基于变频技术的节能系统设计

基于变频技术的节能系统设计

李珏縯1

李珏縯1

（北京市第三十五中学北京市100034）

摘要：本文介绍了基于变频技术实现的推拉式酸洗机组电气控制技术，调速的变频系统采用AC/DC直流母线+整流/回馈+逆变器的形式，能够有效实现能源的高效利用。自动控制系统采用电气仪表一体化的控制系统，完成整个生产过程的数据采集、顺序控制、连续控制等功能。现场操作人员可通过HMI进行人机对话、修改过程参量和改变设备的运行状态，监视整个生产过程。

关键词：变频器；可编程控制器；节能减排

1引言

随着工业化进程的不断推进，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用驱动动力时都会留有一定的余量。这样使得电机在不能满负荷情况下运行时，超出驱动动力需求外的多余力矩增加了

有功功率的消耗，造成了电能的浪费。变频调速技术以其显著的节能效果和安全易控、优质无级平滑调速、高精度控制工艺参数、投资回收期短等优势，越来越广泛地应用在电力拖动设备中，成为电力拖动的中枢设备。

图1设备结构图

本文基于变频技术在控制系统中的大量应用，结合推拉式酸洗机组的电控设计方案，详细阐述了变频技术所带来巨大的节能效果。首先，节电效果显著，节电率达到20%～70%，大幅度节省电能的同时，减少电机发热，达到延长电机寿命的效果。其次，软启动、软停车等功能可以通过事先设定的斜坡时间，对电机进行软启动、软停车的控制，最大限度的减少起动电流、达到大幅节能的目的。

酸洗过程是冷轧带钢生产工艺中非常重要的工序，其目的是清除带钢表面的氧化铁、调节卷重、剪去裂边，为轧机提供合格的坯料，以保证冷轧机能顺利地生产出合格的带钢产品，如图1所示。

1.1传动部分

结合节能环保与工艺要求，变频系统采用AC/DC直流母线+整流／回馈+逆变器的形式。

1.2自动化部分

整个自动化系统由交流传动及分布式I/O从站、PLC可编程系统和监控系统（工控机）组成。

网络系统分为交流传动装置和远程I/O从站与PLC之间采用Profibus-DP网通讯，PLC控制系统与监控系统之间采用以太网通讯。

2电气传动系统

2.1概述

为了确保主线工艺设备电气装置的先进性和投资使用的合理性，工艺上需要调速的变频电机采用交流电源＋整流／回馈＋DC直流母线＋逆变器的控制方案。对工艺不需调速的交流电机，采用工频直接起停方案,交流电机控制中心MCC采用GCS抽屉式控制柜，低压配电中心PCC采用GGD型固定式开关柜负责对检修、照明电源等的供电。

2.2整流／回馈设备的组成及功能描述

单元(电源换向)向逆变器的直流母线供电,它不仅由三相交流电源取得电动状态的能量，而且能将直流母线上的发电状态能量送回电网。它通过两个互不相干的晶闸管桥来实现（即由两个反并联﹑6脉动晶闸管桥组成），能在两个方向上有电能流动，能够将电能送回电网（四象限工作）。发电工作桥通过一台自耦变压器和电网相连。四象限工作的装置能将发电状态的电能返回三相交流电网。在大惯量传动系统且经常进行快速制动时，需要这种工作方式。

2.3西门子6SE70系列变频器／逆变器的组成及功能描述

主回路采用交流电源－整流／回馈单元－直流公共母线－逆变器的控制方案。

采用SIEMENS公司生产的6SE70系列交流变频器。该变频器基于IGBT技术，用于控制三相异步感应电机，具有很高的动态速度精度和输出扭矩。标准控制包括很多的标准功能和选项，可覆盖所有的应用要求。由参数设置选择各种控制模式：标量控制(V/F)，无传感器矢量控制(开环)，磁通矢量控制DFC(闭环)。

该系列产品的应用可使用户获得极强的灵活性，控制软件包括很多的标准功能和选项，增强控制基于微处理器结构，满足复杂的系统工程应用。

主要特点：

可由交流电源供电，也可由直流母线供电具有再生制动功能；与现场总线交互通讯，并支持Profibus-DP，由参数设置选择控制模式：标量控制(V/F)、无传感器矢量控制(开环)和磁通矢量控制DFC(闭环)；基于PC-Windows的软件包使得操作简单、快捷；速度环自整定，无需专门的工具即能优化驱动器运行；完善的保护/诊断措施，及时提供故障信息，操作安全保障。

调速系统的功能:

与PLC进行网路通讯

按工艺要求控制电机运行

给电及再启动时进行自诊断

速度、电流环自调节

各类保护(如：过电压、欠电压、过电流、超速、内存故障等)

电流调节器

速度调节器

SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列变频器由模块化及高性能系统元件组成.这些元件的不同组合可适用于各种应用。

☆接到三相交流电网上的变频器；

☆接到直流母线的逆变器,采用整流单元或整流/回馈单元向直流母线供电.

