西門子中壓變頻器在石灰回轉(zhuǎn)窯中的應用

摘 要：本文針對于大功率高壓變頻器在大功率風機調(diào)速節(jié)能上廣泛的應用，通過對變頻調(diào)速和液力偶合器調(diào)速的比較，得出了變頻調(diào)速是現(xiàn)代大功率風機調(diào)速的趨勢的結(jié)論，并且介紹了一個應用實例。

關(guān)鍵字：SIMOVERT MV中壓變頻器 I.D.風機 節(jié)能 回轉(zhuǎn)窯

1. 引言

　　石灰是鋼鐵生產(chǎn)的重要原料，它主要應用在燒結(jié)工藝，煉鋼工藝。在石灰回轉(zhuǎn)窯工藝當中，保持窯內(nèi)穩(wěn)定的燃燒條件是非常必要的，它是由控制系統(tǒng)通過控制空氣和燃料進入焙燒系統(tǒng)的速率，以及通過控制I.D.風機（主排風機）速度從而保持適當?shù)狞c火器拉力來完成。變化應保持為最小值，在另一變化發(fā)生前，系統(tǒng)應有時間調(diào)整適應變化。短時間內(nèi)太多的變化會導致系統(tǒng)的循環(huán)，并且要使其再次平衡將會非常困難。

　　I.D.風機（主排風機）的調(diào)節(jié)方式，即窯頭負壓的調(diào)節(jié)方式主要有兩種：

　　一、 調(diào)節(jié)主排風機入口擋板開度使燃燒罩維持一定負壓。

　　二、 調(diào)節(jié)主排風機的速度使燃燒罩維持一定負壓;

　　采用第一種調(diào)節(jié)方式，風機電機始終在工頻運行，靠控制擋板開度來控制窯頭負壓，在通常正常生產(chǎn)的情況下，擋板開度只為25%～35%，不但耗能比較大，而且在調(diào)整擋板開度時，窯內(nèi)壓力變化波動較大，很難保證窯內(nèi)負壓。

　　采用第二種調(diào)節(jié)方式，有兩種方案可以選擇，液力偶合器調(diào)速和變頻器調(diào)速，下面就將這兩種方法簡單介紹一下。

2. 變頻器恒壓供風的基本原理

　　變頻器恒壓供風系統(tǒng)主要通過壓力傳感器實時檢測主風管的壓力，與設定的壓力進行比較，經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)后，在線自動調(diào)節(jié)變頻器來控制風機的轉(zhuǎn)速，使壓力始終穩(wěn)定在設定值上，達到壓力穩(wěn)定的目的。原理圖如下：

　　變頻器的調(diào)速原理，由交流感應電動機轉(zhuǎn)速公式

　　n=60f1/P＊（1-S） （1）

　　（式中n—電機轉(zhuǎn)速;f1—定子供電頻率;S—轉(zhuǎn)差率;P—電機極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機定子的供電頻率f1,就可平滑改變電機轉(zhuǎn)速.對于異步電動機的變頻傳動,為了避免電機過磁飽和,同時抑制啟動電流,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進行安全運轉(zhuǎn),在改變頻率的同時,對定子電壓也應作相應調(diào)節(jié).逆變器主回路把三相50Hz交流電整流濾波為直流,再通過PWM脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管,把直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，由此可實現(xiàn)變頻調(diào)速。

　　變頻調(diào)速對于風機水泵類負載來說，節(jié)能效果尤為明顯。變速前后流量、壓力、功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

　　

　　（其中Q代表風量;H代表風壓;P代表軸功率;n代表轉(zhuǎn)速）

　　下面將擋板調(diào)速、變頻調(diào)速的風量與風壓性能曲線繪制到一塊，如下圖所示：

　　由以上公式及下圖可以看出：

　　風機的正常工作點為A，當風量需要從Q1調(diào)到Q2時，采用擋板調(diào)節(jié)，特性曲線由R1改變?yōu)镽2，其工作點調(diào)至B點，其功率O Q2B H2’圍成的面積，其功率變化很小，其效率卻隨之降低。

　　當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變設備的性能曲線，圖中從n1到n2，其工作點調(diào)制C點，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為O Q2B H2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉(zhuǎn)速3次方變化，故節(jié)能效果顯著。

　　節(jié)能量P=（ H2’- H2）＊ Q2

3. 液力偶合器調(diào)速的優(yōu)缺點

　　液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸和力矩，達到控制負載的轉(zhuǎn)速的目的，因此，液力偶合器也可以實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)。

　　如果采用液力偶合器調(diào)速，則電動機轉(zhuǎn)軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍然由電網(wǎng)供電，電動機仍全速運行。

