10kV大功率变频器在大型磨机上的应用

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１２Ａｐｒｉｌ２０２０
现　代　矿　业
ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ
总第６１２期
２０２０年４月第４期
江金发（１９６４—），男，矿长助理，工程师，３６４２００福建省上杭县。

１０ｋＶ大功率变频器在大型磨机上的应用
江金发
（紫金矿业集团股份有限公司）
摘　要　为了提高生产效率、保证生产系统的连续可靠运行，对１０ｋＶ大功率变频器在大型磨机上的应用进行了分析与研究。

认为根据磨机不同启动方式对电网的影响，并针对同一矿山矿石可磨性的变化，结合大型磨机运行特点，利用变频器调速功能，来实现对不同矿石、不同生产状态下的磨机研磨效果。

关键词　球磨机　半自磨机　变频器　分析　应用ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４ ６０８２．２０２０．０４．０４６
某金属矿山采用
７．９ｍ×１３．６ｍ型双驱溢流型球磨机磨矿，变频双边同步驱动，电动机采用交流无刷励磁同步电机，装机功率为８５００ｋＷ×２。

由于上一级变电站供电系统主变容量受限，无法满足球磨机大电流启动的需求，同时结合磨机调速对不同生产条件的适应程度，通过对相关启动方式的对比分析，论证变频器在大型磨机的启动与运行中的可行性，对磨机的节能、控制具有重要意义。

１　磨机不同启动方式的对比分析
在变频调速系统还未应用于大型磨机前，市场上普遍采用定速方案，如采用频敏变阻器启动、液阻启动、固态软启动等，变频调速在大型磨机成功应用后，不仅改变了磨机的启动方式，而且为磨机在正常运行过程中提供了不同生产条件下的运行方式，满足生产系统的连续稳定运行。

１．１　频敏变阻器启动
频敏变阻器是一种无触点电磁元件，相当于一个等值阻抗。

在电动机启动过程中，由于等值阻抗随转子启动电流中高频成分的减小而自动下降，以达到自动变阻，实现电动机平稳启动，可以通过改为频敏变阻器线圈抽头接线方式来调整启动电流和启动转矩，来适应不同负载的启动电流和启动转矩要求，具有结构较简单，成本较低，维护方便，平滑启动，但存在ｃｏｓΦ较低，启动转矩不大，适于绕线式电动机轻载启动。

１．２　液阻启动
液态软启动装置是在电机转子回路中串入液体电阻，电阻随着电动机的启动自动投入并在预定的时间内自动、无级切除，液阻切除完毕（即启动完成
时），电机自动投入正常运行。

启动前可根据电机电流大小自动调整液阻值，使整个启动过程的启动电流较小，均匀升速而液阻无级切换，从而实现电机的软启动功能。

１．３　固态软启动
采用晶闸管串并联，实现输出电压连续控制，使电动机平稳地启动和停止。

通过主控单元控制驱动电路，调节三相独立的反并联可控硅ＳＣＲ阀组的相角来改变三相电动机的交流输入电压和电流，从而慢慢地增大电机转矩，达到恒流启动或按一定斜率曲线变化启动和停车的目的。

由于不能调节电源频率，不能在零电压零频率下启动，也没有调速功能，因而无法实现零冲击启动。

１．４　变频调速启动及运行
变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，逆变电路将直流电再逆成交流电。

设备启动过程中，电流从零开始至额定电流连续可调，不会产生冲击电流；可以根据不同的负载特性来确定变频器的启动转矩，来实现重载启动设备的使用要求。

２　大型磨机对变频驱动及电控的技术要求
（１）为保证磨机在不同供矿条件及衬板在全寿命周期的稳定运行，达到最佳磨合效果，提高生产效率，要求变频器及电动机的调速在０～１１０％内连续可调，同时要求小于额定转速时为恒转矩，大于额定转速时为恒功率，以及正反双向可控运行。

（
２）根据磨机具有低转速、重负载、大冲击等典型特点，启动时需要克服传动系统的磨损损耗和研磨体重心的偏移对传动轴所产生的有效力矩。

半自磨机变频器需具备每１０ｍｉｎ有１ｍｉｎ１６８％额定转矩的
８
５１
过载能力，电动机选用６５００ｋＷ×２、１０ｋＶ交流无刷励磁同步电机，１电机极数３２极，电机额定速度１８７．５ｒ／ｍｉｎ；球磨机变频器具有需具备每１０ｍｉｎ有１ｍｉｎ１７９％额定转矩的过载能力，电动机选用８５００ｋＷ×２、１０ｋＶ交流无刷励磁同步电机，电机极数３４极，转速１７６．５ｒ／ｍｉｎ；变频器选用一拖一方式，负载均衡度在１％以内。

