高爐助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)電氣控制研究與應(yīng)用

牛銳

（河北鋼鐵集團(tuán)承德分公司煉鐵廠，河北 承德 067001）

河北鋼鐵集團(tuán)承德公司煉鐵廠高爐高爐助燃風(fēng)機(jī)共有4臺水泵電機(jī)（450 kW，10kV），該電機(jī)原設(shè)計的啟動方式為直接啟動方式。而目前煉鐵廠的生產(chǎn)和工藝要求每天每臺電機(jī)至少要啟動八次至九次，并且每次的啟動電流都在6.3倍左右（現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)），這樣頻繁的啟動致使電機(jī)燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生；從燒毀電機(jī)的解體狀況來看，燒毀的部分都在定子繞組與電機(jī)引出線的接點(diǎn)處或繞組與繞組之間的連接橋處。該設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)利用電子開關(guān)柜控制，由于電子開關(guān)柜設(shè)備已運(yùn)用多年，設(shè)備老化，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，特別是電子開關(guān)柜抽屜的插頭和插座的配合，由于頻繁插拔，損壞比較快，由此而造成的生產(chǎn)停機(jī)時間較長，增加了生產(chǎn)的成本，而且增加了職工的勞動強(qiáng)度。因此可以判斷出直接啟動是電機(jī)燒毀的主要原因之一。

為解決以上問題，特別是要面對產(chǎn)量不斷增加的要求，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和工藝要求決定對電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高收集設(shè)備的生產(chǎn)效率，適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

1 設(shè)計方案

針對驅(qū)動方式、啟制動時間、電機(jī)正反轉(zhuǎn)速度、工作效率以及雙機(jī)熱備等作了充分的考慮，具體方案是：

（1）淘汰原有傳動方式，改用變頻器控制運(yùn)行，使電機(jī)運(yùn)行速度可調(diào)，啟制動時間可調(diào)，減小對機(jī)械和電氣設(shè)備的沖擊。為了提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，我們采取了雙機(jī)熱備的形式，只要變頻器發(fā)生問題，值班人員可以把變頻器切除，投入接觸器運(yùn)行，以保證卷取控制系統(tǒng)盡快恢復(fù)生產(chǎn)。

（2）通過接觸器控制和開關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)在線熱備，兩套系統(tǒng)的切換速度小于1.5分鐘。把對熱線生產(chǎn)時間的延誤盡可能減到最小。

（3）控制信號進(jìn)入PLC,其信號連鎖由PLC處理，去掉110V電源，并把24V和220V線路分開使用，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性，并作操作臺和系統(tǒng)控制室之間的連鎖，提高操作人員的操作安全系數(shù)。

（4）對油泵電機(jī)進(jìn)行變頻改造，可以起到節(jié)能的目的。由于節(jié)能主要與軋制工藝過程相關(guān)，做出一個準(zhǔn)確的計算比較困難，一般來說，經(jīng)過改造油泵電機(jī)可以節(jié)能在30%～50%之間。

2 電機(jī)參數(shù)測試

圖1所示電機(jī)運(yùn)行過程中電流實(shí)測曲線，可見工作過程中，電流除了隨傾動角度的變化而變化以外，在各起制動及速度變化時間點(diǎn)會出現(xiàn)明顯的沖擊尖峰現(xiàn)象，并且沖擊過程中電流的波動幅度遠(yuǎn)大于穩(wěn)定運(yùn)行時的電流值，顯然，電流最大值為沖擊時電流峰值。通過比較發(fā)現(xiàn)，出渣時電流的峰值最大，且四臺電機(jī)的峰值電 流 分 別 為 ：235.8A、204.8A、218.3A、206.8A。

