柳鋼中板廠加熱爐助燃風機傳動系統改造

伍 詟，潘佐云

(柳州鋼鐵股份有限公司中板廠，廣西 柳州， 545002)

·技術改造·

柳鋼中板廠加熱爐助燃風機傳動系統改造

伍 詟，潘佐云

(柳州鋼鐵股份有限公司中板廠，廣西 柳州， 545002)

柳鋼中板1#爐助燃風機改造采用西門子G130變頻器做主驅動，索肯-和平軟啟動器做備用驅動，既實現了能源節約，降低對電網沖擊；又保證改造過程順利進行，縮短改造周期。系統投運正常，取得較好的效果。

G130變頻；節能； 軟啟動

0 前言

柳鋼中板廠1#加熱爐助燃風機原電機為高壓恒速電機，啟動后靠調節風門開度調節輸送風量，運行能耗大，啟動過程對電網沖擊也大，影響同一電源網絡上其他設備的運行。為改善系統性能，降低能耗，減少對電網的沖擊，利用廠內現有低壓變頻電機替代原高壓電機，同時采用低壓變頻器作為主要驅動方式，軟啟動器作為備用驅動方式，對風機傳動系統進行改造。為保證改造后傳動系統操作與控制方式與原有2#、3#加熱爐風機變頻系統一致，增加設置PLC子站接入加熱爐區域GE PLC系統網絡，負責信號傳遞。這樣就能保證操作人員操作習慣不受系統改造影響，縮短系統熟悉過程。

1 傳動系統的構成與選型

1.1 風機變頻節能與啟動分析

加熱爐根據爐溫變化需調節助燃風機送風量，調節方式有2種：調節風門開度和調節風機轉速。調節風門開度時，風機運行于工頻轉速，通過電磁調節閥控制風門開度；調節風機轉速時，風門全開，通過變頻器控制風機運行轉速。

風機負載為二次方負載，負載轉矩與轉速的平方成正比，輸出功率與轉速三次方成正比。因此，調節風門開度時輸出功率恒定，與工頻轉速的三次方成正比；而調節風機轉速時輸出功率隨變頻器輸出頻率變化，與變頻轉速的三次方成正比。故變頻調速風機的輸出功率大大降低，能很好的節約能源。

式中，Pf為變頻輸出功率；P0為工頻輸出功率；f為變頻輸出頻率，低于50 Hz；f0為工頻，50 Hz；

此外，由于交流電機啟動段機械特性較軟，電機直接啟動電流可達到額定電流的7～14倍。采用軟啟動器傳動電機方式，實質是通過工頻降壓方式改變電機機械特性，改善電機啟動性能，降低啟動電流到2～3倍電機額定電流。而采用變頻器傳動電機方式，則是采用變頻變壓方式進一步改善電機機械性能，從而能很好地控制電機輸出轉矩，大大降低啟動電流到1～1.5倍電機額定電流。隨著啟動電流的降低，風機傳動系統對電網的沖擊影響得到減小。

為達到節能與降低對電網的沖擊，正常運行時加熱爐助燃風機采用變頻傳動方式，變頻故障，應急運行時采用軟啟動傳動方式，取消電機直接啟動運行方式。

1.2 系統配置

系統采用1路進線，通過接觸器分兩路，選擇接入軟啟動器與變頻器主回路進線側，軟啟動器與變頻器輸出側通過接觸器選擇連接電機定子。軟啟動器配置外接旁路接觸器，用于啟動完成后短接軟啟動器內雙向可控硅。變頻器主回路設置進線電抗器，用于提高系統短路電抗，并過濾變頻器電源側電流諧波。設置變頻器輸出電抗器，用于過濾變頻輸出諧波，提高變頻驅動能力，延長連接電機電纜長度。

