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1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，礦業(yè)粉磨工藝中普遍采用球磨機(jī)研磨原料，一般都是采用液力耦合器啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊較大，同時(shí)工頻時(shí)易造成物料過(guò)度研磨，研磨周期長(zhǎng)，研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗較大，這就促使人們?nèi)パ兄茊?dòng)平滑，研磨效率高、產(chǎn)量大、能耗底的球磨機(jī)控制系統(tǒng)，而變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，但是在傳統(tǒng)粉磨工藝中最主要的設(shè)備球磨機(jī)中，采用變頻調(diào)速傳動(dòng)控制其本上還是空白。

2工藝概述

球磨機(jī)主要用于選礦、陶瓷、化工、水泥、玻璃耐火材料等行業(yè)。球磨機(jī)分為干濕兩種，干式用于耐火材料、水泥、化肥、玻璃行業(yè)，濕式用于選礦、陶瓷、化工行業(yè)等。

礦粉球磨機(jī)由給料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動(dòng)部（減速機(jī)，小傳動(dòng)齒輪，電機(jī)，電控）等主要部分組成。球磨機(jī)具有一個(gè)水平放置的回轉(zhuǎn)圓筒，球磨機(jī)的筒體用隔倉(cāng)板分成2~5個(gè)室，在各個(gè)室內(nèi)裝有一定形狀和大小的研磨體。研磨體一般為鋼球或鋼段，在棒磨機(jī)的粗磨倉(cāng)研磨體內(nèi)為鋼棒。當(dāng)球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，物料與研磨體混合，在離心力和與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力的作用下被帶到一定的高度，在重力的作用下自由下落，落下的研磨體沖擊底部的物料把物料擊碎。在磨機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，研磨體還有滑動(dòng)和滾動(dòng)現(xiàn)象，這樣，物料于研磨體之間產(chǎn)生摩擦，將物料磨碎。 球磨機(jī)一般以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，筒體的轉(zhuǎn)速是由皮帶輪或齒輪減速機(jī)構(gòu)（也有用液力耦合器）決定的。球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況及物料的研磨過(guò)程，在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。

圖1 不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況示意圖

球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速，對(duì)粉碎作用和磨機(jī)產(chǎn)量影響也很大，當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，筒體不能將研磨體帶到一定的高度，沖擊物料的作用很小。反之，若筒體的轉(zhuǎn)速過(guò)大，轉(zhuǎn)速超過(guò)“臨界轉(zhuǎn)速”時(shí)，研磨體在其慣性離心力的作用下貼附在筒體上，與筒體一起作圓周運(yùn)動(dòng)，也根本起不到對(duì)物料的沖擊作用。只要當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速適宜時(shí)（以“臨界轉(zhuǎn)速”的60%～70%），研磨體拋出后，才能獲得最大的降落高度，對(duì)物料產(chǎn)生較大的沖擊效果。

3常用控制方式與變頻控制方式的優(yōu)劣對(duì)比

目前球磨機(jī)普遍采用的是液力耦合器啟動(dòng)，該方式存在

（1）啟動(dòng)電流大，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大。

（2）設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性差，維護(hù)量和耗電量巨大。

（3）所需的研磨周期較長(zhǎng)、研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗大，同時(shí)易造成物料的過(guò)渡研磨，增加了生產(chǎn)廠家的維護(hù)成本，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

球磨機(jī)使用變頻調(diào)速后，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大大減小，比之前的工頻控制小3～5倍，消除了啟動(dòng)時(shí)的沖擊，延長(zhǎng)了機(jī)械部件的使用壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用。

（2）降低了對(duì)電網(wǎng)及周邊設(shè)備的沖擊，利用變頻矢量調(diào)速技術(shù)拖動(dòng)，滿足了球磨機(jī)低速運(yùn)行、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，有效保證系統(tǒng)的控制工藝。

