淺談CHIC2000系列高壓變頻器在半自磨機上的應用

劉雪飛

(中國黃金集團剛果（布）黑角索瑞米股份有限公司，湖北 黃石 435100)

剛果（布）黑角索瑞米股份有限公司是集采、選、冶一體的現代化礦山，年產電積銅2萬噸，公司位于剛果（布）布恩扎省（Bouenz）姆富瓦提鎮（M'fouati），于2016年10月建成投產。項目采用碎磨-硫酸攪浸-CCD洗滌-萃取-電積工藝回收金屬銅，其中磨礦采用單段半自磨工藝流程，使用1臺φ5.03m×3.5m半自磨機，由1臺1300kW的同步電機通過離合器和小齒輪軸帶動磨機筒體轉動，筒體內的礦石和鋼球在離心力的作用下，隨著筒體轉動被提升到一定高度，然后，按一定的線速度而被拋落，礦石受下落鋼球的撞擊和鋼球與鋼球之間及鋼球與磨機襯板之間的附加壓碎和磨剝作用而被粉碎。如果襯板的磨損以后傳統的工頻驅動模式就不能滿足工藝要求，必須對同步電機進行調速控制才能實現。本系統采用中信重工CHIC2000系列磨機調速專用矢量控制10kV交-直-交型高壓變頻器，該變頻器于2016年9月安裝調試結束正式運行，目前運行效果良好。

1 CHIC2000系列高壓變頻器結構功能

1.1 電機及變頻器參數

電機參數型號：TBPM1300-30/2130；額定功率：1300kW；額定電流：87.2A；額定電壓：10000V；勵磁電壓：76V；額定勵磁電流：273.8A；功率因數：0.9；級數：30；額定頻率：50Hz。

變頻器參數型號：CHIC2000-10/10-1500SR；額定功率：1500kW；額定輸出電流：109.7A；額定輸入電壓：10kV；額定輸出電壓：10kV；輸出頻率：0～50Hz；功率半導體：IGBT；輸出波形：載波移相調制正弦波，無傳感器矢量控制。

1.2 高壓變頻器系統結構及功能

手動旁路柜：主要功能是實現變頻與工頻兩種運行模式的相互切換，當變頻器發生故障時，可以切換到工頻運行，不影響生產。

變壓器柜：主要為移相干式變壓器。給功率單元的工作提供獨立的三相輸入電壓，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組多個相絕緣繞組，采用延邊三角形移相，頻率調節更寬，可以提高功率單元整流脈波數。各級功率模塊采用H橋IGBT驅動方式，由于輸出的電平數較多，輸出波形階梯增多，就可以使調制波更接近于正弦，降低電壓跳變，減少網測高次諧波。

功率單元：三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM型變頻機構，將相鄰功率單元的輸出串接起來，形成Y聯結結構，實現變頻的高壓直接輸出。功率單元主要是由二極管三相全橋整流器、濾波電容器、IGBT逆變橋組成，當然，還包括功率器件的驅動，保護，信號采集，光纖通訊等功能組成，通過IGBT的工作狀態，就可以輸出PWM（占空比可變的脈沖寬度調制）。

控制單元：主要實現變頻器的各種控制功能，提供給功率單元電源及控制信號，在變頻器發生故障時保護停機。主要由UPS、電源板、CPU板、MCPU板、WXAIO板、DI板、DO板、PWM板人機界面等電器元件以及若干光纖和導線組成。所有的控制指令和數據通過人機界面傳入控制系統，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行數據，使變頻器按照給定的指令執行輸出，并實時監控變頻器系統的運行狀態，對故障立即停機保護并發出報警信息。

2 高壓變頻器調速原理及特點和注意事項

2.1 高壓變頻器調速原理

CHIC2000高壓變頻器調速系統采用直接的高-高變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率單元串聯而成，從而由各組低壓疊加而生成需要的高壓輸出，對電網諧波污染較小，輸入電流諧波畸變小于2%，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題。不必加輸出濾波。變頻器共有27個功率單元，每9組單元串聯構成一相。MCPU板根據所采集到的用戶操作信息、單元數據、電網及電機數據等生成控制命令及調制波數據。通過數據地址總線將數據發送至PWM板。PWM板將從MCPU板接收到的數據發送至每組功率單元，每組單元根據接收到的控制命令及調制波數據生成PWM調制波，PWM調制波就是用一系列等幅不等寬的脈沖來代替正弦波，單元電壓波疊加后輸出相電壓波。

