</a><中壓變頻器" title="中壓變頻器">中壓變頻器" title="中壓變頻器">中壓變頻器在宣鋼煉鋼廠一次除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，采用中壓變頻器對(duì)轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能獲得成功，節(jié)能效果明顯。
[關(guān)鍵詞]：中壓變頻器;整流器;網(wǎng)絡(luò)通信
[Abstract]: This article introduces the application of the siemens simovert MV middle voltage inverter in the air blower of Xuanhua Steel. The running result indicates that the adoption of middle voltage inverter to air blower is successful and the effect of saving energy is distinct.
[Key Words]: Middle Voltage Inverter; rectifiers; net communication
一、概述
　　隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、工作效率等方面是以往的交流調(diào)速方式無法比擬的，并且在節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面發(fā)揮了巨大作用。
　　轉(zhuǎn)爐煉鋼具有顯著的的周期性和連續(xù)性特點(diǎn)，生產(chǎn)一爐鋼需要30-45min，其中供氧（吹煉）過程為15-20min，一半以上為非吹煉時(shí)間，此時(shí)風(fēng)機(jī)沒有必要高速運(yùn)行，如將其切換至低速節(jié)能狀態(tài)，可節(jié)省大量能源，同時(shí)減少設(shè)備損耗，對(duì)提高設(shè)備利用率也十分有益。目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐一次除塵多采用液力耦合器，但由于存在轉(zhuǎn)差損耗等，節(jié)能效果不理想，且設(shè)備故障率較高。交流變頻技術(shù)是電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它不僅調(diào)速曲線平滑，調(diào)速范圍廣，效益高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果好，對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備而言是最佳的節(jié)能手段，平均節(jié)能效果可以達(dá)到30%以上。但是在大功率電機(jī)上尚未得到推廣。究其原因，主要有二：一是大功率電動(dòng)機(jī)供電電壓高（3～10 kV），而目前變頻器開關(guān)器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題;二是高壓大容量變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、維護(hù)難度大、造價(jià)高，而負(fù)載多數(shù)情況下都是直接關(guān)系生產(chǎn)、生活的重要設(shè)備，大多數(shù)用戶對(duì)它的性能和可靠性心存疑慮，不敢大膽采用。
　　我廠通過對(duì)多家單位實(shí)際應(yīng)用效果的多方考察，選用了西門子Simovert MV中壓變頻器。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
　　西門子SIMOVERT MV中壓變頻頻器擁有以下顯著特點(diǎn):
　　（1）、SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統(tǒng)的交—直—交變頻器結(jié)構(gòu)，整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊，使得串聯(lián)器件數(shù)減少為12個(gè)，隨著元件數(shù)量的減少，成本降低，方案變得簡(jiǎn)潔，有助于提高可靠性。良好的輸入輸出波形;滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)，效率高，使用簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備較強(qiáng)的過載能力。
　　（2）、SIMOVERT MV系列變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列變頻器的輸出側(cè)需要配置輸出濾波器，以獲得具有低諧波分量的基本正弦電流特性以及較佳的轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)電機(jī)的損耗可以降到最低。另外HV—IGBT優(yōu)點(diǎn)是每次通斷電的瞬間電流和電壓可以完全控制，dV/dt可以調(diào)節(jié)，從而減輕對(duì)電機(jī)絕緣的損壞。
　　（3）、系統(tǒng)提供多種控制模式，包括線性V/F控制，平方V/F控制，可編程多點(diǎn)設(shè)定V/F控制，磁通電流控制，無測(cè)速矢量控制，閉環(huán)矢量控制等。通過速度反饋選板可構(gòu)成帶反饋的矢量控制閉環(huán)，從而可大大提高除塵系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。
　　（4）、當(dāng)該變頻器工作于限流狀態(tài)時(shí)，不受輸出短路的影響，這就避免了當(dāng)發(fā)生電機(jī)或電纜短路等故障時(shí)，造成變頻器功率元件損壞的現(xiàn)象。
　　（5）、高性能及成熟的全數(shù)字化SIMADYN D控制系統(tǒng)可用作開環(huán)控制和閉環(huán)控制平臺(tái)，它具有靈活的標(biāo)準(zhǔn)軟件，速度極快的全數(shù)字化32位信號(hào)處理器，便于操控和觀測(cè)的良好用戶界面，本地診斷程序以及通過調(diào)制解調(diào)器的遠(yuǎn)程診斷功能。SIMVOERT MV模塊化設(shè)計(jì)不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強(qiáng)了系統(tǒng)的維修便利性，因而提高了系統(tǒng)的可利用率:運(yùn)行的情況下風(fēng)扇在半小時(shí)內(nèi)完成更換。不必使用特殊工具，只需5min完成IGBT功率模塊的更換工作，光纖觸發(fā)裝置UEL采用可插式結(jié)構(gòu)。SIMADYND控制板以及供選用的調(diào)制解調(diào)器接口卡也都是插入式。模塊錯(cuò)誤信息的時(shí)序記憶功能可迅速排除整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障，例如:斷路器、電網(wǎng)欠電壓或過電壓、變壓器監(jiān)測(cè)、風(fēng)扇故障、電機(jī)監(jiān)測(cè)，IGBT監(jiān)測(cè)、直流環(huán)節(jié)電壓、接地故障監(jiān)測(cè)、輔助電壓監(jiān)測(cè)。
