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1 引言

    變頻調(diào)速在過程控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。由于變頻調(diào)速的調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快、并且具有較高的控制精度，故在生產(chǎn)過程閉環(huán)控制中，已經(jīng)被普遍采用。尤其是以往控制回路中采用調(diào)節(jié)元件如調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，大都可以被“變頻器+電機(jī)+泵”取代。這樣做的好處：

    （1）大大節(jié)省電能

    （2）避免了調(diào)節(jié)閥維護(hù)和更換費用

    （3）使控制指標(biāo)更加穩(wěn)定和精確。

    在變頻器的選型設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的具體工藝情況和工程特點，選擇合適的變頻器及其相關(guān)的附件，這樣做不僅合理地控制投資，而且更能夠滿足生產(chǎn)工藝的需求。

2. 工程背景簡介

    某選礦廠在進(jìn)行自動化系統(tǒng)改造前，其22臺焙燒礦石的豎爐（煤氣加熱爐）的進(jìn)風(fēng)口鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)沒有調(diào)速裝置，電機(jī)（其功率基本為45KW）處于工頻運行狀態(tài)。煤氣燃燒狀態(tài)只靠手調(diào)加熱煤氣量來保證；7個系列磨機(jī)的電振給礦機(jī)的給料量的控制是通過調(diào)節(jié)其振動頻率來保證的（下料量很不穩(wěn)定）；7個系列旋流器給礦壓力的控制是通過調(diào)節(jié)旋流器給礦泵（其拖動電機(jī)功率基本為75KW）出口管路上的閥門開度大小來控制的；5臺濃縮機(jī)底流管路內(nèi)礦漿度的控制是通過調(diào)節(jié)其底流泵（其拖動電機(jī)基本為115KW）出口管路上的閥門開度大小來實現(xiàn)的。

    由于沒有自動化系統(tǒng)，在控制方式上只能靠手動調(diào)節(jié)。這不僅影響到生產(chǎn)工藝指標(biāo)的實現(xiàn)，而且由于采用“電機(jī)+風(fēng)機(jī)/泵+調(diào)節(jié)閥”調(diào)節(jié)方式，造成浪費電能并且調(diào)節(jié)閥維護(hù)、更換費用較大。總之，以往的調(diào)節(jié)方式使得生產(chǎn)工藝指標(biāo)很不穩(wěn)定，生產(chǎn)運行方式很不經(jīng)濟(jì)。

3. 變頻調(diào)節(jié)控制方案說明

    我們在對該選礦廠進(jìn)行自動化系統(tǒng)改造后，通過采用“變頻器+電機(jī)+風(fēng)機(jī)/泵”方案，不僅能夠穩(wěn)定控制住生產(chǎn)工藝指標(biāo)，而且節(jié)能效果明顯。

    本選礦自動化系統(tǒng)中，共使用變頻器50臺。其中用于豎爐鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的變頻器22臺，用于磨機(jī)給礦機(jī)給礦量調(diào)節(jié)的變頻器16臺（給礦機(jī)改為皮帶給礦機(jī)，其電動滾筒功率為2.2KW），用于旋流器給礦壓力調(diào)節(jié)的變頻器7臺，用于濃縮機(jī)底流濃度調(diào)節(jié)的變頻器5臺。控制方案說明如下：

    1）通過使用變頻器對鼓風(fēng)機(jī)拖動電機(jī)的調(diào)速，完成22臺豎爐進(jìn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而完成空/燃比控制。

    2）通過使用變頻器對給礦機(jī)電動滾筒的調(diào)速，完成磨機(jī)給礦量的恒定閉環(huán)控制。

    3）通過使用變頻器對旋流器給礦泵池泵拖動電機(jī)的調(diào)速，實現(xiàn)旋流器給礦壓力的閉環(huán)控制。

    4）通過使用變頻器對濃縮機(jī)底流泵拖動電機(jī)的調(diào)速完成濃縮機(jī)底流礦漿濃度的閉環(huán)控制。

4. 變頻器系統(tǒng)選型配置與設(shè)計方案

    變頻器系統(tǒng)選型配置與設(shè)計總的原則為:在保證生產(chǎn)工藝要求并保證生產(chǎn)安全、穩(wěn)定的前提下，盡量節(jié)省投資。

1）變頻器類型的選擇

    考慮到該選礦生產(chǎn)過程使用的變頻器都用于對生產(chǎn)工藝過程的回路控制，在生產(chǎn)工藝制上最終控制指標(biāo)為：溫度、給礦量、壓力、濃度、生產(chǎn)指標(biāo)。該過程控制對變頻器的質(zhì)量、可靠性要求較高，但對變頻器本身的性能指標(biāo)要求不高。變頻器具有普通的U/f控制等功能即可以滿足生產(chǎn)要求，并不需要使用磁場定向矢量控制高性能型變頻器。故在變頻器選型設(shè)計上，選擇了ROCKWELL 1336PLUSⅡ變頻器（該種變頻器為全數(shù)字、交-直-交電壓型、具有組網(wǎng)通訊功能，在控制方式上具有V/F控制和無傳感器矢量控制兩種控制模式），而沒有選用ROCKWELL 1336IMPACT、 1336FORCE磁場定向控制高性能型變頻器。

