變頻改造技術(shù)在冶金行業(yè)中的應用

1 引言

　　冶金行業(yè)是在國民經(jīng)濟中的比重非常大，是和中國的社會物質(zhì)文明發(fā)展息息相關(guān)的重要產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代冶金企業(yè)的特點不同于其它行業(yè)的工業(yè)企業(yè)，都是規(guī)模較大，效益顯著，連續(xù)、高效式地生產(chǎn)流程性企業(yè)。在冶金行業(yè)，企業(yè)員工的整體素質(zhì)較高，企業(yè)信息化的意識較強。具備一定規(guī)模的鋼鐵企業(yè)基本上都已實現(xiàn)車間內(nèi)的過程自動化控制系統(tǒng)，車間的生產(chǎn)已經(jīng)高度的自動化，生產(chǎn)現(xiàn)場，有大量的現(xiàn)場設備需要進行控制。由于現(xiàn)場的環(huán)境非常惡劣——灰塵大、震動強、溫度變化大，且需要24小時連續(xù)不斷地運行，因此對生產(chǎn)現(xiàn)場控制設備較其他行業(yè)有更高的要求。

2 英威騰CH系列變頻器在鋼鐵廠風機變頻改造中的應用

　　2.1工況簡介

　　大型冶金企業(yè)，如鋼鐵廠等，在生產(chǎn)過程中大量使用到風機，某鋼鐵廠風機工況如下描述： ★系統(tǒng)參數(shù)

　　加熱時間：160 s

　　急冷時間：30 s

　　急冷風壓（風門）：100～60 %開啟

　　冷卻時間：40 s

　　冷卻風壓（風門）：100 %開啟

　　循環(huán)周期：160 s

　　★系統(tǒng)流程：

　　加熱時間 -（急冷時間 + 冷卻時間）=待機時間（待機時風機可有一定的小風）。

　　工作機組：2臺315KW、1臺280KW

　　1） 循環(huán)周期=加熱時間 = 160 S

　　2） 工作流程：急冷時間 30 S （風門開啟60～100%）à冷卻時間 40 S （風門開啟 100%） à 微風待機 à 緩慢加速至全速（8 S）。

　　注：Ⅰ）急冷時 315KW（2臺）+ 280（1臺）全部運行;

　?、颍├鋮s時 315KW（2臺）停機，280KW（1臺）運行;

　?、螅┘崩鋾r風機啟動時間為2 S （可提前幾秒緩慢加速至全速）;

　　2.2工況分析

　　在運行時所有風機都采用風門調(diào)節(jié)方式，大部分的能量都被消耗在風門擋板上了，且擋板的開度越小則耗能就更多。在一般情況下，采用擋板調(diào)節(jié)的風機其實際消耗功率與風量大致成正比，與風門的開度也大致成正比，從上述工況中的風門開度及電流參數(shù)也可以看出這一點。

　　對運行情況進行分析，可以得出一下兩點：

　?。?） 風機實際風量約為額定風量的一部分，風機遠離額定點運行，其實際運行效率很低。

　?。?） 由于擋板的存在，擋板前后存在壓差，消耗了很大一部分能量。

　　所以可以從以上兩個方面改善其運行工況，減小損耗，達到節(jié)能的目的。

　　擋板這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源為代價的。對于高壓大功率電機，耗能則更大。當采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，其效率最高，因為風量隨轉(zhuǎn)速的一次方下降，而其軸功率則按轉(zhuǎn)速的三次方規(guī)律下降，而目前性能最佳的調(diào)速方式則是國際上公認的交流變頻調(diào)速技術(shù)。

　　2.3變頻改造的節(jié)能分析

　　變頻調(diào)速節(jié)能原理

　　從流體力學的原理得知，使用鼠籠型感應電機驅(qū)動的風機，軸功率P與風量Q，風壓H的關(guān)系為： 當電動機的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時, Q、 H、 P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:

　　

　　可見風量Q和電機的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當需要80%的額定風量時，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%。

　　如下圖所示，從風機的運行曲線圖來分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。

　　當所需風量從Q1減小到Q2時，如果采用調(diào)節(jié)風門的辦法，管網(wǎng)阻力將會增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調(diào)速控制方式，風機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt（P）與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

　　考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過實踐的統(tǒng)計，風機類通過調(diào)速控制可節(jié)能30%～60%左右。

　　變頻改造節(jié)能分析

　　改造前工頻運行功率計算公式：

　　

　　其中： U——電機電壓，kV;

