变频技术在冶金工业的应用优势与前景探讨 |
| 2012-07-11 12:03 作者：王兆祥 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月11日消息 （原文载于《硅谷》杂志6月刊）随着冶金企业改革的深化和能源价格的不断上涨，变频技术在冶金企业中的大功率电力传动系统的应用已成为一种趋势。变频技术不仅提高机组自动化水平，还降低冶金成本和能耗。将主要结合冶金行业中的钢铁行业来探讨变频调速技术在冶金行业的应用上的优势与前景。
作者简介：
王兆祥（1973-），男，山东泰安人，1995年7月毕业于哈尔滨工业大学电气自动化专业，工程师，工作于山钢集团莱钢股份炼铁厂，主要从事电气设备技术与管理工作。
1变频技术与变频器的原理
变频技术是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制技术，主要采用交-直-交转换方式，即将三相380V（220V）/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后再将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。
变频器是变频技术的核心，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节的设备。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，负责将交流电变换成平滑的直流电；中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率，负责将整流输出的直流电进行平滑滤波；逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，输出为PWM波形，负责将直流电再逆变为交流电；控制部分起到对整个变频器的电路的控制作用。变频器按照工作电压可分为：高压变频器、低压变频器；按照用途可分为通用变频器、高性能专用变频器、单相变频器和三相变频器等；按照直流电源性质可分为：电压型变频器和电流型变频器[1]。
2变频技术在冶金行业应用优势
2.1变频技术在风机中的应用
早期的钢铁企业中，一些由交流异步电机驱动的风机（诸如炼钢和高炉的除尘风机、烧结余热风机等）都是工频直接供电，定速驱动，没有采用调速装置，风量大小的控制是通过采用入口挡板节流调节方式实现的，这样就造成了耗电大、噪音大、节流损失大等问题。如果通过变频技术改造，采用变频调速，不仅可以提高器件耐压能力和提高输出电压的稳定性，减少了对电网的谐波污染，还可以达到节约电能的目的。同样，一些采用同步电机驱动的大功率风机（如高炉鼓风机、烧结主排风机和制氧机等），也可以进行变频调速改造。据某冶金企业统计，采用变频技术的引风机的平均用电量是工频控制的引风机的平均用电量的55.26％，平均节省电量44.74％；由此可见，变频技术还具有高效节能的功能[2]。
在钢铁企业中，通常每座高炉配置三到四座热风炉，分别处于送热风状态、蓄热状态和燃烧加热状态，有些企业可能再备用一座，然后每台热风炉再配置一台鼓风机，目前大部分的炼钢企业已将鼓风机由汽轮机驱动改造为高压电动机驱动。除了热风炉，每台高炉还至少配备2台除尘风机来起到除尘的作用，其中除尘机可分为装料除尘风机和出铁除尘风机。在高炉炼铁的生产过程中，出铁是一个间歇的、周期性的过程。当高炉出铁时，会产生浓厚的棕红色烟尘，此时除尘风机要除去浓厚的烟尘，必须处于高速旋转状态；而在出铁完毕时，烟尘变得稀少，除尘风机保持低速旋转状态就可以达到除尘要求。这就要求高压变频器适时对除尘风机进行变频调速控制，因此，可以看出出铁除尘风机要求的速度变化范围很大，所以大部分炼钢企业都采用了高压变频技术，使频率能够在一个范围内调节（出铁时45Hz左右，不出铁时20Hz左右），避免除尘风机总是处于一个高速运行的状态，浪费能源。另外，除尘风机作为除尘净化系统的动力源，它能否健康安全运行，直接关系到生产的继续和现场生产人员的人身安全，所以在改造除尘风机的调速系统时的第一原则就是要求保证其控制调速网络的稳定性，而高压变频技术基本克服了这个问题。同样，在炼钢作业中，电炉的每个生产阶段的烟尘产量和温度要求都是不一样的，所以需要根据相应的阶段要求来调节除尘风机的风量的大小，使其匹配，从而有效避免了大风量对炉内热量的损失和小风量使炉内温度过高烧毁机器的可能。
