浅谈CHIC2000系列高压变频器在半自磨机上的应用

刘雪飞

(中国黄金集团刚果（布）黑角索瑞米股份有限公司，湖北 黄石 435100)

刚果（布）黑角索瑞米股份有限公司是集采、选、冶一体的现代化矿山，年产电积铜2万吨，公司位于刚果（布）布恩扎省（Bouenz）姆富瓦提镇（M'fouati），于2016年10月建成投产。项目采用碎磨-硫酸搅浸-CCD洗涤-萃取-电积工艺回收金属铜，其中磨矿采用单段半自磨工艺流程，使用1台φ5.03m×3.5m半自磨机，由1台1300kW的同步电机通过离合器和小齿轮轴带动磨机筒体转动，筒体内的矿石和钢球在离心力的作用下，随着筒体转动被提升到一定高度，然后，按一定的线速度而被抛落，矿石受下落钢球的撞击和钢球与钢球之间及钢球与磨机衬板之间的附加压碎和磨剥作用而被粉碎。如果衬板的磨损以后传统的工频驱动模式就不能满足工艺要求，必须对同步电机进行调速控制才能实现。本系统采用中信重工CHIC2000系列磨机调速专用矢量控制10kV交-直-交型高压变频器，该变频器于2016年9月安装调试结束正式运行，目前运行效果良好。

1 CHIC2000系列高压变频器结构功能

1.1 电机及变频器参数

电机参数型号：TBPM1300-30/2130；额定功率：1300kW；额定电流：87.2A；额定电压：10000V；励磁电压：76V；额定励磁电流：273.8A；功率因数：0.9；级数：30；额定频率：50Hz。

变频器参数型号：CHIC2000-10/10-1500SR；额定功率：1500kW；额定输出电流：109.7A；额定输入电压：10kV；额定输出电压：10kV；输出频率：0～50Hz；功率半导体：IGBT；输出波形：载波移相调制正弦波，无传感器矢量控制。

1.2 高压变频器系统结构及功能

手动旁路柜：主要功能是实现变频与工频两种运行模式的相互切换，当变频器发生故障时，可以切换到工频运行，不影响生产。

变压器柜：主要为移相干式变压器。给功率单元的工作提供独立的三相输入电压，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组多个相绝缘绕组，采用延边三角形移相，频率调节更宽，可以提高功率单元整流脉波数。各级功率模块采用H桥IGBT驱动方式，由于输出的电平数较多，输出波形阶梯增多，就可以使调制波更接近于正弦，降低电压跳变，减少网测高次谐波。

功率单元：三相输入、单相输出的交-直-交PWM型变频机构，将相邻功率单元的输出串接起来，形成Y联结结构，实现变频的高压直接输出。功率单元主要是由二极管三相全桥整流器、滤波电容器、IGBT逆变桥组成，当然，还包括功率器件的驱动，保护，信号采集，光纤通讯等功能组成，通过IGBT的工作状态，就可以输出PWM（占空比可变的脉冲宽度调制）。

控制单元：主要实现变频器的各种控制功能，提供给功率单元电源及控制信号，在变频器发生故障时保护停机。主要由UPS、电源板、CPU板、MCPU板、WXAIO板、DI板、DO板、PWM板人机界面等电器元件以及若干光纤和导线组成。所有的控制指令和数据通过人机界面传入控制系统，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行数据，使变频器按照给定的指令执行输出，并实时监控变频器系统的运行状态，对故障立即停机保护并发出报警信息。

2 高压变频器调速原理及特点和注意事项

2.1 高压变频器调速原理

CHIC2000高压变频器调速系统采用直接的高-高变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率单元串联而成，从而由各组低压叠加而生成需要的高压输出，对电网谐波污染较小，输入电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题。不必加输出滤波。变频器共有27个功率单元，每9组单元串联构成一相。MCPU板根据所采集到的用户操作信息、单元数据、电网及电机数据等生成控制命令及调制波数据。通过数据地址总线将数据发送至PWM板。PWM板将从MCPU板接收到的数据发送至每组功率单元，每组单元根据接收到的控制命令及调制波数据生成PWM调制波，PWM调制波就是用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦波，单元电压波叠加后输出相电压波。

