液压泵驱动电机跳电分析.pdf

2 山西冶金 S HANXI ME T AL L U RGY T o t a l 1 3 1 No ． 3，2 011 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 1 0 3 0 0 6 1 0 4 液压泵驱动电机跳电分析 孙平超李长胜陈征宇 宁毅 武汉钢铁集团设备维修总厂， 湖北武汉4 3 0 0 8 0 摘要 针对武钢高炉炉前液压系统液压站主电机启动频繁跳电的故障现象， 对所选用电机的启动特性和电路 控制方式进行了分析， 对所选用液压泵的性能和泵源液压系统也进行了分析。根据分析的结果对电路保护装置 和泵源液压系统进行了改进， 从而提高了泵站启动的稳定性， 消除了影响高炉生产的隐患。 关键词 电机直接起动恒压 变量泵转矩改进 中图分类号 T M3 0 7 ． 1 文献标 识码 A 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 5 高炉炉前液压系统主要为炉前泥炮 、 开 口机 、 揭 盖机等炉前大型关键液压设备提供液压动力 ，驱动 这些设备的运转。炉前液压系统压力的建立是靠步 进电机驱动恒压变量泵来实现的 ，对恒压变量泵的 基本要求是能够持续稳定地为整个液压系统提供 足够的压力与流量 ； 可以满足频繁起动的要求 ； 具有 全面的电路、 液压保护措施 ， 能够保证安全运行。 1 炉前液压系统液压站主泵泵源的组成 由3 台德国R E X RO T H 公 司生产的型号为 A 4 V S O1 2 5 D R ／ 2 2 R P P B 1 3 N 0 0的 恒压变量柱塞泵提供主压油 ，流量为 1 8 0 L ／ m i n ， 额 定压力为 2 9 MP a ， 最大输 出压力为 3 1 5 b a r 。正常工 作 时 2台使 用 ， 1台备 用 ；每 台 主 泵 均 由 电 机 Y 2 3 1 5 S 一 4 一 B 3 5 ， 1 1 0 k W； 3 8 0 V ／ 5 0 Hz ， 1 5 0 0 r ／ m i n 驱动。泵出口设有溢流阀， 防止系统过压 ， 设置压力 为 3 0 0 b ar。 2 炉前液压 系统主泵泵源的工作状况分析 在机旁控制箱和操作室集中控制盘 } 二 都设有启 动开关和备用泵选择开关 ，当将 1台泵选作备用泵 时 ， 其他 2台泵作为工作泵。 可用数字顺序的方法确 定哪两台泵作为工作泵 ， 也就是说 ， 如果 2号泵是备 用泵 ， 那末 ， 第一起动 的泵就是 1号泵 ， 第二起动泵 是 3号泵。 泵的启动采用 自动控制方式 ， 即在炉前机 旁控制箱或操作室集中控制盘． 选择好备用泵并按 下启动开关时，泵组将按照数字顺序的方法依次启 动 ，后一台泵的启动时间与前一台泵的启动时间相 差 2 s ；根据流量及压力的需要 ，当系统压力低 于 第一作者简介 孙平超 1 9 8 4 一 ， 男， 武汉钢铁集团设备 维修总厂炼铁工区助理工程师。T e l 1 5 8 2 7 2 0 7 2 0 5 ． E m a i l s u n 1 2 3 g o o d C o a h o o ． c o rn． c a 2 7 0 b ar P S L H 9 2 1 6发信号 时 ， 备用泵也必须依 次启动。 实际工作 中定期选定备用泵作为工作泵 ， 以 便检查其工作情况 ，并使每 台主泵的工作小时数大 致相 同。 3 泵站跳电危害及原因 3 ． 1 泵站跳电的危害 在投产初期 ， 按照操作规程 ， 在出完铁水泥炮堵 口之后 ， 应及时手动停止炉前液压系统 ， 即停止炉前 液压系统泵源部分。这样做的 目的主要是考虑到炉 前 的环境 因素及泵源连续运行都将产生大量热量 ， 将直接造成系统液压油温度升高； 同时， 使主泵工作 时间大幅增加， 降低其使用寿命。 但是， 投产后， 在启 动液压系统时， 常常出现第一台主泵启动后 ， 第二 台 主泵刚刚准备启 动时 ，泵源主泵驱动电机的断路器 突然跳电， 造成整个液压系统无法动作， 被迫使铁口 前各项工作停止 ， 若未及时送 电， 会直接影响开 口机 或液压炮的运行 ， 造成重大生产事故。 3 ． 2 故障的原因分析 结合工艺要求进行分析 ， 当出现下列情况时 ， 每 台泵都可以 自动或以手动方式立即停止 油箱油位 的接点 “ 油位低低”、 “ 油温低低”或 “ 油温高高” 信 号之一显示 时； 吸油 阀的行程开关 Z S H 9 2 1 1 没 有信号 该连锁必须用硬线连接 时 ； 在备用泵起动 延时后， 主油管内的 “ 油压低低” 信号显示时； 在机 旁控制盘上的事故停止信号启动时； 有电气故障时； 删除电路保护作用时。 在进行认真排查之后 ， 发现是接在电机 的二级 断路器和主电路的一级断路器断开导致电机跳电。 4 泵站主泵电路的分析 该处使用电机为直接起动 武钢铁厂有独立变 山西冶金 E - ma i h y e j i n s x 1 2 6 ． c o rn 第 3 4卷 压器 ， 可满足其直接启动条件 。直接启动时直接给 电机加额定 电压 ， 启动速度快 ， 但是启动电流过大。 