高炉助燃风机电机电气控制研究与应用

摘 要：本文研究了河北钢铁集团承德公司炼铁厂高炉高炉助燃风机电机的电气控制特点，针对目前设备存在的电机烧毁、设备老化运行不稳定等问题，通过淘汰原有传动方式，改用变频器控制运行，变频器初始化参数及抱闸控制程序优化等方法，使电机运行速度可调，启制动时间可调，通过在变频器安装制动电阻，使电机的启动电流变少，减小对机械和电气设备的冲击，设备可靠性高。实现了对热线生产时间的延误尽可能减到最小，保证了正常的生产。

关键词：高炉；电气；控制系统

中图分类号：TG146.2 1 文献标识码：A

河北钢铁集团承德公司炼铁厂高炉高炉助燃风机共有4台水泵电机（450 kW，10kV），该电机原设计的启动方式为直接启动方式。而目前炼铁厂的生产和工艺要求每天每台电机至少要启动八次至九次，并且每次的启动电流都在6.3倍左右（现场实测数据），这样频繁的启动致使电机烧毁的现象时有发生；从烧毁电机的解体状况来看，烧毁的部分都在定子绕组与电机引出线的接点处或绕组与绕组之间的连接桥处。该设备的电气控制系统利用电子开关柜控制，由于电子开关柜设备已运用多年，设备老化，系统稳定性不高，特别是电子开关柜抽屉的插头和插座的配合，由于频繁插拔，损坏比较快，由此而造成的生产停机时间较长，增加了生产的成本，而且增加了职工的劳动强度。因此可以判断出直接启动是电机烧毁的主要原因之一。

为解决以上问题，特别是要面对产量不断增加的要求，根据生产实际和工艺要求决定对电气系统进行改造，以提高收集设备的生产效率，适应生产的需要。

1 设计方案

针对驱动方式、启制动时间、电机正反转速度、工作效率以及双机热备等作了充分的考虑，具体方案是：

（1）淘汰原有传动方式，改用变频器控制运行，使电机运行速度可调，启制动时间可调，减小对机械和电气设备的冲击。为了提高设备运行的可靠性，我们采取了双机热备的形式，只要变频器发生问题，值班人员可以把变频器切除，投入接触器运行，以保证卷取控制系统尽快恢复生产。

（2）通过接触器控制和开关切换，实现双机在线热备，两套系统的切换速度小于1.5分钟。把对热线生产时间的延误尽可能减到最小。

（3）控制信号进入PLC，其信号连锁由PLC处理，去掉110V电源，并把24V和220V线路分开使用，提高了设备运行的安全性，并作操作台和系统控制室之间的连锁，提高操作人员的操作安全系数。

（4）对油泵电机进行变频改造，可以起到节能的目的。由于节能主要与轧制工艺过程相关，做出一个准确的计算比较困难，一般来说，经过改造油泵电机可以节能在30%～50%之间。

2 电机参数测试

图1所示电机运行过程中电流实测曲线，可见工作过程中，电流除了随倾动角度的变化而变化以外，在各起制动及速度变化时间点会出现明显的冲击尖峰现象，并且冲击过程中电流的波动幅度远大于稳定运行时的电流值，显然，电流最大值为冲击时电流峰值。通过比较发现，出渣时电流的峰值最大，且四台电机的峰值电流分别为：235.8A、204.8A、218.3A、206.8A。

3 改造措施

3.1 变频器闭环控制改造

变频控制系统原设计仅有变频器电流内反馈闭环控制，电机抗扰稳速性能差，是减速机产生剧烈晃动的原因之一。国内同行如天铁集团采用的是带编码器速度反馈的速度闭环控制，其每台电机通过编码器将速度反馈给变频器，当负载变化影响电机转速时，变频器能够很好的调整输出，保持电机恒速，使电机具有良好的抗扰稳速性能。但目前我厂的现状是，电机未设计编码器接手，安装编码器必须全部更换新电机，而且型钢炼钢厂建设时未严格按照变频器EMC导则进行设计施工，电机距变频器距离长，信号线、电机线混放且接地系统不完善，改造使用编码器速度反馈可能存在强烈的信号干扰，埋有更大的事故隐患，因此采用待编码器反馈的速度闭环控制不适合在我厂应用。经过反复研究变频器功能图，结合现场实测，在输出频率5Hz以上时变频器内部检测的速度反馈值与实际电机速度差别不大，完全可以用变频器自身检测的速度反馈代替编码器速度反馈，实现速度内反馈闭环控制。因现场基本用不到5Hz以下的运行频率，速度内反馈闭环控制完全可以代替速度外反馈闭环控制，且实际应用效果良好。