满足磨机重载启动和运行的可控要求，启动电流和转矩能够精确控制，对电网冲击最小，避免冲击性转矩对减速齿轮箱和大小齿轮的损伤。

（３）由于上一级电网容量较小，主变容量只有５０ＭＶＡ，而整个选矿厂的总装机功率达到５３．７４ＭＶＡ，其中半自磨机和球磨机总功率达３０ＭＷ，所以半自磨机和球磨机的启动必须考虑上一级变电站主变容量及磨机上下级设备的相关要求，才能满足整个选矿系统的生产需求，变频器谐波量满足国家标准，功率因数达到０．９５以上，功率元器件要有防止市电突然停电能够自动关断，防止造成功率元器件反向击穿的功能。

（４）为防止变频电机受到轴电流的影响，延长电动机轴承的使用寿命，必须具有防止轴电流的保护措施，如主轴承采用绝缘轴承；在轴端安装接地碳刷，保证轴电位始终处于零电位；在非轴伸端轴承座和轴承支架之间增加绝缘隔板，切断轴电流回路等措施。

（５）由于金属矿山容易受到雷电的影响，造成电压暂降引起电源侧电压波动，造成变频器跳停的现象，变频器必须具备低电压跨越功能，当主电源瞬时停电时，实现１５个周波的瞬时停电不停机功能，电源恢复后立即自动再启动。

电源断电超过１５个周波后，电机空转运行，自动检测和跟踪电机的剩磁电压、相位和电机转速。

电源电压一旦恢复后立即从电机实际转速开始自启动。

（６）具有处置磨机发生物料板结或者粘连的功能，利用控制系统检测变频器的转矩电流和磨机位置，通过分析磨机的角度和所产生的动态力矩得出的角度来检测物料粘连。

启动过程中，若未检出扭矩在规定的角度范围内随着速度的增加而减少，则判断物料粘连或板结，在此情况下自动启动磨机防止粘连的保护程序，减少因磨机物料板结或者粘连造成重大设备事故。

３　变频器关键器件的选型
３．１　功率单元的选择
目前高、低压变频器功率元器件普遍采用绝缘栅双极型晶体管，简称ＩＧＢＴ，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、承受高电压大电流等特点，广泛应用于变频器和其他调速电路中。

现有市场上单个ＩＧＢＴ耐压等级已达到３．３ｋＶ，电流达到１５００Ａ，低压变频器可采用单个ＩＧＢＴ实现，１０ｋＶ变频器普遍采用（级联）串联多电平结构。

为提高耐压等级，本变频器采用每相１０个单元串联，三相共３０个单元组成，每相ＩＧＢＴ器件总耐压达到３３ｋＶ，是电源电压（１０ｋＶ）的３．３倍。

输出电平数为相电压２０电平，线电压３９电平，谐波小于２％，电网侧的功率因数大于０．９５，变频器整体效率大于９７％。

３．２　移相变压器的选择
移相变压器采用干式变压器，具有无油污染、防潮、耐热、阻燃、防腐蚀等特性，采用延边三角形移相原理，通过多个不同的移相角二次绕组，最终输出不同角度不同幅值的电压，供高压变频器整流和逆变使用。

８５００ｋＷ变频器配套的移相变压器容量为１１０００ｋＶＡ，容量比为１．３倍，采用强制空冷，绝缘等级为Ｈ级，绝缘材料采用美国杜邦公司生产的ＮＯＲ ＭＡＸ绝缘纸。

３．３　变频器工作方式选择
变频器工作方式有交—交变频器或交—直—交变频器，前者把频率固定的交流电直接变换成频率可调的交流电，具有中间环节少、效率高等优点，普遍应用于容量大、低转速的调速场所；后者把频率固定的交流电采用二极管整流变成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。

由于交—交变频器连续可调的频率范围窄、高次谐波多、功率因数低等缺点，本磨机变频器采用交—直—交变频器，并根据球磨机的负载特性，变频器具有每１０ｍｉｎ有１ｍｉｎ１７９％额定转矩的过载能力，满足球磨机重载启动的要求。

３．４　变频器冷却方式选择
变频器工作温度直接影响设备的安全可靠运行，室内环境维持在允许工作温度情况下，必须将变频器产生的热量全部带出室外，避免变频器室内出现热量累积。

