变频器在高炉上料料车中的应用

刘平凡

(长沙理工大电气成套设备厂，湖南 长沙 410015)

0 引言

在合金冶炼生产中，对上料料车的控制是高炉上料系统控制的关键,根据生产工艺的要求,槽下料仓电子秤根据工艺配比备好不同重量的各种物料，根据高炉燃烧的情况，在需要上料时，能够精准地将备好的物料运送到炉顶，以保证高炉的正常生产。如果上料料车的控制出现故障，将直接影响生产的正常进行。

根据卷扬机式上料料车的负载特性，采用台达VFD-B变频器以直接转矩控制的方式来驱动电机，利用机械抱闸以及多段速度控制的方法对上料料车实现精确的定位控制，取得了满意的控制效果，满足了生产工艺的要求。

1 工艺要求

高炉的上料方式主要有采用斜桥料车上料和胶带运输机上料两种。本次设计采用斜桥式料车上料方式，斜桥式料车主要由斜桥、卷扬机和料车三部分组成。卷扬机使用交流电动机来驱动，正反转双向控制，通过收放钢丝绳，使料车在斜桥上面上行下行相互交替工作，实现料车上料和取料。为了满足生产工艺要求，上料小车控制必须具备以下条件：

(1) 在重载情况下能够频繁启动和停车。

(2) 能够实现正、反双向控制，实现料车上、下运行。

(3) 启动转矩要大，在重载时能做到平稳启动。

(4) 能做到定位精确、稳定，防止料车冲顶和跌底。

(5) 能够做到加速、减速平稳运行等。

(6) 一直维持大转矩输出，防止料车在启动和停车时因重载下滑。

(7) 有足够的制动力，特别是料车下行时，电机处于发电机状态，一直往直流母线上送电，应防止直流电压升高而导致变频器损坏。

上料系统组成框图如图1所示。

图1 上料系统组成框图

2 系统设计

2.1 工作原理

料车接到送料命令后，变频器启动，同时选择接通变频器高速挡位，变频器从0 Hz开始启动，同时打开抱闸，料车以频率为35 Hz对应的速度运行，当料车高速运行到减速位时，减速位行程开关接通，断开变频器高速挡位，接通变频器低速挡位，料车以频率为15 Hz对应的速度运行，运行到停止位时，停止位行程开关接通，断开控制回路，变频器停止，电机自由停车，当频率下降到8 Hz时，由变频器发出抱闸命令，关闭机械抱闸，抱死电机，料车上料完毕。料车下行同上料一样。

料车的速度曲线如图2所示。

图2 料车的速度曲线

2.2 变频器的选用

当前交流变频调速系统流行的控制方式是矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)。

矢量控制(VC)实现的基本原理是：通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。直接转矩控制(DTC)也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应。

工艺对料车控制的最主要要求是：在启动或停车时，变频器必须有足够的转矩输出，拖住电机，防止料车向下滑行，因此在启动时必须有很大转矩。所以选用直接转矩控制(DTC)方式，以获得快速的转矩响应。

本设计选用台达VFD-B系列变频器，它是新一代高功能无感测向量控制型变频器，具有功能齐全、调速精度高、稳定性好及可应用范围广等特点，可广泛应用于建筑、石化、冶金、钢铁、能源、电力、楼宇、环保等国民经济各行各业。

VFD-B系列变频器的电源、功率范围如下：

0.75 kW～2.2 kW(单相230 V)；

0.75 kW～37 kW(三相230 V)；

0.75 kW～75 kW(三相460 V)。

其功能特点如下：①具有转矩补偿、转差补偿，启动转矩在1.0 Hz时可达到额定转矩的150%；②采用正弦波SPWM方式(载波频率1 kHz～15 kHz)/无传感器矢量控制；③自动进行电机参数测算；④具有PG速度闭环精确速度控制(选件)；⑤内置RS485端口，Modbus协议支持；⑥内置PID调节器；⑦内置DC Reactor;⑧具有启动速度追踪模式，4段加减速切换。

因此，根据VFD-B系列变频器的特点，其完全能够满足料车控制的要求。

变频器在选型方面,还应注意以下几个方面的问题：

(1) 因为负载是重载型负载，所以选择变频器的额定工作电流IN要大于电机工作时的最大工作电流IMmax，即IN>IMmax。变频器容量应根据负载的实际电流选择，即变频器额定电流(即常规环境下的最大持续工作电流)大于电机额定电流即可；但是必须要考虑极限状况的出现，因此变频器的选型还需参考短时间的过载电流。变频器过载电流曲线是一条反时限曲线，描述了过载电流和时间的关系。只有保证电机的电流曲线在变频器的过载电流曲线之内，才是正确的选型。并且其必须具有无反馈矢量控制功能，使电动机在整个调速范围内具有真正的恒转矩功能，满足负载特性要求。

(2) 制动问题。从料车的速度曲线可以看出，料车在减速或定位停车和料车下行时，应配备相对应的制动单元及制动电阻，这样可以将电机在负载下降及制动过程中产生的反送给变频器的电能通过制动电阻和制动单元消耗掉，使变频器母线上的直流电压保持在允许范围内，避免损坏变频器。

(3) 控制与保护。上料料车系统是合金生产中的重要环节，因此控制系统应保持绝对安全可靠。由于生产现场环境较为恶劣，因此，系统的故障检测和诊断应完善。对于变频器自身故障应由变频器自身故障报警输出点动作，故障发生时，故障继电器常闭点断开，从而断开控制回路，机械抱闸立即抱闸，以防止料车的下滑。

变频器控制原理图如图3所示。

图3 变频器控制原理图

3 其他

(1) 为了保证系统的安全，防止料车冲顶，将上级限位行程开关直接接入变频器进行急停，可有效防止料车冲顶的现象发生。

(2) 所有的检测行程开关全部采用2个并联使用，互为备用，防止一个行程开关检测不好或损坏而导致系统误操作，并可报警提示操作人员哪个行程开关有问题。

(3) 为了防止行程开关失灵导致上料小车在极限位置不能及时停车，在PLC程序上还设置了按照正常使用时上升和下降所需要的时间，超过设置好的时间，变频器将停止输出，并报警提示。

4 结束语

该控制系统已经应用于多个上料系统中，运行稳定可靠，操作简单，未出现溜车和冲顶现象，保证了炉子的正常生产，提高了生产效率，改善了工人的劳动强度，完全满足了高炉上料系统的要求。