1 引言

珲春紫金矿业有限公司系紫金矿业集团股份有限公司（A股和H股两地上市公司）的全资子公司，经过几年来的迅猛发展，珲春紫金矿业已经成为紫金矿业集团的重要利润增长点。2015年营业额10亿左右。该矿有三条矿石处理生产线，1条9500t，1条4500t，1条10000t，日处理矿石20000t左右。

砂泵站的配置是2台355kW泵组，2台450kW泵组合计四组矿砂泵（1个机组2台电机，共计8台电机），2用2备用。砂泵站的主要目的是将浮选以后的矿浆排到山上的矿浆池，经过沉淀以后清水再流下来循环利用，保护环境。管道长500m左右，上下落差100m左右。由于砂浆比较重，距离比较远，因此单台水泵的扬程没办法满足需求，所以现场每一组泵都是2台相同功率的2台砂浆泵串联。直接连接砂浆池的是前端泵，连接管道直通上山的是后端泵。前端泵为工频泵，水阻柜启动，后端泵用液力耦合器调速控制流量,启动也是用水阻柜。2台电机直接和水阻柜连接，软启动减少冲击。
2 改造的必要性

液力耦合器在现场使用过程中，有以下问题：第一，电机启动困难，因为砂浆比较重或是砂浆沉淀，造成电机过载保护，有时需要3~4次才能彻底启动起来；第二，液力耦合器故障率高，维护保养费用比较高；第三，液力耦合器调速装置损坏，无法实现调速控制，人工操作调速非常麻烦。该公司领导经过多方考察，比较液力耦合器调速与高压变频调速2种高压电机调速方式，认为：
（1）高压变频器调速范围为0-100%，全速度段调速，而液力耦合器的调速范围一般为40-95%，而液力耦合器目前已经不能调速。
（2）高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%），而液力耦合器在调速越低时效率越低，本身带来不小的损耗，调速的节能效果大打折扣。
（3）高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动，液力耦合器不能解决电机启动问题，启动困难，并且不能频繁启动。
（4）高压变频器是高科技产品，可靠性高，基本免维护，万一变频器故障，电机还可以直接挂电网工频运行，不会造成生产损失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力耦合器一旦发生故障，负载机械将无法运行，只能停机维修。维修工作量大，造成有效工作时间的缩短。

所以变频调速技术各方面远远高于液力耦合器调速，根据设备现场状况，变频调速优于其他调速技术，还有变频改造已非常普遍，技术非常成熟。该矿经过招标方式，1#砂浆泵机组高压变频设备选取开云足球体育（北京）有限公司生产的JD-BP38-500F型（500kW/10kV）高压变频器对砂浆泵站电机进行改造，2015年6月15日变频器一次性投入使用，至今运行正常，改造取得了成功。本文对风光牌JD-BP38-500F型高压变频器在砂泵站1#砂浆泵的改造情况进行简要介绍。
3现场1#砂浆泵及电机参数
3.1电机参数如表1所示。
表1  电机参数

3.2砂浆泵参数如表2所示。
表2  渣浆泵参数

4 风光JD-BP38系列高压变频系统技术特点

新风光电子公司是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度传感器矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。
4.1 JD-BP38-500F高压变频器技术指标

JD-BP38-500F高压变频器技术指标如表3所示。
表3  JD-BP38-500F 高压变频器主要技术指标

4.2 JD-BP38-500F高压变频器技术特点

具体来说，风光高压变频器除具有一般普通高压变频器的性能外，还具有以下突出特点：
(1)高性能矢量控制，启动转矩大，转矩动态响应快，调速精度高，带负载能力强，提高了设备运行的平稳性；
(2)振荡抑制技术，采用优越的电流算法，有效地抑制轻载电机电流的振荡，保证系统稳定可靠的工作；
(3)快速飞车启动技术，特别适用于变频保护后的重新启动，可实现变频器在0.1s之内从保护状态复位重新带载运行；
(4)电网瞬时掉电重启技术，电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长60s的等待时间；
(5)星点漂移技术，检测到单元故障后，可在100us之内将单元旁路，执行星点漂移技术，保持输出线电压平衡，最大程度提高电压利用率；
(6)工、变频无扰切换技术，该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要；可以实现大容量电机双向无扰动投切，能有效保证生产的正常进行；
(7)输出电压自动稳压技术，变频器实时检测各单元母线电压，根据母线电压调整输出电压，从而实现自动稳压功能；
(8)故障单元热复位技术，若单元在运行中故障，且变频器对其旁路继续运行，此时可在运行中对故障单元进行复位，不必等变频器停机；
(9)多种控制方式，可选择本机控制、远控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通讯协议，频率设定可以现场给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能；
(10)单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握；
(11)单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍；
(12)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生；
(13)限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数；
(14)故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。
5改造系统方案介绍

