許 穎 付 斌 曹祥林

(1.武鋼大冶鐵礦有限公司 湖北 黃石：435006 ；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080；3.武鋼鄂州球團(tuán)有限公司 湖北 鄂州：436000)

高壓變頻器在球團(tuán)高壓輥磨機(jī)中的應(yīng)用

許 穎1付 斌2*曹祥林3

(1.武鋼大冶鐵礦有限公司 湖北 黃石：435006 ；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080；3.武鋼鄂州球團(tuán)有限公司 湖北 鄂州：436000)

球團(tuán)高壓輥磨機(jī)用于提高造球系統(tǒng)成球性能，對(duì)高壓輥磨機(jī)增加變頻控制，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輥磨機(jī)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高礦料制球的效率，降低設(shè)備成本，減少設(shè)備故障的目的。不僅取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益，還大大提高了設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度。

高壓變頻器；輥磨機(jī)；球團(tuán)生產(chǎn)；設(shè)備改造

1 研究的緣起

武鋼鄂州球團(tuán)有限公司的高壓輥磨機(jī)是從德國(guó)洪堡公司(KHD)引進(jìn)，采用軟啟動(dòng)柜(水電阻)降壓起動(dòng)，工頻運(yùn)行。高壓輥磨機(jī)的兩個(gè)輥?zhàn)痈饔?臺(tái)1000kW/10kV高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，定輥固定，動(dòng)輥受液壓缸壓力控制，使其沿導(dǎo)槽前后移動(dòng)，給礦料提供適當(dāng)?shù)妮伳毫?。礦料由上游給料皮帶送入料柱斗，再流進(jìn)兩個(gè)輥?zhàn)又g，受到高壓輥磨后，變成密實(shí)的料塊從兩輥下方排出，工作原理如圖1所示。

圖1 高壓輥磨機(jī)工作原理圖

高壓輥磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主要存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)由于兩個(gè)輥?zhàn)拥乃俣炔荒苷{(diào)節(jié)，致使能耗增加，高壓輥磨機(jī)平均能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)進(jìn)料穩(wěn)定性也受到影響，料柱高度很難保持，從而造成料壓不穩(wěn)，而高壓輥磨機(jī)始終工頻高速運(yùn)行，最終造成輥釘磨損嚴(yán)重，輥?zhàn)犹ッ孀儽?，甚至不得不更換價(jià)格昂貴的輥?zhàn)樱?/p>

(3)高壓輥磨機(jī)長(zhǎng)期工頻高速運(yùn)行，會(huì)造成輥壓效果下降，維修成本增加。

上述這些弊端給球團(tuán)礦的生產(chǎn)和效益帶來(lái)較大的不良影響，因此，必須對(duì)高壓輥磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，在高壓輥磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加高壓變頻器，調(diào)節(jié)高壓輥磨機(jī)的運(yùn)行速度就能克服上述弊端。

2 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻器選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A系列高壓變頻器， 這種變頻器采用全數(shù)字化微機(jī)控制，控制準(zhǔn)確，調(diào)速精度高。

2.1 變頻控制原理

高壓輥磨機(jī)的高壓電動(dòng)機(jī)原來(lái)采用高壓軟起動(dòng)柜起動(dòng)，直接由中控室上位機(jī)或利用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高壓室中的高壓斷路器，配合軟起動(dòng)柜控制兩臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)行變頻改造時(shí)，對(duì)高壓輥磨機(jī)的兩臺(tái)10kV高壓電動(dòng)機(jī)各增加一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。輥磨機(jī)工作時(shí)，動(dòng)輥和定輥同時(shí)啟動(dòng)，在液壓系統(tǒng)加載前，兩臺(tái)輥?zhàn)又g機(jī)械轉(zhuǎn)矩相互獨(dú)立，兩臺(tái)高壓變頻器根據(jù)事先預(yù)設(shè)的加速曲線提速，在30s內(nèi)直接提速到70%的額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)，系統(tǒng)實(shí)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，變頻器根據(jù)預(yù)設(shè)的速度值自動(dòng)調(diào)節(jié)定輥與動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速，兩臺(tái)輥?zhàn)油椒€(wěn)定運(yùn)行。變頻器發(fā)出“允許加載”信號(hào)后，上位機(jī)控制液壓系統(tǒng)升壓，對(duì)輥?zhàn)蛹虞d。當(dāng)動(dòng)輥?zhàn)冾l器檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值的50%以上且保持穩(wěn)定2s后，變頻器就自動(dòng)由轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制切換為負(fù)轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，該措施是在輥?zhàn)铀俣冗_(dá)到給定值時(shí)，系統(tǒng)加載，變頻器自動(dòng)通過(guò)內(nèi)置的負(fù)轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)矩閉環(huán)維持動(dòng)輥、定輥的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩平衡，從而保證輥磨機(jī)具有良好的穩(wěn)態(tài)控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

