企業(yè)不滿足于設(shè)備能夠運(yùn)行即可，對(duì)于工藝的穩(wěn)定性、研磨的最優(yōu)性、設(shè)備的穩(wěn)定性及使用壽命提出了更高的要求，磨機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)方案為礦山企業(yè)提供了最優(yōu)的選擇。

目前，國內(nèi)主流磨機(jī)仍以定速驅(qū)動(dòng)為主，少量采用變頻驅(qū)動(dòng)。如何更好的把變頻調(diào)速應(yīng)用到礦用磨機(jī)上，真正地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗，對(duì)于達(dá)到礦山投資的最優(yōu)化和收益的最大化具有現(xiàn)實(shí)的研究意義。

1 改造目的

礦用球磨機(jī)驅(qū)動(dòng)上采用定速驅(qū)動(dòng)，不能及時(shí)根據(jù)物料特性和進(jìn)料量的變化，以及襯板的磨損狀況而調(diào)整轉(zhuǎn)速，影響整個(gè)選礦系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[1]。當(dāng)采用變速方案后，能根據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化及時(shí)調(diào)整磨機(jī)轉(zhuǎn)速，保證磨機(jī)始終運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)，提高系統(tǒng)的效率。因此，磨機(jī)調(diào)速是保證磨礦粒度和工藝穩(wěn)定的必然要求。

2 改造前的結(jié)構(gòu)與使用情況

根據(jù)磨機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率選擇傳動(dòng)系統(tǒng)的形式，采用開式齒輪邊緣傳動(dòng)方式是較為傳統(tǒng)的形式(見圖1)，大齒輪連接在筒體外側(cè)，通過主電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪帶動(dòng)磨機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖1 同步單電機(jī)驅(qū)動(dòng)

國內(nèi)某礦業(yè)公司現(xiàn)有中信重工制造的φ4.8 m×7 m溢流型球磨機(jī)[2]，傳動(dòng)形式為低速同步電機(jī)+氣動(dòng)離合器+小齒輪+大齒輪驅(qū)動(dòng)。電氣部分主要由高壓低速同步電機(jī)+勵(lì)磁柜+高壓開關(guān)柜+PLC控制柜等組成。

高壓主電機(jī)為有刷勵(lì)磁同步電機(jī)，其主要參數(shù)見表1。

表1 主電機(jī)參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)2 500 kW/10 kV球磨機(jī)變頻調(diào)速的目標(biāo)，經(jīng)分析設(shè)計(jì)采用CHIC2000系列磨機(jī)調(diào)速專用高壓交-直-交變頻器及相關(guān)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該功能。整個(gè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)采用如下形式：①1臺(tái)CHIC2000系列磨機(jī)調(diào)速專用高壓交-直-交變頻器BP；②1臺(tái)變頻啟動(dòng)KYN28A-12型高壓開關(guān)柜QF1；③1臺(tái)變頻器輸出高開柜QF2；④1套變頻調(diào)速系統(tǒng)操作站，操作站由操作臺(tái)和上位機(jī)組成，上位機(jī)與變頻器采用以太網(wǎng)通訊，對(duì)變頻器進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控畫面顯示和控制；⑤高壓變頻器與DCS控制系統(tǒng)硬線連接，DCS控制系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)不夠可在原有機(jī)架上進(jìn)行擴(kuò)展，而需要增加的擴(kuò)展模塊，根據(jù)改造需要進(jìn)行補(bǔ)充。分析設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速系統(tǒng)方案，整個(gè)配置的系統(tǒng)單線見圖2。

圖2 磨機(jī)變頻調(diào)速高壓一次系統(tǒng)圖

3.1.1 系統(tǒng)主要保護(hù)邏輯

(1)高壓變頻器BP上端高壓開關(guān)柜QF1采用原有系統(tǒng)的高壓開關(guān)柜及綜合保護(hù)裝置，對(duì)變頻器輸入側(cè)提供過流、速斷等保護(hù)。

(2)QF1與下口的變頻器有電氣聯(lián)鎖信號(hào)包括合閘允許和緊急分?jǐn)唷?/p>

(3)變頻器對(duì)輸入電源具有過壓、過流、缺相、過載保護(hù)功能。

(4)變頻器輸出對(duì)電動(dòng)機(jī)提供過流、過載、缺相、三相不平衡、接地等完全保護(hù)功能。

3.1.2 系統(tǒng)工作邏輯

變頻調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，QF1、QF2閉合，QF3斷開，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)磨機(jī)需要啟動(dòng)或變頻器發(fā)生故障或退出檢修時(shí)，QF2斷開，QF3閉合，將變頻器脫離開，實(shí)現(xiàn)安全維護(hù)。

