（机械电子工程专业论文）高炉炉前液压系统变频节能研究.pdf

贵州大学硕士论文 摘要 变频调速技术是目前国际上最流行、应用最广泛、最节能的调速技术之一。 对当前的高炉炉前液压设备来说，由于有很大的功率损失，所以如何汲取变频调 速技术的优点是极其重要的课题。本论文研究了高炉炉前液压设备的变频改造， 并对其性能进行了分析。 本论文所进行的主要研究工作如下： ( 1 ) 以高炉炉前液压设备为研究对象，对原高炉炉前液压设备中的液压泥 炮进行了重点分析，并提出液压泥炮液压传动与控制系统的改造方案，完成了液 压泥炮的液压系统和电气控制系统的改造。 ( 2 ) 设计了变频驱动液压泥炮的p l c 控制系统，包括p l c 控制系统电路图 和控制程序，然后设定了变频器的功能。 ( 3 ) 对变频驱动液压泥炮调速系统和原液压泥炮调速系统主要环节的功率 消耗特性进行了对比分析，分析结果表明变频驱动液压泥炮调速系统具有显著的 节能效果。 ( 4 ) 推导了变频驱动液压泥炮系统的打泥环节数学模型。针对变频驱动液 压泥炮系统的开环传递函数模型进行仿真分析，仿真结果表明变频驱动液压泥炮 系统是一个稳定的系统，响应特性较好，但稳态值和所要求的缸速相比有速度降 落。 ( 5 ) 分析了变频驱动液压泥炮系统调速回路特性。对开环变频驱动液压泥 炮调速系统的缸速降落进行了理论分析，给出了缸速降落公式和补偿公式。最后 还对速度闭环控制进行了探讨。 关键词：高炉炉前液压系统， 变频调速，p l c 控制系统，能耗分析，仿真 分析，速度补偿 贵州大学硕士论文 a b s t r a c f t h ev a r i a b l ef r e q u e n c yv e l o c i t yc o n t r o lt e c h n i q u ei so d eo ft h em o s tp o p u l a r , m o s te x t e n s i v e ，m o s te n e r g y - s a v i n gt e c h n i q u e si nt h ew o r da tp r e s e n t t oh y d r a u c a p p a r a t u si nt h et a p h o l ea r e ao fb l a s tf u r n a c e ，b e c a u s ep o w e rl o s s e sa r ev e r yl a r g e ， h o wt oa c q u i r et h ea d v a n t a g eo fv a r i a b l ef r e q u e n c yv e l o c i t yc o n t r o lt e c h n i q u ei sa n e x t r e m e l yi m p o r t a n ts u b j e c t ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e dv a r i a b l ef r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n o fh y d r a u l i ca p p a r a t u si nt h et a p h o l ea r e ao fb l a s tf u r n a c e , a n dh a sa n a l y z e di t s p e r f o r m a n c e t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) r e g a r dh y d r a u l i ca p p a r a t u si nt h et a p h o l ea r e ao fb l a s tf u r n a c ea st h er e s e a r c h o b j e c t ，t h ep a p e rc a r r i e so nm a i na n a l y s i st ot h eh y d r a u l i cm u dg u ni nt h eh y d r a u l i c a p p a r a t u si n t h et a p h o l ea r e ao fb l a s t f u r n a c e ，p u t f o r w a r dt h es c h e m e so f t r a n s f o r m i n go fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i cm u dg u n , a n d f i n i s h e st h et r a n s f o r m a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mo f h y d r a u l i cm u dg u m ( 2 ) t h ep a p e rd e s i g n st h ep l cc o n t r o ls y s t e mo ft h et r a n s d u c e rd