變頻控制(閉環(huán)控制)系統(tǒng)工作原理如下：

(1)變頻器接受上位機(jī)發(fā)出的調(diào)速指令或輥磨下料量維持料柱堆壓(高度)平衡，實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)。上位機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)(電流4-20mA)給變頻器控制輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速；

(2)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)輥磨機(jī)上方緩沖倉(cāng)料柱料位信號(hào)，并將其送回上位機(jī)進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出新的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)給變頻器控制輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)料柱料位升高時(shí)，上位機(jī)輸出較大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)給變頻器提高輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)料柱料位下降時(shí)，上位機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)給變頻器降低輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)節(jié)輥磨機(jī)下料量基本等于緩沖倉(cāng)的給料量，從而，維持直溜柱堆壓(高度)穩(wěn)定，提高輥磨機(jī)在運(yùn)行中良好的產(chǎn)品擠出率；

(3)利用變頻器的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)，通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)給定值的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持定輥轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定及輥壓平衡，以提高輥磨機(jī)系統(tǒng)的安全性能。動(dòng)輥?zhàn)冾l器的“實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩輸出”反饋至上位機(jī),上位機(jī)則可根據(jù)電動(dòng)機(jī)滾軸的扭矩設(shè)定輥壓值，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)輥、定輥實(shí)際輥壓信號(hào)反饋至上位機(jī)。當(dāng)動(dòng)輥、定輥間實(shí)際輥壓值升高時(shí)，上位機(jī)發(fā)出信號(hào)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)控制動(dòng)輥適當(dāng)退輥，以降低動(dòng)輥、定輥間實(shí)際輥壓；當(dāng)動(dòng)輥、定輥實(shí)際輥間壓值降低時(shí)，上位機(jī)發(fā)出信號(hào)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)適當(dāng)進(jìn)輥，以提高動(dòng)輥、定輥間實(shí)際輥壓。通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)輥與定輥間的壓力維持?jǐn)D出效率，增加精礦比表面積，避免由于輥壓過(guò)高導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)流或過(guò)載。當(dāng)轉(zhuǎn)矩輸出出現(xiàn)瞬態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)可直接通過(guò)調(diào)節(jié)輥壓控制值，由液壓系統(tǒng)卸載穩(wěn)定輥磨機(jī)運(yùn)行工況，避免跳閘停機(jī)。

變頻控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示，變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 變頻控制系統(tǒng)方框圖

圖3 變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 變頻控制方案

變頻控制系統(tǒng)與原有的軟啟動(dòng)柜并聯(lián)后直接與高壓電動(dòng)機(jī)連接，變頻柜設(shè)有工頻旁路接觸器。運(yùn)行過(guò)程中如果變頻器出現(xiàn)故障，可采用手動(dòng)或自動(dòng)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)由變頻運(yùn)行到工頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)換，此時(shí)系統(tǒng)切斷高壓變頻器，高壓電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)旁路接觸器接入10kV電源直接運(yùn)行。高壓變頻器具有遠(yuǎn)程控制和本地控制二種模式，本地控制時(shí)，操作人員利用控制柜上的觸摸屏啟動(dòng)或停止高壓變頻器，或調(diào)整變頻器的工作頻率、加速時(shí)間等參數(shù)；遠(yuǎn)程控制由中控室的上位機(jī)控制，不僅能控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，還可以隨時(shí)了解變頻器的運(yùn)行頻率、電流、輸出功率等，還能調(diào)出變頻器的運(yùn)行曲線，查看變頻器以往的工作情況。變頻控制系統(tǒng)的供電主回路如圖4所示。各個(gè)符號(hào)的意義及位置見(jiàn)表1。

圖4 變頻控制系統(tǒng)供電主回路圖

2.3 輥磨電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式

根據(jù)不同的情況和不同的要求，驅(qū)動(dòng)高壓輥磨機(jī)的高壓異步電動(dòng)機(jī)采用不同的運(yùn)行模式，共有以下5種運(yùn)行模式：

