礦山大型雙驅(qū)環(huán)齒磨機(jī)高壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文超

(紫金礦業(yè)建設(shè)有限公司 廈門(mén)設(shè)計(jì)分公司， 福建 廈門(mén) 361009)

0 引言

磨機(jī)是礦石被破碎后再進(jìn)行研磨的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛用于礦山選礦環(huán)節(jié)。磨機(jī)的工作原理是在其筒體內(nèi)裝入一定數(shù)量的鋼球作為研磨介質(zhì)，物料由磨機(jī)進(jìn)料端裝入筒體內(nèi)，當(dāng)磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，研磨體由于慣性和離心力作用，使它附在筒體襯板上被筒體帶走，當(dāng)被帶到一定高度的時(shí)候，由于其本身的重力作用而被拋落，下落的研磨體將筒體內(nèi)物料擊碎[1]。

隨著市場(chǎng)對(duì)礦產(chǎn)需求的不斷增加，磨機(jī)作為礦山磨礦廠房的核心設(shè)備，如何發(fā)揮其最佳的工作性能，使其可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，是目前礦業(yè)企業(yè)需要解決的迫切課題。磨機(jī)傳統(tǒng)的控制方式是電氣軟啟動(dòng)后工頻運(yùn)行，啟動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)異步啟動(dòng)，同步掛網(wǎng)運(yùn)行方式。由于電動(dòng)機(jī)在異步啟動(dòng)階段輸出力矩很小，不能帶動(dòng)磨機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后必須通過(guò)空氣離合器加載。而氣動(dòng)離合器是定速方案必配部件，成本高，且加載過(guò)程對(duì)機(jī)械齒輪沖擊大，嚴(yán)重影響磨機(jī)壽命。故傳統(tǒng)控制方式不能適應(yīng)不同類型礦料變化和生產(chǎn)情況變化，生產(chǎn)效率無(wú)法提升。

隨著礦山規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型雙同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨機(jī)配高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤以高性能高壓功率器件中壓交-直-交變頻器+高效能同步電動(dòng)機(jī)，使磨機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。不僅傳動(dòng)系統(tǒng)可以直接全載啟動(dòng)磨機(jī)并運(yùn)行，變頻運(yùn)行可以完成負(fù)載平衡控制，保證兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力的不平衡度小于1%，保護(hù)小齒輪。對(duì)于不同類型礦料，可使磨機(jī)運(yùn)行在最佳磨礦速度點(diǎn)，減少返砂率，提高磨機(jī)效能[2]。通過(guò)磨機(jī)的實(shí)際運(yùn)行比較可知，采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制大型雙同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨機(jī)是磨機(jī)最有發(fā)展前途的驅(qū)動(dòng)方案。

1 工程概況

紫金山金銅礦是紫金礦業(yè)集團(tuán)的主要生產(chǎn)礦山，其下屬銅礦第三選礦廠于2016年8月建成投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模為45 000 t/d，為國(guó)內(nèi)大型銅礦選礦廠。銅礦第三選礦廠磨礦廠房?jī)?nèi)安裝有1臺(tái)溢流型球磨機(jī)及1臺(tái)半自磨機(jī)，其中半自磨機(jī)規(guī)格為φ11.0 m×5.4 m，半自磨機(jī)采用兩臺(tái)高壓同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 單臺(tái)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2 系統(tǒng)供電主回路設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50070—2009《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，大型有色金屬礦山磨機(jī)屬于二級(jí)電力負(fù)荷，需采用雙回路電源線路供電，兩路電源均直接引自礦區(qū)110 kV麒龍變電所10 kV側(cè)的不同母線段，電氣主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖

3 主控設(shè)備選型

3.1 高壓變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型

3.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

選用東芝三菱(TMEIC)TMdrive?-MVG2系列高壓變頻器，屬于單元串聯(lián)完美無(wú)諧波變頻器。變頻器每相8單元串聯(lián)，三相共24個(gè)單元，整流脈沖數(shù)為48脈沖，對(duì)電網(wǎng)的諧波小于2%。輸出電平數(shù)為相電壓17電平，線電壓33電平，對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)諧波[2]。