r r em u dg u n , i n c l u d i n gc i r c u i td i a g r a ma n dc o n t r o lp r o c e d m e ，a n dt h e nf m i s h e sf u n c t i o ne n a c t m e n t o ft h et r a n s d u c e r ( 3 ) t h em a i np h a s ep o w e rc o n s u m p t i o no fv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e mo ft h e t r a l l s d u c e rd r i v eh y d r a u l i cm u dg u na n dt h eo r i g i n a lh y d r a u l i cm u d g u na r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d t h e a n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ev e l o c i t yc o n t r o ls y s t e mo f t r a n s d u c e rd r i v eh y d r a u l i cm u dg u nh a s p r o m i n e n te n e r g y - s a v i n g e f f e c t ( 4 ) t h ep a p e ri n f e r st h ep r e s sm u dp h a s em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r a n s d u c e rd r i v e h y d r a u l i cm u dg u ns y s t e m t h e nt h i so p e nl o o pt r a n s f e rf u n c t i o nm o d e li ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt r a n s d u c e rd r i v eh y d r a u l i cm u d g u ns y s t e mi sas t a b l e s y s t e ma n dr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei sg o o d b u tt h es t a b l ev a l u eo ft h es p e e di ss m a l l e r t h a nt h er e q u i r e ds p e e do fc y l i n d e r ( 5 ) t h es p e e dc o n t r o lc i r c u i tp e r f o r m a n c eo ft r a n s d u c e rd r i v eh y d r a u l i cm u dg u n 贵州大学硕士论文 s y s t e mi sa n a l y z e d t h e nt h et h e o r e t i c a l l ya n a l y s i so fc y l i n d e rs p e e dl o s s e so fo p e n l o o pt r a n s d u c e rd r i v eh y d r a u l i cm u dg u ns y s t e mi sr e s e a r c h e d , t h e o r ya n a l y s i s p r o v i d e sc y l i n d e rs p e e dl o s s e sf o r m u l aa n dc o m p e n s a t i o nf o r m u l a a tl a s t , s p e e d c l o s el o o pc o n t r o li sd i s c u s s e d ， k e y w o r d s ：h y d m u f i cs y s t e m i nt h e t a p h o l e a r e ao fb l a s tf u l n a c e ，v a r i a b l e f r e q u e n c yv e l o c i t yc o n t r o l , p l cc o n t r o ls y s t e m , e n e r g yc o n s u m p t i o n a n a l y s i s ，s i m u l a t i n ga n a l y s i s ，s p e e dc o m p e n s a t i o n i 置州人掌碗士论文 封底 原创性声明和关于学位论丈使用授权的声嘲) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰竺主 日 期：2 q q2 生兰旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝导师签名：莲鲢日期：2 q q z 生勤 贵州大学硕士论文 第一章前言 【摘要】本章介绍了高炉路前液压设备和电机变频调速技术的发展，高炉炉 前液压设备和电机变频调速技术的基本原理及特点。