我们知道， 电机刚启动时， 由于旋转磁场对静止的转 子有着很大的相对转速，磁通切割转子导条的速度 很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转 子电流都很大， 转子电流增大 ， 定子电流必然增大。 电机控制方式如图 1 所示 ， 电机启动前 ， K T I O 、 K M1 0 、 Q l O 将本身状态信号传递给 P L C ， P L C判断 K M1 0 、 K T 1 0 、 Q l O 是否符合起动条件。Q l O闭合， 电 机起动 ， 当电机 电流过大 ， K T I O闭合信号输入 P L C， P L C输 出信号让 K M1 0关闭 ， 电机跳 电。其 中 K T I O 为热保护， K MI O 为热保护开关， Q l O为电机开关。 图 1 电机控制电气控制图 4 ． 1 断路器的选用分析 通过查阅 电机样 本 ， Y 2 ⋯ 3 1 5 S 4 B 3 5 ， 1 1 0 k W， 3 8 0 V ／ 5 0 H z ， 1 5 0 0 d m i n电机 的额定电流为 2 0 1 A， 堵转电流是额定 电流的 6 ． 9倍 ，则该 型电机堵转电 流为 1 3 8 6 ． 9 A， 按照要求 ， 断路器额定电流 ≥电动 机起动 电流 ， 2 ． 5[ ，则 断路器额定 电流不能低于 5 5 4 ． 7 6 A， 该处二级断路器 K T I O 选用额定 电流为 6 3 0 A的断路器符合要求。 电机的启动电流对线路是有影响的。过大的启 动 电流在短 时间内会在 线路上造成较大的 电压降 落， 使得负载端的电压降低， 影响临近负载的正常工 作。按照工艺要求 ， 液压站内循环泵、 控制泵都处于 工作状态， 并且 3台主泵为 2台运行 1 台备用， 2台 使用的主泵启动时间差为2 s ， 则当第二台主泵启动 时产生的启动电流对循环泵 、控制泵和第一 台主泵 产生压降，使得电流增大，此时线路上的电流为 2 ． 52 0 1 A 2 0 1 A 1 0 0 A 8 0 3 A，此处 1 0 0 A是 主 电路其他电气电流总值。当系统压力低于 2 7 0 b a r 、 第三台泵也启动时电流会变得更大， 8 0 0 A的断路 器是不适用的。 但是以上的分析和改进并没有解决单台电机启动 电流过大的问题， 需要对液压泵进行进一步的分析。 4 ． 2 泵站主泵电机启动特性分析 电机在起动过程中的力矩平衡方程式可用下式 来表示 Mm M Mk Md - Mj 。 帆 1 式 中 为电动机的电磁转矩 ； 为机组总阻力矩 ； 为机组损耗转矩 ； 。 为机组起动时的静摩擦阻力 矩 ； Mf 为液压泵转子起动过程的转矩 ； Mk 为机组转 子的加速惯性转矩。 式 1 可以用图 2表示 ， 图中 是电动机起动 转矩， 是电机最大转矩， t 为时间， n为转速。机组 在起动前是静止的，起动瞬间要克服机组转子的摩 擦阻力矩才能使液压泵转动起来， 并逐渐加速， 所以 要求 。 起动后如果电动机电磁转矩 大于机 组总阻力转矩 ， 就能把剩余转矩传给转子， 使其加速 旋转 ， 故 帆 又称为加速惯性转矩_ 4 】 。 ， ． 一 _ ＼ 一 l M ，m ／ 。／ i ＼ ／ ／ t ＼ ，一／ I I 一 一 ． _ ／ 1 ／ f 、 ．．一 j ／ “ r 、 ≯～． ， ． ⋯一 一 ， ／ 、＼_／ M、 ， _ _ ／ 。 二羔 三 三 _ _ l _～ 1一 O一 ⋯一 一 一t 图 2 启动过程各种转矩示 意图 电机启动时电流的变化情况可以由图 3 见下 页 直观表现出来 ， 图 3中 t 为时间 ， n为转速 ， ， 为 电流。结合图 2 与图 3 ， 我们也可以看出， 电机起动 最大电流是不受 电机所带负载的力矩大小影响 的， 其大小是由电机本身结构所决定的，但是启动过程 中的电流大小与负载力矩有关 ， 由式 1 我们可以 知道， 负载力矩大， 则加速惯性转矩就小， 则电机的 速度增加就慢 ， 电机处于低速转动时间就长， 即电机 处于较高电流状态时间就长。电流短时间超过断路 器额定 电流 ， 断路器不会断开 ； 但是电流长时间超过 2 0 1 1 年第 3 期 孙平超， 等 液压泵驱动电机跳电分析 O 0。。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一t 图 3 启动电流示意图 断路器额定电流时， 断路器就会断开。 泵站跳电正是由于负载转矩较大引起的。 5 泵站主泵及其所在泵源液压系统分析 S ． 1 主泵性能分析 该液压系统选用的恒压变量泵是一种高效、 节 能、 大功率的液压动力源， 恒压泵控系统不同于以往 的溢流阀控液压系统，其多余的压力油不从溢流阀 排出，而是通过减少泵流量输 出的方法满足系统要 求。 该处选用的 R E X R O T H公司的 A 4 V S O变量泵为 双作用变量缸恒压变量泵。 图 4为恒压变量泵的原理图 ，该变量泵是斜盘 式轴向柱塞泵，它是利用改变斜盘倾角来实现变量 的。恒压控制机构是由恒压控制阀 包括阀芯和阀 套 、 调压弹簧、 变量活塞和回位弹簧等组成。拄制 阀右端受调压弹簧的作用，而左端感受泵的出口压 力。 变量活塞是单作用的柱塞， 它推动斜盘减小角度。 