1 引言

長期以來，礦業(yè)粉磨工藝中普遍采用球磨機研磨原料，一般都是采用液力耦合器啟動，啟動電流大對設備和電網(wǎng)的沖擊較大，同時工頻時易造成物料過度研磨，研磨周期長，研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗較大，這就促使人們?nèi)パ兄茊悠交?，研磨效率高、產(chǎn)量大、能耗底的球磨機控制系統(tǒng)，而變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善設備的運行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性，延長設備使用壽命等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個發(fā)展方向，但是在傳統(tǒng)粉磨工藝中最主要的設備球磨機中，采用變頻調(diào)速傳動控制其本上還是空白。

2工藝概述

球磨機主要用于選礦、陶瓷、化工、水泥、玻璃耐火材料等行業(yè)。球磨機分為干濕兩種，干式用于耐火材料、水泥、化肥、玻璃行業(yè)，濕式用于選礦、陶瓷、化工行業(yè)等。

礦粉球磨機由給料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動部（減速機，小傳動齒輪，電機，電控）等主要部分組成。球磨機具有一個水平放置的回轉(zhuǎn)圓筒，球磨機的筒體用隔倉板分成2~5個室，在各個室內(nèi)裝有一定形狀和大小的研磨體。研磨體一般為鋼球或鋼段，在棒磨機的粗磨倉研磨體內(nèi)為鋼棒。當球磨機運轉(zhuǎn)時，物料與研磨體混合，在離心力和與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力的作用下被帶到一定的高度，在重力的作用下自由下落，落下的研磨體沖擊底部的物料把物料擊碎。在磨機回轉(zhuǎn)時，研磨體還有滑動和滾動現(xiàn)象，這樣，物料于研磨體之間產(chǎn)生摩擦，將物料磨碎。 球磨機一般以固定轉(zhuǎn)速運行，筒體的轉(zhuǎn)速是由皮帶輪或齒輪減速機構(gòu)（也有用液力耦合器）決定的。球磨機的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運動狀況及物料的研磨過程，在不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運動狀況如圖1所示。

圖1 不同的轉(zhuǎn)速下，筒體內(nèi)的鋼球和物料的運動狀況示意圖

球磨機筒體的轉(zhuǎn)速，對粉碎作用和磨機產(chǎn)量影響也很大，當筒體轉(zhuǎn)速過低時，筒體不能將研磨體帶到一定的高度，沖擊物料的作用很小。反之，若筒體的轉(zhuǎn)速過大，轉(zhuǎn)速超過“臨界轉(zhuǎn)速”時，研磨體在其慣性離心力的作用下貼附在筒體上，與筒體一起作圓周運動，也根本起不到對物料的沖擊作用。只要當筒體的轉(zhuǎn)速適宜時（以“臨界轉(zhuǎn)速”的60%～70%），研磨體拋出后，才能獲得最大的降落高度，對物料產(chǎn)生較大的沖擊效果。

3常用控制方式與變頻控制方式的優(yōu)劣對比

目前球磨機普遍采用的是液力耦合器啟動，該方式存在

（1）啟動電流大，對設備和電網(wǎng)的沖擊很大。

（2）設備運行的穩(wěn)定性差，維護量和耗電量巨大。

（3）所需的研磨周期較長、研磨效率低，單位產(chǎn)品功耗大，同時易造成物料的過渡研磨，增加了生產(chǎn)廠家的維護成本，造成了嚴重的資源浪費。

球磨機使用變頻調(diào)速后，具有以下優(yōu)勢：

（1）實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟啟動，啟動電流大大減小，比之前的工頻控制小3～5倍，消除了啟動時的沖擊，延長了機械部件的使用壽命，減少了設備的維護量及維護費用。

（2）降低了對電網(wǎng)及周邊設備的沖擊，利用變頻矢量調(diào)速技術(shù)拖動，滿足了球磨機低速運行、大啟動轉(zhuǎn)矩的特點，有效保證系統(tǒng)的控制工藝。

（3）優(yōu)越的無級變速功能，改變了過去的固定速度研磨方式，大大優(yōu)化研磨效率和研磨物體的均勻度。

（4）系統(tǒng)具有完善的超溫、缺相、短路、過電壓、過電流等各種保護功能，全中文觸摸屏幕，可直觀準確的查看設備內(nèi)部數(shù)據(jù)。

4用戶情況介紹

烏海市長宏礦業(yè)有限公司位于烏海市卡布其鎮(zhèn)，是一家主要生產(chǎn)石灰粉及脫硫粉的礦業(yè)公司，因生產(chǎn)需要增加一套球磨機系統(tǒng)。球磨機電機參數(shù)如表1所示。

該公司領導經(jīng)過調(diào)研，為了降低生產(chǎn)成本，提高球磨機系統(tǒng)的運行效率，決定采用高壓變頻器改造球磨機。

球磨機系統(tǒng)是全礦的生產(chǎn)中樞，一旦球磨機電機不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會造成巨大經(jīng)濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當惡劣，粉塵比較多，因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護性，變頻器應具有矢量控制功能，滿足球磨機重載啟動。

經(jīng)過對國內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，長宏礦業(yè)領導選擇了新風光電子公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP38-900F型（900kW/10kV）高壓變頻器作為球磨機電機的控制設備。改造取得了成功。

