郑州中威环保设备有限公司

1.引言

石灰是钢铁生产的重要原料，它主要应用在烧结工艺，炼钢工艺。在石灰回转窑工艺当中，保持窑内稳定的燃烧条件是非常必要的，它是由控制系统通过控制空气和燃料进进焙烧系统的速率，以及通过控制I.D.风机（主排风机）速度从而保持适当的点火器拉力来完成。变化应保持为较小值，在另一变化发生前，系统应有时间调整适应变化。短时间内太多的变化会导致系统的循环，并且要使其再次平衡将会非常困难。

　　I.D.风机（主排风机）的调节方式，即窑头负压的调节方式主要有两种：

　　一、 调节主排风机进口挡板开度使燃烧罩维持一定负压。

　　二、 调节主排风机的速度使燃烧罩维持一定负压;

　　采用靠前种调节方式，风机电机始终在工频运行，靠控制挡板开度来控制窑头负压，在通常正常生产的情况下，挡板开度只为25%～35%，不但耗能比非常大，而且在调整挡板开度时，窑内压力变化波动非常大，很难保证窑内负压。

　　采用第二种调节方式，有两种方案可以选择，液力偶合器调速和变频器调速，下面就将这两种方法简单介绍一下。

2. 变频器恒压供风的基本原理

　　变频器恒压供风系统主要通过压力传感器实时检测主风管的压力，与设定的压力进行比较，经过PID控制器调节后，在线自动调节变频器来控制风机的转速，使压力始终稳定在设定值上，达到压力稳定的目的。

    变频器的调速原理，由交流感应电动机转速公式

　　n=60f1/P＊（1-S） （1）

　　（式中n—电机转速;f1—定子供电频率;S—转差率;P—电机较对数）可知：如均匀地改变电机定子的供电频率f1,就可平滑改变电机转速.对于异步电动机的变频传动,为了避免电机过磁饱和,同时舒缓启动电流,产生必须的转矩进行安全运转,在改变频率的同时,对定子电压也应作相应调节.逆变器主回路把三相50Hz交流电整流滤波为直流,再通过PWM脉宽调制器触发大功率晶体管,把直流变为电压和频率可调的三相交流电，由此可实现变频调速。

　　变频调速对于风机水泵类负载来说，节能效果尤为明显。变速前后流量、压力、功率、转速之间的关系为：

（其中Q代表风量;H代表风压;P代表轴功率;n代表转速）

　　下面将挡板调速、变频调速的风量与风压性能曲线绘制到一块，如下图所示：

　　由以上公式及下图可以看出：

　　风机的正常工作点为A，当风量需要从Q1调到Q2时，采用挡板调节，特性曲线由R1改变为R2，其工作点调至B点，其功率O Q2B H2’围成的面积，其功率变化很小，其效率却随之降低。

　　当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变设备的性能曲线，图中从n1到n2，其工作点调制C点，使其参数满足工艺要求，其功率为O Q2B H2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在效率高区。由于功率随转速3次方变化，故节能效果明显。

　　节能量P=（ H2’- H2）＊ Q2

3.液力偶合器调速的优缺点

　　液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动性能量并改变输出转速的，电动机通过液力偶合器的输进轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制输出轴和力矩，达到控制负载的转速的目的，因此，液力偶合器也可以实现负载转速无级调节。

　　假如采用液力偶合器调速，则电动机转轴连接到液力偶合器，而负载连接到液力偶合器，电动机仍然由电网供电，电动机仍全速运行。

　　经过调研，采用液力偶合器调速具有以下优缺点：

　　优点：

　　●液力耦合器价格便宜。

　　●操纵简单，维修方便。

　　缺点：

　　●调效果快率低，节能效果差。

　　●功率因数低。

　　●直接改善起动性能，起动电流达到额定电流的5——7倍。

　　●液力偶合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢，可能跟不上控制的需要

　　●机械传动方式，运行故障率高，且需定时加液力油。

　　●安装时需加在电机与风机中间，则要重作电机基础，期间将造成生产停顿。

　　●当在运行中液力耦合器出现题目时，只能停产修理。

　　综合比较此两种方案，变频器调速不但能够更加节约电能，运行更加可靠，调节精度及电机功率因数更高，故障率更低，而且通过压力闭环调节，使窑内负压变化保持为较小值，保证窑内压力平衡。随着变频器的发展，在价格上也会更加具有上风。