　　I——電機電流，A;

　　P1——單一負荷下工頻運行功率，kW;

　　——單一負荷下運行功率因數(shù)，小于額定功率因數(shù)。

　　改造后變頻運行預計功率計算公式：

　　

　　——運行工況與額定工況下的效率、壓力比，小功率電機取1，大功率電機取0.9

　　根據(jù)改造流量不變的原則，有Q1=Q2，其中Q2為改造后的流量。所以。再根據(jù)計算出P2。其中P2是變頻改造后預計運行功率，η為變頻裝置的效率。

循環(huán)風機節(jié)能分析

　　循環(huán)風機改造前工頻運行功率

　　根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)可知改造前的運行功率為2臺315kW風機. 1臺280KW風機。

　　系統(tǒng)循環(huán)風機改造后變頻運行預計功率

　　l 急冷時:（工時為30s，風門開度為60%-100%）

　　風門開度為（60%-100%）時運行,改為用變頻調(diào)速,風門全開.則可節(jié)能約20%以上.

　　l 冷卻時:（工時為40s）:

　　二臺315KW風機風門為關(guān)閉況態(tài).如用變頻器把頻率降到15HZ運行.節(jié)能效果可達70%以上.

　　一臺280KW全風工作.則無節(jié)能效果.

　　l 待機時:（工時為160-30-40=90S）

　　二臺315KW風機和一臺280KW風機風門為關(guān)閉況態(tài).如用變頻器把頻率降到15HZ運行.節(jié)能效果可達70%以上.

　　急冷時每小時節(jié)能:（315+315+280） ×0.85×20%=155度

　　冷卻時每小時節(jié)能:（315+315） ×0.85×70%=375度

　　待機時每小時節(jié)能:（315+315+280） ×0.85×70%=541度

　　每天各周期占有率為:急冷時間占18.75%.冷卻時間占25%.待機時間占56.25%.

　　則采用變頻節(jié)能控制后每天節(jié)能為:

　　急冷時為:155×18.75%×24=697.50度

　　冷卻時為:375×25%×24=2250度

　　待機時為:541×56.25%×24=7303.5度

　　按當?shù)?.50元/度電價和全年330天運行時間計算

　　煤磨引風機每年節(jié)約電費約（697.5+2250+7303.5）×330×0.50=169萬元

變頻調(diào)速其他附加好處：

　　1. 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高： 原電機直接由工頻驅(qū)動時，滿載時功率因數(shù)為0.8，實際運行功率因數(shù)遠低于0.8。采用變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，電源側(cè)的功率因數(shù)可提高到0.96以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網(wǎng)要求，可進一步節(jié)約上游設備的運行費用。

　　2. 設備運行與維護費用下降： 采用變頻調(diào)節(jié)后，由于通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能，在負荷率較低時，電機、風機轉(zhuǎn)速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長;并且變頻改造后風門開度可達100%，運行中不承受壓力，可顯著減少風門的維護量。

　　3. 用變頻調(diào)速裝置后，可對電機實現(xiàn)軟啟動，啟動時電流不超過電機運行額定電流的1.2倍，對電網(wǎng)無任何沖擊，電機使用壽命增長。

　　4. 操作簡單，運行方便?？赏ㄟ^計算機遠程直接給定風量或風壓等要求即可實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

　　2.4系統(tǒng)控制方案

　　2.4.1 本地控制：利用系統(tǒng)控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制。

　　2.4.2 遠方控制：系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬輸入接口，由DCS或上位機實現(xiàn)控制。

　　遠方控制接口：

　　變頻調(diào)速裝置可以提供的數(shù)字量輸出

　?。?） 報警及故障信息2路：（至控制系統(tǒng)，如DCS）

　　變頻器輕故障綜合報警，變頻器重故障綜合報警。

　　變頻器總故障綜合報警包括：變壓器超溫、變頻器過流、系統(tǒng)故障等。

　?。?） 調(diào)速裝置的狀態(tài)信息2路.