（3）優(yōu)越的無(wú)級(jí)變速功能，改變了過(guò)去的固定速度研磨方式，大大優(yōu)化研磨效率和研磨物體的均勻度。

（4）系統(tǒng)具有完善的超溫、缺相、短路、過(guò)電壓、過(guò)電流等各種保護(hù)功能，全中文觸摸屏幕，可直觀準(zhǔn)確的查看設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)。

4用戶情況介紹

烏海市長(zhǎng)宏礦業(yè)有限公司位于烏海市卡布其鎮(zhèn)，是一家主要生產(chǎn)石灰粉及脫硫粉的礦業(yè)公司，因生產(chǎn)需要增加一套球磨機(jī)系統(tǒng)。球磨機(jī)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

該公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)調(diào)研，為了降低生產(chǎn)成本，提高球磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，決定采用高壓變頻器改造球磨機(jī)。

球磨機(jī)系統(tǒng)是全礦的生產(chǎn)中樞，一旦球磨機(jī)電機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當(dāng)惡劣，粉塵比較多，因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性，變頻器應(yīng)具有矢量控制功能，滿足球磨機(jī)重載啟動(dòng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，長(zhǎng)宏礦業(yè)領(lǐng)導(dǎo)選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-900F型（900kW/10kV）高壓變頻器作為球磨機(jī)電機(jī)的控制設(shè)備。改造取得了成功。

5新風(fēng)光JD-BP38-900F高壓變頻器基本性能

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需要使用高壓變頻器實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和調(diào)速運(yùn)行，要求變頻器矢量控制技術(shù)，滿足球磨機(jī)重載啟動(dòng)，要求變頻器具有高可靠性。

新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F 高壓變頻器(900kW/10kV）技術(shù)參數(shù)如表2所示。

長(zhǎng)宏礦業(yè)選用的新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻器，對(duì)球磨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點(diǎn)：

（1）采用完美無(wú)諧波的單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較低的電網(wǎng)電流諧波，滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求，輸出線電壓為33電平，無(wú)需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動(dòng)機(jī)。

（2）采用無(wú)速度傳感器矢量控制方式，啟動(dòng)力矩大，并有效避免由于負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器過(guò)流故障。

（3）可配置2倍以上電流過(guò)載能力，可滿足系統(tǒng)的重載啟動(dòng)要求。

（4）風(fēng)光高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un），提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)能力，大大提高產(chǎn)品在煤礦球磨機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的可靠性。

（5）振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機(jī)電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

（6）快速飛車啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于變頻保護(hù)后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行。

（7）電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟；

（8）星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測(cè)到單元故障后，可在100us之內(nèi)將單元旁路，執(zhí)行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率。

（9）輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。

（10）故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)。

（11）多種控制方式，可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制、上位機(jī)，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設(shè)定可以現(xiàn)場(chǎng)給定、通訊給定等，支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能；

（12）單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。

（13）具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。

（14）限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過(guò)設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負(fù)載突然變化而引起的過(guò)流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。

（15）故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過(guò)電流保護(hù)時(shí)，可自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)運(yùn)行。

6 特殊控制功能

（1）中性點(diǎn)漂移功能

單元旁路功能可自動(dòng)、快速地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行或降額運(yùn)行。高壓變頻器正常運(yùn)行中，若某相中有個(gè)單元出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓故障，系統(tǒng)將會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)將該單元旁路，為了滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝需要，采用中性點(diǎn)偏移技術(shù)進(jìn)行處理，保證輸出線電壓仍保持三相對(duì)稱，同時(shí)最大程度提高了電壓利用率。該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。                 

（2）瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能

該功能主要應(yīng)用于主電源發(fā)生短時(shí)失電或欠壓以及現(xiàn)場(chǎng)兩路主電源互相切換時(shí)，保證變頻器不停機(jī)，當(dāng)電源恢復(fù)后重新投入工作的功能。該功能滿足主電源3～10s的欠壓或失電（該值可以進(jìn)行設(shè)置）。具體實(shí)現(xiàn)該功能的電路如圖2所示。瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形如圖3所示。