　　（6）、該變頻器具有強(qiáng)大的通信功能，在風(fēng)機(jī)除塵工藝系統(tǒng)中，爐前工藝吹煉狀態(tài)識(shí)別可通過PLC方便實(shí)現(xiàn)。由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，該變頻器與上位PLC系統(tǒng)之間只需通過Profibus通信模塊和一根通信電纜實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，減少了操作臺(tái)及控制臺(tái)之間大量的電纜連接及因此帶來的諸多問題。
三、工藝特點(diǎn)
　　煉鋼的工藝過程以及風(fēng)機(jī)特性是我們選擇中壓變頻器的主要原因。
　　煉鋼廠氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，在吹煉過程中產(chǎn)生大量的煙氣，用風(fēng)機(jī)抽取煙氣經(jīng)一文、二文水過濾除塵。大部分國(guó)內(nèi)廠家采用液力耦合器，降低電能消耗，但效果不佳;如果采用中壓變頻調(diào)速，通過網(wǎng)絡(luò)通信，及時(shí)判斷爐前吹煉狀態(tài)，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量，這不但方便有效，還可節(jié)省大量的電能。
　　從風(fēng)機(jī)的工作特性來看，調(diào)速控制與風(fēng)門控制調(diào)節(jié)風(fēng)量比較，有著更高的節(jié)能效果，通過圖1風(fēng)機(jī)的特性曲線可以說明其節(jié)能原理。圖中，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速（n1）下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門開度全開）。設(shè)工作點(diǎn)為A，輸出風(fēng)量Q1為100%，此時(shí)風(fēng)機(jī)軸功率N1與Q1H1的乘積面積AH1OQ1成正比。
　　根據(jù)工藝要求，風(fēng)量需從Q1降至Q2，有兩種控制方法：一是風(fēng)門控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)風(fēng)門（開度減小），即增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變?yōu)榍€3，系統(tǒng)工作點(diǎn)由A移到B。由圖可見，風(fēng)壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比，減少不多。

　　另一種是調(diào)速控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，如曲線4，工作點(diǎn)由原來的A點(diǎn)移到C點(diǎn)。可見在相同風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比，顯著減少，節(jié)省的功率損耗ΔN與Q2ΔH的乘積面積成正比，節(jié)能效果是十分明顯的。
　　由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其功率低很多。例如，風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%，軸功率將下降到額定功率的51%。如果風(fēng)量下降到50%，功率將下降到額定功率的12.5%。考慮到附加控制裝置效率的影響，這個(gè)節(jié)電效果也是很可觀的。
四、系統(tǒng)調(diào)試過程中的問題
　　風(fēng)機(jī)在起動(dòng)過程中，其阻力矩隨著轉(zhuǎn)速的上升而迅速上升的。當(dāng)起動(dòng)完畢后，阻力矩達(dá)（0.6～0.9）Me，而轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)起動(dòng)初期，由于滑動(dòng)軸承中的油膜尚未形成，呈現(xiàn)的靜摩擦阻力矩較動(dòng)摩擦阻力矩大，并且運(yùn)行環(huán)境中，CO等氣體殘污粘結(jié)，也影響了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于風(fēng)機(jī)是單吸雙支撐結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)時(shí)軸向力較大，在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)很難快速啟動(dòng)，有時(shí)過流30%可持續(xù)10s以上，因此時(shí)常造成變頻器過負(fù)荷保護(hù)性停機(jī)。針對(duì)這一狀況，我們做了以下調(diào)整：
　　（1）、增加啟動(dòng)時(shí)間，減少啟動(dòng)負(fù)荷。啟機(jī)一般都在轉(zhuǎn)爐吹煉之前，此時(shí)管路內(nèi)的空氣為冷態(tài)（冷態(tài)空氣密度比熱態(tài)空氣密度要大），達(dá)到相同出口風(fēng)量時(shí)，勢(shì)必會(huì)多做功，系統(tǒng)負(fù)荷加重。為減少風(fēng)量，我們將機(jī)前調(diào)節(jié)閥開度打到允許范圍內(nèi)的最小程度，約10°，轉(zhuǎn)爐二文喉口調(diào)節(jié)閥設(shè)定為12°。整個(gè)啟動(dòng)過程中風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量可控制在20000m3/h以內(nèi)。
　　（2）、由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)工況比較特殊，在此期間會(huì)發(fā)生短時(shí)電流超過額定電流1.3倍左右（額定電流：175A，峰值電流：210A）。經(jīng)過我們多方查證，認(rèn)為這是變頻器允許的。變頻器對(duì)短時(shí)過電流的保持時(shí)間可做調(diào)節(jié)，最大值為30s，我們經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，12s完全滿足了我們的需要。