分析了传统高炉路前液压设 备的不足之处，阐述了变频液压技术兴起的背景以及变频驱动液压调速系统的优 点，指出了变频液压动力系统是一种功率匹配的节能动力系统。综述了国内外变 频液压技术的发展过程、应用领域及研究现状。简介了本课题的来源。选题意义， 高炉炉前液压系统变频节能研究的目的及主要研究内容。 i 1 高炉路前液压设备的发展概述 高炉炉前设备一般指泥炮和开铁口机。泥炮是堵塞高炉出铁口的专用的冶金 设备。一炮准确无误地堵住出铁口，是现代化高炉高度连续生产的基本要求和基 本环节之一。例高炉出铁后，泥炮将炮泥压出堵住出铁口，泥炮既要堵满很长的 出铁孔通道，又要修补炉内前墙。渊开铁口机为高炉出铁水时用来打开铁口的重 要设备。为此，先进可靠的泥炮和开口机在当代炼铁生产中占有十分重要的地位。 1 i i 国内外泥炮的发展 自从1 5 世纪出现高炉冶铁以来，发展至今世界9 0 以上的生铁是靠高炉生 产的。生产工艺的连续性要求定时上料、出渣、出铁，每个环节保持一定的节奏， 连续运行。高炉的每个出铁口配置一台泥炮，高炉出铁完毕后，堵住铁口，挡住 铁水流出。u ” 回顾泥炮的发展简史，从传动方式来说历经气动、电动及液压传动三个阶段。 早期的气动泥炮因其活塞推力小，压力不稳定，容易烫伤人而被淘汰。起而代之 的是电动泥炮，它克服了气动泥炮固有的缺点，基本上能满足生产要求，然而存 在着如下明显的缺点。嘲( 1 ) 尺寸大，特别是高度太大，妨碍出铁口附近的风口 进行机械化的更换；( 2 ) 活塞推力不足，尤其是在采用无水炮泥的情况下；( 3 ) 一 些关键性的零件易被磨损，更换、维修不便：( 4 ) 整体炮身太重。嘲随着现代高 炉不断向大容积、高顶压、高风温的强化冶炼方向发展，还有无水炮泥的应用以 贵州大学硕士论文 及炉前机械化作业的要求，性能优良的矮式液压泥炮已经在大型高炉上逐步取代 了电动泥炮。“” 由于各种原因，我国的高炉炉前设备同发达国家相比，一直处于相对落后状 态。从建国开始至7 0 年代初期2 0 多年闻，通过苏联技术援助建成鞍钢、本钢、 武钢、包钢等一批高炉，同时各冶金设计院、冶金机械厂和重型机械行业很快掌 握了大中型高炉炉前设备的设计和制造技术，使我国高炉炉前设备的技术水平很 快达到世界5 0 年代的先进水平。6 0 年代以后，武钢、本钢和鞍钢进一步将高炉 容积扩大至2 0 0 0 - 2 5 8 6m3 ，随着炉项操作压力和热风温度的提高，对高炉炉前 设备作了一些改进。啪7 0 年代初，高炉炉前设备以电动泥炮、电动式开铁口机 为主。当时的高炉大多为常压操作，以后有的炉子提高至0 i m p a 左右，热风温 度1 0 0 0 上下。显然原有的设备已难以适应冶炼操作技术日益提高的要求，由 于高压操作和堵铁口使用无水炮泥，要求泥炮增大打泥推力，此时国外已普遍使 用液压泥炮，而我国于8 0 年代中期大量高炉还使用电动泥炮。在此期问，国内 曾先后引进日本三菱重工的m h g 型、西德的d d s 型液压泥炮，其技术先进，工作 可靠，但价格昂贵。 1 9 8 4 年，在中国冶金设备制造总公司组织下由北京科技大学、西安冶金机械 厂、北京冶金液压机械厂、攀钢和包钢共同研制出了b g 型液压矮泥炮。在消化 国外泥炮的基础上，从工作原理到结构均加以创新，刨造性她推出8 g 型液压矮 泥炮，并于1 9 8 5 年底在攀枝花钢铁公司2 号高炉投入使用，一次堵铁口成功， 各项技术指标完全达到了设计要求。1 9 8 6 年4 月通过了部级鉴定。“1 b g 型液压 矮泥炮是考虑了我国原有高炉炉前环境、技术改造的需要而研制成的一代新型堵 铁口机。其结构紧凑，技术性能达到国外同类产品水平，而造价低廉，很适合我 国高炉炉前设备的更新换代，推广应用。 图1 1 为b g 型液压矮泥炮。它由打泥机构l 、压炮机构2 、回转机构3 、液 压站4 和电控装置5 组成，锬紧机构是由回转机构所代替。其回转装置是四杆机 构，采用油缸驱动，密封性能好，压炮机构采用了老式苏联电动泥炮小车轨道式 的结构，其炮嘴的运行轨迹较好。“8 电控装置和液压站分别单独设置，炮身( 打 泥装置) 、压炮装置及旋转装置组成泥炮主体。相对于电动泥炮，由于省去了电 机及机械传动装置，使炮体结构简化、紧凑，高度降低。使炉前有限的空间能够 2 贵州大学硕士论文 合理的利用，便于操作。 4 3 图1 1 国产b g 型液压矮泥炮 北京科技大学经过多年来生产实践中的不断改进，进一步开发了代替b g 型 液压泥炮的新一代产品，即k d 型液压矮泥炮。重大改进之处是：( 1 ) 将原来的旋 转、压炮、打泥3 个机构改为旋转和打泥两个机构，从根本上消除了原b g 型泥 炮两个压炮油缸有时不同步的问题，进一步提高了液压泥炮动作的可靠性；( 2 ) 在旋转机构中增加了平面四杆机构，保证了炮嘴在出铁口附近的直线运动，压炮 时炮嘴不会左右移动。