柳鋼中板廠加熱爐助燃風(fēng)機(jī)傳動系統(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)

·技術(shù)改造·

柳鋼中板廠加熱爐助燃風(fēng)機(jī)傳動系統(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，索肯-和平軟啟動器做備用驅(qū)動，既實現(xiàn)了能源節(jié)約，降低對電網(wǎng)沖擊；又保證改造過程順利進(jìn)行，縮短改造周期。系統(tǒng)投運正常，取得較好的效果。

G130變頻；節(jié)能； 軟啟動

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)，啟動后靠調(diào)節(jié)風(fēng)門開度調(diào)節(jié)輸送風(fēng)量，運行能耗大，啟動過程對電網(wǎng)沖擊也大，影響同一電源網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的運行。為改善系統(tǒng)性能，降低能耗，減少對電網(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)，同時采用低壓變頻器作為主要驅(qū)動方式，軟啟動器作為備用驅(qū)動方式，對風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造。為保證改造后傳動系統(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 傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與選型

1.1 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能與啟動分析

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，風(fēng)機(jī)運行于工頻轉(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，風(fēng)門全開，通過變頻器控制風(fēng)機(jī)運行轉(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)啟動段機(jī)械特性較軟，電機(jī)直接啟動電流可達(dá)到額定電流的7～14倍。采用軟啟動器傳動電機(jī)方式，實質(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)啟動性能，降低啟動電流到2～3倍電機(jī)額定電流。而采用變頻器傳動電機(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，大大降低啟動電流到1～1.5倍電機(jī)額定電流。隨著啟動電流的降低，風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊影響得到減小。

為達(dá)到節(jié)能與降低對電網(wǎng)的沖擊，正常運行時加熱爐助燃風(fēng)機(jī)采用變頻傳動方式，變頻故障，應(yīng)急運行時采用軟啟動傳動方式，取消電機(jī)直接啟動運行方式。

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，選擇接入軟啟動器與變頻器主回路進(jìn)線側(cè)，軟啟動器與變頻器輸出側(cè)通過接觸器選擇連接電機(jī)定子。軟啟動器配置外接旁路接觸器，用于啟動完成后短接軟啟動器內(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型軟啟動器，該軟啟動器為基于先進(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PROFIBUS通訊接口，直接接入PLC系統(tǒng)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞。

設(shè)置1個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模塊連接軟啟動器、變頻器與相關(guān)接觸器、操作元件，實現(xiàn)信號采集與傳遞。

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

軟啟動器帶電機(jī)運行可實現(xiàn)限電流斜坡電壓啟動和定時軟停止功能，變頻器帶電機(jī)運行則可實現(xiàn)電機(jī)啟動、制動、停車及以設(shè)定頻率運行等功能。軟啟動器在電機(jī)啟動與旁路運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。

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

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1軟啟動器調(diào)試

如圖2所示，軟啟動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現(xiàn)電網(wǎng)與電機(jī)的連接。

圖2 軟啟動器原理圖Fig.2 The soft starter principle diagram

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

圖3 啟動過程設(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)啟動過程軟啟動器提供限電流保護(hù)，啟動完成，投入旁路繼電器，軟啟動器根據(jù)檢測的旁路運行電流，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?？刂茊卧渲糜羞B接上級系統(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，CU320-2DP控制單元既可實現(xiàn)恒U/f(VVVF)開環(huán)調(diào)速方式，也可以實現(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測速度反饋方式，也可采用無編碼器的計算速度反饋方式。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。該軟件可實現(xiàn)變頻參數(shù)設(shè)置、驅(qū)動優(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)-傳動優(yōu)化-性能調(diào)整。對于集成有Drive-CLiQ通訊接口的設(shè)備，項目建立期間，STARTER軟件能實現(xiàn)該設(shè)備的自動配置。對于變頻傳動系統(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所示的傳動導(dǎo)航器(Drive Navigator)實現(xiàn)對控制鏈路的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)定與監(jiān)控，界面友好性很強。

傳動優(yōu)化過程包括電機(jī)數(shù)據(jù)計算、電機(jī)靜態(tài)辨識與電機(jī)動態(tài)辨識，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并由人工適當(dāng)使用變頻器，變頻器自動實現(xiàn)電機(jī)額定參數(shù)計算、等效電路阻抗冷態(tài)測量與傳動性能參數(shù)動態(tài)調(diào)整。本系統(tǒng)主要采用VVVF調(diào)速方式，只需做自動計算與電機(jī)靜態(tài)辨識；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)動態(tài)辨識。傳動優(yōu)化時，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器、變頻器的運行與保護(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，在保證程序能正常控制軟啟動器與變頻器的運行后，先投內(nèi)控、手動，再投入外控、自動，對壓力閉環(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，實現(xiàn)了1#加熱爐助燃風(fēng)機(jī)軟啟動與變頻器2種方式運行，大幅降低風(fēng)機(jī)啟動過程電流沖擊。變頻調(diào)速運行時，系統(tǒng)運行比較平穩(wěn)，能量消耗大大降低，取得較好的效果。

[1] HPS2DN 數(shù)字式智能電機(jī)軟啟動器說明書[Z].索肯和平(上海)電氣有限公司， 2012.

[2] SINAMICS G130/G150參數(shù)手冊[Z].西門子(中國)有限公司,2012.

[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[4] 王智堂.利用變頻器調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓力的節(jié)能措施[J]，流體傳動與控制,2007(01) .

[5] 劉貢一.變頻節(jié)能技術(shù)在青鋼高線風(fēng)冷線風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J]，冶金自動化，2009(11) .

[6] 周祖庭.加熱爐助燃風(fēng)機(jī)變頻改造和節(jié)能效果分析[J]，冶金自動化，2014(S1) .

[7] 劉雁飛，高鵬雙，劉慧芬，等. 梅鋼4號燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)變頻軟啟動系統(tǒng)[J]，冶金自動化，2011(05) .

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，主要從事自動化及傳動系統(tǒng)的設(shè)計、應(yīng)用和維護(hù)工作。

TG155

A

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