青海西门子S7-200代理商

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1　引言
      变频调速技术因具有显著的节电效果、方便的调速方式、较宽的调速范围、运行可靠、完善的保护功能等优点而被广泛应用。济南裕兴化工总厂是一家生产硫酸的大型企业，年用电量巨大。如何节约电能已经成为该厂降低成本的重要措施。

2　送风机变频改造情况
2.1 改造前状况
      该供风系统采用350kW 380V风机，靠调节风道挡板控制送风量以适应生产负荷的变化。由于投建时风机选型较大，出现“大马拉小车”情况，大部分电能被消耗在风道挡板上，从而使风机效率下降。

该系统在运行过程中还存在一些其他问题:
（1） 风道挡板动作迟缓。手动运行时人员操作不灵活，容易造成风机振动，很难满足佳调节品质。
（2） 风机挡板执行机构故障较多。
（3） 送风机在启动时，虽然采用了自耦降压启动方式，但启动电流仍然较大，电机受到的机械、电气冲击较大，经常发生转子笼条断裂的事故。
      为了解决上述问题，决定对送风机控制系统进行改造，利用电机变频调速方法实现送风量控制、电机软启动，达到节能和实现稳定控制的目的。
2.2 改造方案简介
      在原电机与开关之间增加一套变频装置，并保留了原有工频回路做旁路，其电路结构图如图1所示。

      图1中，变频器采用成都希望森兰变频器制造有限公司生产的SB61G375KW矢量型全能王变频器，它是该系统的核心。变频器的输出电压为0～380V，输出频率为0～400Hz。在实际使用中，变频器上限频率设置为50Hz。它由高性能数字处理器DSP控制，功率元件采用IGBT模块，具有输入、输出波形好，谐波小等优点。   SB61G375变频器保护功能齐全，包含了过压、过流、欠压、缺相、短路，过热、瞬时停电保护等，能有效地保护电机及自身装置，并且可查询故障时各参数变化的记录，大大地简化了维护的工作量。
      变频器采用高精度调节电位器来给定输出频率，根据需要的风量在现场调速。电位器通过屏蔽线与变频器控制器连接，并且设置了低通滤波器以提高控制精度。通过Y1端口的输出频率信号作为现场监控。由于采用了电气互锁装置，使系统不会出现误操作等意外事故。
      由于该变频器容量较大，为了减少dv/dt及di/dt对系统的干扰，在变频器直流侧增加了直流电抗器。并在柜体的通风散热上也采取了不少措施，通过增大进、出风口面积等方法，使变频器的升温减到较小的程度，从而保证了该变频调速系统的可靠运行。

3　送风机变频改造效益分析
      根据流体力学可知，可从以下公式分析：风机电机的轴功率P与其风量Q、风压H之间的关系是:

P∝Q×H

      当电机转速从n1变化到n2时, Q、H、P之间的关系为:

      电机消耗的功率与电机转速的立方成正比，风机的风量与转速成正比。当转速降低时，风机所消耗的电能按3次方比例关系下降。而采用风道挡板调节风量时，电机消耗的功率约额定功率的90%，实际利用量较少，相当一部分能量消耗在风道挡板上，能量损失严重。

4　采用变频器改造的效果
      该系统风机电机为350kW、额定电流629A、2极。原工频工作时，平均运行电流530～590A，取550A计算，每小时耗电约317kWh（有功）；在投入变频系统运行后，平均每小时耗电207kWh（有功），在变频器输入侧（电源端）测试，电压仍为380V，运行电流为280～320A，取300A计算；变频系统功率因数取0.93；电价0.5元/kWh。
（1） 每小时节电
      按有功计算，上式结果乘以上功率因数0.93
      40%×0.93≈37%
      每小时节电：317－207＝110（kWh）
（2） 年效益
      该风机为不停机运行，年运行365天，故年节电效益为：
      365×24×0.9×110×0.5≈43.4（万元）
（3） 投资回收年限
      该系统总投资20余万元，每年收益43.4万元。所以该项目投资回收年限只有半年；同时提高了生产效率，降低了生产成本，效益十分显著。系统使用至今运行稳定，从未出现任何故障。

5　结束语
      该项目的大意义是节能。与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低。特别是机组低负荷运行时，效果更显著。同时提高了可靠性，延长了电机寿命。另外，由于风门全开，减少了风道的振动与磨损，提高了机械寿命。变频装置节能效果好、调速先进、使用成熟、性能可靠，是理想的节能项目。

