[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)場的生產(chǎn)工藝需求和達到為企業(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鐵礦，是黑龍江省財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)由三臺柜隔離罐組成，由一臺220KW水泵（以下此稱呼均表示原動機輸出功率）給提供高壓水。由于工程上馬時間短，土建等前期工作準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)計的“開三備一”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；當其中一套處理系統(tǒng)需要檢修時，通過采用變頻器拖動來降低水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到降低水壓、減少流量和節(jié)省能量需求的目的。經(jīng)過多次深入對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發(fā)、生產(chǎn)的HIVERT系列6KV 800KVA的高壓大功率變頻傳動裝置。 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，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6KV、10KV，而因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(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，風冷，有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。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及結(jié)構(gòu)而定，6KV系列為15個，延邊三角形接法，為每個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延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算： 　　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）遠小于國家標準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功率單元五個串聯(lián)時產(chǎn)生3450V相電壓，相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅(qū)動電機所需的可變頻三相高壓電源。 　　圖三為五個690VAC功率單元串聯(lián)時，每個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個不同的電壓等級。增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機絕緣的破壞，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線電壓波形實錄圖，峰值電壓為8.5KV。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖五即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級數(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。 　　功率單元通過光纖接收信號，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。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當Q1和Q4導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當Q2和Q3導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。輸出電壓波形見圖五所示。 　　功率單元具有單元旁路功能。當某個單元發(fā)生熔斷器故障、過熱和IGBT故障而不能繼續(xù)工作時，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動旁路，此時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，變頻器將降容運行，但當變頻器本身運行頻率較低，如6KV系列運行頻率低于40Hz時，變頻器將自動提高工作單元的輸出電壓，而保證變頻器輸出性能不變，實現(xiàn)無擾動自動旁路。 3 控制系統(tǒng) 　　控制系統(tǒng)由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板，PLC和工控機組成，各部分之間的聯(lián)系如圖七所示。 　　光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號，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）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。 　　信號板采集變頻器的輸入電壓、電流和輸出電壓、電流信號，并將模擬信號隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號用于變頻器控制、保護，以及提供給工控機數(shù)據(jù)采集板。 　　主控板采用高速單片機，完成對電機控制的所有功能，運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RS232通訊口與工控機交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來自工控機的參數(shù)設(shè)置。 　　工控機為用戶提供友好的全中文WINNT監(jiān)控和操作界面，負責數(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)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過32通道高速數(shù)據(jù)采集卡采集來自信號板的模擬信號，計算出電流、電壓、功率、功率因數(shù)等運行參數(shù)，提供表計功能和示波形功能，并實現(xiàn)對電機的過載、過流告警和保護。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與PLC連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。 　　PLC用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(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自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設(shè)置時的設(shè)置信號；模擬輸出量可以是運行頻率、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 　　HIVERT—Y系列高壓變頻器是風機、泵類負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、自動控制或軟啟動等場合。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： ·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，更適合中國用戶使用習慣； ·瞬時過電流限制功能（不掉閘功能）； ·瞬時停電跟蹤功能； ·內(nèi)置PID，AVR功能； ·輸入、輸出接口數(shù)量多，控制方式靈活； ·標準通信協(xié)議，便于用戶集中控制； ·波形完美，功率因數(shù)高； ·無須更換用戶普通電動機，也不必降容使用； ·并可根據(jù)用戶要求做特殊設(shè)計。 四、HIVERT高壓變頻器在礦山排廢系統(tǒng)上的應(yīng)用 1 鐵礦處理流程簡述 　　礦石開采分為露天開采和地下平巷開采兩種，鐵礦開采也不例外。開采出來鐵礦石的首先經(jīng)過破碎，體積小的顆粒進入球磨機，再經(jīng)過螺旋分級機、細篩機、磁選和過濾機設(shè)備等，最后提出所需的精礦粉，作為高爐煉鐵的原料。每級分出來的廢礦最終進入濃縮池，成為最終尾礦，經(jīng)過砂泵站的水隔離設(shè)備排到即不污染環(huán)境又能在將來將尾礦回收利用的儲存地點。鐵礦生產(chǎn)的工藝流程簡圖如下圖所示。 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自動控制，起到可控進水、排水的作用；1～12為逆止閥，防止尾礦液倒流、做無用功。我們以水隔離罐A系列為例，敘述一下生產(chǎn)過程：啟動水泵電機，液壓閥1開啟，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做功，將閥體下部的尾礦排出水隔離罐，這時逆止閥7關(guān)閉，逆止閥8打開，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，這時一個做功周期結(jié)束。 　　每套尾礦處理系統(tǒng)有三臺這種、并且相互獨立做功的水隔離罐設(shè)備；