交流變頻調(diào)速技術(shù)在寶鋼寬厚板廠起重機上的應(yīng)用
摘要：文章詳盡地介紹了寶鋼股份有限公司興建的寬厚板軋鋼廠的起重機使用交流變頻調(diào)速的情況；用運行中測量的數(shù)據(jù)及運行波形圖闡述了其可觀的效果；同時指出了方案設(shè)計的不足之處
關(guān)鍵詞：交流變頻調(diào)速 節(jié)能 波形圖
1 引言
寶鋼寬厚板廠是寶鋼“十五”規(guī)劃的重點工程項目之一。全廠總投資47億元。設(shè)計年產(chǎn)熱軋寬厚板180萬噸。該工程分兩期建成：一期工程建成5.000mm寬精軋機一架以及精整個條生產(chǎn)線、外圍設(shè)施，年產(chǎn)熱軋寬厚板140萬噸。待建二期預(yù)留5.000mm寬厚板初軋機一架以及第二剪切線、第二熱處理線等。設(shè)計軋制常規(guī)寬厚板產(chǎn)品規(guī)格為長度：(Max)25.000mm，寬度：900～ 4.800mm，厚度：5～150mm(二期時為400mm)。產(chǎn)品單重：Max.～24t(二期時Max.～45t)。由于生產(chǎn)工藝所需，寬厚板廠主要作業(yè)線由板加區(qū)(板坯庫及加熱爐)、軋機區(qū)、磨輥間、冷床區(qū)、剪切線、精整區(qū)、特厚板處理設(shè)備、熱處理線、涂漆線、成品庫等組成。在生產(chǎn)過程中，軋件(鋼板)所經(jīng)的主要路由是輥道，即采用輥道運輸。但是，需要過跨的軋件則采用過跨臺車以及過跨起重機中轉(zhuǎn)。在軋制過程中軋件的吊運量相當大，因而起重機的用量亦相當大。
2 寶鋼股份寬厚板廠所設(shè)起重機概況
寬厚板廠設(shè)計使用起重機67臺。其中一期階段45臺、二期增加22臺(待建)。起重機在廠房內(nèi)的布局如表1所示。
起重機由德國SMS公司提供技術(shù)、設(shè)計，部分直接從德國整機引進，其余由太原重型機械廠、大連起重機廠制造及組裝、調(diào)試。寬厚板廠的起重機均采用雙小車雙主卷揚機結(jié)構(gòu)或單小車雙主卷揚機結(jié)構(gòu)形式。一般各條主作業(yè)線的起重機選用單小車機構(gòu)，成品庫的起重機選用雙小車結(jié)構(gòu)。小車上的兩臺卷揚機的機械部分用一根長軸直接連接以實現(xiàn)兩臺卷揚機機械同步。每一臺小車(即兩臺卷揚)配有相應(yīng)長度的扁擔形吊具(樑)。為了防止吊具擺動，吊具樑的兩端通過三級可隨吊鉤的上下而自動伸縮的金屬導(dǎo)筒與小車樑直接連接。由于在生產(chǎn)過程中，軋件(鋼板)均采用電磁方式起吊，所以每臺起重機都配有與吊具樑的長度相適應(yīng)的電磁掛樑。電磁掛樑通過吊具(樑)上的掛鉤直接與吊具(樑)相連接，目的是為了方便電磁掛樑的折卸。雙小車式的起重機則配有兩根各12m長的電磁掛樑，單小車的起重機配有一根25m長的電磁掛樑。最長的電磁掛樑長42m。每根12m長的電磁掛樑上配有5個矩形的電磁吸盤，25m的電磁掛樑上配有9個矩形的電磁吸盤，42m長的電磁掛樑上配有16個矩形的電磁吸盤。圖１為單小車式結(jié)構(gòu)示意圖。雙小車起重機的卷揚及電機、導(dǎo)筒、電磁掛樑的配置方式與單小車的配置完全一樣，只不過是兩套而已。
寶鋼股份寬厚板廠的起重機，除了主軋跨和磨輥間的起重機主要用于軋機牌坊及大電機安裝、檢修的吊運以及軋輥修磨間軋輥的吊運外，其余起重機全部用于生產(chǎn)過程中各生產(chǎn)線之間軋件的吊運或倒運。如向過跨電平車裝卸鋼板，板坯庫中的起重機用于收集從連鑄送來的連鑄板坯，成品庫中的起重機用于收集從剪切線以及從涂漆線送來的各種不同規(guī)格的成品熱軋板并按預(yù)定的模式堆垛、熱軋成品鋼板的裝車發(fā)貨以及各生產(chǎn)線之間鋼板的吊運等。
圖1 單小車式結(jié)構(gòu)示意圖
從表1可知，這些起重機的起重量最大的是(主軋跨的)400/100t，它的主要、特殊的用途是為在設(shè)備安裝及設(shè)備檢修時起吊軋機牌坊及軋機驅(qū)動用大電機。起重機的跨距一般為33m，冷床跨起重機的跨距為最大即是42m。起重機的大車最大走行速度設(shè)計為60~100m/min，卷揚的上升和下降的最大速度相同即最大速度均為10m/min，小車的最大運行速度為15m/min。鋼板的過跨全部用專用的電動過跨臺車來完成。
3 交流變頻調(diào)速技術(shù)在寬厚板廠起重機調(diào)速的應(yīng)用情況
