中高壓變頻器的同步投切系統(tǒng)在礦用磨機(jī)上的應(yīng)用

周 威，趙偉剛，趙漢青

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

磨機(jī)作為金屬礦山的重要設(shè)備直接影響著礦山的生產(chǎn)效率，安全穩(wěn)定的磨機(jī)控制系統(tǒng)是磨機(jī)正常、高效生產(chǎn)的必要條件。中信重工機(jī)械股份有限公司為老撾 KSO 客戶提供了 4 臺(tái)φ8.8 m×4.8 m半自磨機(jī)和 4 臺(tái)φ6.2 m×11.5 m球磨機(jī)，它們的傳動(dòng)裝置均采用異步繞線電動(dòng)機(jī)＋圓柱齒輪減速器＋小齒輪軸組驅(qū)動(dòng)大齒輪帶動(dòng)磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)的方式。其中高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式采用轉(zhuǎn)子回路中串水電阻，即液態(tài)電阻軟啟動(dòng)裝置[1]，在實(shí)際運(yùn)行過程中存在一些問題：

(1) 老撾屬于亞熱帶氣候，有長達(dá)半年的雨季，繞線式電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，碳刷接觸面因碳粉堆積經(jīng)常發(fā)生放電、打火、集電環(huán)燒壞甚至燃燒放炮等問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)；

(2) 液態(tài)電阻軟啟動(dòng)裝置屬于阻性限流，一次性啟動(dòng)后電解液溫升通常在 10～ 30 ℃，重復(fù)性差，電極板長期浸泡在電解液中，表面會(huì)有一定程度的銹蝕，需要定期維護(hù)；

(3) 隨著礦山開采深度和范圍的擴(kuò)大，礦石特性發(fā)生變化，伴隨著生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，襯板和襯板提升條發(fā)生了不同程度的磨損，造成定速磨機(jī)的磨礦效率下降明顯，尤其是半自磨機(jī)。

因此，對球磨機(jī)、半自磨機(jī)電動(dòng)機(jī)及其電氣控制系統(tǒng)的改造迫在眉睫。

1 改造方案

為了確保該項(xiàng)目磨礦系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，提出了將中高壓變頻器的同步投切系統(tǒng)[2]應(yīng)用到整個(gè)磨機(jī)電動(dòng)機(jī)與電氣控制系統(tǒng)中的構(gòu)想。具體的改造方案是，拆除 2 臺(tái)中高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子尾部的滑環(huán)、碳盒、碳刷，轉(zhuǎn)子繞組三相引出線在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短接和固定，將繞線式電動(dòng)機(jī)改造為鼠籠式電動(dòng)機(jī)，利用中高壓變頻器一拖二[3]的功能，即先利用中高壓變頻器啟動(dòng)球磨機(jī)并加速至 50 Hz，然后投入中高壓變頻器實(shí)現(xiàn)同步投切功能，使球磨機(jī)平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)并斷開變頻器，最后再利用同臺(tái)中高壓變頻器驅(qū)動(dòng)半自磨機(jī)變頻運(yùn)行。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 半自磨機(jī)和球磨機(jī)由一個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)，可以節(jié)省變頻器的成本，省去球磨機(jī)的液態(tài)電阻軟啟動(dòng)裝置；

(2) 實(shí)現(xiàn)了球磨機(jī)的重載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流不會(huì)超過額定電流的 1.5 倍，這樣既避免了中壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中對電網(wǎng)的沖擊，又減少了對機(jī)械設(shè)備的損害，在一定程度上延長了電動(dòng)機(jī)和機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

2 改造方案的設(shè)計(jì)

2.1 同步投切系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻器的同步投切系統(tǒng)按照運(yùn)行方式可分為變頻到工頻投切和工頻到變頻投切。變頻到工頻投切時(shí)先由變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，利用鎖相技術(shù)，當(dāng)變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相位都與電網(wǎng)電壓相符合時(shí)鎖相，鎖相成功后執(zhí)行變頻到工頻投切動(dòng)作，將電動(dòng)機(jī)從變頻切出，投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行；工頻到變頻投切時(shí)變頻器先空載運(yùn)行，利用鎖相技術(shù)，當(dāng)變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相位都與輸入電壓一致時(shí)鎖相，鎖相成功后執(zhí)行工頻到變頻投切動(dòng)作，變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)投入變頻運(yùn)行。在老撾 KSO 項(xiàng)目改造過程中，僅用到了變頻到工頻投切方式。

該項(xiàng)目的中高壓變頻同步投切系統(tǒng)主回路由切換開關(guān) QF1、QF2、QF3、QF4、QF5，中高壓變頻器VFD1，并網(wǎng)電抗器 L1，帶有 PLC 的投切控制系統(tǒng)以及高壓電動(dòng)機(jī)等組成，其基本原理如圖 1 所示。其中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、脈沖處理、控制報(bào)警、輸入/輸出鎖相等功能。

圖1 中高壓變頻同步投切系統(tǒng)主回路基本原理Fig.1 Basic principle of primary circuit of synchronous switching system for medium and high voltage frequency converter

