伍 詟，潘佐云

(柳州鋼鐵股份有限公司中板廠，廣西 柳州， 545002)

·技術(shù)改造·

柳鋼中板廠加熱爐助燃風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改造

伍 詟，潘佐云

(柳州鋼鐵股份有限公司中板廠，廣西 柳州， 545002)

柳鋼中板1#爐助燃風(fēng)機(jī)改造采用西門子G130變頻器做主驅(qū)動(dòng)，索肯-和平軟啟動(dòng)器做備用驅(qū)動(dòng)，既實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約，降低對(duì)電網(wǎng)沖擊；又保證改造過程順利進(jìn)行，縮短改造周期。系統(tǒng)投運(yùn)正常，取得較好的效果。

G130變頻；節(jié)能； 軟啟動(dòng)

0 前言

柳鋼中板廠1#加熱爐助燃風(fēng)機(jī)原電機(jī)為高壓恒速電機(jī)，啟動(dòng)后靠調(diào)節(jié)風(fēng)門開度調(diào)節(jié)輸送風(fēng)量，運(yùn)行能耗大，啟動(dòng)過程對(duì)電網(wǎng)沖擊也大，影響同一電源網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的運(yùn)行。為改善系統(tǒng)性能，降低能耗，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，利用廠內(nèi)現(xiàn)有低壓變頻電機(jī)替代原高壓電機(jī)，同時(shí)采用低壓變頻器作為主要驅(qū)動(dòng)方式，軟啟動(dòng)器作為備用驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。為保證改造后傳動(dòng)系統(tǒng)操作與控制方式與原有2#、3#加熱爐風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)一致，增加設(shè)置PLC子站接入加熱爐區(qū)域GE PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)信號(hào)傳遞。這樣就能保證操作人員操作習(xí)慣不受系統(tǒng)改造影響，縮短系統(tǒng)熟悉過程。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與選型

1.1 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能與啟動(dòng)分析

加熱爐根據(jù)爐溫變化需調(diào)節(jié)助燃風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，調(diào)節(jié)方式有2種：調(diào)節(jié)風(fēng)門開度和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)風(fēng)門開度時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行于工頻轉(zhuǎn)速，通過電磁調(diào)節(jié)閥控制風(fēng)門開度；調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)門全開，通過變頻器控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

風(fēng)機(jī)負(fù)載為二次方負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，輸出功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比。因此，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度時(shí)輸出功率恒定，與工頻轉(zhuǎn)速的三次方成正比；而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)輸出功率隨變頻器輸出頻率變化，與變頻轉(zhuǎn)速的三次方成正比。故變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的輸出功率大大降低，能很好的節(jié)約能源。

式中，Pf為變頻輸出功率；P0為工頻輸出功率；f為變頻輸出頻率，低于50 Hz；f0為工頻，50 Hz；

此外，由于交流電機(jī)啟動(dòng)段機(jī)械特性較軟，電機(jī)直接啟動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的7～14倍。采用軟啟動(dòng)器傳動(dòng)電機(jī)方式，實(shí)質(zhì)是通過工頻降壓方式改變電機(jī)機(jī)械特性，改善電機(jī)啟動(dòng)性能，降低啟動(dòng)電流到2～3倍電機(jī)額定電流。而采用變頻器傳動(dòng)電機(jī)方式，則是采用變頻變壓方式進(jìn)一步改善電機(jī)機(jī)械性能，從而能很好地控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，大大降低啟動(dòng)電流到1～1.5倍電機(jī)額定電流。隨著啟動(dòng)電流的降低，風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響得到減小。

為達(dá)到節(jié)能與降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，正常運(yùn)行時(shí)加熱爐助燃風(fēng)機(jī)采用變頻傳動(dòng)方式，變頻故障，應(yīng)急運(yùn)行時(shí)采用軟啟動(dòng)傳動(dòng)方式，取消電機(jī)直接啟動(dòng)運(yùn)行方式。

1.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)采用1路進(jìn)線，通過接觸器分兩路，選擇接入軟啟動(dòng)器與變頻器主回路進(jìn)線側(cè)，軟啟動(dòng)器與變頻器輸出側(cè)通過接觸器選擇連接電機(jī)定子。軟啟動(dòng)器配置外接旁路接觸器，用于啟動(dòng)完成后短接軟啟動(dòng)器內(nèi)雙向可控硅。變頻器主回路設(shè)置進(jìn)線電抗器，用于提高系統(tǒng)短路電抗，并過濾變頻器電源側(cè)電流諧波。設(shè)置變頻器輸出電抗器，用于過濾變頻輸出諧波，提高變頻驅(qū)動(dòng)能力，延長連接電機(jī)電纜長度。

