高压变频器在球团高压辊磨机中的应用

许 颖 付 斌 曹祥林

(1.武钢大冶铁矿有限公司 湖北 黄石：435006 ；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080；3.武钢鄂州球团有限公司 湖北 鄂州：436000)

高压变频器在球团高压辊磨机中的应用

许 颖1付 斌2*曹祥林3

(1.武钢大冶铁矿有限公司 湖北 黄石：435006 ；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080；3.武钢鄂州球团有限公司 湖北 鄂州：436000)

球团高压辊磨机用于提高造球系统成球性能，对高压辊磨机增加变频控制，通过闭环调节，实现辊磨机辊子转速的自动调节，从而达到提高矿料制球的效率，降低设备成本，减少设备故障的目的。不仅取得了十分明显的经济效益，还大大提高了设备运行的自动化程度。

高压变频器；辊磨机；球团生产；设备改造

1 研究的缘起

武钢鄂州球团有限公司的高压辊磨机是从德国洪堡公司(KHD)引进，采用软启动柜(水电阻)降压起动，工频运行。高压辊磨机的两个辊子各由1台1000kW/10kV高压电动机驱动，定辊固定，动辊受液压缸压力控制，使其沿导槽前后移动，给矿料提供适当的辊磨压力。矿料由上游给料皮带送入料柱斗，再流进两个辊子之间，受到高压辊磨后，变成密实的料块从两辊下方排出，工作原理如图1所示。

图1 高压辊磨机工作原理图

高压辊磨机实际运行过程中，主要存在以下三个方面的问题：

(1)由于两个辊子的速度不能调节，致使能耗增加，高压辊磨机平均能耗远远高于设计标准；

(2)进料稳定性也受到影响，料柱高度很难保持，从而造成料压不稳，而高压辊磨机始终工频高速运行，最终造成辊钉磨损严重，辊子胎面变薄，甚至不得不更换价格昂贵的辊子；

(3)高压辊磨机长期工频高速运行，会造成辊压效果下降，维修成本增加。

上述这些弊端给球团矿的生产和效益带来较大的不良影响，因此，必须对高压辊磨机自动控制系统进行改造，在高压辊磨机自动控制系统中增加高压变频器，调节高压辊磨机的运行速度就能克服上述弊端。

2 变频控制系统设计

变频器选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器， 这种变频器采用全数字化微机控制，控制准确，调速精度高。

2.1 变频控制原理

高压辊磨机的高压电动机原来采用高压软起动柜起动，直接由中控室上位机或利用生产现场高压室中的高压断路器，配合软起动柜控制两台高压电动机的运行。进行变频改造时，对高压辊磨机的两台10kV高压电动机各增加一套高压变频调速系统。辊磨机工作时，动辊和定辊同时启动，在液压系统加载前，两台辊子之间机械转矩相互独立，两台高压变频器根据事先预设的加速曲线提速，在30s内直接提速到70%的额定转速，此时，系统实行转速闭环控制，变频器根据预设的速度值自动调节定辊与动辊的转速，两台辊子同步稳定运行。变频器发出“允许加载”信号后，上位机控制液压系统升压，对辊子加载。当动辊变频器检测到电动机输出转矩达到额定值的50%以上且保持稳定2s后，变频器就自动由转速闭环控制切换为负转差转矩闭环控制，该措施是在辊子速度达到给定值时，系统加载，变频器自动通过内置的负转差转矩闭环维持动辊、定辊的转速和输出转矩平衡，从而保证辊磨机具有良好的稳态控制精度和动态响应特性。

变频控制(闭环控制)系统工作原理如下：

(1)变频器接受上位机发出的调速指令或辊磨下料量维持料柱堆压(高度)平衡，实现辊子转速自动调节。上位机发出转速调节信号(电流4-20mA)给变频器控制辊磨机转速；

(2)现场检测辊磨机上方缓冲仓料柱料位信号，并将其送回上位机进行比较运算，输出新的转速调节信号给变频器控制辊磨机转速。当现场料柱料位升高时，上位机输出较大转速调节信号给变频器提高辊磨机转速；当现场料柱料位下降时，上位机输出较小的转速调节信号给变频器降低辊磨机转速。通过动态调整辊磨机转速，来调节辊磨机下料量基本等于缓冲仓的给料量，从而，维持直溜柱堆压(高度)稳定，提高辊磨机在运行中良好的产品挤出率；

