高炉主卷扬变频控制系统设计

高炉主卷扬变频控制系统设计

0主提升式传动转速控制路桥系统是研磨工艺的重要设备。主要用于将所需的各种原材料不断送到车间，以确保车间的正常铁量需求。整个路桥系统的核心是主缸式加热设备。早期的传动调速控制多采用直流电机调速或绕线异步电机串电阻、串级等调速控制方式,效率低,可靠性差,用交流变频替代上述调速方式,可获得理想效果。本文结合河南安阳永兴钢铁有限公司新建的两座450m3高炉,介绍高炉主卷扬上料设备及变频系统的配置、变频控制系统的控制功能,对主卷扬变频控制系统设计及系统运行过程中遇到的相关问题进行了分析讨论。1系统配置1.1推动器、实验装置1#,2#高炉设计炉容均为450m3,采用双料车交替上料,配套上料系统设备情况为:主卷扬电动机YTSP400L-10交流异步变频专用电动机,三相380V220kW,10极,Ie=475A,ne=590r/min,50Hz,防护等级IP54,工作制S1。抱闸制动器ED231/6电力液压推动器(2台),三相220/380V,△/Y接法,功率380W,额定推力300N,行程60mm。主卷扬减速机IRC750三齿环减速器,减速比i=1∶25.7,许用扭矩17300N·m。上料小车共2台,单台容积5.5m3,罐体重量9.76t。斜桥轨道总长64.3m,其中料坑段轨道长10.2m,倾角60°,料坑以上轨道长54.1m,倾角为54°36′57″。1.2主卷扬交流变奏系统每座高炉主卷扬成套变频系统共有4台控制柜,GGD柜型:2台主卷扬变频柜,1台主卷扬变频切换柜,另有炉顶溜槽倾动、旋转变频柜1台。主卷扬电机配套2台变频柜,一用一备,通过切换柜切换。变频器均采用日本三菱公司产品,型号为FR-A540L-280K;功率280kW;额定电流547A;过载能力150%,60s。每台变频器配置三菱UFS-110制动单元3台,每台制动单元配套RX21-2000W/27.2被漆波纹制动电阻4只,并联连接,每台变频器共配制动电阻12只,整套变频系统共配制动电阻24只,因散热问题及变频柜尺寸限制,制动电阻均安装在切换柜内。炉顶溜槽旋转电机配套日本三菱公司FR-A540-11K变频器1台,并配制动单元UFS-151只和制动电阻RX21-1200W/401只。炉顶溜槽倾动电机配套日本三菱公司FR-A540-3.7K变频器1台,内置制动单元,并配制动电阻RX21-1200W/401只。成套变频柜预留相应外接PLC和主令控制接线端子排,联络柜设有主卷扬抱闸控制回路。主卷扬变频系统主控原理如图1所示。2台变频器一用一备(互为备用),通过选择开关切换。2合理的三级速度控制主卷扬变频控制系统具有自动、手动和点动三种操作方式。自动操作方式主要通过总控PLC自动控制上料。手动操作方式主要用于设备调试、自动系统故障、变频器故障时使用。点动操作方式专为检修、极限调试和紧钢绳时使用。为提高系统可靠性,主卷扬变频柜设有两台,一用一备,通过主卷扬切换柜实现切换。主卷扬料车设高、中、低三级速度控制。由变频器多段转速设定,满足技术、生产工艺对上料时间的要求,低、中、高速分别设为15,30,50Hz。变频器加速模式按双S型设定,以保证料车出料坑时低速运行,出料坑后尽快平稳达到高速,到达炉顶前快速平稳减至低速,确保准确停车,提高料车运行的安全性。为防止打开抱闸器瞬间料车溜车,机械抱闸器打开时变频器输出了足够的提升转距,由变频器输出频率检测信号控制抱闸器打开,设定检测频率为2.6Hz。为提高变频器低频时的输出转矩,设定转矩提升为3.1%。用主令控制器实现主卷扬料车加减速及行程极限控制,主卷扬左右料车行程极限均分为上极限、下极限、超速极限、减速极限等。系统还设有过流、过载、松绳、超极等多种保护功能,一旦系统保护,变频停机,同时抱闸电机失电紧急抱闸。变频器外配有制动单元、制动电阻结合机械抱闸,实现准确停车。控制系统还设有料车超速和溜车保护,当料车速度超过设定速度时自动抱闸停车,料车上行或停车时出现溜车,系统自动控制变频器停机,同时制动器抱闸停车并报警提示。3料车输送及运行工艺高炉主卷扬是高炉上料系统的心脏,冶炼原料通过主卷扬料车输送至炉缸内,它的稳定运行直接关系到高炉的正常生产。现就其变频控制系统设计、运行过程中相关问题进行分析。