選用上海索肯和平HP2DN型軟啟動(dòng)器，該軟啟動(dòng)器為基于先進(jìn)的數(shù)字處理器的調(diào)壓、限流式智能電機(jī)軟啟動(dòng)器，能提供完美的控制及保護(hù)功能。

選用西門子G130系列低壓交流變頻器，該系列變頻為西門子SINAMICS系列中面向高端應(yīng)用、大功率交流調(diào)速器。其調(diào)速方式多樣、接口方式靈活、集成功能多樣。變頻器配套1個(gè)控制單元，通過Drive-CliQ通訊連接功率單元與擴(kuò)展模塊，并標(biāo)配有1個(gè)PROFIBUS通訊接口，直接接入PLC系統(tǒng)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞。

設(shè)置1個(gè)VersaMax子站，通過GENIUS冗余網(wǎng)絡(luò)接入加熱爐電控PLC系統(tǒng)。VersaMax子站通過I/O模塊連接軟啟動(dòng)器、變頻器與相關(guān)接觸器、操作元件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與傳遞。

系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 加熱爐助燃風(fēng)機(jī)軟啟-變頻傳動(dòng)系統(tǒng)單線圖Fig.1 The single diagram of soft start and variable frequency drive system of heating furnace combustion fan

1.3 系統(tǒng)功能

軟啟動(dòng)器帶電機(jī)運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)限電流斜坡電壓啟動(dòng)和定時(shí)軟停止功能，變頻器帶電機(jī)運(yùn)行則可實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、停車及以設(shè)定頻率運(yùn)行等功能。軟啟動(dòng)器在電機(jī)啟動(dòng)與旁路運(yùn)行過程提供諸如過壓、過流、過載與缺相等保護(hù)。變頻器帶電機(jī)過載、直流回路欠壓、過壓等保護(hù)功能。

軟啟動(dòng)器與變頻器兩種傳動(dòng)方式可在柜門手動(dòng)選擇，也可由PLC系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行情況自動(dòng)選擇。手動(dòng)方式下，可在操作臺(tái)與柜門實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)、停止功能，也可實(shí)現(xiàn)變頻器啟動(dòng)、停車、升速、降速等功能。自動(dòng)方式下，變頻器正常，則采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓閉環(huán)；變頻器故障，則啟動(dòng)軟啟動(dòng)器，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓閉環(huán)。

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1軟啟動(dòng)器調(diào)試

如圖2所示，軟啟動(dòng)器主回路每相均通過雙向可控硅連接進(jìn)線電源與電機(jī)，通過控制雙向可控硅觸發(fā)角調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)器輸出電壓，輸出頻率為電網(wǎng)頻率。雙向可控硅全開通相當(dāng)于電網(wǎng)電壓直接接到電機(jī)上，為延長可控硅使用壽命，通過外部接觸器短接可控硅兩端實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電機(jī)的連接。

圖2 軟啟動(dòng)器原理圖Fig.2 The soft starter principle diagram

本系統(tǒng)軟啟動(dòng)器采用限電流斜坡升壓方式啟動(dòng)助燃風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)過程限制啟動(dòng)電流為2～4倍電機(jī)額定電流，并在設(shè)定時(shí)間tr內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓斜坡升高至電機(jī)額定電壓。為保證一定時(shí)間內(nèi)電機(jī)順利啟動(dòng)，還需設(shè)置啟動(dòng)初始電壓U0與脈沖電壓時(shí)間tp，用于加大啟動(dòng)初始階段電機(jī)啟動(dòng)力矩，克服靜摩擦轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)過程設(shè)定參數(shù)如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)過程設(shè)置參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of setting parameters in starting process

此外還有軟停止電壓下降時(shí)間td，過壓、過流、欠壓、過載等保護(hù)參數(shù)的設(shè)置。電機(jī)啟動(dòng)過程軟啟動(dòng)器提供限電流保護(hù)，啟動(dòng)完成，投入旁路繼電器，軟啟動(dòng)器根據(jù)檢測的旁路運(yùn)行電流，提供電機(jī)過載保護(hù)。

2.2 變頻器調(diào)試

如圖4所示，SINAMICS G130系列裝機(jī)裝柜變頻器功率單元采用電壓源交-直-交變頻結(jié)構(gòu)，主要組件包括6脈沖晶閘管全控整流橋、電壓源直流環(huán)節(jié)電容器、IGBT逆變橋及直流回路預(yù)充電電路、風(fēng)扇供電與控制等回路。

圖4 G130變頻器功率單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of G130 converter power unit