2.2 高压变频器控制方式

高压变频器采用矢量控制。简单地说就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性。具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别进行控制，同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量来实现磨机转速较高精度的控制，同时保证在低速时也有最高的力矩输出。

2.3 半磨机运行方式的特点

2.3.1 工频运行

（1）启动电流大，对设备和电网的冲击很大；（2）启动时，对大小齿轮的冲击较大，齿轮使用寿命缩短，运行稳定相对较差，设备维护工作量和耗电量较大；（3）工艺适用性较差，研磨效率低，易造成物料过磨影响工艺指标，增加辅材消耗。

2.3.2 变频运行

（1）实现了系统的软启动，启动电流大大减小，电流比工频控制小3～5倍，消除启动时的冲击，延长了机械部件的使用寿命，减少了设备的维修工作量及辅材消耗等费用；（2）采用无速度传感器矢量控制方式，启动力矩大并有效避免由于负载波动导致变频器过流的故障；（3）无极调速功能，改变固定速度研磨方式，即使衬板磨损也能保证研磨效率和磨矿指标；（4）系统具有完善的保护。主要保护分为电网类、电机类、单元类、整机类四大故障保护，主要保护功能包括：欠压、过压、超温、缺相、短路、接地、过载、通讯故障、风机故障、单元、IGBT故障等，所有故障信息都通过显示屏显示具体位置，降低维护难度；（5）功率单元采用插接式，标准化、通用化、可互换现场维护更方便，同时能提高整机运转效率；（6）对电压适应范围宽（65%～120%Un）提高了抗电网波动的能力，同时电网瞬时掉电后可以自动重启；（7）变频器实时检测各单元母线的输出电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；（8）变频器频率给定可以现场给定、通讯给定，强大的通讯功能能满足全自动化控制；（9）如果由于设备原因或其他原因造成输出短路，变频器会立即封锁输出，保护设备不受损害，避免发生重大设备事故；（10）单变频器输出电流超过设定值时，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加载过程或因负载突然变化而引起过流保护，尽可能减少停车次数。

2.4 注意事项

（1）送电顺序必须遵循先送控制电，再送高压电，断电顺序必须遵循先断高压电，再断控制电；（2）因半自磨机属于恒转矩负载，机械特性比较硬，动态特性要求较高，所以必须选用矢量控制功能，选用V/F控制无法满足启动和低速时的运行要求，如果提升过大，则会出现过流保护停运；（3）需要定期对变频器除尘，避免积尘过多散热不好影响变频器运行。

3 高压变频器在半自磨机上应用效果

3.1 运行效果

（1）半自磨机使用高压变频器后，启动方式由10kV直接启动变为软启动，能够在0～100%额定转速范围内实现无级平滑调速，无电流和机械冲击，使半自磨机工作平稳，延长了设备使用寿命和维修周期。

（2）变频器自身保护功能完善，更灵敏，大大加强了对设备的保护。

（3）显著的节能效果，功率越大节能效果越明显。

（4）高精度的无级调速，满足各种复杂工艺的需求。

（5）丰富的用户接口，更方便地实现生产的自动化。

3.2 经济效益

3.2.1 根据衬板磨损半自磨机运行情况

3.2.2 工频状态下半自磨机的年耗电量分析

3.2.3 变频情况下半自磨机的年耗电量分析

球磨机设备属于恒转矩负载，当磨机在不同转速下运行时的情况：ηd：同步机的效率，ηb：变频器的效率，

根据不同频率运行所占的时间百分比得出运行的平均功率：

4 结语

高压变频器采用先进的功率单元级联载移相控制技术、矢量控制技术等，具有精度高、调速范围广、响应速度快、安全可靠、四象限运行、功率因数高等优点。标准化、通用化、模块化、插接式的设计，元器件间既独立又相互联系，同时，互换性强现场维护更方便。

在半自磨机应用中，性能稳定、安全可靠，节能高效，既能保证半自磨磨矿效率最佳，又能保证工艺指标最优，使半自磨机运行效率得到有效的提高，获得良好的经济效益和社会效益。高压变频器在高压大功率、高能耗的设备应用效果显著，而且性能稳定、可靠性高，具有推广意义，同时，也是电能有效利用的主要手段。