柳钢中板厂加热炉助燃风机传动系统改造

伍 詟，潘佐云

(柳州钢铁股份有限公司中板厂，广西 柳州， 545002)

·技术改造·

柳钢中板厂加热炉助燃风机传动系统改造

伍 詟，潘佐云

(柳州钢铁股份有限公司中板厂，广西 柳州， 545002)

柳钢中板1#炉助燃风机改造采用西门子G130变频器做主驱动，索肯-和平软启动器做备用驱动，既实现了能源节约，降低对电网冲击；又保证改造过程顺利进行，缩短改造周期。系统投运正常，取得较好的效果。

G130变频；节能； 软启动

0 前言

柳钢中板厂1#加热炉助燃风机原电机为高压恒速电机，启动后靠调节风门开度调节输送风量，运行能耗大，启动过程对电网冲击也大，影响同一电源网络上其他设备的运行。为改善系统性能，降低能耗，减少对电网的冲击，利用厂内现有低压变频电机替代原高压电机，同时采用低压变频器作为主要驱动方式，软启动器作为备用驱动方式，对风机传动系统进行改造。为保证改造后传动系统操作与控制方式与原有2#、3#加热炉风机变频系统一致，增加设置PLC子站接入加热炉区域GE PLC系统网络，负责信号传递。这样就能保证操作人员操作习惯不受系统改造影响，缩短系统熟悉过程。

1 传动系统的构成与选型

1.1 风机变频节能与启动分析

加热炉根据炉温变化需调节助燃风机送风量，调节方式有2种：调节风门开度和调节风机转速。调节风门开度时，风机运行于工频转速，通过电磁调节阀控制风门开度；调节风机转速时，风门全开，通过变频器控制风机运行转速。

风机负载为二次方负载，负载转矩与转速的平方成正比，输出功率与转速三次方成正比。因此，调节风门开度时输出功率恒定，与工频转速的三次方成正比；而调节风机转速时输出功率随变频器输出频率变化，与变频转速的三次方成正比。故变频调速风机的输出功率大大降低，能很好的节约能源。

式中，Pf为变频输出功率；P0为工频输出功率；f为变频输出频率，低于50 Hz；f0为工频，50 Hz；

此外，由于交流电机启动段机械特性较软，电机直接启动电流可达到额定电流的7～14倍。采用软启动器传动电机方式，实质是通过工频降压方式改变电机机械特性，改善电机启动性能，降低启动电流到2～3倍电机额定电流。而采用变频器传动电机方式，则是采用变频变压方式进一步改善电机机械性能，从而能很好地控制电机输出转矩，大大降低启动电流到1～1.5倍电机额定电流。随着启动电流的降低，风机传动系统对电网的冲击影响得到减小。

为达到节能与降低对电网的冲击，正常运行时加热炉助燃风机采用变频传动方式，变频故障，应急运行时采用软启动传动方式，取消电机直接启动运行方式。

1.2 系统配置

系统采用1路进线，通过接触器分两路，选择接入软启动器与变频器主回路进线侧，软启动器与变频器输出侧通过接触器选择连接电机定子。软启动器配置外接旁路接触器，用于启动完成后短接软启动器内双向可控硅。变频器主回路设置进线电抗器，用于提高系统短路电抗，并过滤变频器电源侧电流谐波。设置变频器输出电抗器，用于过滤变频输出谐波，提高变频驱动能力，延长连接电机电缆长度。

选用上海索肯和平HP2DN型软启动器，该软启动器为基于先进的数字处理器的调压、限流式智能电机软启动器，能提供完美的控制及保护功能。

选用西门子G130系列低压交流变频器，该系列变频为西门子SINAMICS系列中面向高端应用、大功率交流调速器。其调速方式多样、接口方式灵活、集成功能多样。变频器配套1个控制单元，通过Drive-CliQ通讯连接功率单元与扩展模块，并标配有1个PROFIBUS通讯接口，直接接入PLC系统PROFIBUS-DP网络，实现相关数据传递。

设置1个VersaMax子站，通过GENIUS冗余网络接入加热炉电控PLC系统。VersaMax子站通过I/O模块连接软启动器、变频器与相关接触器、操作元件，实现信号采集与传递。

系统单线图如图1所示。

图1 加热炉助燃风机软启-变频传动系统单线图Fig.1 The single diagram of soft start and variable frequency drive system of heating furnace combustion fan

1.3 系统功能

软启动器带电机运行可实现限电流斜坡电压启动和定时软停止功能，变频器带电机运行则可实现电机启动、制动、停车及以设定频率运行等功能。软启动器在电机启动与旁路运行过程提供诸如过压、过流、过载与缺相等保护。变频器带电机过载、直流回路欠压、过压等保护功能。

软启动器与变频器两种传动方式可在柜门手动选择，也可由PLC系统根据运行情况自动选择。手动方式下，可在操作台与柜门实现软启动器启动、停止功能，也可实现变频器启动、停车、升速、降速等功能。自动方式下，变频器正常，则采用变频调速实现风压闭环；变频器故障，则启动软启动器，通过调节风门，实现风压闭环。

