高炉料车卷扬电力拖动方案原理的分析和比较

1、高炉料车卷扬电力拖动方案原理的分析和比较Summarization and Analysis about Projecting Theory of Electric Drive for Hoist of Blast Furnace Car摘 要 ：本文面向炼铁高炉主卷扬电力拖动方案，通俗简介了各种电机电气传动方式和它们的特点，重点分析了绕线电机串阻调速、直流电机调速和交流电机通用变频调速的适用性和优缺点，特别指出了变频调速的节能优势及应用中存在和应注意的问

2、题。英文摘 要 ：With the projecting of electric drive for hoist of blast furnace, varieties of electric drive modes and their characteristics are simply introduced, the suitability and

3、60;features of three techniques including reel wire motor serials risistance speed control, direct motor speed control and inverter-fed induction motor drives are mainly analyzed, 

4、also the energy-saving superiority and the problems that exist and should be noticed of frequency variable adjusting speed technique are specially pointed out.关键词： 高炉主卷扬电力传动  绕线电机串

5、电阻调速   直流电机调速  异步电机变频调速     1  引言    高炉上料主卷扬系统是炼铁厂最主要的原料输送设备，目前，国内大多数高炉采用卷扬料车上料，中小型高炉又多采用双车上料方式，即二部料车用钢丝绳卷绕于同一卷筒上，重车上升与轻车下降同时进行，当下部料车装料后，按工艺指令开动卷扬机，使料车沿斜轨上升，当到达炉顶相应位置时，减速停止并翻料入炉，此时另一料车正下降停止。在料车启动运行过程中，速度由慢到快，然后匀速运行，接近炉顶时再由快到慢直到停止，期间为准确

6、启停车和防止溜车，应在适当位置发出信号，改变速度，控制抱闸打开或闭合等，以保证料车安全运行。其速度运行区段如图1所示。如某高炉料车一全程区段时间约50s，各厂高炉工况不同，情况不尽相同，甚至有些还分为多段加速。图1     高炉卷扬车速度区段图    高炉主卷扬电力拖动系统有三种主流方案，即绕线异步电机串电阻调速、直流调速和异步电机变频调速方案。那么，为什么在各种调速方案中，以上三种成为主选，曾经和正在生产中发挥了重要作用呢？这要从它的工艺特点和负载特性说起。   2  高炉主卷扬的负载特性和控

7、制要求    高炉上料的工艺要求，决定了负载特性的以下特点:    (1) 负载较重，需较大的起动力矩和足够的提升运载能力，为典型的重载或重轻载力矩特性;    (2) 可调变速，工作于基速以下，不需弱磁于恒功率段，运行稳定而精度要求一般;    (3) 此外，电气系统对于控制可靠，停位准确，各种保护措施的完善等方面，都有严格要求等。    如此究竟哪些系统能满足上述要求呢？就控制对象来说，特性导引取向，应用决定选型，这个问题，直接牵扯到各种电机

8、的工作方式和运行特性，以及何种方式更适合上述负载的特点，顺藤摸瓜，分析比较，就能得出选型的原因，试分析讨论。3  交直流电机的机械特性简介    由电机学知，三相交流电机的转速表达式为:    交流异步电机的自然机械特性，可参见图2(a)中上部较平直曲线。式(1)为速度的转差率表达式，式(2)为功率表达式，式(3)为转矩表达式，异步电机的机械特性，为非线性曲线，与电压、电流、阻抗、频率、时间等参数有关，其动态表达式更是与转动惯量、电磁机电常数及变量的变化率有关，比较复杂，此仅表示基本函数关系。由式(1)(3)初步可知，可通过

9、改变同步速度或转差率两种方式实现调速，第一种方式较少改变曲线平直即硬度，只移动速度的高点，效率较高，方法为调节频率f(并结合调电磁功率以保持磁通恒定)，这就是通常所说的变频调速，或在绕线电机转子回路串入功率变换器即附加电动势，如附加电动势大于零，则将转差功率回馈电网，这就是所说的低于同步转速的串激调速，如附加电势小于零，则是从电网吸取能量注入转子回路，使得转差小于零，此时转速高于同步转速，称为超同步串激调速，总之，这种转差功率损耗为零，即不会使特性变软，这即是绕线电机的串激或双馈调速;反之，第二种方式如转子串电阻或定子降压及电磁滑差调速，都将造成转差损耗，转差率加大，特性曲线下斜变软。以下，将

