西門子中壓變頻器在石灰回轉窯中的應用
關鍵字：SIMOVERT MV中壓變頻器 I.D.風機 節能 回轉窯
1. 引言
石灰是鋼鐵生產的重要原料，它主要應用在燒結工藝，煉鋼工藝。在石灰回轉窯工藝當中，保持窯內穩定的燃燒條件是非常必要的，它是由控制系統通過控制空氣和燃料進入焙燒系統的速率，以及通過控制I.D.風機（主排風機）速度從而保持適當的點火器拉力來完成。變化應保持為最小值，在另一變化發生前，系統應有時間調整適應變化。短時間內太多的變化會導致系統的循環，并且要使其再次平衡將會非常困難。
I.D.風機（主排風機）的調節方式，即窯頭負壓的調節方式主要有兩種：
一、 調節主排風機入口擋板開度使燃燒罩維持一定負壓。
二、 調節主排風機的速度使燃燒罩維持一定負壓;
采用第一種調節方式，風機電機始終在工頻運行，靠控制擋板開度來控制窯頭負壓，在通常正常生產的情況下，擋板開度只為25%～35%，不但耗能比較大，而且在調整擋板開度時，窯內壓力變化波動較大，很難保證窯內負壓。
采用第二種調節方式，有兩種方案可以選擇，液力偶合器調速和變頻器調速，下面就將這兩種方法簡單介紹一下。
2. 變頻器恒壓供風的基本原理
變頻器恒壓供風系統主要通過壓力傳感器實時檢測主風管的壓力，與設定的壓力進行比較，經過PID控制器調節后，在線自動調節變頻器來控制風機的轉速，使壓力始終穩定在設定值上，達到壓力穩定的目的。原理圖如下：
變頻器的調速原理，由交流感應電動機轉速公式
n=60f1/P＊（1-S） （1）
（式中n—電機轉速;f1—定子供電頻率;S—轉差率;P—電機極對數）可知：如均勻地改變電機定子的供電頻率f1,就可平滑改變電機轉速.對于異步電動機的變頻傳動,為了避免電機過磁飽和,同時抑制啟動電流,產生必需的轉矩進行安全運轉,在改變頻率的同時,對定子電壓也應作相應調節.逆變器主回路把三相50Hz交流電整流濾波為直流,再通過PWM脈寬調制器觸發大功率晶體管,把直流變為電壓和頻率可調的三相交流電，由此可實現變頻調速。
變頻調速對于風機水泵類負載來說，節能效果尤為明顯。變速前后流量、壓力、功率、轉速之間的關系為：
（其中Q代表風量;H代表風壓;P代表軸功率;n代表轉速）
下面將擋板調速、變頻調速的風量與風壓性能曲線繪制到一塊，如下圖所示：
由以上公式及下圖可以看出：
風機的正常工作點為A，當風量需要從Q1調到Q2時，采用擋板調節，特性曲線由R1改變為R2，其工作點調至B點，其功率O Q2B H2’圍成的面積，其功率變化很小，其效率卻隨之降低。
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變設備的性能曲線，圖中從n1到n2，其工作點調制C點，使其參數滿足工藝要求，其功率為O Q2B H2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區。由于功率隨轉速3次方變化，故節能效果顯著。
節能量P=（ H2’- H2）＊ Q2
3. 液力偶合器調速的優缺點
液力偶合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣，可以通過控制工作腔內參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸和力矩，達到控制負載的轉速的目的，因此，液力偶合器也可以實現負載轉速無級調節。
如果采用液力偶合器調速，則電動機轉軸連接到液力偶合器，而負載連接到液力偶合器，電動機仍然由電網供電，電動機仍全速運行。
經過調研，采用液力偶合器調速具有以下優缺點：
優點：
●液力耦合器價格便宜。
●操作簡單，維修方便。
缺點：
●調速效率低，節能效果差。
●功率因數低。