2.2 低壓電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

保留原有的球磨機(jī)和半自磨機(jī)潤滑系統(tǒng)就地操作箱、慢驅(qū)控制系統(tǒng)就地操作箱、主電動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)就地操作箱，用 1 臺(tái)變頻器就地操作箱取代球磨機(jī)和半自磨機(jī)的就地操作箱?，F(xiàn)場增加 2 個(gè) E-house 控制室(E-house1 和 E-house2)，其防護(hù)等級均為 IP55，室外安裝。E-house1 由變頻器柜、功率柜和空水冷柜組成；E-house2 由電抗器柜和開關(guān)柜組成。變頻器就地操作箱和 E-house2 均配備 1 個(gè)西門子 ET200M 模塊。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of control system

整個(gè)磨機(jī)控制系統(tǒng)采用菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在原有電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以球磨機(jī) PLC 為主站，以半自磨機(jī) PLC、球磨機(jī)觸摸屏、半自磨機(jī)觸摸屏、變頻器就地操作箱和 E-house2 的 ET200M 及變頻器為從站，通過 Profibus-DP[4]總線通信技術(shù)連接。采用分布式的控制方式，完成磨機(jī)系統(tǒng)和變頻器系統(tǒng)的控制。球磨機(jī)與半自磨機(jī)的 PLC 通過 Modbus TCP/IP 協(xié)議與上位機(jī) ABB800 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

球磨機(jī)、半自磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用西門子 S7-300 系列 PLC 控制器，觸摸屏采用西門子 MP337 系列。變頻器就地操作箱的面板上配備有變頻器啟停按鈕、變頻器模式選擇開關(guān)、變頻器頻率和電流顯示儀表、聲光報(bào)警器以及運(yùn)行和故障顯示燈等。變頻器就地操作箱的 ET200M 模塊機(jī)架上配置 1 個(gè) 32 通道的開關(guān)量輸入模塊、1 個(gè) 32 通道的開關(guān)量輸出模塊、1個(gè) 2 通道的模擬量輸出模塊和 1 個(gè) 4 通道的模擬量輸入模塊，用來采集變頻器的工作模式和狀態(tài)、變頻器的輸出頻率以及電流和轉(zhuǎn)矩等信號；在 E-house2 的ET200M 模塊機(jī)架上配置 1 個(gè) 4 通道的模擬量輸入模塊、1 個(gè) 4 通道的模擬量輸出模塊、2 個(gè) 32 通道的開關(guān)量輸入模塊和 1 個(gè) 32 通道的開關(guān)量輸出模塊，用來采集 E-house2 的溫度、濕度和煙霧濃度，變頻器的輸出頻率、電流和轉(zhuǎn)矩等信號。2 個(gè) ET200M 站把采集的信息傳輸給球磨機(jī) PLC，經(jīng)過球磨機(jī) PLC 處理后參與到相應(yīng)的控制邏輯中，球磨機(jī) PLC 和半自磨機(jī)PLC 相互通信，通過相應(yīng)的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)變頻器的同步投切功能。

2.3 低壓電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 磨機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

磨機(jī)控制系統(tǒng)包含潤滑系統(tǒng)、傳動(dòng)部分輔機(jī)系統(tǒng)和干油噴射潤滑系統(tǒng)，其中傳動(dòng)部分輔機(jī)系統(tǒng)包含主電動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)與主電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。分別啟動(dòng)球磨機(jī)與半自磨機(jī)的潤滑系統(tǒng)、主電動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)和主電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，當(dāng)各系統(tǒng)內(nèi)的壓力、油流、溫度等滿足設(shè)備要求時(shí)，同時(shí)干油噴射潤滑系統(tǒng)與密封加脂系統(tǒng)都處于備妥的情況下，球磨機(jī)與半自磨機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出允許變頻器啟動(dòng)信號。若系統(tǒng)內(nèi)的壓力、油流、溫度等任意指標(biāo)不能夠滿足設(shè)備要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警或故障信息，允許變頻器啟動(dòng)信號自動(dòng)撤銷。在球磨機(jī)與半自磨機(jī)正常工作過程中，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，提示現(xiàn)場操作人員及時(shí)處理問題，此時(shí)變頻器或中高壓開關(guān)柜跳閘，設(shè)備隨即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，以免對設(shè)備造成更大的傷害?，F(xiàn)場操作人員應(yīng)根據(jù)故障信息內(nèi)容及時(shí)處理問題，為下次正常開機(jī)做準(zhǔn)備。球磨機(jī)與半自磨機(jī)控制系統(tǒng)的邏輯功能如圖 3 所示。

圖3 磨機(jī)控制系統(tǒng)邏輯功能Fig.3 Logic function of control system for mill

2.3.2 磨機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

磨機(jī)操作系統(tǒng)有 3 種控制模式，即球磨機(jī)變頻模式、球磨機(jī)同步投切模式 (球磨機(jī)工頻模式) 和半自磨機(jī)變頻模式，3 種模式下的控制邏輯功能如 4 所示。