表1 供電主回路符號(hào)的意義

(1)高壓輥磨機(jī)變頻運(yùn)行：首先使高壓隔離開(kāi)關(guān)QS13和QS14在合閘備妥位置，高壓變頻器接收上位機(jī)或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作箱發(fā)來(lái)的起動(dòng)指令后，變頻控制器向高壓室高壓斷路器發(fā)出合閘指令，斷路器合閘，為變頻器提供10KV高壓電源，變頻控制器檢測(cè)到有高壓供電且系統(tǒng)自檢正常后，則發(fā)出指令合上進(jìn)及出線高壓真空接觸器KM13和KM14，高壓變頻器受電工作。

(2)高壓輥磨機(jī)工頻運(yùn)行：高壓變頻器在檢修或故障情況下不能使用時(shí)，則采用原來(lái)的軟啟動(dòng)柜起動(dòng)，工頻運(yùn)行。由于高壓輥磨電動(dòng)機(jī)功率大，直接起動(dòng)電流大，影響同電網(wǎng)其他電氣設(shè)備運(yùn)行，必須采取降壓起動(dòng)方式。首先手動(dòng)斷開(kāi)QS13和QS14，將高壓變頻器完全從系統(tǒng)中斷開(kāi)隔離，高壓輥磨機(jī)軟啟動(dòng)柜接收到上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)操作箱發(fā)來(lái)的起動(dòng)指令后，KM12吸合，水電阻接入高壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中，電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升到70%時(shí)，旁路接觸器KM11吸合，短接水電阻，同時(shí)KM12斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。軟啟動(dòng)柜的運(yùn)行狀態(tài)由柜內(nèi)西門(mén)子S7-224CPU控制。

因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ),在圓錐曲線的2000多年的發(fā)展史中選取學(xué)生能夠理解且有一定教學(xué)價(jià)值的部分按歷史順序“去支強(qiáng)干”進(jìn)行重組，對(duì)學(xué)生理解有負(fù)面作用的部分作合理改編(例如：橢圓的起源有許多其他猜想，僅選取“削尖的木樁”作為橢圓的起源介紹給學(xué)生)對(duì)難度過(guò)高的內(nèi)容作以調(diào)整(例如:選取圓柱背景的“丹德林球”發(fā)現(xiàn)橢圓的性質(zhì)，而非圓錐背景的“丹德林球”證明發(fā)現(xiàn))，將這些豐富的數(shù)學(xué)文化以符合學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)形態(tài)呈現(xiàn)給學(xué)生.

(3)運(yùn)行過(guò)程中，變頻器故障，工頻旁路運(yùn)行：如果變頻器在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)故障，那么變頻器將自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行狀態(tài)。由于電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行，有一定的轉(zhuǎn)速，因此電動(dòng)機(jī)不用串水電阻，直接工頻運(yùn)行。此時(shí)，變頻控制器檢測(cè)到變頻器出現(xiàn)故障，發(fā)出指令斷開(kāi)真空接觸器KM13和KM14，斷開(kāi)變頻器，同時(shí)接通KM15，將10kV電壓直接接入電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)全壓工頻運(yùn)行。

(4)啟動(dòng)過(guò)程中，變頻器故障，工頻旁路運(yùn)行：為了縮短電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，允許高壓變頻器和水電阻軟啟動(dòng)柜同時(shí)使用。在啟動(dòng)過(guò)程中，高壓變頻器在備妥情況下，接收上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)操作箱發(fā)來(lái)的起動(dòng)指令后，KM13、KM14吸合，接入變頻器。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，如果變頻控制器檢測(cè)到變頻器出現(xiàn)故障，則立即斷開(kāi)KM13、KM14，斷開(kāi)變頻器，僅由軟啟動(dòng)柜啟動(dòng)，工頻運(yùn)行。

以上兩種工頻旁路運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，是利用接在輥磨機(jī)上的速度繼電器檢測(cè)速度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)高壓輥磨機(jī)速度達(dá)70% 額定值以上時(shí)，直接執(zhí)行工頻旁路運(yùn)行模式；當(dāng)高壓輥磨機(jī)速度在70% 額定值以下時(shí)，則執(zhí)行水電阻降壓起動(dòng)，工頻旁路運(yùn)行模式。

(5)變頻系統(tǒng)料柱堆壓平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)控制：變頻器接受上位機(jī)發(fā)出的調(diào)速指令或改變輥磨下料量來(lái)維持料柱堆壓(高度)平衡。定輥?zhàn)冾l器根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令控制輥磨機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輥磨機(jī)的下料量，從而維持料柱堆壓(高度)的穩(wěn)定，提高輥磨機(jī)在運(yùn)行中良好的礦料擠出率。柱堆壓自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯原理如圖5所示。

