淺析高爐卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)的工作原理及其改進(jìn)措施

【摘 要】文章介紹了運(yùn)用變頻器對(duì)煉鐵高爐上料機(jī)的老式調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改造。并介紹了高爐上料卷?yè)P(yáng)機(jī)的工作原理和系統(tǒng)改造方案。本文針對(duì)某鋼鐵有限公司的一座300m3高爐上料卷?yè)P(yáng)機(jī)的原老式串電阻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造。

【關(guān)鍵詞】高爐料車(chē)；變頻調(diào)速; 改造方案

1.高爐料車(chē)原系統(tǒng)工作情況

該300m3高爐采用斜橋式卷?yè)P(yáng)上料機(jī)，主要由斜橋、料車(chē)、卷?yè)P(yáng)機(jī)三部分組成。料車(chē)的上行軌道分為三段，料坑段、中間行進(jìn)段、卸料段。料車(chē)在軌道上運(yùn)行要求平穩(wěn)，鋼繩張力無(wú)急劇變化，禁止出現(xiàn)嚴(yán)重沖擊現(xiàn)象，以免料車(chē)進(jìn)入爐內(nèi)發(fā)生事故。

原上料系統(tǒng)由一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)兩臺(tái)料車(chē)，料車(chē)位于軌道斜面上。工作過(guò)程中，兩個(gè)料車(chē)交替上料，當(dāng)裝滿(mǎn)爐料的料車(chē)上升時(shí)，空料車(chē)下行，空車(chē)重量相當(dāng)于一個(gè)平衡錘，平衡了重料車(chē)的車(chē)廂自重。這樣兩個(gè)料車(chē)用一個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總有一個(gè)重料車(chē)上行，沒(méi)有空行程。運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)始終處于負(fù)載狀態(tài)。原系統(tǒng)由一臺(tái)100kW 繞線(xiàn)式電機(jī)拖動(dòng)，調(diào)速方法為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入5段外接電阻R1—R5。由接觸器KM1—KM4 的狀態(tài)來(lái)決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。原調(diào)速系統(tǒng)的電路見(jiàn)圖1。

2.系統(tǒng)改造方案

高爐上料機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)由一臺(tái)電機(jī)外加串電阻繼電器控制回路構(gòu)成。本次改造采用新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)取代原電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速方式。用PLC代替原來(lái)的繼電器—接觸器控制方式，完成系邏輯電路部分控制。電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等控制信號(hào)進(jìn)入PLC，經(jīng)處理后向變頻器發(fā)出起停、調(diào)速等信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)工作。改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.1 電機(jī)的選擇

該高爐上料卷?yè)P(yáng)機(jī)原采用JZR2-72-10，100kW電機(jī)，若改動(dòng)電機(jī)型號(hào)投資過(guò)大。本次改造不更換電機(jī)型號(hào)，只將電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)短接，使變頻器對(duì)定子進(jìn)行控制。

2.2 變頻器的選用

變頻器的容量及選型，應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題:

① 高爐卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，重載啟動(dòng)，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來(lái)選擇。變頻器的選用通常應(yīng)根據(jù)電機(jī)的額定電流來(lái)選擇，或者根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值(最大值)來(lái)選擇。通常應(yīng)滿(mǎn)足下式要求:I1nv≥(1.05～1.10)In或(1.05～1.10)Imax式中，I1nv為變頻器額定輸出電流(A);In為-電動(dòng)機(jī)的額定電流(A);Imax為電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流(A);(1.05～1.1)為電流波形修正系數(shù)。變頻器的過(guò)載能力通常為1.5min，這只是對(duì)于在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程才有意義，不能作為變頻器選型的最大電流來(lái)考慮。因此，在選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)比變頻器說(shuō)明書(shū)中的配用電動(dòng)機(jī)容量加大一檔至二檔，并應(yīng)具有無(wú)反饋矢量控制功能，使電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，具有真正的恒轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足負(fù)載特性要求。我們選用日本安川公司的VS-616G5 系列變頻器。此變頻器具有全磁通矢量控制，在低頻下也能提供150%額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證了電機(jī)在低頻起動(dòng)時(shí)有足夠的力矩，防止料車(chē)溜滑的發(fā)生。

② 制動(dòng)問(wèn)題。料車(chē)在減速或定位停車(chē)時(shí)，應(yīng)注意選擇相應(yīng)的制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)卷?yè)P(yáng)下降時(shí)電機(jī)制動(dòng)再生的電能采取變頻器內(nèi)置的制動(dòng)回路外接制動(dòng)電阻變?yōu)闊崮芟牡姆绞健榉乐固嵘蛳陆禃r(shí)因礦山軌道可能產(chǎn)生的有時(shí)脫軌停車(chē)，必須采取液壓制動(dòng)器和手動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。為防止溜車(chē)的控制，由外部加裝的直流制動(dòng)給電機(jī)加直流電源將電機(jī)瞬時(shí)減速，液壓制動(dòng)器啟動(dòng)抱閘動(dòng)作。防止溜車(chē)故障解除后，可恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)變頻器收到正轉(zhuǎn)( 或反轉(zhuǎn)) 指令后，經(jīng)過(guò)0.5s 延時(shí)后打開(kāi)抱閘，料車(chē)上行。隨著低段速的選通，電機(jī)處于爬行狀態(tài)，當(dāng)PLC檢測(cè)到終點(diǎn)信號(hào)時(shí)，發(fā)出停車(chē)命令，變頻器封鎖輸出執(zhí)行自由停止，同時(shí)關(guān)閉抱閘。如此控制抱閘既防止變頻器過(guò)流保護(hù)。又防止料車(chē)下滑。