一. 概述
      在工业生产中，压缩空气的使用非常普遍。在工厂内，若干台空气压缩机安装在一个地方，就构成一个空压机站。四川自贡鸿鹤化工实业有限公司有一空压机站，安装有3台110kW往复式活塞空压机，用来压缩氢气。由于生产上使用氢气的不均匀性，用气量是在动态变化的，有时需要同时运行数台氢压缩机供气，而有时连一台氢压缩机产的气都用不完，但氢压缩机仍在全速运行。氢压缩机在出厂时都配套有排气压力调节装置，储气罐内的氢气压力超过设定压力时，压缩机进气管上蝶阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态。当储气罐内氢气低于设定的压力时，压缩机进气管上蝶阀自动开启，压缩机又进入满载工作状态。设定值有一滞环，例如设定储气罐内的氢气压力为0.815MPa，滞环为0.045MPa，这种调节方式，供气压力的变化范围就是0.045MPa。满载时，空压机的工作电流接近电动机额定电流；空转卸荷时，空压机的工作电流约为电动机额定电流的50%。这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。虽然这种调节装置也能调节压力，但压力的调节精度低，压力波动大；压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，电耗高。

二. 压缩机节能原理
      根据空气压缩理论，压缩机的轴功率PZ（kW）、排气量QD（m3/min）和轴转速n（r/min）符合下列公式：

式中：
Mr—压缩机输入的平均扭矩N m
K—与气缸容积、压力、温度和泄露有关的系数
n2—调节后的压缩机转速，r/min
V—气缸容积，m3
      根据上述理论分析，在压缩机的气缸容积不能改变的条件下，只有调节压缩机的转速能改变排气量；压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速成正比变化；在压缩机总排气量大于供气量时，通过降低压缩机转速调节供气压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。

三. 变频恒压供气
      降低压缩机转速调节供气压力，是达到压缩机经济运行的有效方法，而变频调速方法，是一种高效的调速方法。考虑在储气罐上安装一只压力变送器，将压力信号反馈到变频器的端子上，构成恒压供气系统，供气压力0.8MPa。本例选用一台森兰SB12S132KW变频器，压力变送气选用森纳斯DG13W=BZ-A，1.6MPa。恒压供气原理图如图7-1所示：

      变频器控制台压缩机，给定调节用变频器上的操作键盘，变频器的多功能输出Y1、Y2分别接第二和第三台的压缩机的自耦减压起动器的起动/停止电路，这样可由变频器的输出控制另外两台压缩机的运行或停机。手动运行时，台压缩机由变频器控制，第二和第三台的压缩机可用自耦减压起动器人工起动/停止。自动运行时，台压缩机首先变频运行，当变频器的输出频率已达到50Hz，供气量仍不足，变频器的输出节点Y1、Y2动作，起动第二和第三台的压缩机工作；如供气量大于给定值时，系统自动停止第二和第三台的压缩机工作，通过闭环调节可实现恒压供气。
      氢气为可燃性气体，压缩机的工作场地有爆炸危险，SB12S系列变频器的防护等级为IP21，显然不能安装在有爆炸危险的场合。将变频安装在没有爆炸危险的配电房内，用远方控制盒在压缩机旁进行操作，远方控制盒也要考虑为本质安全性的。

四. 结束语
      压缩机于2003年8月改造完成，经过三个月的运行，达到了预想的目的。不论生产用气如何改变，恒压供气的气压维持在0.8MPa左右，供气质量大幅度提高。节能方面，由压缩机的公式可见，压缩机消耗的轴功率PZ（kW）与轴转速n（r/min）成正比，而压缩机的排气量QD（m3/min）又与轴转速成正比，则压缩机消耗的轴功率PZ（kW）就与压缩机的排气量QD（m3/min）成正比，即是：

式中：Mr、K、V均为常数，可见减少排气量，可节省轴功率。
      经实测节电率达到26%，取得了较好的经济效益

1、传动

2、收卷

现场分析  
      宝沣皮塑生产线变频改造主要的问题是有两个方面.一是传动缸的线速度同步的问题;另一方面是收卷的问题.其中主要的是传动缸的线速度同步的问题.针对这中情况我们提出以下方案:
1、用PLC和人机界面进行操作。通过PLC的内部比例运算，分别给驱动缸的变频器一个同步的速度信号。
2、采用台达SCD-04型同步控制器进行同步控制。
3、变频器采用VT230S系列，利用该变频器的比例联动功能实现同步控制。
      种方案控制精度高，操作方便，但成本高；第二种方案精度也比较高，成本低一些，操作比较方便；第三种方案则成本低，精度同第二种方案或略高于第二种方案，操作方便。通过与厂家协商，我们终采用了第三套方案。

方案设计  
      新方案中，我们有四台VT230S-7P5HB控制四台7，5KW异步电动机，有异步电动机驱动传动缸。由一个统一的给定信号作为四台变频器的主给定信号。通过调整VT230S的比例联动系数B06-0，可以达到四只缸的同步。对于运行中可能出现的速度偏差，我们每台变频器设计了两只按纽，通过增加或者降低变频器的比例联动偏置频率达到四只缸的佳同步。
      在收卷中我们用一台VT230S-2P2HB控制一台普通的异步电动机，利用VT230S特有的力矩控制功能完成收卷功能。同时，在同步控制的四台电机中，我们分别设计了点动，主要在开车时引革、退革用。

