变频改造技术在冶金行业中的应用

1 引言

　　冶金行业是在国民经济中的比重非常大，是和中国的社会物质文明发展息息相关的重要产业。现代冶金企业的特点不同于其它行业的工业企业，都是规模较大，效益显著，连续、高效式地生产流程性企业。在冶金行业，企业员工的整体素质较高，企业信息化的意识较强。具备一定规模的钢铁企业基本上都已实现车间内的过程自动化控制系统，车间的生产已经高度的自动化，生产现场，有大量的现场设备需要进行控制。由于现场的环境非常恶劣——灰尘大、震动强、温度变化大，且需要24小时连续不断地运行，因此对生产现场控制设备较其他行业有更高的要求。

2 英威腾CH系列变频器在钢铁厂风机变频改造中的应用

　　2.1工况简介

　　大型冶金企业，如钢铁厂等，在生产过程中大量使用到风机，某钢铁厂风机工况如下描述： ★系统参数

　　加热时间：160 s

　　急冷时间：30 s

　　急冷风压（风门）：100～60 %开启

　　冷却时间：40 s

　　冷却风压（风门）：100 %开启

　　循环周期：160 s

　　★系统流程：

　　加热时间 -（急冷时间 + 冷却时间）=待机时间（待机时风机可有一定的小风）。

　　工作机组：2台315KW、1台280KW

　　1） 循环周期=加热时间 = 160 S

　　2） 工作流程：急冷时间 30 S （风门开启60～100%）à冷却时间 40 S （风门开启 100%） à 微风待机 à 缓慢加速至全速（8 S）。

　　注：Ⅰ）急冷时 315KW（2台）+ 280（1台）全部运行;

　　Ⅱ）冷却时 315KW（2台）停机，280KW（1台）运行;

　　Ⅲ）急冷时风机启动时间为2 S （可提前几秒缓慢加速至全速）;

　　2.2工况分析

　　在运行时所有风机都采用风门调节方式，大部分的能量都被消耗在风门挡板上了，且挡板的开度越小则耗能就更多。在一般情况下，采用挡板调节的风机其实际消耗功率与风量大致成正比，与风门的开度也大致成正比，从上述工况中的风门开度及电流参数也可以看出这一点。

　　对运行情况进行分析，可以得出一下两点：

　　（1） 风机实际风量约为额定风量的一部分，风机远离额定点运行，其实际运行效率很低。

　　（2） 由于挡板的存在，挡板前后存在压差，消耗了很大一部分能量。

　　所以可以从以上两个方面改善其运行工况，减小损耗，达到节能的目的。

　　挡板这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源为代价的。对于高压大功率电机，耗能则更大。当采用变转速调节时，其效率最高，因为风量随转速的一次方下降，而其轴功率则按转速的三次方规律下降，而目前性能最佳的调速方式则是国际上公认的交流变频调速技术。

　　2.3变频改造的节能分析

　　变频调速节能原理

　　从流体力学的原理得知，使用鼠笼型感应电机驱动的风机，轴功率P与风量Q，风压H的关系为： 当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:

　　

　　可见风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80%的额定风量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%。

　　如下图所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

　　当所需风量从Q1减小到Q2时，如果采用调节风门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比;如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt（P）与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。

　　考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机类通过调速控制可节能30%～60%左右。

　　变频改造节能分析

　　改造前工频运行功率计算公式：

　　

　　其中： U——电机电压，kV;

　　I——电机电流，A;

　　P1——单一负荷下工频运行功率，kW;

　　——单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。

　　改造后变频运行预计功率计算公式：

　　

　　——运行工况与额定工况下的效率、压力比，小功率电机取1，大功率电机取0.9

　　根据改造流量不变的原则，有Q1=Q2，其中Q2为改造后的流量。所以。再根据计算出P2。其中P2是变频改造后预计运行功率，η为变频装置的效率。

循环风机节能分析

　　循环风机改造前工频运行功率

　　根据厂家提供的数据可知改造前的运行功率为2台315kW风机. 1台280KW风机。

　　系统循环风机改造后变频运行预计功率

　　l 急冷时:（工时为30s，风门开度为60%-100%）

　　风门开度为（60%-100%）时运行,改为用变频调速,风门全开.则可节能约20%以上.

　　l 冷却时:（工时为40s）:

　　二台315KW风机风门为关闭况态.如用变频器把频率降到15HZ运行.节能效果可达70%以上.