2.2 高壓變頻器控制方式

高壓變頻器采用矢量控制。簡單地說就是將交流電機調速通過一系列等效變換，等效成直流電機的調速特性。具體做法是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別進行控制，同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量來實現磨機轉速較高精度的控制，同時保證在低速時也有最高的力矩輸出。

2.3 半磨機運行方式的特點

2.3.1 工頻運行

（1）啟動電流大，對設備和電網的沖擊很大；（2）啟動時，對大小齒輪的沖擊較大，齒輪使用壽命縮短，運行穩定相對較差，設備維護工作量和耗電量較大；（3）工藝適用性較差，研磨效率低，易造成物料過磨影響工藝指標，增加輔材消耗。

2.3.2 變頻運行

（1）實現了系統的軟啟動，啟動電流大大減小，電流比工頻控制小3～5倍，消除啟動時的沖擊，延長了機械部件的使用壽命，減少了設備的維修工作量及輔材消耗等費用；（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大并有效避免由于負載波動導致變頻器過流的故障；（3）無極調速功能，改變固定速度研磨方式，即使襯板磨損也能保證研磨效率和磨礦指標；（4）系統具有完善的保護。主要保護分為電網類、電機類、單元類、整機類四大故障保護，主要保護功能包括：欠壓、過壓、超溫、缺相、短路、接地、過載、通訊故障、風機故障、單元、IGBT故障等，所有故障信息都通過顯示屏顯示具體位置，降低維護難度；（5）功率單元采用插接式，標準化、通用化、可互換現場維護更方便，同時能提高整機運轉效率；（6）對電壓適應范圍寬（65%～120%Un）提高了抗電網波動的能力，同時電網瞬時掉電后可以自動重啟；（7）變頻器實時檢測各單元母線的輸出電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能；（8）變頻器頻率給定可以現場給定、通訊給定，強大的通訊功能能滿足全自動化控制；（9）如果由于設備原因或其他原因造成輸出短路，變頻器會立即封鎖輸出，保護設備不受損害，避免發生重大設備事故；（10）單變頻器輸出電流超過設定值時，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加載過程或因負載突然變化而引起過流保護，盡可能減少停車次數。

2.4 注意事項

（1）送電順序必須遵循先送控制電，再送高壓電，斷電順序必須遵循先斷高壓電，再斷控制電；（2）因半自磨機屬于恒轉矩負載，機械特性比較硬，動態特性要求較高，所以必須選用矢量控制功能，選用V/F控制無法滿足啟動和低速時的運行要求，如果提升過大，則會出現過流保護停運；（3）需要定期對變頻器除塵，避免積塵過多散熱不好影響變頻器運行。

3 高壓變頻器在半自磨機上應用效果

3.1 運行效果

（1）半自磨機使用高壓變頻器后，啟動方式由10kV直接啟動變為軟啟動，能夠在0～100%額定轉速范圍內實現無級平滑調速，無電流和機械沖擊，使半自磨機工作平穩，延長了設備使用壽命和維修周期。

（2）變頻器自身保護功能完善，更靈敏，大大加強了對設備的保護。

（3）顯著的節能效果，功率越大節能效果越明顯。

（4）高精度的無級調速，滿足各種復雜工藝的需求。

（5）豐富的用戶接口，更方便地實現生產的自動化。

3.2 經濟效益

3.2.1 根據襯板磨損半自磨機運行情況

3.2.2 工頻狀態下半自磨機的年耗電量分析

3.2.3 變頻情況下半自磨機的年耗電量分析

球磨機設備屬于恒轉矩負載，當磨機在不同轉速下運行時的情況：ηd：同步機的效率，ηb：變頻器的效率，

根據不同頻率運行所占的時間百分比得出運行的平均功率：

4 結語

高壓變頻器采用先進的功率單元級聯載移相控制技術、矢量控制技術等，具有精度高、調速范圍廣、響應速度快、安全可靠、四象限運行、功率因數高等優點。標準化、通用化、模塊化、插接式的設計，元器件間既獨立又相互聯系，同時，互換性強現場維護更方便。

在半自磨機應用中，性能穩定、安全可靠，節能高效，既能保證半自磨磨礦效率最佳，又能保證工藝指標最優，使半自磨機運行效率得到有效的提高，獲得良好的經濟效益和社會效益。高壓變頻器在高壓大功率、高能耗的設備應用效果顯著，而且性能穩定、可靠性高，具有推廣意義，同時，也是電能有效利用的主要手段。