●直接改善起動性能，起動電流達到額定電流的5——7倍。
●液力偶合器依靠調節工作腔油量大小改變輸出轉速，因此響應慢，可能跟不上控制的需要
●機械傳動方式，運行故障率高，且需定時加液力油。
●安裝時需加在電機與風機中間，則要重作電機基礎，期間將造成生產停頓。
●當在運行中液力耦合器出現問題時，只能停產修理。
綜合比較此兩種方案，變頻器調速不但能夠更加節約電能，運行更加可靠，調節精度及電機功率因數更高，故障率更低，而且通過壓力閉環調節，使窯內負壓變化保持為最小值，保證窯內壓力平衡。隨著變頻器的發展，在價格上也會更加具有優勢。
4. 實際應用
某鋼廠共有三條回轉窯生產線，配有3臺I.D.風機（主排風機），電機功率為1100KW，轉速為1493r/min。根據每個窯產量1000噸/天，電機的實際運行速度在額定轉速的60%～80%之間，如果采用變頻調速，不但能夠大大節約電能，而且在風機擋板全開的情況下能夠連續調節電機轉速，使得窯內負壓保持穩定。
根據工藝要求及現場實際情況，對I.D.風機（主排風機）的控制采用變頻調速，選用西門子SIMOVERT MV中壓變頻器實現窯內負壓的恒壓調速。具體的配置及原理圖如下：
控制原理：
變頻器的起停由現場操作箱或主控制人機界面HMI控制，在啟動時首先將擋板開至最大位置，然后啟動變頻器，風壓由現場壓力變送器測量后將實際的壓力信號傳送至西門子S7-400 PLC中，與設定的壓力值進行比較，通過PID調節器輸出一個4～20mA的信號做為變頻器的給定信號來調節電機的轉速，從而實現對窯內負壓的調整，保證窯內壓力恒定。
在變頻器發生故障時，可以臨時通過的旁路高壓開關柜啟動電機。之后通過調節出口擋板的開度大小來調節窯內壓力。由于鼠龍式電動機對電網的沖擊比較大，因此采用了星三角啟動電動機。
5. SIMOVERT MV中壓變頻器的特點：
SIMOVERT MV中壓變頻器是西門子公司最新推出的三電平、全數字、矢量控制的變頻器。現在在各種領域已經得到了廣泛的應用，它具有以下特點：
1） 節省能源，特別適于風機和水泵
2） 低損耗，功率因數cosΦ>0.96
3） 啟動電流小，無沖擊，能夠實現軟啟動和制動
4） 使用電流限幅的過載保護
5） 自帶有Profibus DP網，易于將傳動裝置連接并集成到自動化系統中
6） 帶有專門的調試軟件Drive ES，調試簡單方便
7） 連接簡單，通過1臺斷路器和1臺變頻變壓器即可與工業電網連接
8） 采用12脈沖二極管整流，可以有效地消除諧波
9） 設計采用三電平電路配置，其部件只承載直流母線電壓的一半
6. 系統調試
1） 主要調試設備及軟件
2） 通電前的檢查：
· 電機絕緣測試
· 高壓電纜絕緣測試
· 變壓器檢查及測試
· 變頻柜檢查測試
3） 變頻器送電
4） 使用Drive ES軟件設置變頻器參數
5） 靜態調試
6） 空載試驗
7） 帶載實驗
經過調試，系統運行良好，變頻器啟動時間設為180秒，電流限幅值設為電機額定電流的100%，啟動時電機運行平穩。變頻器正常運行時，電機在35Hz的頻率下運行，通過對實際風壓的測量由PLC不斷調節變頻器的轉速，設備運行穩定，真正實現了恒壓排風。停車時間設為180秒，停車時未發生變頻器過電壓故障。
7. 結論
1） 由于采用了變頻調速，使得在正常生產時，電機的輸出功率大大降低，節能效果明顯。
2） 系統具有軟啟動功能，減小了在啟動鼠龍式電動機時對電網的沖擊，對整個電網起了保護作用。
3） 通過使用PID調節器調節電機轉速來調節風壓，使得窯內負壓變化很小，且壓力恒定，實現了恒壓排風。
4） 采用變頻調速，風板保持全開狀態，降低了磨損，且大力矩執行機構工作次數減少，故障率降低。
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