直接力矩變頻控制在雙驅環齒磨機應用分析

譚澤林

（銅陵有色集團公司中鐵建銅冠投資有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 概述

傳統的磨機雙驅低速傳動方案是由兩個高極數同步電機（36 極）組成，啟動時電機無法提供所需的較大啟動轉矩，需在無負載時異步啟動并使電機達到額定速度，然后使用空氣離合器在大約7-10秒內將磨機拖到全速，這樣的強力啟動方式對傳動系統的機械部件會造成較大沖擊，啟動電流較大，易造成啟動失敗和設備損壞。

2 直接轉矩控制(DTC)技術

直接轉矩控制(DTC)技術是在變頻系統轉速環里面，利用轉矩反饋直接控制電機的電磁轉矩，直接采用空間電壓矢量，在定子坐標系下計算并控制電機的轉矩和磁通，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節產生PWM（空間適量SPWM）直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。

3 項目應用

某銅礦設計規模為2000萬t/a，選礦系統分兩個平行的生產線。礦石性質為伴生少量金、銀、鉬的斑巖型銅礦，礦石密度2.63 t/m3；松散密度1.75t/m3；每個系列給礦量≥1263 t/h，進礦粒度≤300mm，產品粒度T80≤2000μm。

項目磨機控制參數：半自磨機Φ10.97×5.4m，2臺，電機額定功率 ：2x6250 kW；球磨機Φ7.9×13.6m，2臺，電機額定功率 ：2x 7800kW。

電機額定速度 ：180 rpm，

慢動速度 ：5%額定速度，

速度范圍 ：70% –110%，

負載特性：恒轉矩 (70 – 100% 額定速度)

恒功率 (100 – 110% 額定速度 )，

啟動過載：150% of Tn @ 10% 基速20秒/每 600 秒。

4 驅動系統構成

系統由中壓開關柜，整流變壓器，變頻器(ACS6000)，勵磁系統，隔離開關柜和同步電動機組成。電機通過轉矩限制聯軸器與小齒輪連接，采用轉矩限制聯軸器，能夠保護極少可能出現的電機端子短路而產生巨大的峰值轉矩，避免對齒輪、環形齒、軸承和磨機產生損傷。

4.1 驅動系統技術參數

4.1.1 中壓開關柜

型號ABB ZS1；額定電壓17.5KV；額定頻率60Hz；真空斷路器 VD4 1250A

微機綜合保護包含：ABB RET650，具有三線圈整流變壓器差動保護，接地保護，電流保護，電壓保護，頻率保護等。

4.1.2 整流變壓器

型號：ZSS礦用油浸3繞組變壓器用于變頻器供電

額定功率：7400 kVA（半自磨機）,9600 kVA（球磨機）

額定電壓：13.8/1.725-1.725kV/3ph

額定電流:309.6/1238.4A（半自磨機）；380.7/1522.9A（球磨機）

原變無載分接范圍: ±2x2.5%

聯結組別: Dd0:15y11:15

4.1.3 變頻器

型號:中壓電壓源型逆變器 ACS6000SD；效率:98%

電網側:二極管橋式整流，24 脈沖，功率因數0.95

電機側：逆變類型3電平電壓源逆變器帶有5級輸出波形，逆變元器件IGCTs，電機控制類型DTC

冷卻類型：水冷，不銹鋼熱交換器

主要保護：過電流，短路，接地故障 (電源和電機側)，缺相，直流欠/過壓, 不對稱和充電故障，逆變器空氣溫度，控制故障 (通訊)，冷卻水導電率, 過/欠壓, 溫度和泄露

主電機保護：過電流，超速，失速，動態扭矩限制

5 系統功能及特點

5.1 軟啟動功能

ACS6000變頻器系統將電機的轉子和旋轉定子磁場同步啟動，而不是異步。啟動平滑并且沒有機械振動。啟動時從電網輸出的電流非常低，并且根據負載和磨機轉速成比例增長。

5.2 去除板結物料功能

采用磨機去除板結物料的特殊方法，通過在運行的電機力矩頂端附加一個重疊的力矩陣列來讓板結的物料抖落下來。由于力矩和速度總是正的，因此齒輪和環齒之間的連接總是保持的，沒有反沖。

5.3 磨機負載雙驅平衡精度高

當電機轉速由于環形齒輪的固定機械咬合而速度一致時，磨機控制器保持兩電機的扭矩相同。傳動系統通過監測2個小齒輪（雙驅系統）之間的力矩偏差小于1%，保證了在包括啟動和停機在內的整個速度區間內，兩個軸之間完美的負荷平衡。

6 系統啟動特性分析

DCS 給出啟動命令和控制的轉速后，驅動系統將會平順而又安全的啟動磨機。首先將轉速沿斜坡增長至正常轉速的10%，在這一過程中，系統還將監視轉矩和磨機角度，驅動系統將根據DCS 所給定的速度調整磨機。

磨礦1號半自磨機正常啟動以及爬坡至額定轉速的測量值。可見，轉矩升高的同時，磨機轉速緩慢爬坡升高。啟動初期，第一個小的轉矩峰值啟動轉矩，之后轉速緩慢爬坡上升，同時轉矩隨著磨機旋轉角度一起上升。當角度到達 36°時，物料開始掉落，隨之而來的是第一個主要的轉矩峰值，大約為額定轉矩的 80%，繼而又跟隨一些較低的峰值轉矩。然后，磨機便持續低速轉動，直到達到物料連續掉落為止。

7 結束語

隨著采礦不斷深入礦石會變得越來越硬。如果球磨機不能變速，一般做法只能通過加球方法，但加球量難以控制，要么不時地開啟和關閉球磨機，這樣做還會導致欠磨或過磨。該礦山項目半自磨和球磨都采用ACS6000變頻系統進行變速運行，提高了研磨的靈活性，可以根據不同的入料通過速度控制找到最佳磨礦點、能夠提高研磨的整體效率。