冶金工业的变频器应用与维护（三） 变频器在高炉系统中的应用.pdf

冶金工业的变频器应用与维护 三 变 频 器 与 P LC】 T h e AC I n v e r t e r s Ap p l i c a t i o n a n d M a i n t e n a n c e i n t h e M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y 变频器在高炉系统 中的应用 浙江工商职业技术学院 李方园 摘要 冶金工业作为国民经济的基础产业 ，得到了迅速发展 。目前 已经拥有超过3 0 0 0 家钢铁冶炼企业 和近3 0 0 0 家有色金属冶炼企业。高炉是冶金系统的主要设备 ，用于高炉炼铁。本文主要介绍的就是变 频器在高炉系统 中的应用。 关键词变频器；节能 ；抱闸 Ab s t r a c t M e t a l lu r g i c a l i n d u s t r y , a s a b a s ic i n d u s t r y o f t h e n a t i o n a l e c o n o mN h a s b e e n g r o wi n g r a p i d l y ． No w t he r e a r e mo r e t h a n 3 0 0 0 i r o n a n d s t e e l s me l t i n g c o mp a n i e s a n d ne a r l y 3 ， 0 0 0 n o n - f e r r o u s me t a l s me l t i n g e n t e r p r i s e s ． BF i s t he m a i n me t a l lur g i c a l e q u i p me n t f o r b l a s t f u r n a c e ． Th e pa p e r ma i n l y i n t r o d u c e s t he a p p l i c a t i o n o f t h e AC i n v e r t e r s y s t e m in t h e b l a s t f u r n a c e ． Ke ywo r d s AC inv e r t e r ； E n e r g y s a v in g ； Br m k e 1 引言 冶金 工 业 作 为 国民 经济 的 基 础 产 业 ，得到了迅速发展 。目前 已经拥有 超 过3 0 0 0 家 钢铁 冶炼 企业 和近 3 0 0 0 家有 色金 属冶炼企业 。冶金工业在历经了以数量扩 张为主的发展时期后 ，进入了加速结构调 整、提高竞争力为主的新阶段。二十一世 纪 ，钢铁产品仍将是人类社会最主要的不 可替代的结构材料和产量最大、覆盖面最 广的功能材料。 钢铁工业指从事铁 、锰 、铬 及其合 金 的金属 矿 的采掘 、冼 选 、烧结 、冶炼 并 加工成材的工业，又称黑色金属工业 ，是 冶金工业的最重要部分。钢铁工业属于资 48 茸 蜘 噍麓A U T O M A T I O N P A N O R A M A 2 0 1 1 0 1 金 、劳 动 力密 集 型 工业 ，也 属 于 基 础 工 业，它是为国民经济各部门提供原材料的 重要工业部门。钢铁工业的基本生产过程 是在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁水 ，用生 铁水炼成钢，再铸成钢锭或连铸坯 ，经轧 钢等方法加工成各种用途的钢材 。 变频调速具 有优 良的特性 已成 为人 们的共识，因此这一新技术也在冶金行业 得到了广泛的使用。我国炼钢等冶炼行业 控制水平普遍落后，运用变频调速新技术 改造 的空 间很 大 。 高 炉是冶金系统的主要 设备 ，用于 高炉炼铁。本文主要介绍的就是变频器在 高炉系统中的应用。 2 高炉进料系统的变频器应用 在高炉炼铁生产中，进料系统是设备 的重要组成部分 ，其可靠性直接影响到生 产效率及经济效益。其中高炉料车卷扬机 就是用来把炉料运送到高炉炉顶 、给高炉 加料的重要设备。我国的中小高炉基本上 都是采用料车卷扬机作为标准上料设备。 某厂采用西门子MM4 4 0 变频器对该系统 进行技术改造。 2 ． 1 原系统概述 由一 台卷扬机拖动两台料车 ，料车 位于轨道斜面上 ，互为上行、下行，即其 中一 台料车载 料上行 ，另一台为空车下 行 ，运行过程中电机始终处于负载状态。 原 系 统 的 电 气 部 分 是 由一 台 6 极 5 5 k W绕线式 电机拖动，转子回路靠切换 电阻实现速度调整 ，通过主令控制器 与 电机同轴连接采集料车的位置 ，控制电 阻的投入切除 ，同时控制机械抱 闸的开 闭。 