交流變頻調(diào)速技術(shù)在寶鋼寬厚板廠起重機(jī)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(jī)使用交流變頻調(diào)速的情況；用運(yùn)行中測(cè)量的數(shù)據(jù)及運(yùn)行波形圖闡述了其可觀的效果；同時(shí)指出了方案設(shè)計(jì)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(diǎn)工程項(xiàng)目之一。全廠總投資47億元。設(shè)計(jì)年產(chǎn)熱軋寬厚板180萬(wàn)噸。該工程分兩期建成：一期工程建成5.000mm寬精軋機(jī)一架以及精整個(gè)條生產(chǎn)線、外圍設(shè)施，年產(chǎn)熱軋寬厚板140萬(wàn)噸。待建二期預(yù)留5.000mm寬厚板初軋機(jī)一架以及第二剪切線、第二熱處理線等。設(shè)計(jì)軋制常規(guī)寬厚板產(chǎn)品規(guī)格為長(zhǎng)度：(Max)25.000mm，寬度：900～ 4.800mm，厚度：5～150mm(二期時(shí)為400mm)。產(chǎn)品單重：Max.～24t(二期時(shí)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(kù)及加熱爐)、軋機(jī)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(kù)等組成。在生產(chǎn)過(guò)程中，軋件(鋼板)所經(jīng)的主要路由是輥道，即采用輥道運(yùn)輸。但是，需要過(guò)跨的軋件則采用過(guò)跨臺(tái)車以及過(guò)跨起重機(jī)中轉(zhuǎn)。在軋制過(guò)程中軋件的吊運(yùn)量相當(dāng)大，因而起重機(jī)的用量亦相當(dāng)大。

2 寶鋼股份寬厚板廠所設(shè)起重機(jī)概況

寬厚板廠設(shè)計(jì)使用起重機(jī)67臺(tái)。其中一期階段45臺(tái)、二期增加22臺(tái)(待建)。起重機(jī)在廠房?jī)?nèi)的布局如表1所示。

起重機(jī)由德國(guó)SMS公司提供技術(shù)、設(shè)計(jì)，部分直接從德國(guó)整機(jī)引進(jìn)，其余由太原重型機(jī)械廠、大連起重機(jī)廠制造及組裝、調(diào)試。寬厚板廠的起重機(jī)均采用雙小車雙主卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)或單小車雙主卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式。一般各條主作業(yè)線的起重機(jī)選用單小車機(jī)構(gòu)，成品庫(kù)的起重機(jī)選用雙小車結(jié)構(gòu)。小車上的兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)的機(jī)械部分用一根長(zhǎng)軸直接連接以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)械同步。每一臺(tái)小車(即兩臺(tái)卷?yè)P(yáng))配有相應(yīng)長(zhǎng)度的扁擔(dān)形吊具(樑)。為了防止吊具擺動(dòng)，吊具樑的兩端通過(guò)三級(jí)可隨吊鉤的上下而自動(dòng)伸縮的金屬導(dǎo)筒與小車樑直接連接。由于在生產(chǎn)過(guò)程中，軋件(鋼板)均采用電磁方式起吊，所以每臺(tái)起重機(jī)都配有與吊具樑的長(zhǎng)度相適應(yīng)的電磁掛樑。電磁掛樑通過(guò)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(jī)則配有兩根各12m長(zhǎng)的電磁掛樑，單小車的起重機(jī)配有一根25m長(zhǎng)的電磁掛樑。最長(zhǎng)的電磁掛樑長(zhǎng)42m。每根12m長(zhǎng)的電磁掛樑上配有5個(gè)矩形的電磁吸盤，25m的電磁掛樑上配有9個(gè)矩形的電磁吸盤，42m長(zhǎng)的電磁掛樑上配有16個(gè)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(jī)的卷?yè)P(yáng)及電機(jī)、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(guò)是兩套而已。

寶鋼股份寬厚板廠的起重機(jī)，除了主軋跨和磨輥間的起重機(jī)主要用于軋機(jī)牌坊及大電機(jī)安裝、檢修的吊運(yùn)以及軋輥修磨間軋輥的吊運(yùn)外，其余起重機(jī)全部用于生產(chǎn)過(guò)程中各生產(chǎn)線之間軋件的吊運(yùn)或倒運(yùn)。如向過(guò)跨電平車裝卸鋼板，板坯庫(kù)中的起重機(jī)用于收集從連鑄送來(lái)的連鑄板坯，成品庫(kù)中的起重機(jī)用于收集從剪切線以及從涂漆線送來(lái)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(yùn)等。

