高爐上料變頻傳動系統(tǒng)啟動故障分析

陳鈞

（濟南鋼鐵集團有限公司鐵合金廠，山東 濟南250101）

高爐上料變頻傳動系統(tǒng)啟動故障分析

陳鈞

（濟南鋼鐵集團有限公司鐵合金廠，山東 濟南250101）

分析高爐上料卷揚變頻傳動控制系統(tǒng)的3起啟動故障，分別是：機械制動系統(tǒng)導致堵轉(zhuǎn)問題；變頻器參數(shù)設置不當問題；主控單元受干擾和塵污造成損壞故障。通過對故障現(xiàn)象的辨別，結(jié)合變頻器的報警報錯諸多警示信息和狀態(tài)參數(shù)，分析判斷，進而指出故障原因，針對不同故障原因分別給出了相應的處理措施。并且經(jīng)過近一年來跟蹤設備運行及使用效果，實踐證明分析得當，處理措施得力，故障徹底消除。

變頻傳動；啟動；制動；力矩；電機辨識；模型

高爐上料卷揚采用提升機控制模式，一上一下雙料車沿斜橋往復式運行上料。將經(jīng)過稱量配料后的焦炭，燒結(jié)/球團礦料等煉鐵原料提升至爐頂，有序裝入爐內(nèi)。正常運行時，一部料車到達爐頂料倉卸料，同時另一部料車達到地坑料倉處等待裝料。2部料車可以裝載同類的焦炭、礦石、或是燒結(jié)料等，也可能裝載不同的冶煉原料，質(zhì)量大小不一。高爐上料卷揚變頻傳動采用ABB ACS800變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制方式DTC啟動，手/自動操作模式，2部料車約在2.5 s后即刻高速上/下行，由設置于主減速機低速軸側(cè)的主令控制器檢測運行距離，適時控制料車提升至整個斜橋行程2/3處時，由高速2檔減為高速1檔，料車將要到達爐頂料倉時2次減速，進入低速慢行，料車運行軌跡斜度改變進行卸料并停車，同時另一部料車到達地下受料坑，接受稱量配料。主令控制器檢測信號除了料車行程檢測以控制料車運行速度變化外，還包含高限低限位置信號和超高超低限位等信號，以控制料車正確停車，以及在停車位置失控等故障情況下能夠由超高超低限位控制上料電機變頻器的供電主回路電動分合閘斷路器動作，直接切斷供電電源，防止引發(fā)設備損壞事故。高爐上料變頻傳動系統(tǒng)設備組成示意圖見圖1。

圖1　高爐上料變頻傳動系統(tǒng)設備組成示意圖Fig.1　The device composition diagram of variable frequency drive system for blast furnace charging

1　變頻傳動系統(tǒng)啟動故障的分析

3起故障均為高爐上料變頻傳動系統(tǒng)在正常運行使用中，突然出現(xiàn)于卷揚電機得電起步瞬間。分別為：機械傳動系統(tǒng)電動液壓制動器釋放不到位，上料卷揚電機起步即報過載停機故障；修復更換過IGBT單元模塊的變頻器參數(shù)設置不當，上料卷揚起步無力，電機噪音較大；上料卷揚電機起步瞬間即“回溜”，下滑嚴重導致控制系統(tǒng)檢測超限，直接控制變頻器供電主回路斷路器動作跳閘，無法使用。

1.1機械制動故障，電機起步即停機

高爐上料料車正常運行使用中，突然在1次自動啟動時，變頻器報出故障信息：1）MOTOR STALL（7121）3.06FW 2 bit14。電機堵轉(zhuǎn)（可能由于電機過載或電機功率不夠）；2）MOTER TEMP （4310）；電機過熱（可能由于過載、電機功率不足、冷卻不足或不正確的啟動數(shù)據(jù)）。

報出警示和錯誤信息的同時，變頻器迅即停機，上料卷揚電機即刻停止。通過檢查發(fā)現(xiàn)該情況為變頻器在重載啟動時發(fā)生過載報錯而停止逆變輸出，屬于變頻器保護功能動作。試車發(fā)現(xiàn)2組電動液壓制動器中的左側(cè)一組在上料卷揚主電機得電后的釋放過程中，明顯比右側(cè)的一組動作慢，且終止行程不到位，動作行程少160 mm，制動輪存在較嚴重摩擦，需要人工推動才能打開抱閘。又了解到該電動液壓推桿于10 d前剛剛更換，液壓油油位正常，明顯屬于質(zhì)量問題，導致上料傳動系統(tǒng)電機高速軸制動抱閘打開不到位，造成電機堵轉(zhuǎn)，因此變頻器才報出過載過熱的故障信息。更換電動液壓推桿后，設備恢復正常。對應于變頻傳動系統(tǒng)機械方面的該類堵、卡故障問題，變頻器能夠做出迅速的保護動作，直至停機。并給出許多相應的報警報錯信息顯示，此時需要現(xiàn)場維修工程師酌情分析，判斷識別。

