高壓變頻器在德興銅礦廢石膠帶系統(tǒng)的應(yīng)用

王雪峰

(江西銅業(yè)集團公司德興銅礦，江西德興 334224)

高壓變頻器在德興銅礦廢石膠帶系統(tǒng)的應(yīng)用

王雪峰

(江西銅業(yè)集團公司德興銅礦，江西德興 334224)

德興銅礦13萬t擴能改造子系統(tǒng)廢石膠帶長距離運輸皮帶采用的是高壓變頻器調(diào)速，實現(xiàn)了高壓電機的軟起動，減少了對設(shè)備的沖擊，與傳統(tǒng)調(diào)速對比高壓變頻器具有節(jié)能顯著的特點。介紹了TMdrive－MV高壓變頻器的結(jié)構(gòu)，功率單元的輸出原理以及控制方式，深入分析了它的功能及特點。

高壓變頻器;廢石膠帶;皮帶運輸;TMDrive－MV;諧波;DCS

1 引言

德興銅礦13萬t擴能改造最后一個子項目就是廢石膠帶系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電動輪倒料至美卓6089旋回破碎機，破碎后由3.4m重型鐵板給礦機給料至寬1.8 m、長2.4km的固定皮帶，固定皮帶到一線天排土場轉(zhuǎn)運給移動皮帶，移動皮帶再轉(zhuǎn)運至排土機排料。廢石膠帶系統(tǒng)固定皮帶底部標高85 m，頭部標高367 m，提升高度約282 m，為了確保安全生產(chǎn)，膠帶輸送機分為水平輸送段和上行輸送段，水平輸送段長965m，上行輸送段長1465m，傾角為12°，運行速度4.8m/s，膠帶強度ST5400，驅(qū)動裝置為電動機變頻調(diào)速驅(qū)動，驅(qū)動方式為三滾筒四電機驅(qū)動，電機功率為1600kW。膠帶輸送機設(shè)計運行能力為4500t/h，輸送任務(wù)60000t/d。皮帶傳送是礦山運輸?shù)囊环N重要方式，它的運輸能力直接關(guān)系到企業(yè)的產(chǎn)量和效益。皮帶輸送系統(tǒng)傳統(tǒng)上采用串級調(diào)速方式，這種方式存在著功率因數(shù)低、能耗大及可靠性差的缺點，達不到最佳控制系統(tǒng)的要求。隨著國家節(jié)能減排的力度加大，高壓變頻技術(shù)和自動控制技術(shù)的成熟及其廣泛應(yīng)用，淘態(tài)落后的調(diào)速方式已勢在必行［1］。高壓變頻器是利用改變皮帶傳動電動機的電源頻率，成功地實現(xiàn)交流高壓電動機軟起動及大范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速。

2 傳統(tǒng)的串級調(diào)速原理

長距離膠帶機調(diào)速有兩種方式，一是工藝專業(yè)選用的串級調(diào)速方式，二是采用高壓變頻裝置。從二者性能上看，串級調(diào)速方式功率損耗大，效率最高84%，屬于低效調(diào)速。而高壓變頻裝置，功率損耗小，效率一般在96%以上，屬于高效調(diào)速。串級調(diào)速是將電機的轉(zhuǎn)子回路通過串級調(diào)速控制裝置及逆變變壓器與電網(wǎng)連接［2］。為了便于在轉(zhuǎn)子回路中串入合適的附加電勢，往往將轉(zhuǎn)子交流整流成直流，在直流回路中串入可變直流電勢來實現(xiàn)。裝置將轉(zhuǎn)子三相交流整流成直流并平波后，由有源逆變器提供串入的直流反電勢同時將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率再逆變?yōu)楣ゎl交流，通過逆變變壓器回饋至電網(wǎng)吸收。因此該種調(diào)速方式效率高，一般達到90%以上。等效電勢大小的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整逆變器的逆變角(移相觸發(fā))來實現(xiàn)的。由于三相整流側(cè)電壓不再是恒壓、恒頻的正旋波，而是頻率幅值隨電機轉(zhuǎn)差率變化的交流電勢;并且由于異步電機有較大氣隙，定轉(zhuǎn)子間漏氣較多。當轉(zhuǎn)子電流基波移相角由0增大時，轉(zhuǎn)子電流波形成為梯形波，電動機電流越大時，這種移相觸發(fā)的方法功率因數(shù)越低，能耗越大，可靠性越差。因此，串級調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)理想的控制效果是困難的。高壓變頻裝置屬于節(jié)能產(chǎn)品。以廢石膠帶運輸所用的皮帶電動機為例，年運行按5000h計，每年每臺1600kW皮帶電機本身可節(jié)約12%的電能，約48萬元;不用串級調(diào)速，則省掉了其冷卻裝置54kW，每年節(jié)約電能約13.5萬元。這樣每臺1600kW長皮帶電機，用高壓變頻器，每年可節(jié)約61.5萬元。4臺1600kW電機，一年則節(jié)能245萬元。

