產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在銅礦砂漿泵上的應用
1 引言
琿春紫金礦業有限公司系紫金礦業集團股份有限公司（A股和H股兩地上市公司）的全資子公司，經過幾年來的迅猛發展，琿春紫金礦業已經成為紫金礦業集團的重要利潤增長點。2015年營業額10億左右。該礦有三條礦石處理生產線，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，經過沉淀以后清水再流下來循環利用，保護環境。管道長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辦法滿足需求，所以現場每一組泵都是2臺相同功率的2臺砂漿泵串聯。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，后端泵用液力耦合器調速控制流量,啟動也是用水阻柜。2臺電機直接和水阻柜連接，軟啟動減少沖擊。
2 改造的必要性
液力耦合器在現場使用過程中，有以下問題：第一，電機啟動困難，因為砂漿比較重或是砂漿沉淀，造成電機過載保護，有時需要3~4次才能徹底啟動起來；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，無法實現調速控制，人工操作調速非常麻煩。該公司領導經過多方考察，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不能調速。
（2）高壓變頻器在整個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效率越低，本身帶來不小的損耗，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現真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動，液力耦合器不能解決電機啟動問題，啟動困難，并且不能頻繁啟動。
（4）高壓變頻器是高科技產品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網工頻運行，不會造成生產損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力耦合器一旦發生故障，負載機械將無法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
所以變頻調速技術各方面遠遠高于液力耦合器調速，根據設備現場狀況，變頻調速優于其他調速技術，還有變頻改造已非常普遍，技術非常成熟。該礦經過招標方式，1#砂漿泵機組高壓變頻設備選取新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38-500F型（500kW/10kV）高壓變頻器對砂漿泵站電機進行改造，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行簡要介紹。
3現場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 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術特點
新風光電子公司是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，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熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
4.1 JD-BP38-500F高壓變頻器技術指標
JD-BP38-500F高壓變頻器技術指標如表3所示。
表3 JD-BP38-500F 高壓變頻器主要技術指標
4.2 JD-BP38-500F高壓變頻器技術特點
具體來說，風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：
(1)高性能矢量控制，啟動轉矩大，轉矩動態響應快，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，采用優越的電流算法，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)快速飛車啟動技術，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行；
(4)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間；
(5)星點漂移技術，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點漂移技術，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無擾切換技術，該技術可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要；可以實現大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產的正常進行；
(7)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，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等通訊協議，頻率設定可以現場給定、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：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，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利技術，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，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電流保護時，可自動復位，繼續運行。
5改造系統方案介紹
該礦領導在1#砂漿泵改造中，在處理液力偶合器的問題上，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關和擬改造電機之間，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，實現1#砂漿泵在工頻或變頻運行。
通過目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。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，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS-485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，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行控制，因此采用恒液位閉環控制，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，構成閉環控制系統。變頻器通過采集液位計測量V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過內置PID進行調整，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。但如果過大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會使系統的動作緩慢。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誤差。但過強的積分作用使閉環系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，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起作用，完全可以滿足恒液位閉環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被帶著轉動。因此后端泵使用變頻器啟動時需要使用飛車啟動模式。
（2）停機的時候由于礦漿后座容易帶著水泵反轉，停機模式設為自由停車。
（3）該1#砂漿泵變頻改造后，頻率一般運行在38Hz-48Hz之間。通過測試發現變頻器運行在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，至今運行正常。系統達到了預期的效果：實施變頻改造后，砂漿泵總用電量有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了砂漿泵起動時對供配電系統的沖擊。
為了對比變頻改造節能情況，在相同產量下，對工頻、變頻相應的運行數據進行了一周統計，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，大部分時間里，泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速。由于泵啟動緩慢及轉速的降低，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，操作工作由手動轉變為自動、監控，完全實現生產的無人操作，大大減輕了工人的勞動強度。
（3）現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，運行人員反映良好；便于實現泵機組控制系統自動化管理。
8 結束語
琿春紫金礦業有限公司1#砂漿泵變頻器正式投產以來，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間，為礦業公司正常生產提供了強有利的保障。在后續的設備改造中，又采購了新風光的2臺高壓變頻器。隨著國家目前對節能減排工作力度空前加大，市場競爭的加劇，企業通過各種方式降本增效，其中變頻調速技術起到了重要的作用，變頻調速已迎來成熟發展時期。
