高爐上料系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造

趙建中

（太原東鋁鋁業(yè)有限公司，山西 太原 030012）

高爐上料系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造

趙建中

（太原東鋁鋁業(yè)有限公司，山西 太原 030012）

文章闡述了高爐上料系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造，提出了改造的必要性及改造方案，說明了運(yùn)行效果的表現(xiàn)性。

變頻調(diào)速系統(tǒng)；改造；高爐上料系統(tǒng)

目前，從數(shù)百瓦級(jí)的家用電器直到數(shù)千千瓦級(jí)的調(diào)速傳動(dòng)裝置都可以用交流調(diào)速來實(shí)現(xiàn)。交流調(diào)速傳動(dòng)已經(jīng)從最初的只能應(yīng)用于風(fēng)機(jī)泵類的調(diào)速過渡到對(duì)各類高精度、快響應(yīng)的高性能指標(biāo)的調(diào)速控制。從性價(jià)比來看，交流調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。目前，人們說的交流調(diào)速傳動(dòng)主要是指用電子式電力變換器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速傳動(dòng)。除變頻以外的其他調(diào)速方案如變級(jí)調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等雖然在一定場(chǎng)合仍有應(yīng)用，但由于其性能較差，終將被變頻調(diào)速所取代。

眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)。在很長的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域基本上被直流電動(dòng)機(jī)所壟斷。直流電機(jī)雖有調(diào)速性能好的優(yōu)越，但也有難以克服的缺點(diǎn)，主要是機(jī)械式換向器帶來的弊端，如維修工作量大，事故率高；容量、電壓、電流的上限值均受到換向條件的制約，在一些大容量、特大容量的調(diào)速領(lǐng)域中無法應(yīng)用；使用環(huán)境受限，特別是在易燃易爆的場(chǎng)合難以應(yīng)用。而交流電機(jī)的一些固有的優(yōu)點(diǎn)：容量、電流電壓、轉(zhuǎn)速的上限不像直流電機(jī)那樣受限制；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；堅(jiān)固耐用，事故率低，容易維護(hù)。它的最大缺點(diǎn)是調(diào)速難，但僅受電力變換技術(shù)和控制手段的制約。采用晶閘管的同步電機(jī)自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)和電壓型電流型晶閘管變頻器的籠型異步電機(jī)等先后實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，使變頻調(diào)速成為主流。對(duì)一些大型機(jī)械的主傳動(dòng)，直流電機(jī)在容量等級(jí)方面已經(jīng)接近極限值，過去只能采用增速齒輪或是直接以汽輪機(jī)傳動(dòng)，噪聲大、效率低、占地面積大。特大容量的交流傳動(dòng)裝置的發(fā)展填補(bǔ)了這方面的空白。開關(guān)器件的自關(guān)斷化、變頻裝置的高性能化、全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用使得通用變頻器得到迅猛的發(fā)展。

目前，通用變頻器的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：一方面是為了滿足生產(chǎn)工藝的調(diào)速要求而進(jìn)行的變頻器應(yīng)用；另一方面是為了節(jié)能而進(jìn)行的變頻器應(yīng)用。下面介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)在高爐上料系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 概述

鋼鐵廠的高爐上料系統(tǒng)是煉鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其主要作用是將煉鐵所需的各種原料源源不斷地送入高爐內(nèi)，保證高爐的正常運(yùn)行。

高爐上料系統(tǒng)主要由料車卷場(chǎng)（主卷場(chǎng)），大、小鐘，大、小均壓，布料器幾部分組成（見圖1）。其中，主卷揚(yáng)工作頻繁、負(fù)載重，是上料系統(tǒng)的核心。

上料系統(tǒng)的運(yùn)行過程是：①按工藝要求，將原料加入料車中，起動(dòng)后，料車逐漸加速至最高速度。②在此速度下運(yùn)行一定距離。③接近終點(diǎn)時(shí)，逐漸減速。④以很低的速度到達(dá)終點(diǎn)，保證料車在準(zhǔn)確的位置停車。

圖1

大、小鐘，大、小均壓，布料器皆按照工藝要求定時(shí)打開或關(guān)閉，并與主卷場(chǎng)有一定的聯(lián)鎖關(guān)系。

2 改造的必要性

傳統(tǒng)的高爐上料系統(tǒng)的電氣控制采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、繼電-接觸器控制。這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在：①繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。②繼電-接觸器控制系統(tǒng)在頻繁、重任務(wù)條件下，故障率高。③低速時(shí)，機(jī)械特性軟，造成停車位置不準(zhǔn)，易“掛車”。