而斜盘的回程 加大角度 是由回位弹簧实现的。变 量活塞的油室 由恒压控制阀控制 ，或与泵 的出口相 通， 或直接与泵的壳体腔 通回油口 相接通【 s -。 该泵虽然有 自 调节流量的功能，但是在启动到 平稳运转期间， 主泵是以最大流量工作， 由图5 不难 看出，该泵在没到设定压以前约 9 5 ％的压力范围内 都以全排量工作 ，当泵的出口压力逐步达到额定压 力后， 流量一压力调节功能才能开始发挥作用。 液压泵转动所需的驱动转矩为公式为 Mf 1 ． 5 9 V AP ／ l O O n 2 式 中 v 为泵每转排量 ； Ap为压力差 ； ．， 7 为机械液 压效率。 将式 2 代人式 1 ， 得到式 3 。 由式 3 可 知， 当泵压力差最大， 流量最大时也就是泵刚开始启 动时所需的转矩最大，反馈给电机的阻转力矩也最 大， 使得电机加速转矩最小。 Mk 一 1 ． 5 9 V AP ／ I O O r I 3 M5 S KI K 2 T P L M2 72 图 4 恒压变量泵 的原理 图 5 ． 2 泵源液压系统分析 在泵出 口设置有一个溢流阀 安全 阀的功用 ， 其设定的压力为 3 0 0 b a r ， 在泵未达到这个压力 时不 起作用， 泵刚转动时的转矩与其无关。 6 泵站改进 6 ． 1 断路器改进 将一级断路器更换为额定电流为 1 6 0 0 A的智 能型万能式断路器， 调整整定值为 1 2 0 0 A ， 以满足 整体实际需求。 6 ． 2 泵源液压系统改进 我们降低泵启动时的堵转转矩，可以使泵启动 时的压力为零 ， 则泵排量也为零 。 原来 在 泵 出 口设 有力 士 乐 溢 流 阀 型 号 D B 2 0 2 5 X ／ 3 5 0 ， 其作用为安全阀 ， 它的压力比 泵 出 口 压 力 高 5 ～ 1 0 b ar。 我 们 改 型 选 用 D B W2 0 一 A 2 5 2 ／ 3 5 0 6 E G 2 4 N 9 K 4型的电磁溢流 阀 ， 将主泵启动程序设定为主泵启动前 2 s ， 电磁溢流阀 得电开启准备泄压， 主泵开始运行至运转平稳期间， 主泵出 口处一直处 于溢流卸荷状态 ；主泵运行 8 s 6 4 山西冶金 E - ma i l y e j i n s x 1 2 6 ． c o rn 第 3 4卷 后电磁溢流 阀失电 ， 泵出 口压力 为零 ， 排量为零 ， 需 要的驱动转矩也就是反应给电机的堵转转矩非常 小， 只有泵转动摩擦阻力矩。 7 使用效果 经过以上改造后，炉前液压控制泵源主泵启动 时造成电气系统断路器跳电的故障得以彻底解决， 再未发生断路器跳电故障，使安全生产和维护工作 得到有力的保障。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械 I 业出版社， 2 0 0 2 黎启柏． 液压元件手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 秦曾煌 。 主编． 电工学 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 9 ． 徐松， 刘景植．大中型轴流泵配套电机选型探讨 [ J ] ． 中匡 I 农村 水利水电 ， 2 0 0 4 4 7 7 ． 许锦宗．恒压变量泵的恒压控制系统的动、 静态特性分析[ J ] ． 厦门水产学院学报， 1 9 9 1 2 5 6 ． 编辑 胡玉香 An a l y s i s o f Tr i p i n g o f Dr i v e M o t o r f o r Bl a s t Fu r n a c e S t o k e h o l e ’ S Hy d r a u l i c P u mp S UN P i n g c h a o LI Ch a n g s h e n g CHEN Zh e n g y u NI NG Yi E q u i p me n t S e r v i c e P l a n t ， Wu h a n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p ． ， Wu h a n 4 3 0 0 8 0 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r f r e q u e n t t r i p i n g o f ma i n mo t o r o f h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r a u l i c s t a t i o n o f b l a s t f u r n a c e i n W I S CO， s t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s e l e c t e d mo t o r a n d c i r c u i t c o n t r o l l i ng me t h o d we r e a na l y z e d ， t h e p r o p e r t i