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基于SINO铁矿项目的高压变频器特殊结构设计

发布日期:2019-07-11   来源:《变频器世界》19-06期   作者:梁静静 郭俊材 王榕   浏览次数:482
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【摘   要】:本文主要介绍了中信重工CHIC2000系列高压变频器基于澳洲标准所做的特殊结构设计,同时阐述了E-house结构设计时所参考的澳洲规范。CHIC2000系列变频器在SINO铁矿已安全运行三年多,节能效果明显,赢得了用户认可。

 

  关键词高压变频器澳洲标准;结构设计;E-house;节能

 

    近年来,矿山企业的建设规模和生产处理能力越来越大,矿石年处理能力达到了3000万吨/年,这预示着矿山设备对电机的驱动性能要求更高更严苛。随着高压变频器在矿山设备技术改造中的广泛应用,其卓越的节能效果,良好的用户界面等诸多优点,被各大企业所认可。目前国内各大矿企陆续对现有的生产线进行了电气改造,半自磨机、球磨机、渣浆泵应用技术已经成熟,节能效果明显。

   相对于工业化国家,我国变频器行业起步较晚,但是其发展势头良好,现在国产变频器性能可以跟国外变频器比肩抗衡,甚至一些国产变频器已经走出国门,被国外客户所认可。国产变频器之所以走出国门的较少,是因为国内外所遵循的电气标准不同,国产变频器需要按照国外电气标准设计制造并取得国外标准机构所认可的证书才能进入国外市场。本文就中信重工出口澳大利亚Sino铁矿项目高压变频器为例进行论述。

1.SINO铁矿项目背景

澳洲矿产资源丰富,近年成为中国企业走出国门、开辟国外资源供应链的主要基地。Sino铁矿项目是我国近年来较大境外矿产资源开发项目之一,此项目是由中信泰富和中冶合作开发采取露天开采形式,规模可达年产铁精矿粉2400万吨。2014年中信泰富与中信重工签订SINO铁矿3-6线电气设备渣浆泵用高压变频电控的技术协议,中信重工向SINO铁矿提供八套CHIC2000-6.6/6.6-2000高压变频器及一套CHIC2000-6.6/6.6-2250高压变频器。

由于最终用户位于澳洲,整电气产品的结构设计都要严格遵循澳洲标准及法规,这对于中信重工的设计人员来说是不小的挑战,由于此项目是中信重工变频器首次出口澳洲,很多设计都是首次尝试,本人就高压变频器以及E-house的结构设计及澳洲标准的执行做阐述。

2.高压变频器的主要结构介绍

SINO铁矿渣浆泵项目采用的是六功率单元串联的交-直-交、高-高压型变频器,由变压器柜、功率柜、电控柜组成。实物如下图1所示。

 

1 变频器现场照片

1)变压器柜。主要组成部分为柜壳和移相变压器,移相变压器将进线高压转变为副边的多组690V低压,副边绕组采用延边三角形接法,每一级移相角为10°,这种多级移相叠加的整流方式可以抑制谐波,大大消除幅值较大的低次谐波电流,改善电网侧的电流波形,使其接近于完美正弦波。

2)功率柜,主要组成部分为柜壳、功率单元及电容单元,其中功率单元采用二极管三相整流桥式,是决定高压变频器性能好坏的关键元件,每一级功率单元相当于一台交-直-交单相低压变频器,以此来实现变压变频的功能。电容单元在高压变频器中也起到了至关重要作用,此项目采用薄膜电容起到滤波和储能的作用。

3)电控柜,主要组成部分为柜壳、低压腔、高压腔,低压腔主要元件为控制机、EXAIO板、EXDO板、EXDI板、多路电源模块等;高压腔主要元件为真空接触器、电流霍尔、电压互感器、避雷器等。

3.高压变频器特殊结构设计

无论整体出口亦或是澳洲用户现场组装的电气产品,在进入澳大利亚境内前,必须要取得澳大利亚国际标准公司所承认的认证。中信重工自主设计的两个系列高压变频器即CHIC2000-6(6.6)/6(6.6)-400~3000及CHIC2000-10(11)/10(11)-400~3000取得了Anbotek检测实验室颁发的RCM认证证书。RCM认证参考的标准为EN 61800-3:2004/A1:2012,其中结构部分设计主要参考标准为EN 61800-5-1:2007。

3.1.柜体设计

    柜体是用来安置元器件,起到支撑与保护的作用。高压变频器的核心电气件,比如变压器和多级功率单元重量较大,加之运输过程中不可控的恶劣因素,所以柜体设计首要考虑的要素就是框架的承载能力,EN 61800-5-1:2007标准中对柜体框架的钢板厚度给出了限定值,如表1所示

 

1柜体框架钢制金属板厚度表

    1中针对柜体的长与宽提供了钢板厚度的最小参考值,其中宽度定义为是外框尺寸中数值较小的那一方。需要认证的两个系列高压变频器,柜体尺寸最大的为变压器柜,其尺寸为2000mmX1400mm,根据表格的定义,1400mm为宽度,2000mm为长度,且柜体设计的有支撑框架,所以按照表中的数值我们选择了2.5mm厚钢板。