　　經(jīng)過調(diào)研，采用液力偶合器調(diào)速具有以下優(yōu)缺點：

　　優(yōu)點：

　　●液力耦合器價格便宜。

　　●操作簡單，維修方便。

　　缺點：

　　●調(diào)速效率低，節(jié)能效果差。

　　●功率因數(shù)低。

　　●直接改善起動性能，起動電流達到額定電流的5——7倍。

　　●液力偶合器依靠調(diào)節(jié)工作腔油量大小改變輸出轉(zhuǎn)速，因此響應慢，可能跟不上控制的需要

　　●機械傳動方式，運行故障率高，且需定時加液力油。

　　●安裝時需加在電機與風機中間，則要重作電機基礎，期間將造成生產(chǎn)停頓。

　　●當在運行中液力耦合器出現(xiàn)問題時，只能停產(chǎn)修理。

　　綜合比較此兩種方案，變頻器調(diào)速不但能夠更加節(jié)約電能，運行更加可靠，調(diào)節(jié)精度及電機功率因數(shù)更高，故障率更低，而且通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，使窯內(nèi)負壓變化保持為最小值，保證窯內(nèi)壓力平衡。隨著變頻器的發(fā)展，在價格上也會更加具有優(yōu)勢。

4. 實際應用

　　某鋼廠共有三條回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，配有3臺I.D.風機（主排風機），電機功率為1100KW，轉(zhuǎn)速為1493r/min。根據(jù)每個窯產(chǎn)量1000噸/天，電機的實際運行速度在額定轉(zhuǎn)速的60%～80%之間，如果采用變頻調(diào)速，不但能夠大大節(jié)約電能，而且在風機擋板全開的情況下能夠連續(xù)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使得窯內(nèi)負壓保持穩(wěn)定。

　　根據(jù)工藝要求及現(xiàn)場實際情況，對I.D.風機（主排風機）的控制采用變頻調(diào)速，選用西門子SIMOVERT MV中壓變頻器實現(xiàn)窯內(nèi)負壓的恒壓調(diào)速。具體的配置及原理圖如下：

　　控制原理：

　　變頻器的起停由現(xiàn)場操作箱或主控制人機界面HMI控制，在啟動時首先將擋板開至最大位置，然后啟動變頻器，風壓由現(xiàn)場壓力變送器測量后將實際的壓力信號傳送至西門子S7-400 PLC中，與設定的壓力值進行比較，通過PID調(diào)節(jié)器輸出一個4～20mA的信號做為變頻器的給定信號來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對窯內(nèi)負壓的調(diào)整，保證窯內(nèi)壓力恒定。

　　在變頻器發(fā)生故障時，可以臨時通過的旁路高壓開關(guān)柜啟動電機。之后通過調(diào)節(jié)出口擋板的開度大小來調(diào)節(jié)窯內(nèi)壓力。由于鼠龍式電動機對電網(wǎng)的沖擊比較大，因此采用了星三角啟動電動機。

5. SIMOVERT MV中壓變頻器的特點：

　　SIMOVERT MV中壓變頻器是西門子公司最新推出的三電平、全數(shù)字、矢量控制的變頻器。現(xiàn)在在各種領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用，它具有以下特點：

　　1） 節(jié)省能源，特別適于風機和水泵

　　2） 低損耗，功率因數(shù)cosΦ>0.96

　　3） 啟動電流小，無沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動和制動

　　4） 使用電流限幅的過載保護

　　5） 自帶有Profibus DP網(wǎng)，易于將傳動裝置連接并集成到自動化系統(tǒng)中

　　6） 帶有專門的調(diào)試軟件Drive ES，調(diào)試簡單方便

　　7） 連接簡單，通過1臺斷路器和1臺變頻變壓器即可與工業(yè)電網(wǎng)連接

　　8） 采用12脈沖二極管整流，可以有效地消除諧波

　　9） 設計采用三電平電路配置，其部件只承載直流母線電壓的一半

6. 系統(tǒng)調(diào)試

　　1） 主要調(diào)試設備及軟件

　　2） 通電前的檢查：

　　· 電機絕緣測試

　　· 高壓電纜絕緣測試

　　· 變壓器檢查及測試

　　· 變頻柜檢查測試

　　3） 變頻器送電

　　4） 使用Drive ES軟件設置變頻器參數(shù)

　　5） 靜態(tài)調(diào)試

　　6） 空載試驗

　　7） 帶載實驗

　　經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，變頻器啟動時間設為180秒，電流限幅值設為電機額定電流的100%，啟動時電機運行平穩(wěn)。變頻器正常運行時，電機在35Hz的頻率下運行，通過對實際風壓的測量由PLC不斷調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速，設備運行穩(wěn)定，真正實現(xiàn)了恒壓排風。停車時間設為180秒，停車時未發(fā)生變頻器過電壓故障。

7. 結(jié)論

　　1） 由于采用了變頻調(diào)速，使得在正常生產(chǎn)時，電機的輸出功率大大降低，節(jié)能效果明顯。

　　2） 系統(tǒng)具有軟啟動功能，減小了在啟動鼠龍式電動機時對電網(wǎng)的沖擊，對整個電網(wǎng)起了保護作用。

　　3） 通過使用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風壓，使得窯內(nèi)負壓變化很小，且壓力恒定，實現(xiàn)了恒壓排風。

　　4） 采用變頻調(diào)速，風板保持全開狀態(tài)，降低了磨損，且大力矩執(zhí)行機構(gòu)工作次數(shù)減少，故障率降低。