HIVERT高压变频器在矿山排废系统中的应用分析

[论文摘要]由于矿山排废系统——砂泵站水隔离浆体泵这种负载的特殊性，高压变频器与其的配套使用能在很大程度上提升现场的生产工艺需求和达到为企业节能降耗的目的。 [关键词]矿山排废系统　高压变频器　水隔离浆体泵 一、前言 　　黑龙江省双鸭山市建龙矿业有限公司前身是黑龙江省宏远铁矿，是黑龙江省财政近年的重要纳税大户，二选厂尾矿处理选用沈大泵业有限公司的四套LGSB水隔离浆体泵排废系统，每套处理系统由三台柜隔离罐组成，由一台220KW水泵（以下此称呼均表示原动机输出功率）给提供高压水。由于工程上马时间短，土建等前期工作准备不充分以及其它方面的一些原因，这四套提供高压水的水泵平均每七、八天就得维修一次，即使原设计的“开三备一”的规划也满足不了生产需要，经常面临减产甚至停产的窘迫局面。为了改变这种不利局面，该公司领导层决定采用增加一台450KW的大功率水泵给其中两套处理系统提供高压水的方案：即能保证生产，又便于检修；当其中一套处理系统需要检修时，通过采用变频器拖动来降低水泵的转速，从而达到降低水压、减少流量和节省能量需求的目的。经过多次深入对多家高压变频器生产厂商的考察和论证，该公司决定采用北京合康亿盛科技有限公司自主开发、生产的HIVERT系列6KV 800KVA的高压大功率变频传动装置。 二、HIVERT高压变频器的原理 1 主电路 　　HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6KV、10KV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。图一为6KV系列典型主电路图。 　　隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y接；副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，6KV系列为15个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。 　　为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算： 　　由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。 　　变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压，相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。 　　图三为五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图四为6KV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图，峰值电压为8.5KV。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图五即为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。 2 功率单元 　　功率单元原理见图2.9，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。 　　功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图五所示。 　　功率单元具有单元旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时Q1～Q4封锁输出，可控硅K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。单元旁路时，变频器将降容运行，但当变频器本身运行频率较低，如6KV系列运行频率低于40Hz时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。 3 控制系统 　　控制系统由三块光纤板，一块信号板，一块主控板，PLC和工控机组成，各部分之间的联系如图七所示。 　　光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。 　　信号板采集变频器的输入电压、电流和输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给工控机数据采集板。 　　主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与工控机交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自工控机的参数设置。 　　工控机为用户提供友好的全中文WINNT监控和操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过32通道高速数据采集卡采集来自信号板的模拟信号，计算出电流、电压、功率、功率因数等运行参数，提供表计功能和示波形功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与PLC连接，实时监控变频器系统的状态。 　　PLC用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。PLC有处理4路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流、电压、功率、功率因数等。PLC还可以完成PID功能。 三、HIVERT高压变频器的特点 　　HIVERT—Y系列高压变频器是风机、泵类负载专用的高压变频器，由北京合康亿盛科技有限公司自主开发、研制和生产的多单元串联电压源型高压变频调速装置，该装置广泛适用于城市供水、石油、化工、电力、冶金、水泥和制药等需要调速、自动控制或软启动等场合。其主电路连接图如图八所示；该装置为每相5单元结构，其性能有如下特点： ·电网电压适应范围广，能够满足＋10％～－20％电压范围而满载运行； ·控制电源双系统供电，确保产品安全可靠性； ·全中文真彩液晶触摸屏显示，更适合中国用户使用习惯； ·瞬时过电流限制功能（不掉闸功能）； ·瞬时停电跟踪功能； ·内置PID，AVR功能； ·输入、输出接口数量多，控制方式灵活； ·标准通信协议，便于用户集中控制； ·波形完美，功率因数高； ·无须更换用户普通电动机，也不必降容使用； ·并可根据用户要求做特殊设计。 四、HIVERT高压变频器在矿山排废系统上的应用 1 铁矿处理流程简述 　　矿石开采分为露天开采和地下平巷开采两种，铁矿开采也不例外。开采出来铁矿石的首先经过破碎，体积小的颗粒进入球磨机，再经过螺旋分级机、细筛机、磁选和过滤机设备等，最后提出所需的精矿粉，作为高炉炼铁的原料。每级分出来的废矿最终进入浓缩池，成为最终尾矿，经过砂泵站的水隔离设备排到即不污染环境又能在将来将尾矿回收利用的储存地点。铁矿生产的工艺流程简图如下图所示。 2 砂泵站水隔离浆体泵的工作原理 　　上图所示的最终尾矿（实际上是铁矿生产的废料，但仍含有其它目前技术能力难以回收的贵重金属）进入浓缩池，然后由砂泵站的水隔离设备排到四、五公里外的尾矿坝。砂泵站水隔离浆体泵的工作原理如下图所示。 　　上图中A、B和C为水隔离罐设备，为排废的主要生产设备；上部为清水，下部为浆状尾矿，两种介质之间被球状阀体隔离。1～6为液压阀，由PLC自动控制，起到可控进水、排水的作用；1～12为逆止阀，防止尾矿液倒流、做无用功。我们以水隔离罐A系列为例，叙述一下生产过程：启动水泵电机，液压阀1开启，水泵向水隔离罐内输入清水，水隔离罐内阀体受上下压差作用向下移动做功，将阀体下部的尾矿排出水隔离罐，这时逆止阀7关闭，逆止阀8打开，尾矿经由逆止阀8排出水隔离罐直至阀体被压到罐体下部允许极限；液压阀1关闭，延迟1～3秒后液压阀2开启，浓缩池内的尾矿因高差经逆止阀7流向水隔离罐，同时阀体上部的清水经由液压阀2被排出罐体，流回到清水池循环利用，这时一个做功周期结束。 　　每套尾矿处理系统有三台这种、并且相互独立做功的水隔离罐设备；