礦山大型雙驅環齒磨機高壓變頻驅動系統設計

張文超

(紫金礦業建設有限公司 廈門設計分公司， 福建 廈門 361009)

0 引言

磨機是礦石被破碎后再進行研磨的關鍵設備，被廣泛用于礦山選礦環節。磨機的工作原理是在其筒體內裝入一定數量的鋼球作為研磨介質，物料由磨機進料端裝入筒體內，當磨機筒體轉動時，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，當被帶到一定高度的時候，由于其本身的重力作用而被拋落，下落的研磨體將筒體內物料擊碎[1]。

隨著市場對礦產需求的不斷增加，磨機作為礦山磨礦廠房的核心設備，如何發揮其最佳的工作性能，使其可靠穩定地運行，是目前礦業企業需要解決的迫切課題。磨機傳統的控制方式是電氣軟啟動后工頻運行，啟動采用電動機空轉異步啟動，同步掛網運行方式。由于電動機在異步啟動階段輸出力矩很小，不能帶動磨機啟動，電動機啟動完成后必須通過空氣離合器加載。而氣動離合器是定速方案必配部件，成本高，且加載過程對機械齒輪沖擊大，嚴重影響磨機壽命。故傳統控制方式不能適應不同類型礦料變化和生產情況變化，生產效率無法提升。

隨著礦山規模的不斷擴大，大型雙同步電動機驅動磨機配高壓變頻調速系統控制得到越來越廣泛的應用，尤以高性能高壓功率器件中壓交-直-交變頻器+高效能同步電動機，使磨機驅動系統具有高可靠性、穩定性和靈活性。不僅傳動系統可以直接全載啟動磨機并運行，變頻運行可以完成負載平衡控制，保證兩臺電動機出力的不平衡度小于1%，保護小齒輪。對于不同類型礦料，可使磨機運行在最佳磨礦速度點，減少返砂率，提高磨機效能[2]。通過磨機的實際運行比較可知，采用高壓變頻調速系統控制大型雙同步電動機驅動磨機是磨機最有發展前途的驅動方案。

1 工程概況

紫金山金銅礦是紫金礦業集團的主要生產礦山，其下屬銅礦第三選礦廠于2016年8月建成投產，生產規模為45 000 t/d，為國內大型銅礦選礦廠。銅礦第三選礦廠磨礦廠房內安裝有1臺溢流型球磨機及1臺半自磨機，其中半自磨機規格為φ11.0 m×5.4 m，半自磨機采用兩臺高壓同步電動機驅動，單臺電動機主要參數如表1所示。

表1 單臺電動機主要參數

2 系統供電主回路設計

根據標準GB 50070—2009《礦山電力設計規范》相關規定，大型有色金屬礦山磨機屬于二級電力負荷，需采用雙回路電源線路供電，兩路電源均直接引自礦區110 kV麒龍變電所10 kV側的不同母線段，電氣主接線如圖1所示。

圖1 電氣主接線圖

3 主控設備選型

3.1 高壓變頻驅動系統選型

3.1.1 驅動系統

選用東芝三菱(TMEIC)TMdrive?-MVG2系列高壓變頻器，屬于單元串聯完美無諧波變頻器。變頻器每相8單元串聯，三相共24個單元，整流脈沖數為48脈沖，對電網的諧波小于2%。輸出電平數為相電壓17電平，線電壓33電平，對電動機無諧波[2]。

變頻器每個變頻單元包含1個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，強制風冷卻。

3.1.2 變頻器參數簡要計算

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

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

由于變頻器傳給電動機的是脈沖電流，其脈沖值比工頻供電時電流要大，由此須將變頻器的容量留有適當的余量。對照手冊，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，過載電流651 A，適用電機容量7 800 kW。變頻器對電動機的過載能力為165%/min，大于一般150%/min的過載能力要求。變頻器額定輸入電壓10 kV，輸出電壓0～10 kV，功率電網側的功率因數大于0.95，變頻器效率97%。

3.2 高壓開關柜選型

高壓開關柜選擇KYN28A-12型金屬鎧裝中置式高壓真空開關柜，內配固封式高壓真空斷路器，彈簧操動機構，操作電壓DC220V。高壓柜內設自動電加熱除濕器、溫濕度控制器。高壓柜內設多功能電能表、多功能電力儀表及微機綜保裝置，帶通信接口，能讀取電壓、電流、功率等參數并能計量電能。