圖2瞬停電路構(gòu)成電路圖

圖3瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形

（3）“飛車啟動(dòng)”功能

在高壓變頻器的應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合都要用到“飛車啟動(dòng)”功能。如下面幾種場(chǎng)合就要用到此功能：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大的場(chǎng)合，典型負(fù)載如風(fēng)機(jī)；或者對(duì)于一拖多的場(chǎng)合，有時(shí)會(huì)用到工頻轉(zhuǎn)變頻的場(chǎng)合，也需要“飛車啟動(dòng)”。

高壓變頻器的“飛車啟動(dòng)”是否成功關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的，為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的搜索，即“飛車啟動(dòng)”開(kāi)始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)輸出頻率。這樣，既不會(huì)出現(xiàn)過(guò)流、也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓泵升過(guò)壓的現(xiàn)象。

（4）無(wú)擾并網(wǎng)

  該功能主要實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)軟啟動(dòng)的功能。應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相位時(shí)將電動(dòng)機(jī)以最小電流切換至工頻電源。切換電流不超過(guò)額定電流的1.5倍，能夠完全滿足大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)要求。無(wú)擾并網(wǎng)控制示意圖如圖4所示。          

圖4無(wú)擾并網(wǎng)控制示意圖

（5）“工/變頻”自動(dòng)切換功能

 該功能主要是實(shí)現(xiàn)當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)將電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，或者變頻器具備運(yùn)行條件后，又可自動(dòng)使電機(jī)從工頻狀態(tài)自動(dòng)切換到變頻狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)該功能，要求變頻器的控制方式具備自動(dòng)切換功能。

7球磨機(jī)變頻主回路接線圖

現(xiàn)場(chǎng)采用1套新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對(duì)生產(chǎn)的影響，高壓變頻器配置手動(dòng)工頻旁路。一次接線如圖5所示：

 圖5  手動(dòng)旁路柜一次回路圖

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機(jī)械互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖。當(dāng)K1、K2閉合，K3斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K2斷開(kāi)，K3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。

保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。

8球磨機(jī)變頻器調(diào)試使用注意事項(xiàng)

球磨機(jī)變頻器在調(diào)試時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

（1）因球磨機(jī)的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類，機(jī)械特性較硬，動(dòng)態(tài)特性要求較高，所以應(yīng)選用變頻器的矢量控制功能，V/F控制在低速時(shí)雖然具有轉(zhuǎn)矩提升功能，但提升不足，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可能無(wú)法滿足起動(dòng)或低速穩(wěn)速運(yùn)行的需要，如果提升過(guò)大，又可能使因磁路飽和而過(guò)流。

（2）球磨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，粉塵較多，因此變頻器周圍應(yīng)留足夠的空間，保證良好的通風(fēng)，現(xiàn)場(chǎng)需安裝在通風(fēng)良好，遠(yuǎn)離熱源和塵埃少的地方。

（3）在調(diào)試正常投運(yùn)一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)主回路接線等主要部位，進(jìn)行巡檢，并定期除塵，避免由于灰塵積累過(guò)多，影響變頻器的正常運(yùn)行。

9結(jié)束語(yǔ)

烏海長(zhǎng)宏礦業(yè)球磨機(jī)變頻器至2016年10月投運(yùn)以來(lái)，至今運(yùn)行正常。改造取得了預(yù)期目的。經(jīng)過(guò)礦節(jié)能中心測(cè)算，變頻器節(jié)電達(dá)25.2%，節(jié)能效果明顯。高壓變頻器可以根據(jù)磨內(nèi)原料的粉碎情況準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高了球磨機(jī)的運(yùn)行效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著我國(guó)“十三五”對(duì)節(jié)能減排工作的日益重視，新風(fēng)光變頻器用于高壓大功率、高能耗設(shè)備節(jié)電效果顯著，而且性能穩(wěn)定、可靠性高，具有重要的推廣意義。