產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在礦業球磨機上的應用
1 引言
長期以來，礦業粉磨工藝中普遍采用球磨機研磨原料，一般都是采用液力耦合器啟動，啟動電流大對設備和電網的沖擊較大，同時工頻時易造成物料過度研磨，研磨周期長，研磨效率低，單位產品功耗較大，這就促使人們去研制啟動平滑，研磨效率高、產量大、能耗底的球磨機控制系統，而變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果，改善設備的運行工況，提高系統的安全可靠性，延長設備使用壽命等優點，已成為現代電力傳動技術的一個發展方向，但是在傳統粉磨工藝中最主要的設備球磨機中，采用變頻調速傳動控制其本上還是空白。
2工藝概述
球磨機主要用于選礦、陶瓷、化工、水泥、玻璃耐火材料等行業。球磨機分為干濕兩種，干式用于耐火材料、水泥、化肥、玻璃行業，濕式用于選礦、陶瓷、化工行業等。
礦粉球磨機由給料部、出料部、回轉部、傳動部（減速機，小傳動齒輪，電機，電控）等主要部分組成。球磨機具有一個水平放置的回轉圓筒，球磨機的筒體用隔倉板分成2~5個室，在各個室內裝有一定形狀和大小的研磨體。研磨體一般為鋼球或鋼段，在棒磨機的粗磨倉研磨體內為鋼棒。當球磨機運轉時，物料與研磨體混合，在離心力和與筒體內壁產生的摩擦力的作用下被帶到一定的高度，在重力的作用下自由下落，落下的研磨體沖擊底部的物料把物料擊碎。在磨機回轉時，研磨體還有滑動和滾動現象，這樣，物料于研磨體之間產生摩擦，將物料磨碎。 球磨機一般以固定轉速運行，筒體的轉速是由皮帶輪或齒輪減速機構（也有用液力耦合器）決定的。球磨機的轉速直接影響到鋼球和物料的運動狀況及物料的研磨過程，在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動狀況如圖1所示。
圖1 不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動狀況示意圖
球磨機筒體的轉速，對粉碎作用和磨機產量影響也很大，當筒體轉速過低時，筒體不能將研磨體帶到一定的高度，沖擊物料的作用很小。反之，若筒體的轉速過大，轉速超過“臨界轉速”時，研磨體在其慣性離心力的作用下貼附在筒體上，與筒體一起作圓周運動，也根本起不到對物料的沖擊作用。只要當筒體的轉速適宜時（以“臨界轉速”的60%～70%），研磨體拋出后，才能獲得最大的降落高度，對物料產生較大的沖擊效果。
3常用控制方式與變頻控制方式的優劣對比
目前球磨機普遍采用的是液力耦合器啟動，該方式存在
（1）啟動電流大，對設備和電網的沖擊很大。
（2）設備運行的穩定性差，維護量和耗電量巨大。
（3）所需的研磨周期較長、研磨效率低，單位產品功耗大，同時易造成物料的過渡研磨，增加了生產廠家的維護成本，造成了嚴重的資源浪費。
球磨機使用變頻調速后，具有以下優勢：
（1）實現了系統的軟啟動，啟動電流大大減小，比之前的工頻控制小3～5倍，消除了啟動時的沖擊，延長了機械部件的使用壽命，減少了設備的維護量及維護費用。
（2）降低了對電網及周邊設備的沖擊，利用變頻矢量調速技術拖動，滿足了球磨機低速運行、大啟動轉矩的特點，有效保證系統的控制工藝。
（3）優越的無級變速功能，改變了過去的固定速度研磨方式，大大優化研磨效率和研磨物體的均勻度。
（4）系統具有完善的超溫、缺相、短路、過電壓、過電流等各種保護功能，全中文觸摸屏幕，可直觀準確的查看設備內部數據。
4用戶情況介紹
烏海市長宏礦業有限公司位于烏海市卡布其鎮，是一家主要生產石灰粉及脫硫粉的礦業公司，因生產需要增加一套球磨機系統。球磨機電機參數如表1所示。
該公司領導經過調研，為了降低生產成本，提高球磨機系統的運行效率，決定采用高壓變頻器改造球磨機。
表1 電機參數 | |||
型號 | YR800-8/1180 | 功率 | 800kW |
額定電壓 | 10kV | 額定電流 | 56.2A |
功率因數 | 0.86 | 額定頻率 | 50Hz |
球磨機系統是全礦的生產中樞，一旦球磨機電機不能正常工作，將造成全礦停產，且會造成巨大經濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環境相當惡劣，粉塵比較多，因此要求高壓調速系統具有極高的可靠性、穩定性、防護性，變頻器應具有矢量控制功能，滿足球磨機重載啟動。
經過對國內外各種高壓變頻器調研、比較，長宏礦業領導選擇了新風光電子公司生產的風光牌JD-BP38-900F型（900kW/10kV）高壓變頻器作為球磨機電機的控制設備。改造取得了成功。
5新風光JD-BP38-900F高壓變頻器基本性能
根據現場情況，需要使用高壓變頻器實現球磨機系統的軟啟動和調速運行，要求變頻器矢量控制技術，滿足球磨機重載啟動，要求變頻器具有高可靠性。
新風光電子有限公司生產的JD-BP38-900F 高壓變頻器(900kW/10kV）技術參數如表2所示。
長宏礦業選用的新風光電子公司生產的JD-BP38-900F高壓變頻器，對球磨機系統進行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點：
（1）采用完美無諧波的單元串聯多電平拓撲結構，具有較低的電網電流諧波，滿足電網對電能質量的嚴格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動機。
（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大，并有效避免由于負載波動導致的變頻器過流故障。
（3）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足系統的重載啟動要求。
（4）風光高壓變頻器對電網電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），提高了抗電網波動能力，大大提高產品在煤礦球磨機應用現場的可靠性。