5新風光JD-BP38-900F高壓變頻器基本性能

根據(jù)現(xiàn)場情況，需要使用高壓變頻器實現(xiàn)球磨機系統(tǒng)的軟啟動和調(diào)速運行，要求變頻器矢量控制技術(shù)，滿足球磨機重載啟動，要求變頻器具有高可靠性。

新風光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F 高壓變頻器(900kW/10kV）技術(shù)參數(shù)如表2所示。

長宏礦業(yè)選用的新風光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻器，對球磨機系統(tǒng)進行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點：

（1）采用完美無諧波的單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，具有較低的電網(wǎng)電流諧波，滿足電網(wǎng)對電能質(zhì)量的嚴格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動機。

（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大，并有效避免由于負載波動導致的變頻器過流故障。

（3）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足系統(tǒng)的重載啟動要求。

（4）風光高壓變頻器對電網(wǎng)電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），提高了抗電網(wǎng)波動能力，大大提高產(chǎn)品在煤礦球磨機應用現(xiàn)場的可靠性。

（5）振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。

（6）快速飛車啟動技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復位重新帶載運行。

（7）電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟；

（8）星點漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內(nèi)將單元旁路，執(zhí)行星點漂移技術(shù)，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率。

（9）輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能。

（10）故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機。

（11）多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制、上位機，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；

（12）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。

（13）具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。

（14）限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數(shù)。

（15）故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續(xù)運行。

6 特殊控制功能

（1）中性點漂移功能

單元旁路功能可自動、快速地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行或降額運行。高壓變頻器正常運行中，若某相中有個單元出現(xiàn)過流或過壓故障，系統(tǒng)將會在最短時間內(nèi)將該單元旁路，為了滿足現(xiàn)場工藝需要，采用中性點偏移技術(shù)進行處理，保證輸出線電壓仍保持三相對稱，同時最大程度提高了電壓利用率。該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。                 

（2）瞬時停電再啟動功能

該功能主要應用于主電源發(fā)生短時失電或欠壓以及現(xiàn)場兩路主電源互相切換時，保證變頻器不停機，當電源恢復后重新投入工作的功能。該功能滿足主電源3～10s的欠壓或失電（該值可以進行設置）。具體實現(xiàn)該功能的電路如圖2所示。瞬時停電再啟動功能波形如圖3所示。

圖2瞬停電路構(gòu)成電路圖

圖3瞬時停電再啟動功能波形

（3）“飛車啟動”功能

在高壓變頻器的應用中，有許多場合都要用到“飛車啟動”功能。如下面幾種場合就要用到此功能：轉(zhuǎn)動慣量比較大的場合，典型負載如風機；或者對于一拖多的場合，有時會用到工頻轉(zhuǎn)變頻的場合，也需要“飛車啟動”。

高壓變頻器的“飛車啟動”是否成功關鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉(zhuǎn)子頻率是隨機的，為此必須進行電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的搜索，即“飛車啟動”開始先搜索電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，搜索到電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來輸出頻率。這樣，既不會出現(xiàn)過流、也不會出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。

（4）無擾并網(wǎng)

  該功能主要實現(xiàn)大功率電機軟啟動的功能。應用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相位時將電動機以最小電流切換至工頻電源。切換電流不超過額定電流的1.5倍，能夠完全滿足大功率電動機的軟啟動要求。無擾并網(wǎng)控制示意圖如圖4所示。          

圖4無擾并網(wǎng)控制示意圖

（5）“工/變頻”自動切換功能

 該功能主要是實現(xiàn)當變頻器出現(xiàn)故障時，自動將電機切換到工頻運行，或者變頻器具備運行條件后，又可自動使電機從工頻狀態(tài)自動切換到變頻狀態(tài)。實現(xiàn)該功能，要求變頻器的控制方式具備自動切換功能。

7球磨機變頻主回路接線圖

現(xiàn)場采用1套新風光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對生產(chǎn)的影響，高壓變頻器配置手動工頻旁路。一次接線如圖5所示：

 圖5  手動旁路柜一次回路圖

旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機變頻運行；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。

旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

8球磨機變頻器調(diào)試使用注意事項

球磨機變頻器在調(diào)試時需要注意以下事項：

（1）因球磨機的負載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類，機械特性較硬，動態(tài)特性要求較高，所以應選用變頻器的矢量控制功能，V/F控制在低速時雖然具有轉(zhuǎn)矩提升功能，但提升不足，電機轉(zhuǎn)矩可能無法滿足起動或低速穩(wěn)速運行的需要，如果提升過大，又可能使因磁路飽和而過流。

（2）球磨機現(xiàn)場，粉塵較多，因此變頻器周圍應留足夠的空間，保證良好的通風，現(xiàn)場需安裝在通風良好，遠離熱源和塵埃少的地方。

（3）在調(diào)試正常投運一段時間后，應對主回路接線等主要部位，進行巡檢，并定期除塵，避免由于灰塵積累過多，影響變頻器的正常運行。

9結(jié)束語

烏海長宏礦業(yè)球磨機變頻器至2016年10月投運以來，至今運行正常。改造取得了預期目的。經(jīng)過礦節(jié)能中心測算，變頻器節(jié)電達25.2%，節(jié)能效果明顯。高壓變頻器可以根據(jù)磨內(nèi)原料的粉碎情況準確的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，提高了球磨機的運行效率，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著我國“十三五”對節(jié)能減排工作的日益重視，新風光變頻器用于高壓大功率、高能耗設備節(jié)電效果顯著，而且性能穩(wěn)定、可靠性高，具有重要的推廣意義。