變頻器每個(gè)變頻單元包含1個(gè)三相二極管整流橋和1組IGBT逆變模塊及濾波電容，變壓器采用48脈沖移相整流干式變壓器。變頻器帶總線通信接口，強(qiáng)制風(fēng)冷卻。

3.1.2 變頻器參數(shù)簡(jiǎn)要計(jì)算

變頻器容量≥電流波形修正系數(shù)×電動(dòng)機(jī)功率/(電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)×電動(dòng)機(jī)效率)=1.1×6 500/(0.977×0.956)=7 655 kVA。

變頻器電流≥變頻器容量/(1.732×電動(dòng)機(jī)線電壓)=7 655/(1.732×10)=442 A。

由于變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的是脈沖電流，其脈沖值比工頻供電時(shí)電流要大，由此須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?duì)照手冊(cè)，選擇TMdrive?-MVG2-9 000 kVA-10 kV變頻器，變頻器輸出容量9 000 kVA，額定輸出電流520 A，過(guò)載電流651 A，適用電機(jī)容量7 800 kW。變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力為165%/min，大于一般150%/min的過(guò)載能力要求。變頻器額定輸入電壓10 kV，輸出電壓0～10 kV，功率電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大于0.95，變頻器效率97%。

3.2 高壓開(kāi)關(guān)柜選型

高壓開(kāi)關(guān)柜選擇KYN28A-12型金屬鎧裝中置式高壓真空開(kāi)關(guān)柜，內(nèi)配固封式高壓真空斷路器，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，操作電壓DC220V。高壓柜內(nèi)設(shè)自動(dòng)電加熱除濕器、溫濕度控制器。高壓柜內(nèi)設(shè)多功能電能表、多功能電力儀表及微機(jī)綜保裝置，帶通信接口，能讀取電壓、電流、功率等參數(shù)并能計(jì)量電能。

3.3 微機(jī)勵(lì)磁裝置及勵(lì)磁整流變壓器選型

同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓94.5 V、勵(lì)磁電流420 A，勵(lì)磁裝置選用KGLF-600/110型微機(jī)控制無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，直流輸出600 A、110 V。內(nèi)置核心控制單元微機(jī)控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，集勵(lì)磁系統(tǒng)測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)與保護(hù)。勵(lì)磁變壓器選用B級(jí)絕緣干式整流變壓器，與勵(lì)磁裝置配套[4]。

3.4 直流電源屏選型

直流電源屏選用GZDW系列高頻開(kāi)關(guān)直流電源柜，作為控制、信號(hào)、事故照明等負(fù)荷的正常與事故情況下的直流電源系統(tǒng)，產(chǎn)品具有RS-485通信接口。直流電源屏交流輸入電壓380 V，直流輸出電壓220 V，蓄電池選用鉛酸免維護(hù)蓄電池。

4 微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

10 kV進(jìn)、出線柜安裝有技術(shù)先進(jìn)、高可靠性的專用綜合保護(hù)監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)10 kV系統(tǒng)的控制、保護(hù)、測(cè)量、信號(hào)及管理、調(diào)度、遠(yuǎn)動(dòng)等功能。具體保護(hù)配置：

1) 10 kV進(jìn)線柜設(shè)限時(shí)速斷、過(guò)電流、單相接地保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)；

2) 10 kV電力變壓器設(shè)電流速斷、過(guò)電流、單相接地及超溫保護(hù)；

3) 10 kV高壓電動(dòng)機(jī)設(shè)電流速斷、過(guò)負(fù)荷、單相接地保護(hù)；

4) 10 kV母線電壓互感器開(kāi)口三角形設(shè)接地保護(hù)。

5 變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行分析

半自磨機(jī)采用雙電動(dòng)機(jī)、雙變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)變頻器分別控制半自磨機(jī)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行。故要求兩臺(tái)變頻器的負(fù)載自動(dòng)均衡，變頻器必須具有多機(jī)負(fù)載自動(dòng)均衡的控制功能，同時(shí)還必須具有防結(jié)塊保護(hù)和結(jié)塊后的處理功能。