e s o f t h e s e l e c t e d hy d r a ul i c p u mp an d p ump h y d r a u l i c s y s t e m we r e an a l y z e d t o o ． An d a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f t h e an aly s i s ， c i r c u i t p r o t e c t i o n d e v i c e a n d p u mp h y d r a u l i c s y s t e ms h a v e b e e n i mp r o v e d ， S O a s t o i mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f p u mp s t a t i o n s t a r t i n g ， e l i mi n a t e p o t e n t i al e f f e c t s o f b l ast f u ma c e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s mo t o r ，di r e c t s t a r t ，c o n s t an t p r e s s u r e v a r i a bl e p u mp ，t o r q u e ，i mp r o v e 上接第5 4页 同等比例规格来计算 提高 0 ．6 5 ％， 1 2 m m四切 、 l 4 m m三切平均 日产达 2 9 0 0 t ／ d ， 小时产量提高 1 5 ． 8 ％。 参 考文献 [ 1 ] 赵松筠， 唐文林型钢孔型设计[ M] E 京 冶金工业出版社， 1 9 9 3 ． [ 2 ] [ 3 ] 左军， 刘勇， 张开华， 等． 汽车梁用热轧钢板减量化生产技术研 究 [ J ] ． 轧钢， 2 0 0 9 ， 2 6 4 l 5 一 l 7 ． 李曼云．， J 、 型型钢连轧生产工艺与设备[ M] ． j E 京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 4 ． 编辑 苗运平 Lo w- c o s t Ba r I nt e g r a t e d Pr o c e s s De v e l o pme n t a n d Pr o du c t i o n Pr a c t i c e W ANG Sh ao r o n g L a i w u I r o n and S t e e l G r o u p C o ． ， L t d ． ， L a i w u 2 7 1 1 2 6，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e v e l o p me n t o f L a i w u S t e e l B a r P l ant - f r e e p ass r o l l i n g t e c h n o l o g y a n d l o w t e mp e r a t u r e r o l l i n g ， mu l t i - p a s s a c c u mu l a t i o n o f l a r g e d e f o r ma t i o n ， t h e r o i l i n g fi n i s h i n g t e mp e r a t u r e r e d u c t i o n a s t h e e o r e t e c h n o l o g y a n d t h e s ma l l s i z e o f n e w mu l t i - s l i t r o l l i n g B ar p r o d u c t i o n l i n e s y s t e m i n t h e i n t e g r a t i o n o f a p p l i c a t i o n s ．T h e t e c h n o l o gy i mp r o v e s t h e o v e r a l l p e r f o rm a n c e o f p r o d u c t s ， r e d u c i n g c o n s u mp t i o n ， i n c r e ase e f fi c i e n c y a n d a c h i e v e c o s t - b ar p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s l o w - c o s t b ar， i n t e gra t i o n p r o c e s s ， f r e e p ass r o l l i n g ， r e d u c t i o n t e c h n o l o gy， mo r e s e g me n t a t i o n