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高炉上料系统的变频调速改造1
07:43:05 来源：
　　　概述
　　钢铁厂的高炉上料系统是炼铁生产中的重要环节，其主要作用是将炼铁所需的各种
原料源源不断地送入高炉内，保证高炉的正常运行。
　　高炉上料系统主要由料车卷扬（主卷扬穴大、小钟，大、小均压，布料器几部分组成〕。其中，冬:卷扬工作频繁，负荷重，是上料系统的核心。
　　上料系统的运行过程是：
　　按工艺要求将原料加人料车中，起动后，料车逐漸加速罜最高速度;
　　在此速度5运行一定距离;
　　接近终点时，逐渐减速;
　　以很低的速度到迖终点，保证料车在准确的位置停车
　　大、小钟，大、小均压，布料器皆按照工艺要求定时打开或关闭，并与主卷扬苻一定的 联锁关系。
　　改造的必要性
　　传疣的高炉上料系统的电气控制系统是采用绕线忒交流电动机转子串电咀调速、继
电-接触控制。这种控制系统的主要缺点衷现在：绕线式交流电动机转子串电阻调速属能耗型转差调速，能耗大、机械特性软、调 速范围小、平滑性差;
　　继电-接触控制系统在频繁、重任务条件下，故障率高;
　　低速时，机械特性软，造成停车位置不准，易“挂车'
　　显然，传统的控制方式已不能适应现代牛产的耍求，采用新设备、新技术进行技术改 造已是势在必行。
　　近年来，随着计算机技术和大功率电子器件的迅猛发展，电力拖动和自动控制领域也
曰新月异。其中，具有代表性的是交流变频调速装置和可编程序控制器获得了& 广泛的应用。
　　与传统的直流电动机调速系统和交流绕线式电机调速系统相比，交流电动机变频调 速系统的特点是：
　　交流鼠笼式电动机结构简单、价格低、坚固耐用、运行可靠、维修方便、供电电压
高、单机容量大、环境适应性强;
　　效率高、能耗低;
　　起动电流小、起动转矩大、机械特性好、调速范围宽、平滑性好;
　　旋转矢量控制技术使得速度控制和瞬态响应的精度大大提高;
　　内装810调节器，能够极为方便地构成闭环控制系统;
　　具有极强的自诊断和保护功能，能够对短路、过流、过热、过历、欠压、接地等故障
进行快速、有效的沴断和保护。
　　具有2320接口，能够实现与计算机之间的通信，构成集散型控制系统。
　　交流变频调速系统已完全可以与直流调速系统相媲关，取代直流调速系统已成为可
能。可编程序控制器是一种以微处理机为核心，面向生产过程的控制器。它具有抗丁扰能 力强、工作4靠、简单灵活、操怍方便、性能价格比高的特点。在一定程度上已取代I传统
的继电-接触控制，成为行业:业控制领域的佼佼者。
　　改造方案
　　1995年，华能公司与邢台钢铁公司合作，对邢钢的有关设备实施了变频调速技术改
造，其中有一套高炉上料系统，取得了满意的效果。
　　变频改造的是：
　　改善上料系统的运行质量，为髙炉的优质高产创造条件
　　节约能源，降低消耗。
　　变频改造的方案如下：
　　以具有东芝V13型交流变频器和富士型可编稈控制器为核心，取代原有的串电阻调速，继电-接触控制系统，实现高炉上料过程的自动控制。
　& 以高度的吋靠件为0标。众所周知，高炉的运行对可靠性有很高的要求。控制系
统的任何个故障都可能给高炉运行带来极大的损失。因此，我们始终把可靠性:放在第一 位。鉴于0前用户对交流变频器仍比较陌生，对一种新技术的应用树立信心需要有-个过
程。因此，我们设计了两套系统并存的方案，即：在新装变频调速系统的同时，仍保留原有 的控制系统。两套系统皆可独立运行，互不影响并且能够快速方便地相互切换，这样不但
便运行的可靠性得到了充分的保证，而且从心理上也减轻了用户对新技术应用的疑虑。
　　软件设计是一个十分重贾的环节，设计的依据是设备运行的工艺流程。设计的优点首先是提高抗干扰能力。除了
“X硬件的抗干扰能力外，软件设计也采取了必要的抗 干扰措施和故障诊断程序，才能保证在恶劣工业环境下的正常运行。第二是提高系统运行
的灵活性。软件设置了手动和自动两种工作方式，可任意切换。
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&&高​炉​上​料​系​统​电​气​系​统​简​介