3 TMdrive－MV的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)和高壓變頻器兩部分組成［3］。主控臺采用性能可靠的AB可編程序控制器作為核心控制器件，有效地處理系統(tǒng)控制工藝和安全保護問題;用于現(xiàn)場工況控制屏幕，不僅能完善地顯示輸送機、變頻器等主要設(shè)備的各種工況，而且能直觀監(jiān)控輸送機的各種動、靜態(tài)參數(shù)和運行趨勢。設(shè)備具有功能強大、可靠性高的特點。TMDrive－MV的技術(shù)原理見圖1，它采用直接高－高變換的方式，應(yīng)用多電平串聯(lián)疊波、矢量控制、有源逆變的技術(shù)及優(yōu)化的PWM控制算法，實現(xiàn)了正弦電流的輸出。

圖1 TMDrive－MV的技術(shù)原理(6kV輸出)

整套變頻器由干式隔離變壓器、逆變功率單元和控制器組成［4］。

(1)隔離變壓器使用干式變壓器，采用美國杜邦專用的絕緣材料Nomex，H級絕緣變壓器，最高溫度達到180℃，可靠性高，使變壓器的體積小、漏磁小，效率更高，且便于安裝。采用二次繞組相位偏移技術(shù)，實現(xiàn)36－54脈沖整流干式變壓器，室內(nèi)與逆變器并列放置，并采用強迫風(fēng)冷，空氣從前門進，柜頂出。由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了有功率單元引起的諧波電流。

(2)逆變功率單元，它由交－直－交單相逆變電路組成，整流側(cè)為二極管組成的三相全橋，輸入電源端接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。TMdrive－MV 6kV輸出原理見圖2。它有18個功率單元，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，線電壓為6000V，相電壓為3465V，單元電壓為577V，增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，減小了對電機絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量。

圖2 TMdrive－MV 6kv輸出原理

(3)控制器是整個變頻器的控制核心。它由三塊光纖板、一塊從控板、一塊主控板、一塊信號檢測板和一塊底板組成。接收觸摸屏和主控臺中PLC的控制信號，來控制整個變頻器的運行，大屏幕中文液晶顯示器可直接顯示故障情況。變頻器的外部控制采用遠方控制，即由DCS控制變頻器的運行。DCS可以控制變頻器的啟動、停止、調(diào)速等。變頻器的啟動和停止由DCS輸出的干接點來控制，速度調(diào)整由DCS輸出的4～20mA信號來調(diào)整，不論DCS的控制是手動還是自動。變頻器輸出速度反饋和電流反饋兩路模擬量信號進入DCS，用于對變頻器運行狀態(tài)的監(jiān)視。變頻器還反饋給DCS如下開關(guān)量信號:準備好(READY)、運行/停止(RNTD_DO)、報警(ALARM)、故障(FAULT)。

4 系統(tǒng)功能及特點

高壓變頻器對皮帶傳送機而言，在料石量充足的情況下，要求系統(tǒng)全速運行;在料石較少的情況下能方便實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，達到節(jié)能的效果。并且可提供驗帶功能，其拖動方式為一臺變頻器拖動一臺電機。

4.1 功能

4.1.1 一對一拖動

由高壓變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了皮帶機多電機驅(qū)動時的功率平衡，皮帶控制系統(tǒng)采用一拖一方式時，一號驅(qū)動站一臺電機，二號驅(qū)動站三臺電機，四臺高壓變頻器采用一臺做主機與PLC控制系統(tǒng)通訊，變頻器之間相互通訊［5］。

4.1.2 減少諧波

采用多脈沖整流，使得諧波數(shù)值很少。36脈沖整流將輸入電源的高諧波電流降到極低，不需要濾波器就可以滿足IEEE－519(1992)和GB/T14549－93標準，為電動機提供優(yōu)質(zhì)的動力源，TMdrive－MV高壓變頻器采用多段電平PWM控制，使輸出電壓波形實現(xiàn)了階段狀近似正弦波的輸出，輸出電流波亦呈正弦波，36脈沖整流和采用電壓源技術(shù)將變頻器輸入電源的功率因數(shù)提高到0.95以上，無需功率因素補償裝置［6］。

4.1.3 實現(xiàn)軟起動

由高壓變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了皮帶機系統(tǒng)的軟起動。根據(jù)工藝要求調(diào)整皮帶機速度，可實現(xiàn)低速爬行，降低皮帶托輥的磨擦損耗。高壓變頻器驅(qū)動電動機時，利用它的低頻大轉(zhuǎn)矩的輸出特性，實現(xiàn)皮帶提升輸送控制系統(tǒng)的軟啟動，對皮帶基本不造成損害。

