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1 引言

琿春紫金礦業(yè)有限公司系紫金礦業(yè)集團股份有限公司（A股和H股兩地上市公司）的全資子公司，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的迅猛發(fā)展，琿春紫金礦業(yè)已經(jīng)成為紫金礦業(yè)集團的重要利潤增長(cháng)點(diǎn)。2015年營(yíng)業(yè)額10億左右。該礦有三條礦石處理生產(chǎn)線(xiàn)，1條9500t，1條4500t，1條10000t，日處理礦石20000t左右。

砂泵站的配置是2臺355kW泵組，2臺450kW泵組合計四組礦砂泵（1個(gè)機組2臺電機，共計8臺電機），2用2備用。砂泵站的主要目的是將浮選以后的礦漿排到山上的礦漿池，經(jīng)過(guò)沉淀以后清水再流下來(lái)循環(huán)利用，保護環(huán)境。管道長(cháng)500m左右，上下落差100m左右。由于砂漿比較重，距離比較遠，因此單臺水泵的揚程沒(méi)辦法滿(mǎn)足需求，所以現場(chǎng)每一組泵都是2臺相同功率的2臺砂漿泵串聯(lián)。直接連接砂漿池的是前端泵，連接管道直通上山的是后端泵。前端泵為工頻泵，水阻柜啟動(dòng)，后端泵用液力耦合器調速控制流量,啟動(dòng)也是用水阻柜。2臺電機直接和水阻柜連接，軟啟動(dòng)減少沖擊。
2 改造的必要性

液力耦合器在現場(chǎng)使用過(guò)程中，有以下問(wèn)題：第一，電機啟動(dòng)困難，因為砂漿比較重或是砂漿沉淀，造成電機過(guò)載保護，有時(shí)需要3~4次才能徹底啟動(dòng)起來(lái)；第二，液力耦合器故障率高，維護保養費用比較高；第三，液力耦合器調速裝置損壞，無(wú)法實(shí)現調速控制，人工操作調速非常麻煩。該公司領(lǐng)導經(jīng)過(guò)多方考察，比較液力耦合器調速與高壓變頻調速2種高壓電機調速方式，認為：
（1）高壓變頻器調速范圍為0-100%，全速度段調速，而液力耦合器的調速范圍一般為40-95%，而液力耦合器目前已經(jīng)不能調速。
（2）高壓變頻器在整個(gè)調速范圍內都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調速越低時(shí)效率越低，本身帶來(lái)不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
（3）高壓變頻器對電機及負載機械實(shí)現真正的軟啟動(dòng)，如果工藝需要，電機可以在短時(shí)間內多次重復啟動(dòng)，液力耦合器不能解決電機啟動(dòng)問(wèn)題，啟動(dòng)困難，并且不能頻繁啟動(dòng)。
（4）高壓變頻器是高科技產(chǎn)品，可靠性高，基本免維護，萬(wàn)一變頻器故障，電機還可以直接掛電網(wǎng)工頻運行，不會(huì )造成生產(chǎn)損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力耦合器一旦發(fā)生故障，負載機械將無(wú)法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時(shí)間的縮短。

所以變頻調速技術(shù)各方面遠遠高于液力耦合器調速，根據設備現場(chǎng)狀況，變頻調速優(yōu)于其他調速技術(shù)，還有變頻改造已非常普遍，技術(shù)非常成熟。該礦經(jīng)過(guò)招標方式，1#砂漿泵機組高壓變頻設備選取新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-500F型（500kW/10kV）高壓變頻器對砂漿泵站電機進(jìn)行改造，2015年6月15日變頻器一次性投入使用，至今運行正常，改造取得了成功。本文對風(fēng)光牌JD-BP38-500F型高壓變頻器在砂泵站1#砂漿泵的改造情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
3現場(chǎng)1#砂漿泵及電機參數
3.1電機參數如表1所示。
表1  電機參數

3.2砂漿泵參數如表2所示。
表2  渣漿泵參數

4 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻系統技術(shù)特點(diǎn)

新風(fēng)光電子公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。
4.1 JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)指標

JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)指標如表3所示。
表3  JD-BP38-500F 高壓變頻器主要技術(shù)指標

4.2 JD-BP38-500F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)高性能矢量控制，啟動(dòng)轉矩大，轉矩動(dòng)態(tài)響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高了設備運行的平穩性；
(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；
(3)快速飛車(chē)啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；
(4)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(cháng)60s的等待時(shí)間；
(5)星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線(xiàn)電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無(wú)擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿(mǎn)足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動(dòng)的需要；可以實(shí)現大容量電機雙向無(wú)擾動(dòng)投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；
(7)輸出電壓自動(dòng)穩壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線(xiàn)電壓，根據母線(xiàn)電壓調整輸出電壓，從而實(shí)現自動(dòng)穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時(shí)可在運行中對故障單元進(jìn)行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設定可以現場(chǎng)給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數；
(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
5改造系統方案介紹