经过长 时间运行 后 ，系统存在以下 问题 由于该调速 方式为转子串电阻调 速 ，即 采用 绕 线转子 异步 电动 机 ，通过 集 电环和碳刷在转子 回路 中串人 若干 段电 阻，由接触器控制接人 电阻的多少来控制 转速。这种调速的缺点是能耗高，低速 机械特性软。因为转速的降低是通过转子 外接电阻消耗能量来实现的，并且转速越 低，机械特性越软，消耗在电阻中能量比 例越大 ，极不经济，电网电压的高低对速 度影响很大。同时电阻容易烧毁 ，加上卷 扬机钢丝绳松紧程度不一致 ，有时出现料 车 “ 挂顶”事故 ，将会严重影响生产 。 2 ． 2 新系统构成 电气部分改造过程 在不改 变原 来 工 人 操 作 习惯 的 前 提 下 ，增 加 一 台 西 门 子S 7 2 0 0 c P u 2 2 4 的P L C，保留原来电 机，将其转子滑环短接 ，拆除调速电阻， 保留原来主令控制器，在轨道斜面安装两 个行程开关，作为料车位置的极限保护。 新系 统构成 框 图如 图 1 a 所示 。 a 新系统构成图 b 料车1 上行速度曲线 图1 高炉进料 变频控 制系统构成 示意 新 系统 工 作原 理 操 作 工 发 出料 车 1 上 行 指 令 ，选 通 变 频 器 的 固定 频 率 5 0 Hz，变 频 器 由0 Hz 开 始 提 速 ，开 启 抱 闸，直到全速运行；随着电机的转动，主 令控制器的K1 闭合至P L C，由P L C 发出中 速指令 ，选通变频器的固定频 率2 0 Hz ， 电机以中速运行 ；当主令控制器的K2 闭 合时 ，选通 变频器的固定频 率6 H z ，电 机以低速运行 ；当主令控制器的K 3 闭合 时，说明料车已经达到终点，变频器封锁 输出，同时关闭机械抱闸 ，料车1 送料完 表 1 变频器相关 参数 设置表 参数号 设定值 说明 P 0 0 0 3 3 用户访问所有参数 P 1 3 0 0 2 0 无测速机的矢量控制方式 P 0 7 0 1 1 D 1 N1 选择正转 P 0 7 0 2 2 D I N2 选择反转 P 0 7 0 3 1 5 DI N3 选择高速 P 0 7 0 4 1 6 D1 N4 选择 中速 P 0 7 0 5 1 7 DI N5 选择低速 P 0 7 0 6 3 D I N 6 选择O F F 2 封锁输出 低电平 P 0 7 3 2 5 2 ． C 继 电器2 功 能 驱动抱闸 P 1 2 1 5 1 抱闸使能 P1 2 1 6 0 ． 5 秒 抱 闸打开延 时时间 Pl 0 0 l 5 O H Z 固定频 率 P1 0 0 2 2 0 H Z 固定 频率 P1 0 0 3 6 HZ 固定频率 Pl 1 2 O 1 0 秒 加速 时间 Pl 1 2 1 1 0 秒 减速时 间 Pl 1 3 0 1 秒 加速起始段 圆弧 时间 P l 9 1 O 1 自动检测电机参数 毕。料车2 重复如上过程。 速度曲线以料车1 上行 为例 ，如 图 l f o 所示。 变频器相关参数设置表如表1 所示。 系统的保护 在轨道斜面上位于料车 终点稍后一点安装两个行程开关，作为极 限保护点 ，以防止主令控制器失灵时的最 后保护，再次防止料车 ， “ 挂顶”事故的 发生。对于变频器自身故障由P L C 采集， 当故障发生时 ，立即关闭机械抱闸，以防 止料车下滑。 3 高炉风机除尘的变频器应用 某钢 厂 在 1 ≠ ≠ 、2 炼 铁高 炉 的基 础 上 ，新投建了3 炼铁高炉，并对于该高炉 风机除尘电机采用变频器进行调速。变频 器选用山东风光电子有限责任公司生产的 风光牌J D B P 3 7 6 3 0 F 型高压大功率 变频 器 ，其装配 为高一高 形式 ，对高压除尘 6 3 0 k W／ 6 0 0 0 V 风机进行调速。 3 ． 1 风光牌J D B P 3 7 高压大功率变频 器介绍 高一高电压源型变频器 ，直接6 k V输 入 ，直接6 k V 输出 ，不需要输 出变压器。 它采用单元串联脉宽调制叠波输出，大大 削弱了输出谐波含量，输 出波形几近完美 正弦波。 图2 风光牌J D B P 3 7 变频器系统结构 3 ． 2 运行情况 由于风光牌J D B P 3 7 6 3 0 F 变频器所 有部分都已装在盘柜里 ，不需要另外的电 抗器、滤波器、补偿电容 、启动设备等一 2 0 1 1 ．0 1 A U T O MA T I O NP A N O R A MA i 晌瑚 嚼 49 系列其他装置 ，所以体积小 ，结构紧凑， 安装 简单 ，现 场配 线少 ，调 试方 便 。 由变频器拖动的 电机为湘潭 电机厂 出厂的三相普通异步 电动机 6 0 0 0 V、 6 3 0 k W 、8 0 ． 8 A、5 8 0 r ／ mi n ，在整个运 行 范围内，电机 始终 运行平稳 ，温升正 常 。风机启动时 的噪 音和 启动 电流非常 小 ，无任何异常振动和噪音。在调速范围 内，轴瓦最高温升允许6 5 ℃，实 U l O OC。 