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案例頻道摘 要：本文結合冶金行業生產應用的實際情況，介紹了變頻調速設備在該行業的應用情況。詳細分析變頻改造原理及應用可行性。
關鍵詞：變頻器 拉絲機 水泵 風機
Abstract：The article introduce the transducer using for metallurgical industry. Describe the principle of frequency conversion technology and feasibility for application.
Key words：frequency、 conversion 、drawbench、 pump 、 fan
1 引言
冶金行業是在國民經濟中的比重非常大，是和中國的社會物質文明發展息息相關的重要產業。現代冶金企業的特點不同于其它行業的工業企業，都是規模較大，效益顯著，連續、高效式地生產流程性企業。在冶金行業，企業員工的整體素質較高，企業信息化的意識較強。具備一定規模的鋼鐵企業基本上都已實現車間內的過程自動化控制系統，車間的生產已經高度的自動化，生產現場，有大量的現場設備需要進行控制。由于現場的環境非常惡劣——灰塵大、震動強、溫度變化大，且需要24小時連續不斷地運行，因此對生產現場控制設備較其他行業有更高的要求。
2 英威騰CH系列變頻器在鋼鐵廠風機變頻改造中的應用
2.1工況簡介
大型冶金企業，如鋼鐵廠等，在生產過程中大量使用到風機，某鋼鐵廠風機工況如下描述： ★系統參數
加熱時間：160 s
急冷時間：30 s
急冷風壓（風門）：100～60 %開啟
冷卻時間：40 s
冷卻風壓（風門）：100 %開啟
循環周期：160 s
★系統流程：
加熱時間 -（急冷時間 + 冷卻時間）=待機時間（待機時風機可有一定的小風）。
工作機組：2臺315KW、1臺280KW
1） 循環周期=加熱時間 = 160 S
2） 工作流程：急冷時間 30 S （風門開啟60～100%）à冷卻時間 40 S （風門開啟 100%） à 微風待機 à 緩慢加速至全速（8 S）。
注：Ⅰ）急冷時 315KW（2臺）+ 280（1臺）全部運行;
?、颍├鋮s時 315KW（2臺）停機，280KW（1臺）運行;
Ⅲ）急冷時風機啟動時間為2 S （可提前幾秒緩慢加速至全速）;
2.2工況分析
在運行時所有風機都采用風門調節方式，大部分的能量都被消耗在風門擋板上了，且擋板的開度越小則耗能就更多。在一般情況下，采用擋板調節的風機其實際消耗功率與風量大致成正比，與風門的開度也大致成正比，從上述工況中的風門開度及電流參數也可以看出這一點。
對運行情況進行分析，可以得出一下兩點：
?。?） 風機實際風量約為額定風量的一部分，風機遠離額定點運行，其實際運行效率很低。
?。?） 由于擋板的存在，擋板前后存在壓差，消耗了很大一部分能量。
所以可以從以上兩個方面改善其運行工況，減小損耗，達到節能的目的。
擋板這種調節方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網損耗，耗費大量能源為代價的。對于高壓大功率電機，耗能則更大。當采用變轉速調節時，其效率最高，因為風量隨轉速的一次方下降，而其軸功率則按轉速的三次方規律下降，而目前性能最佳的調速方式則是國際上公認的交流變頻調速技術。
2.3變頻改造的節能分析
變頻調速節能原理
從流體力學的原理得知，使用鼠籠型感應電機驅動的風機，軸功率P與風量Q，風壓H的關系為： 當電動機的轉速由n1變化到n2時, Q、 H、 P與轉速的關系如下:
可見風量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關系。所以當需要80%的額定風量時，通過調節電機的轉速至額定轉速的80%，即調節頻率到40赫茲即可，這時所需功率將僅為原來的51.2%。
如下圖所示，從風機的運行曲線圖來分析采用變頻調速后的節能效果。
當所需風量從Q1減小到Q2時，如果采用調節風門的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比;如果采用調速控制方式，風機轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發生改變，但風機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節約的軸功率Delt（P）與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。
考慮減速后效率下降和調速裝置的附加損耗，通過實踐的統計，風機類通過調速控制可節能30%～60%左右。
變頻改造節能分析
改造前工頻運行功率計算公式：
其中： U——電機電壓，kV;
I——電機電流，A;
P1——單一負荷下工頻運行功率，kW;
——單一負荷下運行功率因數，小于額定功率因數。
改造后變頻運行預計功率計算公式：
——運行工況與額定工況下的效率、壓力比，小功率電機取1，大功率電機取0.9
根據改造流量不變的原則，有Q1=Q2，其中Q2為改造后的流量。所以。再根據計算出P2。其中P2是變頻改造后預計運行功率，η為變頻裝置的效率。
循環風機節能分析
循環風機改造前工頻運行功率
根據廠家提供的數據可知改造前的運行功率為2臺315kW風機. 1臺280KW風機。
系統循環風機改造后變頻運行預計功率
l 急冷時:（工時為30s，風門開度為60%-100%）
風門開度為（60%-100%）時運行,改為用變頻調速,風門全開.則可節能約20%以上.