2.2变频技术在水泵中的应用
在冶金工业中，以炼钢企业为例，水泵作为广泛运用于其中的设备需要适应长时间连续运行的工况，所以水泵运行效率的高低，直接关系到能耗的大小。水泵以往的运行方式是保持转速恒定，通过阀门或回流阀调节流量，这种运行方式不仅能耗大，而且频繁的水量调节，容易造成阀门损坏或密封不牢，进而直接造成了水泵备件的浪费，甚至于影响生产。从功能上来讲，变频技术可使水泵具备软启动的能力，不仅操作上方便和省力了，而且还减少了对电网的冲击；从工艺上讲，由于变频调速技术，是水泵处于低转速状态时，噪音和磨损都减少了，这样就减少了设备维修、延长了设备寿命。若水泵采用变频技术，不仅直接提高了水泵的调速效率和调速范围，使流量控制更加准确和快速，同时根据统计还能节约20%-40%的能耗，这对钢铁企业的效益来说，意义是不言而喻的。
2.3变频技术在起重设备应用
在冶金企业，诸如装船卸船机、起重机、堆取料机、大型行车和大功率的倾动设备等，都是一些常用的起重设备。它们的负载方式为位能性负载，启动时转矩大，不仅要求传动系统具有很好的低速启动性能，同时还需要电机和变频器具备较强的过载能力。之前这些起重设备的调速方式大多运用技术早已成熟的直流调速方式，但这种方式需要的日常的维护量大，因此随着变频技术的不断发展，尤其是高压变频技术的日趋成熟，交流变频调速技术开始广泛的应用到了起重设备中。近些年来，还有一些大功率设备如热轧、冷轧的传动设备也纷纷采用了高压变频技术。热轧与冷轧用传动系统要求具备控制精度高、动态反应快、可靠性高的特点，同时也要具备一定的过载能力，目前应用的高压变频器以国外的居多。
2.4变频技术在拉矫机的改造
目前，国内大部分冶金企业拉矫机的驱动方式采用直流式电机驱动，调速方式采用模拟式电压、电流双闭环直流调速。虽然这样的生产方式技术已经很成熟，但却始终存在着很多不尽人意的地方，诸如不仅设备成本开支大，而且设备运行可靠性差、参数调整复杂和控制精度不高。因此，为克服这些问题，建议将拉矫机电机改为成本相对低廉、维护操作简单方便的交流式电动机，同时在调速系统采用变频技术，使用可靠性高、保护功能齐全、维护方便的高性能通用变频器进行调速，这样不仅使设备的维护周期得到了加长，而且调速性能得到了提高。近些年来，莱芜钢铁厂就进行了这种系统改造方式，取得了很好的生产运行效果，运行到现在没有出现因拉坯阻力值过大导致堵转和跳电等问题。
3变频技术的应用前景
目前在我国的冶金行业，还普遍存在着传统调速方式，并没有采用变频调速技术，而传统的调速系统存在的劣势却日益与当今冶金行业深化改革和节能减排的要求背道而驰。变频技术相对传统调速方式来说，不仅能够实时数字监测设备运行的电压、电流、频率和转速等参数数据，还可以方便快捷的调节参数。同时变频技术可以使电机进行软启动和软制动，实现了电机启动时间的连续调节，降低了对整个电网的直接冲击，从而对电气设备起到了保护作用，延长电气设备的使用寿命，提高劳动生产效率。这些优势都充分说明了变频技术的有着广阔的推广空间[3]。
另外，根据统计目前变频技术大部分都运用在风机和水泵上，在轧机上进行变频改造的还不多，而经过简单计算可得出，若在一个年产量30万吨的轧钢厂，高压电机的用电率占到轧钢厂总用电的55%左右，若采用高压变频技术这将产生一个巨大的节能效益。因此变频技术在冶金行业的应用和发展的前景是广阔的，需要我们投入更多的努力。
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