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& 施耐德ATV71变频器在某钢铁有限公司高炉上料系统上的应用
施耐德ATV71变频器在某钢铁有限公司高炉上料系统上的应用
核心提示：1概述 某钢铁有限公司高炉系统主要包括下列系统：高炉上料系统、高炉本体、出铁场、热风炉、渣处理、煤气除尘设施、高炉给水设施、供配电设施、鼓风机系统、余压1&概述
&&& 某钢铁有限公司高炉系统主要包括下列系统：高炉上料系统、高炉本体、出铁场、热风炉、渣处理、煤气除尘设施、高炉给水设施、供配电设施、鼓风机系统、余压发电系统、余热回收设备等，高炉炼铁工艺示意图如图7-15所示。在高炉炼铁生产中，一般把按照品种、数量称量好的炉料从地面的贮矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备。料车主卷扬是上料系统的核心设备，其可靠性直接影响到生产效率及经济效益。某钢铁有限公司450M3高炉卷扬系统的设计以施耐德ATV71变频器作为传动部分的核心控制部件，并与主控PLC自动化系统紧密结合使用，从而达到系统的稳定性与操控灵活性的完美结合。
图7-15&高炉炼铁工艺示意图
2&高炉料车卷扬机的工况要求
&&& 高炉采用料车卷扬机作为标准上料设备，其特点是负载重，位置控制精度要求较高，可靠性和安全性能要求高。高炉料车卷扬机的安全运行应满足下列条件：
&&& ①足够的提升、运载能力，上料速度要满足高炉生产的要求。
&&& ②运行可靠平稳，耐用，保证高炉生产的连续性。
&&& ③能够实现上料自动化，提高生产效率，减轻人员劳动强度。
&&& ④结构简单，维护方便。对调速系统的性能要求：启动速度慢，转矩大，加速平滑，运行平稳，停车准确。
&&& 高炉卷扬系统主要包括卷扬机、减速机、料车、斜桥等。高炉料车卷扬机的工况示意图如图7-16所示。
图7-16 高炉料车卷扬机的工况示意图
3&变频器控制系统说明
&&& 1．系统运行过程
&&& 当上料卷扬系统运行后，变频器由8Hz加速到50Hz运行，当运行至距炉顶较近的检测点时，由检测位置的主令控制器发出减速信号，变频器自动减速到20Hz运行，到二次减速点减到8Hz，再直至料车到达炉顶，再由主令控制器发出停车信号，电动机制动停车。
&&& 2．料车速度控制
&&& 在空载调试阶段：由于机械减速箱传动比偏小，调试初期料车高速时50Hz运行，料车速度太快，在做料车高速急停试验时，钢丝绳松弛致使料车出轨，故高速时改为45Hz。把第一次减速时主令控制点推后，保证每车上料时间。
&&& 3．料车变频器的选型和应用
&&& 选用变频器的容量是放大了两档的容量，一般不会出现过电流、过电压、过载等现象，可靠性大大提高。电磁制动器线圈通过变频器的制动器逻辑控制，消除了因意外事故制动器松闸所引起的料车挂车或失速、失控事故，防止了制动器松闸过早，料车出现的溜车事故。
4&系统组成
&&& 此钢铁厂采用斜桥式料车上料系统。斜桥式料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬电动机三部分组成。由一台卷扬机拖动两台料车，料车位于斜桥轨道上，工作过程中，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的自重。两料车交替上料，即其中一台料车载料上行，另一台为空车下行，料车在斜桥上的运动分为起动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段。运行过程中电动机始终处于负载状态。在整个过程中包括一次加速和两次减速，料车提升一次所需时间与料车的运动速度和加速度有关，其运行过程共分为如下几个区间：
&&& 1)加速区：料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行。
&&& 2)高速运行区：料车以最大速度45Hz稳定运行。
&&& 3)第一减速区：重料车进入卸料区之前的第一次减速，将之前的高速给定45Hz转为低速给定10Hz。
