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(yáng)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(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 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(guò)程中存在一些問(wèn)題：

(1) 老撾屬于亞熱帶氣候，有長(zhǎng)達(dá)半年的雨季，繞線式電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)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(wèn)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(zhǎng)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(guò)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(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又減少了對(duì)機(jī)械設(shè)備的損害，在一定程度上延長(zhǎng)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(guò)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(kāi)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(rùn)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(rùn)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(chǎng)增加 2 個(gè) E-house 控制室(E-house1 和 E-house2)，其防護(hù)等級(jí)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(kāi)關(guān)柜組成。變頻器就地操作箱和 E-house2 均配備 1 個(gè)西門(mén)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(guò) 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(guò) 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(mén)子 S7-300 系列 PLC 控制器，觸摸屏采用西門(mén)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(kāi)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(kāi)關(guān)量輸入模塊、1 個(gè) 32 通道的開(kāi)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(lái)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(hào)；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(kāi)關(guān)量輸入模塊和 1 個(gè) 32 通道的開(kāi)關(guān)量輸出模塊，用來(lái)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(hào)。2 個(gè) ET200M 站把采集的信息傳輸給球磨機(jī) PLC，經(jīng)過(guò)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(guò)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(rùn)滑系統(tǒng)、傳動(dòng)部分輔機(jī)系統(tǒng)和干油噴射潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)、主電動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(rùn)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(hào)。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(hào)自動(dòng)撤銷(xiāo)。在球磨機(jī)與半自磨機(jī)正常工作過(guò)程中，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，提示現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)處理問(wèn)題，此時(shí)變頻器或中高壓開(kāi)關(guān)柜跳閘，設(shè)備隨即進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，以免對(duì)設(shè)備造成更大的傷害?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員應(yīng)根據(jù)故障信息內(nèi)容及時(shí)處理問(wèn)題，為下次正常開(kāi)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(hào)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(hào)、變頻器就緒信號(hào)和球磨機(jī)就緒信號(hào)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(hào)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(hào)、變頻器就緒信號(hào)和球磨機(jī)就緒信號(hào)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(hào)、變頻器就緒信號(hào)和半自磨機(jī)就緒信號(hào)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(duì)變頻器畫(huà)面、磨機(jī)系統(tǒng)主畫(huà)面、油站系統(tǒng)畫(huà)面、報(bào)警和故障畫(huà)面等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面可以對(duì)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(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行分析判斷。

2.3.4 上位機(jī)畫(huà)面設(shè)計(jì)

ABB800xA[5]DCS系統(tǒng)通過(guò) ModbusTCP[6]通信協(xié)議與球磨機(jī)、半自磨機(jī) PLC 進(jìn)行無(wú)縫連接，上位機(jī)畫(huà)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(huà)面如圖 5 所示。

圖5 上位機(jī)畫(huà)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(chē)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(wàn)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(zhǎng)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(yíng)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(jí)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。