l 冷卻時:（工時為40s）:
二臺315KW風機風門為關閉況態.如用變頻器把頻率降到15HZ運行.節能效果可達70%以上.
一臺280KW全風工作.則無節能效果.
l 待機時:（工時為160-30-40=90S）
二臺315KW風機和一臺280KW風機風門為關閉況態.如用變頻器把頻率降到15HZ運行.節能效果可達70%以上.
急冷時每小時節能:（315+315+280） ×0.85×20%=155度
冷卻時每小時節能:（315+315） ×0.85×70%=375度
待機時每小時節能:（315+315+280） ×0.85×70%=541度
每天各周期占有率為:急冷時間占18.75%.冷卻時間占25%.待機時間占56.25%.
則采用變頻節能控制后每天節能為:
急冷時為:155×18.75%×24=697.50度
冷卻時為:375×25%×24=2250度
待機時為:541×56.25%×24=7303.5度
按當地0.50元/度電價和全年330天運行時間計算
煤磨引風機每年節約電費約（697.5+2250+7303.5）×330×0.50=169萬元
變頻調速其他附加好處：
1. 網側功率因數提高： 原電機直接由工頻驅動時，滿載時功率因數為0.8，實際運行功率因數遠低于0.8。采用變頻調節系統后，電源側的功率因數可提高到0.96以上，無需無功補償裝置就能大大的減少無功功率，滿足電網要求，可進一步節約上游設備的運行費用。
2. 設備運行與維護費用下降： 采用變頻調節后，由于通過調節電機轉速實現節能，在負荷率較低時，電機、風機轉速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長;并且變頻改造后風門開度可達100%，運行中不承受壓力，可顯著減少風門的維護量。
3. 用變頻調速裝置后，可對電機實現軟啟動，啟動時電流不超過電機運行額定電流的1.2倍，對電網無任何沖擊，電機使用壽命增長。
4. 操作簡單，運行方便?？赏ㄟ^計算機遠程直接給定風量或風壓等要求即可實現智能調節。
2.4系統控制方案
2.4.1 本地控制：利用系統控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制。
2.4.2 遠方控制：系統提供數字和模擬輸入接口，由DCS或上位機實現控制。
遠方控制接口：
變頻調速裝置可以提供的數字量輸出
?。?） 報警及故障信息2路：（至控制系統，如DCS）
變頻器輕故障綜合報警，變頻器重故障綜合報警。
變頻器總故障綜合報警包括：變壓器超溫、變頻器過流、系統故障等。
（2） 調速裝置的狀態信息2路.