圖1 單小車式結(jié)構(gòu)示意圖

從表1可知，這些起重機(jī)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(shí)起吊軋機(jī)牌坊及軋機(jī)驅(qū)動(dòng)用大電機(jī)。起重機(jī)的跨距一般為33m，冷床跨起重機(jī)的跨距為最大即是42m。起重機(jī)的大車最大走行速度設(shè)計(jì)為60~100m/min，卷?yè)P(yáng)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(yùn)行速度為15m/min。鋼板的過(guò)跨全部用專用的電動(dòng)過(guò)跨臺(tái)車來(lái)完成。

3 交流變頻調(diào)速技術(shù)在寬厚板廠起重機(jī)調(diào)速的應(yīng)用情況

寶鋼寬厚板廠的起重機(jī)(檢修用吊車除外)，從大車走行電機(jī)驅(qū)動(dòng)、小車走行電機(jī)驅(qū)動(dòng)、卷?yè)P(yáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等無(wú)一例外地實(shí)現(xiàn)了交流變頻調(diào)速。根據(jù)電機(jī)功率的不同選用了與之相匹配的德國(guó)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(tái)卷?yè)P(yáng)電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，每一臺(tái)起重機(jī)的大車走行電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，每一臺(tái)起重機(jī)的小車走行電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)?？紤]到調(diào)速精度和定位的不同要求，小車走行系統(tǒng)、卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)安裝測(cè)速編碼器，實(shí)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(kāi)環(huán)矢量控制。每一臺(tái)起重機(jī)上的各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、限位的狀態(tài)檢測(cè)及控制、制動(dòng)器狀態(tài)的檢測(cè)及控制、蹬機(jī)信號(hào)和安全門狀態(tài)的檢測(cè)及控制等由一臺(tái)PLC來(lái)協(xié)調(diào)控制。

起重機(jī)的供電仍采用了傳統(tǒng)的方式，即AC380V動(dòng)力電源通過(guò)滑觸線引上機(jī)后不另設(shè)隔離變壓器，而是在經(jīng)過(guò)隔離開(kāi)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(méi)有能量回饋功能，不能把重物的位能以及動(dòng)能饋送電網(wǎng)。由于這個(gè)原因，不僅會(huì)造成系統(tǒng)的制動(dòng)能力差，更重要的是會(huì)導(dǎo)致變頻器的直流環(huán)節(jié)過(guò)電壓，引起變頻器故障或相關(guān)元件損壞，迫使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

為了解決上述問(wèn)題，寬厚板廠的起重機(jī)所用的變頻器采取了直流過(guò)電壓限制措施：即用電阻器吸收變頻器直流回路的過(guò)電壓，保持電動(dòng)機(jī)有足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

寶鋼寬厚板廠的起重機(jī)分別由中國(guó)十三冶金建設(shè)公司、上海寶鋼冶金建設(shè)公司負(fù)責(zé)安裝，德國(guó)西門子公司、上海寶鋼西門子公司負(fù)責(zé)調(diào)試。一切工作進(jìn)展順利。由于在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)實(shí)行機(jī)械同步存在一些問(wèn)題，故在技術(shù)上沒(méi)有得到根本解決之前，所有的為實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)同步運(yùn)行的長(zhǎng)軸都暫時(shí)不予使用。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試都十分順利。

圖2是錄制的DE-6號(hào)起重機(jī)一臺(tái)卷?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)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(kāi)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(guò)渡過(guò)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?yè)P(yáng)控制系統(tǒng)100%負(fù)荷時(shí)的波形圖

表２示出了DE-6號(hào)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。表３示出了DE-6號(hào)起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)電流數(shù)值。從表中的數(shù)據(jù)可看出同一臺(tái)卷?yè)P(yáng)電機(jī)在同一速度檔的上升電流大于下降的電流，這是因?yàn)樯仙龝r(shí)系統(tǒng)的機(jī)械損耗、電動(dòng)機(jī)的電磁損耗及熱損耗全部由電網(wǎng)提供(準(zhǔn)確的說(shuō)由變頻器提供);下降時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械損耗、電動(dòng)機(jī)的電磁損耗及熱損耗全部由重物提供，此時(shí)測(cè)得變頻器的電流僅僅是回饋到變頻器的那部分能量，沒(méi)有包含損耗的那部分能量。還可以看出，重物的運(yùn)行速度越高電動(dòng)機(jī)的電流越小。由矢量控制理論可知，卷?yè)P(yáng)低速運(yùn)行時(shí)雖然電動(dòng)機(jī)等效電流大，但是其等效端電壓小。