方案分析   
      在传动的同步控制中，我们用一个统一的继电器控制四台变频器的启动/停止。当按下启动按纽ST时，继电器J1动作，四台变频器同步启动。在速度的同步控制中，我们用一个10V的直流电源作为信号源，加一个电位器VR，从而变出可调的0-10V的直流可调信号作为四台变频器的主给定信号。由于各传动缸的直径不一样，为保持统一的线速度，通过调节VT230S的比例联动系数B06-0，终可以达到四只缸的同步。按纽PB1和PB2作为正、反点动按纽。当生产线开车时，点动可以引革和退革来调节皮革的松紧度。PB3和PB4作比例联动的偏置调节，当生产线出现微小的速度偏差时，可以通过PB3和PB4来调节。四台变频器的报警输出FA、FC并联，当其中的任意出现故障时，整条生产线停车。
      在收卷控制中，我们应用的是VT230S力矩控制功能。通过调节VR1可以调节皮革卷取的张力。参数调节上，只需要将C30-0设置为3，C05-9的ASR功能打开，然后将C07-6设置为2，自动调整电机参数即可。

变频器主要参数设定： 

用户评价  
      该系统运行以来，设备运行稳定。皮革的质量和产量比较以前都有了大幅度的提高。由于系统的线路非常简单，使得维护变的非常容易。在成本方面，除了变频器的投资之外，其他器件的成本可以忽略不计，投资非常省。 

结束语     
      通过VT230S在 宝沣集团生产线的成功应用，我们看到了以下几个方面：

1、VT230S的比例联动功能，可以成功地应用到皮革，造纸等小型生产线的同步控制上。不仅精度高，线路简单，便于维护，而且投资省。
2、采用明电舍VT230S在力矩控制功能，我们可以用普通异步电机来完成皮革卷取、钢带拉伸等工艺的张力控制中，不仅节省了投资，而且简化了线路，降低了维护成本。 

一、概述

　　随着交流变频调速技术在各行业的应用发展迅速，变频调速在频率范围、动态响应、低频转矩、功率因数、工作效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，并且在节约能源、提高经济效益等方面发挥了巨大作用。

　　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30-45min，其中供氧（吹炼）过程为15-20min，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，同时减少设备损耗，对提高设备利用率也十分有益。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。交流变频技术是电气传动技术发展的必然趋势，它不仅调速曲线平滑，调速范围广，效益高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果好，对风机、泵类设备而言是佳的节能手段，平均节能效果可以达到30%以上。但是在大功率电机上尚未得到推广。究其原因，主要有二：一是大功率电动机供电电压高（3～10 kV），而目前变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题;二是高压大容量变频调速装置技术含量高、维护难度大、造价高，而负载多数情况下都是直接关系生产、生活的重要设备，大多数用户对它的性能和可靠性心存疑虑，不敢大胆采用。

　　我厂通过对多家单位实际应用效果的多方考察，选用了西门子Simovert MV中压变频器。

二、系统结构及特点

　　西门子SIMOVERT MV中压变频频器拥有以下显著特点:

　　（1）、SIMOVERT MV系列变频器采用传统的交—直—交变频器结构，整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用耐压较高的HV—IGBT模块，使得串联器件数减少为12个，随着元件数量的减少，成本降低，方案变得简洁，有助于提高可靠性。良好的输入输出波形;满足IEEE-519标准，效率高，使用简单，便于维护，采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备较强的过载能力。

　　（2）、SIMOVERT MV系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以不可避免地会产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列变频器的输出侧需要配置输出滤波器，以获得具有低谐波分量的基本正弦电流特性以及较佳的转矩特性，同时电机的损耗可以降到低。另外HV—IGBT优点是每次通断电的瞬间电流和电压可以完全控制，dV/dt可以调节，从而减轻对电机绝缘的损坏。

　　（3）、系统提供多种控制模式，包括线性V/F控制，平方V/F控制，可编程多点设定V/F控制，磁通电流控制，无测速矢量控制，闭环矢量控制等。通过速度反馈选板可构成带反馈的矢量控制闭环，从而可大大提高除尘系统的控制精度和稳定性。

