變頻器在高爐上料料車中的應用

劉平凡

(長沙理工大電氣成套設備廠，湖南 長沙 410015)

0 引言

在合金冶煉生產中，對上料料車的控制是高爐上料系統控制的關鍵,根據生產工藝的要求,槽下料倉電子秤根據工藝配比備好不同重量的各種物料，根據高爐燃燒的情況，在需要上料時，能夠精準地將備好的物料運送到爐頂，以保證高爐的正常生產。如果上料料車的控制出現故障，將直接影響生產的正常進行。

根據卷揚機式上料料車的負載特性，采用臺達VFD-B變頻器以直接轉矩控制的方式來驅動電機，利用機械抱閘以及多段速度控制的方法對上料料車實現精確的定位控制，取得了滿意的控制效果，滿足了生產工藝的要求。

1 工藝要求

高爐的上料方式主要有采用斜橋料車上料和膠帶運輸機上料兩種。本次設計采用斜橋式料車上料方式，斜橋式料車主要由斜橋、卷揚機和料車三部分組成。卷揚機使用交流電動機來驅動，正反轉雙向控制，通過收放鋼絲繩，使料車在斜橋上面上行下行相互交替工作，實現料車上料和取料。為了滿足生產工藝要求，上料小車控制必須具備以下條件：

(1) 在重載情況下能夠頻繁啟動和停車。

(2) 能夠實現正、反雙向控制，實現料車上、下運行。

(3) 啟動轉矩要大，在重載時能做到平穩啟動。

(4) 能做到定位精確、穩定，防止料車沖頂和跌底。

(5) 能夠做到加速、減速平穩運行等。

(6) 一直維持大轉矩輸出，防止料車在啟動和停車時因重載下滑。

(7) 有足夠的制動力，特別是料車下行時，電機處于發電機狀態，一直往直流母線上送電，應防止直流電壓升高而導致變頻器損壞。

上料系統組成框圖如圖1所示。

圖1 上料系統組成框圖

2 系統設計

2.1 工作原理

料車接到送料命令后，變頻器啟動，同時選擇接通變頻器高速擋位，變頻器從0 Hz開始啟動，同時打開抱閘，料車以頻率為35 Hz對應的速度運行，當料車高速運行到減速位時，減速位行程開關接通，斷開變頻器高速擋位，接通變頻器低速擋位，料車以頻率為15 Hz對應的速度運行，運行到停止位時，停止位行程開關接通，斷開控制回路，變頻器停止，電機自由停車，當頻率下降到8 Hz時，由變頻器發出抱閘命令，關閉機械抱閘，抱死電機，料車上料完畢。料車下行同上料一樣。

料車的速度曲線如圖2所示。

圖2 料車的速度曲線

2.2 變頻器的選用

當前交流變頻調速系統流行的控制方式是矢量控制(VC)和直接轉矩控制(DTC)。

矢量控制(VC)實現的基本原理是：通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。直接轉矩控制(DTC)也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。在加減速或負載變化的動態過程中，可以獲得快速的轉矩響應。

工藝對料車控制的最主要要求是：在啟動或停車時，變頻器必須有足夠的轉矩輸出，拖住電機，防止料車向下滑行，因此在啟動時必須有很大轉矩。所以選用直接轉矩控制(DTC)方式，以獲得快速的轉矩響應。

本設計選用臺達VFD-B系列變頻器，它是新一代高功能無感測向量控制型變頻器，具有功能齊全、調速精度高、穩定性好及可應用范圍廣等特點，可廣泛應用于建筑、石化、冶金、鋼鐵、能源、電力、樓宇、環保等國民經濟各行各業。

VFD-B系列變頻器的電源、功率范圍如下：

0.75 kW～2.2 kW(單相230 V)；

0.75 kW～37 kW(三相230 V)；

0.75 kW～75 kW(三相460 V)。

其功能特點如下：①具有轉矩補償、轉差補償，啟動轉矩在1.0 Hz時可達到額定轉矩的150%；②采用正弦波SPWM方式(載波頻率1 kHz～15 kHz)/無傳感器矢量控制；③自動進行電機參數測算；④具有PG速度閉環精確速度控制(選件)；⑤內置RS485端口，Modbus協議支持；⑥內置PID調節器；⑦內置DC Reactor;⑧具有啟動速度追蹤模式，4段加減速切換。

因此，根據VFD-B系列變頻器的特點，其完全能夠滿足料車控制的要求。

變頻器在選型方面,還應注意以下幾個方面的問題：

(1) 因為負載是重載型負載，所以選擇變頻器的額定工作電流IN要大于電機工作時的最大工作電流IMmax，即IN>IMmax。變頻器容量應根據負載的實際電流選擇，即變頻器額定電流(即常規環境下的最大持續工作電流)大于電機額定電流即可；但是必須要考慮極限狀況的出現，因此變頻器的選型還需參考短時間的過載電流。變頻器過載電流曲線是一條反時限曲線，描述了過載電流和時間的關系。只有保證電機的電流曲線在變頻器的過載電流曲線之內，才是正確的選型。并且其必須具有無反饋矢量控制功能，使電動機在整個調速范圍內具有真正的恒轉矩功能，滿足負載特性要求。

(2) 制動問題。從料車的速度曲線可以看出，料車在減速或定位停車和料車下行時，應配備相對應的制動單元及制動電阻，這樣可以將電機在負載下降及制動過程中產生的反送給變頻器的電能通過制動電阻和制動單元消耗掉，使變頻器母線上的直流電壓保持在允許范圍內，避免損壞變頻器。

(3) 控制與保護。上料料車系統是合金生產中的重要環節，因此控制系統應保持絕對安全可靠。由于生產現場環境較為惡劣，因此，系統的故障檢測和診斷應完善。對于變頻器自身故障應由變頻器自身故障報警輸出點動作，故障發生時，故障繼電器常閉點斷開，從而斷開控制回路，機械抱閘立即抱閘，以防止料車的下滑。

變頻器控制原理圖如圖3所示。

圖3 變頻器控制原理圖

3 其他

(1) 為了保證系統的安全，防止料車沖頂，將上級限位行程開關直接接入變頻器進行急停，可有效防止料車沖頂的現象發生。

(2) 所有的檢測行程開關全部采用2個并聯使用，互為備用，防止一個行程開關檢測不好或損壞而導致系統誤操作，并可報警提示操作人員哪個行程開關有問題。

(3) 為了防止行程開關失靈導致上料小車在極限位置不能及時停車，在PLC程序上還設置了按照正常使用時上升和下降所需要的時間，超過設置好的時間，變頻器將停止輸出，并報警提示。

4 結束語

該控制系統已經應用于多個上料系統中，運行穩定可靠，操作簡單，未出現溜車和沖頂現象，保證了爐子的正常生產，提高了生產效率，改善了工人的勞動強度，完全滿足了高爐上料系統的要求。