(3)利用变频器的转矩检测，通过上位机自动调节，实现液压系统给定值的自动调节，保持定辊转矩稳定及辊压平衡，以提高辊磨机系统的安全性能。动辊变频器的“实际运行转矩输出”反馈至上位机,上位机则可根据电动机滚轴的扭矩设定辊压值，同时将现场动辊、定辊实际辊压信号反馈至上位机。当动辊、定辊间实际辊压值升高时，上位机发出信号调节液压系统控制动辊适当退辊，以降低动辊、定辊间实际辊压；当动辊、定辊实际辊间压值降低时，上位机发出信号调节液压系统适当进辊，以提高动辊、定辊间实际辊压。通过调节动辊与定辊间的压力维持挤出效率，增加精矿比表面积，避免由于辊压过高导致电动机过流或过载。当转矩输出出现瞬态变化时，系统可直接通过调节辊压控制值，由液压系统卸载稳定辊磨机运行工况，避免跳闸停机。

变频控制系统方框图如图2所示，变频控制系统结构如图3所示。

图2 变频控制系统方框图

图3 变频控制系统结构图

2.2 变频控制方案

变频控制系统与原有的软启动柜并联后直接与高压电动机连接，变频柜设有工频旁路接触器。运行过程中如果变频器出现故障，可采用手动或自动切换来实现由变频运行到工频运行的转换，此时系统切断高压变频器，高压电动机经过旁路接触器接入10kV电源直接运行。高压变频器具有远程控制和本地控制二种模式，本地控制时，操作人员利用控制柜上的触摸屏启动或停止高压变频器，或调整变频器的工作频率、加速时间等参数；远程控制由中控室的上位机控制，不仅能控制变频器的运行状态，还可以随时了解变频器的运行频率、电流、输出功率等，还能调出变频器的运行曲线，查看变频器以往的工作情况。变频控制系统的供电主回路如图4所示。各个符号的意义及位置见表1。

图4 变频控制系统供电主回路图

2.3 辊磨电动机运行模式

根据不同的情况和不同的要求，驱动高压辊磨机的高压异步电动机采用不同的运行模式，共有以下5种运行模式：

表1 供电主回路符号的意义

(1)高压辊磨机变频运行：首先使高压隔离开关QS13和QS14在合闸备妥位置，高压变频器接收上位机或生产现场操作箱发来的起动指令后，变频控制器向高压室高压断路器发出合闸指令，断路器合闸，为变频器提供10KV高压电源，变频控制器检测到有高压供电且系统自检正常后，则发出指令合上进及出线高压真空接触器KM13和KM14，高压变频器受电工作。

(2)高压辊磨机工频运行：高压变频器在检修或故障情况下不能使用时，则采用原来的软启动柜起动，工频运行。由于高压辊磨电动机功率大，直接起动电流大，影响同电网其他电气设备运行，必须采取降压起动方式。首先手动断开QS13和QS14，将高压变频器完全从系统中断开隔离，高压辊磨机软启动柜接收到上位机或现场操作箱发来的起动指令后，KM12吸合，水电阻接入高压电动机转子绕组中，电动机降压起动；当电动机转速提升到70%时，旁路接触器KM11吸合，短接水电阻，同时KM12断开，电动机全压运行。软启动柜的运行状态由柜内西门子S7-224CPU控制。

因此，在教学设计时，根据学生的知识基础,在圆锥曲线的2000多年的发展史中选取学生能够理解且有一定教学价值的部分按历史顺序“去支强干”进行重组，对学生理解有负面作用的部分作合理改编(例如：椭圆的起源有许多其他猜想，仅选取“削尖的木桩”作为椭圆的起源介绍给学生)对难度过高的内容作以调整(例如:选取圆柱背景的“丹德林球”发现椭圆的性质，而非圆锥背景的“丹德林球”证明发现)，将这些丰富的数学文化以符合学生认知基础和认知规律的教学形态呈现给学生.

