中壓變頻器在除塵風機中的應用
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摘要： 本文介紹了SIMOVERTMV中壓變頻器在宣鋼煉鋼廠一次除塵風機中的應用。變頻器現場運行情況表明，采用中壓變頻器對轉爐除塵風機進行調速節能獲得成功，節能效果明顯
Abstract：
Key words :
</a><中壓變頻器" title="中壓變頻器">中壓變頻器" title="中壓變頻器">中壓變頻器在宣鋼煉鋼廠一次除塵風機中的應用。變頻器現場運行情況表明，采用中壓變頻器對轉爐除塵風機進行調速節能獲得成功，節能效果明顯。
[關鍵詞]：中壓變頻器;整流器;網絡通信
[Abstract]: This article introduces the application of the siemens simovert MV middle voltage inverter in the air blower of Xuanhua Steel. The running result indicates that the adoption of middle voltage inverter to air blower is successful and the effect of saving energy is distinct.
[Key Words]: Middle Voltage Inverter; rectifiers; net communication
一、概述
隨著交流變頻調速技術在各行業的應用發展迅速，變頻調速在頻率范圍、動態響應、低頻轉矩、功率因數、工作效率等方面是以往的交流調速方式無法比擬的，并且在節約能源、提高經濟效益等方面發揮了巨大作用。
轉爐煉鋼具有顯著的的周期性和連續性特點，生產一爐鋼需要30-45min，其中供氧（吹煉）過程為15-20min，一半以上為非吹煉時間，此時風機沒有必要高速運行，如將其切換至低速節能狀態，可節省大量能源，同時減少設備損耗，對提高設備利用率也十分有益。目前國內轉爐一次除塵多采用液力耦合器，但由于存在轉差損耗等，節能效果不理想，且設備故障率較高。交流變頻技術是電氣傳動技術發展的必然趨勢，它不僅調速曲線平滑，調速范圍廣，效益高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果好，對風機、泵類設備而言是最佳的節能手段，平均節能效果可以達到30%以上。但是在大功率電機上尚未得到推廣。究其原因，主要有二：一是大功率電動機供電電壓高（3～10 kV），而目前變頻器開關器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題;二是高壓大容量變頻調速裝置技術含量高、維護難度大、造價高，而負載多數情況下都是直接關系生產、生活的重要設備，大多數用戶對它的性能和可靠性心存疑慮，不敢大膽采用。
我廠通過對多家單位實際應用效果的多方考察，選用了西門子Simovert MV中壓變頻器。
二、系統結構及特點
西門子SIMOVERT MV中壓變頻頻器擁有以下顯著特點:
（1）、SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統的交—直—交變頻器結構，整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊，使得串聯器件數減少為12個，隨著元件數量的減少，成本降低，方案變得簡潔，有助于提高可靠性。良好的輸入輸出波形;滿足IEEE-519標準，效率高，使用簡單，便于維護，采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備較強的過載能力。
（2）、SIMOVERT MV系列變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式，所以不可避免地會產生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列變頻器的輸出側需要配置輸出濾波器，以獲得具有低諧波分量的基本正弦電流特性以及較佳的轉矩特性，同時電機的損耗可以降到最低。另外HV—IGBT優點是每次通斷電的瞬間電流和電壓可以完全控制，dV/dt可以調節，從而減輕對電機絕緣的損壞。
