1 引言
高爐上料主卷揚系統是煉鐵廠最主要的原料輸送設備，目前，國內大多數高爐采用卷揚料車上料，中小型高爐又多采用雙車上料方式，即二部料車用鋼絲繩卷繞于同一卷筒上，重車上升與輕車下降同時進行，當下部料車裝料后，按工藝指令開動卷揚機，使料車沿斜軌上升，當到達爐頂相應位置時，減速停止并翻料入爐，此時另一料車正下降停止。在料車啟動運行過程中，速度由慢到快，然后勻速運行，接近爐頂時再由快到慢直到停止，期間為準確啟停車和防止溜車，應在適當位置發出信號，改變速度，控制抱閘打開或閉合等，以保證料車安全運行。其速度運行區段如圖1所示。如某高爐料車一全程區段時間約50s，各廠高爐工況不同，情況不盡相同，甚至有些還分為多段加速。
圖1 高爐卷揚車速度區段圖
高爐主卷揚電力拖動系統有三種主流方案，即繞線異步電機串電阻調速、直流調速和異步電機變頻調速方案。那么，為什么在各種調速方案中，以上三種成為主選，曾經和正在生產中發揮了重要作用呢？這要從它的工藝特點和負載特性說起。
2 高爐主卷揚的負載特性和控制要求
高爐上料的工藝要求，決定了負載特性的以下特點:
(1) 負載較重，需較大的起動力矩和足夠的提升運載能力，為典型的重載或重輕載力矩特性;
(2) 可調變速，工作于基速以下，不需弱磁于恒功率段，運行穩定而精度要求一般;
(3) 此外，電氣系統對于控制可靠，停位準確，各種保護措施的完善等方面，都有嚴格要求等。
如此究竟哪些系統能滿足上述要求呢？就控制對象來說，特性導引取向，應用決定選型，這個問題，直接牽扯到各種電機的工作方式和運行特性，以及何種方式更適合上述負載的特點，順藤摸瓜，分析比較，就能得出選型的原因，試分析討論。
3 交直流電機的機械特性簡介
由電機學知，三相交流電機的轉速表達式為:
交流異步電機的自然機械特性，可參見圖2(a)中上部較平直曲線。式(1)為速度的轉差率表達式，式(2)為功率表達式，式(3)為轉矩表達式，異步電機的機械特性，為非線性曲線，與電壓、電流、阻抗、頻率、時間等參數有關，其動態表達式更是與轉動慣量、電磁機電常數及變量的變化率有關，比較復雜，此僅表示基本函數關系。由式(1)~(3)初步可知，可通過改變同步速度或轉差率兩種方式實現調速，第一種方式較少改變曲線平直即硬度，只移動速度的高點，效率較高，方法為調節頻率f(并結合調電磁功率以保持磁通恒定)，這就是通常所說的變頻調速，或在繞線電機轉子回路串入功率變換器即附加電動勢，如附加電動勢大于零，則將轉差功率回饋電網，這就是所說的低于同步轉速的串激調速，如附加電勢小于零，則是從電網吸取能量注入轉子回路，使得轉差小于零，此時轉速高于同步轉速，稱為超同步串激調速，總之，這種轉差功率損耗為零，即不會使特性變軟，這即是繞線電機的串激或雙饋調速;反之，第二種方式如轉子串電阻或定子降壓及電磁滑差調速，都將造成轉差損耗，轉差率加大，特性曲線下斜變軟。以下，將在方案討論中再作分析。
圖2 電動機調速系統機械特性曲線
直流電機的機械特性曲線如圖2(b)所示，其機械特性方程式如下:
(4)
式中: ce—電磁時間常數; cm—機電時間常數;
ｍ—轉矩; rs—電樞電阻; rf—附加電阻。
根據方程式，調速方式也有兩類三種，即電樞調壓(基速下調)、弱磁(基速上調)，電樞串電阻，增加轉速降。
下面，結合高爐方案進行討論。
4 高爐三種系統的控制特性和選型分析
(1) 交流繞線異步電機串電阻調速
三相交流繞線異步電機串電阻調速特性曲線如圖2(a)所示，由特性曲線可看出，繞線異步電機頗硬而起速瞬間力矩較小的特性，經串電阻后曲線下斜，特性變軟，隨電阻加大直至與下座標相交，但起步力矩加大，這正是起重機低速提升重物的常用方法，至今在天車等設備應用廣泛。這一系統曾在中小高爐應用較多，且大都以plc改進了操作系統，及采用微機秤重上料技術。然而這種系統電阻耗能，特性較軟，隨著新技術的出現和應用，目前在高爐上料已應用較少，呈淘汰之勢。在此不多討論。
(2) 直流電機調速
直流電機調速原理如上所述，通常轉速式還可簡化表示為:
，ke為電機結構系數。
而目前生產中普遍采用的是可控硅直流調速系統，且多為電壓、電流或轉速pid閉環控制，則無論是機械特性硬度，或其他運行指標，都較開環 系統好得多，當然系統結構和特性表達式也復雜得多，這里就不多敘述。
由圖2(b)可看出，特性曲線線簇平直平行，且無下彎，這是因為，它激直流電機勵磁磁場固有先建，基速以下電樞調壓調速，無附加損耗，故而特性較硬，因此是一種原理簡明、性能良好的系統，長期以來，在許多重要特別是力矩及精度要求較高的設備，如龍門刨等應用較廣。高爐上料也是如此，鞍鋼、本鋼、武鋼、萊綱等大型高爐都曾采用，幾年前，張鋼在5# 400m3高爐改造上馬中，仍選用了直流電機調速系統。只是目前高標準的直流調速系統，多采用數字式可控整流產品，控制準確、保護靈敏、使用方便、結構緊湊，張鋼系統，直流電機為186kw，調速器選用了abb-dcs400系列產品，容量為500v/1000a，操作系統由ｐlc控制，限位信號由附裝于電機的主令控制器發出，光碼盤用于速度顯示，有關信號綜合于操作臺板和上位計算機顯示屏，如上所述，電機不運行于弱磁段，該系統當前運行穩定正常。
(3) 交流異步電機變頻調速
近年來，隨著微計算機和電力電子技術的進步，電機驅動領域中變頻調速技術發展迅速，日益成為電力傳動應用的生力軍，高爐上料卷揚拖動也是如此。
變頻調速的原理為:由異步電機轉速式知，當供電頻率變化時，可改變電機速度，這是變頻調速的基本依據。變頻調速分為兩類，一類為通用變頻器，即交-直-交(vvvf)變頻器，一類為少數性能要求較高的交－交直接變頻，從大量普通用途出發，重點討論通用變頻器的原理。
所謂交-直-交變頻，是把交流電源先整流成直流電源，并加以濾波，然后再逆變成頻率電壓可調的交流電源，實際由整流器和逆變器兩部分組成的，vvvf是可變壓變頻的英文縮寫。由于異步電機賴以工作的激磁磁通，是以通電后定子和轉子磁動勢合成產生的，從穩定工作和產生最大力矩的需要，應使磁通保持大而恒定，從磁通式φ=ke/f kv/f來看，要想使φ恒定，必需在改變頻率的同時，調整電壓使v/f=常量，這就是恒壓頻比的控制方式，其機械特性曲線如圖2(c)。從曲線特征看，上部基本是平直下移的，如同直流電機的曲線。所不同的是下部下彎，呈現一般交流電機的特性，根據電力拖動原理，基速以下基本屬于恒轉矩特性，不過由于頻率過低時，起動激磁過小，因而力矩較小，所幸可以通過抬高電壓的辦法，補償壓降，加大起動力矩，如(c)中虛線所示，目前國內外產品大都具有轉矩提升功能，過載能力可至二倍，工作特性較好，保護功能和可靠性提高，且成本已逐步下降。
從以上分析可得出結論，通用型變頻調速器具備了恒轉矩工作和低速起調兩大基本要素，可提供較大的起動力矩，能夠滿足高爐上料拖動的要求，如采用電壓電流或速度閉環控制，性能還能提高。
那末，有些其他調速系統為甚么不能適合此項應用，入圍幾種系統的優缺又作何比較呢？
以下再作分析。
5 幾種系統性能優勢比較
從以上交直流電機的原理介紹發現，有些方案性能和能耗較差，自然不被選用，如滑差電機;有些系統調速性能和效率本不錯，但因具體原因被否決，如雙饋調速，構成較復雜，可基速上調的優勢不需要，串激調速節能性較好，但調速范圍小，低速起動又不好解決;交－交變頻主要考慮成本不優先選用。還是以上三種，繞線異步電機串電阻調速逐漸淘汰的原因已說過，重點就是直流電機和通用變頻調速的比較。
前邊初步討論過，直流電機調速特性幾乎是完美的，可靠運行也無問題，然而與異步電機通用變頻比較，還有幾項指標值得討論。首先直流電機與異步電機相比，構造和造價復雜高得多;其次從效率看，變頻調速有相當優勢;從調速器價格而言，二者相差不多，控制功能接近;另外，從功率因數和電路諧波方面，有所不同，這里重點作些分析比較。