　　一台280KW全风工作.则无节能效果.

　　l 待机时:（工时为160-30-40=90S）

　　二台315KW风机和一台280KW风机风门为关闭况态.如用变频器把频率降到15HZ运行.节能效果可达70%以上.

　　急冷时每小时节能:（315+315+280） ×0.85×20%=155度

　　冷却时每小时节能:（315+315） ×0.85×70%=375度

　　待机时每小时节能:（315+315+280） ×0.85×70%=541度

　　每天各周期占有率为:急冷时间占18.75%.冷却时间占25%.待机时间占56.25%.

　　则采用变频节能控制后每天节能为:

　　急冷时为:155×18.75%×24=697.50度

　　冷却时为:375×25%×24=2250度

　　待机时为:541×56.25%×24=7303.5度

　　按当地0.50元/度电价和全年330天运行时间计算

　　煤磨引风机每年节约电费约（697.5+2250+7303.5）×330×0.50=169万元

变频调速其他附加好处：

　　1. 网侧功率因数提高： 原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.8，实际运行功率因数远低于0.8。采用变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.96以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。

　　2. 设备运行与维护费用下降： 采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长;并且变频改造后风门开度可达100%，运行中不承受压力，可显著减少风门的维护量。

　　3. 用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机运行额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命增长。

　　4. 操作简单，运行方便。可通过计算机远程直接给定风量或风压等要求即可实现智能调节。

　　2.4系统控制方案

　　2.4.1 本地控制：利用系统控制器上的键盘、控制柜上的按钮、电位器旋钮等就地控制。

　　2.4.2 远方控制：系统提供数字和模拟输入接口，由DCS或上位机实现控制。

　　远方控制接口：

　　变频调速装置可以提供的数字量输出

　　（1） 报警及故障信息2路：（至控制系统，如DCS）

　　变频器轻故障综合报警，变频器重故障综合报警。

　　变频器总故障综合报警包括：变压器超温、变频器过流、系统故障等。

　　（2） 调速装置的状态信息2路.