1.2電機起步無力，輕微回滑問題

因為在用變頻器需要線下維護保養(yǎng)拆換冷卻風機而更換上經(jīng)過修復的變頻器，投用后數(shù)次出現(xiàn)上料卷揚電機起步無力，料車輕微回滑且電機噪音較大的情況。變頻器輸出電流給電動機建立一定啟動力矩后，輸出控制信號給電動液力推桿，打開制動器抱閘，卻由于電動機因為變頻器提供的電流未能持續(xù)上升，電動機電動力矩不能迅速增大，變頻器即已經(jīng)過流限制，保護功能因其所設置數(shù)值達到而動作，停止逆變單元輸出。此時變頻器報出的故障信息是：1）MOTOR STALL（7121）3.06FW 2 bit14。電機堵轉(zhuǎn)（可能由于電機過載或電機功率不夠）；2）PP OVERLOAD （5482）3.18AW 5 bit 5。過大的IGBT結(jié)溫（可能是由于低頻運行時負載過大導致）；3）OVERCURRENT（2310）3.05FW 1 bit 1。輸出電流過大，超過跳閘極限值；4）PP OVERLOAD（5482）3.17FW 5 bit 6。IGBT結(jié)溫過高。

同時控制信號給制動器斷電復位，動作有延時，因此故障出現(xiàn)輕微回溜現(xiàn)象。但是原因卻是變頻器重載啟動力矩建立不滿足，并不在電動液壓推桿制動系統(tǒng)。又了解到該變頻器經(jīng)過修復處理，更換了IGBT逆變單元模塊。遂懷疑逆變部分輸出參數(shù)設置存在問題。檢查后，將各逆變單元模塊參數(shù)記錄并設置一致后，再將參數(shù)群112組Inverter Data變頻器數(shù)據(jù)和190組Internal Inverter data變頻器內(nèi)部數(shù)據(jù)仔細查對，將112.02 I Nominal Heavy Duty由410 A改大為420 A；112.03 Inverter Nominal Power由260 kV·A改為266 kV·A。并且再次確認系統(tǒng)機械傳動部分不存在堵卡等不正常情況后，投用試車，正常運行。

以上2起故障雖然都是由變頻器保護功能動作報警報錯，停止了逆變部分的輸出，但是根本原因卻大相徑庭。前者是由于機械傳動部分存在問題，制動器抱閘打開不到位，相對于電動機來說加大了負載，形成嚴重過載甚至堵轉(zhuǎn)故障，變頻器輸出電流的迅速增大并達到了設定的極限值而觸發(fā)保護功能動作。而后者是由于變頻器本身參數(shù)設置偏小，在機械傳動部分正常情況下，亦不能滿足上料電動機重載啟動的力矩要求，過流保護功能即動作停止逆變輸出，因此需要更改優(yōu)化設置，但需要慎重確認傳動系統(tǒng)沒有問題，參數(shù)設置中的保護數(shù)值做微幅調(diào)整，否則易引發(fā)設備損壞故障。相比較西門子、安川等其他品牌變頻器，ABB ACS800系列變頻器基于其額定電流最多只有1.10倍的平均過載能力，因此現(xiàn)場應用中極易引發(fā)過載報警報錯。實際應用中，可有意放大電機參數(shù)，比如額定電流、額定容量等來避免頻繁的報警停機非故障類情況。

1.3變頻器故障，電機起步大幅回滑

運行使用中的高爐上料卷揚變頻傳動系統(tǒng)，不時頻頻出現(xiàn)電機啟動，料車上料提升的起步瞬間，還沒有上行，卻大幅度地下滑回落，設置于主減速機低速軸聯(lián)動的主令控制器，檢測到回滑超限，為保護料車及爐頂其他設備，即刻自動切斷變頻器供電主回路電源，上料設備停機。因為該故障現(xiàn)象不定時出現(xiàn)，有時數(shù)天或數(shù)10 h不發(fā)生，有時卻在8 h內(nèi)頻繁出現(xiàn)數(shù)次，總體趨勢是發(fā)生的頻次愈來愈多。最初懷疑變頻器參數(shù)設置存在不當，對于轉(zhuǎn)矩提升速度，最大力矩限制及制動進行了優(yōu)化設置；重新對變頻器進行電機靜態(tài)勵磁辨識，以重建電機數(shù)學模型；考慮到在ABB變頻器DTC控制方式下，干擾源強烈，并且應用現(xiàn)場導電性灰塵較多，變頻器主機板控制單元的硬件有可能受到損傷，應予以更換。

