高炉上料系统的变频调速改造

赵建中

（太原东铝铝业有限公司，山西 太原 030012）

高炉上料系统的变频调速改造

赵建中

（太原东铝铝业有限公司，山西 太原 030012）

文章阐述了高炉上料系统的变频调速改造，提出了改造的必要性及改造方案，说明了运行效果的表现性。

变频调速系统；改造；高炉上料系统

目前，从数百瓦级的家用电器直到数千千瓦级的调速传动装置都可以用交流调速来实现。交流调速传动已经从最初的只能应用于风机泵类的调速过渡到对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。从性价比来看，交流调速装置已经优于直流调速装置。目前，人们说的交流调速传动主要是指用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的其他调速方案如变级调速、定子调压调速、转差离合器调速等虽然在一定场合仍有应用，但由于其性能较差，终将被变频调速所取代。

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静动态指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机所垄断。直流电机虽有调速性能好的优越，但也有难以克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端，如维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流的上限值均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特别是在易燃易爆的场合难以应用。而交流电机的一些固有的优点：容量、电流电压、转速的上限不像直流电机那样受限制；结构简单、造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速难，但仅受电力变换技术和控制手段的制约。采用晶闸管的同步电机自控式变频调速系统和电压型电流型晶闸管变频器的笼型异步电机等先后实现了实用化，使变频调速成为主流。对一些大型机械的主传动，直流电机在容量等级方面已经接近极限值，过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动，噪声大、效率低、占地面积大。特大容量的交流传动装置的发展填补了这方面的空白。开关器件的自关断化、变频装置的高性能化、全数字控制技术的应用使得通用变频器得到迅猛的发展。

目前，通用变频器的主要应用有两个方面：一方面是为了满足生产工艺的调速要求而进行的变频器应用；另一方面是为了节能而进行的变频器应用。下面介绍变频调速系统在高炉上料系统中的应用。

1 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场（主卷场），大、小钟，大、小均压，布料器几部分组成（见图1）。其中，主卷扬工作频繁、负载重，是上料系统的核心。

上料系统的运行过程是：①按工艺要求，将原料加入料车中，起动后，料车逐渐加速至最高速度。②在此速度下运行一定距离。③接近终点时，逐渐减速。④以很低的速度到达终点，保证料车在准确的位置停车。

图1

大、小钟，大、小均压，布料器皆按照工艺要求定时打开或关闭，并与主卷场有一定的联锁关系。

2 改造的必要性

传统的高炉上料系统的电气控制采用绕线转子异步电动机转子串电阻调速、继电-接触器控制。这种控制系统的主要缺点表现在：①绕线转子异步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。②继电-接触器控制系统在频繁、重任务条件下，故障率高。③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生产的要求，采用新设备、新技术进行技术改造已是势在必行。

近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。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（PLC）获得日益广泛的应用。与传统的直流电动机调速系统和交流绕线转子异步电动机调速系统相比，交流电动机变频调速系统的特点是：

（1）笼型异步电动机结构简单、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。

（2）效率高、能耗低。

（3）起动电流小、起动转矩大、机械特性好、调速范围宽、平滑性好。

（4）矢量控制技术使得速度控制和瞬态响应的精度大大提高。

（5）内装PID调节器，能够极为方便地构成闭环控制系统。

（6）具有极强的自诊断和保护功能，能够对短路、过电流、过热、过电压、欠电压、接地等故障进行快速、有效的诊断和保护。

（7）具有RS232C接口，能够实现与计算机、PLC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美，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。它具有抗干扰能力强、工作可靠、简单灵活、操作方便、性能价格比高的特点。在一定程度上已取代了传统的继电-接触器控制，成为工业控制领域的佼佼者。

3 改造方案

变频改造的目的是：①改善上料系统的运行质量，为高炉的优质高产创造条件。②节约能源，降低消耗。

变频改造的方案如下：

（1）以东芝VFA3型交流变频器和富士NJ型可编程控制器为核心，取代原有的串电阻调速、继电-接触器控制系统，实现高炉上料过程的自动控制。

（2）以高度的可靠性为目标。众所周知，高炉的运行对可靠性有很高的要求。控制系统的任何一个故障可能给高炉生产带来极大的损失。因此，我们始终把可靠性放在第一位。鉴于目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。这样不但使运行的可靠性得到充分的保证，而且从心理上也减轻了用户对新技术应用的疑虑。改造后的系统框图见图2。

图2 高炉控制系统框图

（3）软件设计是一个十分重要的环节，设计的依据是设备运行的工艺流程。设计的重点首先是提高抗干扰能力。除了PLC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。软件的框图见图3。

4 主要技术参数

变频器：东芝 VFA3-4 110 KP，110 kW，400 V

图3 软件框图

可编程控制器：富士NJ

电动机功率：75 kW

最大提升重量：5 t

运行周期：46 s

输出频率：0.5～400 Hz

运行频率：最低6 Hz，最高55 Hz

5 运行效果

运行效果主要表现在：

（1）料车升降速度调节方便，范围宽。尤其是终点停车平稳、准确，消除了“挂车”事故，为高炉的正常运行提供了保证。

（2）能源消耗明显降低。经测量，改造后有功消耗从46 kW下降到40 kW。无功消耗从70 kVA下降到7 kVA，功率因数从0.55上升到0.99，节电率达到30%以上。

（3）操作方便，各个环节的联锁和保护运行可靠，提高了系统可靠性，减轻了操作人员的工作量。

（4）由于取消了频繁动作的继电器、接触器，使得操作室的噪声大幅度降低，改善了工作环境。

高炉上料系统的变频调速控制系统具有广泛的应用前景。所做的工作仅仅是初步的探索，还有许多工作有待去研究和解决。

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