3 改造措施

3.1 變頻器閉環(huán)控制改造

圖1 電機(jī)電流實(shí)測曲線

變頻控制系統(tǒng)原設(shè)計僅有變頻器電流內(nèi)反饋閉環(huán)控制，電機(jī)抗擾穩(wěn)速性能差，是減速機(jī)產(chǎn)生劇烈晃動的原因之一。國內(nèi)同行如天鐵集團(tuán)采用的是帶編碼器速度反饋的速度閉環(huán)控制，其每臺電機(jī)通過編碼器將速度反饋給變頻器，當(dāng)負(fù)載變化影響電機(jī)轉(zhuǎn)速時，變頻器能夠很好的調(diào)整輸出，保持電機(jī)恒速，使電機(jī)具有良好的抗擾穩(wěn)速性能。但目前我廠的現(xiàn)狀是，電機(jī)未設(shè)計編碼器接手，安裝編碼器必須全部更換新電機(jī)，而且型鋼煉鋼廠建設(shè)時未嚴(yán)格按照變頻器EMC導(dǎo)則進(jìn)行設(shè)計施工，電機(jī)距變頻器距離長，信號線、電機(jī)線混放且接地系統(tǒng)不完善，改造使用編碼器速度反饋可能存在強(qiáng)烈的信號干擾，埋有更大的事故隱患，因此采用待編碼器反饋的速度閉環(huán)控制不適合在我廠應(yīng)用。經(jīng)過反復(fù)研究變頻器功能圖，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測，在輸出頻率5Hz以上時變頻器內(nèi)部檢測的速度反饋值與實(shí)際電機(jī)速度差別不大，完全可以用變頻器自身檢測的速度反饋代替編碼器速度反饋，實(shí)現(xiàn)速度內(nèi)反饋閉環(huán)控制。因現(xiàn)場基本用不到5Hz以下的運(yùn)行頻率，速度內(nèi)反饋閉環(huán)控制完全可以代替速度外反饋閉環(huán)控制，且實(shí)際應(yīng)用效果良好。

3.2 西門子矢量型變頻器初始化參數(shù)優(yōu)化

要消除高速制動，首先必須將保證電機(jī)速度減速至接近零速時控制抱閘抱死，同時還必須避免減速時間過長導(dǎo)致爐子停不住產(chǎn)生下滑現(xiàn)象。研究變頻器矢量大全中關(guān)于減速功能方面的參數(shù)設(shè)置，P464減速時間的設(shè)置對減速快慢起決定性作用。但在實(shí)際調(diào)試過程中，無論如何修改減速時間的大小，實(shí)際減速時變頻器并未按設(shè)定曲線減速，而像是自由停車，即系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的減速時間。經(jīng)過系統(tǒng)排查分析，我們?nèi)藶樽冾l器本身不存在硬件問題，變頻器減速時間不起作用的原因應(yīng)該與變頻器初始化參數(shù)設(shè)置不正確有關(guān)。因此利用定修的機(jī)會，我們將四臺電機(jī)全部脫開，重新做了電機(jī)自學(xué)習(xí)，對變頻器初始化參數(shù)進(jìn)行了重新優(yōu)化。電機(jī)辨識及優(yōu)化功能全部實(shí)現(xiàn)后，將電機(jī)連接上減速機(jī)，帶負(fù)載進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果顯示，變頻器可以正常按設(shè)定減速曲線減速，功能良好。經(jīng)過反復(fù)試驗，將變頻器P464減速時間設(shè)定為1.5S，實(shí)際動作時，電機(jī)從最高速開始停車，減速至接近零速的時間為1.5S以內(nèi)，完全滿足控制要求。

3.3 優(yōu)化抱閘控制程序

重新設(shè)計PLC抱閘控制程序，要求抱閘得電條件為一主兩從變頻器抱閘打開信號輸出；抱閘失電條件為一主兩從變頻器抱閘打開信號取消或有停止信號后PLC延時3S強(qiáng)制抱閘失電。程序修改后抱閘動作條件全部交給變頻器分析判斷，為提高系統(tǒng)可靠性，變頻器控制抱閘信號未直接控制抱閘接觸器動作，而是首先接入PLC，經(jīng)過PLC分析必要條件滿足后再輸出控制抱閘接觸器。PLC保留緊急情況下急停功能和變頻器停止后延時3S強(qiáng)制抱閘失電功能，確保在異常情況下抱閘可靠抱死。設(shè)置合適的變頻器抱閘控制參數(shù)，并調(diào)試滿足設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的要求，啟動：閥值選擇力矩參數(shù)，閥值力矩值必須設(shè)置準(zhǔn)確，既要杜絕各個位置啟動發(fā)生點(diǎn)頭還要保證啟動無沖擊，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試選擇力矩閥值為5%額定值，延時時間為0S；制動：閥值選擇速度參數(shù)，理想狀況下速度閥值為零速，但考慮抱閘制動過程有時間，速度降落時力矩要保持滿力矩防止下滑，因此速度閥值的設(shè)定必須慎重，經(jīng)過反復(fù)試驗和分析歷史曲線，選擇速度閥值為7%額定值，可以保證制動輪停止的同時抱閘可靠抱死。