該礦領(lǐng)導在1#砂漿泵改造中，在處理液力偶合器的問(wèn)題上，考慮到該設備故障率高，決定拆除液力耦合器，將電機前移與泵直接連接。變頻器接入原高壓開(kāi)關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統。為了充分保證系統的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，1#砂漿泵現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現1#砂漿泵在工頻或變頻運行。

通過(guò)目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制2種控制的方式，這2種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器內置PLC，用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS-485)的協(xié)調，并且可以根據用戶(hù)的需要擴展控制開(kāi)關(guān)量，增強了系統的靈活性。
6恒液位控制系統原理、PID設定

由于該公司需要對礦漿池液位進(jìn)行控制，因此采用恒液位閉環(huán)控制，其工作原理框圖如附圖所示，測量元件為超聲波液位計，將它安裝在礦漿池，Vi為需設定液位值，超聲波液位計測量液位V作為輸出量，構成閉環(huán)控制系統。變頻器通過(guò)采集液位計測量V與用戶(hù)給定值Vi進(jìn)行比較和運算，通過(guò)內置PID進(jìn)行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到給定液位的給定值Vi。

附圖 恒液位閉環(huán)控制原理框圖

（1）在PID控制中，P系數加大，可以加快調節速度。但如果過(guò)大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會(huì )使系統的動(dòng)作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.35。
（2）積分I的作用主要是消除系統的靜態(tài)誤差。但過(guò)強的積分作用使閉環(huán)系統超調加大。所以在調節過(guò)程初期，應減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現象；而到過(guò)程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設定為10.0。
風(fēng)光高壓變頻器內置PID功能，其中PID 結構參數具有以下選擇方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用；
1：積分 PID 控制只積分增益起作用；
2：比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用；
3：比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時(shí)起作用。
本變頻器PID結構功能選擇2，比例+積分 PID 控制比例增益和積分增益同時(shí)起作用，完全可以滿(mǎn)足恒液位閉環(huán)控制系統的控制要求，不需要設定微分參數。
7 變頻器調試及運行情況
7.1調試情況

在調試過(guò)程中，要注意以下事項：
（1）高壓變頻器改造控制的是后端泵，后端泵由前端泵是工頻啟動(dòng)被帶著(zhù)轉動(dòng)。因此后端泵使用變頻器啟動(dòng)時(shí)需要使用飛車(chē)啟動(dòng)模式。
（2）停機的時(shí)候由于礦漿后座容易帶著(zhù)水泵反轉，停機模式設為自由停車(chē)。
（3）該1#砂漿泵變頻改造后，頻率一般運行在38Hz-48Hz之間。通過(guò)測試發(fā)現變頻器運行在38Hz以下打不出礦漿，所以我們把最低頻率限制在38Hz。
7.2運行情況

1#砂漿泵變頻節電改造后，2015年6月中旬，正式投入生產(chǎn)，至今運行正常。系統達到了預期的效果：實(shí)施變頻改造后，砂漿泵總用電量有明顯下降，設備實(shí)現了軟起動(dòng)，改善了設備的運行工況，極大地減輕了砂漿泵起動(dòng)時(shí)對供配電系統的沖擊。
為了對比變頻改造節能情況，在相同產(chǎn)量下，對工頻、變頻相應的運行數據進(jìn)行了一周統計，1#砂漿泵的運行數據如表4所示。
表4 1#砂漿泵的運行數據

改造后，1#砂漿泵的節電率為：（320.3-256.3）/320.3=20.0%，該砂漿泵年運行時(shí)間按300天，每天運行24h。按0.5元/kW? h計算，年節省電費：
（320.3-256.3）kW×24h×300d×0.5元/ kW? h =230400元。
除了節能效果顯著(zhù)外，還具有以下效果：
（1）維護量減少。采用變頻調速后，大部分時(shí)間里，泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速。由于泵啟動(dòng)緩慢及轉速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長(cháng)了泵的壽命。
（2）工作強度降低。改造后采用恒液位控制，就不用調節出口閥，操作工作由手動(dòng)轉變?yōu)樽詣?dòng)、監控，完全實(shí)現生產(chǎn)的無(wú)人操作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強度。
（3）現場(chǎng)噪音大大降低，有效改善現場(chǎng)的運行環(huán)境，運行人員反映良好；便于實(shí)現泵機組控制系統自動(dòng)化管理。
8 結束語(yǔ)

琿春紫金礦業(yè)有限公司1#砂漿泵變頻器正式投產(chǎn)以來(lái)，不僅節約了大量電能，降低了運行成本；而且提高了工作運行時(shí)間，為礦業(yè)公司正常生產(chǎn)提供了強有利的保障。在后續的設備改造中，又采購了新風(fēng)光的2臺高壓變頻器。隨著(zhù)國家目前對節能減排工作力度空前加大，市場(chǎng)競爭的加劇，企業(yè)通過(guò)各種方式降本增效，其中變頻調速技術(shù)起到了重要的作用，變頻調速已迎來(lái)成熟發(fā)展時(shí)期。