圖5 柱堆壓自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯原理圖

3 變頻控制的效益

高壓輥磨機(jī)采用變頻技術(shù)改造后，不僅大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還大大降低了設(shè)備能耗和損耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(1)原來(lái)造球系統(tǒng)8條生產(chǎn)線需要全開(kāi)才可以滿(mǎn)足生球需要；改造后，只需開(kāi)動(dòng)7條生產(chǎn)線，減少一條生產(chǎn)線運(yùn)行，每年節(jié)約電費(fèi)約為108萬(wàn)元。

(2)輥磨后鐵精礦產(chǎn)品比表面積增加值由150～200cm2/g提高到250～300cm2/g，球團(tuán)礦的成球率提高了15%。

(4)高壓輥磨機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，輥釘、輥肩磨損減小，料柱堆壓平衡，礦料對(duì)輥磨輥面沖刷磨損減小，提高了輥?zhàn)邮褂脡勖?。輥?zhàn)邮褂脡勖珊楸す境兄Z的1.5年延長(zhǎng)到5年，每對(duì)輥?zhàn)影?500萬(wàn)元計(jì)算，每年節(jié)約設(shè)備費(fèi)用850萬(wàn)元。

(5)采用變頻調(diào)速后，當(dāng)空載或用料量減少時(shí)，改變頻率，降低輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，節(jié)約電能，按10%計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)72萬(wàn)元左右。

(6)輥磨機(jī)的變頻改造，一次性花費(fèi)設(shè)備、材料、人工等費(fèi)用180萬(wàn)元，設(shè)計(jì)使用年限10年，年平均維護(hù)費(fèi)用5萬(wàn)元，則變頻器年折舊費(fèi)用23萬(wàn)元，但取得了1006萬(wàn)元/年的經(jīng)濟(jì)效益，得遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于失。

4 結(jié)束語(yǔ)

高壓輥磨機(jī)增加高壓變頻器控制，能夠提高碾磨效果，增加精礦比表面積、提高成球率，降低設(shè)備能耗，減少備件損耗和人工成本的目的，對(duì)提高球團(tuán)礦的生產(chǎn)效率起到了決定性的作用，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，并在后續(xù)的高壓電氣設(shè)備技術(shù)改造中得到推廣應(yīng)用，如鄂州球團(tuán)有限公司先后對(duì)兩臺(tái)高壓除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻改造，取得了良好的除塵效果和節(jié)能效益，還將新建的脫硫增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也采用高壓變頻控制。高壓變頻器由于其良好的起動(dòng)性能、穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，以及可觀的節(jié)能降耗效果，將越來(lái)越得到更加廣泛的應(yīng)用。

但是，高壓輥磨機(jī)采用變頻器控制后，在輥磨機(jī)運(yùn)行的起步階段料量偏小低速運(yùn)行時(shí)，閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差，料柱堆壓不穩(wěn)，輥壓振蕩，甚至對(duì)輥磨機(jī)輥面輥釘造成傷害，需人工配合調(diào)整出料翻板開(kāi)度和返料量才能控制輥磨系統(tǒng)正常工作，這些有待于今后進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化。

[1] 穆想.鍋爐引風(fēng)機(jī)加裝高壓變頻器的改造[J].電世界,2012,(9):25-27.

[2] 陳興江,馬光明.高壓變頻器在礦業(yè)球磨機(jī)上的應(yīng)用[J].電子測(cè)試,2017,(6):86-89.

[3] 郭延雙,郭永軍.高壓變頻器在水泥廠窯尾排風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J],變頻器世界,2017,(9):68-70.

[4] 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊(cè).北京利德華福電氣技術(shù)有限公司.

[5] 倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2008.

ApplicationofHighVoltageInverterinHighPressureRollerMill

Xu Ying1Fu Bin2Cao Xianglin3

(1.Wuhan Iron ore Daye Iron Co., Ltd. Huangshi 435006, Hubei;2.Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei;3.Wuhan Iron ore Ezhou Pellet Co., Ltd., Ezhou 436000, Hubei )

High pressure roller mill is used to improve pellet balling system performance, strengthening the frequency conversion control of high pressure roller mill and the closed-loop control, realizing the automatic adjustment roller mill speed, so as to improve the efficiency of mineral aggregate ball, reduce the cost of equipment, reduce equipment fault. With a promising prospect, this application can not only achieved great economic benefits, but also greatly improve the degree of automation of equipment operation.

high voltage inverter; roller mill; ball production; eqnipment adjustment

李文英)

2017-06-06

2017-11-10

許 穎(1982～)，女，大學(xué)，工程師.*

付 斌(1958～)，男，副教授.E-mail：mcs8031fb@163.com.

TP273；TF351.2

A

1671-3524(2017)04-0027-04