高壓變頻器在銅礦砂漿泵上的應用（-2）
2016-06-30 17:20:00Application of High Voltage Inverter on Copper Mortar Pump
琿春紫金礦業有限公司 景文起
Jing Wenqi
新風光電子科技股份有限公司 胡令芝 王鵬
Hu Lingzhi Wang Peng
摘 要：本文介紹了風光牌高壓變頻器在琿春紫金礦業有限公司砂漿泵上的應用情況。結果表明，采用高壓變頻器對砂漿泵設備進行調速節能改造，具有良好的經濟效益和社會效益。琿春紫金礦業有限公司 景文起
Jing Wenqi
新風光電子科技股份有限公司 胡令芝 王鵬
Hu Lingzhi Wang Peng
關鍵詞：高壓變頻器 砂漿泵 液力耦合器 節能
Abstract: This paper introduces the Fengguang brand high-voltage inverter in Hunchun Zijin Mining Co., the application of slurry pump. The results show that the high-voltage inverter for slurry pump speed energy-saving equipment, with good economic and social benefits.
Key words: High voltage inverter Slurry pump Energy saving Application
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
2007年9月，風光牌JD-BP38系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，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。
參考文獻
新風光電子使用手冊[Z] 新風光電子科技股份有限公司。
