MegaVert高压变频器在大红山铜矿胶带运输机上的应用

MegaVert高压变频器在大红山铜矿胶带运输机上的应用

杨伟生

玉溪矿业有限公司，云南玉溪 653405

摘要：本文首先简述了高压变频技术的发展，然后针对大红山铜矿二选厂7^#胶带高压电机在使用中存在的问题，最后详细的说明了艾默生MegaVert高压变频器的结构原理及安装使用后的效果，旨在说明艾默生MegaVert高压变频器在7^#胶带上的成功应用。

关键词：高压变频器;高压电机;功率单元串联多电平;移相变压器;PWM正弦波

前言

如何做好矿山设备的管理，确保设备的正常运行，节能降耗。在现有的社会发展下，充分利用成熟的科学技术,针对大红山铜矿二选厂7^#运输胶带控制的特点及存在的问题，高压变频器在矿山应用的必要性及实用性。

一、高压变频器的概念及发展

根据低压电器产品电压等级的划分，通常交流为1200V或直流1500V以下的均称为低压，即交流1200V以上的称为高压。随着高压电机（6kV等级或10kV等级）的广泛应用，使其高压驱动技术也应运而生。众所周知，早期的高压电机通常采用直接启动或降压启动方式，很少调速。

高压变频器的出现为高压电机的调速驱动创造了条件。高压变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。

目前，国内市场上的通用的高压变频器大体可以分为：电流源型、功率单元串联多电平型、三电平型三类。其中，功率单元串联多电平型在市场竞争中优势明显，使用也比较多。原因是它采用模块化设计和输入侧加装移相降压变压器的方式，可有效消除对电网的谐波污染，可适用于任何高电压等级的普通电机，可迅速替换故障模块。另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失。

二、二选厂7^#胶带机的使用及存在问题

玉溪矿业有限公司大红山铜矿是一座集铜铁合采选的现代化金属矿山，已有20多年的开采历史。二选厂是大红山铜矿的一个分选厂，2007年7月投产，月处理选矿量为5000吨。二选厂7#胶带是选矿物流运输工艺环节中的一个重要组成部分，承担着中碎机（HP500圆锥破碎机）矿石破碎后的运输。其胶带宽度为1.4米，胶带长度为136米 ,由200kW的6kV高压电机驱动,配液力偶合器传动;该胶带的日运输矿石能力为140吨,是中细碎矿石运输的咽喉设备,出现设备故障将造成中细碎系统停车,影响二选厂产量的完成。该设备在使用过程中，存在着如下三个方面的问题：

（一）由于配液力偶合器传动，该液力偶合器难于维护。

（二）由于采用直接起动，对胶带设备及设施的冲击较大。

（三）胶带正常运行时达不到满负荷（约50%），电机不能调速，耗能较大。

三、MegaVert高压变频器在二选厂7^#胶带上的成功应用

结合前面所述，随着高压变频技术的发展及二选厂7^#胶带运行存在的问题，2011年12月，大红山铜矿对二选厂7^#胶带的驱动方式进行了变频改造，变频器选用国外知名品牌艾默生产品，型号为MegaVert-F0400-06/06，其容量400kVA，电压6kV，可驱动315kW的6kV高压电机。。下面对该变频器的结构原理及使用效果进行说明：

（一）MegaVert高压变频器的结构及工作原理

MegaVert高压变频器外形图如图1所示。

图1 MegaVert高压变频器外形图

该6kV高压变频器主要由移相变压器、15个单相H桥逆变器（三相输入单相输出的功率单元）及控制系统组成。通过把每个功率单元的交流输出串联起来，实现6kV中压输出，并减小了输出电压的谐波。其系统原理框图如图2所示。