待機狀態、變頻運行、停機狀態、工頻旁路/變頻狀態、就地/遠方控制狀態
變頻調速裝置可以提供的模擬量輸出1路：（至控制系統，如DCS）
調速裝置可以提供1路4～20mA/0～10V（可選）模擬輸出，帶負載能力均為400Ω。
一路代表變頻裝置輸出頻率或電機轉速，4～20mA對應0～50Hz或0～額定轉速，呈線性關系。
變頻調速裝置需要的數字量輸入1路：
（1） 遠端的控制信號：（來自控制系統，如DCS）
變頻器啟動、變頻器停機、緊急停機、遠程復歸。（說明：調速裝置的“遠程控制”和“本地控制”由調速裝置選擇，當給定遠程控制時，調速裝置的控制權交給控制系統）
變頻調速裝置需要的模擬量輸入1路：
遠程控制時有現場給定值：
該給定值可以為4～20mA的電流源信號（帶負載能力必須大于250Ω），也可以為0～10V的電壓源信號（負載能力必須大于10mA）。
該給定值在遠程控制時，作為調速裝置的轉速給定值，4mA～20mA或0V ～10V對應0Hz～50Hz或0～電機額定轉速，呈線性關系。
本系統的外部的開關量輸入接點要求全部為無源干接點;開關量輸出的內部接點全部為無源干接點，接點容量均為AC220V/5A;模擬量信號全部為4～20mA。
2.5英威騰系列智能變頻調速系統功能
2.5.1啟動方式
英威騰系列智能變頻調速系統具有正常啟動和軟起動兩種方式：
正常啟動方式：調速系統按正常方式啟動后，閉環或開環運行于設定值。
軟啟動方式：對于大功率電機，采用此調速系統對電機進行無沖擊電流啟動，啟動完成后電機切換至工頻電源，完成電機的軟啟動。
2.5.2 運行方式
閉環控制：檢測回路獲得被控制量的實際值，與設定值比較，得到偏差信號。偏差信號經過PID調節來控制電機轉速，調節被控制量，使之與設定值一致。
開環控制：選擇開環控制，頻率控制信號由頻率設定方式給定，輸出按照負載特性設定的幾種壓頻比曲線方式控制電機運行。
2.5.3頻率設定功能
運行頻率設定方式包括：LCD面板設定、控制柜電位器設定、外部4～20mA或0～10V模擬信號輸入給定、開關量頻率升降給定、上位機給定等多種給定方式。
2.5.4 控制方式
本地控制：利用系統控制器上的鍵盤、控制柜上的按鈕等就地控制。
遠方控制：系統提供數字和模擬輸入接口，由DCS或上位機實現控制。
2.5.5 參數設定功能
可以設定轉矩提升、U/f加速曲線以適應不同的負載情況,可以設定多達3個共振頻率躲避區域,可以按現場情況需要設定電機保護參數、輸出量功能定義設置等。
2.5.6 故障報警與查詢功能
具有故障報警和故障查詢功能，提高故障排除效率，為用戶維護提供方便。
2.5.7 運行狀態記錄與顯示
英威騰系列智能變頻調速系統具有自動記錄運行狀態和進行顯示的功能，并對顯示數據分類，方便日常維護。
2.5.8其他功能：
聯動控制：英威騰系列智能變頻調速系統可以根據用戶需要提供聯動控制功能，控制生產流程中其他部件。
編程運行：可以根據負載運行特性進行編程控制，實現最經濟的運行方式。
2.6 英威騰系列智能變頻調速系統產品特點
英威騰系列智能變頻調速系統適用于標準三相交流電動機，具有以下的特點：
2.6.1 適用中國電網，抗電壓波動能力強
電網輸入側電壓在-15%～+15%范圍內波動時，通過電壓波動補償算法來自動補償輸出，保證額定輸出。網側電壓在65%額定值至120%額定值內不停機，保證電機持續運行。
2.6.2 SCP抗短路技術
從變頻調速系統本身的安全運行出發，英威騰在主回路充分考慮了電機或是連接電機的電纜可能發生相間短路的情況而設置了三重短路保護功能，可有效保護電機及變頻調速系統的安全。該主回路技術為本公司獨創，并已申請了相關專利。在此技術的支持下可以確保每一臺產品都能經過兩相短路試驗，進一步提高了運行可靠性。
