加热炉鼓风机变频软启动系统的设计与实现

引言

加热炉鼓风机作为加热炉运行的关键设备，其稳定运行对生产至关重要。传统的直接启动或降压启动方式，会在启动瞬间产生较大的冲击电流，不仅对电网造成影响，还可能损坏电机及相关设备。随着电力电子技术的发展，变频软启动技术因其能实现电机的平滑启动、降低启动电流等优势，在加热炉鼓风机启动领域得到了广泛应用。

1 立项的背景

蒸馏加热炉鼓风机由 6KV 高压变频器（常压炉和减压炉各一台）驱动，配有工频的备用回路。该变频器是西门子-罗宾康公司的产品。2006 年与生产装置同步安装运行，2010 年 6 月投入自动控制。变频器投用之后，因为主控板故障造成了几次停机，而工频电源又不能自动投入，使得加热炉自保停炉，造成装置生产波动，恢复生产需手动投入工频回路，严重影响装置安全运行，因而被弃用至 2014 年停检前。由于变频器停用，使其不能发挥节能作用，也造成装置自控率降低，对下一步投用先进控制形成障碍。

2 加热炉鼓风机变频软启动系统的设计

2.1 变频器的选择与硬件配置

采用矢量控制技术（FOC），精确调节电机转速与扭矩，确保启动时电流波动控制在 20% 以内，降低电网冲击。启动时，电流限制与过载保护功能确保电机在负载极端情况下安全运行，防止设备损坏。通过 ModbusRTU协议，变频器与控制单元实现实时数据传输，支持远程监控与故障诊断，提升系统可靠性与智能化水平。

2.2 系统软件设计

（1）软件整体架构。蒸馏加热炉鼓风机变频软启动系统软件采用分层架构设计，主要分为数据采集层、控制层、人机交互层和通信层四个部分。该架构确保系统各模块功能独立又协同工作，满足 6KV 高压变频器驱动的常压炉和减压炉鼓风机的控制需求。数据采集层负责实时获取电机运行参数，包括电流、电压、温度、转速等关键数据；控制层实现核心控制算法与逻辑，完成软启动过程控制和运行状态调节；人机交互层提供友好的操作界面，支持参数设置与状态监控；通信层实现各设备间的数据交互，确保系统协调运行。（2）启动流程实现。初始启动阶段（ 0-5Hz ）：采用恒转矩控制，确保电机输出足够转矩克服静摩擦，此阶段持续时间可根据负载情况通过参数设置（1-5 秒可调）。加速阶段（ 5-50Hz ）：采用指数曲线加速方式，避免速度突变造成的冲击，加速度可通过 HMI 设置，确保炉内风压平稳变化。额定运行阶段（ soHz ）：自动切换至矢量控制模式，实现高精度转速控制，满足蒸馏工艺对风量的稳定要求。（3）故障诊断与保护功能实现。过流保护：当电流超过额定值 120% 时，立即限制输出；超过 150% 时，延时 0.5 秒停机。过压/欠压保护：监测电网电压，超出额定值 ±15% 范围时触发保护。过热保护：根据温度传感器数据，实现电机和变频器的过热分级保护。故障诊断：通过故障代码准确定位故障类型，记录故障发生时间和相关参数。故障自恢复：对于瞬时性故障，尝试自动恢复运行；永久性故障则停机报警。

2.3 工/变频自动切换功能的实现

（1）工/变频切换装置的逻辑设计：组织工艺、仪表、电气相关专业进行大范围讨论，提出建议、问题，确定切换逻辑的设计原则。经电气技术人员自主研发，设计完成了工/变频电源自动切换逻辑，对风机工、变频控制回路进行了相应的改造。（2）改造现有电气一次设备，使其满足切换要求：增加电动机电源工/变频切换柜两台：包括工/变频电源切换装置、工/变频电源切换断路器、机端电压互感器各两套；改造原有变频器甲刀闸柜两面：变更为机端电压互感器柜；（3）电气切换时间与工艺允许切换时间及仪表联锁的配合：原工艺联锁：监测风机运行状态，风机停止则启动联锁停炉。工艺与仪表专业配合，在停检前经实际测试：风机停止后，炉膛风压、含氧量等数据显示在 15 秒内可维持运行，为电气工/变频切换时间提供了依据。（4）完成后的工/变频切换程序： ① 实现了由变频器故障启动切换至工频的自动切换功能。电动机工作于变频状态下，切换装置自动检测变频器工作状态，如装置检测到变频器发出的故障信号，启动切换程序，跳开工/变频切换开关，延时投入工频开关。 ② 工艺操作停机闭锁切换程序。切换装置在接收到手动停机信号时将闭锁切换功能。 ③ 电气手动操作闭锁切换程序。需要将切换装置退出运行的情况下，电气维护人员可手动操作闭锁切换程序。

3 实际工况下的模拟试验

2014 年 5 月 22 日，各专业配合进行了实际工况下的动态试验，结果满足工艺要求。（常压炉风量不低于 46.5m³/min 、减压炉风量不低于36.8m³/min ）1）风机由变频运行至工频运行的切换：电机在变频状态下运行，电机频率 37Hz ；风机风量 65m³/min 。电气专业模拟变频器故障：工/变频电源切换装置瞬时切断变频电源，经 5 秒延时后，自动投入工频电源，电机转换为工频运行，风机风量升至 70m³/min ，工艺运行平稳。2）风机由工频运行至变频运行的切换：电机在工频状态下运行，电机频率 sohz ，风机风量 70m³/min 电气专业通过工/变频电源切换装置发出切换命令，瞬时切断工频电源，经 2 秒延时自动投入变频电源，变频器自检后输出给定频率，电机转换为变频运行，风机风量降至 65m³/min3 ）在两次切换试验前，炉膛风压为-110pa，切换过程中炉膛风压在- -100pa～-40pa ，工艺安全值 0pa，满足要求。

4 实际运行效果

将变频软启动系统应用于实际的加热炉鼓风机上进行运行测试。经过一段时间的运行，结果表明，该系统能够实现加热炉鼓风机的平稳启动，启动电流得到了有效限制，对电网的冲击明显减小。在运行过程中，系统能够根据加热炉的工艺要求，准确地调节鼓风机的风量和风压，运行稳定可靠。同时，系统的故障诊断与处理功能也发挥了重要作用，能够及时发现并处理各种潜在故障，保障了加热炉的正常生产。

结语

综上所述，在系统设计过程中，合理选择和设计硬件电路，采用先进的控制算法和软件架构，能够确保系统的可靠性和性能。通过实际应用案例的验证，变频软启动系统在提高设备运行效率、降低能耗、延长设备使用寿命等方面取得了良好的效果，为钢铁企业的高效、稳定生产提供了有力保障。随着电力电子技术和自动控制技术的不断发展，加热炉鼓风机变频软启动系统将不断优化和完善，在钢铁行业中具有广阔的应用前景。未来，还可以进一步研究和探索如何将智能控制技术，如人工智能、大数据分析等，应用于加热炉鼓风机变频软启动系统，实现系统的智能化运行和故障预测诊断，进一步提高系统的性能和可靠性。

参考文献

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