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HIVERT高压变频器在矿山排废系统中的应用分析

浏览次数: 日期:2008-3-6 15:19:20

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:

              60°

移相角度= ———————

            每相单元数量

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。 

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。

图八       主电路电气原理图

 

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。

图九       铁矿生产的工艺流程简图

 

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。

图十       砂泵站水隔离泵排废系统图

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;控制台内的PLC经传感器检测罐内阀体的位置和管网水压的变化,经运算后自动控制液压阀1~6的开启和关闭。浓缩池内尾矿的浓度直接决定了清水管网的管网压力。根据其工作原理,砂泵站的岗位工可根据管网水压的高低间接判断出选矿作业中段是否生产、生产量的大小以及浓缩池的底流管是否出现管堵故障等。

3系统改造

二选厂砂泵站尾矿处理系统水泵拖动方式的改造工作于2004年7月27日开始,到8月10日调试完毕,总计历时15天。

砂泵站共有四套水隔离浆体泵排废系统。改造前每套尾矿处理系统清水管网独立,由一台220KW多级离心清水泵提供清水。改造后将第三套尾矿处理系统的220KW清水泵改为450KW的清水泵,并将该系统清水管网与第二套尾矿处理系统清水管网并联。

原220KW水泵电机由工频直接启动方式,改为450KW变频软启方式。HIVERT高压变频器经旁路柜拖动450KW水泵电机。生产正常时,该450KW水泵同时为两套尾矿处理系统提供清水做功;当中段选矿作业处理量下降时,适当降低变频器的运转频率(即改变水泵转速)或最终切除一套尾矿处理系统;当其中一套需要进行检修作业时,可通过截止阀关闭该套清水的供给;当这台450KW水泵或变频器需要停机进行保养或检修作业时,第二套尾矿处理系统直接由220KW水泵工频运行提供清水(如果第二套尾矿处理系统也处于检修状态时,也可通过阀门操作改变清水管网路线——由第二套的220KW多级离心清水泵为第三套尾矿处理系统提供清水;由于系统管网弯头增加、阻抗特性改变,系统效率降低)。当中段选矿作业处理量增加、改造后第二套和第三套尾矿处理系统满足不了生产需求或其中之一有检修作业时,可开启第四套或第五套尾矿处理系统。由此可见,砂泵站的生产得到了充分保证。

4负载分析

由砂泵站水隔离浆体泵的工作原理可知,LGSB控制台内的PLC通过传感器检测每套尾矿处理系统中的三台水隔离罐内阀体位置和管网水压的变化,通过运算自动控制液压阀1~6的开启和关闭。由于每台水隔离罐内阀体位置和管网水压的变化具有不确定性,尤其管网水压受中段选矿作业处理量变化的影响较大,决定了每套尾矿处理系统负载大小的不确定性;对每台清水泵而言,每套尾矿处理系统的三台水隔离罐经常工作在不同的进程,“二给(水)一排(水)”、“一给二排”以及“零给零排”等的情形交替出现,这说明这种尾矿处理系统的负载性质为变化性负载(柔性冲击负载)。水泵电机工频运行时的电流波形如下各图所示。

    图十三     正常生产时电流波形

 

5节能潜力

相对于工频传动和负载结构而言,无论多级离心清水泵的负载如何变化,由于这台450KW水泵同时为两套尾矿处理系统提供清水,当其中一套处理系统处于检修或水泵叶轮磨损且没有达到更换需求时,采用变频器拖动后通过降频来改变电机转速,也就降低了水泵从电网的需求功率,提供一套处理系统需求的清水量,能够节省接近一半的能量(考虑到了水泵本身的效率问题,这时水泵工作在远离最佳工况点的位置,水泵实际效率会有明显下降)。

对于水泵本体而言,由于每套尾矿处理系统均由一台多级离心清水泵单独提供高压清水,非多台水泵并网运行的情况,相同工况下节能效果较为明显。

 

五、调试中遇到的问题和解决办法

在改造前,每套处理尾矿处理系统的水泵无故障运转周期非常短,平均每七、八天就得维修一次,即影响了中段选矿作业的生产,也增加了全厂的生产成本。岗位工、维修工的作业均很规范,水泵成品和备品备件的质量也绝无问题,都是大厂家的知名产品;这四套尾矿处理系统的问题同出一辙,技术人员最初把问题的焦点注意在水泵基础的土建问题上:认为基础土建时间短,基础松动是造成水泵损坏的直接原因。后来的新建基础的使用结果推翻了这一判断。