“” 除了b g 型液压矮泥炮和k d 型液压泥炮外，国内外典型的液压泥炮还有p w 型、m h g 型、i h i 型、d d s 型和i ( d 型。液压泥炮具有如下优点：嘲 ( 1 ) 推力大，打泥致密，能适应高炉高压操作。 ( 2 ) 压紧机构具有稳定的压紧力，使炮咀与泥套始终压得很紧不易漏泥。 ( 3 ) 高度较小，结构紧凑，便于炉前操作。 ( 4 ) 油压装置不装在泥炮本体上，简化了泥炮的结构。 ( 5 ) 节省电力，约为同类电动泥炮用电量的三分之一左右。 3 赛州大学硕士论文 1 1 2 国内外开铁口机的发展 高炉开铁口机按其结构形式可分为6 种：吊挂式、框架式、斜座式、高架立 柱式、矮座式、折叠式；按其钻削原理可分为4 种：单冲式、单钻式、冲钻联合 式、+ 正反冲钻联合式；按动力源可分为6 种：电动式、气动式、液动式、电气结 合式、气液结合式、电液结合式。嘲 吊挂式电动开铁口机是5 0 年代设计的它属于只能旋转钻进，不能冲打的 钻孔式开铁口机。这种机型的结构简单，安装、调整方便，但存在两大缺点：操 作上需人工辅助对正，才能开钻。钻到赤热的硬层后，需要几个工人手持钢钎协 同一致做几次冲撞来捅开铁口。这样，工人不仅劳动强度大，而且在捅开铁口的 瞬间，若躲避不及时容易被喷溅的铁水烧伤。由于上横梁为水平，在钻进过程中， 其钻杆中心线与水平线的夹角随着钻进深度的增加而逐渐增大，使钻头前端在出 铁口内形成弧形运动轨迹，即开出的孔道是一条弓形向下倾斜的孔道。既不利于 出铁口的维护，又增加了泥炮在打泥时的阻力。随着高炉的大型化、强化冶炼和 高压操作，与此相适应使用了高强度、耐渣铁侵蚀的无水炮泥，增加了出铁口的 强度，这就大大增加了打开出铁口的难度。原有钻孔式开铁口机的能力明显不能 满足高炉生产的需要。“” 从8 0 年代中期开始，国内的不少大高炉陆续采用了气动开铁口机。“”采用 气动可以较方便地实现冲打动作，所以气动开铁口机在国外得到了较广泛的应 用。全气动两步法复合式开铁口机，主要由开口装置、旋转退避装置、升降装置 及气控管路系统等组成。1 9 8 5 年9 月，宝钢1 号高炉( 40 6 3m 勺建成投产，就是 使用了日本冈崎全气动开铁口机。该开铁口机除具有正向钻进冲打功能外、还 必须有反向冲打功能。正向钻冲和反向冲打机构装在同一轴线上，两部分之间 用螺栓紧固形成整体。两部分各装有四个车轮，由传动链条牵引沿导向轨梁运动。 送进机构由气动马达通过行星减速装置驱动链轮、链条使钻冲机构小车运行。回 转机构固定在炉体支柱上，由气动马达通过链条带动转臂轴使转臂转到出铁口和 停机位置，由调整杆来保证开铁口机工作与停机的正确位置。嘲 9 0 年代初，包钢、鞍钢、武钢、上钢一厂等企业一大批高炉开始使用p w 公 司，n ) s 公司、戴维麦基公司提供的液压转臂气动开铁口机。因为液压工作 压力高，可压缩性小，运行平稳，功率大，可较好地防止钻削过程中转臂的后移， 4 贵州大学硕士论文 能够保证整机的稳定性、准确性。而钻削机构( 开口机) 和行走机构主要采用气动。 近几年，我国引进了国外的二手高炉。如1 9 9 8 年投产的昆钢6 号高炉( 20 0 0 皿3 ) ， 2 0 0 0 年投产的邯钢4 号高炉( 20 0 0 3 ) ，2 0 0 1 年沙钢引进的26 0 0m 3 高炉，炉 前开铁口机都是液压转臂气动开口机。德国d d s 公司制造的3 0 h h y k r 型开铁口 机就是液压转臂气动开铁口机，它主要由钻冲机构、送进机构、倾动机构和回转 机构组成。其中，钻冲机构和送进机构为压缩空气传动，倾动机构和回转机构为 液压传动。卢森堡的p f 型开铁口机与德国d d s 型结构及原理几乎相同，采用的 同是液压转臂气动开口机、气动行走马达。1 9 9 1 年3 月上钢一厂7 5 0 m 3 高炉炉前 投入使用的英国d a v ym c k e e 公司设计制造的d a v y 型开铁口机，除回转机构采用 液压驱动外，其余机构都采用气动。嘲 2 0 0 2 年之前，国内l0 0 0m 3 以上的高炉，开铁口机主要是以液气结合式为主， 全液压式开铁口机国内仅有5 座高炉使用，主要分布在太钢、首钢、酒钢三个钢 铁企业。全液压凿岩机在矿山凿岩作业中取得成功后，首钢率先将液压凿岩机用 于高炉的开铁口作业。经过多年使用和改进后，国产液压凿岩机的技术已比较成 熟，2 0 0 3 年开始全液压开铁口机有所增加。啡1 气动开铁口机和液压转臂气动开铁 口机，要求有专门的动力源，以确保进入开铁口机的气压不低于0 5 mp a ，而且 是经过过滤和脱湿的净化空气。而各高炉已有的压缩空气管路由于使用点多，压 力波动大，净化程度也达不到开铁机的要求。因此使用气动开铁口机时须单独设 置为开铁口机供气的空压机，这样势必增大了投资。1 液压开口机介质的工作压 力比气动开口机高2 0 至3 0 倍，故钻削、冲打能量大，大型高炉的开口时间也不大 于1 分钟，结构轻便，工作可靠，可节省专用空压机，可大大降低钻杆的消耗， 适用于各种容积的高炉，“”与电动开铁口机相比较，开口速度明显加快，开出的 孔道平直光滑。目前国内的高炉炉前均采用全液压矮泥炮来堵塞出铁口，当采用 全液压开铁口机时，可以和液压泥炮共用一个液压泵站。由于打开出铁口和堵塞 出铁口决不会在同一时刻，开铁口机所需的液压油的流量小于泥炮所需的液压油 的流量，故原泥炮的液压泵站完全可以用于开铁口机。