中高压变频器的同步投切系统在矿用磨机上的应用

2022-03-23赵伟刚赵汉青

矿山机械 2022年3期

周威，赵伟刚，赵汉青

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室河南洛阳 471039

磨机作为金属矿山的重要设备直接影响着矿山的生产效率，安全稳定的磨机控制系统是磨机正常、高效生产的必要条件。中信重工机械股份有限公司为老挝 KSO 客户提供了 4 台φ8.8 m×4.8 m半自磨机和 4 台φ6.2 m×11.5 m球磨机，它们的传动装置均采用异步绕线电动机＋圆柱齿轮减速器＋小齿轮轴组驱动大齿轮带动磨机筒体旋转的方式。其中高压电动机的启动方式采用转子回路中串水电阻，即液态电阻软启动装置[1]，在实际运行过程中存在一些问题：

(1) 老挝属于亚热带气候，有长达半年的雨季，绕线式电动机在运行过程中，碳刷接触面因碳粉堆积经常发生放电、打火、集电环烧坏甚至燃烧放炮等问题，严重影响了生产；

(2) 液态电阻软启动装置属于阻性限流，一次性启动后电解液温升通常在 10～ 30 ℃，重复性差，电极板长期浸泡在电解液中，表面会有一定程度的锈蚀，需要定期维护；

(3) 随着矿山开采深度和范围的扩大，矿石特性发生变化，伴随着生产的连续进行，衬板和衬板提升条发生了不同程度的磨损，造成定速磨机的磨矿效率下降明显，尤其是半自磨机。

因此，对球磨机、半自磨机电动机及其电气控制系统的改造迫在眉睫。

1 改造方案

为了确保该项目磨矿系统安全、稳定、高效地运行，提出了将中高压变频器的同步投切系统[2]应用到整个磨机电动机与电气控制系统中的构想。具体的改造方案是，拆除 2 台中高压电动机转子尾部的滑环、碳盒、碳刷，转子绕组三相引出线在转子内部短接和固定，将绕线式电动机改造为鼠笼式电动机，利用中高压变频器一拖二[3]的功能，即先利用中高压变频器启动球磨机并加速至 50 Hz，然后投入中高压变频器实现同步投切功能，使球磨机平稳地切换到电网驱动并断开变频器，最后再利用同台中高压变频器驱动半自磨机变频运行。

该方案的优点：

(1) 半自磨机和球磨机由一个变频器驱动，可以节省变频器的成本，省去球磨机的液态电阻软启动装置；

(2) 实现了球磨机的重载软启动，启动电流不会超过额定电流的 1.5 倍，这样既避免了中压电动机在启动过程中对电网的冲击，又减少了对机械设备的损害，在一定程度上延长了电动机和机械设备的使用寿命。

2 改造方案的设计

2.1 同步投切系统的设计

变频器的同步投切系统按照运行方式可分为变频到工频投切和工频到变频投切。变频到工频投切时先由变频器拖动电动机运行，利用锁相技术，当变频器输出电压的频率、幅值、相位都与电网电压相符合时锁相，锁相成功后执行变频到工频投切动作，将电动机从变频切出，投入电网工频运行；工频到变频投切时变频器先空载运行，利用锁相技术，当变频器输出电压的频率、幅值、相位都与输入电压一致时锁相，锁相成功后执行工频到变频投切动作，变频器拖动电动机投入变频运行。在老挝 KSO 项目改造过程中，仅用到了变频到工频投切方式。

该项目的中高压变频同步投切系统主回路由切换开关 QF1、QF2、QF3、QF4、QF5，中高压变频器VFD1，并网电抗器 L1，带有 PLC 的投切控制系统以及高压电动机等组成，其基本原理如图 1 所示。其中控制系统实现数据采集、分析计算、脉冲处理、控制报警、输入/输出锁相等功能。

图1 中高压变频同步投切系统主回路基本原理Fig.1 Basic principle of primary circuit of synchronous switching system for medium and high voltage frequency converter

2.2 低压电气控制系统的硬件设计

保留原有的球磨机和半自磨机润滑系统就地操作箱、慢驱控制系统就地操作箱、主电动机润滑系统就地操作箱，用 1 台变频器就地操作箱取代球磨机和半自磨机的就地操作箱。现场增加 2 个 E-house 控制室(E-house1 和 E-house2)，其防护等级均为 IP55，室外安装。E-house1 由变频器柜、功率柜和空水冷柜组成；E-house2 由电抗器柜和开关柜组成。变频器就地操作箱和 E-house2 均配备 1 个西门子 ET200M 模块。整个控制系统的结构如图 2 所示。

图2 控制系统的结构Fig.2 Structure of control system

整个磨机控制系统采用菊花链拓扑结构，在原有电气控制系统的基础上，以球磨机 PLC 为主站，以半自磨机 PLC、球磨机触摸屏、半自磨机触摸屏、变频器就地操作箱和 E-house2 的 ET200M 及变频器为从站，通过 Profibus-DP[4]总线通信技术连接。采用分布式的控制方式，完成磨机系统和变频器系统的控制。球磨机与半自磨机的 PLC 通过 Modbus TCP/IP 协议与上位机 ABB800 实现数据互通。