　　（3）、由于我廠的高壓電網(wǎng)時(shí)常產(chǎn)生波動(dòng) ，使得變頻器經(jīng)常出現(xiàn)35KV過電壓故障，需進(jìn)行內(nèi)部復(fù)位，后來將變頻器輸入電壓范圍由原來的±5%改為±10%后故障消除。
　　（4）、由于PLC系統(tǒng)選用的是AB公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，而變頻器選用的是西門子廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。在投產(chǎn)初期，經(jīng)常出現(xiàn)通信連接不上等問題，這就使得變頻器必須直接從操作臺(tái)上取風(fēng)機(jī)的高/低速開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的高/低速轉(zhuǎn)換控制。由于這樣操作工相當(dāng)于手動(dòng)控制，而且還必須由爐前操作工通知當(dāng)前轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)狀態(tài)才能進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)高/低速轉(zhuǎn)換動(dòng)作，給生產(chǎn)帶來了很大的不便。針對(duì)這一問題，我們購買了一塊第三方SST-PFB-CLX模塊，通過對(duì)該模塊的配置，建立了以SST-PFB-CLX模塊為主站，變頻器為從站的通信模式，這樣相應(yīng)的就在原來的控制程序中添加了通信程序，PLC將采集到的信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部處理后向變頻器發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令，變頻器經(jīng)過處理實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高/低速調(diào)速過程，從而完成了西門子變頻器與A-B PLC之間的通信，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)隨轉(zhuǎn)爐兌鐵和出鋼完畢的高低速自動(dòng)轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程無需人工干預(yù)，不僅降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也為后來的轉(zhuǎn)爐煤氣自動(dòng)回收提供了條件。
　　從投產(chǎn)后的應(yīng)用效果來看，變頻器限制了起動(dòng)電流，減少起動(dòng)時(shí)的峰值功率損耗;改善電網(wǎng)功率因數(shù)，變頻器使系統(tǒng)功率因數(shù)保持在0.95以上;消除電動(dòng)機(jī)啟停時(shí)機(jī)械的沖擊，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)使用壽命，減少維護(hù)量;系統(tǒng)壓力降低，緩解管道的壓力和密封等條件，延長(zhǎng)使用壽命;電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，潤(rùn)滑條件、傳動(dòng)裝置的故障率都得以下降。
五、效益分析：
　　吹煉時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為1000r/min，電機(jī)電流平均值I1=100A。
　　非吹煉時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為600r/min，電機(jī)電流平均值I2=40A。
　　風(fēng)機(jī)每年運(yùn)行時(shí)間按330天計(jì)算。
　　連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，每爐吹煉周期35min，其中17min為吹煉時(shí)間，18min為等待時(shí)間。一臺(tái)轉(zhuǎn)爐每天平均生產(chǎn)40爐鋼，則
　　每天吹煉時(shí)間t1： 40×（17÷60）=11.3小時(shí)
　　每天非吹煉時(shí)間t2：24-11.3=12.7小時(shí)
　　風(fēng)機(jī)高速時(shí)（吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率：
　　P1=√3×Ue×I1× CosΦ=√3×4000×100×0.86=596KW
　　風(fēng)機(jī)低速時(shí)（非吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率：
　　P2=√3×Ue×I2×CosΦ=√3×2400×40×0.86=143KW
　　全天用電量計(jì)算：
　　W1=P1×t1+P2×t2=596×11.3+143×12.7=8551 KWh
　　不采用變頻器，用電量與風(fēng)機(jī)始終高速運(yùn)行相差無幾，為
　　W1=P1×（t1+t2）=596×24= 14304 KWh
　　一臺(tái)風(fēng)機(jī)一年節(jié)省的電能（每度電0.4元）：
　　330×（14304-8551）×0.4=75.9萬元
　　從上面的計(jì)算可以看出，采用變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)調(diào)速，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
六、結(jié)束語
　　轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)投入變頻器后實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的高低速自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程，由于中壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統(tǒng)故障率降低，明顯減少了轉(zhuǎn)爐停吹的次數(shù)，與國(guó)內(nèi)同類型鋼廠比較，采用變頻器進(jìn)行調(diào)速的鋼廠較未采用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速的鋼廠由于風(fēng)機(jī)原因的減產(chǎn)大減少，這在很大程度上說明將變頻器應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價(jià)值。