　　待機狀態(tài)、變頻運行、停機狀態(tài)、工頻旁路/變頻狀態(tài)、就地/遠方控制狀態(tài)

　　變頻調(diào)速裝置可以提供的模擬量輸出1路：（至控制系統(tǒng)，如DCS）

　　調(diào)速裝置可以提供1路4～20mA/0～10V（可選）模擬輸出，帶負載能力均為400Ω。

　　一路代表變頻裝置輸出頻率或電機轉(zhuǎn)速，4～20mA對應0～50Hz或0～額定轉(zhuǎn)速，呈線性關(guān)系。

　　變頻調(diào)速裝置需要的數(shù)字量輸入1路：

　?。?） 遠端的控制信號：（來自控制系統(tǒng)，如DCS）

　　變頻器啟動、變頻器停機、緊急停機、遠程復歸。（說明：調(diào)速裝置的“遠程控制”和“本地控制”由調(diào)速裝置選擇，當給定遠程控制時，調(diào)速裝置的控制權(quán)交給控制系統(tǒng)）

　　變頻調(diào)速裝置需要的模擬量輸入1路：

　　遠程控制時有現(xiàn)場給定值：

　　該給定值可以為4～20mA的電流源信號（帶負載能力必須大于250Ω），也可以為0～10V的電壓源信號（負載能力必須大于10mA）。

　　該給定值在遠程控制時，作為調(diào)速裝置的轉(zhuǎn)速給定值，4mA～20mA或0V ～10V對應0Hz～50Hz或0～電機額定轉(zhuǎn)速，呈線性關(guān)系。

　　本系統(tǒng)的外部的開關(guān)量輸入接點要求全部為無源干接點;開關(guān)量輸出的內(nèi)部接點全部為無源干接點，接點容量均為AC220V/5A;模擬量信號全部為4～20mA。

　　2.5英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)功能

　　2.5.1啟動方式

　　英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)具有正常啟動和軟起動兩種方式：

　　正常啟動方式：調(diào)速系統(tǒng)按正常方式啟動后，閉環(huán)或開環(huán)運行于設定值。

　　軟啟動方式：對于大功率電機，采用此調(diào)速系統(tǒng)對電機進行無沖擊電流啟動，啟動完成后電機切換至工頻電源，完成電機的軟啟動。

　　2.5.2 運行方式

　　閉環(huán)控制：檢測回路獲得被控制量的實際值，與設定值比較，得到偏差信號。偏差信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)來控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)被控制量，使之與設定值一致。

　　開環(huán)控制：選擇開環(huán)控制，頻率控制信號由頻率設定方式給定，輸出按照負載特性設定的幾種壓頻比曲線方式控制電機運行。

　　2.5.3頻率設定功能

　　運行頻率設定方式包括：LCD面板設定、控制柜電位器設定、外部4～20mA或0～10V模擬信號輸入給定、開關(guān)量頻率升降給定、上位機給定等多種給定方式。

　　2.5.4 控制方式

　　本地控制：利用系統(tǒng)控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕等就地控制。

　　遠方控制：系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬輸入接口，由DCS或上位機實現(xiàn)控制。

　　2.5.5 參數(shù)設定功能

　　可以設定轉(zhuǎn)矩提升、U/f加速曲線以適應不同的負載情況,可以設定多達3個共振頻率躲避區(qū)域,可以按現(xiàn)場情況需要設定電機保護參數(shù)、輸出量功能定義設置等。

　　2.5.6 故障報警與查詢功能

　　具有故障報警和故障查詢功能，提高故障排除效率，為用戶維護提供方便。

　　2.5.7 運行狀態(tài)記錄與顯示

　　英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)具有自動記錄運行狀態(tài)和進行顯示的功能，并對顯示數(shù)據(jù)分類，方便日常維護。

　　2.5.8其他功能：

　　聯(lián)動控制：英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要提供聯(lián)動控制功能，控制生產(chǎn)流程中其他部件。

　　編程運行：可以根據(jù)負載運行特性進行編程控制，實現(xiàn)最經(jīng)濟的運行方式。

　　2.6 英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品特點

　　英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于標準三相交流電動機，具有以下的特點：

　　2.6.1 適用中國電網(wǎng)，抗電壓波動能力強

　　電網(wǎng)輸入側(cè)電壓在-15%～+15%范圍內(nèi)波動時，通過電壓波動補償算法來自動補償輸出，保證額定輸出。網(wǎng)側(cè)電壓在65%額定值至120%額定值內(nèi)不停機，保證電機持續(xù)運行。

　　2.6.2 SCP抗短路技術(shù)

　　從變頻調(diào)速系統(tǒng)本身的安全運行出發(fā)，英威騰在主回路充分考慮了電機或是連接電機的電纜可能發(fā)生相間短路的情況而設置了三重短路保護功能，可有效保護電機及變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全。該主回路技術(shù)為本公司獨創(chuàng)，并已申請了相關(guān)專利。在此技術(shù)的支持下可以確保每一臺產(chǎn)品都能經(jīng)過兩相短路試驗，進一步提高了運行可靠性。