　　待机状态、变频运行、停机状态、工频旁路/变频状态、就地/远方控制状态

　　变频调速装置可以提供的模拟量输出1路：（至控制系统，如DCS）

　　调速装置可以提供1路4～20mA/0～10V（可选）模拟输出，带负载能力均为400Ω。

　　一路代表变频装置输出频率或电机转速，4～20mA对应0～50Hz或0～额定转速，呈线性关系。

　　变频调速装置需要的数字量输入1路：

　　（1） 远端的控制信号：（来自控制系统，如DCS）

　　变频器启动、变频器停机、紧急停机、远程复归。（说明：调速装置的“远程控制”和“本地控制”由调速装置选择，当给定远程控制时，调速装置的控制权交给控制系统）

　　变频调速装置需要的模拟量输入1路：

　　远程控制时有现场给定值：

　　该给定值可以为4～20mA的电流源信号（带负载能力必须大于250Ω），也可以为0～10V的电压源信号（负载能力必须大于10mA）。

　　该给定值在远程控制时，作为调速装置的转速给定值，4mA～20mA或0V ～10V对应0Hz～50Hz或0～电机额定转速，呈线性关系。

　　本系统的外部的开关量输入接点要求全部为无源干接点;开关量输出的内部接点全部为无源干接点，接点容量均为AC220V/5A;模拟量信号全部为4～20mA。

　　2.5英威腾系列智能变频调速系统功能

　　2.5.1启动方式

　　英威腾系列智能变频调速系统具有正常启动和软起动两种方式：

　　正常启动方式：调速系统按正常方式启动后，闭环或开环运行于设定值。

　　软启动方式：对于大功率电机，采用此调速系统对电机进行无冲击电流启动，启动完成后电机切换至工频电源，完成电机的软启动。

　　2.5.2 运行方式

　　闭环控制：检测回路获得被控制量的实际值，与设定值比较，得到偏差信号。偏差信号经过PID调节来控制电机转速，调节被控制量，使之与设定值一致。

　　开环控制：选择开环控制，频率控制信号由频率设定方式给定，输出按照负载特性设定的几种压频比曲线方式控制电机运行。

　　2.5.3频率设定功能

　　运行频率设定方式包括：LCD面板设定、控制柜电位器设定、外部4～20mA或0～10V模拟信号输入给定、开关量频率升降给定、上位机给定等多种给定方式。

　　2.5.4 控制方式

　　本地控制：利用系统控制器上的键盘、控制柜上的按钮等就地控制。

　　远方控制：系统提供数字和模拟输入接口，由DCS或上位机实现控制。

　　2.5.5 参数设定功能

　　可以设定转矩提升、U/f加速曲线以适应不同的负载情况,可以设定多达3个共振频率躲避区域,可以按现场情况需要设定电机保护参数、输出量功能定义设置等。

　　2.5.6 故障报警与查询功能

　　具有故障报警和故障查询功能，提高故障排除效率，为用户维护提供方便。

　　2.5.7 运行状态记录与显示

　　英威腾系列智能变频调速系统具有自动记录运行状态和进行显示的功能，并对显示数据分类，方便日常维护。

　　2.5.8其他功能：

　　联动控制：英威腾系列智能变频调速系统可以根据用户需要提供联动控制功能，控制生产流程中其他部件。

　　编程运行：可以根据负载运行特性进行编程控制，实现最经济的运行方式。

　　2.6 英威腾系列智能变频调速系统产品特点

　　英威腾系列智能变频调速系统适用于标准三相交流电动机，具有以下的特点：

　　2.6.1 适用中国电网，抗电压波动能力强

　　电网输入侧电压在-15%～+15%范围内波动时，通过电压波动补偿算法来自动补偿输出，保证额定输出。网侧电压在65%额定值至120%额定值内不停机，保证电机持续运行。

　　2.6.2 SCP抗短路技术

　　从变频调速系统本身的安全运行出发，英威腾在主回路充分考虑了电机或是连接电机的电缆可能发生相间短路的情况而设置了三重短路保护功能，可有效保护电机及变频调速系统的安全。该主回路技术为本公司独创，并已申请了相关专利。在此技术的支持下可以确保每一台产品都能经过两相短路试验，进一步提高了运行可靠性。

　　2.6.3 专有核心STT技术（Speed Tracing Technology）

　　英威腾电气技术人员多年从事电机的运行及控制的研究工作，在这个基础上独创了“STT”算法，可确保电机在调速范围内的任何转速下，无需停车可直接启动英威腾系列智能变频调速系统。在这个算法的支持下，我们在操作变频调速系统时，就不用顾虑启动时电机的运行状态。这样就可以实现电机即时的启动和停止控制了。这也为用户的运行和维护带来了极大的方便。

　　2.6.4 断电恢复再启动

　　电网瞬时停电或发生瞬时可恢复性故障后，在允许运行的条件恢复后（允许等待的时间长度可由用户自行设定），英威腾 智能变频调速系统可自动搜索电机转速，实现无冲击再启动，保证电机运行的持续运行可靠性，避免不必要停机造成的损失。

　　2.6.5 软启动、无冲击电流

　　英威腾CH系列智能变频调速系统对电机进行软启动，具有线性和二次方曲线形式来控制电压-频率比，每种曲线形式有多条曲线供用户选择。起动时间由用户设定，内部设有加速过流限速功能，以确保电机启动的冲击电流，保证电机的安全运行。启动过程自动搜索电机转速，不必保证电机停转，能够实现对电网和电动机无过流冲击的快速启动。

　　2.6.6 智能化功能强

　　加减速自适应功能，在启停机时间设定不当的情况下系统自动调整时间;双屏直观显示;精确的故障定位功能，高达120项的实时监控点，提高故障排除效率;接口丰富、形式多样，与各种自动化设备和系统接口，满足各种现场不同的需求;远方频率给定信号具备断线报警和保护功能。

　　英威腾CH系列变频调速系统在冶金行业中风机类负载改造中应用十分成功。设备的节能预期与运行稳定度均得到了广泛认可。

3 CHV130工程型变频器拉丝类应用

　　CHV130工程型变频器是深圳英威腾电气公司针对拉丝加工专门研发的新型变频装置，优化的内置专用功能模块几乎涵盖了该行业所需的所有技术特点。以下以双变频细伸机为例简要描述该系列机型的特点及应用原理。

　　3.1 CHV130工程型变频器的特点

　　◆任意盘径下稳定启停;

　　◆加减速过程摆杆稳定，3000 米/分高速满盘运行摆杆波动也非常小;

　　◆张力摆杆轻抬轻放功能（启动时摆杆缓慢上升到零位;停机时，摆杆缓慢下沉到底位）即使超微线也不会断线;

　　◆大小盘转换功能，改变线盘后仍能保证同步;

　　◆断线刹车/手动刹车功能;

　　◆可通过张力摆杆位置检测断线，省去断线检测机构;

　　◆可利用盘径检测进行停机，省去计米表及计米接近开关;

　　◆参数设定简单，只设定一个用途参数便可开机运行;