因此全液压开铁口机获得 了较快速度的推广。全液压开铁口机有转臂旋转、钻肖0 、冲打、钻机送进等四个 执行元件。开铁口机在钻削、冲打、开铁口的过程中，钻杆送进、钻杆旋转、冲 击器冲打这三个动作要同时进行，操纵这三个动作的手动换向阀必须采用钢球定 5 贵州大学硕士论文 位的结构。1 目前国内用得最多的是i ( d 型全液压开铁口机。 综合上述，随着我国炼铁生产技术的进步，高炉炉前设备的装备水平也取得 了明显的提高。现代化的液压泥炮被普遍采用，国内近期开发的全液压开铁口机 也以较快的速度推广。但是现有的液压泥炮和全液压铁口杌，基本上是手动换舒 阀操作，且采用节流调速，尽管操作简单，液压系统可靠，但是，高炉炉前工作 环境恶劣，工人劳动强度大；使用节流调速，溢流损失和节流损失大，因此有必 要对现有的高炉炉前液压设备进行改造，提高自动化程度和节能性能。 1 2 电机变频调速技术的发展概述 自从1 9 世纪8 0 年代发明三相交流异步电机以来，由于交流电机有一些固有 的优点：容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电机那样受限制；结构 简单、造价低：坚固耐用，事故率低，容易维护。使其在各行业生产设备中占 有绝对领先的地位。1 然而交流调速只能使用一些简单的交流调速方案，变极调 速、定子调压调速、转差离合器调速等。随着电力电子技术的发展，电机变频调 速技术取得了突破、进入了实用阶段，并且发展极其迅速。它不仅安全可靠，而 且还达到了提高工作效率，提高产品质量，节约电能3 0 阻上的综合经济效益。 在不到二十年的时间里，已成为国内外公认的最理想、最有前途的一种调速方式。 在我国6o 的发电量是通过各类电动机消耗的，因此我国已将推广应用这项 技术列为电力电子发展应用的重点，大力推广变频调速技术以实现对产品的更新 换代和节能降耗。嘲 1 2 1 变频调速技术的发展 交流电机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了，但是由于电力 变换技术和控制手段的制约，在当时历史条件下使用范围受到了限制。由于当今 电力电子器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造技术、基于电力电子电路的电 力变换技术、交流电机的矢量变换控制技术、p 瞒( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等技术的 突破性进步，交流调速传动控制技术才获得了迅速的发展。m 交流变频调速理论最初诞生于2 0 世纪2 0 年代，直到2 0 世纪6 0 年代，随着 贵州大学硕士论文 晶闸管( s c r ) 功率的不断增大，才使变频调速具有实现的可能。2 0 世纪7 0 年 代大功率晶体管( g t r ) 出现后，变频调速器才达到普及应用阶段。“”到8 0 年代， 变频器已经产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。到2 0 世纪 9 0 年代，场效应晶体管的出现和不断提高，微型计算机技术的发展，以及先进 控制理论的发展和完善( 如磁场定向矢量控制、直接转矩控制) 等原因，使变频 器在调速范围、驱动能力，调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效 率及使用方便性等方面大大提高，变频调速技术取得了显著的成就并日臻成熟。 经过大约四十年的发展，目前交流调速电气传动已经上升为电气传动的主流。交 流变频调速已在钢铁、冶金、矿山，石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻 工、建材、造纸、印刷等传统工业的改造中和航天航空等高新技术中得到发展应 用。“”相信在不久的将来，交流调速电气传动将会完全取代直流调速电气传动。 1 2 2 变频调速技术的基本原理及特点 在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大， 静态稳定性好，运行效率高。异步电机的同步转速，即旋转磁场为嘲 席6 0 l( 1 1 ) 忍p 式中：n ，一同步转速，r m i n ： f 。一定子频率。h z ： n _ _ 磁极对数。 异步电机的轴转速为吲 刀一- s ) 盟( 1 一j ) ( 1 2 ) 再p 式中：阱步电机的转差率，s 兰 兰。 荇1 由式( 1 - 2 ) 可知，异步电机的调速方法，大致可以分为以下两种类型：嘲 ( 1 ) 改变转差率s 调速，包括降低电源电压、绕线式异步电机转子回路串 电阻、滑差离合器调速、斩波调速等方法； ( 2 ) 改变电机旋转磁场同步转速n 包括改变定子绕组极对数，改变供电 7 贵州大学硕士论文 电源频率。 改变转差率s 调速的方法简单，易于实现，但却存在转差功率损失a p 。转 差功率损失p 的大小为呻 厶p - 砖 ( 1 - 3 ) 式中：p 异步电机从定子传入转子的电磁功率，w 。 所以这类调速方法是以牺牲转差功率的消耗来换取转速的降低，而且速度越 低，效率将会越低。改变定子绕组极对数和改变供电电源频率都是靠调节电机的 同步转速r j ，来实现电机调速，而转差率s 保持不变。