(3)运行过程中，变频器故障，工频旁路运行：如果变频器在运行过程出现故障，那么变频器将自动切换到工频旁路运行状态。由于电动机正在运行，有一定的转速，因此电动机不用串水电阻，直接工频运行。此时，变频控制器检测到变频器出现故障，发出指令断开真空接触器KM13和KM14，断开变频器，同时接通KM15，将10kV电压直接接入电动机，电动机全压工频运行。

(4)启动过程中，变频器故障，工频旁路运行：为了缩短电动机启动时间，允许高压变频器和水电阻软启动柜同时使用。在启动过程中，高压变频器在备妥情况下，接收上位机或现场操作箱发来的起动指令后，KM13、KM14吸合，接入变频器。在电动机启动过程中，如果变频控制器检测到变频器出现故障，则立即断开KM13、KM14，断开变频器，仅由软启动柜启动，工频运行。

以上两种工频旁路运行状态的转换，是利用接在辊磨机上的速度继电器检测速度信号来实现的，当高压辊磨机速度达70% 额定值以上时，直接执行工频旁路运行模式；当高压辊磨机速度在70% 额定值以下时，则执行水电阻降压起动，工频旁路运行模式。

(5)变频系统料柱堆压平衡自动调节控制：变频器接受上位机发出的调速指令或改变辊磨下料量来维持料柱堆压(高度)平衡。定辊变频器根据上位机发出的转速调节指令控制辊磨机转速，调节辊磨机的下料量，从而维持料柱堆压(高度)的稳定，提高辊磨机在运行中良好的矿料挤出率。柱堆压自动调节逻辑原理如图5所示。

图5 柱堆压自动调节逻辑原理图

3 变频控制的效益

高压辊磨机采用变频技术改造后，不仅大大提高了产品质量，还大大降低了设备能耗和损耗，经济效益显著。

(1)原来造球系统8条生产线需要全开才可以满足生球需要；改造后，只需开动7条生产线，减少一条生产线运行，每年节约电费约为108万元。

(2)辊磨后铁精矿产品比表面积增加值由150～200cm2/g提高到250～300cm2/g，球团矿的成球率提高了15%。

(4)高压辊磨机变频运行时，辊钉、辊肩磨损减小，料柱堆压平衡，矿料对辊磨辊面冲刷磨损减小，提高了辊子使用寿命。辊子使用寿命由洪堡公司承诺的1.5年延长到5年，每对辊子按1500万元计算，每年节约设备费用850万元。

(5)采用变频调速后，当空载或用料量减少时，改变频率，降低辊子转速，节约电能，按10%计算，每年可节约电费72万元左右。

(6)辊磨机的变频改造，一次性花费设备、材料、人工等费用180万元，设计使用年限10年，年平均维护费用5万元，则变频器年折旧费用23万元，但取得了1006万元/年的经济效益，得远远大于失。

4 结束语

高压辊磨机增加高压变频器控制，能够提高碾磨效果，增加精矿比表面积、提高成球率，降低设备能耗，减少备件损耗和人工成本的目的，对提高球团矿的生产效率起到了决定性的作用，经济效益非常可观，并在后续的高压电气设备技术改造中得到推广应用，如鄂州球团有限公司先后对两台高压除尘风机进行了高压变频改造，取得了良好的除尘效果和节能效益，还将新建的脱硫增压风机系统也采用高压变频控制。高压变频器由于其良好的起动性能、稳定的动态调速特性，以及可观的节能降耗效果，将越来越得到更加广泛的应用。

但是，高压辊磨机采用变频器控制后，在辊磨机运行的起步阶段料量偏小低速运行时，闭环控制动态响应特性较差，料柱堆压不稳，辊压振荡，甚至对辊磨机辊面辊钉造成伤害，需人工配合调整出料翻板开度和返料量才能控制辊磨系统正常工作，这些有待于今后进行改进或优化。

[1] 穆想.锅炉引风机加装高压变频器的改造[J].电世界,2012,(9):25-27.

[2] 陈兴江,马光明.高压变频器在矿业球磨机上的应用[J].电子测试,2017,(6):86-89.

[3] 郭延双,郭永军.高压变频器在水泥厂窑尾排风机上的应用[J],变频器世界,2017,(9):68-70.

[4] 高压变频调速系统HARSVERT-A系列技术手册.北京利德华福电气技术有限公司.

[5] 倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,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

许 颖(1982～)，女，大学，工程师.*

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

TP273；TF351.2

A

1671-3524(2017)04-0027-04