除尘风机变频器控制系统设计与实现.pdf

第 3 9卷第 4期 2 0 1 3年 8月 包钢科技 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f B a o t o u S t e e l V o 1 ． 3 9． No ． 4 Aug us t ， 2 01 3 除尘风机变频器控制系统设计与实现 张永胜 内蒙古包钢西北创业设计研究院， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 摘要 文章通过对 2 风机电机控制系统进行改造， 将其控制系统改造为变频控制系统， 解决在生产高峰期除尘风 机出力不足的问题， 并能够根据工艺要求对除尘风机进行无级调速， 实现节能降耗的目的。同时对 2 风机进行了 远程监控改造， 确定了以s 7 4 0 0系列的 P L C作为控制单元， 以E T 2 0 0 M作为远程控制站， 实现 2 风机电机变频控 制的远程监控和管理。 关键词 变频器； P L C； 远程控制； 系统设计 中图分类号 T M 9 2 1 ． 5 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 5 4 3 8 2 0 1 3 0 4 0 0 4 8 0 3 De s i g n a n d№ 棚 o f C o n t r o l S y s t e m f o r n e q Co n v e r t e r of il l g F a n ZHANG y _0 一s h e n g ． D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o fN o r t h w e s t P i o n e e r C o ． L t d ． ofB a o t o u S t e e l G r o u p C o r p ． ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， N e i Mo n g g o l ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e a r t i c l e ， i t i s i n t r o d u c e d t h e c o n t rol s y s t e m f o r mo t o r o f 2 a i r b l o we r i s t r a n s f o r me d t o e q u e n c y c o n v e r s i o n c o n t rol s y s t e m t o s o l v e t h e p rob l e m o f p o we r i n s u f fi c i e n c y for d e d u s t i n g f a n a t p e a k h o u r s o f p r o d u c t i o n s a s w e l l a s a c h i e v e t h e g o a l o f s a v i n g e n e r g y a n d r e d u c i n g c o n s u mp t i o n t h r o u g h s t e p l e s s s p e e d r e gu l a t i o n s f o r d e d u s t i n g f a n b a s e d o n t h e p r o c e s s r e q u i r e me n t s ． Me a n wh i l e ， t h e r e mo t e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f 2 a i r b l o w e r a r e t r a n s f o rm e d， t h e n s 74 0 0 P L C i s d e t e rm i n e d t o b e as t h e c o n t rol u n i t a n d E T 2 0 0 M a s t h e r e mo t e c o n t r o l s t a t i o n ． As a r e s u l t ， t h e r e mo t e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l a 8 w e l l as t h e ma n a g e me n t for f r e q u e n c y c o n v e rsi o n c o n t r o l o f mo t o r for 2 a i r b l o w e r a r e r e a l i z e d ． K e y w o r d s f r e q u e n c y c o n v e rt e r ； P L C； rem o t e c o n t r o l ； s y s t e m d e s i g n 包钢某厂共有 2座炼钢转炉 ， 与其相配套 的转 炉二次除尘系统共有 2台除尘风机， 系统总除尘量 为 l 1 O万立／ h 。