解决方案
高压变频器在矿业球磨机上的应用
1 引言
长期以来，矿业粉磨工艺中普遍采用球磨机研磨原料，一般都是采用液力耦合器启动，启动电流大对设备和电网的冲击较大，同时工频时易造成物料过度研磨，研磨周期长，研磨效率低，单位产品功耗较大，这就促使人们去研制启动平滑，研磨效率高、产量大、能耗底的球磨机控制系统，而变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果，改善设备的运行工况，提高系统的安全可靠性，延长设备使用寿命等优点，已成为现代电力传动技术的一个发展方向，但是在传统粉磨工艺中最主要的设备球磨机中，采用变频调速传动控制其本上还是空白。
2工艺概述
球磨机主要用于选矿、陶瓷、化工、水泥、玻璃耐火材料等行业。球磨机分为干湿两种，干式用于耐火材料、水泥、化肥、玻璃行业，湿式用于选矿、陶瓷、化工行业等。
矿粉球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传动齿轮，电机，电控）等主要部分组成。球磨机具有一个水平放置的回转圆筒，球磨机的筒体用隔仓板分成2~5个室，在各个室内装有一定形状和大小的研磨体。研磨体一般为钢球或钢段，在棒磨机的粗磨仓研磨体内为钢棒。当球磨机运转时，物料与研磨体混合，在离心力和与筒体内壁产生的摩擦力的作用下被带到一定的高度，在重力的作用下自由下落，落下的研磨体冲击底部的物料把物料击碎。在磨机回转时，研磨体还有滑动和滚动现象，这样，物料于研磨体之间产生摩擦，将物料磨碎。 球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速是由皮带轮或齿轮减速机构（也有用液力耦合器）决定的。球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的研磨过程，在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示。
图1 不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况示意图
球磨机筒体的转速，对粉碎作用和磨机产量影响也很大，当筒体转速过低时，筒体不能将研磨体带到一定的高度，冲击物料的作用很小。反之，若筒体的转速过大，转速超过“临界转速”时，研磨体在其惯性离心力的作用下贴附在筒体上，与筒体一起作圆周运动，也根本起不到对物料的冲击作用。只要当筒体的转速适宜时（以“临界转速”的60%～70%），研磨体抛出后，才能获得最大的降落高度，对物料产生较大的冲击效果。
3常用控制方式与变频控制方式的优劣对比
目前球磨机普遍采用的是液力耦合器启动，该方式存在
（1）启动电流大，对设备和电网的冲击很大。
（2）设备运行的稳定性差，维护量和耗电量巨大。
（3）所需的研磨周期较长、研磨效率低，单位产品功耗大，同时易造成物料的过渡研磨，增加了生产厂家的维护成本，造成了严重的资源浪费。
球磨机使用变频调速后，具有以下优势：
（1）实现了系统的软启动，启动电流大大减小，比之前的工频控制小3～5倍，消除了启动时的冲击，延长了机械部件的使用寿命，减少了设备的维护量及维护费用。
（2）降低了对电网及周边设备的冲击，利用变频矢量调速技术拖动，满足了球磨机低速运行、大启动转矩的特点，有效保证系统的控制工艺。
（3）优越的无级变速功能，改变了过去的固定速度研磨方式，大大优化研磨效率和研磨物体的均匀度。
（4）系统具有完善的超温、缺相、短路、过电压、过电流等各种保护功能，全中文触摸屏幕，可直观准确的查看设备内部数据。
4用户情况介绍
乌海市长宏矿业有限公司位于乌海市卡布其镇，是一家主要生产石灰粉及脱硫粉的矿业公司，因生产需要增加一套球磨机系统。球磨机电机参数如表1所示。
该公司领导经过调研，为了降低生产成本，提高球磨机系统的运行效率，决定采用高压变频器改造球磨机。
表1 电机参数 | |||
型号 | YR800-8/1180 | 功率 | 800kW |
额定电压 | 10kV | 额定电流 | 56.2A |
功率因数 | 0.86 | 额定频率 | 50Hz |
球磨机系统是全矿的生产中枢，一旦球磨机电机不能正常工作，将造成全矿停产，且会造成巨大经济损失。另外高压变频器须安装在环境相当恶劣，粉尘比较多，因此要求高压调速系统具有极高的可靠性、稳定性、防护性，变频器应具有矢量控制功能，满足球磨机重载启动。
经过对国内外各种高压变频器调研、比较，长宏矿业领导选择了新风光电子公司生产的风光牌JD-BP38-900F型（900kW/10kV）高压变频器作为球磨机电机的控制设备。改造取得了成功。
5新风光JD-BP38-900F高压变频器基本性能
根据现场情况，需要使用高压变频器实现球磨机系统的软启动和调速运行，要求变频器矢量控制技术，满足球磨机重载启动，要求变频器具有高可靠性。
新风光电子有限公司生产的JD-BP38-900F 高压变频器(900kW/10kV）技术参数如表2所示。
长宏矿业选用的新风光电子公司生产的JD-BP38-900F高压变频器，对球磨机系统进行控制。该系列高压变频器具有以下特点：
（1）采用完美无谐波的单元串联多电平拓扑结构，具有较低的电网电流谐波，满足电网对电能质量的严格要求，输出线电压为33电平，无需使用输出滤波器，可采用普通异步电动机。
（2）采用无速度传感器矢量控制方式，启动力矩大，并有效避免由于负载波动导致的变频器过流故障。
（3）可配置2倍以上电流过载能力，可满足系统的重载启动要求。
（4）风光高压变频器对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un），提高了抗电网波动能力，大大提高产品在煤矿球磨机应用现场的可靠性。