（3）、系統提供多種控制模式，包括線性V/F控制，平方V/F控制，可編程多點設定V/F控制，磁通電流控制，無測速矢量控制，閉環矢量控制等。通過速度反饋選板可構成帶反饋的矢量控制閉環，從而可大大提高除塵系統的控制精度和穩定性。
（4）、當該變頻器工作于限流狀態時，不受輸出短路的影響，這就避免了當發生電機或電纜短路等故障時，造成變頻器功率元件損壞的現象。
（5）、高性能及成熟的全數字化SIMADYN D控制系統可用作開環控制和閉環控制平臺，它具有靈活的標準軟件，速度極快的全數字化32位信號處理器，便于操控和觀測的良好用戶界面，本地診斷程序以及通過調制解調器的遠程診斷功能。SIMVOERT MV模塊化設計不僅使系統結構十分緊湊，而且也增強了系統的維修便利性，因而提高了系統的可利用率:運行的情況下風扇在半小時內完成更換。不必使用特殊工具，只需5min完成IGBT功率模塊的更換工作，光纖觸發裝置UEL采用可插式結構。SIMADYND控制板以及供選用的調制解調器接口卡也都是插入式。模塊錯誤信息的時序記憶功能可迅速排除整個傳動系統的故障，例如:斷路器、電網欠電壓或過電壓、變壓器監測、風扇故障、電機監測，IGBT監測、直流環節電壓、接地故障監測、輔助電壓監測。
（6）、該變頻器具有強大的通信功能，在風機除塵工藝系統中，爐前工藝吹煉狀態識別可通過PLC方便實現。由于采用了現場總線技術，該變頻器與上位PLC系統之間只需通過Profibus通信模塊和一根通信電纜實現聯結，減少了操作臺及控制臺之間大量的電纜連接及因此帶來的諸多問題。
三、工藝特點
煉鋼的工藝過程以及風機特性是我們選擇中壓變頻器的主要原因。
煉鋼廠氧氣頂吹轉爐，在吹煉過程中產生大量的煙氣，用風機抽取煙氣經一文、二文水過濾除塵。大部分國內廠家采用液力耦合器，降低電能消耗，但效果不佳;如果采用中壓變頻調速，通過網絡通信，及時判斷爐前吹煉狀態，進而改變風機轉速來調節輸出風量，這不但方便有效，還可節省大量的電能。
從風機的工作特性來看，調速控制與風門控制調節風量比較，有著更高的節能效果，通過圖1風機的特性曲線可以說明其節能原理。圖中，曲線1為風機在恒速（n1）下的風壓-風量（H-Q）特性，曲線2為管網風阻特性（風門開度全開）。設工作點為A，輸出風量Q1為100%，此時風機軸功率N1與Q1H1的乘積面積AH1OQ1成正比。
根據工藝要求，風量需從Q1降至Q2，有兩種控制方法：一是風門控制，風機轉速不變，調節風門（開度減小），即增加管網阻力，使管網阻力特性變為曲線3，系統工作點由A移到B。由圖可見，風壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比，減少不多。
另一種是調速控制，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的的比例定律，畫出在轉速n2下的風壓-風量（H-Q）特性，如曲線4，工作點由原來的A點移到C點。可見在相同風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比，顯著減少，節省的功率損耗ΔN與Q2ΔH的乘積面積成正比，節能效果是十分明顯的。
由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。當風量減少，風機轉速下降時，其功率低很多。例如，風量下降到80%，轉速也下降到80%，軸功率將下降到額定功率的51%。如果風量下降到50%，功率將下降到額定功率的12.5%。考慮到附加控制裝置效率的影響，這個節電效果也是很可觀的。
四、系統調試過程中的問題
風機在起動過程中，其阻力矩隨著轉速的上升而迅速上升的。當起動完畢后，阻力矩達（0.6～0.9）Me，而轉爐風機起動初期，由于滑動軸承中的油膜尚未形成，呈現的靜摩擦阻力矩較動摩擦阻力矩大，并且運行環境中，CO等氣體殘污粘結，也影響了電動機的起動轉矩。由于風機是單吸雙支撐結構，啟動時軸向力較大，在短時間內風機很難快速啟動，有時過流30%可持續10s以上，因此時常造成變頻器過負荷保護性停機。針對這一狀況，我們做了以下調整：
（1）、增加啟動時間，減少啟動負荷。啟機一般都在轉爐吹煉之前，此時管路內的空氣為冷態（冷態空氣密度比熱態空氣密度要大），達到相同出口風量時，勢必會多做功，系統負荷加重。為減少風量，我們將機前調節閥開度打到允許范圍內的最小程度，約10°，轉爐二文喉口調節閥設定為12°。整個啟動過程中風機入口風量可控制在20000m3/h以內。
