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1 引言

長(cháng)期以來(lái)，礦業(yè)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(dòng)，啟動(dòng)電流大對設備和電網(wǎng)的沖擊較大，同時(shí)工頻時(shí)易造成物料過(guò)度研磨，研磨周期長(cháng)，研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗較大，這就促使人們去研制啟動(dòng)平滑，研磨效率高、產(chǎn)量大、能耗底的球磨機控制系統，而變頻調速技術(shù)以其卓越的調速性能、顯著(zhù)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(cháng)設備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，已成為現代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)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(dòng)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(yè)。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(yè)，濕式用于選礦、陶瓷、化工行業(yè)等。

礦粉球磨機由給料部、出料部、回轉部、傳動(dòng)部（減速機，小傳動(dòng)齒輪，電機，電控）等主要部分組成。球磨機具有一個(gè)水平放置的回轉圓筒，球磨機的筒體用隔倉板分成2~5個(gè)室，在各個(gè)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(shí)，物料與研磨體混合，在離心力和與筒體內壁產(chǎn)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(shí)，研磨體還有滑動(dòng)和滾動(dòng)現象，這樣，物料于研磨體之間產(chǎn)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(dòng)狀況及物料的研磨過(guò)程，在不同的轉速下，筒體內的鋼球和物料的運動(dòng)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(dòng)狀況示意圖

球磨機筒體的轉速，對粉碎作用和磨機產(chǎn)量影響也很大，當筒體轉速過(guò)低時(shí)，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(guò)大，轉速超過(guò)“臨界轉速”時(shí)，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(dòng)，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(shí)（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(chǎn)生較大的沖擊效果。

3常用控制方式與變頻控制方式的優(yōu)劣對比

目前球磨機普遍采用的是液力耦合器啟動(dòng)，該方式存在

（1）啟動(dòng)電流大，對設備和電網(wǎng)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(cháng)、研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗大，同時(shí)易造成物料的過(guò)渡研磨，增加了生產(chǎn)廠(chǎng)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(yōu)勢：

（1）實(shí)現了系統的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，比之前的工頻控制小3～5倍，消除了啟動(dòng)時(shí)的沖擊，延長(cháng)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(wǎng)及周邊設備的沖擊，利用變頻矢量調速技術(shù)拖動(dòng)，滿(mǎn)足了球磨機低速運行、大啟動(dòng)轉矩的特點(diǎn)，有效保證系統的控制工藝。

（3）優(yōu)越的無(wú)級變速功能，改變了過(guò)去的固定速度研磨方式，大大優(yōu)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(guò)電壓、過(guò)電流等各種保護功能，全中文觸摸屏幕，可直觀(guān)準確的查看設備內部數據。

4用戶(hù)情況介紹

烏海市長(cháng)宏礦業(yè)有限公司位于烏海市卡布其鎮，是一家主要生產(chǎn)石灰粉及脫硫粉的礦業(yè)公司，因生產(chǎn)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(lǐng)導經(jīng)過(guò)調研，為了降低生產(chǎn)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。

球磨機系統是全礦的生產(chǎn)中樞，一旦球磨機電機不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會(huì )造成巨大經(jīng)濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)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(mǎn)足球磨機重載啟動(dòng)。

經(jīng)過(guò)對國內外各種高壓變頻器調研、比較，長(cháng)宏礦業(yè)領(lǐng)導選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)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(fēng)光JD-BP38-900F高壓變頻器基本性能

根據現場(chǎng)情況，需要使用高壓變頻器實(shí)現球磨機系統的軟啟動(dòng)和調速運行，要求變頻器矢量控制技術(shù)，滿(mǎn)足球磨機重載啟動(dòng)，要求變頻器具有高可靠性。

新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F 高壓變頻器(900kW/10kV）技術(shù)參數如表2所示。

長(cháng)宏礦業(yè)選用的新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻器，對球磨機系統進(jìn)行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點(diǎn)：

（1）采用完美無(wú)諧波的單元串聯(lián)多電平拓撲結構，具有較低的電網(wǎng)電流諧波，滿(mǎn)足電網(wǎng)對電能質(zhì)量的嚴格要求，輸出線(xiàn)電壓為33電平，無(wú)需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動(dòng)機。

（2）采用無(wú)速度傳感器矢量控制方式，啟動(dòng)力矩大，并有效避免由于負載波動(dòng)導致的變頻器過(guò)流故障。

（3）可配置2倍以上電流過(guò)載能力，可滿(mǎn)足系統的重載啟動(dòng)要求。

（4）風(fēng)光高壓變頻器對電網(wǎng)電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)能力，大大提高產(chǎn)品在煤礦球磨機應用現場(chǎng)的可靠性。

（5）振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)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(chē)啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行。

（7）電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟；

（8）星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線(xiàn)電壓平衡，最大程度提高電壓利用率。