選用上海索肯和平HP2DN型軟啟動器，該軟啟動器為基于先進的數字處理器的調壓、限流式智能電機軟啟動器，能提供完美的控制及保護功能。

選用西門子G130系列低壓交流變頻器，該系列變頻為西門子SINAMICS系列中面向高端應用、大功率交流調速器。其調速方式多樣、接口方式靈活、集成功能多樣。變頻器配套1個控制單元，通過Drive-CliQ通訊連接功率單元與擴展模塊，并標配有1個PROFIBUS通訊接口，直接接入PLC系統PROFIBUS-DP網絡，實現相關數據傳遞。

設置1個VersaMax子站，通過GENIUS冗余網絡接入加熱爐電控PLC系統。VersaMax子站通過I/O模塊連接軟啟動器、變頻器與相關接觸器、操作元件，實現信號采集與傳遞。

系統單線圖如圖1所示。

圖1 加熱爐助燃風機軟啟-變頻傳動系統單線圖Fig.1 The single diagram of soft start and variable frequency drive system of heating furnace combustion fan

1.3 系統功能

軟啟動器帶電機運行可實現限電流斜坡電壓啟動和定時軟停止功能，變頻器帶電機運行則可實現電機啟動、制動、停車及以設定頻率運行等功能。軟啟動器在電機啟動與旁路運行過程提供諸如過壓、過流、過載與缺相等保護。變頻器帶電機過載、直流回路欠壓、過壓等保護功能。

軟啟動器與變頻器兩種傳動方式可在柜門手動選擇，也可由PLC系統根據運行情況自動選擇。手動方式下，可在操作臺與柜門實現軟啟動器啟動、停止功能，也可實現變頻器啟動、停車、升速、降速等功能。自動方式下，變頻器正常，則采用變頻調速實現風壓閉環；變頻器故障，則啟動軟啟動器，通過調節風門，實現風壓閉環。

2 系統調試

2.1軟啟動器調試

如圖2所示，軟啟動器主回路每相均通過雙向可控硅連接進線電源與電機，通過控制雙向可控硅觸發角調節軟啟動器輸出電壓，輸出頻率為電網頻率。雙向可控硅全開通相當于電網電壓直接接到電機上，為延長可控硅使用壽命，通過外部接觸器短接可控硅兩端實現電網與電機的連接。

圖2 軟啟動器原理圖Fig.2 The soft starter principle diagram

本系統軟啟動器采用限電流斜坡升壓方式啟動助燃風機，啟動過程限制啟動電流為2～4倍電機額定電流，并在設定時間tr內實現電機電壓斜坡升高至電機額定電壓。為保證一定時間內電機順利啟動，還需設置啟動初始電壓U0與脈沖電壓時間tp，用于加大啟動初始階段電機啟動力矩，克服靜摩擦轉矩。啟動過程設定參數如圖3所示。

圖3 啟動過程設置參數示意圖Fig.3 Schematic diagram of setting parameters in starting process

此外還有軟停止電壓下降時間td，過壓、過流、欠壓、過載等保護參數的設置。電機啟動過程軟啟動器提供限電流保護，啟動完成，投入旁路繼電器，軟啟動器根據檢測的旁路運行電流，提供電機過載保護。

2.2 變頻器調試

如圖4所示，SINAMICS G130系列裝機裝柜變頻器功率單元采用電壓源交-直-交變頻結構，主要組件包括6脈沖晶閘管全控整流橋、電壓源直流環節電容器、IGBT逆變橋及直流回路預充電電路、風扇供電與控制等回路。