3.2 西门子矢量型变频器初始化参数优化

要消除高速制动，首先必须将保证电机速度减速至接近零速时控制抱闸抱死，同时还必须避免减速时间过长导致炉子停不住产生下滑现象。研究变频器矢量大全中关于减速功能方面的参数设置，P464减速时间的设置对减速快慢起决定性作用。但在实际调试过程中，无论如何修改减速时间的大小，实际减速时变频器并未按设定曲线减速，而像是自由停车，即系统不能实现设定的减速时间。经过系统排查分析，我们人为变频器本身不存在硬件问题，变频器减速时间不起作用的原因应该与变频器初始化参数设置不正确有关。因此利用定修的机会，我们将四台电机全部脱开，重新做了电机自学习，对变频器初始化参数进行了重新优化。电机辨识及优化功能全部实现后，将电机连接上减速机，带负载进行调试。调试结果显示，变频器可以正常按设定减速曲线减速，功能良好。经过反复试验，将变频器P464减速时间设定为1.5S，实际动作时，电机从最高速开始停车，减速至接近零速的时间为1.5S以内，完全满足控制要求。

3.3 优化抱闸控制程序

重新设计PLC抱闸控制程序，要求抱闸得电条件为一主两从变频器抱闸打开信号输出；抱闸失电条件为一主两从变频器抱闸打开信号取消或有停止信号后PLC延时3S强制抱闸失电。程序修改后抱闸动作条件全部交给变频器分析判断，为提高系统可靠性，变频器控制抱闸信号未直接控制抱闸接触器动作，而是首先接入PLC，经过PLC分析必要条件满足后再输出控制抱闸接触器。PLC保留紧急情况下急停功能和变频器停止后延时3S强制抱闸失电功能，确保在异常情况下抱闸可靠抱死。设置合适的变频器抱闸控制参数，并调试满足设备平稳运行的要求，启动：阀值选择力矩参数，阀值力矩值必须设置准确，既要杜绝各个位置启动发生点头还要保证启动无冲击，经过反复调试选择力矩阀值为5%额定值，延时时间为0S；制动：阀值选择速度参数，理想状况下速度阀值为零速，但考虑抱闸制动过程有时间，速度降落时力矩要保持满力矩防止下滑，因此速度阀值的设定必须慎重，经过反复试验和分析历史曲线，选择速度阀值为7%额定值，可以保证制动轮停止的同时抱闸可靠抱死。

3.4 改变变频器主从控制方式解决电机速度不同步

改造后抱闸失电抱死时，变频器速度反馈值已降低至很小，现场观察基本接近零速，但存在的问题是制动时明显可以观察到有的电机对轮要反转一下，减速机仍然有较强烈震动，由改造前的纵向衰减震动变为了横向振动，对减速机冲击仍然十分大。经过分析，从曲线也可以看到，减速期间四台电机速度不同步，特别是有的电机速度还反向，这是造成电机反转、减速机横向振动的根本原因。

速度不同步的原因我们分析是由于四台变频器固定采用主从控制方式，主变频器为速度控制，从变频器跟随主变频器是力矩控制，即四台变频器力矩始终保持一致，而速度不受控。正常转动期间因四台电机相当于同轴连接，因此速度可以保持基本一致，但在制动减速期间，因载荷变化剧烈，四台电机减速特性不完全相同，因此若仍然采用力矩同步控制，必然导致速度不一致现象发生，在不同载荷的情况速度不一致的程度不尽相同，反映到负荷端，即发生上述异常现象。要消除此现象，只能从改变变频器主从控制方式入手，曾做试验取消变频器主从控制，四台全改为速度控制，四台电机力矩不受控产生的严重后果是电机不同步导致变频器频繁过流故障，无法正常使用。经过研究变频器矢量大全，制定了可靠的解决方案：取消各台变频器固定的主从参数设定，改为由PLC通讯控制字控制；编写PLC程序（截图所示）自动判断炉子进入减速制动状态，从变频器控制字相应位置0，变频器自动切换为速度控制；程序自动判断制动结束，将从变频器的控制字相应位置1，主变频器控制字状态保持不变，变频器自动切换回主从控制方式。按此方式改造，启动及运行期间主从控制方式保证四台电机力矩同步，减速期间速度控制方式保证四台电机速度保持一致，彻底解决了制动时电机速度不同步的现象，减速机停车制动变得十分平稳，高速停车时减速机也无振动现象发生。

结语

本文研究了河北钢铁集团承德公司炼铁厂高炉高炉助燃风机电机的电气控制特点，通过淘汰原有传动方式，改用变频器控制运行，使电机运行速度可调，启制动时间可调，通过在变频器安装制动电阻，使电机的启动电流变少，减小对机械和电气设备的冲击，设备可靠性高。把对热线生产时间的延误尽可能减到最小，保证了正常的生产，满足了快节奏生产的需要。减少了职工的劳动强度，提高了工作效率，而且还可以起到节能的效果。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动与自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]李刚.变频器控制原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2000.