表2DE-6號(hào)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表3 DE-6號(hào)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)測(cè)電流值

起吊重物110％負(fù)荷

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝的需要，寶鋼寬厚板廠的起重機(jī)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(yùn)行。從這段時(shí)間使用結(jié)果的看，這些起重機(jī)的控制是相當(dāng)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(jī)均投入正式生產(chǎn)運(yùn)行，其運(yùn)行情況進(jìn)一步顯現(xiàn)出其優(yōu)越性能。例如起重機(jī)(帶電磁掛粱)下放鋼板，基本感覺(jué)不到鋼板對(duì)地面的沖擊。事實(shí)證明該項(xiàng)目(特指變頻調(diào)速技術(shù)用于位能負(fù)載)是相當(dāng)成功的。

4 評(píng)價(jià)及探討

寶鋼寬厚板廠起重機(jī)應(yīng)用(特指卷?yè)P(yáng)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(jī)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)(位能負(fù)載)的又一個(gè)范例。它徹底結(jié)束了多年來(lái)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(fù)載即卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的喋喋不休的爭(zhēng)論”。為今后變頻調(diào)速技術(shù)在寶鋼股份內(nèi)起重機(jī)卷?yè)P(yáng)的系統(tǒng)的改造應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、叩開(kāi)了一扇曾經(jīng)被認(rèn)為不可叩開(kāi)的大門。

大約20年前，國(guó)外就有相關(guān)的報(bào)道，并指出交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)可以節(jié)能70%。筆者也曾就此做過(guò)相關(guān)的理論分析、研討，其結(jié)論亦相同。不難理解，就卷?yè)P(yáng)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(guò)程中的損耗外，絕大部分轉(zhuǎn)換為位能即有w0-ws1=(mgh)1。當(dāng)重物被下放到原來(lái)的位置時(shí)，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(dòng)能即：mv2(mgh)1－ws2(其中v為重物下降到最低位置時(shí)的瞬時(shí)速度)。當(dāng)重物下降到最低位置時(shí)其速度變?yōu)椋?。即mv2W0-(Ws1+WS2)這部分能量全部回饋到電網(wǎng)，就是卷?yè)P(yáng)變頻調(diào)速時(shí)節(jié)約的能量。它約占總能量W0的70%。它可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能后由回饋裝置回送到電網(wǎng)。在過(guò)去普遍應(yīng)用的交流電動(dòng)機(jī)二次串接電阻調(diào)速以或交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)器的制動(dòng)輪上。大車、小車的運(yùn)行亦大體如此。車體被起動(dòng)、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(dòng)能。當(dāng)車體從減速運(yùn)行到停止運(yùn)行的過(guò)程中這部分動(dòng)能被電動(dòng)機(jī)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(jī)的控制雖然設(shè)備的一次性投資較大，但是它帶來(lái)的效益不可忽視：

(1) 大大提高起重機(jī)的控制性能, 使起重機(jī)完全能滿足各種要求嚴(yán)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(jì)效益。寶鋼寬厚板廠的實(shí)際應(yīng)用證實(shí)了這一點(diǎn);

(2) 回饋電能、節(jié)能。至多2～3年就可以收回成本，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。但是，要實(shí)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(lái)投資增加，同時(shí)起重機(jī)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(guò)滑觸線引上起重機(jī)，在機(jī)上實(shí)現(xiàn)逆變后對(duì)各臺(tái)起重機(jī)供電，不僅解決了起重機(jī)上缺少安裝空間位置的問(wèn)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(jī)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(gè)方面而沒(méi)有實(shí)施能量回饋，就這一點(diǎn)而言，可以說(shuō)是一大的缺陷。

由于目前變頻裝置的價(jià)格較高，變頻技術(shù)在起重機(jī)上普及應(yīng)用還有較高的難度。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻裝置的價(jià)格將會(huì)大幅度的下降，交流變頻技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)得到普及。