10、在方案讨论中再作分析。图2电动机调速系统机械特性曲线    直流电机的机械特性曲线如图2(b)所示，其机械特性方程式如下:         (4)    式中: CE电磁时间常数; CM机电时间常数;     转矩; Rs电枢电阻; RF附加电阻。    根据方程式，调速方式也有两类三种，即电枢调压(基速下调)、弱磁(基速上调)，电枢串电阻，增加转速降。    下面，

11、结合高炉方案进行讨论。 4  高炉三种系统的控制特性和选型分析(1) 交流绕线异步电机串电阻调速    三相交流绕线异步电机串电阻调速特性曲线如图2(a)所示，由特性曲线可看出，绕线异步电机颇硬而起速瞬间力矩较小的特性，经串电阻后曲线下斜，特性变软，随电阻加大直至与下座标相交，但起步力矩加大，这正是起重机低速提升重物的常用方法，至今在天车等设备应用广泛。这一系统曾在中小高炉应用较多，且大都以PLC改进了操作系统，及采用微机秤重上料技术。然而这种系统电阻耗能，特性较软，随着新技术的出现和应用，目前在高炉上料已应用较少，呈淘汰之势。在此不多讨论。(2) 直流

12、电机调速    直流电机调速原理如上所述，通常转速式还可简化表示为:    ，KE为电机结构系数。而目前生产中普遍采用的是可控硅直流调速系统，且多为电压、电流或转速PID闭环控制，则无论是机械特性硬度，或其他运行指标，都较开环    系统好得多，当然系统结构和特性表达式也复杂得多，这里就不多叙述。    由图2(b)可看出，特性曲线线簇平直平行，且无下弯，这是因为，它激直流电机励磁磁场固有先建，基速以下电枢调压调速，无附加损耗，故而特性较硬，因此是一种原理简明、性能良好的系统

13、，长期以来，在许多重要特别是力矩及精度要求较高的设备，如龙门刨等应用较广。高炉上料也是如此，鞍钢、本钢、武钢、莱纲等大型高炉都曾采用，几年前，张钢在5# 400m3高炉改造上马中，仍选用了直流电机调速系统。只是目前高标准的直流调速系统，多采用数字式可控整流产品，控制准确、保护灵敏、使用方便、结构紧凑，张钢系统，直流电机为186kW，调速器选用了ABB-DCS400系列产品，容量为500V/1000A，操作系统由LC控制，限位信号由附装于电机的主令控制器发出，光码盘用于速度显示，有关信号综合于操作台板和上位计算机显示屏，如上所述，电机不运行于弱磁段，该系统当前运行稳定正常。(3) 交流异步电机变

14、频调速    近年来，随着微计算机和电力电子技术的进步，电机驱动领域中变频调速技术发展迅速，日益成为电力传动应用的生力军，高炉上料卷扬拖动也是如此。    变频调速的原理为:由异步电机转速式知，当供电频率变化时，可改变电机速度，这是变频调速的基本依据。变频调速分为两类，一类为通用变频器，即交-直-交(VVVF)变频器，一类为少数性能要求较高的交交直接变频，从大量普通用途出发，重点讨论通用变频器的原理。    所谓交-直-交变频，是把交流电源先整流成直流电源，并加以滤波，然后再逆变成频率电压可调的交流电源，

15、实际由整流器和逆变器两部分组成的，VVVF是可变压变频的英文缩写。由于异步电机赖以工作的激磁磁通，是以通电后定子和转子磁动势合成产生的，从稳定工作和产生最大力矩的需要，应使磁通保持大而恒定，从磁通式=KE/F KV/F来看，要想使恒定，必需在改变频率的同时，调整电压使V/F=常量，这就是恒压频比的控制方式，其机械特性曲线如图2(c)。从曲线特征看，上部基本是平直下移的，如同直流电机的曲线。所不同的是下部下弯，呈现一般交流电机的特性，根据电力拖动原理，基速以下基本属于恒转矩特性，不过由于频率过低时，起动激磁过小，因而力矩较小，所幸可以通过抬高电压的办法，补偿压降，加大起动力矩，如(c)中虚线所示