因为这类调速方法的转差 功率损失不变，只有电机铜损部分的消耗改变。所以和改变转差率s 调速相比效 率更高，尤其是变频调速是异步电机高效调速方法的典型，它既可以实现异步电 机的无级调速，又可以根据负载的特性不同，通过调节电压与频率之圊的关系， 使电机的主磁通保持不变，从而使电机始终在高效率区运行。此外异步电机采用 变须调速技术还能显著改善起动性能，通过大幅度降低电机的起动电流实现软启 动功能，在需要大启动转矩的场合，通过低压补偿，增加起动转矩。所以，变频 调速是异步电机最理想的调速方法。 1 2 3 变频器的介绍 1 变频器的组成嘲 变频器由主电路和控制电路组成。主电路包括整流器，逆变器、中间直流环 节。分述如下： ( 1 ) 整流器 整流器把三相交流电变成直流电。 ( 2 ) 逆变器 通过控制电路指令有规律的控制电力电子器件的通与断。将直流电逆变成任 意频率的交流电输出。 ( 3 ) 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电机，属于感性负载。无论电机是处于电动状态还 是处于发电制动状态，电机功率因素总不会为l 。因此，在中间直流环节和电机 之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件( 电 8 贵州大学硕士论文 容器或电抗器) 来缓冲。 ( 4 ) 控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路 等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成 各种保护功能等。 z 变频器的控制方式删 对异步电机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太 弱，铁芯利用不充分，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态， 使励磁电流过大，为使电动机不过热，电动机的负载能力也会下降。主磁通由定 子电压u 和定子频率f 共同决定，为使主磁通保持恒定，必须对定子电压u 和定 子频率f 进行适当的控制。就其控制方式可以分为以下三类： ( 1 ) u f 控制 u f 控制又称为v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 控制方式。 它是按照基频以下保持u f = 常数，基频以上u = u ( 额定电压) 的关系对定子电 压u 和定子频率f 进行控制。这样基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上可以 实现恒功率调速。u f 控制是速度开环控制，无需速度传感器，控制电路简单， 通用性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。但是u f 控制的 静态调速精度较差。 ( 2 ) 转差频率控制 转差频率控制是指采用转差补偿的闭环控制方式。它根据速度传感器的检 测，求出转差频率a ，再把它与频率设定值f 相叠加，再以该叠加值作为变频 器的频率设定值，这样就可以实现转差补偿。与u f 控制相比，其调速精度大为 提高，但是因为要使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性 调整控制参数，所以这种控制方式通用性较差。 ( 3 ) 矢量控制 u f 控制和转差频率控制都是建立在异步电动机的静态数学模型上的，它们 的动态指标不高。矢量控制是根据交流电机的动态数学模型、利用坐标变换的手 段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以 控制，即模仿自然解耦的直流电机的控制方式，对电机的磁场和转矩分别进行控 9 贵州大学硕士论文 制。以获得类似于直流调速系统的动态性能。 1 2 4 变频液压技术研究概况 液压传动以其传动平稳，调速方便，功率体积比大等优良特性在许多领域获 得了广泛的应用，但是液压传动的能量利用率不高，系统的整机效率较低，因此， 节能一直是液压传动的主要研究方向之一。m 1 对于液压系统，国内外以往的节能研究大多数都是从液压系统本身的角度来 考虑，努力减小液压系统自身的功率损耗，包括液压元件的功率消耗和回路的功 率损失。随着电机变频调速技术在电力拖动上的应用的发展，将交流变频调速技 术用于液压动力系统上，已成为一个较为成熟的研究方向。电机变频调速技术依 靠调控供电电源的频率实现对电动机的转速控制，从而调节电动机拖动的执行设 备的速度，通过对定子电压u 和定子频率f 进行适当的控制可以使电机始终处在 高效率的工作状态。将电机变频调速技术应用于液压系统，可以简化液压回路， 还可以克服液压系统的一些缺点，汹1 如减少液压系统的溢流损失和节流损失，提 高系统效率，降低噪声等。 变频液压传动作为一种全局型的新型节能传动方式，自被提出以来，人们就 在一直努力探索将这种技术应用于实际工程并取得了成功。首先应用成功的是液 压电梯。早在1 9 8 4 年，日本三菱公司就开始着手研究变频驱动液压电梯，并率 先将这种变频驱动的液压电梯推向市场。