球磨机、半自磨机电气控制系统采用西门子 S7-300 系列 PLC 控制器，触摸屏采用西门子 MP337 系列。变频器就地操作箱的面板上配备有变频器启停按钮、变频器模式选择开关、变频器频率和电流显示仪表、声光报警器以及运行和故障显示灯等。变频器就地操作箱的 ET200M 模块机架上配置 1 个 32 通道的开关量输入模块、1 个 32 通道的开关量输出模块、1个 2 通道的模拟量输出模块和 1 个 4 通道的模拟量输入模块，用来采集变频器的工作模式和状态、变频器的输出频率以及电流和转矩等信号；在 E-house2 的ET200M 模块机架上配置 1 个 4 通道的模拟量输入模块、1 个 4 通道的模拟量输出模块、2 个 32 通道的开关量输入模块和 1 个 32 通道的开关量输出模块，用来采集 E-house2 的温度、湿度和烟雾浓度，变频器的输出频率、电流和转矩等信号。2 个 ET200M 站把采集的信息传输给球磨机 PLC，经过球磨机 PLC 处理后参与到相应的控制逻辑中，球磨机 PLC 和半自磨机PLC 相互通信，通过相应的逻辑关系实现变频器的同步投切功能。

2.3 低压电气控制系统的软件设计

2.3.1 磨机辅机系统的软件设计

磨机控制系统包含润滑系统、传动部分辅机系统和干油喷射润滑系统，其中传动部分辅机系统包含主电动机润滑系统与主电动机冷却系统。分别启动球磨机与半自磨机的润滑系统、主电动机润滑系统和主电动机冷却系统，当各系统内的压力、油流、温度等满足设备要求时，同时干油喷射润滑系统与密封加脂系统都处于备妥的情况下，球磨机与半自磨机控制系统会自动发出允许变频器启动信号。若系统内的压力、油流、温度等任意指标不能够满足设备要求时，系统会自动发出报警或故障信息，允许变频器启动信号自动撤销。在球磨机与半自磨机正常工作过程中，系统发出报警信息，提示现场操作人员及时处理问题，此时变频器或中高压开关柜跳闸，设备随即进入停止状态，以免对设备造成更大的伤害。现场操作人员应根据故障信息内容及时处理问题，为下次正常开机做准备。球磨机与半自磨机控制系统的逻辑功能如图 3 所示。

图3 磨机控制系统逻辑功能Fig.3 Logic function of control system for mill

2.3.2 磨机变频驱动系统的软件设计

磨机操作系统有 3 种控制模式，即球磨机变频模式、球磨机同步投切模式 (球磨机工频模式) 和半自磨机变频模式，3 种模式下的控制逻辑功能如 4 所示。

(1) 球磨机变频模式球磨机 PLC 下发球磨机变频指令给变频器，变频器进行球磨机参数切换，并且输出“选择球磨机有效 (DP 通信)”信号反馈给球磨机 PLC，球磨机 PLC 下发 QF1、QF4、QF5 合闸指令，球磨机 PLC 收到合闸反馈信号、变频器就绪信号和球磨机就绪信号后执行变频器启动命令。点击“变频器停止”按钮，球磨机 PLC 下发 QF1、QF4 分闸指令。

(2) 球磨机同步投切模式 (球磨机工频模式)球磨机 PLC 下发球磨机变频指令给变频器，变频器进行球磨机参数切换，并且输出“选择球磨机有效 (DP通信)”信号反馈给球磨机 PLC，球磨机 PLC 下发QF1、QF4 合闸，QF5 分闸指令，球磨机 PLC 收到合闸反馈信号、变频器就绪信号和球磨机就绪信号后，执行变频器启动命令。待变频器运行至 50 Hz 且变频器输出电压幅值和相位跟踪电网电压后，变频器发出球磨机同步并网就绪指令，球磨机 PLC 控制 QF2 合闸 (自动) 或者现场手动操作“球磨机同步并网”按钮，变频器收到 QF2 合闸反馈信号后，球磨机 PLC控制 QF4 分闸，待 PLC 收到 QF4 分闸反馈后，球磨机 PLC 发出变频器停止指令，变频器停止运行，球磨机切工频完成。

图4 变频器同步投切系统的控制逻辑功能Fig.4 Control logic function of synchronous switching system for frequency converter

(3) 半自磨机变频模式半自磨机 PLC 下发半自磨机变频指令给变频器，变频器进行半自磨机参数切换，并且输出“选择半自磨机有效 (DP 通信)”信号反馈给半自磨机 PLC，半自磨机 PLC 下发 QF1、QF3、QF5 合闸指令，半自磨机 PLC 收到合闸反馈信号、变频器就绪信号和半自磨机就绪信号后执行变频器启动命令。点击“变频器停止”按钮，半自磨机PLC 下发 QF1、QF3 分闸指令。

2.3.3 人机界面设计

主要对变频器画面、磨机系统主画面、油站系统画面、报警和故障画面等进行设计，通过监控画面可以对磨机和变频器的运行数据、运行状态、报警故障等信息进行显示，为操作及技术维护人员提供一定的数据支持，对设备运行状况进行分析判断。

2.3.4 上位机画面设计

ABB800xA[5]DCS系统通过 ModbusTCP[6]通信协议与球磨机、半自磨机 PLC 进行无缝连接，上位机画面完全能够监控设备的运行状态和各部分实时数据。上位机画面如图 5 所示。

图5 上位机画面Fig.5 Picture of master computer

3 应用效果分析

KSO 项目 2019年 5 月设备调试完毕后，系统一直稳定投运。经统计，4 个磨矿车间的 4 台半自磨机平均节电率为 0.5%，如果按照年耗电量 2.4 亿 kW·h、上网电价 1.5 元/(kW·h) 计算，5 a 即可节约 900 万元，相当于收回一台半自磨机一半的投资成本。同时，由于变频器的转速可调，减小了半自磨机衬板及筒体的磨损[7]，延长了它们的使用寿命。另外，由于变频重载软启动的特性，有效缓解了大小齿轮间的碰撞，增加了大小齿轮的使用寿命。以上这些因素都为矿山企业节省了运营成本，提高了经济效益。