1引言

近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用也從以節(jié)能為目的，發(fā)展到以提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化及環(huán)境保護(hù)為目的，成為企業(yè)提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段之一。

在煉鋼廠轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中，會(huì)排出大量煙塵，含有易燃?xì)怏w和金屬顆粒，污染環(huán)境，按我國(guó)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297—1996），對(duì)煙塵須冷卻、凈化，由引風(fēng)機(jī)將其排至煙囪放散或輸送到煤氣回收系統(tǒng)中備用。每座轉(zhuǎn)爐配有1套除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)采用二級(jí)文氏管煙塵凈化方式，要求風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行。除塵風(fēng)機(jī)在煉鋼廠屬主要高耗能設(shè)備，其容量一般都是根據(jù)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件選擇，但在實(shí)際運(yùn)行中往往比設(shè)計(jì)要小得多。如果電機(jī)不采用變頻調(diào)速控制，則流量通常只能通過(guò)調(diào)節(jié)擋板或閥門控制，其結(jié)果是造成很大的能量損耗。采用變頻器將電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，則耗能量將會(huì)顯著減少，生產(chǎn)巨大的節(jié)能、環(huán)保效益。下面以某煉鋼廠4#爐除塵風(fēng)機(jī)經(jīng)技術(shù)改造采用高壓變頻調(diào)速的原理分析。

2系統(tǒng)方案

2．1設(shè)備配置

除塵風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)主回路接線圖如圖l所示，其為一拖一控制，設(shè)置工頻／變頻切換柜，以保證除塵風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。要求可以遠(yuǎn)程和本機(jī)控制。風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，如果變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，變頻器自動(dòng)停機(jī)。遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過(guò)操作臺(tái)工頻／變頻旋鈕把電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)吹煉周期結(jié)束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過(guò)把操作臺(tái)工頻／變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調(diào)速狀態(tài)。本機(jī)控制時(shí)，通過(guò)變頻器控制柜工頻／變頻旋鈕把電機(jī)切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)吹煉周期結(jié)束后，檢修變頻器。變頻器檢修完畢后，通過(guò)把變頻器工頻／變頻旋鈕打到變頻位置，返回變頻調(diào)速。

2．2．1吹煉工藝周期

如圖2所示：A到B為兌鐵加廢鋼時(shí)間，約1min。B到C為風(fēng)機(jī)升速時(shí)間，暫定1min，可以調(diào)節(jié)。c到D為吹氧時(shí)間，約14min。D點(diǎn)風(fēng)機(jī)開(kāi)始減速，暫定3rain，可以調(diào)節(jié)。D到E為倒?fàn)t測(cè)溫取樣時(shí)間，約2rain。E到F為出鋼時(shí)間，約2min。F到G為濺渣時(shí)問(wèn)，約3min。整個(gè)吹煉工藝周期約26min，其中高速時(shí)間（C到D）12min。高速定為45Hz，可以調(diào)節(jié)；低速定為20Hz，可以調(diào)節(jié)。

2．2．2變頻器和現(xiàn)場(chǎng)接口

在B點(diǎn)，將爐前、爐后和氧氣流量信號(hào)送到4#爐電磁站PLC電氣站，通過(guò)用戶程序處理后，輸出到繼電器，由繼電器提供一對(duì)閉合節(jié)點(diǎn)（繼電器吸合時(shí)，變頻器高速運(yùn)轉(zhuǎn)；繼電器釋放時(shí)，變頻器低速運(yùn)行），當(dāng)在爐前操作并有氧流量時(shí)，繼電器吸合，變頻器開(kāi)始從低速向高速升速，在c點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作工進(jìn)行吹煉。在D點(diǎn)，準(zhǔn)備出鋼，爐前工轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到爐后或沒(méi)有吹煉的時(shí)間超過(guò)15min，繼電器釋放，變頻器開(kāi)始降速，降速時(shí)間不作具體要求，但在減速過(guò)程中如果需要提速，變頻器應(yīng)能滿足提速要求。爐前、爐后和氧氣流量信號(hào)組合圖PLC程序如下圖3所示。

程序控制說(shuō)明：爐前操作吹煉時(shí)，接點(diǎn)M20．1和M2．0通，將置位復(fù)位觸發(fā)器RS置位，此時(shí)Q20．2有輸出，同時(shí)由Q20．2輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器，從而由繼電器接點(diǎn)送給合康HIVERT-Y06/173高壓變頻器高低速信號(hào)（繼電器通為高速，斷為低速）；當(dāng)爐前工轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到爐后或沒(méi)有吹煉的時(shí)間超過(guò)15min時(shí)，T44或T45或M20．2通，置位復(fù)位觸發(fā)器RS復(fù)位，Q20．2沒(méi)有輸出，繼電器釋放，變頻器降速。

3合康HIVERT-Y06/173高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)