2.6.3 專有核心STT技術（Speed Tracing Technology）
英威騰電氣技術人員多年從事電機的運行及控制的研究工作，在這個基礎上獨創了“STT”算法，可確保電機在調速范圍內的任何轉速下，無需停車可直接啟動英威騰系列智能變頻調速系統。在這個算法的支持下，我們在操作變頻調速系統時，就不用顧慮啟動時電機的運行狀態。這樣就可以實現電機即時的啟動和停止控制了。這也為用戶的運行和維護帶來了極大的方便。
2.6.4 斷電恢復再啟動
瞬時停電恢復自啟動電動機機端實測波形
電網瞬時停電或發生瞬時可恢復性故障后，在允許運行的條件恢復后（允許等待的時間長度可由用戶自行設定），英威騰 智能變頻調速系統可自動搜索電機轉速，實現無沖擊再啟動，保證電機運行的持續運行可靠性，避免不必要停機造成的損失。
2.6.5 軟啟動、無沖擊電流
英威騰CH系列智能變頻調速系統對電機進行軟啟動，具有線性和二次方曲線形式來控制電壓-頻率比，每種曲線形式有多條曲線供用戶選擇。起動時間由用戶設定，內部設有加速過流限速功能，以確保電機啟動的沖擊電流，保證電機的安全運行。啟動過程自動搜索電機轉速，不必保證電機停轉，能夠實現對電網和電動機無過流沖擊的快速啟動。
2.6.6 智能化功能強
加減速自適應功能，在啟停機時間設定不當的情況下系統自動調整時間;雙屏直觀顯示;精確的故障定位功能，高達120項的實時監控點，提高故障排除效率;接口豐富、形式多樣，與各種自動化設備和系統接口，滿足各種現場不同的需求;遠方頻率給定信號具備斷線報警和保護功能。
英威騰CH系列變頻調速系統在冶金行業中風機類負載改造中應用十分成功。設備的節能預期與運行穩定度均得到了廣泛認可。
3 CHV130工程型變頻器拉絲類應用
CHV130工程型變頻器是深圳英威騰電氣公司針對拉絲加工專門研發的新型變頻裝置，優化的內置專用功能模塊幾乎涵蓋了該行業所需的所有技術特點。以下以雙變頻細伸機為例簡要描述該系列機型的特點及應用原理。
3.1 CHV130工程型變頻器的特點
◆任意盤徑下穩定啟停;
◆加減速過程擺桿穩定，3000 米/分高速滿盤運行擺桿波動也非常小;
◆張力擺桿輕抬輕放功能（啟動時擺桿緩慢上升到零位;停機時，擺桿緩慢下沉到底位）即使超微線也不會斷線;
◆大小盤轉換功能，改變線盤后仍能保證同步;
◆斷線剎車/手動剎車功能;
◆可通過張力擺桿位置檢測斷線，省去斷線檢測機構;
◆可利用盤徑檢測進行停機，省去計米表及計米接近開關;
◆參數設定簡單，只設定一個用途參數便可開機運行;
◆斷線急停時，變頻器無“過壓”保護現象;
◆ 完全矢量控制，強大低頻力矩，不折不扣的功率輸出。
3.2 接線圖
圖：主驅動回路圖
圖：繼電器回路圖
3.3 工作原理
在《控制回路接線圖》中，速度給定電位器WR1 向拉絲變頻器VF1 提供頻率給定。由“AI1”端輸入的頻率給定值經變頻器上設置的加減速時間后產生頻率輸出。
拉絲變頻器VF1 的啟停由“S1”端控制。點動由“S2”端控制。
“S3”端為緩?？刂贫恕．敗癝3”端與“COM”端閉合時，由“AI1”端輸入的頻率給定與后級接通。當拉絲機啟動時，“S3”端與“COM”端接通，拉絲機按加減速時間加速至給定速度。當拉絲機緩停時，“S3”端與“COM”端斷開，由“AI1”端輸入的頻率給定與后級斷開，拉絲機按減速時間減速。當拉絲機減速至“零速”時，J2 釋放，“S1”端與“COM”端斷開。拉絲機按“慣性滑行停機”方式停機。