m 1 随后，瑞士b e r i n g e r 公司m 1 和德国 l e i s t r i t za g 公司州相继推出了自己的变频驱动液压电梯。最新一代的注塑机 也采用了变频调速技术。采用这种技术，减少了能耗损失，同时降低油温，延长 密封元件的使用寿命，减少设备维护费用，且运行可靠平稳，保护功能强，同步 控制准确，操作简单方便，创造了良好的经济效益。 变频液压传动方式除了在变频驱动液压电梯和注塑机上应用以外，还在机 床、起重机械、纺织机械、塑料机械、航空机械等领域获得了广泛应用。本文研 究把变频驱动技术用于高炉炉前液压设备，从根本上克服高炉炉前液压设备能量 浪费的弊病。 1 0 贵州大学硕士论文 1 3 本课题的研究概况 1 课题来源 本课题来源于贵州大学与贵阳企恒电液设备有限公司正在合作申报的贵阳 市科研项目数字变频液压节能系统的研制。 2 课题研究背景 随着冶金业的发展，现代化的液压泥炮被普遍采用，全液压开铁口机也以较 快的速度推广。然而现有的液压泥炮和全液压铁口机，基本上是手动换向阀操作， 工人劳动强度高。采用节流调速，节流调速液压系统存在较大的能量损失，效率 很低。 当今变频液压传动这种全局型的新型节能传动方式获得了很大发展。采用变 频液压动力传动的新型节能传动方式可以使液压系统的输入功率与执行元件的 输出功率匹配，减小溢流损失和压力损失，从而提高液压传动的整体效率。该系 统应用于液压传动系统的节能改造与液压设备的产品更新换代中，可以取得明显 的节能效果。 因此在现有条件下有必要也有可能对现有的高炉炉前液压设备进行变频改 造，提高高炉炉前液压设备的节能性能和自动化程度。 3 研究方案 本课题是从系统的角度综合考虑高炉炉前液压设备的节能问题，就是高炉炉 前液压设备的功率匹配。原高炉炉前液压设备使用定量泵节流调速，有很大的溢 流损失和压力损失，对原高炉炉前液压设备进行变频节能改造就是利用p l c 和变 频器控制油泵电机，根据系统不同流量需求，改变泵的排量，从而减小溢流损失 和压力损失，从而提高高炉炉前液压传动系统的整体效率，研制出高炉炉前液压 变频节能传动控制系统。 4 研究意义及目标 变频液压动力传动的研究为液压设备节能研究开创了新领域，具有广阔的应 用前景及重要的科学意义和理论价值。原高炉炉前液压设备使用定量泵节流调 速，有很大的溢流损失和压力损失，本课题的研究目标就是设法做到使高炉炉前 液压系统提供的功率和负载所需要的功率匹配，提高液压系统的效率，达到节能 目的。 1 1 贵州大学硕士论文 对原高炉炉前液压设备进行变频节能改造，就是把电机及整个传动链包括在 内来考虑，使得电机提供的功率和负载所需要的功率匹配，从系统全局的角度来 考虑液压动力设备的节能问题，以减小溢流损失和压力损失，提高高炉炉前液压 传动系统的整体效率，并可减少系统噪声、温升及其对液压系统造成的不良影响 等问题。同时，使用变频器控制电机还可以实现电机的软启动，提高电机的寿命 5 研究的主要内容 ( 1 ) 研究原高炉炉前液压系统的原理及其优缺点，对高炉炉前液压设备进 行改造。 ( 2 ) 设计变频驱动液压泥炮的p l c 控制系统。 ( 3 ) 对变频驱动液压泥炮调速系统和原液压泥炮调速系统主要环节的功率 消耗进行对比分析。 ( 4 ) 建立变频驱动液压泥炮系统的典型环节数学模型，进行仿真，分析其 动、静态性能。 ( 5 ) 分析变频驱动液压泥炮系统调速回路特性，研究速度的补偿。 贵州大学硕士论文 第二章高炉炉前液压系统改造 【摘要】本章介绍了原高炉炉前液压系统调速回路的原理、系统的构成、主 要液压元件及其优缺点并得出对原液压系统进行变频改造的结论。然后提出高炉 炉前液压设各的改造方案，包括了高炉炉前变频液压系统的改造和电气控制系统 的改造，并给出改造后的液压系统原理图和电气控制框图。 1 原高炉炉前液压系统分析 2 1 1 原高炉炉前液压系统介绍 本课题研究的是高炉炉前液压设备中的b g 型液压泥炮。b 6 型液压泥炮由炮 身、旋转机构、压炮机构、打泥机构、液压站及电控装置组成。旋转机构的作用 是将泥炮由停放位置送到工作位置，并在泥炮完成压下、打泥工作，堵住铁口后， 迅速回到停放位置。压炮机构的作用是在泥炮回转到工作位置时将泥炮炮嘴送到 高炉出铁口上，并固定。待打泥完毕后，炮嘴离开铁口。打泥机构的作用是将泥 炮内的泥送入高炉铁口，堵住铁水。“”液压部分由液压手动操纵台和液压阀台组 成完整的控制及传动系统。手动操纵台设三个操纵手柄完成旋转机构、压炮机构 和打泥机构的前进与后退。 b g 型液压泥炮有如下优点：“” ( i ) 液压泥炮其炮身低矮、结构紧凑，安装在风口平台以下，给高炉更换炉前 风口提供方便条件，同时由于低矮，在嗜铁口时渣铁辐射面小，相对安全。 ( 2 ) 其打泥推力完全能够满足高炉全风高压作业条件的嗜铁口的能力。 ( 3 ) 由于液压系统配置双向节流调整阀，使转炮、压炮、及打泥速度能在一定 的工作范围内进行适当的调整其运行速度。 ( 4 ) 各机构选用的油缸，在两端工作时缓冲性能好，工作平稳。 b g 一4 0 0 泥炮的各工况分别为转炮进、压炮、打泥进、打泥退、退炮和转 炮退。图2 1 是原b g - 4 0 0 泥炮液压系统简图。嘲1 泥炮液压系统主要由主泵3 、 打泥液压缸9 、压炮液压缸1 2 和转炮液压缸1 4 组成。