变频控制技术在钢铁冶金行业的应用.pdf

第 3 4卷第 5期 2 0 1 2年 1 0月 四川 冶金 S i c h u a n Me t a l l u r g y Vo 1 ． 3 4 No ． 5 Oc t ．， 201 2 文章编号 1 0 0 1 --5 1 0 8 2 0 1 2 O 5 0 0 5 4 0 4 变频控制技术在 钢铁 冶金行 业的应用 陈 勇 四川机电职业技术学院电子 电气工程 系， 四川 攀枝花6 1 7 0 6 4 【 摘要】 分析了变频控制技术在冶金钢铁行业的应用情况， 对变频技术应用的广泛性和必要性作出总结。 【 关键词】 交流调速大中型设备的传动环保节能的传动 【 中图分类号】 T M 4 6 【 文献标识码】 A AP P L I C AT I oN oF VA RI AB L E F R E QUE NC Y T E C HNoL oGY I N FERRoUS M ETALLURGY ENTERPRI S ES Ch e n Yo n g S i c h u a n E l e c t r o mech a n i c a l I n s t i t u t e o f V o c a t io n a n d T e c h n o l o g y ， P a n z h i h u a 6 1 7 0 6 4 ，S i c h u a n， C h i n a [ A b s t r a c t ] T h i s p a p e r a n a ly z e s a p p li c a t i o n o f th e v a r i a b l e e q u e n c y te c h n o l o g y i n f e r r o u s m e t a l l u r gy e n t e r p ri s e s a n d s u mma riz e s the u n i v e r s a l i t y a n d n e c e s s i t y o f a p p l i c a t i o n o f the v a ri a b l e e q u e n c y t e c h n o l o gy [ K e y w o r d s ] A C v a ri a b l e s p e e d ， D r i v e o f l a r g e and m i d d l e e q u ip m e n t ， D ri v e o f e n v ir o n m e n ta l a n d e n e r gy s a v i n g e q ui pme nt l 引言 外一方面是为了环保节能的需要。 随着我国科学技术 的飞速发展 ， 对 钢铁冶金行 业机电设备的要求也将会越来越高。现代钢铁冶金 企业都是规模较大， 连续、 高效式地生产流程性企 业。由于现场的环境比较恶劣一灰尘多、 震动强、 噪 音大， 因此相对其他行业， 对生产现场控制设备有更 高的要求。因为变频技术具有明显的节能效果和优 越的调节性能 ， 所以变频节能技术在我 国钢铁冶金 行业中的应用越来越广泛， 技术也越来越成熟。自 然变频技术在冶金行业得到 了广泛地应用 。 变频控制技术在钢铁冶金行业的应用主要有 2 个方面 一方面是为了满足生产工艺调速的要求； 另 2 生产工艺调速应用变频技术 由交流调速取代直 流调速 2 ． 1 连铸机拉坯辊速度控制 交流变频拉坯辊速度控制系统如图 1 所示。 坌 塞 笪 三H 奎 矍卜 _ 叫 皇 堕 垄 塑H 垫 堑 堡 图 1 交流变频拉坯辊速度控制系统流程图 变频器的一个模拟输入通道用于频率设定输 入， 接收速度给定信号， 控制输出频率， 调节拉坯辊 电动机转速。考虑到拉坯辊电动机频繁启动、 停止 作者简介 陈勇， 男 ， 重庆人， 电气讲师， 工学硕士， 主要从事电气 自动化专业课教学工作。 