　　（4）、当该变频器工作于限流状态时，不受输出短路的影响，这就避免了当发生电机或电缆短路等故障时，造成变频器功率元件损坏的现象。

　　（5）、高性能及成熟的全数字化SIMADYN D控制系统可用作开环控制和闭环控制平台，它具有灵活的标准软件，速度极快的全数字化32位信号处理器，便于操控和观测的良好用户界面，本地诊断程序以及通过调制解调器的远程诊断功能。SIMVOERT MV模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，而且也增强了系统的维修便利性，因而提高了系统的可利用率:运行的情况下风扇在半小时内完成更换。不必使用特殊工具，只需5min完成IGBT功率模块的更换工作，光纤触发装置UEL采用可插式结构。SIMADYND控制板以及供选用的调制解调器接口卡也都是插入式。模块错误信息的时序记忆功能可迅速排除整个传动系统的故障，例如:断路器、电网欠电压或过电压、变压器监测、风扇故障、电机监测，IGBT监测、直流环节电压、接地故障监测、辅助电压监测。

　　（6）、该变频器具有强大的通信功能，在风机除尘工艺系统中，炉前工艺吹炼状态识别可通过PLC方便实现。由于采用了现场总线技术，该变频器与上位PLC系统之间只需通过Profibus通信模块和一根通信电缆实现联结，减少了操作台及控制台之间大量的电缆连接及因此带来的诸多问题。

三、工艺特点

　　炼钢的工艺过程以及风机特性是我们选择中压变频器的主要原因。

　　炼钢厂氧气顶吹转炉，在吹炼过程中产生大量的烟气，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，降低电能消耗，但效果不佳;如果采用中压变频调速，通过网络通信，及时判断炉前吹炼状态，进而改变风机转速来调节输出风量，这不但方便有效，还可节省大量的电能。

　　从风机的工作特性来看，调速控制与风门控制调节风量比较，有着更高的节能效果，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，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。

图1 风机的特性曲线

　　另一种是调速控制，风机转速由n1降到n2，根据风机参数的的比例定律，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，显著减少，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的。

　　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，这个节电效果也是很可观的。

四、系统调试过程中的问题

　　风机在起动过程中，其阻力矩随着转速的上升而迅速上升的。当起动完毕后，阻力矩达（0.6～0.9）Me，而转炉风机起动初期，由于滑动轴承中的油膜尚未形成，呈现的静摩擦阻力矩较动摩擦阻力矩大，并且运行环境中，CO等气体残污粘结，也影响了电动机的起动转矩。由于风机是单吸双支撑结构，启动时轴向力较大，在短时间内风机很难快速启动，有时过流30%可持续10s以上，因此时常造成变频器过负荷保护性停机。针对这一状况，我们做了以下调整：

　　（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，我们将机前调节阀开度打到允许范围内的小程度，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）。经过我们多方查证，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，大值为30s，我们经过反复实验，12s完全满足了我们的需要。

　　（3）、由于我厂的高压电网时常产生波动 ，使得变频器经常出现35KV过电压故障，需进行内部复位，后来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AB公司生产的产品，而变频器选用的是西门子厂家生产的产品。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。由于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，我们购买了一块第三方SST-PFB-CLX模块，通过对该模块的配置，建立了以SST-PFB-CLX模块为主站，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添加了通信程序，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A-B 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。

　　从投产后的应用效果来看，变频器限制了起动电流，减少起动时的峰值功率损耗;改善电网功率因数，变频器使系统功率因数保持在0.95以上;消除电动机启停时机械的冲击，延长了风机使用寿命，减少维护量;系统压力降低，缓解管道的压力和密封等条件，延长使用寿命;电机和风机运转速度下降，润滑条件、传动装置的故障率都得以下降。

五、效益分析：

　　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。

　　风机每年运行时间按330天计算。

　　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。一台转炉每天平均生产40炉钢，则

　　每天吹炼时间t1： 40×（17÷60）=11.3小时

　　每天非吹炼时间t2：24-11.3=12.7小时

　　风机高速时（吹炼状态）电机消耗平均功率：

　　P1=√3×Ue×I1× CosΦ=√3×4000×100×0.86=596KW

　　风机低速时（非吹炼状态）电机消耗平均功率：

　　P2=√3×Ue×I2×CosΦ=√3×2400×40×0.86=143KW

　　全天用电量计算：

　　W1=P1×t1+P2×t2=596×11.3+143×12.7=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

　　W1=P1×（t1+t2）=596×24= 14304 KWh

　　一台风机一年节省的电能（每度电0.4元）：

　　330×（14304-8551）×0.4=75.9万元

　　从上面的计算可以看出，采用变频器实现转炉风机调速，节能效果和经济效益十分可观。

六、结束语

　　转炉一次除尘系统投入变频器后实现了风机的高低速自动转换过程，由于中压变频器的高可靠性使得一次除尘系统故障率降低，明显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钢厂较未采用变频器实现调速的钢厂由于风机原因的减产大减少，这在很大程度上说明将变频器应用于转炉风机调速系统具有推广应用价值。