3.3 微機勵磁裝置及勵磁整流變壓器選型

同步電動機勵磁電壓94.5 V、勵磁電流420 A，勵磁裝置選用KGLF-600/110型微機控制無刷同步電動機勵磁系統，直流輸出600 A、110 V。內置核心控制單元微機控制勵磁調節器，集勵磁系統測量、控制、調節與保護。勵磁變壓器選用B級絕緣干式整流變壓器，與勵磁裝置配套[4]。

3.4 直流電源屏選型

直流電源屏選用GZDW系列高頻開關直流電源柜，作為控制、信號、事故照明等負荷的正常與事故情況下的直流電源系統，產品具有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蓄電池。

4 微機綜合保護系統設計

10 kV進、出線柜安裝有技術先進、高可靠性的專用綜合保護監控裝置，實現10 kV系統的控制、保護、測量、信號及管理、調度、遠動等功能。具體保護配置：

1) 10 kV進線柜設限時速斷、過電流、單相接地保護、零序過流保護；

2) 10 kV電力變壓器設電流速斷、過電流、單相接地及超溫保護；

3) 10 kV高壓電動機設電流速斷、過負荷、單相接地保護；

4) 10 kV母線電壓互感器開口三角形設接地保護。

5 變頻控制系統運行分析

半自磨機采用雙電動機、雙變頻器進行驅動，兩臺變頻器分別控制半自磨機兩臺電動機同時運行。故要求兩臺變頻器的負載自動均衡，變頻器必須具有多機負載自動均衡的控制功能，同時還必須具有防結塊保護和結塊后的處理功能。

1) 雙機變頻驅動的負載均衡控制。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，變頻器對電動機的轉矩電流和勵磁電流分別進行閉環控制，變頻器可以直接控制電動機的轉矩。因此雙電動機雙變頻器的控制采用主從控制，主機速度閉環控制，同時主機變頻器將轉矩信號輸出到從機，從機進行轉矩閉環控制，使從機的轉矩和主機相同，可以達到兩臺電動機的負載轉矩完全一致的效果[5]。由于轉矩電流的閉環控制響應速度極快，為毫秒數量級，一般控制在5 ms左右。故轉矩閉環的響應速度極快，轉矩反饋會緊緊跟隨轉矩給定，這就可以達到兩臺電動機的轉矩始終動態一致的效果，這種負載的均衡控制功能，可以使兩臺電動機的轉矩不均衡度控制在1%左右。圖2為控制框圖。

圖2半自磨機雙機驅動負載均衡控制框圖

2) 動態加、減速時間控制。具有電流限制功能，利用電流限制功能限制加速時的最大電流不超過額定電流，并利用軟失速功能，保證加速和運行時永遠不過載，不會因為過載保護而跳閘。同時還可以限制減速時的再生轉矩電流不為負，使減速時不會產生給電容充電的再生電流。因此，電容上不會產生過電壓，也不會因減速時間太短而造成過電壓跳閘保護[6-7]。變頻器快速減速時轉矩電流降到0后不再下降，不會為負值，變頻器自動延長減速時間，使電動機慣性柔和減速。變頻器不會發生加速中的過電流跳閘或減速中的過電壓跳閘，運行的可靠性更高。

3) 發生結塊或者礦料粘連的處理辦法。正常運行時不會發生，一般發生在啟動時。可由PLC比較變頻器的轉矩電流和最大轉矩電流，其實際轉矩電流一旦達到或超過最大轉矩電流，說明礦料粘連或結塊，需要保護停機。

圖3 半自磨機動態加、減速時間控制圖

6 結論

半自磨機轉速過快，礦石會因為離心力緊貼著磨機的內壁不會墜落，與磨機壁發生粘連，無法達到磨碎的目的。如果轉速太低，墜落時的高度低，或者墜落的礦石量過少，磨礦效果不明顯，影響產量。因此半自磨機一般要求速度可調，使礦石能夠在較合適的位置自由墜落，達到最佳磨合的效果，同時還可以提高生產率。變頻器是目前最好的調速工具，半自磨機采用變頻器調節速度，其投運以后，從現場反饋的半自磨機運行狀況來看，達到了預期效果，保證了系統設計的平穩、可靠運行。