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【摘 要】本文介绍JTDK-GBP高压变频水泵电控系统的技术原理并通过在洗煤厂清水循环泵系统中的应用，指出该系统方案降低了电耗、节省了电能，并可在调节水压和节能改造方面推广应用。
【关键词】高压变频器；节能；工作原理；技术特点
伴随着国民经济的持续发展，能源问题也日益显现，节能问题愈来愈引起关注。据有关数据统计显示：目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量65％，而其中大功率风机、泵类的年耗电量约占工业总耗电量50％。因此，最大限度降低风机、泵类等设备耗电量，进行节能改造具有现实意义。焦煤九里山矿洗煤厂设计年处理能力为90万吨，采用跳汰—浮选—尾煤压滤的联合工艺流程。近几年来，随着各类设备更新改造，设备处理能力相应增加，年处理能力已达到120万吨以上。在完成生产任务的同时，如何有效的降低能耗成为摆在煤矿企业面前的一个新课题。
一、水泵变频调速节能分析
（1）节能改造前的工况。焦煤九里山矿洗煤厂属于独立电网，两台定制的高压开关柜各独立驱动一台高压电动机，水泵为工频直接启动，以恒速方式供水。操作员根据用水需求，通过调节水泵阀门的开度来实现水量调节。水泵及电动机运行在低效率工作区，造成能源浪费较为严重，同时工频直接启动对电动机和电网冲击都很大，并容易造成电机笼条松动、有开焊断条危险。（2）水泵变频调速节能原理。由流体力学可知：流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的立方成正比，即Q∞n，H∞n2，Ps∞n3。当所需要的流量减少，水泵转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80％，则转速也下降为额定转速的80％，那么水泵的轴功率将下降为额定功率的51.2％；当所需要流量为额定流量的50％时，水泵的轴功率将下降为其额定功率的12.5％。当然转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。依据水泵工作原理与运行曲线，可以得到图1中的100％转速运行曲线，这条曲线配合水泵在不同流量运行时的特性曲线（阻抗曲线），可以得到在未应用变频调速情况下，使用阀门调节控制流量、压力的特性曲线图。从理论上来看，全流量工作时，采用变频器和阀门调节时，输入的功率一致，其功率为AI0K包围的面积，当水泵运行点由A（100％流量）点移动到B点（80％流量）时，如果采用阀门调节控制时，电动机的功率为BH0L包围的面积，但是采用变频器拖动水泵后，因其特性的改变，其输入功率为EJ0L包围的面积，其节能效果为：BHJE包围的面积。因此，就理论上而言，采用变频器改造水泵后，将会取得很好的节能效果。
基于以上分析，焦煤九里山矿决定对洗煤厂清水循环泵系统进行变频调速节能改造，经考察论证，最后选择焦作华飞电子电器股份有限公司型号为JTDK-GBP高压变频水泵电控系统对两台315kW/6kV循环水泵电机进行“一拖一”改造。
二、清水循环泵系统改造方案
对洗煤厂清水循环泵系统的改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最优经济性”原则，此方案的优点是完全保留原有系统配置，在原有线路增加一台馈电开关柜、一台系统切换柜、一台GBP-D-06/031高压变频器和一台TSX调速控制箱，实现新老电控系统各自独立运行，互为备用，并实现本地操作、机旁操作、远程集控三地控制方式。
图2中原有工频系统由两个高压柜组成，每个高压柜内有1个高压隔离开关和1个真空接触器，具有机械互锁和电气互锁，要求不能同时合。进行变频改造后，循环水泵的阀门开度保持全开，基本不需要改变。根据实际所需的水量，由泵房机旁TSX调速控制箱输出2～10V模拟电压信号送给GBP-D-06/031高压变频器，高压变频器通过调节输出频率改变电机的转速，达到调节流量的目的，满足运行工况的要求。当高压变频器需要维护、维修时，配合使用馈电开关柜和系统切换柜，实现变频和工频系统的切换，工频系统完全沿用原有操作方式运行，变频系统完全实现了电气隔离可安全检修。其次，利用GBP-D系列高压变频器强大的通讯功能，通过简单连线和软件设置，可实现在集控中心对清水循环泵系统工况的实时监控。再次，变频改造后电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，没有出现任何冲击电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统、主机及管道的冲击应力，大大降低维护保养费用。