　　2.6.3 專有核心STT技術(shù)（Speed Tracing Technology）

　　英威騰電氣技術(shù)人員多年從事電機的運行及控制的研究工作，在這個基礎上獨創(chuàng)了“STT”算法，可確保電機在調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下，無需停車可直接啟動英威騰系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)。在這個算法的支持下，我們在操作變頻調(diào)速系統(tǒng)時，就不用顧慮啟動時電機的運行狀態(tài)。這樣就可以實現(xiàn)電機即時的啟動和停止控制了。這也為用戶的運行和維護帶來了極大的方便。

　　2.6.4 斷電恢復再啟動

　　電網(wǎng)瞬時停電或發(fā)生瞬時可恢復性故障后，在允許運行的條件恢復后（允許等待的時間長度可由用戶自行設定），英威騰 智能變頻調(diào)速系統(tǒng)可自動搜索電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無沖擊再啟動，保證電機運行的持續(xù)運行可靠性，避免不必要停機造成的損失。

　　2.6.5 軟啟動、無沖擊電流

　　英威騰CH系列智能變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機進行軟啟動，具有線性和二次方曲線形式來控制電壓-頻率比，每種曲線形式有多條曲線供用戶選擇。起動時間由用戶設定，內(nèi)部設有加速過流限速功能，以確保電機啟動的沖擊電流，保證電機的安全運行。啟動過程自動搜索電機轉(zhuǎn)速，不必保證電機停轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)和電動機無過流沖擊的快速啟動。

　　2.6.6 智能化功能強

　　加減速自適應功能，在啟停機時間設定不當?shù)那闆r下系統(tǒng)自動調(diào)整時間;雙屏直觀顯示;精確的故障定位功能，高達120項的實時監(jiān)控點，提高故障排除效率;接口豐富、形式多樣，與各種自動化設備和系統(tǒng)接口，滿足各種現(xiàn)場不同的需求;遠方頻率給定信號具備斷線報警和保護功能。

　　英威騰CH系列變頻調(diào)速系統(tǒng)在冶金行業(yè)中風機類負載改造中應用十分成功。設備的節(jié)能預期與運行穩(wěn)定度均得到了廣泛認可。

3 CHV130工程型變頻器拉絲類應用

　　CHV130工程型變頻器是深圳英威騰電氣公司針對拉絲加工專門研發(fā)的新型變頻裝置，優(yōu)化的內(nèi)置專用功能模塊幾乎涵蓋了該行業(yè)所需的所有技術(shù)特點。以下以雙變頻細伸機為例簡要描述該系列機型的特點及應用原理。

　　3.1 CHV130工程型變頻器的特點

　　◆任意盤徑下穩(wěn)定啟停;

　　◆加減速過程擺桿穩(wěn)定，3000 米/分高速滿盤運行擺桿波動也非常小;

　　◆張力擺桿輕抬輕放功能（啟動時擺桿緩慢上升到零位;停機時，擺桿緩慢下沉到底位）即使超微線也不會斷線;

　　◆大小盤轉(zhuǎn)換功能，改變線盤后仍能保證同步;

　　◆斷線剎車/手動剎車功能;

　　◆可通過張力擺桿位置檢測斷線，省去斷線檢測機構(gòu);

　　◆可利用盤徑檢測進行停機，省去計米表及計米接近開關(guān);

　　◆參數(shù)設定簡單，只設定一個用途參數(shù)便可開機運行;

　　◆斷線急停時，變頻器無“過壓”保護現(xiàn)象;

　　◆ 完全矢量控制，強大低頻力矩，不折不扣的功率輸出。

　　3.2 接線圖

　　3.3 工作原理

　　在《控制回路接線圖》中，速度給定電位器WR1 向拉絲變頻器VF1 提供頻率給定。由“AI1”端輸入的頻率給定值經(jīng)變頻器上設置的加減速時間后產(chǎn)生頻率輸出。

　　拉絲變頻器VF1 的啟停由“S1”端控制。點動由“S2”端控制。

　　“S3”端為緩?？刂贫?。當“S3”端與“COM”端閉合時，由“AI1”端輸入的頻率給定與后級接通。當拉絲機啟動時，“S3”端與“COM”端接通，拉絲機按加減速時間加速至給定速度。當拉絲機緩停時，“S3”端與“COM”端斷開，由“AI1”端輸入的頻率給定與后級斷開，拉絲機按減速時間減速。當拉絲機減速至“零速”時，J2 釋放，“S1”端與“COM”端斷開。拉絲機按“慣性滑行停機”方式停機。