图2 系统原理框图

从图2可知，移相变压器用于将一次侧高压变换为各功率单元所需要的多组二次侧电压，同时实现一次侧与二次侧线电压的相位偏移和电气隔离，减小一次侧谐波。移相变压器的二次侧绕组一般采用延边三角形接法，各绕组间有固定的相位差，形成多脉冲整流方式，使变压器二次侧各绕组（即功率单元输入）的谐波电流相互抵消，不反映到一次侧，从而显著改善了网侧的电流波形，消除变频器对电网的谐波污染。

高压变频器的输出侧电压由各功率单元的输出电压串联形成，每个功率单元的输出均为等幅PWM电压波形，各单元输出相互间有确定的相位偏移，串联叠加后在变频器输出侧构成正弦阶梯状PWM波形。这种拓扑又称为串联H桥多电平逆变器，变频器的主拓补如图3所示。

图3 变频器的主拓补图

根据以上主拓补结构图可知，每个功率单元的开关频率可以较低，但变频器输出侧电压的等效开关频率却较高，大大减小了变频器输出的高次谐波。控制系统根据设计的载波PWM 控制算法，适时控制各功率单元的逆变器输出，得到频率和幅值均可调的交流输出电压，实现电动机的变频调速控制。

功率单元在变频器中的位置及连接关系如以上图3 所示。每个功率单元三相输入均为移相变压器副边绕组，每个功率单元的输出均为等幅PWM 电压波形，同一相的5 个功率单元输出之间有确定的相位偏移，串联叠加后在变频器输出侧构成正弦阶梯状PWM 波形。功率单元工作原理如图4所示。

图4 功率单元工作原理图

从图4可知，其原理为功率单元三相交流输入电压经过二极管整流和直流储能电容的滤波，形成稳定的直流电压，输出部分IGBT 逆变桥在主控系统的控制下，输出等幅的SPWM 方波。

（二）MegaVert高压变频器在7^#胶带上的使用

大红山铜矿地处高温环境，年平均气温约35°C；7^#胶带高压电机是二选厂的咽喉设备，连续运行，时间较长，发热量大。为了做好该胶带的变频改造，在设计时除了所选的变频器容量适当增加外，还增加了旁路驱动，以利于7^#胶带的安全可靠运行。其设计原理图如图5。

图5 设计原理图

从图5可知，该原理图是结合现有的工艺环节而进行设计的，容于现在的PLC控制系统，能实现后台电脑操作台上启动，现场控制箱启动和变频器柜的操作面板启动。当变频器正常运行后，在变频器操作面板上能实现各种状态参数的监控；当7^#胶带发生故障时，变频器操作面板上能记录各种故障，帮助技术人员进行故障查询及排除；当变频器出现严重故障不能使用时，也能通过旁路对电机进行控制，不影响生产。

该变频器自2011年底安装好使用后，运行良好，没有出现任何故障。由于7^#胶带采用了高压变频调速，取消了液力偶合器，减少了维护量；同时，也减少了直接启动对该胶带设备设施的冲击，延长了设备的使用寿命；另外由于7^#胶带正常运行时的负荷为50%左右，使用该变频器后，实现了调速，节能量约30%。该变频器是大红山铜矿使用的第一台高压变频器，该变频器的成功使用，推动了高压变频技术的发展，为高压电机的变频改造提供了很好的借鉴作用。

四、结束语

高压变频器的使用在10年前是一片空白,一方面受限于高压变频技术的发展,另一方面因投资大、成本高的制约，相反，低压变频器因成熟的技术和较低的成本在众多企业已得到广泛应用。为了适应社会的发展，在高压电机广泛使用的今天，大力推广高压变频技术，节能降耗，特撰写这篇文章，以飨读者。当然，一方面由于本人水平有限，另一方面由于时间仓促、收集的高压变频资料也不多，文中纰漏难免，敬请广大同行朋友较正。

参考文献

[1]大红山矿机电手册(2009)版,大红山铜矿设备能源部编著.

[2]二选厂系统设计指导书,昆明冶金电力研究设计院编著.

[3] MegaVert高压变频器用户手册,艾默生能源网络有限公司编著.