馈电开关柜符合国家标准GB3960《3-35KV交流金属封闭开关设备》及国际标准IEC298的要求，并具有一套完善的性能可靠，功能齐全、结构简单、操作方便的机械式防误闭锁装置，简便而有效的达到两部提出的“五防”闭锁功能。系统切换柜包括变频器隔离开关、工频隔离开关和主电路带电指示器等器件。变频器隔离开关和工频隔离开关为独立操纵机构，两套机构间加装机械互锁，只有工频隔离开关在分闸位置时，允许高压变频器隔离开关合闸，反之亦然。主电路带电指示器用于向操控人员指示主电路带电情况。TSX调速控制箱是焦作华飞电子电器股份有限公司生产具有自主知识产权，具有机旁启停、调速、仪表指示和紧急停止等功能，与GBP-D系列高压变频器配合使用，满足机房机旁控制电动机调速的要求。
三、经济效益
JTDK-GBP高压变频水泵电控系统于2008年5月正式在焦煤九里山矿洗煤厂投运，运行效果良好，达到了改造的目的。根据全国节能计量测试技术服务中心2008年5月29日对JTDK-GBP高压变频水泵电控系统的测试报告，JTDK-GBP高压变频水泵电控系统比原有工频系统用电量降低了34.48％。根据洗煤厂变频改造前的运行记录，清水循环水泵每班工作8小时，耗电为1600KWh，按年工作日为330D，每日工作时间为16H计算，年节电可达：1600×34.48％×2×330≈36.4万度，经济效益十分可观。变频改造以后，循环泵调节阀门一直处于全开状态，对其维护量大大减少。变频启动时电机转速从低速逐渐平稳的升到所需转速，没有任何冲击，电流不会超过额定电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用，延长了电机、水泵寿命。
对焦煤九里山矿洗煤厂清水循环泵系统实施变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量，取得了预期的效果。“十一五”规划中明确提出了要“突出抓好在电厂等行业中的节能工作”及重点工程“电机系统节能在煤炭等行业进行电动机拖动风机、水泵系统优化改造”。JTDK-GBP高压变频水泵电控系统的推广使用对于建设节约型社会具有重大意义。
参 考 文 献
[1]GBP -D系列高压变频器使用说明书．版本V1.1．2009（5）
[2]王方军，胡令芝．高压变频器在电厂循环水泵上的应用[J]．变频器世界．2012（1）
[3]刘洋．变频器与电动机的理论分析及应用效果[J]．企业导报．2009（5）：275
[4]林青友．智能变频调速在供暖空调循环水泵系统中的应用[J]．城市建设理论研究．2011（16）
【关键词】高压变频器；节能；工作原理；技术特点
伴随着国民经济的持续发展，能源问题也日益显现，节能问题愈来愈引起关注。据有关数据统计显示：目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量65％，而其中大功率风机、泵类的年耗电量约占工业总耗电量50％。因此，最大限度降低风机、泵类等设备耗电量，进行节能改造具有现实意义。焦煤九里山矿洗煤厂设计年处理能力为90万吨，采用跳汰—浮选—尾煤压滤的联合工艺流程。近几年来，随着各类设备更新改造，设备处理能力相应增加，年处理能力已达到120万吨以上。在完成生产任务的同时，如何有效的降低能耗成为摆在煤矿企业面前的一个新课题。
一、水泵变频调速节能分析
（1）节能改造前的工况。焦煤九里山矿洗煤厂属于独立电网，两台定制的高压开关柜各独立驱动一台高压电动机，水泵为工频直接启动，以恒速方式供水。操作员根据用水需求，通过调节水泵阀门的开度来实现水量调节。水泵及电动机运行在低效率工作区，造成能源浪费较为严重，同时工频直接启动对电动机和电网冲击都很大，并容易造成电机笼条松动、有开焊断条危险。（2）水泵变频调速节能原理。由流体力学可知：流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的立方成正比，即Q∞n，H∞n2，Ps∞n3。当所需要的流量减少，水泵转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80％，则转速也下降为额定转速的80％，那么水泵的轴功率将下降为额定功率的51.2％；当所需要流量为额定流量的50％时，水泵的轴功率将下降为其额定功率的12.5％。当然转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。依据水泵工作原理与运行曲线，可以得到图1中的100％转速运行曲线，这条曲线配合水泵在不同流量运行时的特性曲线（阻抗曲线），可以得到在未应用变频调速情况下，使用阀门调节控制流量、压力的特性曲线图。从理论上来看，全流量工作时，采用变频器和阀门调节时，输入的功率一致，其功率为AI0K包围的面积，当水泵运行点由A（100％流量）点移动到B点（80％流量）时，如果采用阀门调节控制时，电动机的功率为BH0L包围的面积，但是采用变频器拖动水泵后，因其特性的改变，其输入功率为EJ0L包围的面积，其节能效果为：BHJE包围的面积。因此，就理论上而言，采用变频器改造水泵后，将会取得很好的节能效果。