（5）振蕩抑制技術，采用優越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作。
（6）快速飛車啟動技術，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行。
（7）電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟；
（8）星點漂移技術，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點漂移技術，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率。
（9）輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能。
（10）故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。
（11）多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制、上位機，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議，頻率設定可以現場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
（12）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（13）具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
（14）限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數。
（15）故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
6 特殊控制功能
單元旁路功能可自動、快速地切除出現故障單元而保證系統繼續正常運行或降額運行。高壓變頻器正常運行中，若某相中有個單元出現過流或過壓故障，系統將會在最短時間內將該單元旁路，為了滿足現場工藝需要，采用中性點偏移技術進行處理，保證輸出線電壓仍保持三相對稱，同時最大程度提高了電壓利用率。該技術使單元串聯多電平變頻器的可靠性得到很大提高。
（2）瞬時停電再啟動功能
該功能主要應用于主電源發生短時失電或欠壓以及現場兩路主電源互相切換時，保證變頻器不停機，當電源恢復后重新投入工作的功能。該功能滿足主電源3～10s的欠壓或失電（該值可以進行設置）。具體實現該功能的電路如圖2所示。瞬時停電再啟動功能波形如圖3所示。
圖2瞬停電路構成電路圖
圖3瞬時停電再啟動功能波形
在高壓變頻器的應用中，有許多場合都要用到“飛車啟動”功能。如下面幾種場合就要用到此功能：轉動慣量比較大的場合，典型負載如風機；或者對于一拖多的場合，有時會用到工頻轉變頻的場合，也需要“飛車啟動”。
高壓變頻器的“飛車啟動”是否成功關鍵是輸出和轉子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉子頻率是隨機的，為此必須進行電機轉子轉速的搜索，即“飛車啟動”開始先搜索電機轉子轉速，搜索到電機轉子轉速后，變頻器再按搜索到的轉子轉速來輸出頻率。這樣，既不會出現過流、也不會出現電容電壓泵升過壓的現象。
該功能主要實現大功率電機軟啟動的功能。應用鎖相環技術，使變頻器輸出電壓與工頻電網電壓同頻、同相位時將電動機以最小電流切換至工頻電源。切換電流不超過額定電流的1.5倍，能夠完全滿足大功率電動機的軟啟動要求。無擾并網控制示意圖如圖4所示。
圖4無擾并網控制示意圖
該功能主要是實現當變頻器出現故障時，自動將電機切換到工頻運行，或者變頻器具備運行條件后，又可自動使電機從工頻狀態自動切換到變頻狀態。實現該功能，要求變頻器的控制方式具備自動切換功能。
7球磨機變頻主回路接線圖
現場采用1套新風光電子公司生產的JD-BP38-900F高壓變頻調速系統，采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對生產的影響，高壓變頻器配置手動工頻旁路。一次接線如圖5所示：
圖5 手動旁路柜一次回路圖
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動機構，實現機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機變頻運行；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
8球磨機變頻器調試使用注意事項
球磨機變頻器在調試時需要注意以下事項：
（1）因球磨機的負載性質是恒轉矩類，機械特性較硬，動態特性要求較高，所以應選用變頻器的矢量控制功能，V/F控制在低速時雖然具有轉矩提升功能，但提升不足，電機轉矩可能無法滿足起動或低速穩速運行的需要，如果提升過大，又可能使因磁路飽和而過流。
（2）球磨機現場，粉塵較多，因此變頻器周圍應留足夠的空間，保證良好的通風，現場需安裝在通風良好，遠離熱源和塵埃少的地方。
（3）在調試正常投運一段時間后，應對主回路接線等主要部位，進行巡檢，并定期除塵，避免由于灰塵積累過多，影響變頻器的正常運行。
9結束語
烏海長宏礦業球磨機變頻器至2016年10月投運以來，至今運行正常。改造取得了預期目的。經過礦節能中心測算，變頻器節電達25.2%，節能效果明顯。高壓變頻器可以根據磨內原料的粉碎情況準確的調節電機轉速，提高了球磨機的運行效率，取得了良好的經濟效益和社會效益。隨著我國“十三五”對節能減排工作的日益重視，新風光變頻器用于高壓大功率、高能耗設備節電效果顯著，而且性能穩定、可靠性高，具有重要的推廣意義。