（9）輸出電壓自動(dòng)穩壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線(xiàn)電壓，根據母線(xiàn)電壓調整輸出電壓，從而實(shí)現自動(dòng)穩壓功能。

（10）故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時(shí)可在運行中對故障單元進(jìn)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(xié)議，頻率設定可以現場(chǎng)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(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)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(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握。

（13）具備突發(fā)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(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)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(fā)生。

（14）限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)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(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。

6 特殊控制功能

（1）中性點(diǎn)漂移功能

單元旁路功能可自動(dòng)、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(gè)單元出現過(guò)流或過(guò)壓故障，系統將會(huì )在最短時(shí)間內將該單元旁路，為了滿(mǎn)足現場(chǎng)工藝需要，采用中性點(diǎn)偏移技術(shù)進(jìn)行處理，保證輸出線(xiàn)電壓仍保持三相對稱(chēng)，同時(shí)最大程度提高了電壓利用率。該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。                 

（2）瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能

該功能主要應用于主電源發(fā)生短時(shí)失電或欠壓以及現場(chǎng)兩路主電源互相切換時(shí)，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(mǎn)足主電源3～10s的欠壓或失電（該值可以進(jìn)行設置）。具體實(shí)現該功能的電路如圖2所示。瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形如圖3所示。

圖2瞬停電路構成電路圖

圖3瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形

（3）“飛車(chē)啟動(dòng)”功能

在高壓變頻器的應用中，有許多場(chǎng)合都要用到“飛車(chē)啟動(dòng)”功能。如下面幾種場(chǎng)合就要用到此功能：轉動(dòng)慣量比較大的場(chǎng)合，典型負載如風(fēng)機；或者對于一拖多的場(chǎng)合，有時(shí)會(huì )用到工頻轉變頻的場(chǎng)合，也需要“飛車(chē)啟動(dòng)”。

高壓變頻器的“飛車(chē)啟動(dòng)”是否成功關(guān)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(jìn)行電機轉子轉速的搜索，即“飛車(chē)啟動(dòng)”開(kāi)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(lái)輸出頻率。這樣，既不會(huì )出現過(guò)流、也不會(huì )出現電容電壓泵升過(guò)壓的現象。

（4）無(wú)擾并網(wǎng)

  該功能主要實(shí)現大功率電機軟啟動(dòng)的功能。應用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相位時(shí)將電動(dòng)機以最小電流切換至工頻電源。切換電流不超過(guò)額定電流的1.5倍，能夠完全滿(mǎn)足大功率電動(dòng)機的軟啟動(dòng)要求。無(wú)擾并網(wǎng)控制示意圖如圖4所示。          

圖4無(wú)擾并網(wǎng)控制示意圖

（5）“工/變頻”自動(dòng)切換功能

 該功能主要是實(shí)現當變頻器出現故障時(shí)，自動(dòng)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(dòng)使電機從工頻狀態(tài)自動(dòng)切換到變頻狀態(tài)。實(shí)現該功能，要求變頻器的控制方式具備自動(dòng)切換功能。

7球磨機變頻主回路接線(xiàn)圖

現場(chǎng)采用1套新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)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(chǎn)的影響，高壓變頻器配置手動(dòng)工頻旁路。一次接線(xiàn)如圖5所示：

 圖5  手動(dòng)旁路柜一次回路圖

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，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(dòng)機構，實(shí)現機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K2斷開(kāi)，K3閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，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(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，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(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)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(shí)需要注意以下事項：

（1）因球磨機的負載性質(zhì)是恒轉矩類(lèi)，機械特性較硬，動(dòng)態(tài)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(shí)雖然具有轉矩提升功能，但提升不足，電機轉矩可能無(wú)法滿(mǎn)足起動(dòng)或低速穩速運行的需要，如果提升過(guò)大，又可能使因磁路飽和而過(guò)流。

（2）球磨機現場(chǎng)，粉塵較多，因此變頻器周?chē)鷳糇銐虻目臻g，保證良好的通風(fēng)，現場(chǎng)需安裝在通風(fēng)良好，遠離熱源和塵埃少的地方。

（3）在調試正常投運一段時(shí)間后，應對主回路接線(xiàn)等主要部位，進(jìn)行巡檢，并定期除塵，避免由于灰塵積累過(guò)多，影響變頻器的正常運行。

9結束語(yǔ)

烏海長(cháng)宏礦業(yè)球磨機變頻器至2016年10月投運以來(lái)，至今運行正常。改造取得了預期目的。經(jīng)過(guò)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(jīng)濟效益和社會(huì )效益。隨著(zhù)我國“十三五”對節能減排工作的日益重視，新風(fēng)光變頻器用于高壓大功率、高能耗設備節電效果顯著(zhù)，而且性能穩定、可靠性高，具有重要的推廣意義。