[論文摘要]由于礦山排廢系統——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場的生產工藝需求和達到為企業節能降耗的目的。 [關鍵詞]礦山排廢系統　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有限公司的四套LGSB水隔離漿體泵排廢系統，每套處理系統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，即使原設計的“開三備一”的規劃也滿足不了生產需要，經常面臨減產甚至停產的窘迫局面。為了改變這種不利局面，該公司領導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提供高壓水的方案：即能保證生產，又便于檢修；當其中一套處理系統需要檢修時，通過采用變頻器拖動來降低水泵的轉速，從而達到降低水壓、減少流量和節省能量需求的目的。經過多次深入對多家高壓變頻器生產廠商的考察和論證，該公司決定采用北京合康億盛科技有限公司自主開發、生產的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，而因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。HIVERT變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，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、免維護等優點。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，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。 　　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疊波得到。如額定輸出690VAC功率單元五個串聯時產生3450V相電壓，相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。 　　圖三為五個690VAC功率單元串聯時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯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節電容充電，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制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態，當Q1和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為1；當Q2和Q3導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為-1；當Q1和Q2或者Q3和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為0。輸出電壓波形見圖五所示。 　　功率單元具有單元旁路功能。當某個單元發生熔斷器故障、過熱和IGBT故障而不能繼續工作時，該單元及其另外兩相相應位置上的單元將自動旁路，此時Q1～Q4封鎖輸出，可控硅K導通，以保證變頻器連續工作，并發出旁路告警。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，實現無擾動自動旁路。 3 控制系統 　　控制系統由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板，PLC和工控機組成，各部分之間的聯系如圖七所示。 　　光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發出脈寬調制（PWM）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。 　　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、濾波和量程轉換。轉換后的信號用于變頻器控制、保護，以及提供給工控機數據采集板。 　　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生脈寬調制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與工控機交換數據，提供變頻器的狀態參數，并接受來自工控機的參數設置。 　　工控機為用戶提供友好的全中文WINNT監控和操作界面，負責數據采集、信息處理和與外部的通訊聯系，可選上位監控而實現變頻器的網絡化控制。通過32通道高速數據采集卡采集來自信號板的模擬信號，計算出電流、電壓、功率、功率因數等運行參數，提供表計功能和示波形功能，并實現對電機的過載、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，實時監控變頻器系統的狀態。 　　PLC用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。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場的流量、壓力等模擬信號或模擬設置時的設置信號；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、研制和生產的多單元串聯電壓源型高壓變頻調速裝置，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單元結構，其性能有如下特點： ·電網電壓適應范圍廣，能夠滿足＋10％～－20％電壓范圍而滿載運行； ·控制電源雙系統供電，確保產品安全可靠性； ·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； ·內置PID，AVR功能； ·輸入、輸出接口數量多，控制方式靈活； ·標準通信協議，便于用戶集中控制； ·波形完美，功率因數高； ·無須更換用戶普通電動機，也不必降容使用； ·并可根據用戶要求做特殊設計。 四、HIVERT高壓變頻器在礦山排廢系統上的應用 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過破碎，體積小的顆粒進入球磨機，再經過螺旋分級機、細篩機、磁選和過濾機設備等，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，經過砂泵站的水隔離設備排到即不污染環境又能在將來將尾礦回收利用的儲存地點。鐵礦生產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（實際上是鐵礦生產的廢料，但仍含有其它目前技術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為水隔離罐設備，為排廢的主要生產設備；上部為清水，下部為漿狀尾礦，兩種介質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，敘述一下生產過程：啟動水泵電機，液壓閥1開啟，水泵向水隔離罐內輸入清水，水隔離罐內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關閉，逆止閥8打開，尾礦經由逆止閥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關閉，延遲1～3秒后液壓閥2開啟，濃縮池內的尾礦因高差經逆止閥7流向水隔離罐，同時閥體上部的清水經由液壓閥2被排出罐體，流回到清水池循環利用，這時一個做功周期結束。 　　每套尾礦處理系統有三臺這種、并且相互獨立做功的水隔離罐設備；