變頻器在連鑄機(jī)液壓剪機(jī)上的應(yīng)用

周志敏

1 前言

連鑄機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金行業(yè)，剪機(jī)是連鑄機(jī)上的關(guān)鍵設(shè)備，它是把連續(xù)澆注的鋼坯剪成設(shè)定的定尺長(zhǎng)度。二鋼軋總廠的4臺(tái)4機(jī)4流小方坯連鑄機(jī)使用的是液壓剪切方式，每流剪機(jī)使用一臺(tái) Y315S-6，75 kW，Ie=142 A，cosφ=0.89 的三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵。當(dāng)需要剪切連鑄鋼坯時(shí)，通過(guò)液壓泵把液壓油輸送到油缸并產(chǎn)生壓力，推動(dòng)柱塞向前運(yùn)動(dòng)，完成鋼坯的剪切工作。當(dāng)完成上述工作后，液壓油再通過(guò)液壓泵抽出油缸，使油缸產(chǎn)生負(fù)壓，讓柱塞回到工作前的位置。油泵電機(jī)采用的是交流接觸器控制方式，在連續(xù)作業(yè)的全過(guò)程中，除上述兩個(gè)動(dòng)作和系統(tǒng)壓力低于下限之外，液壓泵的電機(jī)均處于連續(xù)空轉(zhuǎn)用能狀態(tài)。

以二鋼軋總廠4#連鑄機(jī)為例，該連鑄機(jī)主要生產(chǎn)12.15 m長(zhǎng)坯給棒材供料。正常拉速在2.5 m/min左右，每剪切一根鋼坯需要290 s左右時(shí)間。通過(guò)實(shí)際觀察，每次油泵充壓時(shí)間只需要38 s（一個(gè)剪切循環(huán)周期），隨著壓力升高，電流最大會(huì)到80 A以上，另有252 s的時(shí)間，電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)工作電流仍有50 A，非生產(chǎn)性能耗十分嚴(yán)重。所以對(duì)油泵電機(jī)改變頻控制的目的就是盡可能地降低剪機(jī)非生產(chǎn)性能耗。

2 設(shè)計(jì)思路

為保證在剪機(jī)油泵電機(jī)改造過(guò)程中不影響連鑄機(jī)生產(chǎn)，并且當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，保證剪機(jī)正常運(yùn)行，保留現(xiàn)有的接觸器控制部分，作為旁路系統(tǒng)。另設(shè)計(jì)一套變頻柜與原控制柜切換運(yùn)行，在電磁站變頻器控制柜上用轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行控制方式選擇，并使用雙向刀開關(guān)進(jìn)行工頻可變頻切換。主回路原理圖見圖1。

3 改造措施

原剪切控制程序不變，油泵電機(jī)控制程序修改如下：

3.1 電機(jī)選旁路控制程序

電機(jī)旁路控制程序圖見圖2。

3.2 電機(jī)選變頻控制程序

變頻控制程序圖見圖3。

3.3 變頻器頻率控制程序

變頻頻率控制程序圖見圖4。

4 改造方案

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。

圖1 主回路原理圖

圖2 電機(jī)旁路控制程序圖

圖3 變頻控制程序圖

圖4 變頻頻率控制程序圖

本次改造我們選用的是高性能矢量變頻器，該變頻器頻率使用4～20 mA模擬量控制。當(dāng)變頻控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到“變頻”位置時(shí)，操作工在操作臺(tái)上啟動(dòng)剪機(jī)油泵，此時(shí)系統(tǒng)壓力處在下限，PLC輸出20 mA電流給變頻器，由0 Hz上升到50 Hz滿壓起動(dòng)，電機(jī)工作電流最高可達(dá)到80 A以上，與工頻時(shí)相同。當(dāng)系統(tǒng)壓力加載到上限時(shí)，PLC輸出7.2 mA電流給變頻器，變頻器輸出頻率由50 Hz減小到10 Hz，電機(jī)處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)，此時(shí)工作電流僅為4 A。