（2）、由于風機啟動時工況比較特殊，在此期間會發生短時電流超過額定電流1.3倍左右（額定電流：175A，峰值電流：210A）。經過我們多方查證，認為這是變頻器允許的。變頻器對短時過電流的保持時間可做調節，最大值為30s，我們經過反復實驗，12s完全滿足了我們的需要。
（3）、由于我廠的高壓電網時常產生波動 ，使得變頻器經常出現35KV過電壓故障，需進行內部復位，后來將變頻器輸入電壓范圍由原來的±5%改為±10%后故障消除。
（4）、由于PLC系統選用的是AB公司生產的產品，而變頻器選用的是西門子廠家生產的產品。在投產初期，經常出現通信連接不上等問題，這就使得變頻器必須直接從操作臺上取風機的高/低速開關量信號，實現對風機的高/低速轉換控制。由于這樣操作工相當于手動控制，而且還必須由爐前操作工通知當前轉爐的生產狀態才能進行相應的手動高/低速轉換動作，給生產帶來了很大的不便。針對這一問題，我們購買了一塊第三方SST-PFB-CLX模塊，通過對該模塊的配置，建立了以SST-PFB-CLX模塊為主站，變頻器為從站的通信模式，這樣相應的就在原來的控制程序中添加了通信程序，PLC將采集到的信號進行內部處理后向變頻器發出運轉指令，變頻器經過處理實現風機的高/低速調速過程，從而完成了西門子變頻器與A-B PLC之間的通信，實現風機隨轉爐兌鐵和出鋼完畢的高低速自動轉換。整個過程無需人工干預，不僅降低了操作工的勞動強度，同時也為后來的轉爐煤氣自動回收提供了條件。
從投產后的應用效果來看，變頻器限制了起動電流，減少起動時的峰值功率損耗;改善電網功率因數，變頻器使系統功率因數保持在0.95以上;消除電動機啟停時機械的沖擊，延長了風機使用壽命，減少維護量;系統壓力降低，緩解管道的壓力和密封等條件，延長使用壽命;電機和風機運轉速度下降，潤滑條件、傳動裝置的故障率都得以下降。
五、效益分析：
吹煉時，風機運行速度為1000r/min，電機電流平均值I1=100A。
非吹煉時，風機運行速度為600r/min，電機電流平均值I2=40A。
風機每年運行時間按330天計算。
連續生產時，每爐吹煉周期35min，其中17min為吹煉時間，18min為等待時間。一臺轉爐每天平均生產40爐鋼，則
每天吹煉時間t1： 40×（17÷60）=11.3小時
每天非吹煉時間t2：24-11.3=12.7小時
風機高速時（吹煉狀態）電機消耗平均功率：
P1=√3×Ue×I1× CosΦ=√3×4000×100×0.86=596KW
風機低速時（非吹煉狀態）電機消耗平均功率：
P2=√3×Ue×I2×CosΦ=√3×2400×40×0.86=143KW
全天用電量計算：
W1=P1×t1+P2×t2=596×11.3+143×12.7=8551 KWh
不采用變頻器，用電量與風機始終高速運行相差無幾，為
W1=P1×（t1+t2）=596×24= 14304 KWh
一臺風機一年節省的電能（每度電0.4元）：
330×（14304-8551）×0.4=75.9萬元
從上面的計算可以看出，采用變頻器實現轉爐風機調速，節能效果和經濟效益十分可觀。
六、結束語
轉爐一次除塵系統投入變頻器后實現了風機的高低速自動轉換過程，由于中壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統故障率降低，明顯減少了轉爐停吹的次數，與國內同類型鋼廠比較，采用變頻器進行調速的鋼廠較未采用變頻器實現調速的鋼廠由于風機原因的減產大減少，這在很大程度上說明將變頻器應用于轉爐風機調速系統具有推廣應用價值。
[關鍵詞]：中壓變頻器;整流器;網絡通信
[Abstract]: This article introduces the application of the siemens simovert MV middle voltage inverter in the air blower of Xuanhua Steel. The running result indicates that the adoption of middle voltage inverter to air blower is successful and the effect of saving energy is distinct.
