摘要： 本文分析了變頻器在電力拖動系統(tǒng)中的作用，介紹了鞍鋼燒結廠主抽風機系統(tǒng)的方案，探討了使用的A-B PowerFlex7000中壓變頻調(diào)速裝置的結構、保護配置和特點。通過應用效果分析，表明該中壓變頻器在冶金工業(yè)中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞： 燒結;變頻;A-B
一、引言
變頻調(diào)速能夠應用在大部分的電機拖動場合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應用可以大大地提高工藝的高效性(變速不依賴于機械部分)，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。
二.變頻器的功能
下面例舉使用變頻調(diào)速的1 0個理由，來說明變頻器應用日趨普及的基本認識:
(1) 控制電機的起動電流。
當電機通過工頻直接起動時，它將會產(chǎn)生7到8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調(diào)速則可以在零速零電壓起動(當然可以適當加轉(zhuǎn)矩提升)。一旦頻率和電壓的關系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調(diào)速能充分降低起動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應增加。
(2) 降低電力線路電壓波動。
在電機工頻起動時，電流劇增的同時，電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于起動電機的功率大小和配電網(wǎng)的容量。電壓下降將會導致同一供電網(wǎng)絡中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常，如PC機、傳感器、接近開關和接觸器等均會動作出錯。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時逐步起動，則能最大程度上消除電壓下降。
(3) 起動時需要的功率更低。
電機功率與電流和電壓的乘積成正比, 那么通過工頻直接起動的電機消耗的功率將大大高于變頻起動所需要的功率。在一些工況下其配電系統(tǒng)已經(jīng)達到了最高極限，其直接工頻起動電機所產(chǎn)生的電涌就會對同網(wǎng)上的其他用戶產(chǎn)生嚴重的影響, 從而將受到電網(wǎng)運行商的警告, 甚至罰款。如果采用變頻器進行電機起停, 就不會產(chǎn)生類似的問題。
(4) 可控的加速功能。
變頻調(diào)速能在零速起動并按照用戶的需要進行平滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇(直線加速、S形加速或者自動加速)。而通過工頻起動時對電機或相連的機械部分軸或齒輪都會產(chǎn)生劇烈的振動。這種振動將進一步加劇機械磨損和損耗，降低機械部件和電機的壽命。另外，變頻起動還能應用在類似灌裝線上，以防止瓶子倒翻或損壞。
(5) 可調(diào)的運行速度。
運用變頻調(diào)速能優(yōu)化工藝過程，并能根據(jù)工藝過程迅速改變，還能通過遠控PLC或其他控制器來實現(xiàn)速度變化。
(6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限。
通過變頻調(diào)速后，能夠設置相應的轉(zhuǎn)矩極限來保護機械不致?lián)p壞，從而保證工藝過程的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。目前的變頻技術使得不僅轉(zhuǎn)矩極限可調(diào)，甚至轉(zhuǎn)矩的控制精度都能達到3% ~5%左右。在工頻狀態(tài)下，電機只能通過檢測電流值或熱保護來進行控制，而無法像在變頻控制一樣設置精確的轉(zhuǎn)矩值來動作。
(7) 受控的停止方式。
如同可控的加速一樣, 在變頻調(diào)速中, 停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇(減速停車、自由停車、減速停車+直流制動)，同樣它能減少對機械部件和電機的沖擊，從而使整個系統(tǒng)更加可靠，壽命也會相應增加。
(8) 節(jié)能
離心風機或水泵采用變頻器后都能大幅度地降低能耗，這在十幾年的工程經(jīng)驗中已經(jīng)得到體現(xiàn)。由于最終的能耗是與電機的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后投資回報就更快，廠家也樂意接受。