顯然，傳統(tǒng)的控制方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，采用新設(shè)備、新技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造已是勢(shì)在必行。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域也日新月異。其中，具有代表性的是交流變頻調(diào)速裝置和可編程序控制器（PLC）獲得日益廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

（1）籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、維修方便、供電電壓高、單機(jī)容量大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）效率高、能耗低。

（3）起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、機(jī)械特性好、調(diào)速范圍寬、平滑性好。

（4）矢量控制技術(shù)使得速度控制和瞬態(tài)響應(yīng)的精度大大提高。

（5）內(nèi)裝PID調(diào)節(jié)器，能夠極為方便地構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（6）具有極強(qiáng)的自診斷和保護(hù)功能，能夠?qū)Χ搪?、過電流、過熱、過電壓、欠電壓、接地等故障進(jìn)行快速、有效的診斷和保護(hù)。

（7）具有RS232C接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與計(jì)算機(jī)、PLC之間的通信，構(gòu)成集散型控制系統(tǒng)。

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已完全可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為可能?？删幊绦蚩刂破魇且环N以微處理機(jī)為核心、面向生產(chǎn)過程的控制器。它具有抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、簡(jiǎn)單靈活、操作方便、性能價(jià)格比高的特點(diǎn)。在一定程度上已取代了傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的佼佼者。

3 改造方案

變頻改造的目的是：①改善上料系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，為高爐的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)創(chuàng)造條件。②節(jié)約能源，降低消耗。

變頻改造的方案如下：

（1）以東芝VFA3型交流變頻器和富士NJ型可編程控制器為核心，取代原有的串電阻調(diào)速、繼電-接觸器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高爐上料過程的自動(dòng)控制。

（2）以高度的可靠性為目標(biāo)。眾所周知，高爐的運(yùn)行對(duì)可靠性有很高的要求?？刂葡到y(tǒng)的任何一個(gè)故障可能給高爐生產(chǎn)帶來極大的損失。因此，我們始終把可靠性放在第一位。鑒于目前用戶對(duì)交流變頻器仍比較陌生，對(duì)一種新技術(shù)的應(yīng)用樹立信心需要變頻調(diào)速系統(tǒng)的同時(shí)，仍保留原有的控制系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)皆可獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，并且能夠快速方便地相互切換。這樣不但使運(yùn)行的可靠性得到充分的保證，而且從心理上也減輕了用戶對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的疑慮。改造后的系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 高爐控制系統(tǒng)框圖

（3）軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的依據(jù)是設(shè)備運(yùn)行的工藝流程。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)首先是提高抗干擾能力。除了PLC硬件的抗干擾能力外，軟件設(shè)計(jì)也采取了必要的抗干擾措施和故障診斷程序，才能保證在惡劣工業(yè)環(huán)境下的正常運(yùn)行。第二是提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。軟件設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，可任意切換。軟件的框圖見圖3。

4 主要技術(shù)參數(shù)

變頻器：東芝 VFA3-4 110 KP，110 kW，400 V

圖3 軟件框圖

可編程控制器：富士NJ

電動(dòng)機(jī)功率：75 kW

最大提升重量：5 t

運(yùn)行周期：46 s

輸出頻率：0.5～400 Hz

運(yùn)行頻率：最低6 Hz，最高55 Hz

5 運(yùn)行效果

運(yùn)行效果主要表現(xiàn)在：

（1）料車升降速度調(diào)節(jié)方便，范圍寬。尤其是終點(diǎn)停車平穩(wěn)、準(zhǔn)確，消除了“掛車”事故，為高爐的正常運(yùn)行提供了保證。

（2）能源消耗明顯降低。經(jīng)測(cè)量，改造后有功消耗從46 kW下降到40 kW。無功消耗從70 kVA下降到7 kVA，功率因數(shù)從0.55上升到0.99，節(jié)電率達(dá)到30%以上。

（3）操作方便，各個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖和保護(hù)運(yùn)行可靠，提高了系統(tǒng)可靠性，減輕了操作人員的工作量。

（4）由于取消了頻繁動(dòng)作的繼電器、接觸器，使得操作室的噪聲大幅度降低，改善了工作環(huán)境。

高爐上料系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。所做的工作僅僅是初步的探索，還有許多工作有待去研究和解決。

Blast Furnace Transformation of Frequency Conversion for Speed

Zhao Jianzhong

This paper describes the blast furnace systems in the transformation of frequency conversion,made the need for reform and transformation program,and illustrates the effect of the performance of running.

frequency control system;transformation;blast furnace systems

TP276

A

1000-8136(2010)32-0015-02