第五章  矿山行业

第三节  矿山皮带机变频调速节能改造案例（2）

案例二：

利德华福高压变频器在力拓铁矿石输送带的应用

本文介绍了利德华福公司的HARSVERT-VA系列高压变频器在澳大利亚力拓集团下属Mesa-A露天铁矿的铁矿石输送带的应用。该皮带传动系统主要由2条皮带组成，101皮带采用单电机驱动，102皮带采用双电机驱动，每台电机由1台变频器驱动，102皮带使用一台HARTBC-2转矩协调控制柜对两台变频器进行协调，使两台电机出力实时平衡。现场运行表明，该系统启动平稳，转矩平衡性高。
一. 引言
    在大功率皮带传动场合，以往为了实现皮带的软启动，需要使用液力耦合器或者液力软启动器（CST），这类液力传动设备维护工作量大、能耗高、启动同步困难，已越来越不能满足用户的要求。随着高压变频技术的不断进步和完善，其应用范围越来越广泛。本文介绍了利德华福公司的HARSVERT-VA系列高压变频器在澳大利亚力拓集团下属Mesa-A露天铁矿的铁矿石输送带的应用。该皮带传动系统主要由2条皮带组成，101皮带采用单电机驱动，102皮带采用双电机驱动，每台电机由1台变频器驱动，102皮带使用一台HARTBC-2转矩协调控制柜对两台变频器进行协调，使两台电机出力实时平衡。现场运行表明，该系统启动平稳，转矩平衡性高。

二. 应用现场工艺介绍

 1. 应用现场基本情况
    力拓集团（Rio Tinto Iron Ore）下属Mesa-A露天铁矿地处澳大利亚西北部皮巴拉（Pilbara）地区，位于潘纳旺尼卡（Pannawonica）以西50km处，其设计产能为年产2500万吨铁矿石，设计生产期11年，已于2010年4月正式投产。
  该铁矿的主要输送系统由2条铁矿石输送带组成。如图所示，101皮带主要负责将一级破碎机的出料运送至第2级破碎机的入口，102皮带负责将二级破碎机的出料运送至列车装载台，破碎系统和皮带系统的设计最大产能为每小时5000吨，列车装载系统的设计最大装载能力为每小时7200吨。
  101皮带输送距离较短，提升高度较小，采用单电机驱动；102皮带输送距离较长，提升高度较大，采用双电机驱动。
 
       

   

三. 变频调速系统介绍
    1. 高压变频器的基本配置情况及特点
  根据设计，现场需要使用高压变频器实现皮带系统的软启动和调速运行，要求变频器具有重载启动、主动转矩均衡控制等功能，并要求变频器具有高可靠性和满足澳洲高压电网要求的较低的谐波、无功水平。
  现场选用北京利德华福电气技术有限公司生产的3台HARSVERT-VA系列高压变频器和1台的HARTBC-2转矩协调控制柜，对此皮带传动系统进行控制。
   该系列高压变频器在全球市场已有累积3000余套运行业绩，具有以下特点：
 （1） 采用完美无谐波的单元串联多电平拓扑结构，具有较低的电网电流谐波，满足国外高压电网对电能质量的严酷要求，输出线电压为17电平（现场系统为4级单元串联，5级以上系统具有更高的电平数和更低的谐波含量），无需使用输出滤波器，无需配用变频电机；
 （2） 采用高性能无速度传感器矢量控制方式，能够对电机的磁通和转矩进行精确的解耦控制，能够有效避免负载转矩波动导致的变频器过流故障，配置转矩协调控制柜后能够实现对多电机驱动系统的转矩实时均衡控制；
 （3） 根据用户需要，可配置高达250%的电流及功率过载能力，可驱动电机在各种速度下（含低速）输出同等于电流过载倍数的过载转矩，可满足大惯量系统的重载启动要求；
 （4） 采用单元旁路技术，能够在功率单元故障情况下切除（旁路）该故障单元，将整机的运行可靠性提高2个数量级以上；
 （5） 采用柔性预充电及整流变压器激磁涌流抑制技术，能够避免高压变频器上电过程对电网的冲击；
          

  3. 转矩协调控制方式
  对于102皮带，根据用户要求，采用HARTBC-2转矩协调控制柜配合高压变频器矢量控制系统进行主动式转矩平衡控制，控制系统信号图如下。
    协调控制柜接收来自用户的VFD01和VFD02是否投入运行的指令，可以灵活控制皮带系统由某1台变频器驱动或者由2台变频器共同驱动。
  转矩协调控制柜接收来自用户的给定转速指令和启动/停机指令，以及来自变频器的电机当前转速信号（由变频器的无速度传感器矢量控制算法观测得到），进行闭环控制，得到的转矩给定值，然后通过4 ~ 20 mA模拟量通道将转矩给定指令发送至各变频器。
  每台变频器执行来自协调控制柜的转矩给定指令，由于变频器的矢量控制系统能够在毫秒级的时间内完成转矩的输出调节，因此能够实现每台电机输出转矩的实时平衡。
  当一台高压变频器处于单元旁路状态时，如果此时电机的运行转速较低，则电机运行不受影响；如果此时电机的运行转速较高，则该变频器自动切换至弱磁运行状态，仍然执行来自协调控制柜的转矩给定指令，不影响系统的转矩平衡。
  变频器在单元旁路时向协调控制柜发出单元旁路状态指示信号，协调控制柜收到该信号后主动限制最高转速，将变频器的输出电压（正比于输出频率）限制在单元旁路变频器的最大电压输出能力之内，以防止单元旁路变频器对应的电机处于长期弱磁运行状态。
  各变频器以及协调控制柜通过MODBUS TCP/IP现场工业以太网总线向上级控制器输出各自的运行状态和故障状态。

四. 现场投运情况
  经过现场安装、调试及试运行，该皮带传送系统已于2010年4月正式投入运行。该系统现场运行可靠，加减速过程平稳，负载转矩均衡效果较理想，能够完成满载紧急停车状态下的重载启动，得到了用户的高度认可。
五. 结  论
  本文介绍了利德华福公司的HARSVERT-VA系列高压变频器在澳大利亚力拓Mesa-A露天铁矿的铁矿石输送带的应用，并着重介绍了HARTBC系列转矩协调控制柜控制下的负载转矩平衡控制原理。现场应用表明，该系统具有较高的运行性能和可靠性。