[Key Words]: Middle Voltage Inverter; rectifiers; net communication
一、概述
隨著交流變頻調速技術在各行業的應用發展迅速，變頻調速在頻率范圍、動態響應、低頻轉矩、功率因數、工作效率等方面是以往的交流調速方式無法比擬的，并且在節約能源、提高經濟效益等方面發揮了巨大作用。
轉爐煉鋼具有顯著的的周期性和連續性特點，生產一爐鋼需要30-45min，其中供氧（吹煉）過程為15-20min，一半以上為非吹煉時間，此時風機沒有必要高速運行，如將其切換至低速節能狀態，可節省大量能源，同時減少設備損耗，對提高設備利用率也十分有益。目前國內轉爐一次除塵多采用液力耦合器，但由于存在轉差損耗等，節能效果不理想，且設備故障率較高。交流變頻技術是電氣傳動技術發展的必然趨勢，它不僅調速曲線平滑，調速范圍廣，效益高，啟動電流小，運行平穩，而且節能效果好，對風機、泵類設備而言是最佳的節能手段，平均節能效果可以達到30%以上。但是在大功率電機上尚未得到推廣。究其原因，主要有二：一是大功率電動機供電電壓高（3～10 kV），而目前變頻器開關器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題;二是高壓大容量變頻調速裝置技術含量高、維護難度大、造價高，而負載多數情況下都是直接關系生產、生活的重要設備，大多數用戶對它的性能和可靠性心存疑慮，不敢大膽采用。
我廠通過對多家單位實際應用效果的多方考察，選用了西門子Simovert MV中壓變頻器。
二、系統結構及特點
西門子SIMOVERT MV中壓變頻頻器擁有以下顯著特點:
（1）、SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統的交—直—交變頻器結構，整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊，使得串聯器件數減少為12個，隨著元件數量的減少，成本降低，方案變得簡潔，有助于提高可靠性。良好的輸入輸出波形;滿足IEEE-519標準，效率高，使用簡單，便于維護，采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備較強的過載能力。
（2）、SIMOVERT MV系列變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式，所以不可避免地會產生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列變頻器的輸出側需要配置輸出濾波器，以獲得具有低諧波分量的基本正弦電流特性以及較佳的轉矩特性，同時電機的損耗可以降到最低。另外HV—IGBT優點是每次通斷電的瞬間電流和電壓可以完全控制，dV/dt可以調節，從而減輕對電機絕緣的損壞。
（3）、系統提供多種控制模式，包括線性V/F控制，平方V/F控制，可編程多點設定V/F控制，磁通電流控制，無測速矢量控制，閉環矢量控制等。通過速度反饋選板可構成帶反饋的矢量控制閉環，從而可大大提高除塵系統的控制精度和穩定性。
（4）、當該變頻器工作于限流狀態時，不受輸出短路的影響，這就避免了當發生電機或電纜短路等故障時，造成變頻器功率元件損壞的現象。