寶鋼寬厚板廠的起重機(檢修用吊車除外)，從大車走行電機驅(qū)動、小車走行電機驅(qū)動、卷揚電機驅(qū)動等無一例外地實現(xiàn)了交流變頻調(diào)速。根據(jù)電機功率的不同選用了與之相匹配的德國西門子生產(chǎn)的具有全數(shù)字化、具有矢量控制功能的(CUVC)6ES70系列變頻器作為控制裝置。一般，每一臺卷揚電動機由一臺變頻器驅(qū)動，每一臺起重機的大車走行電動機由一臺變頻器驅(qū)動，每一臺起重機的小車走行電動機由一臺變頻器驅(qū)動。考慮到調(diào)速精度和定位的不同要求，小車走行系統(tǒng)、卷揚機系統(tǒng)安裝測速編碼器，實現(xiàn)速度閉環(huán)矢量控制。而大車走行系統(tǒng)采用了速度開環(huán)矢量控制。每一臺起重機上的各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、限位的狀態(tài)檢測及控制、制動器狀態(tài)的檢測及控制、蹬機信號和安全門狀態(tài)的檢測及控制等由一臺PLC來協(xié)調(diào)控制。
起重機的供電仍采用了傳統(tǒng)的方式，即AC380V動力電源通過滑觸線引上機后不另設(shè)隔離變壓器，而是在經(jīng)過隔離開關(guān)后直接接到變頻器的輸入端。由于選用的變頻器是二極管整流，沒有能量回饋功能，不能把重物的位能以及動能饋送電網(wǎng)。由于這個原因，不僅會造成系統(tǒng)的制動能力差，更重要的是會導(dǎo)致變頻器的直流環(huán)節(jié)過電壓，引起變頻器故障或相關(guān)元件損壞，迫使系統(tǒng)無法正常運行。
為了解決上述問題，寬厚板廠的起重機所用的變頻器采取了直流過電壓限制措施：即用電阻器吸收變頻器直流回路的過電壓，保持電動機有足夠的制動轉(zhuǎn)矩。
寶鋼寬厚板廠的起重機分別由中國十三冶金建設(shè)公司、上海寶鋼冶金建設(shè)公司負責安裝，德國西門子公司、上海寶鋼西門子公司負責調(diào)試。一切工作進展順利。由于在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)兩臺卷揚機實行機械同步存在一些問題，故在技術(shù)上沒有得到根本解決之前，所有的為實現(xiàn)兩臺卷揚機同步運行的長軸都暫時不予使用。電氣傳動系統(tǒng)調(diào)試都十分順利。
圖2是錄制的DE-6號起重機一臺卷揚控制系統(tǒng)的電動機的速度、電流、轉(zhuǎn)矩波形圖(從靜止～下降１檔～下降４檔～下降１檔。圖中下降3檔開始轉(zhuǎn)矩降低是導(dǎo)筒的自重造成。)。從波形圖中可以看出系統(tǒng)的速度特性卓著，低速段的性能尤為可佳，加、減速力矩十分穩(wěn)定，過渡過程也很理想，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性也十分理想，是其他交流調(diào)速控制系統(tǒng)的性能望塵莫及的。
圖2卷揚控制系統(tǒng)100%負荷時的波形圖
表２示出了DE-6號起重機電動機的主要參數(shù)。表３示出了DE-6號起重機運行時的實測電流數(shù)值。從表中的數(shù)據(jù)可看出同一臺卷揚電機在同一速度檔的上升電流大于下降的電流，這是因為上升時系統(tǒng)的機械損耗、電動機的電磁損耗及熱損耗全部由電網(wǎng)提供(準確的說由變頻器提供);下降時系統(tǒng)的機械損耗、電動機的電磁損耗及熱損耗全部由重物提供，此時測得變頻器的電流僅僅是回饋到變頻器的那部分能量，沒有包含損耗的那部分能量。還可以看出，重物的運行速度越高電動機的電流越小。由矢量控制理論可知，卷揚低速運行時雖然電動機等效電流大，但是其等效端電壓小。
表2DE-6號起重機電動機主要參數(shù)
表3 DE-6號起重機電動機運行實測電流值
起吊重物110％負荷
由于現(xiàn)場設(shè)備安裝的需要，寶鋼寬厚板廠的起重機從2004年的6月份就陸續(xù)完成本體的安裝調(diào)試，陸續(xù)投入設(shè)備吊裝運行。從這段時間使用結(jié)果的看，這些起重機的控制是相當理想的，完全能滿足復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)的需要。自寶鋼寬厚板廠2005年4月正式投入生產(chǎn)后，所有的起重機均投入正式生產(chǎn)運行，其運行情況進一步顯現(xiàn)出其優(yōu)越性能。例如起重機(帶電磁掛粱)下放鋼板，基本感覺不到鋼板對地面的沖擊。事實證明該項目(特指變頻調(diào)速技術(shù)用于位能負載)是相當成功的。