QF2與高壓開關(guān)柜QF1、QF2之間存在電氣互鎖。當(dāng)高壓開關(guān)柜QF3閉合時(shí)，QF2禁止操作；當(dāng)高壓開關(guān)柜QF3分閘時(shí)，QF2允許操作。無須對(duì)電機(jī)進(jìn)行任何改造，通過測(cè)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電流波形來計(jì)算電機(jī)實(shí)際頻率。

3.2 高壓變頻器結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用整體化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，包括功率柜、控制柜(高壓開關(guān)柜或旁路柜可選)、變壓器柜、所有部件及內(nèi)部連線，僅須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號(hào)線即可。其控制系統(tǒng)見圖3。

圖3 磨機(jī)變頻調(diào)速就地控制系統(tǒng)圖

CHIC2000系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本體由變壓器柜、功率柜及控制柜組成。下面對(duì)主要組成部分做分析說明。

3.2.1 變壓器柜

變壓器原邊繞組直接聯(lián)到電網(wǎng)的高壓輸入端，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，副邊有多個(gè)二次繞組，分為多個(gè)不同的相位組，輸入功率因數(shù)較高，可保持在0.95以上。輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相，為功率單元提供電源，單元整流回路為二極管前端，單元整流為SPWM可控移相同步整流。為了確保整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)提供了如下措施：

(1)采取強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，設(shè)定控制器溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，超溫報(bào)警，超溫跳閘等，操作人員可隨時(shí)了解變壓器運(yùn)行溫度。

(2)采用三路巡檢溫度控制器進(jìn)行溫度保護(hù)，具有就地和遠(yuǎn)方超溫報(bào)警功能。溫度控制原理見圖4。

圖4 溫度控制原理

(3)變壓器柜內(nèi)裝設(shè)了電壓、電流檢測(cè)器件。變壓器輸入側(cè)電壓、電流檢測(cè)原理見圖5。

3.2.2 功率單元柜

高壓變頻器功率柜以橫排為單位，從上至下依次是U相、V相、W相；以豎排為單位，10 kV電壓等級(jí)變頻器、有9級(jí)功率單元串聯(lián)。功率柜是 CHIC2000 系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中非常重要的執(zhí)行部件。

圖5 變壓器進(jìn)線側(cè)檢測(cè)保護(hù)

(1)采取模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)行檢修維護(hù)非常的方便。功率單元實(shí)物圖見圖6。

圖6 功率單元實(shí)物圖

(2)采用成熟的逆變技術(shù)，每個(gè)功率單元直接使用大功率器件，保證結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，增強(qiáng)互換性，整流側(cè)為三相全橋，IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制。單元輸出的PWM波形見圖7。

圖7 單元輸出的PWM波形

(3)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，得到非常好的PWM波形， dv/dt小，可減少對(duì)電機(jī)的絕緣損壞。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形見圖8。

圖8 輸出電壓疊加波形

3.2.3 控制柜

電控柜分為前后兩個(gè)獨(dú)立腔體，其中變頻器的控制系統(tǒng)安裝在電控柜的前面低壓腔內(nèi)，變頻器的高壓進(jìn)出線及相應(yīng)附件安裝在電控柜的后面高壓腔內(nèi)。電控柜正面低壓腔內(nèi)，從上到下依次為高性能全數(shù)字控制器、AIO及DIO擴(kuò)展板、控制電源系統(tǒng)和對(duì)外接線端子；柜門上裝設(shè)人機(jī)界面系統(tǒng)，供使用者不開柜門直接操作變頻器。高性能全數(shù)字控制器由1塊MCPU、1塊SCPU板、1塊AIO板、1塊DIO板、3塊PWM板、2塊電源板和1塊底部底板組成，各電路板之間的電氣連接通過底部底板相連。

3.2.4 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

CHIC2000高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用直接高-高變換形式，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音等問題。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)無速度傳感器矢量控制，讓控制更精準(zhǔn)。矢量控制以電機(jī)磁場(chǎng)為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制[3]。

(2)完備的保護(hù)措施。系統(tǒng)具備完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)，完全可滿足變頻器及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。

(3)友好、快捷的系統(tǒng)界面。人機(jī)界面選用中文操作系統(tǒng)，系統(tǒng)界面功能強(qiáng)大。在高壓變頻設(shè)備運(yùn)行的過程中，用戶通過觸摸屏反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并作出相應(yīng)的反應(yīng)。用戶可根據(jù)功能需求通過人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和修改。在人機(jī)界面中，提供了一個(gè)用戶管理系統(tǒng)，用戶可以設(shè)置多級(jí)權(quán)限，從而確保參數(shù)的設(shè)置和修改不影響設(shè)備的安全運(yùn)行。

(4)金屬薄膜電容的應(yīng)用。CHIC2000系列高壓變頻器功率模塊內(nèi)部性能優(yōu)良的金屬薄膜電容器儲(chǔ)能，耐過壓能力強(qiáng)、能承受大的波紋電流、有自愈性，壽命遠(yuǎn)高于電解電容，保證了變頻器的正常運(yùn)行和使用壽命。

