高壓變頻器在礦漿管道輸送系統中的應用

崔桂梅 趙琪亮

摘 要：隨著漿體管道輸送技術的發展，長距離漿體管道輸送已經發展為一種先進的運輸技術，這種運輸技術不僅可靠成熟、而且經濟有效。該文以包鋼礦漿管道輸送系統為背景，簡要敘述了系統的概況，介紹了西門子羅賓康高壓變頻調速技術在管道輸送系統中的應用，并對高壓變頻器進行選型，分析了高壓變頻器的系統結構、工作原理及設計接口，給出了礦漿管道輸送系統中礦漿主泵、變頻器、電機的傳遞函數。

關鍵詞：高壓變頻器 礦漿 管道輸送

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0055-02

包鋼礦漿輸送管線全長145 km，年輸送量550萬噸，設計運行壓力13.9MPa，系統配備3臺活塞隔膜泵，配用電機為西門子1RQ4高壓異步電動機，額定參數為：P=1265 KW，U=6.6 kV，I=128 A，采用高壓變頻器驅動電機調速，利用電磁流量計檢測主管道流量，并將通過處理的信號送至控制器，根據設定程序要求控制主泵變頻器的輸出頻率，達到管道輸送的技術要求。

1 高壓變頻器的選型及基本原理

1.1 高壓變頻器選型

西門子羅賓康高壓變頻器采用單元串聯技術，10 kV 輸入、6 kV高壓輸出，屬于高-高型電壓源變頻器[1]。根據礦漿主泵驅動電機選型參數，變頻器的主要參數為：型號6SR3102-6MF42-5FF0，額定功率1506 kW，額定電壓10 kV，頻率50 Hz。

1.2 高壓變頻器原理

西門子羅賓康高壓變頻器采用了單元串聯多電平技術，高壓可直接輸出。系統主要由移相變壓器，功率單元，控制器3部分組成。變頻器輸入側通過移相變壓器將電能輸送至所有的功率模塊，移相變壓器的副邊繞組一共包括3組，通過多脈沖構成多級相疊加的整流方式。該整流方式使得變頻器網側電流波形得到了改善，有效地提高了功率因數。功率單元采用非常普遍的交-直-交單相逆變電路，利用IGBT進行PWM控制，能夠得到單相正弦PWM波形。輸出部分的每臺功率單元的U、V輸出端串接成星型接法為電機提供電源，通過重組所有單元輸出的PWM波形，就能夠形成階梯正弦PWM波形[2]。

2 高壓變頻器的控制接口

（1）開關量—變頻器提供。

待機狀態：變頻器備啟動的條件；運行狀態：變頻器運行中；控制狀態：顯示變頻器操作權限為遠程/本地控制；輕故障：變頻器發出報警信息；重故障：變頻器出現嚴重問題，輸出切斷。

（2）數字量—由外圍提供給變頻器。

遠程啟動命令：變頻器開始輸出；遠程停止命令：變頻器停止輸出。

（3）模擬量—變頻器提供。

變頻器能夠提供兩路4～20 mA電流輸出。定義參數包括：輸出頻率，輸入或輸出電流，閉環給定值，輸入電壓，實際反饋值等。

（4）模擬量—由外圍提供給變頻器。

變頻器提供四路4～20 mA的電流輸入接口，定義參數包括：壓力反饋或給定轉速，以及給定頻率等。

（5）其它接口。

兩路由變頻器提供給高壓開關柜。緊急高壓分斷：當變頻器出現嚴重的故障時，高壓自動斷開；允許高壓合閘：變頻器經過自檢，允許高壓送電。高壓開關的分閘信號：當高壓開關在分斷位置上時，通過閉合節點將信號送至變頻器[3]。

3 礦漿管道輸送系統分析

3.1 礦漿管道輸送的特點

管道輸送中的漿體為固液兩相流體，漿體的流動不但會受到流體粘度限制，與此同時，還會受到固體濃度的限制，還包括流態，溫度與顆粒組成等。漿體在管道輸送中還具有阻力大，流動性比較差以及粘性比較高的問題[4]。

3.2 礦漿管道輸送系統傳遞函數

礦漿管道輸送系統主要包括：礦漿主泵、驅動電機、高壓變頻器以及相應的壓力、流量測量儀表、控制器等，其控制系統原理如圖1。

3.2.1 變頻器環節

變頻器的輸出頻率與控制器的輸出值之間成正比。將變頻器輸出電壓與控制器輸出用一個一階慣性環節表示如式（1），式（1）中：為變頻器電壓、頻率總增益系數，為慣性時間常數。

3.2.2 異步電動機環節

長距離礦漿礦的動力源是變頻器驅動的交流電機，借鑒工程經驗，變頻器的輸出電壓與異步電動機輸出角頻率的近似傳函為式（2），式（2）中：為異步電動機的傳遞函數，為 異步電動機的慣性時間常數。

3.2.3 礦漿主泵環節

將主泵的相關參數合并，那么關于流量的公式就可以設為，為每分鐘活塞運行次數；與電機轉速成正比，；可得到礦漿泵輸出流量與電機角頻率的簡化傳遞函數為式（3）。

將電機與變頻器以及礦漿主泵傳函合并，系統的延遲環節可以通過表示；為 延遲時間常數。最后簡化為式（4），式（4）中：令；，將系統簡化成一個一階慣性延遲環節。

4 結語

此次以高壓變頻調速技術在包鋼礦漿管道輸送系統中的應用進行研究，其具備的穩定性以及實效性能夠滿足礦漿輸送要求，應用效果良好。

參考文獻

[1] 郭凌可，李洪波.羅賓康NBH高壓變頻器在帶式輸送系統中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2013，12（11）：121-122.

[2] 湯倫發，徐剛.高壓變頻器在大落差礦山皮帶輸送機驅動控制系統中的應用[J].新世紀水泥導報，2014，10（3）：55-59.

[3] 陳鼎智.高壓變頻器在高產高效煤礦主斜井帶式輸送機中的應用[J].煤礦機械，2013，10（4）：221-222.

[4] 田飛，周彪，朱紅波.高壓變頻器在礦井帶式輸送機中的應用[J].煤礦機電，2012，10（1）：116-117.