1　引言

隨著電力電子技術的發展，變頻器在各行業中已得到廣泛的應用，變頻調速技術應用于設備拖動系統中，實現了電機軟啟動、連續調速和節能運行目的。變頻器的低頻、低電流啟動，使設備的機械沖擊力顯著降低，也避免了電機啟動時對電網的影響；實現了異步電機的平滑調速功能；提高了設備的工藝性能，延長了使用壽命和實現節能運行。本文主要闡述應用變頻器對熱媒鍋爐煤氣恒壓供給系統的控制原理和實現方法。

2　設備概況

煤氣恒壓供給是陽極成型熱媒鍋爐正常工作的重要因素之一。在實際中，由于煤氣生產設備的不穩定性和用戶的隨機性，使煤氣供給系統的壓力波動較大（0.6～5.1kpa之間），對鍋爐的穩定燃燒影響很大：煤氣壓力太低，會引起鍋爐燃燒器熄火和熱值降低等問題，導致熱媒油溫度的提高或供熱不足，影響陽極質量和產能；過高會造成鍋爐燃燒不充分，浪費燃料。為保障預焙陽極碳塊成型正常生產，我廠一、二期成型熱媒鍋爐系統均設計了煤氣增壓裝置。原煤氣增壓風機采用工頻電源供電的交流異步電機拖動，擋板開度調節鍋爐煤氣流量，以實現鍋爐穩定燃燒和溫度控制。其控制原理是：當煤氣進口管道內壓力低于4.6kpa時，煤氣增壓風機自動啟動運行；當進口煤氣壓力高于4.8kpa時，加壓風機自動停機。這種增壓控制方式，雖能保證熱媒鍋爐所需煤氣供給，但風機長期工作在高轉速（2924r/min）、低負載運行狀態，風機機體、傳動軸支撐軸承座等部件振動大（如附表所示），軸承磨損劇烈，其壽命很短。據維修統計，四套新軸承連續使用60～70天就得更換，風機故障率高、維修頻繁、費用高；風機長期工作在低負載（或空載）狀態，電能浪費大。故中國鋁業青海分公司2005年5月，對熱媒系統增壓風機控制系統實施了變頻器控制改造。實際證明，改造效果良好。

附表　煤氣加壓風機工頻工作狀態下的有關參數

注： 1、a項為負載端軸承座的徑向振動值；b項為風機拖動端軸承座振動值。

2、風機軸承座振動超過13mm/s時，軸承溫度升高到75℃以上，就會引起軸承座震裂、軸承抱死和風機葉輪出現裂紋等后果，故在日常點檢中，當檢測到其振動達到12mm/s時，就采取重點監護運行，并及時安排檢修工作。

3　變頻器控制系統設計

在系統設計中，通過對國內市場上多種變頻器性能和控制特點比較，并結合增壓風機的工作特點和實際現狀，最終選擇了abb公司生產的cas800系列的變頻器。這種變頻器除具有其它變頻器的一般控制功能外，還具有pid控制、多信號輸入、睡眠功能、設定值修正等多種控制功能，能很方便地實現煤氣恒壓控制系統。

3.1　系統配置

（1）風機拖動電機參數：型號qu180 m2bg；功率22kw；額定轉2925r/min；額定電流42a；額定電壓380v。

（2）變頻器參數：cas800—30kva 380v。

3.2　控制原理

煤氣風機拖動機構由一臺22kw交流異步電機驅動，采用acs800-30kva變頻器控制。風機變頻器通過外部電位器設定值與煤氣進口管道內壓力實時測量值相比較，作為增壓變頻器調速初始給定信號，并通過pid調節功能修正后，作為實際頻率控制給定值，實現風機轉速調節，達到恒壓控制的目的。其系統原理如圖1所示；其變頻器模擬信號接線如圖2所示。

變頻器pid控制功能，能很好地抑制煤氣供應系統壓力波動和風機喘振引起的壓力抖動現象，抑制對變頻器的擾動問題。通過大積分時間常數設定，使煤氣壓力擾動加入到系統的瞬間，積分不起作用，因積分調節作用是滯后的。調節器的滯后時間越大，調節速度越慢，這十分有利系統穩定，滯后性有減小波動，增加系統的抗干擾能力的作用。

3.3　睡眠功能參數設定

根據實際監測和統計，煤氣壓力通常在夜間會升高（達到4.5kpa左右），會使電機工作在超低速狀態，為節約電能，對變頻器設置了睡眠功能控制。

恒壓控制系統的睡眠功能設置原理：當煤氣供應系統壓力達到4.5kpa以上（煤氣其它用戶消耗量減少，會使煤氣供給管網內壓力增高）。這時為滿足鍋爐正常運行的壓力要求，pid過程控制器就降低電機的轉速，電機不會停止，而保持低速運轉狀態。由于管路存在的自然壓力損耗和低速運行時，離心風機的低效率，變頻器設定的壓力值一般要求較高于實際所需壓力值。當睡眠功能檢測到這種低速情況時，經睡眠延時后，將停止這種超低速運轉。在控制系統進入睡眠模式后，變頻器仍然處在監視煤氣壓力狀態。當壓力低于最小允許值以下時，并經喚醒延時后，則重新啟動風機工作。其睡眠控制邏輯關系如圖3所示。