圖4 G130變頻器功率單元結構圖Fig.4 The structure diagram of G130 converter power unit

SINAMICS G130變頻器的通訊、開環和閉環控制功能由帶CF卡的CU320-2DP控制單元執行。控制單元配置有連接上級系統Profibus-DP通訊接口、連接功率單元與擴展模塊的DRIVE-CLiQ接口、可連接調試PC的RS232串行接口與以太網接口。同時，CU320-2DP控制單元既可實現恒U/f(VVVF)開環調速方式，也可以實現速度閉環矢量控制方式。其涉及的閉環矢量控制可以采用編碼器實測速度反饋方式，也可采用無編碼器的計算速度反饋方式。本系統為風機變頻，采用VVVF開環調速方式即可，預留無編碼器速度閉環矢量控制方式作為備選變頻調速方式。VVVF變頻調速方式輸出電壓-頻率對應圖如圖5所示，圖中Ue為電機額定電壓，fe為電機額定頻率，Ub為啟動或加速過程加大轉矩的提升電壓。

圖5 VVVF輸出電壓與頻率對應圖Fig.5 The corresponding diagram of VVVF output voltage and frequency

G130變頻器的調試過程采用STARTER軟件。該軟件可實現變頻參數設置、驅動優化、診斷及控制啟停等測試功能。調試過程依次為：建立通訊-建立項目-設置電機參數-設置I/O參數-設置保護參數-傳動優化-性能調整。對于集成有Drive-CLiQ通訊接口的設備，項目建立期間，STARTER軟件能實現該設備的自動配置。對于變頻傳動系統的設置，可以通過參數表的方式進行查看、修改，也可以通過如圖6所示的傳動導航器(Drive Navigator)實現對控制鏈路的各個環節進行設定與監控，界面友好性很強。

傳動優化過程包括電機數據計算、電機靜態辨識與電機動態辨識，通過設置相關參數，并由人工適當使用變頻器，變頻器自動實現電機額定參數計算、等效電路阻抗冷態測量與傳動性能參數動態調整。本系統主要采用VVVF調速方式，只需做自動計算與電機靜態辨識；預留采用無編碼器速度閉環矢量控制，則還需做電機動態辨識。傳動優化時，通過STARTER軟件自帶的控制盤就地控制電機的啟停；優化完成，可切換到I/O或者網絡控制電機啟停。

2.3 PLC調試

本系統PLC利用原有GE公司9030系列PLC，增加了傳動子站，修改與增加了相關操作與控制的功能。程序主要包括軟啟動器、變頻器的運行與保護，變頻/軟啟切換操作邏輯，風門調節/變頻調節控制與切換邏輯等。調試時，在保證程序能正常控制軟啟動器與變頻器的運行后，先投內控、手動，再投入外控、自動，對壓力閉環調節做了保留與調整。壓力閉環調節結構圖如圖7所示。

圖7 壓力閉環調節結構圖Fig.7 The structure diagram of pressure closed loop adjusting

3 結論

通過本次改造，實現了1#加熱爐助燃風機軟啟動與變頻器2種方式運行，大幅降低風機啟動過程電流沖擊。變頻調速運行時，系統運行比較平穩，能量消耗大大降低，取得較好的效果。

[1] HPS2DN 數字式智能電機軟啟動器說明書[Z].索肯和平(上海)電氣有限公司， 2012.

[2] SINAMICS G130/G150參數手冊[Z].西門子(中國)有限公司,2012.

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Improvement on combustion fan drive system of heating furnace in middle plate of Liusteel

WU Zhe,PAN Zuo-yun

(Middle Plate Mill of Liuzhou Iron & Steel Co., Ltd., Liuzhou 545002,China)

This article involves the improvement on combustion fan drive system of No.1 heating furnace in Middle Plate Mill of Liuzhou Iron & Steel Stock Company. The improved system adopts SIEMENS G130 converter as main drive, and uses soft-starter made by SOLCOM & HAPN (ShangHai) Electric Co., Ltd. as spare drive. Thus not only saves the energy, reduces the shocks to electric net, but also ensures the improving process smooth, shortens the period. The improved system has been put into operation normally, the improving result is good.

G130 converter；energy-saving；soft-starter

2016-04-03；

2016-05-28

伍詟(1972-)，工程師，主要從事自動化及傳動系統的設計、應用和維護工作。

TG155

A

1001-196X(2016)04-0090-04