高爐助燃風機電機電氣控制研究與應用

牛銳

（河北鋼鐵集團承德分公司煉鐵廠，河北 承德 067001）

河北鋼鐵集團承德公司煉鐵廠高爐高爐助燃風機共有4臺水泵電機（450 kW，10kV），該電機原設計的啟動方式為直接啟動方式。而目前煉鐵廠的生產和工藝要求每天每臺電機至少要啟動八次至九次，并且每次的啟動電流都在6.3倍左右（現場實測數據），這樣頻繁的啟動致使電機燒毀的現象時有發生；從燒毀電機的解體狀況來看，燒毀的部分都在定子繞組與電機引出線的接點處或繞組與繞組之間的連接橋處。該設備的電氣控制系統利用電子開關柜控制，由于電子開關柜設備已運用多年，設備老化，系統穩定性不高，特別是電子開關柜抽屜的插頭和插座的配合，由于頻繁插拔，損壞比較快，由此而造成的生產停機時間較長，增加了生產的成本，而且增加了職工的勞動強度。因此可以判斷出直接啟動是電機燒毀的主要原因之一。

為解決以上問題，特別是要面對產量不斷增加的要求，根據生產實際和工藝要求決定對電氣系統進行改造，以提高收集設備的生產效率，適應生產的需要。

1 設計方案

針對驅動方式、啟制動時間、電機正反轉速度、工作效率以及雙機熱備等作了充分的考慮，具體方案是：

（1）淘汰原有傳動方式，改用變頻器控制運行，使電機運行速度可調，啟制動時間可調，減小對機械和電氣設備的沖擊。為了提高設備運行的可靠性，我們采取了雙機熱備的形式，只要變頻器發生問題，值班人員可以把變頻器切除，投入接觸器運行，以保證卷取控制系統盡快恢復生產。

（2）通過接觸器控制和開關切換，實現雙機在線熱備，兩套系統的切換速度小于1.5分鐘。把對熱線生產時間的延誤盡可能減到最小。

（3）控制信號進入PLC,其信號連鎖由PLC處理，去掉110V電源，并把24V和220V線路分開使用，提高了設備運行的安全性，并作操作臺和系統控制室之間的連鎖，提高操作人員的操作安全系數。

（4）對油泵電機進行變頻改造，可以起到節能的目的。由于節能主要與軋制工藝過程相關，做出一個準確的計算比較困難，一般來說，經過改造油泵電機可以節能在30%～50%之間。

2 電機參數測試

圖1所示電機運行過程中電流實測曲線，可見工作過程中，電流除了隨傾動角度的變化而變化以外，在各起制動及速度變化時間點會出現明顯的沖擊尖峰現象，并且沖擊過程中電流的波動幅度遠大于穩定運行時的電流值，顯然，電流最大值為沖擊時電流峰值。通過比較發現，出渣時電流的峰值最大，且四臺電機的峰值電 流 分 別 為 ：235.8A、204.8A、218.3A、206.8A。

3 改造措施

3.1 變頻器閉環控制改造

圖1 電機電流實測曲線

變頻控制系統原設計僅有變頻器電流內反饋閉環控制，電機抗擾穩速性能差，是減速機產生劇烈晃動的原因之一。國內同行如天鐵集團采用的是帶編碼器速度反饋的速度閉環控制，其每臺電機通過編碼器將速度反饋給變頻器，當負載變化影響電機轉速時，變頻器能夠很好的調整輸出，保持電機恒速，使電機具有良好的抗擾穩速性能。但目前我廠的現狀是，電機未設計編碼器接手，安裝編碼器必須全部更換新電機，而且型鋼煉鋼廠建設時未嚴格按照變頻器EMC導則進行設計施工，電機距變頻器距離長，信號線、電機線混放且接地系統不完善，改造使用編碼器速度反饋可能存在強烈的信號干擾，埋有更大的事故隱患，因此采用待編碼器反饋的速度閉環控制不適合在我廠應用。經過反復研究變頻器功能圖，結合現場實測，在輸出頻率5Hz以上時變頻器內部檢測的速度反饋值與實際電機速度差別不大，完全可以用變頻器自身檢測的速度反饋代替編碼器速度反饋，實現速度內反饋閉環控制。因現場基本用不到5Hz以下的運行頻率，速度內反饋閉環控制完全可以代替速度外反饋閉環控制，且實際應用效果良好。