4.1.4 減少設(shè)備維護量

由高壓變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)可降低設(shè)備的維護量。變頻器是一種全電子器件的集成系統(tǒng)，它將機械的短壽命轉(zhuǎn)化為電子的長壽命。同時，利用變頻器的軟起動功能成功實現(xiàn)了帶式輸送機的軟起動，皮帶提升系統(tǒng)起動過程中對機械基本無沖擊，系統(tǒng)停機時也可慢速停機，減少對設(shè)備的傷害，極大地降低了設(shè)備電氣和機械的的維護量。

4.1.5 實現(xiàn)節(jié)能

由高壓變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能的效果。主要體現(xiàn)在操作者能根據(jù)料流的多少來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)了電機的轉(zhuǎn)速，優(yōu)化運行速度，實現(xiàn)節(jié)能運行。當空載時減速運行，進而達到了節(jié)能的效果。減少系統(tǒng)磨損，皮帶機在工頻50Hz運行時，其速度為4.8m/s，當空載運行時高壓變頻器對拖動電機進行變頻調(diào)速后，頻率可調(diào)節(jié)為15Hz，此時各部位磨損情況將會減少。

4.2 特點

4.2.1 輸出波形好

采用東芝特有的高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)整控制技術(shù)，使各IGBT的開閉時點不僅在相間，且在線間也不會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，將電動機絕緣的“大敵”尖脈沖雜波控制在最小值。這樣，普通的電動機就可以直接和TMdrive－MV高壓變頻器配套。輸出波電壓波形近似正弦波諧波含量小，減小電動機溫升，輸出為13/19電平，dv/dt很小，對電機的絕緣沒有損害，減小電動機的脈動，可以采用普通高壓電機，不對電機提出任何特殊要求［7］。

4.2.2 系統(tǒng)效率高

采用高壓IGBT(額定電壓1700V)、獨特的多段電平PWM控制，使主回路部件數(shù)量大幅度減少，大大降低了部件本身高壓開關(guān)的損失。高壓變頻器特有的電源端高諧波成分少，輸入變壓器一次線圈的高次諧波損失少，逆變器部分效率98.5%以上，變頻器整體效率(含變壓器)97%以上，在額定轉(zhuǎn)速30%～100%范圍內(nèi)保持高效率。

4.2.3 控制性能優(yōu)異

標準控制為無傳感器矢量控制，精度高，動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩控制能力強，也可以用于有速度傳感器的矢量控制(電機帶碼盤)。

4.2.4 可靠性極高

三菱第五代高壓1700V－IGBT，效率更高，速度更快，專門的用于電力電子的PP7－CPU控制芯片，控制特性優(yōu)良可靠，主回路簡單，附加電路少，采用H級絕緣專用干式變壓器，功率單元內(nèi)部含有自動預(yù)充電電路，對系統(tǒng)和電網(wǎng)沖擊少，強勁的抗外部電源干擾策略，平均無故障時間(MTBF)≥105，000h。

5 結(jié)束語

變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，目前廣泛應(yīng)用于節(jié)能減排。隨著國家對節(jié)能減排力度的空前加大，高壓變頻器的前景更加廣闊。我國是個能耗大國，能源利用率很低，能源儲備不足，節(jié)能減排顯得尤其重要，高壓變頻器在德興銅礦廢石膠帶系統(tǒng)上的應(yīng)用取得了良好效果。

［1］胡令芝.高壓變頻器在山東泰山鋼鐵集團有限公司的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2011(5):87－89.

［2］王興旺.高壓變頻器在皮帶機電控系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.有色冶金節(jié)能，2011(3):54－57.

［3］張敬葉.高壓變頻器在斜井帶式輸送機電控系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.煤礦機電，2010(6):64－69.

［4］張敬葉.高壓變頻器在帶式輸送機電控系統(tǒng)上的改造和應(yīng)用［J］.礦山機械，2010，17:78－80.

［5］黨利軍.高壓變頻器在煤礦皮帶機上的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2010(4):79－81.

［6］楊竑，劉海峰.高壓變頻器在新余良山選礦廠的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2009(2):50－51.

［7］馬永健.利德華福高壓變頻器在力拓鐵礦石輸送帶的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2011(1):75－77.

Application on High Voltage Inverter in Dexing Copper MineWaste Rock Belt System

WANG Xue－Feng
(JCC Dexing Copper Mine，Dexing，Jiangxi 334224，China)

The high－voltage inverter was used in Dexing Copper Mine 130，000ts expansion transformation subsystem long－distance transportation of the waste rock tape belt，it realized soft start of high－voltage motor to reduce the impact on the equipment.Comparing with the traditional timing，the high voltage inverter has a significant energy saving features.The structure，the power unit of output principle and control method of the TMdrive－MV high－voltage inverter are introduced，the functions and features are analysed in－depth.

high－voltage inverter;waste rock tape;belt transport;TMDrive－MV;harmonic;DCS

TM76;TD528+.1

:B

:1009－3842(2012)04－0061－03

2012－06－07

王雪峰(1979－)，男，江西安福人，在讀工程碩士，工程師，主要從事電氣技術(shù)、生產(chǎn)管理工作。E－mail:35062581@qq.com