高炉料车双电机双变频控制.docx

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高炉料车双电机双变频控制

国家职业资格全国统一鉴定

维修电工技师论文

（国家职业资格二级）

论文题目:

炼铁厂卷扬双料车双电机变频

控制系统应用

**********

身份证号：

准考证号：

所在省市：

山东省日照市

所在单位：

日照钢铁有限公司

炼铁厂卷扬双料车双电机变频控制系统应用

姓名：

***

单位：

日照钢铁有限公司

摘要：

随着我国现代化进程的不断加快，在各个领域的发展过程中对钢铁需求的数量与质量与日俱增。

我国的钢铁生产工艺正向数字化的高新技术方向发展。

作为整个钢铁生产中的重要环节，高炉炼铁工艺中高新技术的应用尤为重要。

其技术指标如何，对整个钢铁工艺流程有着直接和显著的影响。

高炉上料卷扬系统是炼铁生产中的关键设备，主要作用是将炼铁所需的各种原料源源不断地送到高炉内，保证高炉炼铁的正常需要，而整个高炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备。

早期的传动调速控制方法多采用直流电机调速或绕线异步电机串电阻、串级等调速控制方式，效率低，可靠性差，用交流变频替代上述调速方式，可以取得理想的效果。

450m3、580m3高炉多采用单电机拖动，双变频配置一用一备运行方式。

本文结合日照钢铁厂的八座1080m3高炉，介绍高炉主卷扬上料设备及变频系统的配置情况,并介绍了国内使用数量不多的双电机双变频控制系统的控制功能及参数设置,最后对主卷变频控制系统设计及系统运行过程中遇到的相关问题进行了分析讨论。

关键词双变频控制双电机上料

第一章系统配置

1.1上料设备

7#-14#高炉设计炉容均为1080m3，采用双料车交替上料，配套上料系统设备情况为：

主卷电动机为YTSZ355L-4交流变频调速三相异步电动机2台，3相380V，315kW，4极，Ie=550A，ne=960rpm，5-50Hz，防护等级IP44，工作制S1。

抱闸制动器ED301/6电力液压推动器2台，3相220V/380V，△/Y接法，功率550W，额定推力3000N，行程60mm。

正常卷扬能力（KN）：

110；变频调速三相电动机功率：

315kw，50Hz最大卷扬能力（KN）：

140；卷扬速度（m/s）：

2-44；卷筒直径：

1850mm；钢丝绳直径：

38mm料车：

8.5m³

主卷减速机TQJK1500三齿环减速器，减速比i=1：

43.8。

1.2变频控制系统

每座高炉主卷扬成套变频系统共有12台控制柜，GGD柜型，4台主卷变频柜，4台主卷变频控制切换柜,2台电阻柜。

主卷扬电机配套4台变频柜，两用两备，通过控制切换柜内8台LC1-D620接触器进行完全切换。

变频器均采用西门子公司产品，型号为6SE7037-0EK60，功率455-573KVA，额定电流690A，脉冲频率1.7-2.5KHZ，过载能力136%-60s。

每台变频器配置西门子6SE7037制动单元1台，每台制动单元配套RX16-2500W/40Ω背漆波纹制动电阻16只，并联连接，整套变频系统共配制动电阻64只，制动电阻安装在2台电阻柜内。

成套变频柜预留相应外接PLC和主令控制接线端子排，控制切换柜设有主卷抱闸控制回路及主令控制回路。

主卷扬变频系统主控原理如图1示，4台变频器两用两备（互为备用），通过选择开关切换，7#-10#高炉根据控制方式可选择4种上料组合方式，11#-14#高炉最多能实现12种上料组合方式（包括单机上料）。

图1主卷扬变频控制原理图（主回路）

第二章控制系统设计

主卷扬变频控制系统具有上位机自动、手动和机旁手动三种操作方式。

上位机自动操作方式主要通过高炉本体西门子400PLC与料车上料西门子300PLC共同自动控制上料。

机旁手动操作方式主要用于设备调试、自动系统故障、变频器故障时使用以及检修、极限调试和紧钢绳时使用。

主卷扬料车设高、中、低、弯轨速度四级速度控制由变频器多段转速设定，满足技术、生产工艺对上料时间的要求，低、中、高速、弯轨速度分别设为7、25、45、5Hz（图2）。

为保证料车起动平稳，变频器加速模式按双S型设定，保证料车出料坑时低速，出料坑后尽快平稳达到高速，料车到达炉顶前快速平稳减至低速，到达弯轨时变为5HZ确保准确停车，提高料车运行的安全性；根据生产需求各速度段时间均可调节，以便达到最佳运行状态。