执行元件为3 组油缸 ( 1 8 0 1 2 5 x1 2 2 0 回转缸一个；4 5 0 2 5 0 1 2 6 0 打泥缸二个：妒8 0 5 5 x 5 5 0 压炮 贵州大学硕士论文 缸两个) 。b g - 4 0 0 液压泥炮泥缸推力3 7 8 0 k n ，压炮力1 8 0 k n ，工作转角1 6 0 6 。打 泥机构工作油压2 5m p a ，额定流量1 3 0l r a i n ，活塞上炮泥单位压力1 6m p a ， 泥缸直径5 8 0 哪，炮嘴内径1 5 0 岫，吐泥速度0 2m s 。压炮机构工作油压1 8 m p a ， 额定流量8 0l m i n ，压炮角度1 6 。，压炮时间2s 。回转机构工作油压2 5m p a ， 额定流量1 6 0l m in t 旋转时间1 2 - 1 5s 。该液压系统主泵为1 6 0 s c y l 4 - i 柱塞泵， 额定压力3 2 m p a ，额定流量1 6 0 l m i n ，油箱容积l m 3 。电动机型号y 2 8 0 m - 6 ，锄 率5 5k w ，转速9 8 0r m i n 。系统采用进油过滤，节流调速，选用手动换向阀来 口 保证泥炮旋转、压炮、打泥3 个动作的正确性，动作要求准确无误。系统压炮动 作保压由液控单向周控制完成，保压要求3 0 r a i n 内p 3 5 m p a ，锁紧精度很高， 仅受液压缸内泄的影响。为了避免液压冲击的问题，系统各动作压力值采用分级 监控，降低动作压力( 如：压炮动作由减压阅l l 降至1 8 m p a ；打泥退动作由溢流 阀7 降至1 0 m p a ) 。回路中的平衡阀1 3 是为了解决泥炮旋转过程中中间停车引起 的液压冲击使系统冲击过大、流量不稳等问题。 退炮压炮 1 油箱2 电机3 主泵4 溢流阀5 手动换向阀6 单向节流阀7 溢流阀 8 液控单向阀9 打泥液压缸1 0 减压阀1 1 单向阀1 2 压炮液压缸 1 3 平衡阀1 4 转炮液压缸 图2 1 泥炮液压系统原理图 贵州大学硕士论文 2 i 2 原高炉炉前液压系统特点 原液压系统使用节流调速，各液压缸所需流量相差较大，难以与主泵的额定 流量相匹配。打泥机构的额定流量为1 3 0 l m i n ，工作油压为2 5 m p a ，压炮机构 的额定流量为8 0 l m i n ，工作油压为1 8 m p a ，回转机构的额定流量为1 6 0 l m i n ， 工作油压为2 5 m p a 。 转炮进、转炮退的额定流量为1 6 0 l 皿i n 等于主泵的额定流量，以全流量转 炮无流损失。压炮时额定流量为8 0 l m i n ，只有主泵的额定流量的5 0 ，退炮时 使用主泵的额定流量。打泥进、打泥退的额定流量为1 3 0 l m i n ，为主泵的额定 流量的8 6 7 1 j 6 。 由于使用节流调速，泥炮液压系统的溢流阀根据系统所需最大压力设定为 2 5 m p a ，而压炮和打泥退等溢流环节所需压力分别为1 8 m p a 和i o m p a ，比溢流阀 设定压力2 5 m p a 小很多，这就导致有很大的节流损失。 由此看出，各油缸的流量相差较大，难以与主泵的额定流量相匹配得很好， 溢流量过大造成系统较大的能量损失，同时引起油液温升，且因为各机构所需的 压力也不一样，选用较大的溢流阀压力，会有很大的节流损失，系统的效率将很 低。所以有必要对原液压系统进行节能改造，使各油缸的流量与主泵的输出流量 相匹配，减少溢流和节流损失，提高整机效率。 原液压系统采用出口节流调速，操纵三个手动换向阀完成旋转机构、压炮机 构和打泥机构的动作。节流调速回路是由定量泵和流量阀组成的调速回路，可以 通过调节流量阀通流面积的大小来控制流出液压缸的流量，以此来调节执行元件 的速度，多余的流量由溢流阀溢回油箱。 在不计管路压力损失和系统泄露的情况下，液压缸的速度表达式为：嘲1 ，。鱼竺竺当二竖( 2 一1 ) 4叫” 式中：c 节流阀系数： a 广i 节流阀通流面积，m 2 ： f 一液压缸负载，n ； 妒一节流阀指数； 贵州大学硕士论文 a 广活塞小端面积，2 。 其速度一负载特性曲线如图2 2 所示。嘲1 v f 图2 2 出口节流调速回路速度一负载特性 回路速度刚性为：1 。 百霉j 碰( 2 - 2 ) ( 1 4 0 。4 一，) ”1 伊 v 妒 。 当节流阀通流面积不变时，负载越小，速度刚性越大。然而高炉炉前液压系 统在转炮等环节负载很大且不为恒定值，这就会造成在这些环节，速度刚性低。 同时因为原液压系统使用手动换向阀控制，增加了工人的劳动强度，而且需要熟 练的工人，一旦操作失误，容易出现事故，因此需要考虑使用自动控制改造。 2 2 高炉炉前液压系统的变频改造 2 2 1 交频驱动液压泥炮的原理 液压动力传动以其传动平稳，调速方便，功率体积比大等优良特性在高炉炉 前设备获得了广泛的应用。传统的节流调速回路存在较大的溢流损失和节流损 失、液压系统的功率效率很低。一般只用于小功率的液压系统中。对于高炉炉前 液压系统这种大功率液压系统，有必要进行容积调速改造，减少溢流损失和节流 损失。 电机变频调速技术依靠改变供电电源的频率就可实现对电机的转速调节，而 且电机始终处于高效率的工作状态。将电机变频调速技术用于液压系统，可以克 贵州大学硕士论文 服液压系统的一些缺点如