3.2 西門子矢量型變頻器初始化參數優化

要消除高速制動，首先必須將保證電機速度減速至接近零速時控制抱閘抱死，同時還必須避免減速時間過長導致爐子停不住產生下滑現象。研究變頻器矢量大全中關于減速功能方面的參數設置，P464減速時間的設置對減速快慢起決定性作用。但在實際調試過程中，無論如何修改減速時間的大小，實際減速時變頻器并未按設定曲線減速，而像是自由停車，即系統不能實現設定的減速時間。經過系統排查分析，我們人為變頻器本身不存在硬件問題，變頻器減速時間不起作用的原因應該與變頻器初始化參數設置不正確有關。因此利用定修的機會，我們將四臺電機全部脫開，重新做了電機自學習，對變頻器初始化參數進行了重新優化。電機辨識及優化功能全部實現后，將電機連接上減速機，帶負載進行調試。調試結果顯示，變頻器可以正常按設定減速曲線減速，功能良好。經過反復試驗，將變頻器P464減速時間設定為1.5S，實際動作時，電機從最高速開始停車，減速至接近零速的時間為1.5S以內，完全滿足控制要求。

3.3 優化抱閘控制程序

重新設計PLC抱閘控制程序，要求抱閘得電條件為一主兩從變頻器抱閘打開信號輸出；抱閘失電條件為一主兩從變頻器抱閘打開信號取消或有停止信號后PLC延時3S強制抱閘失電。程序修改后抱閘動作條件全部交給變頻器分析判斷，為提高系統可靠性，變頻器控制抱閘信號未直接控制抱閘接觸器動作，而是首先接入PLC，經過PLC分析必要條件滿足后再輸出控制抱閘接觸器。PLC保留緊急情況下急停功能和變頻器停止后延時3S強制抱閘失電功能，確保在異常情況下抱閘可靠抱死。設置合適的變頻器抱閘控制參數，并調試滿足設備平穩運行的要求，啟動：閥值選擇力矩參數，閥值力矩值必須設置準確，既要杜絕各個位置啟動發生點頭還要保證啟動無沖擊，經過反復調試選擇力矩閥值為5%額定值，延時時間為0S；制動：閥值選擇速度參數，理想狀況下速度閥值為零速，但考慮抱閘制動過程有時間，速度降落時力矩要保持滿力矩防止下滑，因此速度閥值的設定必須慎重，經過反復試驗和分析歷史曲線，選擇速度閥值為7%額定值，可以保證制動輪停止的同時抱閘可靠抱死。

3.4 改變變頻器主從控制方式解決電機速度不同步

改造后抱閘失電抱死時，變頻器速度反饋值已降低至很小，現場觀察基本接近零速，但存在的問題是制動時明顯可以觀察到有的電機對輪要反轉一下，減速機仍然有較強烈震動，由改造前的縱向衰減震動變為了橫向振動，對減速機沖擊仍然十分大。經過分析，從曲線也可以看到，減速期間四臺電機速度不同步，特別是有的電機速度還反向，這是造成電機反轉、減速機橫向振動的根本原因。

速度不同步的原因我們分析是由于四臺變頻器固定采用主從控制方式，主變頻器為速度控制，從變頻器跟隨主變頻器是力矩控制，即四臺變頻器力矩始終保持一致，而速度不受控。正常轉動期間因四臺電機相當于同軸連接，因此速度可以保持基本一致，但在制動減速期間，因載荷變化劇烈，四臺電機減速特性不完全相同，因此若仍然采用力矩同步控制，必然導致速度不一致現象發生，在不同載荷的情況速度不一致的程度不盡相同，反映到負荷端，即發生上述異常現象。要消除此現象，只能從改變變頻器主從控制方式入手，曾做試驗取消變頻器主從控制，四臺全改為速度控制，四臺電機力矩不受控產生的嚴重后果是電機不同步導致變頻器頻繁過流故障，無法正常使用。經過研究變頻器矢量大全，制定了可靠的解決方案：取消各臺變頻器固定的主從參數設定，改為由PLC通訊控制字控制；編寫PLC程序（截圖所示）自動判斷爐子進入減速制動狀態，從變頻器控制字相應位置0，變頻器自動切換為速度控制；程序自動判斷制動結束，將從變頻器的控制字相應位置1，主變頻器控制字狀態保持不變，變頻器自動切換回主從控制方式。按此方式改造，啟動及運行期間主從控制方式保證四臺電機力矩同步，減速期間速度控制方式保證四臺電機速度保持一致，徹底解決了制動時電機速度不同步的現象，減速機停車制動變得十分平穩，高速停車時減速機也無振動現象發生。

結語

本文研究了河北鋼鐵集團承德公司煉鐵廠高爐高爐助燃風機電機的電氣控制特點，通過淘汰原有傳動方式，改用變頻器控制運行，使電機運行速度可調，啟制動時間可調，通過在變頻器安裝制動電阻，使電機的啟動電流變少，減小對機械和電氣設備的沖擊，設備可靠性高。把對熱線生產時間的延誤盡可能減到最小，保證了正常的生產，滿足了快節奏生產的需要。減少了職工的勞動強度，提高了工作效率，而且還可以起到節能的效果。

[1]陳伯時.電力拖動與自動控制原理[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]李剛.變頻器控制原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2000.