SINAMICS G130變頻器的通訊、開環(huán)和閉環(huán)控制功能由帶CF卡的CU320-2DP控制單元執(zhí)行。控制單元配置有連接上級(jí)系統(tǒng)Profibus-DP通訊接口、連接功率單元與擴(kuò)展模塊的DRIVE-CLiQ接口、可連接調(diào)試PC的RS232串行接口與以太網(wǎng)接口。同時(shí)，CU320-2DP控制單元既可實(shí)現(xiàn)恒U/f(VVVF)開環(huán)調(diào)速方式，也可以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)矢量控制方式。其涉及的閉環(huán)矢量控制可以采用編碼器實(shí)測速度反饋方式，也可采用無編碼器的計(jì)算速度反饋方式。本系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)變頻，采用VVVF開環(huán)調(diào)速方式即可，預(yù)留無編碼器速度閉環(huán)矢量控制方式作為備選變頻調(diào)速方式。VVVF變頻調(diào)速方式輸出電壓-頻率對(duì)應(yīng)圖如圖5所示，圖中Ue為電機(jī)額定電壓，fe為電機(jī)額定頻率，Ub為啟動(dòng)或加速過程加大轉(zhuǎn)矩的提升電壓。

圖5 VVVF輸出電壓與頻率對(duì)應(yīng)圖Fig.5 The corresponding diagram of VVVF output voltage and frequency

G130變頻器的調(diào)試過程采用STARTER軟件。該軟件可實(shí)現(xiàn)變頻參數(shù)設(shè)置、驅(qū)動(dòng)優(yōu)化、診斷及控制啟停等測試功能。調(diào)試過程依次為：建立通訊-建立項(xiàng)目-設(shè)置電機(jī)參數(shù)-設(shè)置I/O參數(shù)-設(shè)置保護(hù)參數(shù)-傳動(dòng)優(yōu)化-性能調(diào)整。對(duì)于集成有Drive-CLiQ通訊接口的設(shè)備，項(xiàng)目建立期間，STARTER軟件能實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的自動(dòng)配置。對(duì)于變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置，可以通過參數(shù)表的方式進(jìn)行查看、修改，也可以通過如圖6所示的傳動(dòng)導(dǎo)航器(Drive Navigator)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制鏈路的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)定與監(jiān)控，界面友好性很強(qiáng)。

傳動(dòng)優(yōu)化過程包括電機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算、電機(jī)靜態(tài)辨識(shí)與電機(jī)動(dòng)態(tài)辨識(shí)，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并由人工適當(dāng)使用變頻器，變頻器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)額定參數(shù)計(jì)算、等效電路阻抗冷態(tài)測量與傳動(dòng)性能參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。本系統(tǒng)主要采用VVVF調(diào)速方式，只需做自動(dòng)計(jì)算與電機(jī)靜態(tài)辨識(shí)；預(yù)留采用無編碼器速度閉環(huán)矢量控制，則還需做電機(jī)動(dòng)態(tài)辨識(shí)。傳動(dòng)優(yōu)化時(shí)，通過STARTER軟件自帶的控制盤就地控制電機(jī)的啟停；優(yōu)化完成，可切換到I/O或者網(wǎng)絡(luò)控制電機(jī)啟停。

2.3 PLC調(diào)試

本系統(tǒng)PLC利用原有GE公司9030系列PLC，增加了傳動(dòng)子站，修改與增加了相關(guān)操作與控制的功能。程序主要包括軟啟動(dòng)器、變頻器的運(yùn)行與保護(hù)，變頻/軟啟切換操作邏輯，風(fēng)門調(diào)節(jié)/變頻調(diào)節(jié)控制與切換邏輯等。調(diào)試時(shí)，在保證程序能正?？刂栖泦?dòng)器與變頻器的運(yùn)行后，先投內(nèi)控、手動(dòng)，再投入外控、自動(dòng)，對(duì)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)做了保留與調(diào)整。壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure diagram of pressure closed loop adjusting

3 結(jié)論

通過本次改造，實(shí)現(xiàn)了1#加熱爐助燃風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)與變頻器2種方式運(yùn)行，大幅降低風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程電流沖擊。變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn)，能量消耗大大降低，取得較好的效果。

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Improvement on combustion fan drive system of heating furnace in middle plate of Liusteel

WU Zhe,PAN Zuo-yun

(Middle Plate Mill of Liuzhou Iron & Steel Co., Ltd., Liuzhou 545002,China)

This article involves the improvement on combustion fan drive system of No.1 heating furnace in Middle Plate Mill of Liuzhou Iron & Steel Stock Company. The improved system adopts SIEMENS G130 converter as main drive, and uses soft-starter made by SOLCOM & HAPN (ShangHai) Electric Co., Ltd. as spare drive. Thus not only saves the energy, reduces the shocks to electric net, but also ensures the improving process smooth, shortens the period. The improved system has been put into operation normally, the improving result is good.

G130 converter；energy-saving；soft-starter

2016-04-03；

2016-05-28

伍詟(1972-)，工程師，主要從事自動(dòng)化及傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)工作。

TG155

A

1001-196X(2016)04-0090-04