2 系统调试

2.1软启动器调试

如图2所示，软启动器主回路每相均通过双向可控硅连接进线电源与电机，通过控制双向可控硅触发角调节软启动器输出电压，输出频率为电网频率。双向可控硅全开通相当于电网电压直接接到电机上，为延长可控硅使用寿命，通过外部接触器短接可控硅两端实现电网与电机的连接。

图2 软启动器原理图Fig.2 The soft starter principle diagram

本系统软启动器采用限电流斜坡升压方式启动助燃风机，启动过程限制启动电流为2～4倍电机额定电流，并在设定时间tr内实现电机电压斜坡升高至电机额定电压。为保证一定时间内电机顺利启动，还需设置启动初始电压U0与脉冲电压时间tp，用于加大启动初始阶段电机启动力矩，克服静摩擦转矩。启动过程设定参数如图3所示。

图3 启动过程设置参数示意图Fig.3 Schematic diagram of setting parameters in starting process

此外还有软停止电压下降时间td，过压、过流、欠压、过载等保护参数的设置。电机启动过程软启动器提供限电流保护，启动完成，投入旁路继电器，软启动器根据检测的旁路运行电流，提供电机过载保护。

2.2 变频器调试

如图4所示，SINAMICS G130系列装机装柜变频器功率单元采用电压源交-直-交变频结构，主要组件包括6脉冲晶闸管全控整流桥、电压源直流环节电容器、IGBT逆变桥及直流回路预充电电路、风扇供电与控制等回路。

图4 G130变频器功率单元结构图Fig.4 The structure diagram of G130 converter power unit

SINAMICS G130变频器的通讯、开环和闭环控制功能由带CF卡的CU320-2DP控制单元执行。控制单元配置有连接上级系统Profibus-DP通讯接口、连接功率单元与扩展模块的DRIVE-CLiQ接口、可连接调试PC的RS232串行接口与以太网接口。同时，CU320-2DP控制单元既可实现恒U/f(VVVF)开环调速方式，也可以实现速度闭环矢量控制方式。其涉及的闭环矢量控制可以采用编码器实测速度反馈方式，也可采用无编码器的计算速度反馈方式。本系统为风机变频，采用VVVF开环调速方式即可，预留无编码器速度闭环矢量控制方式作为备选变频调速方式。VVVF变频调速方式输出电压-频率对应图如图5所示，图中Ue为电机额定电压，fe为电机额定频率，Ub为启动或加速过程加大转矩的提升电压。

图5 VVVF输出电压与频率对应图Fig.5 The corresponding diagram of VVVF output voltage and frequency

G130变频器的调试过程采用STARTER软件。该软件可实现变频参数设置、驱动优化、诊断及控制启停等测试功能。调试过程依次为：建立通讯-建立项目-设置电机参数-设置I/O参数-设置保护参数-传动优化-性能调整。对于集成有Drive-CLiQ通讯接口的设备，项目建立期间，STARTER软件能实现该设备的自动配置。对于变频传动系统的设置，可以通过参数表的方式进行查看、修改，也可以通过如图6所示的传动导航器(Drive Navigator)实现对控制链路的各个环节进行设定与监控，界面友好性很强。

传动优化过程包括电机数据计算、电机静态辨识与电机动态辨识，通过设置相关参数，并由人工适当使用变频器，变频器自动实现电机额定参数计算、等效电路阻抗冷态测量与传动性能参数动态调整。本系统主要采用VVVF调速方式，只需做自动计算与电机静态辨识；预留采用无编码器速度闭环矢量控制，则还需做电机动态辨识。传动优化时，通过STARTER软件自带的控制盘就地控制电机的启停；优化完成，可切换到I/O或者网络控制电机启停。

2.3 PLC调试

本系统PLC利用原有GE公司9030系列PLC，增加了传动子站，修改与增加了相关操作与控制的功能。程序主要包括软启动器、变频器的运行与保护，变频/软启切换操作逻辑，风门调节/变频调节控制与切换逻辑等。调试时，在保证程序能正常控制软启动器与变频器的运行后，先投内控、手动，再投入外控、自动，对压力闭环调节做了保留与调整。压力闭环调节结构图如图7所示。

图7 压力闭环调节结构图Fig.7 The structure diagram of pressure closed loop adjusting

3 结论

通过本次改造，实现了1#加热炉助燃风机软启动与变频器2种方式运行，大幅降低风机启动过程电流冲击。变频调速运行时，系统运行比较平稳，能量消耗大大降低，取得较好的效果。

[1] HPS2DN 数字式智能电机软启动器说明书[Z].索肯和平(上海)电气有限公司， 2012.

[2] SINAMICS G130/G150参数手册[Z].西门子(中国)有限公司,2012.

[3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：机械工业出版社, 2003.

[4] 王智堂.利用变频器调速调节风机风量和压力的节能措施[J]，流体传动与控制,2007(01) .

[5] 刘贡一.变频节能技术在青钢高线风冷线风机上的应用[J]，冶金自动化，2009(11) .

[6] 周祖庭.加热炉助燃风机变频改造和节能效果分析[J]，冶金自动化，2014(S1) .

[7] 刘雁飞，高鹏双，刘慧芬，等. 梅钢4号烧结机主抽风机变频软启动系统[J]，冶金自动化，2011(05) .

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-)，工程师，主要从事自动化及传动系统的设计、应用和维护工作。

TG155

A

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