楊海平

1.概述

交流變頻技術(shù)是電氣傳動(dòng)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)，它不僅調(diào)速曲線平滑，調(diào)速范圍廣，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果好，效益高，是風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的一項(xiàng)最佳節(jié)能技術(shù)，尤其是大功率設(shè)備、節(jié)能可以達(dá)到30%以上。目前，變頻調(diào)速技術(shù)正廣泛應(yīng)用于低壓（380V）電動(dòng)機(jī)，但在中壓（3000V-10000V）、高壓（10000V以上）電動(dòng)機(jī)尚未得到推廣。

轉(zhuǎn)爐煉鋼具有顯著的的周期性和連續(xù)性特點(diǎn)，生產(chǎn)一爐鋼需要30min -45min，其中供氧（吹煉）過程為15min -20min，一半以上為非吹煉時(shí)間，此時(shí)風(fēng)機(jī)沒有必要高速運(yùn)行，如將其切換至低速節(jié)能狀態(tài)，可節(jié)省大量能源，同時(shí)也減少設(shè)備損耗。目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐一次除塵多采用液力耦合器，但由于存在轉(zhuǎn)差損耗等，節(jié)能效果不理想，且設(shè)備故障率較高。宣鋼煉鋼廠在120噸轉(zhuǎn)爐采用了業(yè)界比較認(rèn)同的西門子羅賓康完美無諧波變頻器，整個(gè)系統(tǒng)操作簡單，工作穩(wěn)定，完全滿足了工藝要求，并在節(jié)能降耗上效益顯著。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

(1)高性能矢量控制和無速度傳感器矢量控制，開環(huán)轉(zhuǎn)速精度達(dá)0.5%，起動(dòng)力矩超過150%。

(2)輸入和輸出諧波極少(18脈沖整流、7電平逆變)，輸入可符合IEEE 519-1992及高于中國國標(biāo)GB14549-93對(duì)諧波失真的要求。

(3)適應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)要求，電網(wǎng)電壓可下降至55%，變頻器仍能繼續(xù)工作而不跳機(jī)。

(4)30%-100% 的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過0.95的功率因數(shù)。

(5)變頻裝置對(duì)輸出電纜長度無任何要求，對(duì)電機(jī)沒有特殊的要求。

(6)變頻裝置轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，同時(shí)避免風(fēng)機(jī)喘振或水泵水錘現(xiàn)象，可以自動(dòng)跳過共振點(diǎn)。

(7)變頻器最大可承受45%的電網(wǎng)電壓下降。瞬時(shí)失電5個(gè)周期可滿載運(yùn)行不跳閘，輕載時(shí)時(shí)間更長。

3.工藝特點(diǎn)

煉鋼的工藝過程以及風(fēng)機(jī)特性是選擇變頻器的主要依據(jù)。

(1)煉鋼的工藝過程特性。宣鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)吹工藝，在吹煉過程中爐膛內(nèi)產(chǎn)生大量的煙氣，用風(fēng)機(jī)抽取煙氣經(jīng)一文、二文水過濾除塵。大部分國內(nèi)廠家采用液力耦合器以降低電能，但效果不佳，如果采用變頻調(diào)速，通過網(wǎng)絡(luò)通信，可根據(jù)爐前吹煉狀況及時(shí)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量，不但方便有效，還可節(jié)省大量的電能。

(2)風(fēng)機(jī)的工作特性。調(diào)速控制與風(fēng)門控制調(diào)節(jié)風(fēng)量比較，有著明顯的節(jié)能效果，通過圖1風(fēng)機(jī)的特性曲線可以說明其節(jié)能原理。圖中，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速(n1)下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性，曲線2為管網(wǎng)風(fēng)阻特性（風(fēng)門開度全開）。設(shè)工作點(diǎn)為A，輸出風(fēng)量Q1為100%，此時(shí)風(fēng)機(jī)軸功率N1與Q1H1的乘積面積AH1OQ1成正比。

根據(jù)工藝要求，風(fēng)量需從Q1降至Q2，有兩種控制方法：一是風(fēng)門控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)風(fēng)門（開度減?。?，即增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變?yōu)榍€3，系統(tǒng)工作點(diǎn)由A移到B。由圖可見，風(fēng)壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比，減少不多。

另一種是調(diào)速控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性，如曲線4，工作點(diǎn)由原來的A點(diǎn)移到C點(diǎn)?？梢娫谙嗤L(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比，節(jié)省的功率損耗ΔN與Q2ΔH的乘積面積成正比，節(jié)能效果是十分明顯。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其功率低很多。例如，風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%，軸功率將下降到額定功率的51%。如果風(fēng)量下降到50%，功率將下降到額定功率的12.5%。考慮到附加控制裝置效率的影響，節(jié)電效果很可觀。