（5）振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作。
（6）快速飞车启动技术，特别适用于变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行。
（7）电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启；
（8）星点漂移技术，检测到单元故障后，可在100us之内将单元旁路，执行星点漂移技术，保持输出线电压平衡，最大程度提高电压利用率。
（9）输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能。
（10）故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机。
（11）多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制、上位机，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；
（12）单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
（13）具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
（14）限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。
（15）故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。
6 特殊控制功能
单元旁路功能可自动、快速地切除出现故障单元而保证系统继续正常运行或降额运行。高压变频器正常运行中，若某相中有个单元出现过流或过压故障，系统将会在最短时间内将该单元旁路，为了满足现场工艺需要，采用中性点偏移技术进行处理，保证输出线电压仍保持三相对称，同时最大程度提高了电压利用率。该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。
（2）瞬时停电再启动功能
该功能主要应用于主电源发生短时失电或欠压以及现场两路主电源互相切换时，保证变频器不停机，当电源恢复后重新投入工作的功能。该功能满足主电源3～10s的欠压或失电（该值可以进行设置）。具体实现该功能的电路如图2所示。瞬时停电再启动功能波形如图3所示。
图2瞬停电路构成电路图
图3瞬时停电再启动功能波形
在高压变频器的应用中，有许多场合都要用到“飞车启动”功能。如下面几种场合就要用到此功能：转动惯量比较大的场合，典型负载如风机；或者对于一拖多的场合，有时会用到工频转变频的场合，也需要“飞车启动”。
高压变频器的“飞车启动”是否成功关键是输出和转子速度（频率）相同的频率。而电机转子频率是随机的，为此必须进行电机转子转速的搜索，即“飞车启动”开始先搜索电机转子转速，搜索到电机转子转速后，变频器再按搜索到的转子转速来输出频率。这样，既不会出现过流、也不会出现电容电压泵升过压的现象。
该功能主要实现大功率电机软启动的功能。应用锁相环技术，使变频器输出电压与工频电网电压同频、同相位时将电动机以最小电流切换至工频电源。切换电流不超过额定电流的1.5倍，能够完全满足大功率电动机的软启动要求。无扰并网控制示意图如图4所示。
图4无扰并网控制示意图
该功能主要是实现当变频器出现故障时，自动将电机切换到工频运行，或者变频器具备运行条件后，又可自动使电机从工频状态自动切换到变频状态。实现该功能，要求变频器的控制方式具备自动切换功能。
7球磨机变频主回路接线图
现场采用1套新风光电子公司生产的JD-BP38-900F高压变频调速系统，采用“一拖一”控制。为防止变频器检修或故障对生产的影响，高压变频器配置手动工频旁路。一次接线如图5所示：
图5 手动旁路柜一次回路图
旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用机械互锁操动机构，实现机械互锁。当K1、K2闭合，K3断开时，电机变频运行；当K1、K2断开，K3闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
8球磨机变频器调试使用注意事项
球磨机变频器在调试时需要注意以下事项：
（1）因球磨机的负载性质是恒转矩类，机械特性较硬，动态特性要求较高，所以应选用变频器的矢量控制功能，V/F控制在低速时虽然具有转矩提升功能，但提升不足，电机转矩可能无法满足起动或低速稳速运行的需要，如果提升过大，又可能使因磁路饱和而过流。
（2）球磨机现场，粉尘较多，因此变频器周围应留足够的空间，保证良好的通风，现场需安装在通风良好，远离热源和尘埃少的地方。
（3）在调试正常投运一段时间后，应对主回路接线等主要部位，进行巡检，并定期除尘，避免由于灰尘积累过多，影响变频器的正常运行。
9结束语
乌海长宏矿业球磨机变频器至2016年10月投运以来，至今运行正常。改造取得了预期目的。经过矿节能中心测算，变频器节电达25.2%，节能效果明显。高压变频器可以根据磨内原料的粉碎情况准确的调节电机转速，提高了球磨机的运行效率，取得了良好的经济效益和社会效益。随着我国“十三五”对节能减排工作的日益重视，新风光变频器用于高压大功率、高能耗设备节电效果显著，而且性能稳定、可靠性高，具有重要的推广意义。
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