1.3.1軟件參數(shù)設置的優(yōu)化處理

首先對限制和啟動/停止及力矩、放大變頻器力矩限制，增加轉(zhuǎn)矩提升速度，最大力矩限制及制動進行了優(yōu)化設置，部分參數(shù)優(yōu)化設置見表1。

表1　高爐上料變頻器部分優(yōu)化設置參數(shù)Tab.1　Part optimization parameters of converter for blast furnace converter

1.3.2重新作變頻器對電動機的特性辨識

大多數(shù)工企現(xiàn)場控制環(huán)境中，靜態(tài)勵磁辨識ID Magnetisation均能夠滿足使用要求。在電動機運行速度接近零速度的應用場合，應進行動態(tài)辨識ID RUN（辨識運行），將電機與減速機聯(lián)軸器脫開，按照Standard ID RUN依變頻器提示進行。

以上措施均不能消除上料電機起步回滑故障的，應考慮對變頻器主機板控制單元進行更換。

1.3.3更換變頻器主機板控制單元

對于變頻器主機板控制單元的硬件損傷，只有進行更換。需要先行將用戶設置參數(shù)上載到控制盤，變頻器斷電更換機板單元并正確接線連接，然后與電機銘牌參數(shù)一同下傳到新的主機板控制單元，確認應用宏和電機參數(shù)無誤，進行電機辨識，正常完成電機辨識，控制盤顯示警示信息：Warning ID DONE。表示變頻器可以投用。經(jīng)過前2項處理措施，降低了上料卷揚電機起步大幅回滑的發(fā)生頻次，最終在更換主機板控制單元后，該故障現(xiàn)象徹底消除。說明主機板控制單元在多灰塵和DTC電機控制方式進而逆變器開關頻率很高的情況下，確實存在非致命性的硬件損傷。

2　實際信號參數(shù)群的應用及結(jié)論

變頻器實際信號指的是接到變頻器各控制端子板的開關量、模擬量包含輸入輸出的控制信號，和變頻器傳動單元內(nèi)部檢測、計算得到的電流、電壓、頻率、溫度等變頻器工作運行參數(shù)，它反映的是前述狀態(tài)、參數(shù)的實際值，不能夠人工設置更改。因此可以利用其進行變頻器運行狀態(tài)的參數(shù)檢查和輸入開關量模擬量信號控制條件是否滿足的邏輯判斷，相當于電氣故障查找的必備工具萬用表，而相比萬用表更加準確方便快捷。結(jié)合變頻器故障警示與報錯信息及其歷史記錄，調(diào)取和利用實際信號參數(shù)群，對于變頻傳動機電系統(tǒng)的故障診斷和及時處理非常有利。

變頻器在電機起步瞬間跳閘、傳動設備回滑等故障原因是多方面的，正確地分析排除機械傳動方面的卡、堵故障，然后在充分理解變頻器各參數(shù)尤其是保護功能設定值的基礎上，對其進行優(yōu)化，能夠徹底消除故障。

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Start Malfunction Analysis for the Blast Furnace Charging Crane Inverter Drive System

CHEN Jun
（Jinan Iron and Steel Group Co.，Ltd.Ferroalloy Plant，Jinan 250101，Shandong，China）

Analysed three start-up fault of the frequency conversion transmission control system of blast furnace，it respectively is：the motor stalling problem caused by mechanical brake system；the inverter parameter settings fault；damage to the master control unit caused by the disturbance and dustiness.On the phenomenon of fault identification，the combination of frequency converter alarm error warning information and state parameters，analyzed，estimated，and then ponited out the cause of the equipment fault，according to different failure cause corresponding treatment measures were given respectively.And after nearly one year to track equipment running and using effect，the practice proves thefaultanalysisproperly，thefaulttreatmentmeasuresareeffective，thefaultiseliminateddownright.

variable frequency drive；start；brake；torque；motor identification；model

TP276

A

2015-09-23

陳鈞（1972-），男，高級工程師，Email：jgchenj@126.com