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变频控制技术在钢铁冶金行业的应用实践

陈勇

(四川机电职业技术学院电子电气工程系，四川 攀枝花 617064)

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

1 引言

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—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;另外一方面是为了环保节能的需要。

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［1］

交流变频拉坯辊速度控制系统如图1所示。

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1:10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0.02%。

2．2 大功率轧钢机控制［2］

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PLC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PLC控制原理［3］如图2所示。

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，PLC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PLC控制变频器的正、反端子进行起动、停止和方向控制，用PLC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，PLC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PLC，作为变频器无条件换向信号。摆动速度为每分钟2m，高速时为8m。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。

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50Hz，变频器由0Hz开始提速，开启抱闸，直到50Hz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20Hz运行，直至料车快到达炉顶，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 Hz 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2Hz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SQ1和SQ2，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P1，可以通过改变供电频率，在不同转速n1、n2、n3、……条件下供出不同流量Q1、Q2、Q3……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%－25%。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2900r/min;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800～1000r/min。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

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SA进行选择。当SA合至“工频运行”位置时，按下起动按钮SB2，电动机进入工频运行状态。按下停止接钮SB1电动机停止运行。

当SA合至“变频运行”位置时，按下起动按钮SB2，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SB4，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HA和报警灯HL进行声光报警。同时，时间继电器KT得电，其延时动合触点延时一段时间后闭合，电动机进入工频运行状态。

3．3 变频技术应用于电弧炉除尘系统

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RS－485网络的多机控制，与计算机和PLC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，2005，(24)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，2010，4．

［3］   韩安荣．通用变频器及其应用［M］．机械工业出版社，2000．

［4］   邓星钟．机电传动控制［M］．华中科技大学出版社，2002．

［5］   王廷才、王伟．变频器原理及应用［M］．机械工业出版社，2005．

［6］   刘光源．机床电气设备的维修［M］．机械工业出版社，2010．