经过现场测试 ，变频器 的三相 输出 电压波形、电流波形非常标准，说明变频 器完 全可 以控 制一 般的普 通 电动 机运 行 ， 对电机无特殊要求。 该设备投 运以来 ，变频器一直十分 稳定 ，设备运行过程 中，该厂运行人员对 变频器输入变压器的温升 、功率单元温升 定期巡检 ，完全正常。输出的电流和 电压 波形正弦度很好，谐波含量极少 ，效率均 高于9 7 ％，优于同类进口设备。 4 高炉冲渣泵的变频器应用 高炉冶炼铁水过程 中产生大量的熔 渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散 ，同时输送到水渣池回收，作为炼铁 生产的副产品。高炉生产是不间断的，一 般情况下每天出铁1 5 次 ，在高炉出铁前 、 后各放一次渣，两次出渣时间约3 0 分钟 ， 在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷 工作，其余时间水泵只需保持约3 水流量 防止管道堵塞即可 。 4 ． 1 原系统概况 原高炉使用Z G B 一 3 0 0 型冲渣泵 ，机组 有关数据如表2 所示。 原 系统 运 行 时 ，起 动 前管 道 进 出 水阀门关闭 ，起动 后阀门开度约9 0 ％， 机 组全 速运行 ，电网电压 6 3 0 0 V，电机 运 行电流3 3 A，功 率 因数 8 1 ． 6 ％，耗 电 功率2 9 4 k W。不 需冲渣水时通过调节阀 门在3 0 ％来调节 水流量 此时 电机 电流 5 0 首 镝硼 嚆 A U T O M A T I O NP A N O R A M A 2 0 1 1 ．0 表2 冲渣泵有关数据 型号 流量 扬程 轴功率 效率 水 泵 ZGB一 3 0 0 l l 1 7 m 3 m 4 4 m 2 5 0 k W 81 ．4 ％ 型号 额 定电压 额定 电流 额定功 率 转速 电机 J S Q1 5 7 8 6 0 0 0 V 3 8 ． 7 A 3 2 0 k W 7 4 2 r p m 2 5 A，耗电功率2 1 4 k W，一方面导致大 量的节能损失，另一方面频繁操作阀门， 致使其使用寿命大大降低 ，增加了停产更 换阀门的时间，为此决定对4 高炉冲渣泵 进行 改造 。 4 ． 2 系统方案选择 在 选 择 调速 方 案 时 ，用户 曾 从 节 省投 资出发考虑过使用调速型液 力偶 合 器 ，但 由于需 将原机组的混凝土基础全 部打掉重新捣 制 ，工作量大 、施工周期 长 ，将影响正常生产 ，为此决定采用高 压变频调速器 ，选用 了国内实力雄厚的 成都佳灵电气制造有限公 司生产的J C s 一 6 k V ／ 4 0 0 k wI G B T 直接串联高压变频器。 佳灵I G B T 直接串联高压变频器原理 及特 点 具 有和低压变频器一样简单 的 结构 ，该产品成功融入I GB T 直接 串联技 术、正弦波技术、抗共模电压技术和直接 速度控制 DS C技术 ，使得产品具有与 其它形式 单元串联多重化 、中心点箝位 三 电平等产品无法比拟的优越性。 图3 I G B T 直接串联高压变频器原理图 从 图3 可 以看 出 该 系统 由电 网高 压 直接经高压断路器进入变频器 ，经过高压 二 极管 全桥 整 流 、直流平 波 电抗 器和 电容 滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波 器，简单易行地实现高压变频输出，直接 供给高压 电动机。 采用该变频器的优点在于 1 整 个系统没有输入输出变压器 ，体积小重量 轻 ，仅为其他品牌体积的1 ／ 2 ，减少了基 建 投 资 ， 解 决 了 该 厂 基 建 空 间 不 足 的 实 际情况 ； 2 由于该变频器结构简单 ， 无变压器 ，所 以故 障点大大减少 ，整个 系统效率高 ，额定负载效率达9 8 ％以上 ； 3 采用正弦波技术 ，大大提高输出波 形质量 ，输出 电压谐 波含量小于3 ％，特 有的共模技术使整个系统的共模 电压及输 出d u ／ d t 值完全符合MGI 的标准，消除了电 机振动现象 ，减小了轴承和叶片的机械应 力 ，不需更换该厂原 有的旧电机 ，无需 降容使 用； 4 采用直接速度控制技术 DS C，响应速度高于其它同类产品 ， 转矩脉动小 ，低速仍能保持平滑静音运 行 ； 5 可实现工频旁路，检修方便 ， 而且具有完善的系统保护功能。 5 结语 在 高炉系统 中采用变频器 ，具有 以 下 效果 1 具 有直接 的经济效 益 ； 2 节约维修费用 ； 3 实现电机软起 动功能 ，延长 了电机寿命 ，大大减 少了 高炉故障发生率； 4 提高了自动化水 平 ，节约了大量工业用水。 李方 园 1 9 7 3 男 ，浙 江舟 山人 ，毕业 于浙 江大 学 电气 自动化专业 ，高级工程师，长期从事于 变频器等现代工控产品的应用与研究工 作 。现在 职就 读于 浙江 工业 大学信 息学 院工程硕士专业。