1 转 炉于 2 0 0 1年 1 1月热试投 产， 与其配套的二次除尘 l 风机电机控制采用美 国 R O ． B I C O N 罗宾康 高压变频器控制。转炉二次除尘 2 风机电机采用高压直接串电抗器启动控制， 电机 为美国7 0年代产品， 为美国 G E公司提供的高压同 步电机， 其电机额定功率为 2 5 0 0马力、 额定电压 6 6 0 0 V、 额定电流 2 1 2 A、 额定频率 6 0 H z 、 额定转速 9 0 0 r ／ m i n 、 额定励磁直流电压 2 5 0 V、 额定励磁电流 3 6 A。由于二次除尘系统 因 2 风机电机没有达 到 额定频率 、 额定转速运行 ， 总除尘风量没有达到工艺 要求 ， 从厂房顶部外 冒出 的粉尘较 大， 严重 污染 环 境。为适应节能降耗及环保要求， 全面彻底地解决 该系统存在的问题 ， 经过科学分析论证 ， 厂里提出改 造方案， 利用中修的有利时机对 2 风机电机控制系 统进行改造 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 3 作者简介 张永胜 1 9 7 2一 ， 男， 内蒙古包头市人 ， 自 动化高级工程师， 现从事电气设计工作。 第 4期 除尘风机变频器控制系统设计与实现 4 9 1 风机 出力不足 的原因分析 交流同步电动机的转速为 n 06 o f , ／ p 1 式中 n 。 电动机同步转速， r ／ m i n ； p 电动机极对数 ； 电源频率， H z 。 由式 1 可知 ， 电动机同步转速 与 电源频率 成正比⋯。由于 2 风机 电机的额定频率为6 0 H z ， 我国的电网频率为5 O H z ， 当采用直接串电抗器控 制， 此 时 电 动机 的工 作频 率 即为 电 网的频 率 5 0 H z 小于其额定频率， 故电动机的转速达不到 其额定值而造成风机的出力不足。 原 2 风机电机控制系统的缺点 ①电机转速不 能根据工艺要求实现无级调速， 电机耗能较大， 达不 到节能降耗 目的； ②电机能力不能完全发挥， 最大只 能在 5 0 H z 下以 7 5 0 r ／ m i n常速运行 ， 没有达到额定 转速 、 额 定 频 率工 况 下运 行 ， 即除 尘风 量 出力 在 8 3 ． 3 ％， 不能满足工艺要求； ③电机直接串电抗器启 动与停止对电网冲击较大， 同时对电机伤害较大， 从 实际运转效果看， 电机起车与停车轴向串动较大。 2 改造实施方案 改造分两步实施解决， ①主要解决了由于输灰 不畅、 灰尘吸附能力差、 管道堵塞、 皮带输灰机二次 污染严重进行的设备改造。②解决电机出力不够、 不能调速等问题 ， 将该控制系统改为变频器控制 ， 并 设置 P L C控制系统实现在转炉操作室对 2 风机进 行远程控制。 3 变频器系统配置 该次改造， 2 风机高压同步电动机采用 日立公 司 D HV E C T O LH I 型直接变频调速装置进行控制 ， 该套变频器采用单元串联多电平方式、 矢量控制技 术 ， 调速性能好 ， 产品可靠性高。 整套变频装置 由变压器柜 、 功率单元柜和励磁 柜 3 个部分组成。变频器系统单线图见图 l 。 励磁柜为全进口设备， 励磁电流直接由变频器 控制 ， 包括电动机的启动 ， 调速 ， 停止 。满足额定励 磁电压 2 5 0 V， 额定励磁 电流 3 6 A 。励磁调节方 式 依据变频器自动调节。 变频 器 的 输 入 电 压 6 ． 6 k V， 输 出 电压 0～ 6 ． 6 k V， 输 出不需额外加马达滤波器或升压变压器 ， 变频器按电动机额定频率 6 0 H z 设计， 在变频器运 行至6 o H z 时， 其输出满足电动机的额定电压、 额定 功率、 额定转速、 额定电流的要求。 变压器为 干式 变压器 ， 1 0 k V输入 ， 6 ． 6 k V输 出， 1 8 脉冲裂相。变压器与变频器分室安装， 从而 降低变频器室内温度、 噪音及占地空间。 3 8 0 V A C ／ 2 5 k V A l O k v J ／ 5 0 H z B 鑫 I I I 一 移相 变压器 ⋯⋯一 f l } ⋯ 营 I Ex l I l 变 ． 6 器 1V 输 A CI r r ‘ I ． I _一 I v J - ． _一 c 2 5 0。 6 A 硼‘ k 图 1 变频器系统单线 图 4 变频器系统特性 系统一体化设计， 包括输入柜式隔离变压器， 变 频器等所有部件及内部连线； 保护等级 I P 3 1 、 配浪 涌保护、 模块化设计、 柜门保护连锁等。 变压器柜 内的多重移相变压器能够承受系统过 电压和变频器装置产生的共模 电压影响- 2 J ， 该变压 器原边绕组采用呈星形接法， 副边绕组采用延边三 角形接法和呈星形接法， 可有效抵消电网中的偶次 谐波 ， 并可有效地滤除 4 7次以下某些奇次谐波 ， 以 减少对电网的谐波污染 。在 2 0 ％ 一1 0 0 ％的负载变 化情况内达到或超过 0 ． 