3．1監(jiān)控和操作

當(dāng)除塵風(fēng)機(jī)不吹煉時(shí)，只需要很低的轉(zhuǎn)速，根本不需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。利用合康HIVERT-Y06/173高壓變頻器根據(jù)實(shí)際需要對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，既保證和改善了工藝，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的和效果。

采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：變頻器操作可以在本機(jī)控制，也可以遠(yuǎn)程操作。變頻器包括1臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)（如RS485）的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開(kāi)關(guān)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機(jī)或操作臺(tái)進(jìn)行操作，吹煉時(shí)（B到D），變頻器高速運(yùn)行，不吹煉時(shí)，變頻器低速運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)工況需要自由設(shè)定，其完全可以滿足工藝要求。變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過(guò)上位機(jī)或操作臺(tái)對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并監(jiān)控變頻器運(yùn)行狀態(tài)。

上位機(jī)：可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一方面便于用戶隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況；另一方面，也利于設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，故障問(wèn)題可以及時(shí)得到解決。

操作臺(tái)：可以通過(guò)操作臺(tái)對(duì)變頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程操作，包括工頻／變頻切換。

3．2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

HARSVERT高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高一高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串并聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出；它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4，直接滿足IEEE519—1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv／dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，630kW／6kV變頻系統(tǒng)共有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串連構(gòu)成一相。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3．2．1功率單元

每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。

單元旁路功能：當(dāng)某個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)旁路運(yùn)行，變頻裝置不停機(jī)，但需降額使用，即在每個(gè)功率單元輸出端之間并聯(lián)旁路電路，當(dāng)功率單元故障時(shí)，封鎖對(duì)應(yīng)功率單元IGBT的觸發(fā)信號(hào)，然后讓旁路SCR導(dǎo)通，保證電機(jī)電流能通過(guò)，仍形成通路。

為保證三相輸出電壓對(duì)稱，在旁路故障功率單元的同時(shí)，另外兩相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)功率單元也同時(shí)旁路。對(duì)于6kV的變頻器每相由7個(gè)功率單元串聯(lián)而成，當(dāng)每相1個(gè)單元被旁路后，每相剩下6個(gè)功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的859／6，輸出電流仍可達(dá)到100，輸出功率仍可達(dá)到85左右，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)速仍可達(dá)92以上，基本能維持生產(chǎn)要求，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3．2．2變壓器柜

主要包括為功率單元供電的移相變壓器，還有輸入側(cè)的電壓、電流檢測(cè)器件電壓互感器和電流互感器，以及溫度檢測(cè)器件溫控器。

3．2．3功率柜

柜內(nèi)主要對(duì)功率單元進(jìn)行組合，通過(guò)每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，得到非常好的PWM波形，dv／dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)需輸出濾波器，輸出電纜長(zhǎng)度長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉輪的機(jī)械應(yīng)力。柜內(nèi)還附帶輸出電流和電壓檢測(cè)功能。

3．2．4風(fēng)機(jī)

變壓器柜配置6臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，由溫控儀控制其起停，當(dāng)變壓器負(fù)荷增大，運(yùn)行溫度上升，當(dāng)繞組溫度達(dá)80℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻；當(dāng)繞組溫度低至70℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止風(fēng)機(jī)。當(dāng)變壓器繞組溫度繼續(xù)升高，若達(dá)到110℃時(shí)，系統(tǒng)輸出超溫報(bào)警信號(hào)；若溫度繼續(xù)上升達(dá)130℃，變壓器迅速跳閘。柜體上還設(shè)置了溫度顯示系統(tǒng)。功率柜根據(jù)功率大小配置2臺(tái)具有世界領(lǐng)先技術(shù)，德國(guó)進(jìn)口EBM一后向離心式冷卻風(fēng)機(jī)（裕量大，單臺(tái)容量占總排量的50）；如需將熱量直接排至室外，可增設(shè)風(fēng)道。

3．2．5控制柜

控制器核心由高速單片機(jī)和工控PC協(xié)同運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控PC提供友好的全中文Windows監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。

控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

5結(jié)語(yǔ)

從以上分析及運(yùn)行情況來(lái)看，在除塵風(fēng)機(jī)采用合康HIVERT-Y06/173高壓變頻器調(diào)速后，由變頻器直接控制電機(jī)，通過(guò)調(diào)速驅(qū)動(dòng)除塵風(fēng)機(jī)，提高傳動(dòng)效率。電機(jī)的電壓、電流明顯下降，電機(jī)輸入功率明顯減少。運(yùn)行工況點(diǎn)明顯改善，風(fēng)門可以全部打開(kāi)，完全由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，對(duì)生產(chǎn)操作極為方便、控制精度高、響應(yīng)速度快、而且合康HIVERT-Y06/173高壓變頻器調(diào)速時(shí)間可以任意設(shè)定，避免了全負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，使整個(gè)系統(tǒng)工作平穩(wěn)并有利于除塵風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，延長(zhǎng)使用壽命。節(jié)電率在20～70之間，具有巨大的節(jié)能效益。