根据计算，变频器效率为９７％，发热量约为变频器额定容量的３％，每台变频器对制冷或热交换系统的冷量需求约２７０～３３０ｋＷ。

如果采用空调方式冷却，８５００ｋＷ变频器本体散热需要约１３２匹的空调，不仅需要大量的设备投资，还需要以损失变频器运行节约的电量作为代价。

本系统采用空—水冷却系统，将变频器的热风通过风道直接与空冷装置进行热交换，由交换器内部的冷却水管道与热空气进行非介质接触式交换，直接将变频器散失的热量带走，可将变频器柜顶排出的热风１００％进行热交换冷却。

从根本上解决单位散热密度高、功率大的问题，有效提高系统的安全可靠性、降低运营成本，保证变频器室内良好的运行环境。

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江金发：１０ｋＶ大功率变频器在大型磨机上的应用 ２０２０年４月第４期
４　高电压、大功率变频器在大型磨机上的应用
４．１　改善电动机的启动电流
上一级１１０ｋＶ变电站主变容量为５０ＭＶＡ，球磨机采用８５００ｋＷ×２同步电动机驱动，半自磨机采用６５００ｋＷ×２同步电动机驱动，磨机总装机容量达到３万ｋＷ。

采用高电压、大功率变频器来实现大型磨机的启动并运行，根据球磨机启动时的电流波形图（图１中相对平稳的波形图），球磨机电动机的额定电流为５１０Ａ，启动电流随着时间从０上升至最大值２７５Ａ，后下降在２
２０Ａ左右稳定运行，随着转速的上升并控制在额定转速的９０％运行，实际运行电流为２８０Ａ，负载率为５４．９％；根据半自磨机启动时的电流波形图（图１中宽幅波动的波形图），半自磨机电动机的额定电流为３
９０Ａ，启动电流随着时间从０上升至最大值３６０Ａ，随着转速的上升并控制在额定转速的８７％运行，实际运行电流为３２５Ａ，负载率为８３．３％。

采用变频器最大启动电流控制在额定电流以内平滑启动，
对机械无冲击。

图１　球磨机、半自磨机启动电流波形
４．２　磨机变频器双驱主从控制
球磨机采用２台同步电动机驱动，需要主从控制来分配各电动机的负荷，使其达到基本平衡。

主从控制关键技术把主传动的速度信号或转矩信号高速和精确地通过数据传送到从传动变频器，以满足对传动点的控制精度。

本控制系统采用速度和电流双闭环带有传感器的矢量控制，
２台变频器的负载自动均衡，双电机双变频器的控制采用主从控制，主机速度闭环控制，同时主机变频器将转矩信号输出到从机，从机进行转矩闭环控制，使从机的转矩和主机基本相同，负载的均衡控制功能使２台电机的转矩不均衡度控制在１
％以内。

４．３　具有较好的低电压穿越功能
主电源出现电压暂降造成电压波动时，可实现１５个周波瞬时停电不停机功能，电源恢复后立即自动再启动。

电源断电超过１５个周波后，电机空转运行，自动检测和跟踪电机的剩磁电压、相位和电机转速，电源电压一旦恢复后立即从电机实际转速开始自启动。

４．４　具有控制电源停电２ｓ内不停机的功能
由于变频器控制电源与主电源不是同个１０ｋＶ供电回路，为减少因控制电源的停电影响变频器的安全运行，利用变频器控制回路电容储能作用，实现控制电源与备用电源的双路互投而不停机功能，满足电源的切换时间要求。

４．５　运行过程中速度调整对不同生产条件下的控制
在正常生产过程中，磨机上游或下游设备出现短期故障时，无变频控制的定速运行磨机必须停机，否则衬板会被钢球砸坏，而采用变频调速控制可以降速，确保钢球下落的位置不在衬板上，上游或下游设备维修完成时，重新调整磨机转速，减少磨机频繁启动，保证选矿流程的连续性。

矿石性质发生变化时，可能需要调整磨矿工艺参数，同一矿区，采掘矿岩深度由浅入深，矿石硬度分布可能不均；不同矿区，矿石硬度也尽相同，通过改变磨机转速来适应矿石硬度的变化，达到最佳的磨矿效果。

磨机钢球填充率因研磨会发生变化，理论设计填充率２４％、转速为７５％。

当磨机的填充率降到２０％，转速仍保持在７５％，从仿真模型看，钢球刚好砸在衬板上，严重影响磨机衬板的安全运行；当转速降至７２％时，钢球正好落在物料的趾部，可有效保证衬板的使用寿命。