4 主電機(jī)的改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)使用的運(yùn)行要求，電機(jī)需要變速運(yùn)行，電機(jī)需在基速以下范圍做恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，基速以上做恒功率運(yùn)行。因受電機(jī)機(jī)械運(yùn)行可靠性影響，電機(jī)需做適當(dāng)?shù)母脑臁?/p>

4.1 內(nèi)部線路的改造

2 000 kW及以上的高壓電動(dòng)機(jī)通常采用差動(dòng)保護(hù)，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有詳細(xì)的要求，主要用于高壓電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部短路故障的保護(hù)。進(jìn)行變頻運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行改造切除，屏蔽此裝置。

4.2 冷卻裝置的改造

將電機(jī)加裝通風(fēng)機(jī)，保證在低轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)散熱正常(調(diào)試40 Hz運(yùn)行時(shí)，根據(jù)溫升確定，如溫升不超過正常運(yùn)行溫升時(shí)，可不作此項(xiàng)改動(dòng))；電機(jī)運(yùn)行溫度可設(shè)定為報(bào)警130 ℃，跳閘140 ℃。

4.3 潤滑方式的改造

為保證電機(jī)起動(dòng)和變頻運(yùn)行時(shí)軸承可靠，將電機(jī)軸承潤滑方式改為復(fù)合潤滑方式，即加裝潤滑油站，給軸承循環(huán)供油，電機(jī)軸承進(jìn)、出油口在軸承上已給出(兩側(cè)均有)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)布置情況需要，確定進(jìn)出油方向。時(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)軸承溫度，軸瓦溫度設(shè)定為70 ℃報(bào)警，80 ℃跳閘。變頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)料量，避免料量過大時(shí)電機(jī)過載運(yùn)行，引起電機(jī)溫升過高，對(duì)電機(jī)造成損傷。

5 改造后磨機(jī)運(yùn)行操作方法

(1)潤滑油站啟動(dòng)。首先電機(jī)潤滑站系統(tǒng)需運(yùn)行約20 min，保證整個(gè)系統(tǒng)充分潤滑后，才能進(jìn)行電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行工作。

(2)按照電機(jī)原有工頻直接啟動(dòng)。啟動(dòng)2 500 kW/10 kV有刷同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先確保氣動(dòng)離合器處于脫開狀態(tài)，同步電機(jī)的啟動(dòng)方式是異步啟動(dòng)，同步牽入。當(dāng)高壓開關(guān)柜QF1合閘時(shí)，通過高壓斷路器的輔助觸點(diǎn)告知同步電機(jī)的勵(lì)磁裝置準(zhǔn)備投勵(lì)。此時(shí)，勵(lì)磁裝置自動(dòng)在勵(lì)磁繞組上接入一個(gè)滅磁電阻，以防止勵(lì)磁繞組上感應(yīng)出高壓，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)提供一部分起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在啟動(dòng)繞組和連有滅磁電阻的勵(lì)磁繞組的共同作用下，電機(jī)開始加速。當(dāng)速度到達(dá)同步轉(zhuǎn)速的98%時(shí)，勵(lì)磁裝置投入勵(lì)磁，電機(jī)被牽入同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)到達(dá)同步轉(zhuǎn)速→空氣離合器閉合→帶動(dòng)球磨機(jī)負(fù)載運(yùn)行。

(3)將電機(jī)由工頻電網(wǎng)供電切換到變頻驅(qū)動(dòng)的程序。電機(jī)啟動(dòng)完成(2)的步驟后，閉合高壓開關(guān)柜QF1使得工頻電網(wǎng)對(duì)高壓變頻器BP供電，并使得變頻器處于就緒狀態(tài)。在各路閉鎖、備妥信號(hào)正常的情況下，先斷開高壓開關(guān)柜QF3，后閉合高開柜QF2。通過變頻器BP計(jì)算出磨機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速后，將變頻器BP投入傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換到變頻器BP驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)的模式，并可通過轉(zhuǎn)速設(shè)定調(diào)整磨機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

6 結(jié) 語

對(duì)礦用磨機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行了改造，分別從電氣系統(tǒng)的控制方案和操作程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，從變頻器的總體結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析計(jì)算，保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于磨礦加工的節(jié)能減耗至關(guān)重要，對(duì)降低磨礦成本，提高磨機(jī)作業(yè)率，提高礦物的回收率等優(yōu)越性顯著。

[1] 胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 瞿 龍，黃美琪.中信重工大型礦用磨機(jī)的最新發(fā)展[J].礦山機(jī)械，2010，38(24):20-21.

[3] 陳 炎.變頻器在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2003(4):43-44.

2015-07-28)

高志明(1976—)，男，碩士，工程師，471039 河南省洛陽市澗西區(qū)建設(shè)路206號(hào)。