该矿领导在1#砂浆泵改造中，在处理液力偶合器的问题上，考虑到该设备故障率高，决定拆除液力耦合器，将电机前移与泵直接连接。变频器接入原高压开关和拟改造电机之间，变频器控制接入原有的DCS系统。为了充分保证系统的可靠性，变频器加装了工频旁路装置，1#砂浆泵现有的控制设备和运行方式仍将保留，控制回路上设计工频/变频运行切换选择，工/变频选择由人工切换操作，实现1#砂浆泵在工频或变频运行。

通过目前已有的DCS系统可显示变频器的运行数据和当前状态，实时监控系统运行。操作方面，有远程控制和本地控制2种控制的方式，这2种控制方式可提高系统的安全性能。变频器内置PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(如RS-485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。
6恒液位控制系统原理、PID设定

由于该公司需要对矿浆池液位进行控制，因此采用恒液位闭环控制，其工作原理框图如附图所示，测量元件为超声波液位计，将它安装在矿浆池，Vi为需设定液位值，超声波液位计测量液位V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器通过采集液位计测量V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过内置PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到给定液位的给定值Vi。

附图 恒液位闭环控制原理框图

（1）在PID控制中，P系数加大，可以加快调节速度。但如果过大，系统容易因超调而震荡。若P太小，又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正，那么该回路为正作用回路；如果比例系数为负，那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.35。
（2）积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使闭环系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。本变频器I设定为10.0。
风光高压变频器内置PID功能，其中PID 结构参数具有以下选择方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用；
1：积分 PID 控制只积分增益起作用；
2：比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用；
3：比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用。
本变频器PID结构功能选择2，比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用，完全可以满足恒液位闭环控制系统的控制要求，不需要设定微分参数。
7 变频器调试及运行情况
7.1调试情况

在调试过程中，要注意以下事项：
（1）高压变频器改造控制的是后端泵，后端泵由前端泵是工频启动被带着转动。因此后端泵使用变频器启动时需要使用飞车启动模式。
（2）停机的时候由于矿浆后座容易带着水泵反转，停机模式设为自由停车。
（3）该1#砂浆泵变频改造后，频率一般运行在38Hz-48Hz之间。通过测试发现变频器运行在38Hz以下打不出矿浆，所以我们把最低频率限制在38Hz。
7.2运行情况

1#砂浆泵变频节电改造后，2015年6月中旬，正式投入生产，至今运行正常。系统达到了预期的效果：实施变频改造后，砂浆泵总用电量有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了砂浆泵起动时对供配电系统的冲击。
为了对比变频改造节能情况，在相同产量下，对工频、变频相应的运行数据进行了一周统计，1#砂浆泵的运行数据如表4所示。
表4 1#砂浆泵的运行数据

改造后，1#砂浆泵的节电率为：（320.3-256.3）/320.3=20.0%，该砂浆泵年运行时间按300天，每天运行24h。按0.5元/kW• h计算，年节省电费：
（320.3-256.3）kW×24h×300d×0.5元/ kW• h =230400元。
除了节能效果显著外，还具有以下效果：
（1）维护量减少。采用变频调速后，大部分时间里，泵的运行转速大大低于泵的额定转速。由于泵启动缓慢及转速的降低，减少了泵的零部件密封、轴承的磨损，相应地延长了泵的寿命。
（2）工作强度降低。改造后采用恒液位控制，就不用调节出口阀，操作工作由手动转变为自动、监控，完全实现生产的无人操作，大大减轻了工人的劳动强度。
（3）现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，运行人员反映良好；便于实现泵机组控制系统自动化管理。
8 结束语

珲春紫金矿业有限公司1#砂浆泵变频器正式投产以来，不仅节约了大量电能，降低了运行成本；而且提高了工作运行时间，为矿业公司正常生产提供了强有利的保障。在后续的设备改造中，又采购了新风光的2台高压变频器。随着国家目前对节能减排工作力度空前加大，市场竞争的加剧，企业通过各种方式降本增效，其中变频调速技术起到了重要的作用，变频调速已迎来成熟发展时期。