　　拉絲變頻器VF1 的運行頻率由高速脈沖輸出口“HDO1”輸出并接至收線變頻器VF2 的高速脈沖輸入口“HDI1”，作為收線變頻器VF2 的頻率給定（同步給定）。同時，張力電位器WR2 的反饋信號接至收線變頻器VF2 的“AI2”端。在收線變頻器內(nèi)部，由“HDI1”端輸入的同步給定與由“AI2”端輸入的偏差反饋進行控制運算，產(chǎn)生收線變頻器的運行頻率。

　　收線變頻器的啟停由“S1”端控制。收線變頻器的加減速時間應設置的較短（出廠值為0.3 秒），以便快速跟蹤拉絲速度。由于收線變頻器內(nèi)部具有卷徑計算及卷徑保存功能，因而拉絲機在任何卷徑下都可以平穩(wěn)快速的啟停。當停機更換空盤后，須對所保存的前卷徑進行清零。卷徑清零通過短接收線變頻器VF2上的“S2”端與“COM”端進行。

　　通過短接拉絲變頻器的“S4”端與“COM”端，可選擇輸出口“HDO1”的第2 輸出增益，從而實現(xiàn)大小盤轉(zhuǎn)換功能。

　　CHV130 張力型變頻器具有輕抬輕放功能：啟動后，張力擺桿緩慢上升到零位緩停。張力擺桿輕抬輕放功能可由內(nèi)部參數(shù)禁止。在收線變頻器內(nèi)部設有剎車功能。在運行狀態(tài)中，若“S4”端與“COM”端閉合，收線變頻器的“RO2”端將輸出5 秒（可設定）剎車命令。為防止啟動時張力擺桿在底位時引起“S4”端與“COM”端閉合而剎車，內(nèi)部啟動延時參數(shù)保證不會誤剎車。手動剎車通過閉合“S5”端與“COM”端進行。手動剎車無延時松剎功能，而是根據(jù)手動剎車命令交替剎車及松剎，以方便裝卸盤。每次緩停時，當拉絲變頻器VF1 頻率降至“零速”頻率（可設定）時或張力擺桿下落至底位時，執(zhí)行自動剎車并延時松剎。在《繼電回路接線圖》中，J1 為啟?？刂评^電器。J1 吸合，拉絲機開始啟動加速。J1 釋放，拉絲機開始緩停。J2 為運行狀態(tài)繼電器。拉絲機啟動，J2 吸合。拉絲機緩停至“零速”、斷線剎車或手動剎車時，釋放J2。拉絲變頻器及收線變頻器的啟停控制端均由J2 控制。J2 釋放時，拉絲變頻器及收線變頻器按慣性滑行停機方式停止。繼電器J3 為剎車驅(qū)動繼電器。J3 的吸合和釋放由收線變頻器的“RO2”（剎車控制輸出）端控制。繼電器J4 為故障狀態(tài)繼電器。當拉絲變頻器及收線變頻器故障時，J4 吸合。J4 吸合時，引起J1 及J2 釋放，運行狀態(tài)終止。J5 為排線換向控制繼電器。圖中排線電機為低速同步電機。剎車電源未采用由降壓變壓器與整流橋構(gòu)成的整流電源，而是采用既經(jīng)濟穩(wěn)壓性又好的開關(guān)電源，可避免因電網(wǎng)電壓過高而燒毀剎車線圈。

　　CHV130系列變頻器內(nèi)部已實現(xiàn)參數(shù)組態(tài)建模，用戶僅需根據(jù)工況設置一個用途參數(shù)即可實現(xiàn)復雜控制功能。給生產(chǎn)、調(diào)試帶來極大便利。

　　另CHV130在冶金行業(yè)領(lǐng)域用途廣泛，限于篇幅，此處不再累述。

結(jié)束語

　　隨著自動化控制程度的不斷提高，變頻改造技術(shù)廣泛應用于冶金領(lǐng)域的各個層面，在冶金行業(yè)起重類、軋鋼線材類、電磁攪拌類、風機水泵類應用中，變頻器及其附屬裝置的身影無處不在。無論是節(jié)能改造還是工藝改造中，變頻調(diào)速技術(shù)起到了越來越重要的作用。