　　◆断线急停时，变频器无“过压”保护现象;

　　◆ 完全矢量控制，强大低频力矩，不折不扣的功率输出。

　　3.2 接线图

　　3.3 工作原理

　　在《控制回路接线图》中，速度给定电位器WR1 向拉丝变频器VF1 提供频率给定。由“AI1”端输入的频率给定值经变频器上设置的加减速时间后产生频率输出。

　　拉丝变频器VF1 的启停由“S1”端控制。点动由“S2”端控制。

　　“S3”端为缓停控制端。当“S3”端与“COM”端闭合时，由“AI1”端输入的频率给定与后级接通。当拉丝机启动时，“S3”端与“COM”端接通，拉丝机按加减速时间加速至给定速度。当拉丝机缓停时，“S3”端与“COM”端断开，由“AI1”端输入的频率给定与后级断开，拉丝机按减速时间减速。当拉丝机减速至“零速”时，J2 释放，“S1”端与“COM”端断开。拉丝机按“惯性滑行停机”方式停机。

　　拉丝变频器VF1 的运行频率由高速脉冲输出口“HDO1”输出并接至收线变频器VF2 的高速脉冲输入口“HDI1”，作为收线变频器VF2 的频率给定（同步给定）。同时，张力电位器WR2 的反馈信号接至收线变频器VF2 的“AI2”端。在收线变频器内部，由“HDI1”端输入的同步给定与由“AI2”端输入的偏差反馈进行控制运算，产生收线变频器的运行频率。

　　收线变频器的启停由“S1”端控制。收线变频器的加减速时间应设置的较短（出厂值为0.3 秒），以便快速跟踪拉丝速度。由于收线变频器内部具有卷径计算及卷径保存功能，因而拉丝机在任何卷径下都可以平稳快速的启停。当停机更换空盘后，须对所保存的前卷径进行清零。卷径清零通过短接收线变频器VF2上的“S2”端与“COM”端进行。

　　通过短接拉丝变频器的“S4”端与“COM”端，可选择输出口“HDO1”的第2 输出增益，从而实现大小盘转换功能。

　　CHV130 张力型变频器具有轻抬轻放功能：启动后，张力摆杆缓慢上升到零位缓停。张力摆杆轻抬轻放功能可由内部参数禁止。在收线变频器内部设有刹车功能。在运行状态中，若“S4”端与“COM”端闭合，收线变频器的“RO2”端将输出5 秒（可设定）刹车命令。为防止启动时张力摆杆在底位时引起“S4”端与“COM”端闭合而刹车，内部启动延时参数保证不会误刹车。手动刹车通过闭合“S5”端与“COM”端进行。手动刹车无延时松刹功能，而是根据手动刹车命令交替刹车及松刹，以方便装卸盘。每次缓停时，当拉丝变频器VF1 频率降至“零速”频率（可设定）时或张力摆杆下落至底位时，执行自动刹车并延时松刹。在《继电回路接线图》中，J1 为启停控制继电器。J1 吸合，拉丝机开始启动加速。J1 释放，拉丝机开始缓停。J2 为运行状态继电器。拉丝机启动，J2 吸合。拉丝机缓停至“零速”、断线刹车或手动刹车时，释放J2。拉丝变频器及收线变频器的启停控制端均由J2 控制。J2 释放时，拉丝变频器及收线变频器按惯性滑行停机方式停止。继电器J3 为刹车驱动继电器。J3 的吸合和释放由收线变频器的“RO2”（刹车控制输出）端控制。继电器J4 为故障状态继电器。当拉丝变频器及收线变频器故障时，J4 吸合。J4 吸合时，引起J1 及J2 释放，运行状态终止。J5 为排线换向控制继电器。图中排线电机为低速同步电机。刹车电源未采用由降压变压器与整流桥构成的整流电源，而是采用既经济稳压性又好的开关电源，可避免因电网电压过高而烧毁刹车线圈。

　　CHV130系列变频器内部已实现参数组态建模，用户仅需根据工况设置一个用途参数即可实现复杂控制功能。给生产、调试带来极大便利。

　　另CHV130在冶金行业领域用途广泛，限于篇幅，此处不再累述。

结束语

　　随着自动化控制程度的不断提高，变频改造技术广泛应用于冶金领域的各个层面，在冶金行业起重类、轧钢线材类、电磁搅拌类、风机水泵类应用中，变频器及其附属装置的身影无处不在。无论是节能改造还是工艺改造中，变频调速技术起到了越来越重要的作用。