4 評價及探討
寶鋼寬厚板廠起重機應(yīng)用(特指卷揚系統(tǒng))變頻調(diào)速控制是續(xù)寶鋼股份“大院”內(nèi)二煉鋼廠爐外精煉設(shè)備IR-UT及RH-KTB氧槍緊急提升(改造)成功應(yīng)用后把變頻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于起重機卷揚系統(tǒng)(位能負載)的又一個范例。它徹底結(jié)束了多年來在寶鋼股份“大院”內(nèi)的行家們關(guān)于“交流變頻調(diào)速技術(shù)能否應(yīng)用于位能負載即卷揚系統(tǒng)的喋喋不休的爭論”。為今后變頻調(diào)速技術(shù)在寶鋼股份內(nèi)起重機卷揚的系統(tǒng)的改造應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)、叩開了一扇曾經(jīng)被認為不可叩開的大門。
大約20年前，國外就有相關(guān)的報道，并指出交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于起重機的卷揚系統(tǒng)可以節(jié)能70%。筆者也曾就此做過相關(guān)的理論分析、研討，其結(jié)論亦相同。不難理解，就卷揚系統(tǒng)而言：重物被從地面提升了一定的高度h，系統(tǒng)從電網(wǎng)吸取電功w0，除w0的一小部分(wS1)作為系統(tǒng)在提升過程中的損耗外，絕大部分轉(zhuǎn)換為位能即有w0-ws1=(mgh)1。當重物被下放到原來的位置時，除它所具備的位能(mgh)1的一小部分wS2被系統(tǒng)損耗外，其大部分被轉(zhuǎn)換為動能即：mv2(mgh)1－ws2(其中v為重物下降到最低位置時的瞬時速度)。當重物下降到最低位置時其速度變?yōu)椋啊＜磎v2W0-(Ws1+WS2)這部分能量全部回饋到電網(wǎng)，就是卷揚變頻調(diào)速時節(jié)約的能量。它約占總能量W0的70%。它可以通過電動機轉(zhuǎn)換成電能后由回饋裝置回送到電網(wǎng)。在過去普遍應(yīng)用的交流電動機二次串接電阻調(diào)速以或交流電動機定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，這部分能量全部以發(fā)熱的形式被消耗在二次電阻上了或被消耗在制動器的制動輪上。大車、小車的運行亦大體如此。車體被起動、加速，系統(tǒng)自電網(wǎng)吸取的能量的一小部分用于克服各種阻力，其大部分被轉(zhuǎn)換成車體的動能。當車體從減速運行到停止運行的過程中這部分動能被電動機轉(zhuǎn)換成電能，或是回饋到電網(wǎng)、或是被功率電阻消耗掉。
變頻調(diào)速技術(shù)用于起重機的控制雖然設(shè)備的一次性投資較大，但是它帶來的效益不可忽視：
(1) 大大提高起重機的控制性能, 使起重機完全能滿足各種要求嚴酷的作業(yè)條件，由此可以直接提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，因而可以間接提高濟效益。寶鋼寬厚板廠的實際應(yīng)用證實了這一點;
(2) 回饋電能、節(jié)能。至多2～3年就可以收回成本，經(jīng)濟效益相當可觀。但是，要實現(xiàn)能量回饋需要另外增加整流回饋裝置，設(shè)備的增加必然帶來投資增加，同時起重機上安裝設(shè)備的空間也受限制。如果考慮在地面電氣室安裝整流回饋裝置，直流電源通過滑觸線引上起重機，在機上實現(xiàn)逆變后對各臺起重機供電，不僅解決了起重機上缺少安裝空間位置的問題，還可以減少整流裝置的投資。
寶鋼股份寬厚板廠的起重機全面使用交流變頻技術(shù)。僅僅利用了提高調(diào)速性能這一個方面而沒有實施能量回饋，就這一點而言，可以說是一大的缺陷。
由于目前變頻裝置的價格較高，變頻技術(shù)在起重機上普及應(yīng)用還有較高的難度。
5 結(jié)束語
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻裝置的價格將會大幅度的下降，交流變頻技術(shù)在起重機上的應(yīng)用將會得到普及。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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