生產(chǎn)后通過(guò)采集拉矯機(jī)拉坯速度得到鋼坯的運(yùn)行距離，當(dāng)鋼坯長(zhǎng)度到11 m時(shí)，PLC輸出20 mA電流給變頻器，變頻器頻率由10 Hz增加到50 Hz，此加速過(guò)程一般為12 s，電機(jī)工作電流為50 A；當(dāng)鋼坯運(yùn)行到12 m定尺位時(shí)，剪機(jī)剪切，這時(shí)的電機(jī)工作電流和工頻時(shí)相同。剪切完畢，“剪切”和“剪切返回”電磁閥全部失電，此時(shí)PLC輸出7.2 mA電流給變頻器，變頻器輸出頻率由50 Hz減小到10 Hz，電機(jī)電流也降低到4 A。如此反復(fù)循環(huán)達(dá)到節(jié)電的目的。電機(jī)運(yùn)行工況示意圖見圖5。

5 經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能估算

當(dāng)剪機(jī)在剪切或系統(tǒng)壓力處于下限時(shí)，電機(jī)控制在50 Hz運(yùn)行。當(dāng)剪切完畢系統(tǒng)壓力保持在上限時(shí)，將電機(jī)控制在10 Hz運(yùn)行。通過(guò)調(diào)試和試運(yùn)行，取得了不錯(cuò)的效果，見表1。

表1 改造前后運(yùn)行工況對(duì)照表

通過(guò)比對(duì)圖表可以看出，以一個(gè)剪切周期為290 s計(jì)算，工頻或變頻運(yùn)行，充壓時(shí)電機(jī)工作電流和時(shí)間基本相同，即所消耗的能量也基本相同，確保了大剪的正常運(yùn)行。在工頻運(yùn)行時(shí)空載電流在50 A，運(yùn)行時(shí)間252 s。在變頻運(yùn)行時(shí)，通過(guò)變頻器將頻率由50 Hz調(diào)至10 Hz運(yùn)行，使得空載電流在4 A，運(yùn)行時(shí)間240 s，大大降低了空載能量的消耗。

5.1 系統(tǒng)節(jié)電計(jì)算

（1）原系統(tǒng)耗電情況：

剪機(jī)充液剪切時(shí)耗電為：

圖5 電機(jī)運(yùn)行工況示意圖

剪機(jī)充壓時(shí)，隨著壓力升高，電流逐漸增大，最大會(huì)到80 A以上。我們按照70 A計(jì)算，時(shí)間為38 s：

（2）剪機(jī)等待時(shí)耗電為：

剪機(jī)等待時(shí)工作電流為50 A，時(shí)間為252 s：

5.2 改造后系統(tǒng)耗電情況

（1）剪機(jī)充壓時(shí)耗電和改造前相同：

（2）剪機(jī)等待時(shí)耗電：

剪機(jī)等待時(shí)電機(jī)工作電流分為兩個(gè)過(guò)程，空載運(yùn)行4 A，間為240 s；準(zhǔn)備剪切50 A,時(shí)間為12 s：

因此改造后每剪切一支鋼坯可節(jié)約能耗為：

以4#連鑄機(jī)單流班產(chǎn)90支長(zhǎng)坯計(jì)算，每天可節(jié)電：

單流年節(jié)約（年開動(dòng)率80%）：

改造后一臺(tái)連鑄機(jī)年節(jié)約近60萬(wàn)kW·h電，因此所節(jié)約的電耗是相當(dāng)?shù)目捎^。同時(shí)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的運(yùn)行狀況觀察，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音、振動(dòng)、溫升都有了一定的降低，并有效減緩油泵在加載時(shí)的沖擊。

6 結(jié)論

綜上所述，變頻器在連鑄機(jī)液壓剪機(jī)剪切過(guò)程中的節(jié)能應(yīng)用是切實(shí)可行的。同時(shí)根據(jù)市場(chǎng)變頻調(diào)速器價(jià)格及節(jié)約效率可知，連鑄機(jī)液壓剪電機(jī)系統(tǒng)采用變頻器能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以作為連鑄機(jī)節(jié)能改造的重點(diǎn)發(fā)展方向進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬新華，李娟，桑建國(guó).變頻調(diào)速在水泵節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 排灌機(jī)械，2006（01）.