電氣系統的功率因數(ｐｆ)，定義為實際消耗功率(kｗ)與視在功率(kｖａ)之比，準確一點說，與通常所說的從電路相角導出的ｃosφ(pｈｉ)有所不同，只有當線路電壓和電流都是正弦波時，二者才相等，實際功率因數受電路諧波和其它非線性的影響，比正弦波時的功率因數低．標準直流傳動與變頻調速裝置的區別在于，直流電機采用可控硅晶閘管scr整流電路，屬相位控制，因而會產生電壓電流的相位差，速度越低，移相角越大，則功率因數越低，而高速時由于換相角保護，也不可能達到正弦波全導通，因此，直流電機調速系統功率因數不是很高，而且會產生較多的電路諧波，帶來較大的電磁干擾。而通用變頻器的整流級采用二極管橋式整流，接電容器濾波，后邊逆變部分較大的非線性及電機感抗造成的功率因數下降，因有電容和整流器的阻隔，無功電流只在逆變器和電機之間流動，并不直接向電網傳遞，這就是說，變頻器對無功分量起到隔離作用，實際上，實用中可看到這樣一種現象，就是變頻器輸入電流比變頻器到電機的輸出電流還要小些，當然這是指高速負載時作的比較，低速時電壓也低，不同于變頻輸入電壓，電流無可比性，而且空載時電路產生的諧波也還影響到功率因數，下面還要談到，這就說明，總的來說，變頻器系統可以提高電路功率因數，減小電網電流，這已成為提高工廠用電功率因數的可選措施之一。
不過，有多種原因使得變頻器的輸出波形不是標準的正弦波，并會產生較大的電磁諧波，由于通用變頻器輸入橋式整流后接有濾波電容器，當空載時，電容充電電壓接近輸入電壓峰值，使二極管不能全導通，呈脈動狀波形，離正弦波相去很遠，其中含有五次以上奇次諧波較多，而逆變器采用大量電子開關斬波電路，所生成的三相逆變電源也不完全是標準正弦波，含有許多脈沖尖峰，可通過傳導、輻射、電磁耦合等方式影響到電網，嚴重時能影響到外部通訊儀表等正常工作，甚至自身的穩定運行，以及增加電機、變壓器等電器設備的損耗。因此，這一問題不容忽視，但只要注意采取一定措施，提高設備的電磁兼容性，問題通常是能夠解決的，所謂電磁兼容性emc，是指一臺設備不產生使其它裝置不能承受的電磁干擾，又能抵抗外來不良信號影響，如合理布線，讓電源線與信號線分開敷設，常常就能解決問題，又如，加接專用濾波器(分變頻器前后)，可有效減小電路諧波，增加其抗干擾性。
6 結束語
綜上所述，針對高爐上料卷揚負載特性的需要，對各種電力拖動的原理和適用性作了分析，從技術應用發展的軌跡看來，繞線電機串電阻調速曾在生產中發過重要作用，隨著控制，要求提高和節能的需要，直流電機特別是可控硅直流調速系統在大中型高爐上得到應用，由于近年來隨著電力電子和微計算機技術的迅速進步，交流電機變頻調速技術已越來越成熟，成本下降，已能夠成功使用于高爐系統，從性價比較綜合分析而言，還優于直流系統，可以成為此類應用的首選，尤其是中小高爐原有交流電機系統技術改造，更為方便。
從資料可見，全國很多煉鐵企業，已成功采用變頻調速技術用于高爐上料生產，如北京冶金部自動化院為某鋼鐵廠設計的高爐卷揚控制系統，為料車220kw交流電機配備了西門子300kw變頻器兩臺;河南安陽永鋼450m3高爐，同容量電機采用了三菱fr-ａ540l-280kw變頻器，同樣作了雙備，撫順新鋼400m3高爐，則采用了芬蘭瓦薩公司的具有可編程功能的vacon變頻器，武鋼還采用了計算機監控報警技術，我省許多煉鐵廠高爐卷揚也有應用，在可靠運行和節電方面都取得了很好的效果。所應注意的就是開環系統應適當加大容量，精心處理好plc信號和程序，防止和消除電磁干擾。
最后，關于電機調速的機理和它的完整表達式，學術界近來進行了一些有益的討論，在此不能一言以蔽之，單從式(1)和(2)的速度式看，很難一眼望去看出機械特性的走勢，常常需要界定一些條件，分別進行討論。在此，我們暫把注意力放在轉差功率以及總的來源電磁功率上，轉差功率分為消耗性和非消耗性，作為消耗性的轉差功率，將是在同步轉速確定的情況下，產生轉速降，引起速度下滑，特性變軟，這是此種特性曲線的一個重要特征。作為設計者的任務，是在滿足控制要求的同時，應將節能作為重要的原則，盡量選擇節能較好的產品，并采取必要的改善電網質量的措施。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