当使用将逆变器接到直流电压中间回路方案时，同单台变频器相比,它具有以下优点：

如果有一个传动装置工作于发电状态时,可通过中间回路进行能量交换，如果有时出现很大的发电功率时，如所有传动装置同时停车时，则可以采用一个附加的总制动单元。增强整流单元已有内装的制动单元。逆变器通过端子“C”和“D”取得直流电源，直流电源也可通过如自换向整流/回馈单元AFE或整流单元取得，在接入直流电压时，整流单元向中间回路电容器充电,即逆变器不直接接到已充电的直流电压母线上。

3自动化系统

3.1自动化系统组成及功能描述

整个自动化系统由交流传动及分布式I/O从站、PLC可编程系统和监控系统（工控机）组成。整个网络系统分为交流传动装置和远程I/O从站与PLC之间采用Profibus-DP网通讯，如图2所示。PLC控制系统与监控系统之间采用以太网通讯。

3.1.1监控系统组成

监控系统由工业控制机硬件和软件组成。

计算机监控系统采用3台PⅣ研华工业控制机。系统软件采用WIN2000，编程软件采用STEP75.4软件，监控软件采用WINCC6.1组态软件，与PLC通过以太网进行通讯。

3.1.2监控系统功能描述

监控系统是通过通讯网络连接，接收和采集

图2系统网络图

有关信息，实现彼此的信息交换，对酸洗生产线和产品进行自动化管理。通过以太网，把酸洗工艺参数设定值和对电气设备的操作从人机接口传送到PLC，把各设备的状态和工艺、电气参数及故障由PLC收集送到人机接口的菲利普液晶显示器显示。

硬件采用三台高性能工业控制机组成，其中一台放在电控室,主要完成与PLC的通讯及实时数据处理功能，另外两台分别完成开卷、卷取的状态监控及生产参数的设定。三台计算机之间构成工业以态网络，各有分工，加快了数据的处理能力，提高了系统的稳定性。主要功能包括：

A.酸洗参数的设定

B.酸洗过程中各设备状态显示

C.电气参数的动态显示

D.酸洗工艺参数的人工调整

E.电气设备的一般操作及显示

F.完善的趋势、报警功能和高级图形界面

G.在线、离线编程

H.远程I/O模块布局和配置

I.全汉化的人机监控

J.故障报警与纪录

K.生产报表的生成、存储及打印等。

3.1.3PLC控制系统功能描述

PLC控制系统主要完成酸洗各工艺功能的控制，PLC控制器可根据需要完成速度设定、张力设定、活套设定、逻辑控制、监测和报警等控制功能。另外，在开卷操作台、卷取操作台、开卷液压站、卷取液压站、酸循环柜和MCC控制柜分别设有模块化的I/O从站，以便缩短大量开关量信号线的传输长度，由通讯电缆汇总到PLC系统，提高系统控制可靠性，PLC与各自的远程I/O站之间和调速传动装置之间采用独立通讯网络，PLC把设定参数和控制指令传送到终端和各调速传动系统，并收集各调速传动系统的状态和电气参数送到人机接口的显示器显示。

A.与上位机进行通讯

B.控制传动装置运行

C.完成逻辑控制

D.检测报警及存储功能

E.活套运算及控制功能

F.张力运算及控制

3.2控制系统专有功能描述

3.2.1速度/张力控制

全线电控设备根据不同的操作状态分别工作于速度系统或张力系统，由PLC控制实现状态的自动转换。当全线处于点动或联动时，相应的传动装置以速度方式运行，完成上带，传带，钢带张紧等局部功能。

系统的主速度基准分为活套前和活套后两部分。在未起套前，全线以九辊矫直机为速度基准，在起套后，活套前装置以九辊矫直机为速度基准，活套后装置以S张力辊为速度基准。开卷机和卷取机建张后传动装置工作于张力系统，其余传动装置均工作于速度系统。

酸洗线的开卷，卷取需要恒张力控制，此功能通过变PLC的PID闭环控制来实现。以卷取机为例说明。运行过程中卷取机电控装置接收到测速辊反馈的线速度V，与电机的实际转速n进行运算，算出当时的卷经D值，并给出与D相对应的力矩值，卷取过程中，钢卷连续增大，卷经D的值也连续增大，因此，电机的输出力矩也就连续增大，保证了自始至终钢带所承受的张力为恒定。此外卷取还可根据电机的转动惯量，dv/dt的变化，以及钢带的宽度W等，给出相应的动态补偿和摩擦力矩补偿，用以保证加减速过程中钢带的张力恒定。

3.2.2活套控制

在正常的生产过程中带钢应该是处于活套坑内4/8至6/8之间，但由于种种原因，常常不能做到出口段与中央段速度完全一致，而造成带钢在活套内上下跑动。当活套到达4/8时，使出口段减速，而入口段速度保持不变，因而使套量不断增加，带钢到达活套坑内5/8时出口段恢复原速度，与入口/中央段速度一致，以保持活套内带钢套量不变。

3.2.3三辊张力主从电机负荷平衡控制

图3闭环控制系统图

电机的控制系统闭环如图3所示，在S辊主从控制中，主辊完全按照速度环、转矩环、电流环三环控制，实现的目标是满足自动化系统给定的速度。

主从负荷平衡的控制主要在从辊上，为了使从辊的转矩跟随主辊，我们将从辊的速度给定Vc=K*Vz+Vs,式中，Vc为从辊速度给定，K为固定比值，Vz为主辊实际速度，Vs为固定常量，在钢带的作用下，从辊的实际速度与主辊的实际速度相同，所以从辊的速度给定与速度反馈一直存在偏差，速度环饱和，转矩限幅起作用，转矩限幅的大小就是主辊的转矩反馈，这样，主辊从辊的负荷达到平衡。

4结论

本系统论述了大量应用变频技术的推拉式酸洗机组电气控制系统的设计，采用变频调速方式对生产线进行节能改造，不但操作简单方便、节约电能，降低生产成本，而且大幅度改善了生产线的运行条件，减少了传动电机等设备的维护量。设计项目自投运以来，运行可靠平稳，通信数据准确及时，采用人机界面作为人机交互工具，简单直观，便于操作，充分满足生产需要，节能效果显著，取得了良好的经济效益。

参考文献

[1]李正熙，白晶主编.电气拖动自动控制系统(第2版)[M].北京：冶金工业出版社.2010年5月

[2]张燕宾主编.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工业出版社.

[3]汪学峰.变频调速节能技术在石油化工行业的应用[J].通用机械.