在圖3中，其有關參數設定要求及實際設定值如下：

（1）40.21—睡眠設定值。如果電機速度低于此設定值（10hz），且在時間差內大于睡眠延時時間，則變頻器進入睡眠模式；在睡眠模式下，電機停止運行。

（2）40.22—睡眠延時時間設定（20s）。當電機速度低于睡眠速度設定值時，計時器開始計時；當電機速度高于睡眠速度時，計時器復位。設定范圍0.0—3600.0s。

（3）40.23—睡眠功能喚醒設定值。如果過程實際值低于設定值，且時間長于喚醒延時時間，則變頻器就被喚醒。其設定范圍0.0—100.0%（以過程給定值的百分比形式表示）。

（4）40.24—睡眠功能喚醒延遲時間。當過程實際值低于喚醒設定值時，計時器開始工作；當過程實際值高于喚醒值時，計時器復位。其設定值范圍0.0—3600.0s。

（5）99.02—變頻器控制模式。設定“3”時，則為pid控制模式。

其睡眠功能時序圖如圖4所示。

4　控制系統調試

變頻調速控制系統設計、安裝完成后，根據實際生產需要進行系統調試，以確保系統控制的實際效果。新系統最后的調試工作極為重要和關鍵，這也關系到整個改造工程的成敗，根據實際生產，系統地進行參數修正，調整各項控制參數到最佳數值，才有可能充分發揮系統控制的先進性和優越性。

變頻器的參數設置較簡單，其主要是煤氣進口壓力信號作用后需要修改的有關參數設置。調試步驟如下：

（1）確定設定信號的范圍。首先斷開壓力測量信號，將給定電位器調至最小，啟動變頻器運行（帶載），緩慢增加給定電位器電阻至風機出口壓力達到5.2kpa，測取電位器的實際阻值和電壓值u（ai3、ai4端），并記錄變頻器的輸出頻率值。

（2）將壓力信號接入控制系統，并使給定信號為u，設置pid的有關參數為一定值，緩慢增加壓力，測取煤氣進口壓力對系統的影響程度（通過記錄其對應的數據，可得出其線性關系），如果對給定值修正不理想，可重新設定pid參數（一般是改變比例常數），以求取最佳修正參數值。

（3）喚醒值的確定。將煤氣進口壓力提高到4.8

kpa，并使給定信號電壓為u，啟動系統工作，測取變頻器的輸出頻率，再換算成實際給定量大小，即可得到喚醒值大小。

（4）系統投入運行后，必須驗證實際干擾信號的影響程度，如系統震蕩，如不穩定，可改變pid的微分、積分時間常數值，以確定實際需要的參數值。

（5）實際測得：給定最大電壓為8.4v；當煤氣壓力為0.6kpa時，變頻器輸出頻率為42hz；喚醒值設置為82%（實際運行值）。

（6）煤氣恒壓控制系統變頻調試中注意的事項：加速時間要求盡可能的短（可減小系統滯后時間），因為設定過長，會使煤氣壓力突然大幅降低時，風機不能立即提速，造成鍋爐熄滅；增加減速時間，能降低煤氣供給壓力波動和調速控制系統的干擾，對電機轉速的調節，有助于煤氣穩定、可靠地供給，也防止變頻器頻繁加、減速狀態動作，導致變頻器過熱和保護功能動作。雖然這種設定犧牲了一些系統的動態響應性和跟隨性，但卻能很好地滿足鍋爐正常工作的安全性和穩定性。

實踐證明，這種變頻控制調節裝置比較適合壓力波動較大，且要求流量穩定、壓力較高的供氣用戶。改造結果證明，效果良好，煤氣壓力控制指標滿足鍋爐正常運行的要求，熱媒油溫度調整迅速、穩定，燃燒充分，鍋爐效率提高9%；日節電73kw.h以上。

5　結束語

應用變頻器對熱媒加壓風機控制系統改造，實現了煤氣恒壓控制目的；提高了鍋爐運行的安全性和穩定性，節約電能顯著，據統計每月可節約用電2200kw.h，風機故障仃機率降至4h/月（改造前平均為23h/月左右）；風機傳動軸承座軸承的更換周期延長到7個月以上（改造前平均為2個月）。并取得了以下好處：

（1） 改造實施難度低。適合企業自己施工改造，沒有復雜的外部控制電路設計，調試方便。

（2） 控制參數易修改。通過變頻器內部設定數據修改，就能實現控制系統各項參數的調整和優化。

（3） 改造費用低。只需購置變頻器；許多原有的電器器件都得到了充分利用，如電機、壓力傳感器、控制箱、操作臺等。

（4）維修工作少。改造兩年來，其電器控制系統只進行了幾次清灰和日常檢查；系統工作穩定；風機維修費用每年減少1.8萬元（購置軸承費用）。

（5）節約電能。在相同煤氣消耗量和壓力條件下，電機電流平均降低7.2a，電機溫度降低8～11℃。