[論文摘要]由于礦山排廢系統(tǒng)——砂泵站水隔離漿體泵這種負(fù)載的特殊性，高壓變頻器與其的配套使用能在很大程度上提升現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝需求和達(dá)到為企業(yè)節(jié)能降耗的目的。 [關(guān)鍵詞]礦山排廢系統(tǒng)　高壓變頻器　水隔離漿體泵 一、前言 　　黑龍江省雙鴨山市建龍礦業(yè)有限公司前身是黑龍江省宏遠(yuǎn)鐵礦，是黑龍江省財(cái)政近年的重要納稅大戶，二選廠尾礦處理選用沈大泵業(yè)有限公司的四套LGSB水隔離漿體泵排廢系統(tǒng)，每套處理系統(tǒng)由三臺(tái)柜隔離罐組成，由一臺(tái)220KW水泵（以下此稱呼均表示原動(dòng)機(jī)輸出功率）給提供高壓水。由于工程上馬時(shí)間短，土建等前期工作準(zhǔn)備不充分以及其它方面的一些原因，這四套提供高壓水的水泵平均每七、八天就得維修一次，即使原設(shè)計(jì)的“開(kāi)三備一”的規(guī)劃也滿足不了生產(chǎn)需要，經(jīng)常面臨減產(chǎn)甚至停產(chǎn)的窘迫局面。為了改變這種不利局面，該公司領(lǐng)導(dǎo)層決定采用增加一臺(tái)450KW的大功率水泵給其中兩套處理系統(tǒng)提供高壓水的方案：即能保證生產(chǎn)，又便于檢修；當(dāng)其中一套處理系統(tǒng)需要檢修時(shí)，通過(guò)采用變頻器拖動(dòng)來(lái)降低水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到降低水壓、減少流量和節(jié)省能量需求的目的。經(jīng)過(guò)多次深入對(duì)多家高壓變頻器生產(chǎn)廠商的考察和論證，該公司決定采用北京合康億盛科技有限公司自主開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的HIVERT系列6KV 800KVA的高壓大功率變頻傳動(dòng)裝置。 二、HIVERT高壓變頻器的原理 1 主電路 　　HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開(kāi)關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無(wú)法直接逆變輸出6KV、10KV，而因開(kāi)關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無(wú)法完成直接串聯(lián)。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。圖一為6KV系列典型主電路圖。 　　隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風(fēng)冷，有使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及結(jié)構(gòu)而定，6KV系列為15個(gè)，延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源輸入。 　　為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過(guò)延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計(jì)算： 　　由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。 　　變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯(lián)疊波得到。如額定輸出690VAC功率單元五個(gè)串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生3450V相電壓，相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。 　　圖三為五個(gè)690VAC功率單元串聯(lián)時(shí)，每個(gè)功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到5～0～-5共11個(gè)不同的電壓等級(jí)。增加電壓等級(jí)的同時(shí)，每個(gè)等級(jí)的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖四為6KV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實(shí)錄圖，峰值電壓為8.5KV。因?yàn)殡姍C(jī)電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖五即為輸出電流Ia的實(shí)錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級(jí)數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。 2 功率單元 　　功率單元原理見(jiàn)圖2.9，輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。 　　功率單元通過(guò)光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng)Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。輸出電壓波形見(jiàn)圖五所示。 　　功率單元具有單元旁路功能。當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生熔斷器故障、過(guò)熱和IGBT故障而不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動(dòng)旁路，此時(shí)Q1～Q4封鎖輸出，可控硅K導(dǎo)通，以保證變頻器連續(xù)工作，并發(fā)出旁路告警。單元旁路時(shí)，變頻器將降容運(yùn)行，但當(dāng)變頻器本身運(yùn)行頻率較低，如6KV系列運(yùn)行頻率低于40Hz時(shí)，變頻器將自動(dòng)提高工作單元的輸出電壓，而保證變頻器輸出性能不變，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)旁路。 3 控制系統(tǒng) 　　控制系統(tǒng)由三塊光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板，PLC和工控機(jī)組成，各部分之間的聯(lián)系如圖七所示。 　　