第 5期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 和正反转 ， 应用中变频器选择矢量控制方式 ， 这种方 式可 以精确地设定和调节 电动机 的转矩 ， 也可实现 对转矩的限幅控制 ， 在 1 1 0的调速范围内不需要速 度传感器对实际值的反馈 ， 就能实现高精度的速度 和转矩控制 ， 完全可以满足拉坯辊速度控制 的要求 ， 静差度小于 0 ． 0 2 ％。 2 ． 2大功率轧钢机控制 大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很 高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以 来一直被直流电动机传动所垄断， 由于直流电机存 在着不可回避的弱点， 主要表现在直流电机结构复 杂， 要消耗大量有色金属， 且换向器及电刷维护保养 困难 、 寿命短 、 效率低等。所 以直流电动机 已不能满 足轧钢机向大型化、 高速化方面的发展。随着变频 技术 的推广应用 ， 在钢铁冶金行业 ， 交流电动机有取 代直流电动机的趋势。目前， 许多轧机主传动， 无论 是初轧机， 中板轧机还是热、 冷连轧机 ， 都采用了交 流变频调速。下面以某轧钢厂宽厚板热处理生产线 加以说明。 2 ． 2 ． 1 控制系统组成 某轧钢厂宽厚板热处理生产线控制系统由两台 加热炉、 一台冷床、 一台矫直机共 4台设备组成， 分 别 由4台 P L C加 以控 制。每台设 备 内辊道 由多组 辊道组组成 ， 每个辊道组 由一台变频器传动。 比如 冷床 由 4个辊道组组成 ， 每组辊道组用一台变频器 传动。 2 ． 2 ． 2 工作原理 变频器与 P L C控制原理 - 3 如图 2所示。 - 一 ， _ ] R [ y ’ 一 r] S J [ 人 3 w ． -- -- - l一一 腓 方式 一 变瓤嚣 _ _ o O 一 5 m ●‘ K2 一． 6 ● 薤 I __o o一 耐 ● K4 -_o O一 ，叫 8 驾 产 PLC 9 K 0 ，J _| ； 0 10 7 c 0N 5 l 8 S B 2 广 口 卜 _ E＼ C O NS - B C O M L O K ME 图2 变频器与 P L C控制原理图 每组辊道的控制有左迁移、 右迁移和 自动几种 工作方式 。辊道左 、 右迁移时 ， P L C根据速度设定 以 多段方式控制变频器 向某一方向运动 ， 将 工件移 向 所希望位置。多个辊道组 内迁移时， 相应辊道组均 处于同一迁移方式、 同一运行速度设定 即可。 自动 方式时可实现物件 自由摆动 ， 摆动的实现同样是用 P L C控制变频器 的正 、 反端子进行起动、 停止和方 向 控制 ， 用 P L C控制变频器 的多段频率选择端子改变 运行速度。 为实现摆动位置的精确性， 炉内辊道组内代表 性辊道上装有光电码盘， P L C根据码盘数值可以确 定摆动的距离 ， 从而确定减速和换 向开始时间。为 防止碰撞炉壁， 极限位置设有物料检测开关， 检测信 号输入 P L C ， 作为变频器无条件换向信号。摆动速 度为每分钟 2 m， 高速时为 8 m。由速度开关选择， 实现变频器多段速度方法调速。 为提高热处理效果， 要求摆动端点位置是非固 定的。 2 ． 3 变频技术在 高炉炼铁 系统的应用 在高炉炼铁生产中， 上料系统是设备的重要组 成部分， 其可靠性直接影响到生产效率及经济效益。 2 ． 3 ． 1 上料系统图 上料系统如图 3所示。 图 3 上料 系统 2 ． 3 ． 2 控制过程 原系统 由一台三相绕线式异步电动机拖动 ， 转 子回路靠切换电阻实现速度调整， 电阻容易烧毁， 加 上卷扬机 钢丝绳松 紧程度 不一 致 ， 有 时出现 料车 “ 挂顶” 事故， 严重影响了生产。 