&&& 4)低速运行区：重料车在卸料区段的运行区。
&&& 5)第二减速区：卸料车到达卸料终端制动停车卸料。
5&控制系统的构成与选型
&&& 1．控制系统的构成
&&& 电气传动装置选择的是施耐德315kW的两台ATV71变频器，带250kW电动机，为一用一备状态，通过切换柜中的双掷刀开关完成备用切换，保证了运行的可靠性。变频器电压等级为380V，型号为ATV71HC31N4。由于考虑到卷扬系统为大惯量位能性负载特性，配置了制动单元与制动电阻，以保证料车停车过程中能量的回馈不会造成直流母线电压升高从而造成故障。传动逻辑控制由PLC给定。控制系统组成如图7-17所示。图中上面是一套PLC作为主站，两台ATV71变频器（型号为ATV71HC3IN4）作为从站，一用一备用来驱动卷扬电动机，卷扬电动机装有减速机构和主令控制器（作位置控制用）。
图7-17 控制系统组成
&&& 2．变频器的选型原则
&&& 由于本系统负载具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能等方面要求高一些，同时要求高精度同步运行，因此选型时选用具有恒转矩特性的、带速度反馈的矢量控制方式的ATV71变频器。
6&系统运行原理及功能
&&& 施耐德ATV71工程型变频器，运用矢量控制方式，可以实现精确的速度控制。系统配置了制动单元与制动电阻，采用能耗制动方式实现了卷扬系统的制动。主传动部分由两台变频调速柜实现一用一备，通过主控制柜实现装置之间的切换。每个变频器的控制信号通过切换柜的电气设备来完成基本联锁及控制，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离，使料车的控制可以由PLC或操作台分别控制系统，提高整个系统的可靠性。料车运行的整个控制与运行原理如下：
&&& ①将要上料的一个料车先放在料坑底部，另一料车放在斜桥顶部。炉顶布料器料空，申请上料，由主PLC发出命令给控制柜内的传动设备，在综合各种情况判断无故障后，传送运行命令至变频器。ATV71在接到运行及高速命令后建立磁场，输出转矩，当变频器的输出电流达到制动器控制功能中设定的制动释放电流时，ATV71发出制动器松闸命令，使制动器松闸，实现料车的平稳起动。
&&& ②当料车起动运行后，由于起始阶段斜桥坡度较大、所带负载惯量较大，电动机先以高速运行，在运行至第一减速点时，由主令控制器返回位置信号至PLC处理后输出低速命令至ATV71，则变频器减至低速运行。此时料车继续上行。
③料车以低速运行到卸料位置时，主令控制器返回位置信号至PLC，PLC则输出停车命令至ATV71。变频器开始制动停车，此时制动单元及制动电阻工作，消耗电动机反馈能量，当变频器输出频率降至制动器逻辑控制功能中设定的制动器紧闸频率时，变频器输出制动器紧闸命令，制动器紧闸．料车卸料。
7&运行效果及原因分析
&&& ATV71变频器能很好地适应高炉的工艺要求，达到了预期的效果。主要原因如下：
&&& 1) ATV71变频器调速范围宽，频率在0- 500Hz范围连续可调，极大地满足了高炉生产的需要。
&&& 2) ATV71变频器具有很好的制动器逻辑功能。
&&& 制动器松闸需要先检测变频器的输出电流，确认电流达到能够产生足以承担负载转矩的电流的情况下，这时制动器松闸，倾动系统就能够比较平稳地起动，确保了系统的安全性。如果制动器紧闸早了，电动机运行遇到阻碍，转矩就会增大，就会出现电流过大的情形。如果制动器紧闸晚了，在速度已经为零的情况下，没有制动器的作用，将会由于重力的作用出现下滑，这是非常危险的，但ATV71变频器的制动器逻辑功能很好地解决了这一问题。
&&& 3) ATV71变频器具有极强的过转矩能力。
&&& 料车在带不同料时，电流会有所不同，有时在起动时或带铁矿时电流较大，因为ATV71变频器具有极强的过转矩能力，可很好地适应这一情况，因为ATV71可达到220%的额定转矩。
&&& 系统自投入运行以来一直稳定运行，很好地达到了预期的效果。
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