變頻器在連鑄機液壓剪機上的應用

周志敏

1 前言

連鑄機已經廣泛應用于鋼鐵冶金行業，剪機是連鑄機上的關鍵設備，它是把連續澆注的鋼坯剪成設定的定尺長度。二鋼軋總廠的4臺4機4流小方坯連鑄機使用的是液壓剪切方式，每流剪機使用一臺 Y315S-6，75 kW，Ie=142 A，cosφ=0.89 的三相交流異步電動機驅動液壓油泵。當需要剪切連鑄鋼坯時，通過液壓泵把液壓油輸送到油缸并產生壓力，推動柱塞向前運動，完成鋼坯的剪切工作。當完成上述工作后，液壓油再通過液壓泵抽出油缸，使油缸產生負壓，讓柱塞回到工作前的位置。油泵電機采用的是交流接觸器控制方式，在連續作業的全過程中，除上述兩個動作和系統壓力低于下限之外，液壓泵的電機均處于連續空轉用能狀態。

以二鋼軋總廠4#連鑄機為例，該連鑄機主要生產12.15 m長坯給棒材供料。正常拉速在2.5 m/min左右，每剪切一根鋼坯需要290 s左右時間。通過實際觀察，每次油泵充壓時間只需要38 s（一個剪切循環周期），隨著壓力升高，電流最大會到80 A以上，另有252 s的時間，電機處于空載運行狀態，此時電機工作電流仍有50 A，非生產性能耗十分嚴重。所以對油泵電機改變頻控制的目的就是盡可能地降低剪機非生產性能耗。

2 設計思路

為保證在剪機油泵電機改造過程中不影響連鑄機生產，并且當變頻器發生故障時，保證剪機正常運行，保留現有的接觸器控制部分，作為旁路系統。另設計一套變頻柜與原控制柜切換運行，在電磁站變頻器控制柜上用轉換開關進行控制方式選擇，并使用雙向刀開關進行工頻可變頻切換。主回路原理圖見圖1。

3 改造措施

原剪切控制程序不變，油泵電機控制程序修改如下：

3.1 電機選旁路控制程序

電機旁路控制程序圖見圖2。

3.2 電機選變頻控制程序

變頻控制程序圖見圖3。

3.3 變頻器頻率控制程序

變頻頻率控制程序圖見圖4。

4 改造方案

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電源。現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

圖1 主回路原理圖

圖2 電機旁路控制程序圖

圖3 變頻控制程序圖

圖4 變頻頻率控制程序圖

本次改造我們選用的是高性能矢量變頻器，該變頻器頻率使用4～20 mA模擬量控制。當變頻控制柜上的轉換開關轉到“變頻”位置時，操作工在操作臺上啟動剪機油泵，此時系統壓力處在下限，PLC輸出20 mA電流給變頻器，由0 Hz上升到50 Hz滿壓起動，電機工作電流最高可達到80 A以上，與工頻時相同。當系統壓力加載到上限時，PLC輸出7.2 mA電流給變頻器，變頻器輸出頻率由50 Hz減小到10 Hz，電機處于準備工作狀態，此時工作電流僅為4 A。

生產后通過采集拉矯機拉坯速度得到鋼坯的運行距離，當鋼坯長度到11 m時，PLC輸出20 mA電流給變頻器，變頻器頻率由10 Hz增加到50 Hz，此加速過程一般為12 s，電機工作電流為50 A；當鋼坯運行到12 m定尺位時，剪機剪切，這時的電機工作電流和工頻時相同。剪切完畢，“剪切”和“剪切返回”電磁閥全部失電，此時PLC輸出7.2 mA電流給變頻器，變頻器輸出頻率由50 Hz減小到10 Hz，電機電流也降低到4 A。如此反復循環達到節電的目的。電機運行工況示意圖見圖5。

5 經濟效益、節能估算

當剪機在剪切或系統壓力處于下限時，電機控制在50 Hz運行。當剪切完畢系統壓力保持在上限時，將電機控制在10 Hz運行。通過調試和試運行，取得了不錯的效果，見表1。

表1 改造前后運行工況對照表

通過比對圖表可以看出，以一個剪切周期為290 s計算，工頻或變頻運行，充壓時電機工作電流和時間基本相同，即所消耗的能量也基本相同，確保了大剪的正常運行。在工頻運行時空載電流在50 A，運行時間252 s。在變頻運行時，通過變頻器將頻率由50 Hz調至10 Hz運行，使得空載電流在4 A，運行時間240 s，大大降低了空載能量的消耗。

5.1 系統節電計算

（1）原系統耗電情況：

剪機充液剪切時耗電為：

圖5 電機運行工況示意圖

剪機充壓時，隨著壓力升高，電流逐漸增大，最大會到80 A以上。我們按照70 A計算，時間為38 s：

（2）剪機等待時耗電為：

剪機等待時工作電流為50 A，時間為252 s：

5.2 改造后系統耗電情況

（1）剪機充壓時耗電和改造前相同：

（2）剪機等待時耗電：

剪機等待時電機工作電流分為兩個過程，空載運行4 A，間為240 s；準備剪切50 A,時間為12 s：

因此改造后每剪切一支鋼坯可節約能耗為：

以4#連鑄機單流班產90支長坯計算，每天可節電：

單流年節約（年開動率80%）：

改造后一臺連鑄機年節約近60萬kW·h電，因此所節約的電耗是相當的可觀。同時通過對現場電機的運行狀況觀察，電機運行時的噪音、振動、溫升都有了一定的降低，并有效減緩油泵在加載時的沖擊。

6 結論

綜上所述，變頻器在連鑄機液壓剪機剪切過程中的節能應用是切實可行的。同時根據市場變頻調速器價格及節約效率可知，連鑄機液壓剪電機系統采用變頻器能夠取得良好的經濟效益，可以作為連鑄機節能改造的重點發展方向進行推廣應用。

[參考文獻]

[1]馬新華，李娟，桑建國.變頻調速在水泵節能技術中的應用研究[J]. 排灌機械，2006（01）.