拉絲變頻器VF1 的運行頻率由高速脈沖輸出口“HDO1”輸出并接至收線變頻器VF2 的高速脈沖輸入口“HDI1”，作為收線變頻器VF2 的頻率給定（同步給定）。同時，張力電位器WR2 的反饋信號接至收線變頻器VF2 的“AI2”端。在收線變頻器內部，由“HDI1”端輸入的同步給定與由“AI2”端輸入的偏差反饋進行控制運算，產生收線變頻器的運行頻率。
收線變頻器的啟停由“S1”端控制。收線變頻器的加減速時間應設置的較短（出廠值為0.3 秒），以便快速跟蹤拉絲速度。由于收線變頻器內部具有卷徑計算及卷徑保存功能，因而拉絲機在任何卷徑下都可以平穩快速的啟停。當停機更換空盤后，須對所保存的前卷徑進行清零。卷徑清零通過短接收線變頻器VF2上的“S2”端與“COM”端進行。
通過短接拉絲變頻器的“S4”端與“COM”端，可選擇輸出口“HDO1”的第2 輸出增益，從而實現大小盤轉換功能。
CHV130 張力型變頻器具有輕抬輕放功能：啟動后，張力擺桿緩慢上升到零位緩停。張力擺桿輕抬輕放功能可由內部參數禁止。在收線變頻器內部設有剎車功能。在運行狀態中，若“S4”端與“COM”端閉合，收線變頻器的“RO2”端將輸出5 秒（可設定）剎車命令。為防止啟動時張力擺桿在底位時引起“S4”端與“COM”端閉合而剎車，內部啟動延時參數保證不會誤剎車。手動剎車通過閉合“S5”端與“COM”端進行。手動剎車無延時松剎功能，而是根據手動剎車命令交替剎車及松剎，以方便裝卸盤。每次緩停時，當拉絲變頻器VF1 頻率降至“零速”頻率（可設定）時或張力擺桿下落至底位時，執行自動剎車并延時松剎。在《繼電回路接線圖》中，J1 為啟?？刂评^電器。J1 吸合，拉絲機開始啟動加速。J1 釋放，拉絲機開始緩停。J2 為運行狀態繼電器。拉絲機啟動，J2 吸合。拉絲機緩停至“零速”、斷線剎車或手動剎車時，釋放J2。拉絲變頻器及收線變頻器的啟?？刂贫司蒍2 控制。J2 釋放時，拉絲變頻器及收線變頻器按慣性滑行停機方式停止。繼電器J3 為剎車驅動繼電器。J3 的吸合和釋放由收線變頻器的“RO2”（剎車控制輸出）端控制。繼電器J4 為故障狀態繼電器。當拉絲變頻器及收線變頻器故障時，J4 吸合。J4 吸合時，引起J1 及J2 釋放，運行狀態終止。J5 為排線換向控制繼電器。圖中排線電機為低速同步電機。剎車電源未采用由降壓變壓器與整流橋構成的整流電源，而是采用既經濟穩壓性又好的開關電源，可避免因電網電壓過高而燒毀剎車線圈。
CHV130系列變頻器內部已實現參數組態建模，用戶僅需根據工況設置一個用途參數即可實現復雜控制功能。給生產、調試帶來極大便利。
另CHV130在冶金行業領域用途廣泛，限于篇幅，此處不再累述。
結束語
隨著自動化控制程度的不斷提高，變頻改造技術廣泛應用于冶金領域的各個層面，在冶金行業起重類、軋鋼線材類、電磁攪拌類、風機水泵類應用中，變頻器及其附屬裝置的身影無處不在。無論是節能改造還是工藝改造中，變頻調速技術起到了越來越重要的作用。
參考文獻
【1】 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHV130工程型變頻器說明書》.[M].2008
【2】 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHV100矢量變頻器說明書》.[M].2008
【3】 深圳英威騰電氣股份有限公司.《CHE100高性能變頻說明書》.[M].2008
【4】 深圳英威騰電氣股份有限公司.《英威騰CHV130 張力型變頻器在雙變頻細伸機上的應用》.[Z].2008
【5】 王占奎等.《變頻調速應用百例》[M].未知.1998
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號