16、，目前国内外产品大都具有转矩提升功能，过载能力可至二倍，工作特性较好，保护功能和可靠性提高，且成本已逐步下降。    从以上分析可得出结论，通用型变频调速器具备了恒转矩工作和低速起调两大基本要素，可提供较大的起动力矩，能够满足高炉上料拖动的要求，如采用电压电流或速度闭环控制，性能还能提高。    那末，有些其他调速系统为甚么不能适合此项应用，入围几种系统的优缺又作何比较呢？    以下再作分析。 5  几种系统性能优势比较    从以上交直流电机的原理介绍发现，有些

17、方案性能和能耗较差，自然不被选用，如滑差电机;有些系统调速性能和效率本不错，但因具体原因被否决，如双馈调速，构成较复杂，可基速上调的优势不需要，串激调速节能性较好，但调速范围小，低速起动又不好解决;交交变频主要考虑成本不优先选用。还是以上三种，绕线异步电机串电阻调速逐渐淘汰的原因已说过，重点就是直流电机和通用变频调速的比较。    前边初步讨论过，直流电机调速特性几乎是完美的，可靠运行也无问题，然而与异步电机通用变频比较，还有几项指标值得讨论。首先直流电机与异步电机相比，构造和造价复杂高得多;其次从效率看，变频调速有相当优势;从调速器价格而言，二者相差不多，控制功

18、能接近;另外，从功率因数和电路谐波方面，有所不同，这里重点作些分析比较。    电气系统的功率因数()，定义为实际消耗功率(k)与视在功率(k)之比，准确一点说，与通常所说的从电路相角导出的OS(P)有所不同，只有当线路电压和电流都是正弦波时，二者才相等，实际功率因数受电路谐波和其它非线性的影响，比正弦波时的功率因数低标准直流传动与变频调速装置的区别在于，直流电机采用可控硅晶闸管SCR整流电路，属相位控制，因而会产生电压电流的相位差，速度越低，移相角越大，则功率因数越低，而高速时由于换相角保护，也不可能达到正弦波全导通，因此，直流电机调速系统功率因数不是很高，而且

19、会产生较多的电路谐波，带来较大的电磁干扰。而通用变频器的整流级采用二极管桥式整流，接电容器滤波，后边逆变部分较大的非线性及电机感抗造成的功率因数下降，因有电容和整流器的阻隔，无功电流只在逆变器和电机之间流动，并不直接向电网传递，这就是说，变频器对无功分量起到隔离作用，实际上，实用中可看到这样一种现象，就是变频器输入电流比变频器到电机的输出电流还要小些，当然这是指高速负载时作的比较，低速时电压也低，不同于变频输入电压，电流无可比性，而且空载时电路产生的谐波也还影响到功率因数，下面还要谈到，这就说明，总的来说，变频器系统可以提高电路功率因数，减小电网电流，这已成为提高工厂用电功率因数的可选措施之一

20、。    不过，有多种原因使得变频器的输出波形不是标准的正弦波，并会产生较大的电磁谐波，由于通用变频器输入桥式整流后接有滤波电容器，当空载时，电容充电电压接近输入电压峰值，使二极管不能全导通，呈脉动状波形，离正弦波相去很远，其中含有五次以上奇次谐波较多，而逆变器采用大量电子开关斩波电路，所生成的三相逆变电源也不完全是标准正弦波，含有许多脉冲尖峰，可通过传导、辐射、电磁耦合等方式影响到电网，严重时能影响到外部通讯仪表等正常工作，甚至自身的稳定运行，以及增加电机、变压器等电器设备的损耗。因此，这一问题不容忽视，但只要注意采取一定措施，提高设备的电磁兼容性，问题通常是能够解决的，所谓电磁兼容性EMC，是指一台设备不产生使其它装置不能承受的电磁干扰，又能抵抗外来不良信号影响，如合理布线，让电源线与信号线分开敷设，常常就能解决问题，又如，加接专用滤波器(分变频器前后)，可有效减小电路谐波，增加其抗干扰性。6  结束语    综上所述，针对高炉上料卷扬负载特性的需要，对各种电力拖动的原理和适用性作了分析，从技术应用发展的轨迹看来，绕线电机串电阻调速曾在生产中发过重要作用，随着控制，要求提高和节能的需要，直流电机特别是可控硅直流调速系统在大中型高炉上得到应用，由于近年来随着