4.实际应用

　　某钢厂共有三条回转窑生产线，配有3台I.D.风机（主排风机），电机功率为1100KW，转速为1493r/min。根据每个窑产量1000吨/天，电机的实际运行速度在额定转速的60%～80%之间，假如采用变频调速，不但能够大大节约电能，而且在风机挡板全开的情况下能够连续调节电机转速，使得窑内负压保持稳定。

　　根据工艺要求及现场实际情况，对I.D.风机（主排风机）的控制采用变频调速，选用西门子SIMOVERT MV中压变频器实现窑内负压的恒压调速。具体的配置及原理图如下：

　　控制原理：

　　变频器的起停由现场操纵箱或主控制人机界面HMI控制，在启动时首先将挡板开至非常大位置，然后启动变频器，风压由现场压力变送器丈量后将实际的压力信号传送至西门子S7-400 PLC中，与设定的压力值进行比较，通过PID调节器输出一个4～20mA的信号做为变频器的给定信号来调节电机的转速，从而实现对窑内负压的调整，保证窑内压力恒定。

　　在变频器发生故障时，可以临时通过的旁路高压开关柜启动电机。之后通过调节出口挡板的开度大小来调节窑内压力。由于鼠龙式电动机对电网的冲击比非常大，因此采用了星三角启动电动机。

5.SIMOVERT MV中压变频器的特点：

　　SIMOVERT MV中压变频器是西门子公司较新推出的三电平、全数字、矢量控制的变频器。现在在各种领域已经得到了广泛的应用，它具有以下特点：

　　1） 节省能源，特别适于风机和水泵

　　2） 低损耗，功率因数cosΦ>0.96

　　3） 启动电流小，无冲击，能够实现软启动和制动

　　4） 使用电流限幅的过载保护

　　5） 自带有Profibus DP网，易于将传动装置连接并集成到自动化系统中

　　6） 带有专门的调试软件Drive ES，调试简单方便

　　7） 连接简单，通过1台断路器和1台变频变压器即可与产业电网连接

　　8） 采用12脉冲二较管整流，可以有效地清理谐波

9） 设计采用三电平电路配置，其部件只承载直流母线电压的一半

6.系统调试

　　1） 主要调试设备及软件

　　2） 通电前的检查：

　　· 电机尽缘测试

　　· 高压电缆尽缘测试

　　· 变压器检查及测试

　　· 变频柜检查测试

　　3） 变频器送电

　　4） 使用Drive ES软件设置变频器参数

　　5） 静态调试

　　6） 空载试验

　　7） 带载实验

　　经过调试，系统运行良好，变频器启动时间设为180秒，电流限幅值设为电机额定电流的高标准，启动时电机运行平稳。变频器正常运行时，电机在35Hz的频率下运行，通过对实际风压的丈量由PLC不断调节变频器的转速，设备运行稳定，真实实现了恒压排风。停车时间设为180秒，停车时未发生变频器过电压故障。

7.结论

1） 由于采用了变频调速，使得在正常生产时，电机的输出功率大大降低，节能效果明显。

2） 系统具有软启动功能，减小了在启动鼠龙式电动机时对电网的冲击，对整个电网起了保护作用。

3） 通过使用PID调节器调节电机转速来调节风压，使得窑内负压变化很小，且压力恒定，实现了恒压排风。

4） 采用变频调速，风板保持全开状态，降低了磨损，且大力矩执行机构工作次数减少，故障率降低。