2）變頻器容量的選擇

    變頻器容量的選擇首先考慮了電機(jī)功率、電機(jī)在正常工頻運行情況下的實際電流大小以及電機(jī)的負(fù)載類型（皮帶給礦機(jī)為恒轉(zhuǎn)距類型負(fù)載，該鼓風(fēng)機(jī)、泥漿泵為風(fēng)機(jī)/泵類型負(fù)載），來作為選擇變頻器的容量的主要依據(jù)。

    同時綜合考慮了變頻器安裝地理位置的海拔高度（該選礦廠海拔1600M），及安裝場所（電磁站內(nèi)）的環(huán)境溫度，以及變頻器為封閉式且采用柜內(nèi)安裝等因素來適當(dāng)放大變頻器的額定容量。

3）變頻器電網(wǎng)側(cè)元件的選擇

    由于變頻器的整流側(cè)使用的可控硅功率器件，故在變頻器的進(jìn)線側(cè)選擇快速熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)。另外，根據(jù)工程現(xiàn)場的供配電情況，在變頻器的進(jìn)線側(cè)都選用了進(jìn)線電抗器。

4）變頻器負(fù)載側(cè)元件的選擇
 
    工業(yè)現(xiàn)場中，變頻器安裝地點一般遠(yuǎn)離電機(jī),即變頻器的出線動力電纜長度較長。本工程中使用的變頻器出線電纜長度大多在100米以上。以豎爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)為例，其變頻器和電機(jī)之間連接的動力電纜長度見表一：

    由于由變頻器給電機(jī)供電時，線電壓為方波而非正弦波，該電壓波形在電動機(jī)終端處疊迭加，稱為反射波現(xiàn)象。該現(xiàn)象在變頻器到電機(jī)之間動力電纜較長時將發(fā)生。反射波現(xiàn)象會降低電機(jī)的絕緣壽命。ROCKWELL變頻器使用外加輸出電抗器或電機(jī)終結(jié)器（Terminiter）電器元件來將反射波電壓限制在電機(jī)絕緣允許的范圍之內(nèi)。對于變頻器出線電纜特別長的情況，可以選用ROCKWELL的長線驅(qū)動器（LLD），其可以允許使變頻器出線電纜長度在1000米之內(nèi)。

    在實際的選型設(shè)計中，綜合考慮了變頻器出線電纜長度、非鎧裝電纜、電機(jī)的絕緣等級等因素，在大多數(shù)變頻器的出線端接入了輸出電抗器，少量變頻器的出線端接入了電機(jī)終接器1204―TFB2。對于變頻器出線電纜特長的情況（如207米），選用了LLD產(chǎn)品。           

5）變頻器一對二電機(jī)傳動方案的設(shè)計

    選礦廠使用的旋流器給礦泵每個生產(chǎn)系列為二泵互備使用生產(chǎn)方式（共7個系列），每臺濃縮機(jī)底流泵亦為二泵互備使用生產(chǎn)方式（共5臺濃縮機(jī)）。考慮到旋流器給礦泵、濃縮機(jī)底流泵功率較大，其拖動電機(jī)單機(jī)功率分別為75KW、115KW。如果對每臺電機(jī)都配置一臺變頻器，則一次性投資較大。另外，從生產(chǎn)工藝上看，這種變頻器與電機(jī)一對一配置方式也不十分必要。故在電機(jī)傳動方案上采用了一臺變頻器分時控制兩臺互備電機(jī)的方案，這里稱“變頻器一對二電機(jī)傳動方案”。 針對本工程，使用此方案可以節(jié)省投資100多萬元。該方案的電氣主回路原理如圖一。從圖中可以看出該方案將電器元件安裝到一個電氣柜中，這里稱“變頻切換柜”，變頻器和電抗器裝到變頻器柜中。在該方案的電氣二次回路設(shè)計上，通過安裝在現(xiàn)場操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)接觸器KM1-KM5的開閉選擇，實現(xiàn)四種電機(jī)控制方式選擇：停機(jī)、非變頻手動控制、變頻手動控制、PLC控制模式。其中電機(jī)非變頻運行控制模式（工頻運行）在手動和PLC控制模式下都可以實現(xiàn)，從而保證在變頻器故障的情況下，電機(jī)能夠繼續(xù)運行。