采用变频调速后 ， 操作工发出左料车上行指令， 选通变频器的固定频率 5 O H z ， 变频器由0 H z 开始 提速， 开启抱闸， 直到 5 O H z转速达到稳态 ， 当运行 一 定的距离快到达炉顶时， 由检测位置的主令发出 减速信号， 变频器自动减速到 2 0 H z 运行， 直至料车 四川冶金 第 3 4卷 快到达炉顶， 触动限位开关发出信号， 变频器自由停 车， 当变频器输出降到 2 H z 时， 再由检测位置的主 令发出停车信号 ， 变频器封锁输出 ， 电动机被立即制 动停车， 电动机加有电磁抱 闸制动装置 ， 在整个工作 过程中需要停车时， 发出停车指令， 电磁抱闸制动装 置工作， 使料车稳定停车， 左料车送料完毕， 不会出 现“ 挂车” 下滑现象。右料车的工作过程与左料车 正好相反。 2 ． 3 ． 3 控制特点 电磁抱闸制动器通过变频器的运行输出信号控 制 ， 消除了因意外事故 ， 如打开抱闸所引起的料车挂 车或失速失控事故。而且 当变频器输 出达到 2 H z 时， 电磁抱闸制动器打开， 防止抱闸打开过早， 料车 出现溜车事故 。 在左右料车 的顶 部各 安装 一个 限位开关 S Q1 和S Q 2 ， 当限位开关动作时通过变频器的多功能端 子造成变频器外部 故障停机 ， 防止料车在接近停 车 点时因控制线路故障， 造成料车无减速过程而损坏 炉顶设备的严重后果。 2 ． 3 ． 4 变频技术应用于炼铁过程 的其它方面 由炼铁工艺过程 ， 圆盘给料机选用的电动机为 变频调速电动机 ， 由变频器调速； 圆辊布料器通过变 频器控制电动机转速 ； 烧结机的台车由变频器控制 的电动机调速 ； 烧结机 出来 的烧 结矿经单辊破碎机 破碎， 进入到带冷机， 带冷机由变频器控制的电动机 调速 ， 在高炉 出铁水前 先开渣 口， 炉渣先从 渣 口流 出 ， 因为出渣过程的好坏直接影响铁水的质量， 冲渣 泵电动机采用变频调速。铸铁机是炼铁工艺 的最后 一 道工序 ， 由变频器控制 的铸铁机 电动机调速。 3 变频技术应用于环保节能 3 ． 1 变频 技 术应 用 于水循 环 系统 在钢铁冶金生产 中 ， 泵站 、 水池储罐给排系统 、 水循环系统均使用离心泵、 齿轮泵等设备。而且， 根 据不同的生产需求往往采用调整阀、 回流阀、 截止阀 等节流设备进行流量、 压力、 水位等信号的控制。这 样， 不仅造成大量的能源浪费， 管路、 阀门等密封性 能的破坏 ； 还加速 了泵腔 、 阀体 的磨损和汽蚀 ， 严重 时损坏设备、 影响生产、 危及产品质量。 为此， 常采用恒压变量变频调速供水技术， 即保 持供水泵房总出水管压力不变 ， 改变水泵运行 台数 或者变频泵转速， 以达 到改变泵房 出水 量 的方式 。 对于某一恒定压力 P 1 ， 可 以通过改变供 电频率 ， 在 不 同转速 n l 、 、 n 3 、 ⋯⋯条件下供 出不同流量 Q l 、 Q 2 、 Q 3 ⋯⋯以满足实际用水需要。 3 ． 2 变频技术在转炉炼钢风机上的应用 转炉炼钢厂需要配置调速 的除尘 系统 比较多 ， 如转炉烟气净化及煤气回收系统 一次除尘系统 ， 转炉二次除尘系统， 混铁炉、 倒罐站除尘系统等等。 除尘风机是除尘净化系统 的动力 中枢 ， 传统 的 风机控制是全速运转 ， 即不论生产工艺的需求大小 ， 风机都提供出固定数值的风量， 而生产工艺往往需 要对炉膛压力 、 风速、 风量及温度等指标进行控制和 调节 ， 最常用的方法则是调节风 门或挡板开 度的大 小来调整受控对象 ， 这样 ， 就使 得能量 以风 门、 挡板 的节流损失消耗掉 了。统计资料显示 ， 在工业生产 中， 风机的风门、 挡板相关设备的节流损失以及维 护、 维修费用占到生产成本的7 ％ 一 2 5 ％。这不仅 造成大量的能源浪费和设备损耗， 而且控制精度受 到限制 ， 直接影响产 品质量和生产效率 。一旦除尘 风机不能正常运行， 不但影响生产 ， 造成巨大的经济 损失 ， 还有可能威胁到现场生产人员的人身安全。 为满足节能和环保要求 ， 要求风机在整个炼钢 工作周期内变速运行， 即吹氧时高速运行 ， 不吹氧时 低速运行； 另外， 考虑调速系统工作的环境 比较恶 劣， 可采用高压变频器。变频调速可使风机工作状 态调整到准确的工艺要求工况， 可以节电、 节约冷却 水、 降低生产成本， 为企业带来较大的经济效益。在 转炉煤气回收上还可增加煤气回收量， 提高能源利 用率 ， 达到系统高效运行 的目的。 3 ． 2 ． 