3.4 改變變頻器主從控制方式解決電機(jī)速度不同步

改造后抱閘失電抱死時，變頻器速度反饋值已降低至很小，現(xiàn)場觀察基本接近零速，但存在的問題是制動時明顯可以觀察到有的電機(jī)對輪要反轉(zhuǎn)一下，減速機(jī)仍然有較強(qiáng)烈震動，由改造前的縱向衰減震動變?yōu)榱藱M向振動，對減速機(jī)沖擊仍然十分大。經(jīng)過分析，從曲線也可以看到，減速期間四臺電機(jī)速度不同步，特別是有的電機(jī)速度還反向，這是造成電機(jī)反轉(zhuǎn)、減速機(jī)橫向振動的根本原因。

速度不同步的原因我們分析是由于四臺變頻器固定采用主從控制方式，主變頻器為速度控制，從變頻器跟隨主變頻器是力矩控制，即四臺變頻器力矩始終保持一致，而速度不受控。正常轉(zhuǎn)動期間因四臺電機(jī)相當(dāng)于同軸連接，因此速度可以保持基本一致，但在制動減速期間，因載荷變化劇烈，四臺電機(jī)減速特性不完全相同，因此若仍然采用力矩同步控制，必然導(dǎo)致速度不一致現(xiàn)象發(fā)生，在不同載荷的情況速度不一致的程度不盡相同，反映到負(fù)荷端，即發(fā)生上述異常現(xiàn)象。要消除此現(xiàn)象，只能從改變變頻器主從控制方式入手，曾做試驗取消變頻器主從控制，四臺全改為速度控制，四臺電機(jī)力矩不受控產(chǎn)生的嚴(yán)重后果是電機(jī)不同步導(dǎo)致變頻器頻繁過流故障，無法正常使用。經(jīng)過研究變頻器矢量大全，制定了可靠的解決方案：取消各臺變頻器固定的主從參數(shù)設(shè)定，改為由PLC通訊控制字控制；編寫PLC程序（截圖所示）自動判斷爐子進(jìn)入減速制動狀態(tài)，從變頻器控制字相應(yīng)位置0，變頻器自動切換為速度控制；程序自動判斷制動結(jié)束，將從變頻器的控制字相應(yīng)位置1，主變頻器控制字狀態(tài)保持不變，變頻器自動切換回主從控制方式。按此方式改造，啟動及運(yùn)行期間主從控制方式保證四臺電機(jī)力矩同步，減速期間速度控制方式保證四臺電機(jī)速度保持一致，徹底解決了制動時電機(jī)速度不同步的現(xiàn)象，減速機(jī)停車制動變得十分平穩(wěn)，高速停車時減速機(jī)也無振動現(xiàn)象發(fā)生。

結(jié)語

本文研究了河北鋼鐵集團(tuán)承德公司煉鐵廠高爐高爐助燃風(fēng)機(jī)電機(jī)的電氣控制特點(diǎn)，通過淘汰原有傳動方式，改用變頻器控制運(yùn)行，使電機(jī)運(yùn)行速度可調(diào)，啟制動時間可調(diào)，通過在變頻器安裝制動電阻，使電機(jī)的啟動電流變少，減小對機(jī)械和電氣設(shè)備的沖擊，設(shè)備可靠性高。把對熱線生產(chǎn)時間的延誤盡可能減到最小，保證了正常的生產(chǎn)，滿足了快節(jié)奏生產(chǎn)的需要。減少了職工的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，而且還可以起到節(jié)能的效果。

[1]陳伯時.電力拖動與自動控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]李剛.變頻器控制原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.