(9) 可逆運行控制
在變頻器控制中，要實現(xiàn)可逆運行控制無須額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣就能降低維護成本和節(jié)省安裝空間。
(10) 減少機械傳動部件
由于目前矢量控制變頻器加上同步電機就能實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出, 從而節(jié)省齒輪箱等機械傳動部件, 最終構成直接變頻傳動系統(tǒng)。從而就能降低成本和空間, 提高穩(wěn)定性。
三.PowerFlex7000中壓變頻器
AB高壓變頻器使用CSI-PWM技術，此技術已獲得多于2,400,000匹馬力現(xiàn)場安裝運行記錄的驗證。羅克韋爾自動化/AB 是中/高壓馬達驅(qū)動裝置的主要供應商，其產(chǎn)品電壓等級可從2300V到 6900V ，功率高達 16,000匹馬力。CSIPWM集電流源逆變功率結構及脈寬調(diào)制模式的優(yōu)勢于一體，創(chuàng)造了與傳統(tǒng)六步方波電流源變頻截然不同的產(chǎn)品。CISPWM使用很少功率器件，系統(tǒng)簡單可靠?？刂撇呗詾閹Щ虿粠y速反饋的直接矢量控制，其運行效果近似直流驅(qū)動裝置，遠遠優(yōu)于電壓/頻率定比變頻器。主要特點如下：
? 可靠性高：AB CSI-PWM高壓變頻器品采用6500V/1500A的高壓SGCT器件，器件數(shù)量少，耐壓及電流裕量大。變頻器電壓等級高，變頻電流小，器件開關損耗少，設備安全可靠。
? 輸入波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器的輸入側(cè)采用多脈沖(18脈沖) 整流器。18脈沖整流器可對17次以下的高次諧波進行有效的抑制，總體諧波畸變 THD小于5%，不需諧波分析及外加濾波環(huán)節(jié)，可直接滿足IEEE519-1992及國標的諧波抑制標準。
? 輸出波形好：AB CSI-PWM高壓變頻器無需增加任何選項，可直接輸出完美的正弦電壓和電流波形，不存在轉(zhuǎn)矩脈動，無潛在共振問題。逆變時無dv/dt 及di/dt的產(chǎn)生，諧波畸變THD小于5%，可直接拖帶普通高壓電動機，電機無額外溫升，連接變頻器及電機之間的距離可長達15km。
? 四象限運行：AB CSI-PWM高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況 (發(fā)電機運行狀態(tài))下負載反饋回的能量回送電網(wǎng), 利用再生制動快速降低電機轉(zhuǎn)速。電流型變頻器具有電流內(nèi)環(huán)，可利用強大的電流控制能力快速調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，特別適用需頻繁快速調(diào)節(jié)的大慣性負載(風機)的控制。
? 使用簡單：AB CSI-PWM高壓變頻器使用大屏幕液晶顯示的操作員終端, 中文界面。變頻器的狀態(tài)、輸入輸出變量、自診斷結果、故障報警均可顯示在屏幕上, 信息量大。通過終端上的鍵盤，可輕松對變頻器進行參數(shù)設置及工作方式的組態(tài)。
? 維護方便：AB CSI-PWM高壓變頻器使用高集成度的SGCT器件及專利產(chǎn)品 PowerCage機架，提高了系統(tǒng)模塊化程度，友善的人機界面提供了所有的維護信息，從而保證了功率模塊的更換時間小于5分鐘。
? 通訊能力強：AB CSI-PWM高壓變頻器總共提供16個數(shù)字量DI接口及16個數(shù)字量DO接口，根據(jù)用戶需要，變頻器可提供4-20mA或4-10V模擬量輸入輸出接口。變頻器可配置各種數(shù)據(jù)串行通訊接口，提供開放的網(wǎng)絡與廠級監(jiān)控設備 (DCS，PLC，值班室操作站)進行通訊。變頻器內(nèi)的變量、參數(shù)可傳給其他監(jiān)控設備進行記錄、顯示或參與控制。變頻器通訊接口選項豐富，用戶可根據(jù)需要選其中之一，如 ：DeviceNet, Profi bus， Modbus，Remote IO, ContrlNet及RS- 232/485等。
四.燒結工藝
原料廠鐵礦粉、富精粉、燃料、溶劑按比例混合，然后送圓筒混料機進行二次混勻和造球，由皮帶運輸機送到燒結機混料倉，完成供料工藝。鋪底料裝置先把底料(原塊礦，粒度為10-20mm) 均勻的鋪在臺車的篦條上，混好的料由布料器鎮(zhèn)靜文不對題底料上進行點火燒結，從臺車上的燒結礦翻到單輥破碎機進行破碎。通過漏斗溜到設在下層平臺的熱振動篩中進行篩分，≥5mm的合格燒結礦通過溜槽溜到儲礦槽，供高爐使用。≤5mm的粉礦，通過配料皮帶機進行重新配料，燒結過程產(chǎn)生的廢氣，除塵器除塵后，經(jīng)風機抽入煙囪，排入大氣。