光纖板通過(guò)光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)或工作模式。單元通過(guò)光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。 　　信號(hào)板采集變頻器的輸入電壓、電流和輸出電壓、電流信號(hào)，并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于變頻器控制、保護(hù)，以及提供給工控機(jī)數(shù)據(jù)采集板。 　　主控板采用高速單片機(jī)，完成對(duì)電機(jī)控制的所有功能，運(yùn)用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過(guò)RS232通訊口與工控機(jī)交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來(lái)自工控機(jī)的參數(shù)設(shè)置。 　　工控機(jī)為用戶提供友好的全中文WINNT監(jiān)控和操作界面，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過(guò)32通道高速數(shù)據(jù)采集卡采集來(lái)自信號(hào)板的模擬信號(hào)，計(jì)算出電流、電壓、功率、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)，提供表計(jì)功能和示波形功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載、過(guò)流告警和保護(hù)。通過(guò)RS232通訊口與主控板連接，通過(guò)RS485通訊口與PLC連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。 　　PLC用于變頻器內(nèi)部開(kāi)關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的靈活性。PLC有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力等模擬信號(hào)或模擬設(shè)置時(shí)的設(shè)置信號(hào)；模擬輸出量可以是運(yùn)行頻率、電流、電壓、功率、功率因數(shù)等。PLC還可以完成PID功能。 三、HIVERT高壓變頻器的特點(diǎn) 　　HIVERT—Y系列高壓變頻器是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載專用的高壓變頻器，由北京合康億盛科技有限公司自主開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)的多單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻調(diào)速裝置，該裝置廣泛適用于城市供水、石油、化工、電力、冶金、水泥和制藥等需要調(diào)速、自動(dòng)控制或軟啟動(dòng)等場(chǎng)合。其主電路連接圖如圖八所示；該裝置為每相5單元結(jié)構(gòu)，其性能有如下特點(diǎn)： ·電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍廣，能夠滿足＋10％～－20％電壓范圍而滿載運(yùn)行； ·控制電源雙系統(tǒng)供電，確保產(chǎn)品安全可靠性； ·全中文真彩液晶觸摸屏顯示，更適合中國(guó)用戶使用習(xí)慣； ·瞬時(shí)過(guò)電流限制功能（不掉閘功能）； ·瞬時(shí)停電跟蹤功能； ·內(nèi)置PID，AVR功能； ·輸入、輸出接口數(shù)量多，控制方式靈活； ·標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，便于用戶集中控制； ·波形完美，功率因數(shù)高； ·無(wú)須更換用戶普通電動(dòng)機(jī)，也不必降容使用； ·并可根據(jù)用戶要求做特殊設(shè)計(jì)。 四、HIVERT高壓變頻器在礦山排廢系統(tǒng)上的應(yīng)用 1 鐵礦處理流程簡(jiǎn)述 　　礦石開(kāi)采分為露天開(kāi)采和地下平巷開(kāi)采兩種，鐵礦開(kāi)采也不例外。開(kāi)采出來(lái)鐵礦石的首先經(jīng)過(guò)破碎，體積小的顆粒進(jìn)入球磨機(jī)，再經(jīng)過(guò)螺旋分級(jí)機(jī)、細(xì)篩機(jī)、磁選和過(guò)濾機(jī)設(shè)備等，最后提出所需的精礦粉，作為高爐煉鐵的原料。每級(jí)分出來(lái)的廢礦最終進(jìn)入濃縮池，成為最終尾礦，經(jīng)過(guò)砂泵站的水隔離設(shè)備排到即不污染環(huán)境又能在將來(lái)將尾礦回收利用的儲(chǔ)存地點(diǎn)。鐵礦生產(chǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖如下圖所示。 2 砂泵站水隔離漿體泵的工作原理 　　上圖所示的最終尾礦（實(shí)際上是鐵礦生產(chǎn)的廢料，但仍含有其它目前技術(shù)能力難以回收的貴重金屬）進(jìn)入濃縮池，然后由砂泵站的水隔離設(shè)備排到四、五公里外的尾礦壩。砂泵站水隔離漿體泵的工作原理如下圖所示。 　　上圖中A、B和C為水隔離罐設(shè)備，為排廢的主要生產(chǎn)設(shè)備；上部為清水，下部為漿狀尾礦，兩種介質(zhì)之間被球狀閥體隔離。1～6為液壓閥，由PLC自動(dòng)控制，起到可控進(jìn)水、排水的作用；1～12為逆止閥，防止尾礦液倒流、做無(wú)用功。我們以水隔離罐A系列為例，敘述一下生產(chǎn)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)水泵電機(jī)，液壓閥1開(kāi)啟，水泵向水隔離罐內(nèi)輸入清水，水隔離罐內(nèi)閥體受上下壓差作用向下移動(dòng)做功，將閥體下部的尾礦排出水隔離罐，這時(shí)逆止閥7關(guān)閉，逆止閥8打開(kāi)，尾礦經(jīng)由逆止閥8排出水隔離罐直至閥體被壓到罐體下部允許極限；液壓閥1關(guān)閉，延遲1～3秒后液壓閥2開(kāi)啟，濃縮池內(nèi)的尾礦因高差經(jīng)逆止閥7流向水隔離罐，同時(shí)閥體上部的清水經(jīng)由液壓閥2被排出罐體，流回到清水池循環(huán)利用，這時(shí)一個(gè)做功周期結(jié)束。 　　每套尾礦處理系統(tǒng)有三臺(tái)這種、并且相互獨(dú)立做功的水隔離罐設(shè)備；