3.1提高制造企业的运行能力,保证高炉上料卷扬系统的特点是主卷电动机工作频繁,负荷重,启动转矩要求高,要有足够的提升、运载能力,上料量及上料速度要满足高炉强化生产的要求,所以变频选型时首先要注重可靠性。变频器设计转矩计算比较复杂,实际选用时多以经验选型,变频器容量应比卷扬电机容量大1~2挡。3.2安全隐患变频器故障时不应当自动复位,因为故障原因可能依然存在,如自动复位继续运行,会存在安全隐患。这时应将控制模式切换至手动模式,再进行变频复位,必要时先检查故障原因。本系统早期运行采用自动复位,由于料车起动时变频器频繁“故障→复位→运行”,使机械抱闸器频繁打开、关闭,造成重料车剧烈抖动“溜车”、空料车挂车等事故。3.3制动单元的选择问题在双料车卷扬上料系统上料运行时,变频器均工作在第1象限,在料车定位停车时,除采用机械抱闸制动外,还要求变频器实现能耗制动,防止变频器制动停车时直流母线泵升电压过高报警甚至损坏变频器。经验表明,虽然通常情况下制动能量不大,但还要按照重载频繁运行工况选配制动单元和制动电阻,因为在实际操作中或设备调试时很有可能会出现操作失误,出现重料车或单料车向下运行的情况,一般的速度反馈监测及预防飞车措施不能防止此类情况发生,此时变频器工作在第2象限,很大的回馈能量须由制动电阻消耗掉。在1#高炉卷扬设备调试时曾出现单料车高速向下运行的情况,所幸变频在受控状态下运行,未出现失控飞车的事故。3.4实行fr-a540变压器冲击电流图2为2#高炉主卷扬变频器运行时频率和输出电流变化曲线(该电流曲线是根据变频器面板观察到的电流值绘制的),谷峰电流出现在一段加速即将结束时(约5.5s),均不超过变频器额定电流。曲线上的峰值电流并不是变频器输出的最大电流,变频器最大电流值出现在料车起动瞬间,该电流就是变频系统起动冲击电流。三菱FR-A540变频器具有显示最大电流功能(参数Pr.56=11),通过统计计算,系统运行时变频器输出的最大电流即冲击电流约为额定电流的165%~175%,与上料重量关系不大。变频处于运行电流监视模式时,观察不到该最大电流。3.5抱闸源点控制河南信阳钢铁公司炼铁厂380m3高炉主卷扬变频柜采用继电控制回路,变频柜内部及变频柜与总控PLC系统存在较多的信号转换及联锁,实际运行时曾因控制抱闸接触器的中间继电器辅助触点被卡而造成料车“飞车”的严重事故。因此永兴新建的高炉上料变频柜控制系统本身采用了一套西门子LOGO完成基本的联锁及控制,减少了原继电控制回路的继电器等分离元件及总控PLC与变频柜之间的连线,使上料变频柜自成一个小系统,提高了整个系统的可靠性,同时也便于设备单独调试运行。4防止东南角熔喷料车停车抱闸事故料车飞车失控是高炉卷扬上料系统最严重的故障之一,造成料车飞车的原因是控制系统失控和机械设备故障。早期的主卷扬设备制动抱闸电源一般直接取自主卷电机定子绕组,电机得电,产生力矩后抱闸器得电打开,若电机失电则抱闸随之失电制动。但在使用变频器时抱闸电机电源必须取自变频器输入电源端(电源母线),这样就可能存在料车上料过程中或在轨道中途再起动时系统出现故障须停机,但由于种种原因抱闸控制电路不能失电抱闸(上述“飞车”事故就是由于中间继电器辅助触点被卡而造成的),料车将在重力作用下失控飞车下滑。文献提出了电压检测法防止飞车情况,即在电动机的轴端加装一个测速发电机,与主卷扬电动机同步旋转,当装满料的料车失控下滑时,由于速度较正常运行快得多,测速发电机这时产生的电压会突然升高,PLC会检测到该异常高电压信号时便发出指令停止变频器运行,液压制动器刹车,防止料车继续下滑。文献是采用速度闭环控制方式,速度反馈采用旋转编码器,脉冲信号送给变频器,通过总线与PLC联网,一旦出现飞车失控的现象,测速装置就会向系统发出真实的速度信号,PLC马上发出停车抱闸的指令。以上两种方法均是使用连接到主卷扬电机的测速电机或旋转编码器作为反馈信号,接线及测试相对复杂。本系统采用了回馈电流检测的方法预防飞车事故,具体电路如图3所示,电流变送器PTA检测变频制动回路中的回馈电流,并将此信号转换成0~10VDC信号送可编程控制器LOGO。在正常上料状态下变频器工作在电动状态,无回馈电流,只有在定位停机时才有制动回馈电流,该回馈电流较小且时间短,当电流变送器PTA检测到异常信号时LOGO便输出信号使变频停机,机械抱闸停车并报警。5控制板运行情况河南安阳永兴钢铁有限公司新建2座450m3高炉主卷扬上料