（5）、高性能及成熟的全數字化SIMADYN D控制系統可用作開環控制和閉環控制平臺，它具有靈活的標準軟件，速度極快的全數字化32位信號處理器，便于操控和觀測的良好用戶界面，本地診斷程序以及通過調制解調器的遠程診斷功能。SIMVOERT MV模塊化設計不僅使系統結構十分緊湊，而且也增強了系統的維修便利性，因而提高了系統的可利用率:運行的情況下風扇在半小時內完成更換。不必使用特殊工具，只需5min完成IGBT功率模塊的更換工作，光纖觸發裝置UEL采用可插式結構。SIMADYND控制板以及供選用的調制解調器接口卡也都是插入式。模塊錯誤信息的時序記憶功能可迅速排除整個傳動系統的故障，例如:斷路器、電網欠電壓或過電壓、變壓器監測、風扇故障、電機監測，IGBT監測、直流環節電壓、接地故障監測、輔助電壓監測。
（6）、該變頻器具有強大的通信功能，在風機除塵工藝系統中，爐前工藝吹煉狀態識別可通過PLC方便實現。由于采用了現場總線技術，該變頻器與上位PLC系統之間只需通過Profibus通信模塊和一根通信電纜實現聯結，減少了操作臺及控制臺之間大量的電纜連接及因此帶來的諸多問題。
三、工藝特點
煉鋼的工藝過程以及風機特性是我們選擇中壓變頻器的主要原因。
煉鋼廠氧氣頂吹轉爐，在吹煉過程中產生大量的煙氣，用風機抽取煙氣經一文、二文水過濾除塵。大部分國內廠家采用液力耦合器，降低電能消耗，但效果不佳;如果采用中壓變頻調速，通過網絡通信，及時判斷爐前吹煉狀態，進而改變風機轉速來調節輸出風量，這不但方便有效，還可節省大量的電能。
從風機的工作特性來看，調速控制與風門控制調節風量比較，有著更高的節能效果，通過圖1風機的特性曲線可以說明其節能原理。圖中，曲線1為風機在恒速（n1）下的風壓-風量（H-Q）特性，曲線2為管網風阻特性（風門開度全開）。設工作點為A，輸出風量Q1為100%，此時風機軸功率N1與Q1H1的乘積面積AH1OQ1成正比。
根據工藝要求，風量需從Q1降至Q2，有兩種控制方法：一是風門控制，風機轉速不變，調節風門（開度減小），即增加管網阻力，使管網阻力特性變為曲線3，系統工作點由A移到B。由圖可見，風壓反而增加，軸功率N2與面積BH2OQ2成正比，減少不多。
另一種是調速控制，風機轉速由n1降到n2，根據風機參數的的比例定律，畫出在轉速n2下的風壓-風量（H-Q）特性，如曲線4，工作點由原來的A點移到C點。可見在相同風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3與面積CH3OQ2成正比，顯著減少，節省的功率損耗ΔN與Q2ΔH的乘積面積成正比，節能效果是十分明顯的。
由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比。當風量減少，風機轉速下降時，其功率低很多。例如，風量下降到80%，轉速也下降到80%，軸功率將下降到額定功率的51%。如果風量下降到50%，功率將下降到額定功率的12.5%。考慮到附加控制裝置效率的影響，這個節電效果也是很可觀的。
四、系統調試過程中的問題
風機在起動過程中，其阻力矩隨著轉速的上升而迅速上升的。當起動完畢后，阻力矩達（0.6～0.9）Me，而轉爐風機起動初期，由于滑動軸承中的油膜尚未形成，呈現的靜摩擦阻力矩較動摩擦阻力矩大，并且運行環境中，CO等氣體殘污粘結，也影響了電動機的起動轉矩。由于風機是單吸雙支撐結構，啟動時軸向力較大，在短時間內風機很難快速啟動，有時過流30%可持續10s以上，因此時常造成變頻器過負荷保護性停機。針對這一狀況，我們做了以下調整：
（1）、增加啟動時間，減少啟動負荷。啟機一般都在轉爐吹煉之前，此時管路內的空氣為冷態（冷態空氣密度比熱態空氣密度要大），達到相同出口風量時，勢必會多做功，系統負荷加重。為減少風量，我們將機前調節閥開度打到允許范圍內的最小程度，約10°，轉爐二文喉口調節閥設定為12°。整個啟動過程中風機入口風量可控制在20000m3/h以內。