3.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

料車(chē)在斜橋上的運(yùn)動(dòng)分為起動(dòng)、加速、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、傾翻和制動(dòng)六個(gè)階段。在生產(chǎn)實(shí)際中，一般有三檔速度控制。改造后的卷?yè)P(yáng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)接線(xiàn)及原理圖如圖3 所示。

按照工藝要求，整個(gè)料車(chē)運(yùn)行過(guò)程設(shè)定了兩個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)方向和兩級(jí)加減速度，變頻器的運(yùn)行控制由現(xiàn)場(chǎng)主令控制器和PLC 配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)主令控制器信號(hào)的調(diào)整可以確定卷?yè)P(yáng)料車(chē)的運(yùn)行方向、停車(chē)位置及一級(jí)和二級(jí)加減速控制信號(hào)。各控制信號(hào)經(jīng)PLC處理后，送變頻器控制端子，配合適當(dāng)?shù)淖冾l器控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器運(yùn)行的控制。變頻器工作運(yùn)行參數(shù)可通過(guò)變頻器上的鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)定，還可以設(shè)定各種保護(hù)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的過(guò)電流、過(guò)電壓等主要故障進(jìn)行保護(hù)，減少了外部保護(hù)器件的數(shù)量，提高了保護(hù)的可靠性。

卷?yè)P(yáng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式。自動(dòng)操作方式主要通過(guò)總控PLC 自動(dòng)控制料車(chē)上料和下料。手動(dòng)操作方式主要用于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)故障檢修、極限調(diào)試和緊鋼繩及變頻器故障時(shí)使用。主卷?yè)P(yáng)料車(chē)設(shè)高、中、低三級(jí)速度控制。由變頻器多段轉(zhuǎn)速設(shè)定，滿(mǎn)足技術(shù)、生產(chǎn)工藝對(duì)上料時(shí)間的要求。變頻器加速模式按雙S 型設(shè)定，以保證料車(chē)出料坑時(shí)低速運(yùn)行，出料坑后盡快平穩(wěn)達(dá)到高速，到達(dá)爐頂前快速平穩(wěn)減至低速，確保準(zhǔn)確停車(chē)，提高料車(chē)運(yùn)行的安全性。

料車(chē)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)是煉鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，因此拖動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)保持絕對(duì)安全可靠，系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷應(yīng)完善。為了保證控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，避免料車(chē)失控發(fā)生飛車(chē)事故進(jìn)而導(dǎo)致高爐停產(chǎn)，休風(fēng)等嚴(yán)重事故的發(fā)生。本系統(tǒng)將一系列可能發(fā)生的故障和可能導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生的情況，如超極限、超速、過(guò)流、過(guò)載、松繩等的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行串聯(lián)匯總于一個(gè)零壓保護(hù)回路中。在無(wú)故障情況下，零壓回路為閉合狀態(tài)主回路接通，系統(tǒng)正常工作。如果出現(xiàn)在零壓回路中的任何一種危險(xiǎn)則零壓回路斷開(kāi)，此時(shí)串連至主回路中的觸點(diǎn)斷開(kāi)，變頻器進(jìn)線(xiàn)側(cè)的主回路斷電，系統(tǒng)停止工作，卷?yè)P(yáng)電機(jī)抱閘，整個(gè)傳動(dòng)裝置迅速停車(chē)，從而避免事故的發(fā)生。

4.結(jié)語(yǔ)

采用變頻器對(duì)該300m3高爐卷?yè)P(yáng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造后，系統(tǒng)由于省去了切換轉(zhuǎn)子串電阻的交流接觸器、串聯(lián)電阻等電氣元件，電氣控制線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化。料車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩大，加減速平滑，停車(chē)位置準(zhǔn)確，料車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩的使用壽命也大大延長(zhǎng)。系統(tǒng)改造至今運(yùn)行十個(gè)月，沒(méi)有發(fā)生料車(chē)落道飛車(chē)等事故。采用變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)械特性明顯，負(fù)載變化時(shí)各檔速度基本不變，輕載時(shí)也不會(huì)因操作不當(dāng)而出現(xiàn)失控現(xiàn)象。變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，方便地調(diào)整各檔速度和加減速時(shí)間，使操作更加靈活迅速。采用變頻調(diào)速同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)，避免了機(jī)械受大力矩沖擊的損傷和破壞，減少了機(jī)械維護(hù)及檢修費(fèi)用，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。

實(shí)踐證明本次改造是成功的。

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