3.2.门锁设计

    安全是电气设计的首要因素,高压变频器的变压器柜、功率柜、电控柜的高压腔都是6.6kV高压,一旦触及,对人身伤害不可估量,所以柜门的开闭至关重要。中信重工出口澳洲的高压变频器采用的是国际知名专业开发工业安全联锁公司的产品,此公司的产品均符合欧洲、澳洲及美国安全标准,能最大限度减少和消除工作环境中由于人为误操作所带来的危险。

    安全锁采用的是机械联锁原理,实施步骤如下:在电控柜前门上面安装了一个终端钥匙盒,钥匙盒上面共有六把钥匙,其中五把钥匙依次是用来开闭变压器柜前后门、功率柜前后门、电控柜后门,第六把钥匙是用来开闭上一级开关柜柜门的。只有高压变频器的五把钥匙插入钥匙盒,第六把钥匙才能拔出来去开启上一级开关柜柜门;只有第六把钥匙插入钥匙盒,其余五把钥匙才能从钥匙盒取出来打开高压变频器相应柜门。此安全锁通过简单的连锁机构来最大程度保护操作人员的生命安全。

4.E-house结构设计

    E-house 是根据内部所需安装的设备情况来量身定制的,因此它的结构设计具有很大的灵活多样性。E-house结构设计尺寸的原则是在设备合理布局后且满足安全通道、通风散热及维修空间的前提下越小越好,因为E-house 在制造完成后往往需要长距离运输,包括陆运和海运,再加上现场需要随着开采进度不断移动E-house。

    E-house内部设备布局执行标准为AS/NZS 3000,此为澳大利亚标准协会颁布的电气设备布线规则标准,其中明确规定了电气设备布置时各通道必须满足的最小尺寸,即设备的最大外廓(门打开或者抽出式完全抽出时)与对面的墙或者设备保证有不小于0.6m宽的通道,见图2,这个是E-house设计时非常重要的指标,因此是影响E-house外形尺寸的重要因素。

                                 

2 澳标关于最小通道的说明图

消防安全是E-house设计时必须考虑的因素,对于E-house来说仅有一个进出大门是完全不能满足逃生需求的,至少要有两个门,且出口尺寸宽度要大于0.75m,高度要大于1.98m。总而言之,设计的出发点要落在安全上。图3为国内知名E-house生产商为我单位提供的平面布置图。

 

3 中澳铁矿项目E-house平面布置图

5.高压变频器优势

    中信重工开发的高压变频器具有多项自主知识产权,优点如下:

5.1.利用高性能硬件控制器,结合先进的有速度矢量控制算法,将电机的性能发挥到最佳,达到最优控制。

5.2.具有完善的系统保护机制,针对各类故障分级保护,能达到故障快速定位,真正实现无人值守。高压变频器具有三级保护架构:驱动板级AVC模拟保护、单元板卡级保护、控制机级综合保护;主要保护功能包括:三级欠压、三级过压、缺相、接地、过载、三级过流、瞬间过流、电机三相不平衡、通讯故障、超温、直流母线欠压或过压、接触器故障、给定反馈偏差故障、门开关故障、超速故障等。

5.3.功率单元采用的是具有自主专利技术的插接式结构,整齐的母排式布局取代了凌乱的走线,功率单元平均维护时间小于5分钟。

5.4.直流回路采用的是经过TUV认证的金属薄膜电容器储能,耐过压能力强,能承受大的波纹电流,有自愈性。

6.中信重工高压变频器在SINO铁矿上的应用效果

    CHIC2000磨机系列高压大功率变频器在SINO铁矿渣浆泵上的应用是非常成功的,2016年1月至今,已经安全运行三年多,节能效果明显,故障率低。其应用效果如下:

1)提高电机工作效率。CHIC2000系列高压变频器采用多个功率单元级联结构,有效抑制谐波,可以消除幅值较大的低次谐波电流,改善电网侧的电流波形,减少电机定子转子损耗,降低电机温升,提高了电机工作效率。

2)延长设备使用寿命。变频器的平滑软启功能以及智能识别电机转速的功能,可以大大减小对电网及负载的冲击,延长设备使用寿命,降低设备维修率。

3)系统结构简单,便于维护。功率模块采用模块化、标准化、快速插拔式设计,模块之间可以互换,且模块具有欠压、过压、过流、过载、超温保护功能,当系统发生故障时,可自动切换为工频状态,确保不停机无间断工作,减少因停机带来的巨大损失。

4)电网瞬间闪断不跳闸功能,通过网侧电压和功率单元直流电压对电网闪断情况进行双重判断,采取减速的方式从电机侧获取能量使功率单元直流电压维持正常工作,电网恢复后设备自动恢复到正常状态。

7.结论

本文重点介绍了CHIC2000系列变频器基于澳洲标准所做的特殊结构设计,包括柜体框架钢板厚度以及门锁的特殊选型,以及 E-house结构设计原则在满足消防安全以及不小于0.6m的通道前提下,兼并考虑运输、通风散热、吊装及隔热保温等因素,总而言之电气设备结构设计的出发点首要考虑因素就是安全第一。中信重工自主研发的CHIC2000系列磨机用高压变频器已经在SINO铁矿顺利运行三年多,节能效果明显,用户满意。

 
 
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