（2）、由于風機啟動時工況比較特殊，在此期間會發生短時電流超過額定電流1.3倍左右（額定電流：175A，峰值電流：210A）。經過我們多方查證，認為這是變頻器允許的。變頻器對短時過電流的保持時間可做調節，最大值為30s，我們經過反復實驗，12s完全滿足了我們的需要。
（3）、由于我廠的高壓電網時常產生波動 ，使得變頻器經常出現35KV過電壓故障，需進行內部復位，后來將變頻器輸入電壓范圍由原來的±5%改為±10%后故障消除。
（4）、由于PLC系統選用的是AB公司生產的產品，而變頻器選用的是西門子廠家生產的產品。在投產初期，經常出現通信連接不上等問題，這就使得變頻器必須直接從操作臺上取風機的高/低速開關量信號，實現對風機的高/低速轉換控制。由于這樣操作工相當于手動控制，而且還必須由爐前操作工通知當前轉爐的生產狀態才能進行相應的手動高/低速轉換動作，給生產帶來了很大的不便。針對這一問題，我們購買了一塊第三方SST-PFB-CLX模塊，通過對該模塊的配置，建立了以SST-PFB-CLX模塊為主站，變頻器為從站的通信模式，這樣相應的就在原來的控制程序中添加了通信程序，PLC將采集到的信號進行內部處理后向變頻器發出運轉指令，變頻器經過處理實現風機的高/低速調速過程，從而完成了西門子變頻器與A-B PLC之間的通信，實現風機隨轉爐兌鐵和出鋼完畢的高低速自動轉換。整個過程無需人工干預，不僅降低了操作工的勞動強度，同時也為后來的轉爐煤氣自動回收提供了條件。
從投產后的應用效果來看，變頻器限制了起動電流，減少起動時的峰值功率損耗;改善電網功率因數，變頻器使系統功率因數保持在0.95以上;消除電動機啟停時機械的沖擊，延長了風機使用壽命，減少維護量;系統壓力降低，緩解管道的壓力和密封等條件，延長使用壽命;電機和風機運轉速度下降，潤滑條件、傳動裝置的故障率都得以下降。
五、效益分析：
吹煉時，風機運行速度為1000r/min，電機電流平均值I1=100A。
非吹煉時，風機運行速度為600r/min，電機電流平均值I2=40A。
風機每年運行時間按330天計算。
連續生產時，每爐吹煉周期35min，其中17min為吹煉時間，18min為等待時間。一臺轉爐每天平均生產40爐鋼，則
每天吹煉時間t1： 40×（17÷60）=11.3小時
每天非吹煉時間t2：24-11.3=12.7小時
風機高速時（吹煉狀態）電機消耗平均功率：
P1=√3×Ue×I1× CosΦ=√3×4000×100×0.86=596KW
風機低速時（非吹煉狀態）電機消耗平均功率：
P2=√3×Ue×I2×CosΦ=√3×2400×40×0.86=143KW
全天用電量計算：
W1=P1×t1+P2×t2=596×11.3+143×12.7=8551 KWh
不采用變頻器，用電量與風機始終高速運行相差無幾，為
W1=P1×（t1+t2）=596×24= 14304 KWh
一臺風機一年節省的電能（每度電0.4元）：
330×（14304-8551）×0.4=75.9萬元
從上面的計算可以看出，采用變頻器實現轉爐風機調速，節能效果和經濟效益十分可觀。
六、結束語
轉爐一次除塵系統投入變頻器后實現了風機的高低速自動轉換過程，由于中壓變頻器的高可靠性使得一次除塵系統故障率降低，明顯減少了轉爐停吹的次數，與國內同類型鋼廠比較，采用變頻器進行調速的鋼廠較未采用變頻器實現調速的鋼廠由于風機原因的減產大減少，這在很大程度上說明將變頻器應用于轉爐風機調速系統具有推廣應用價值。
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