1 控制要求转炉在冶炼时煤气风机高速运行 ， 转速大约为 2 9 0 0 r ／ mi n ； 在兑铁水和出钢过程中， 为 节约电能煤气风机低速运行 ， 转速 为 8 0 01 0 0 0 r ／ m i n 。风机采用变频调速控制后， 操作人员可以通过 调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转 速， 操作十分简易方便。变频器的运行控制方式选 择 ， 可依据风机在低速运行时 ， 阻转矩很小 ， 不存在 低频时带不动负载的问题 ， 故采用 U ／ f 控制方式 即 可。并且 ， 从节 能的角度 考虑 ， U ／ f 线 可选最低 的。 现在许多生产厂家都生产有廉价的风机专用变频 器 ， 可 以选择使用。 3 ． 2 ． 2 风机变频调速系统的电气原理 图 第 5期 S i c h u a n Me t a l l u r g y AC． U V W AC． 22 0 r N _ E 兰h K A2 KT I S B 3 I 一 下 I S Bl ＼ 1 s ；l S FU 坶哺 SB2 l 、LIT插 亦蓝 l ．r-i一 E E＼ ，E 山一 [ 韩 I HLI 司 J r KA l KM 3 KM 2KM l KT KA2 图4 风机变频调速系统的电气原理 3 ． 2 ． 3 控制过程 为便于对风机进行 “ 变频运行” 和“ 工频运行 ” 的切换 ， 控制电路采用转换开关 S A进行选择。 当S A合至“ 工频运行” 位置时， 按下起动按钮 S B 2 ， 电动机进人工频运行状态 。按下停止接钮 S B 1 电动机停止运行。 当S A合至“ 变频运行” 位置时， 按下起动按钮 S B 2 ， 将 电动机 接至变频器 的输 出端。将工 频电源 接至变频器的输入端， 并允许电动机起动。按下按 钮 S B 4 ， 电动机开始加速， 进入“ 变频运行” 状态。 在变频运行 中， 如果变频器因故障而跳闸 ， 则变 频器的保护继电器触点动作 ， 切断了变频器与电源 之间 ， 以及变频器与电动机 之间的连接。同时接通 报警扬声 器 H A和报 警 灯 H L进 行声 光报警 。同 时， 时间继电器 K T得电， 其延时动合触点延时一段 时间后闭合 ， 电动机进人工频运行状态 。 3 ． 3 变频技 术 应 用于 电孤 炉除 尘 系统 电弧炉 简称电炉 ， 电炉炼钢时产生的有害物 污染主要体现在 电炉加料、 冶炼、 出钢三个阶段。电 炉冶炼一般分为熔化期、 氧化期和还原期 ， 其中氧化 期强化脱炭， 由于吹氧或加矿石而产生大量赤褐色 浓烟， 含尘浓度和烟气温度很高。因此， 电炉除尘系 统按照氧化期的最大烟尘排量进行设计。在系统采 用变频技术， 由变频器启停设备， 实现除尘风机的转 速和风量控制。 4 结束语 目前在钢铁冶金行业 ， 变频器基于 R S一 4 8 5网 络的多机控制 ， 与计算机和 P L C联网组成复杂的控 制系统这一方面越来越受到关注 ， 从而加快生产速 度、 降低能耗， 实现优质高产。总之， 变频调速是最 有发展前途的交流调速方式， 变频技术以其优良的 调速性能、 显著 的节 电效果、 广泛的适用性成为电气 传动发展的主流。 参考文献 [ 1 ] 唐伟， 刘冲， 张讯． 变频调速技术在水平连铸机拉坯辊速度控 制中的应用[ J ] 电气应用， 2 0 0 5 ， 2 4 7． [ 2 ] 周晓锋． 大功率轧机控制系统的分析与研究[ J ] ． 冶金丛刊， 2 0 1 0， 4． [ 3 ] 韩安荣． 通用变频器及其应用[ M] ． 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 邓星钟． 机电传动控制[ M] ． 华中科技大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 王廷才、 王伟． 变频器原理及应用 [ M] ． 机械工业出版社， 2 0 0 5． [ 6 ] 刘光源． 机床电气设备 的维修 [ M] ．机械工业出版社 ， 2 0 1 0 ．