基于以上分析，焦煤九里山矿决定对洗煤厂清水循环泵系统进行变频调速节能改造，经考察论证，最后选择焦作华飞电子电器股份有限公司型号为JTDK-GBP高压变频水泵电控系统对两台315kW/6kV循环水泵电机进行“一拖一”改造。
二、清水循环泵系统改造方案
对洗煤厂清水循环泵系统的改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最优经济性”原则，此方案的优点是完全保留原有系统配置，在原有线路增加一台馈电开关柜、一台系统切换柜、一台GBP-D-06/031高压变频器和一台TSX调速控制箱，实现新老电控系统各自独立运行，互为备用，并实现本地操作、机旁操作、远程集控三地控制方式。
图2中原有工频系统由两个高压柜组成，每个高压柜内有1个高压隔离开关和1个真空接触器，具有机械互锁和电气互锁，要求不能同时合。进行变频改造后，循环水泵的阀门开度保持全开，基本不需要改变。根据实际所需的水量，由泵房机旁TSX调速控制箱输出2～10V模拟电压信号送给GBP-D-06/031高压变频器，高压变频器通过调节输出频率改变电机的转速，达到调节流量的目的，满足运行工况的要求。当高压变频器需要维护、维修时，配合使用馈电开关柜和系统切换柜，实现变频和工频系统的切换，工频系统完全沿用原有操作方式运行，变频系统完全实现了电气隔离可安全检修。其次，利用GBP-D系列高压变频器强大的通讯功能，通过简单连线和软件设置，可实现在集控中心对清水循环泵系统工况的实时监控。再次，变频改造后电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，没有出现任何冲击电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统、主机及管道的冲击应力，大大降低维护保养费用。
馈电开关柜符合国家标准GB3960《3-35KV交流金属封闭开关设备》及国际标准IEC298的要求，并具有一套完善的性能可靠，功能齐全、结构简单、操作方便的机械式防误闭锁装置，简便而有效的达到两部提出的“五防”闭锁功能。系统切换柜包括变频器隔离开关、工频隔离开关和主电路带电指示器等器件。变频器隔离开关和工频隔离开关为独立操纵机构，两套机构间加装机械互锁，只有工频隔离开关在分闸位置时，允许高压变频器隔离开关合闸，反之亦然。主电路带电指示器用于向操控人员指示主电路带电情况。TSX调速控制箱是焦作华飞电子电器股份有限公司生产具有自主知识产权，具有机旁启停、调速、仪表指示和紧急停止等功能，与GBP-D系列高压变频器配合使用，满足机房机旁控制电动机调速的要求。
三、经济效益
JTDK-GBP高压变频水泵电控系统于2008年5月正式在焦煤九里山矿洗煤厂投运，运行效果良好，达到了改造的目的。根据全国节能计量测试技术服务中心2008年5月29日对JTDK-GBP高压变频水泵电控系统的测试报告，JTDK-GBP高压变频水泵电控系统比原有工频系统用电量降低了34.48％。根据洗煤厂变频改造前的运行记录，清水循环水泵每班工作8小时，耗电为1600KWh，按年工作日为330D，每日工作时间为16H计算，年节电可达：1600×34.48％×2×330≈36.4万度，经济效益十分可观。变频改造以后，循环泵调节阀门一直处于全开状态，对其维护量大大减少。变频启动时电机转速从低速逐渐平稳的升到所需转速，没有任何冲击，电流不会超过额定电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用，延长了电机、水泵寿命。
对焦煤九里山矿洗煤厂清水循环泵系统实施变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量，取得了预期的效果。“十一五”规划中明确提出了要“突出抓好在电厂等行业中的节能工作”及重点工程“电机系统节能在煤炭等行业进行电动机拖动风机、水泵系统优化改造”。JTDK-GBP高压变频水泵电控系统的推广使用对于建设节约型社会具有重大意义。
参 考 文 献
[1]GBP -D系列高压变频器使用说明书．版本V1.1．2009（5）
[2]王方军，胡令芝．高压变频器在电厂循环水泵上的应用[J]．变频器世界．2012（1）
[3]刘洋．变频器与电动机的理论分析及应用效果[J]．企业导报．2009（5）：275
[4]林青友．智能变频调速在供暖空调循环水泵系统中的应用[J]．城市建设理论研究．2011（16）