在进行变频器改造后,系统振荡的问题开始显现出来。在进行变频器调试时,采用50Hz试运行,发现提供高压清水的水泵系统有振荡情况发生,电机电流波形改变,机械振动明显,分析为负载性质使然;而且当中段选矿作业处理量不同时,不同运行频率下出现系统振荡的机率不同,以目前二选厂的日处理量情况下,系统在水泵运行在50Hz时振荡机率最为明显。当系统振荡时,通过调整“设定频率”为49.7Hz时即可消除振荡。振荡时电流波形如下图:        

     图十五     系统振荡时捕捉到的电机电流波形(2)

一般高(低)压变频器制造商生产的变频器是通过设置“临界频率”来解决振荡问题,但这种方法在某些特殊情况下将不利于生产的正常进行,尤其对于负载大小经常变化的场合。由上面的捕捉到的电机电流波形可知:在系统发生振荡时,电机电流的平均值没有超过电机的过载保护值,乃至电机的额定电流值也没有达到,但这种振荡会影响到负载和变频器(信号板将检测到不规律的负载电压、电流信号,影响控制器的判断)的安全运行,以及造成电机的附加发热等,这种情况必须避免。

解决办法:在编写程序时增加两个寄存器,其中一个保存变频器的实际运行频率,另外一个寄存器暂存对应该频率下的负载实际运行电流。控制系统每50ms(根据编程需求可适当修改此值)刷新一次这两个寄存器中的数值,将新值写入。当系统检测到在同一频率下的即时负载电流大出较前保存的值达到一定限度时,系统即发出中断,将该频率压入堆栈,同时调用一个新程序。新程序将自动降低(或升高)变频器的运行频率(一般在±0.3Hz左右即可避开振荡点);当负载的实际运行电流恢复到正常值时,恢复原运行频率,中断结束。

在调试界面上增加一个“电流幅”的设置项,调试人员应注意在该频率下重载和轻载时的实际运行电流变化情况△I,在“电流幅”修改项内填入一个略大于△I的数值,当实际电流变化大于△I时,系统即开始调用中断程序。如:在本次建龙矿业砂泵站的变频改造现场,为水隔离罐提供高压清水的水泵传动电机的负载电流随中段选矿作业处理量及电网电压波动发生变化,在50Hz运行时电流变化值一般在38~42A;当系统发生振荡时,运行电流会突跳到50A。这时我们就可以在“电流幅”设置项内填入数值45A,也就是说:当负载50Hz运行时工作电流若突跳到45A时,即可认为系统发生了振荡。

如果中断在规定时间内没有解除,系统将根据优先权作出其它判断,发出其它中断或保护。

振荡问题的解决也能在硬件上实现,缺点是实现起来比较困难,并且会降低其它非正常情况下的保护值。瞬时过电流限制(也称为不跳闸功能)是指在运行频率或负载变化过程中,当负载电流在单位时间内超过一定限度时,将自动降低变频器的输出频率,将负载的电流变化限制在一定范围内,其值一般都超过变频器的额定电流。瞬时过电流限制一般容易与振荡问题混淆,实际上是两种完全不同的情况,振荡会在任何频率段内发生,振荡时的电流值也不一定会很大;“瞬时过电流限制”这种功能并不能解决系统的振荡问题。

 

六、存在的问题

1.由于水隔离罐的隔离阀对罐体密封不严,尤其当阀体运行至罐体的最下部时,如果阀体被卡死或或进浆阀门和出水阀门开度调节不合适以及停泵时,均会造成隔离罐内返浆,严重时会直接浸入清水泵内,加速水泵叶轮的磨损甚至直接导致水泵的损坏。

2.旁路柜由用户自行采购,由于生产旁路柜的成套设备公司的设计人员对高压变频器不熟悉,在电气联锁上还采用低压通用变频器的电路设计思想,给现场调试人员增加了调试难度和调试时间。

3.现场10KV系统掉电频繁,由于HIVERT高压变频器的控制系统采用双系统供电,该系统的频繁掉电没有对变频器的正常运行产生任何影响,但频繁的掉电容易导致工控机的损坏。

4.6KV系统负荷率高,供电容量降低,尤其改造后升高了对系统电网短路容量的需求,工频、变频的自动切换受到限制。


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