9 5的功率因数。 利用 6 5 0 0 V的高压功率器件直接架构 6 ． 6 k V 的变频器 2 4只 S C R组成 6 ． 6 k V的整流器 ， 2 4只 S G C T组成 6 ． 6 k V的逆变器 ， 变频器输 出应直接为 6 ． 6 k V， 无需外置／ 内置升压变压器或马达滤波器等 类似变压环节 ， 系统结构简单 ， 潜在故障点最少化 。 逆变技术可保证器件的安全串接， 每个桥臂 4只6 5 0 0 V的 S G C T ， 使得逆变单桥臂耐压等级高 达工作电压的4 倍以上。每只 S G C T电流导通能力 5 0 包钢科技 第 3 9卷 为 8 0 0～1 5 0 0 A， 变频耐压／ 电流裕量最大化。 逆变器 固有强壮的电流保护特性 ， 无需熔 断保 护电路， 不但降低了系统复杂程度， 而且免除了输出 侧短路造成器件损害的可能。基于硅材料的S G C T 开关器件在大电流高电压转换器应用时， 故障率远 比 I G B T低。 输入波形好 1 8脉冲整流器 可对 1 7次以下 的 高次谐波进行有效的抑制， 总体谐波畸变 T HD小于 5 ％ ， 不需谐 波分析及 加低通 滤波环节 ， 直 接满 足 I E E E 5 1 9 1 9 9 2谐波抑制标准 J ， 不会对 电网环境 和稳定性造成破坏 。 输出波形好 变频器采用每相 8级单元串联 ， 在 功率单元内装有 2 4个功率单元， 每个单元输出的 P WM波形叠加后 ， 输出的波形非常接近于正弦波， 谐波含量很低 ， 极大地减少 了对交流电机 的谐波干 扰， 而且功率因数高， 上变频器后， 不需另外设置无 功功率补偿装置。P WM电流型变频器输 出无 d v ／ d t 及 d i ／ d t 产生 ， 对输 出电缆长度无任何要求 ，变频 器输出满载时 电流谐波分量小于 3 ％， 对 电机没有 特殊要求 ， 无需另加马达滤波器 ， 可直接拖带普通 旧 电机。电机无额外温升， 不必降容使用。 变频系统效率 在整个 调速范 围内达到 9 6 ． 5 ％ 以上。变频装置有过电压 、 过电流 、 欠 电压 、 缺相 、 变 频器过载及过热 、 电机过载 、 输 出接地 、 输出短路等 保护功能。 5 P L C远程控制 系统 5 ． 1 系统硬件构成 P L C远程控制 系统采用 了以 S 74 0 0系列 的 P L C作 为控制单元 ， 以 E T 2 0 0 M 作为远程控 制站。 P L C远程控制系统 的配置图详见图 2 。 图 2 P L C远程控 制 系统配置 图 s 7 4 0 0可编程控制器是德 国 S i e m e n s 公 司推 出的新一代 C P U硬件平 台， 处理速度显著提高 ， 4 1 4 型 C P U执行一条指令仅需 0 ． 0 6 s ； C P U的资源裕 量显著增加， C P U通信性能显著增强； 用 E T 2 0 0进 行远程扩展 可适 用于分 布范 围很 广 的系统 ， 通过 C P U中的 P R O F I B U SD P接 口最多可连接 1 2 5个 总线结点 ， 中央控制器和最后一个结点 的最大距离 为 2 3 k m 使用光纤 。 该系统可实现远程和就地两种控制 。就地控制 为机旁操作箱设计， 有声音报警器、 速度给定装置、 设备运行状态 、 停机 、 声音报警 、 复位、 紧急停机按钮 等直观操作 。远程控制在转炉操作室内的操作站上 完成 。 5 ． 2 系统软件 应用 Wi n C C V 6 ． 0组态监控软件和 S t e p 7编程 软件完成现场级、 基础级 、 控制级三级控制系统的控 制 ， 实现 了上位机 与 S 74 0 0 P L C之 间 、 s 74 0 0 P L C与分布式 E T 2 0 0站之 间的通讯 ， 最 终完 成 了 2 风机电机变频控制的远程监控和管理。 在转炉操作室的远程操作站上可显示所有现场 就地控制系统的信息 ， 包括 电机电流、 电压 、 定子温 度、 转子振动、 声音报警、 设备运行状态等数据信息， 并实现远程开机、 速度给定、 停机、 声光报警、 复位等 操作。同时利用报警记录还可以查看控制过程 中记 录的温度 、 电压 、 电流等信息 ， 用于及早检测电机可 能存在的异常情况。 6 结束语 将 2 风机 电机控制系统改造为变频器远程 控 制系统后 ， 解决了在生产高峰期 2 除尘风机出力不 足的问题， 除尘效果得到了明显改善； 并能够根据工 艺要求对除尘风机进行无级调速， 实现了节能降耗 的 目的， 实际使用证明， 节能效果显著。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 牛秀岩． 电机学 [ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 2 0 03． 中国电器工业协会 变频器分会组． 高压 变频 器应用手册 [ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 09． I E E E 5 l 9 1 9 9 2 ， 谐波抑制标准[ s ] ．