1) 雙機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的負(fù)載均衡控制。東芝三菱TMdrive?-MVG2系列高壓變頻器，控制采用帶速度傳感器的矢量控制，變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流分別進(jìn)行閉環(huán)控制，變頻器可以直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因此雙電動(dòng)機(jī)雙變頻器的控制采用主從控制，主機(jī)速度閉環(huán)控制，同時(shí)主機(jī)變頻器將轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出到從機(jī)，從機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，使從機(jī)的轉(zhuǎn)矩和主機(jī)相同，可以達(dá)到兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩完全一致的效果[5]。由于轉(zhuǎn)矩電流的閉環(huán)控制響應(yīng)速度極快，為毫秒數(shù)量級(jí)，一般控制在5 ms左右。故轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的響應(yīng)速度極快，轉(zhuǎn)矩反饋會(huì)緊緊跟隨轉(zhuǎn)矩給定，這就可以達(dá)到兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩始終動(dòng)態(tài)一致的效果，這種負(fù)載的均衡控制功能，可以使兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不均衡度控制在1%左右。圖2為控制框圖。

圖2半自磨機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載均衡控制框圖

2) 動(dòng)態(tài)加、減速時(shí)間控制。具有電流限制功能，利用電流限制功能限制加速時(shí)的最大電流不超過(guò)額定電流，并利用軟失速功能，保證加速和運(yùn)行時(shí)永遠(yuǎn)不過(guò)載，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載保護(hù)而跳閘。同時(shí)還可以限制減速時(shí)的再生轉(zhuǎn)矩電流不為負(fù)，使減速時(shí)不會(huì)產(chǎn)生給電容充電的再生電流。因此，電容上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，也不會(huì)因減速時(shí)間太短而造成過(guò)電壓跳閘保護(hù)[6-7]。變頻器快速減速時(shí)轉(zhuǎn)矩電流降到0后不再下降，不會(huì)為負(fù)值，變頻器自動(dòng)延長(zhǎng)減速時(shí)間，使電動(dòng)機(jī)慣性柔和減速。變頻器不會(huì)發(fā)生加速中的過(guò)電流跳閘或減速中的過(guò)電壓跳閘，運(yùn)行的可靠性更高。

3) 發(fā)生結(jié)塊或者礦料粘連的處理辦法。正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生，一般發(fā)生在啟動(dòng)時(shí)。可由PLC比較變頻器的轉(zhuǎn)矩電流和最大轉(zhuǎn)矩電流，其實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流一旦達(dá)到或超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩電流，說(shuō)明礦料粘連或結(jié)塊，需要保護(hù)停機(jī)。

圖3 半自磨機(jī)動(dòng)態(tài)加、減速時(shí)間控制圖

6 結(jié)論

半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快，礦石會(huì)因?yàn)殡x心力緊貼著磨機(jī)的內(nèi)壁不會(huì)墜落，與磨機(jī)壁發(fā)生粘連，無(wú)法達(dá)到磨碎的目的。如果轉(zhuǎn)速太低，墜落時(shí)的高度低，或者墜落的礦石量過(guò)少，磨礦效果不明顯，影響產(chǎn)量。因此半自磨機(jī)一般要求速度可調(diào)，使礦石能夠在較合適的位置自由墜落，達(dá)到最佳磨合的效果，同時(shí)還可以提高生產(chǎn)率。變頻器是目前最好的調(diào)速工具，半自磨機(jī)采用變頻器調(diào)節(jié)速度，其投運(yùn)以后，從現(xiàn)場(chǎng)反饋的半自磨機(jī)運(yùn)行狀況來(lái)看，達(dá)到了預(yù)期效果，保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平穩(wěn)、可靠運(yùn)行。