4.系統(tǒng)調(diào)試

(1)增加啟動(dòng)時(shí)間，減少啟動(dòng)負(fù)荷。啟機(jī)一般都在轉(zhuǎn)爐吹煉之前，此時(shí)管路內(nèi)的空氣為冷態(tài)（冷態(tài)空氣密度比熱態(tài)空氣密度要大），達(dá)到相同出口風(fēng)量時(shí)，勢(shì)必會(huì)多做功，系統(tǒng)負(fù)荷加重。為減少風(fēng)量，將機(jī)前調(diào)節(jié)閥開度打到允許范圍內(nèi)的最小程度，約10°，轉(zhuǎn)爐二文喉口調(diào)節(jié)閥設(shè)定為12°。整個(gè)啟動(dòng)過程中風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量可控制在20000m3/h以內(nèi)。

(2)由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)工況比較特殊，在此期間會(huì)發(fā)生短時(shí)電流超過額定電流1.3倍左右（額定電流：175A，峰值電流：210A）。經(jīng)過多方查證，認(rèn)為這是變頻器允許的。變頻器對(duì)短時(shí)過電流的保持時(shí)間可做調(diào)節(jié)，最大值為30s，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，12s滿足需要。

(3)由于宣鋼煉鋼廠高壓電網(wǎng)經(jīng)常產(chǎn)生波動(dòng)，使得變頻器35KV過電壓故障出現(xiàn)次數(shù)較多，需進(jìn)行內(nèi)部復(fù)位，之后將變頻器輸入電壓范圍由原來的±5%改為±10%后故障消除。

(4)由于PLC系統(tǒng)選用的是施耐德公司的產(chǎn)品，而變頻器是西門子廠家生產(chǎn)，在投產(chǎn)初期經(jīng)常出現(xiàn)通信連接不上等問題，這就使得變頻器必須直接從操作臺(tái)上取風(fēng)機(jī)的高/低速開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的高/低速轉(zhuǎn)換控制。這樣操作工相當(dāng)于手動(dòng)控制，而且還必須由爐前操作工通知當(dāng)前轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)狀態(tài)才能進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)高/低速轉(zhuǎn)換動(dòng)作，給生產(chǎn)帶來了很大的不便。針對(duì)這一問題，購置了一塊第三方網(wǎng)橋模塊，通過對(duì)該模塊的配置，建立了以網(wǎng)橋?yàn)橹髡?，變頻器為從站的通信模式，這樣相應(yīng)的就在原來的控制程序中只需作簡單的配置，PLC將采集到的信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部處理后向變頻器發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)指令，變頻器經(jīng)過處理實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高/低速調(diào)速過程，從而完成了西門子變頻器與施耐德PLC之間的通信，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)隨轉(zhuǎn)爐兌鐵和出鋼完畢的高低速自動(dòng)轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程無需人工干預(yù)，不僅降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也為后來的轉(zhuǎn)爐煤氣自動(dòng)回收提供了條件。

5.應(yīng)用效果

宣鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐一次除塵風(fēng)機(jī)吹煉時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為1000r/min，電機(jī)電流平均值I1=100A；非吹煉時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度為600r/min，電機(jī)電流平均值I2=40A；風(fēng)機(jī)每年運(yùn)行時(shí)間330天，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，每爐吹煉周期35min，其中17min為吹煉時(shí)間，18min為等待時(shí)間。一座轉(zhuǎn)爐每天平均生產(chǎn)40爐鋼，每天吹煉時(shí)間11.3小時(shí)，非吹煉時(shí)間12.7小時(shí)，風(fēng)機(jī)高速時(shí)（吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率596KW，風(fēng)機(jī)低速時(shí)（非吹煉狀態(tài)）電機(jī)消耗平均功率143KW，采用變頻器全天用電量8551 KWh，不采用變頻器，用電量與風(fēng)機(jī)始終高速運(yùn)行相差無幾，為14304 KWh，按此計(jì)算，一臺(tái)風(fēng)機(jī)一年可以節(jié)省電費(fèi)75.9萬元。

6.結(jié)束語

變頻器應(yīng)用于風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有很大的推廣價(jià)值。應(yīng)用西門子羅賓康完美無諧波變頻器后，120噸轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的高低速自動(dòng)轉(zhuǎn)換，使得一次除塵系統(tǒng)故障率降低，減少了轉(zhuǎn)爐停吹的次數(shù)。與國內(nèi)同類型鋼廠比較，采用變頻器進(jìn)行調(diào)速的轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)故障時(shí)間平均每天減少20min，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標(biāo)。