罗宾康变频器在转炉除尘风机中的应用

杨海平

1.概述

交流变频技术是电气传动现代化发展的必然趋势，它不仅调速曲线平滑，调速范围广，启动电流小，运行平稳，而且节能效果好，效益高，是风机、泵类设备的一项最佳节能技术，尤其是大功率设备、节能可以达到30%以上。目前，变频调速技术正广泛应用于低压（380V）电动机，但在中压（3000V-10000V）、高压（10000V以上）电动机尚未得到推广。

转炉炼钢具有显著的的周期性和连续性特点，生产一炉钢需要30min -45min，其中供氧（吹炼）过程为15min -20min，一半以上为非吹炼时间，此时风机没有必要高速运行，如将其切换至低速节能状态，可节省大量能源，同时也减少设备损耗。目前国内转炉一次除尘多采用液力耦合器，但由于存在转差损耗等，节能效果不理想，且设备故障率较高。宣钢炼钢厂在120吨转炉采用了业界比较认同的西门子罗宾康完美无谐波变频器，整个系统操作简单，工作稳定，完全满足了工艺要求，并在节能降耗上效益显著。

2.系统结构及特点

(1)高性能矢量控制和无速度传感器矢量控制，开环转速精度达0.5%，起动力矩超过150%。

(2)输入和输出谐波极少(18脉冲整流、7电平逆变)，输入可符合IEEE 519-1992及高于中国国标GB14549-93对谐波失真的要求。

(3)适应电网波动要求，电网电压可下降至55%，变频器仍能继续工作而不跳机。

(4)30%-100% 的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数。

(5)变频装置对输出电缆长度无任何要求，对电机没有特殊的要求。

(6)变频装置转矩脉动小于0.1%，同时避免风机喘振或水泵水锤现象，可以自动跳过共振点。

(7)变频器最大可承受45%的电网电压下降。瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，轻载时时间更长。

3.工艺特点

炼钢的工艺过程以及风机特性是选择变频器的主要依据。

(1)炼钢的工艺过程特性。宣钢炼钢厂转炉采用顶底复吹工艺，在吹炼过程中炉膛内产生大量的烟气，用风机抽取烟气经一文、二文水过滤除尘。大部分国内厂家采用液力耦合器以降低电能，但效果不佳，如果采用变频调速，通过网络通信，可根据炉前吹炼状况及时改变风机转速来调节输出风量，不但方便有效，还可节省大量的电能。

(2)风机的工作特性。调速控制与风门控制调节风量比较，有着明显的节能效果，通过图1风机的特性曲线可以说明其节能原理。图中，曲线1为风机在恒速(n1)下的风压-风量(H-Q)特性，曲线2为管网风阻特性（风门开度全开）。设工作点为A，输出风量Q1为100%，此时风机轴功率N1与Q1H1的乘积面积AH1OQ1成正比。

根据工艺要求，风量需从Q1降至Q2，有两种控制方法：一是风门控制，风机转速不变，调节风门（开度减小），即增加管网阻力，使管网阻力特性变为曲线3，系统工作点由A移到B。由图可见，风压反而增加，轴功率N2与面积BH2OQ2成正比，减少不多。

另一种是调速控制，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n2下的风压-风量（H-Q）特性，如曲线4，工作点由原来的A点移到C点。可见在相同风量Q2的情况下，风压H3大幅度降低，功率N3与面积CH3OQ2成正比，节省的功率损耗ΔN与Q2ΔH的乘积面积成正比，节能效果是十分明显。

由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。当风量减少，风机转速下降时，其功率低很多。例如，风量下降到80%，转速也下降到80%，轴功率将下降到额定功率的51%。如果风量下降到50%，功率将下降到额定功率的12.5%。考虑到附加控制装置效率的影响，节电效果很可观。

4.系统调试

(1)增加启动时间，减少启动负荷。启机一般都在转炉吹炼之前，此时管路内的空气为冷态（冷态空气密度比热态空气密度要大），达到相同出口风量时，势必会多做功，系统负荷加重。为减少风量，将机前调节阀开度打到允许范围内的最小程度，约10°，转炉二文喉口调节阀设定为12°。整个启动过程中风机入口风量可控制在20000m3/h以内。

(2)由于风机启动时工况比较特殊，在此期间会发生短时电流超过额定电流1.3倍左右（额定电流：175A，峰值电流：210A）。经过多方查证，认为这是变频器允许的。变频器对短时过电流的保持时间可做调节，最大值为30s，经过反复实验，12s满足需要。

(3)由于宣钢炼钢厂高压电网经常产生波动，使得变频器35KV过电压故障出现次数较多，需进行内部复位，之后将变频器输入电压范围由原来的±5%改为±10%后故障消除。

(4)由于PLC系统选用的是施耐德公司的产品，而变频器是西门子厂家生产，在投产初期经常出现通信连接不上等问题，这就使得变频器必须直接从操作台上取风机的高/低速开关量信号，实现对风机的高/低速转换控制。这样操作工相当于手动控制，而且还必须由炉前操作工通知当前转炉的生产状态才能进行相应的手动高/低速转换动作，给生产带来了很大的不便。针对这一问题，购置了一块第三方网桥模块，通过对该模块的配置，建立了以网桥为主站，变频器为从站的通信模式，这样相应的就在原来的控制程序中只需作简单的配置，PLC将采集到的信号进行内部处理后向变频器发出运转指令，变频器经过处理实现风机的高/低速调速过程，从而完成了西门子变频器与施耐德PLC之间的通信，实现风机随转炉兑铁和出钢完毕的高低速自动转换。整个过程无需人工干预，不仅降低了操作工的劳动强度，同时也为后来的转炉煤气自动回收提供了条件。

5.应用效果

宣钢炼钢厂转炉一次除尘风机吹炼时，风机运行速度为1000r/min，电机电流平均值I1=100A；非吹炼时，风机运行速度为600r/min，电机电流平均值I2=40A；风机每年运行时间330天，连续生产时，每炉吹炼周期35min，其中17min为吹炼时间，18min为等待时间。一座转炉每天平均生产40炉钢，每天吹炼时间11.3小时，非吹炼时间12.7小时，风机高速时（吹炼状态）电机消耗平均功率596KW，风机低速时（非吹炼状态）电机消耗平均功率143KW，采用变频器全天用电量8551 KWh，不采用变频器，用电量与风机始终高速运行相差无几，为14304 KWh，按此计算，一台风机一年可以节省电费75.9万元。

6.结束语

变频器应用于风机调速系统有很大的推广价值。应用西门子罗宾康完美无谐波变频器后，120吨转炉一次除尘系统实现了风机的高低速自动转换，使得一次除尘系统故障率降低，减少了转炉停吹的次数。与国内同类型钢厂比较，采用变频器进行调速的转炉风机故障时间平均每天减少20min，实现了节能降耗的目标。