(1) 球磨機(jī)變頻模式 球磨機(jī) PLC 下發(fā)球磨機(jī)變頻指令給變頻器，變頻器進(jìn)行球磨機(jī)參數(shù)切換，并且輸出“選擇球磨機(jī)有效 (DP 通信)”信號反饋給球磨機(jī) PLC，球磨機(jī) PLC 下發(fā) QF1、QF4、QF5 合閘指令，球磨機(jī) PLC 收到合閘反饋信號、變頻器就緒信號和球磨機(jī)就緒信號后執(zhí)行變頻器啟動(dòng)命令。點(diǎn)擊“變頻器停止”按鈕，球磨機(jī) PLC 下發(fā) QF1、QF4 分閘指令。

(2) 球磨機(jī)同步投切模式 (球磨機(jī)工頻模式)球磨機(jī) PLC 下發(fā)球磨機(jī)變頻指令給變頻器，變頻器進(jìn)行球磨機(jī)參數(shù)切換，并且輸出“選擇球磨機(jī)有效 (DP通信)”信號反饋給球磨機(jī) PLC，球磨機(jī) PLC 下發(fā)QF1、QF4 合閘，QF5 分閘指令，球磨機(jī) PLC 收到合閘反饋信號、變頻器就緒信號和球磨機(jī)就緒信號后，執(zhí)行變頻器啟動(dòng)命令。待變頻器運(yùn)行至 50 Hz 且變頻器輸出電壓幅值和相位跟蹤電網(wǎng)電壓后，變頻器發(fā)出球磨機(jī)同步并網(wǎng)就緒指令，球磨機(jī) PLC 控制 QF2 合閘 (自動(dòng)) 或者現(xiàn)場手動(dòng)操作“球磨機(jī)同步并網(wǎng)”按鈕，變頻器收到 QF2 合閘反饋信號后，球磨機(jī) PLC控制 QF4 分閘，待 PLC 收到 QF4 分閘反饋后，球磨機(jī) PLC 發(fā)出變頻器停止指令，變頻器停止運(yùn)行，球磨機(jī)切工頻完成。

圖4 變頻器同步投切系統(tǒng)的控制邏輯功能Fig.4 Control logic function of synchronous switching system for frequency converter

(3) 半自磨機(jī)變頻模式 半自磨機(jī) PLC 下發(fā)半自磨機(jī)變頻指令給變頻器，變頻器進(jìn)行半自磨機(jī)參數(shù)切換，并且輸出“選擇半自磨機(jī)有效 (DP 通信)”信號反饋給半自磨機(jī) PLC，半自磨機(jī) PLC 下發(fā) QF1、QF3、QF5 合閘指令，半自磨機(jī) PLC 收到合閘反饋信號、變頻器就緒信號和半自磨機(jī)就緒信號后執(zhí)行變頻器啟動(dòng)命令。點(diǎn)擊“變頻器停止”按鈕，半自磨機(jī)PLC 下發(fā) QF1、QF3 分閘指令。

2.3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

主要對變頻器畫面、磨機(jī)系統(tǒng)主畫面、油站系統(tǒng)畫面、報(bào)警和故障畫面等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過監(jiān)控畫面可以對磨機(jī)和變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警故障等信息進(jìn)行顯示，為操作及技術(shù)維護(hù)人員提供一定的數(shù)據(jù)支持，對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行分析判斷。

2.3.4 上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)

ABB800xA[5]DCS系統(tǒng)通過 ModbusTCP[6]通信協(xié)議與球磨機(jī)、半自磨機(jī) PLC 進(jìn)行無縫連接，上位機(jī)畫面完全能夠監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。上位機(jī)畫面如圖 5 所示。

圖5 上位機(jī)畫面Fig.5 Picture of master computer

3 應(yīng)用效果分析

KSO 項(xiàng)目 2019年 5 月設(shè)備調(diào)試完畢后，系統(tǒng)一直穩(wěn)定投運(yùn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，4 個(gè)磨礦車間的 4 臺(tái)半自磨機(jī)平均節(jié)電率為 0.5%，如果按照年耗電量 2.4 億 kW·h、上網(wǎng)電價(jià) 1.5 元/(kW·h) 計(jì)算，5 a 即可節(jié)約 900 萬元，相當(dāng)于收回一臺(tái)半自磨機(jī)一半的投資成本。同時(shí)，由于變頻器的轉(zhuǎn)速可調(diào)，減小了半自磨機(jī)襯板及筒體的磨損[7]，延長了它們的使用壽命。另外，由于變頻重載軟啟動(dòng)的特性，有效緩解了大小齒輪間的碰撞，增加了大小齒輪的使用壽命。以上這些因素都為礦山企業(yè)節(jié)省了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

通過對礦用磨機(jī)的中壓繞線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改造和電氣控制系統(tǒng)軟硬件的升級與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了中高壓變頻器的同步投切系統(tǒng)在礦用磨機(jī)上的成功應(yīng)用，達(dá)到了利用單臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng) 2 臺(tái)礦用磨機(jī)電動(dòng)機(jī)的目的，降低了設(shè)備故障率，提高了磨機(jī)的使用效率。