衬板提升条磨损的应对措施。

衬板形状一般设计为梯形，带有一定倾斜角。

随着生产的连续进行，提升条及衬板会逐步磨损，导致最初设计钢球最优运动轨迹会发生改变，影响磨矿产量。

当提升条因磨损，高度由２６２ｍｍ到１５０ｍｍ时，转速仍然保持７５％，钢球最远抛落点在２０°左右，不能达到理论设计处理量；若将转速从７５％提高到８０％时，钢球最远跑落点与使用新衬板时的落点基本一致，实现衬板的整个生命周期与磨机理论设计处理量基本稳定。

５　结　语
高电压、大功率变频器在大型磨机上的应用，可使８５００ｋＷ×２的球磨机电动机启动电流控制在０～２７５Ａ内平稳上升，随着转速的上升并控制在额定转速的９０％运行，实际运行电流为２８０Ａ；６５００ｋＷ×２的半自磨机电动机启动电流控制在０～３６０Ａ平稳上升，最终控制在额定转速的８７％下运行，实际运
行电流为３
２５Ａ。

采用变频器，最大启动电流控制在额定电流以内并平滑启动，对机械无冲击，同时可以根据不同的生产条件对磨机速度进行调整，来适用磨机上下游设备短时间故障、矿石性质的变化、磨机钢球充填率的变化、衬板及提升条的磨损等各种问题，实现铜矿选矿系统节能、安全、连续稳定运行。

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图８　不同进路整体位移云图（单位：ｍｍ
）
图９　不同进路最大位移折线图
（３）随着进路腰宽的增大（４～７ｍ），进路规格对充填体的影响属于逐渐稳定的趋势，当腰宽为４ｍ时，进路尺寸为矩形，矩形进路对充填体的稳定性有比较大的影响，在γ进路的开挖时，要注意对α进路的支护和维护。

当腰宽从５ｍ增大到７ｍ时，也就是龙首矿目前采用的六角形进路，其进路规格对充填体的影响比较小，在实际生产中，对于α进路仅仅需要部分的支护和管理，就可以达到良好的生产效果。

另一方面，虽然本次数值模拟研究验证了目前的４ｍ×６ｍ×５ｍ断面尺寸的稳定性，但是由于采矿成本过
高，断面亟待转变，仅能提供对于六角形进路的实际参考，对于矩形进路的研究，由于龙首矿缺乏一定的实际案例，模拟可能会有偏差。

参　考　文　献
［１］　冯雪磊．龙首矿六角形胶结充填的岩体塑性屈服和稳定性分析
［Ｃ］∥２０１７年全国工程地质学术年会论文集．北京：中国地质学会工程地质专业委员会，２０１７：８．
［２］　姚维信．龙首矿下向六角形高进路胶结充填采矿法的应用与发
展［
Ｊ］．有色金属：矿山部分，２００１（１）：５ ９．［３］　陈俊智，庙延钢，杨　溢，等．金川龙首矿深部开采的数值模拟
分析研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２００６（４）：１３ １６．
［４］　崔继强，姚维信，乔登攀，等．龙首矿六角形进路高效回采技术
研究［
Ｊ］．采矿技术，２０１４，１４（２）：５ ９，２７．［５］　杨志强，把多恒，王永定，等．提高金川矿山下向采场采矿生产
能力技术研究［Ｊ］．有色金属：矿山部分，２０１５（３）：４８ ５２．［６］　张绍勋，胥耀林．金川公司六边形进路断面成形问题与措施
［Ｊ］．采矿技术，２００７（３）：１０ １１．
［７］　乔登攀，严　体，陈俊智．龙首矿下向分层充填采矿法六角形进
路规格优化［
Ｊ］．云南冶金，２００７（１）：１０ １４，２７（收稿日期２０１９ １０ １６櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
）
（上接第１６０页）
参　考　文　献
［１］　杨远坤．高压变频调速技术在大型磨机上的调试及应用实践
［
Ｊ］．矿山机械，２０１８（１）：３４ ３８．［２］　张　柱．变频器的工作原理及应用［Ｊ］．科技创新与应用，２０１５（２１）：１４７．
［３］　竺　伟．变频器调速技术［Ｊ］．电工技术，１９９９（３）：２１ ２２．
（收稿日期２０２０ ０３ １２）
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