其中抽風除塵系統(tǒng)由降塵管、旋風除塵器、多管除塵器、水除塵器、主抽風機、管路及煙囪組成。在燒結抽風過程中產(chǎn)生的煙氣及灰塵和抽風冷卻過程中產(chǎn)生的廢氣及灰塵(灰塵約0.5-3g/立方米)通過風箱進入降塵管，降塵管(50mm 以上)除掉，經(jīng)除塵客除塵后的煙氣及灰塵進入除塵器進行二次除塵，灰塵經(jīng)除塵器的卸灰閥排到運輸小車上運到配料室料倉參與配料。機尾除塵系統(tǒng)由多管除塵器、抽風機及煙囪組成。燒結礦翻入單輥破碎機進行破碎和熱礦篩，篩分時所產(chǎn)生的灰塵通過多管除塵器塵后由煙囪排入大氣。
五.方案介紹
鞍鋼鲅魚圈燒結有二臺405M2燒結機，兩臺燒結機是分開的。每個燒結機有兩臺主抽風機，風機為SJ21000，對應電機為7800KW同步有刷電機，兩臺主抽風機同時工作燒結機才能生產(chǎn)。風機室是分別獨立的兩個風機室，有兩個高壓變電所。
每臺燒結機各安裝1套RA的中壓變頻器，主要功用是做軟起動。在正常情況下每臺燒結機由自身的變頻器分別起動兩臺風機，在一臺變頻器發(fā)生故障時，由另一臺變頻器起動另一系統(tǒng)的兩臺風機。所以本系統(tǒng)要完成1拖4，并且要完成2臺1拖4互為冗余，該系統(tǒng)實現(xiàn)的難度是非常大的，也是亞太地區(qū)唯一的1 拖4系統(tǒng)。
在整體鲅魚圈燒結涉及到RA及國內(nèi)產(chǎn)品主要有：RA-MV提供2臺PF7000- 430A變頻器、4臺同步電機勵磁系統(tǒng)、 2臺6KV變頻輸出開關柜，1套高壓柜切換控制系統(tǒng);鞍山海匯提供了2套(4 臺)6000KVA的干式變壓器、2套風機儀控保護系統(tǒng)、4套風機振動監(jiān)測系統(tǒng) (ENTEK)、風機室一次檢測儀表、2套 HMI、2套手自動切換和控制的操作臺、 28套Point I/O(高壓柜切換控制);為了滿足生產(chǎn)調(diào)試和維護的需要，我們提供了1 套高壓柜切換控制系統(tǒng)、大風機設備狀態(tài)監(jiān)測診斷管理系統(tǒng)。
1.系統(tǒng)集成架構
2. 中壓變頻器及切換控制系統(tǒng)設計
3. 風機儀控系統(tǒng)設計
4. 風機振動監(jiān)測系統(tǒng)設計
5. HMI設計
鲅魚圈燒結主抽風機監(jiān)控系統(tǒng)共包括六大部分：風機狀態(tài)監(jiān)控、歷史趨勢、報警匯總、報警值設定、變頻控制狀態(tài)、風機稀油潤滑裝置?？蓪崿F(xiàn)風機的起?？刂萍盃顟B(tài)監(jiān)測等功能。
6. 設備狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)設計
以上頻譜圖表明：
1) 所有測點的主要振動均出現(xiàn)在工頻(1000rpm)附近，其它振動分量很小，說明風機系統(tǒng)對中良好。所有測點的主振動尖峰值均小于系統(tǒng)報警點，說明風機系統(tǒng)滿足正常運轉(zhuǎn)要求。
2) 電機側(cè)水平振動自由端大約 2.5，負荷端大約3.5，振動值偏高，分析可能的原因是共振引起。
3) 風機側(cè)水平振動高于垂直振動，最大水平振動在4.6左右，遠遠低于報警值，表明風機側(cè)裝配良好。
六.結束語
應用RA-MV首次實現(xiàn)燒結主抽風機冗余起動，帶來了以下幾個好處：
1、 電機起動非常平穩(wěn)，延長了風機、電機等大型設備的使用周期，同時也避免了對電網(wǎng)的沖擊;
2、 提供了風機系統(tǒng)完整的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障分析系統(tǒng)，并提供了相應的通訊接口，使全線生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可以方便地從本系統(tǒng)提取所需數(shù)據(jù)
3、 為生產(chǎn)線設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷提供了信息平臺;
4、 由單一的產(chǎn)品應用，實現(xiàn)了完整的系統(tǒng)應用。
目前運行狀況良好，解決了以往多次起動的疑難問題，深受用戶好評。在冶金系統(tǒng)燒結主抽大風機從SJ23000~SJ18000的起動方面，建立了一個RA-MV 完整的典型應用。
（轉(zhuǎn)載）