图2料车运行速度曲线

为防止打开抱闸器瞬间料车溜车，机械抱闸器打开时变频器建立了足够的提升转距，由变频器输出频率检测信号控制抱闸器打开，设定检测频率为4Hz。

为提高变频器低频时的输出转矩，设定转矩提升为3.1%。

用主令控制器实现主卷扬料车加减速及行程极限控制，主卷扬左右料车行程极限均分为上限、下限、减速一、减速二、低速检查等。

控制系统还设有过流、过载、松绳、超极等多种保护功能，一旦系统保护，变频停机，同时抱闸电机失电紧急抱闸。

变频器外配有制动单元、制动电阻结合机械抱闸，实现准确停车。

控制系统还设有料车超速和溜车保护，当料车速度超过设定速度时自动抱闸停车，料车上行或停车时出现溜车（即按控制命令的反方向运行），系统自动控制变频器停机，同时制动器抱闸停车并报警提示。

后来根据实际运行需要，又加装智能主令编码器一套，在料车溜车和变频器通讯中断料车没有力矩输出时，能够及时使料车抱闸关闭，防止发生料车冲顶挂车等影响生产和安全事故。

用于控制溜车保护。

第三章设计、运行过程中相关问题探讨

高炉主卷扬是高炉上料系统的心脏，高炉冶炼原料必须通过主卷扬料车输送至炉缸内，所以，它的稳定运行直接关系到高炉的正常生产。

现就其变频控制系统设计、运行过程中相关问题进行分析。

3.1主从电机的同步控制

双电机上料的最大难点就在于两个电机之间的同步问题，设计之初7-10#高炉变频器之间采用光纤通讯，SIMOLINK（SiemensMotionLink）含义是：

以光纤电缆为传输介质的数字的串行数据传输协议；作用是：

使变频器与上位机之间在共同系统时钟下所有连接站的同步，快速及精确的过程数据周期传输。

11-14#高炉起初用DP通讯，采用双编码器反馈的闭环控制，但因同步要求精确影响，主从机偶尔出现不同步现象，后改造为单编码器控制，主电机采用闭环控制，从电机采用开环控制，主机是接受的速度给定，参数号是P443；从机接受的是力矩给定,参数号P486。

通过调节P116、P235、P602等参数调节料车启动使得同步性。

经过改造后观察，该系统运行稳定。

3.2变频器选型

高炉上料卷扬系统的特点是主卷电动机工作频繁，负荷重，启动转矩要求高,要求有足够的提升、运载能力，上料量及上料速度要满足高炉强化生产的要求，所以变频选型时首先要注重可靠性。

变频器设计转矩计算比较复杂，实际选用时多以经验选型，变频器容量应比卷扬电机容量大1～2挡。

3.3变频器故障复位

由于变频器的保护功能很强,在实际运行时变频器故障保护很正常,因此，一旦变频器故障不要自动复位,因为故障原因可能依然存在,自动复位继续运行会存在安全隐患。

本系统设计可从上位机复位和控制面板复位两种复位方式。

出现故障时应将控制模式切换至手动模式，再进行变频复位，必要时先检查故障原因。

3.4制动单元、制动电阻的选配

对双料车卷扬上料系统在上料运行过程中变频器均工作在第1象限，在料车定位停车时，除采用机械抱闸制动外，还要求变频器实现能耗制动，防止变频器制动停车时直流母线泵升电压过高报警甚至损坏变频器。

经验表明虽然通常情况下制动能量不大，但最好还要按照重载频繁运行工况选配制动单元和制动电阻，因为在实际操作中或设备调试时很有可能会出现操作失误，出现重料车或单料车向下运行的情况，一般的速度反馈监测及预防飞车措施并不能防止此情况发生，此时变频器工作在第2象限，很大的回馈能量须由制动电阻消耗掉。

3.5变频器的冲击电流与运行电流

根据观察主卷变频器运行时频率和输出电流变化曲线，谷峰电流出现在料车出地坑后加速过程（约5.5s），通过调节P462加速时间，均不超过变频器额定电流。

变频器最大电流值出现在料车起动瞬间，该电流其实就是变频系统起动冲击电流，通过统计计算，系统运行时变频器输出的最大电流即冲击电流约为额定电流的165%~175%，基本与上料重量关系不大。

3.6独立的PLC控制系统

较早时间的国内炼铁厂高炉主卷扬变频柜采用继电控制回路，变频柜内部及变频柜与总控PLC系统存在较多的信号转换及联锁，运行时曾因控制抱闸接触器的中间继电器辅助触点被卡而造成料车“飞车”的严重事故。

因此日钢新建的高炉上料变频柜控制系统本身采用了一套西门子300PLC来完成基本的联锁及控制，减少了原继电控制回路的继电器等分离元件，减少了总控PLC与变频柜之间的连线，使上料变频柜自成一个小系统，提高了整个系统的可靠性，同时也便于设备单独调试运行。

第四章防止料车“飞车冲顶”的措施

料车飞车失控是高炉卷扬上料系统最严重的故障之一，会严重损坏轨道及卷扬设备甚至炉顶设备，导致上料系统瘫痪，高炉被迫休风停产。

造成料车飞车的原因或者是控制系统失控，或者是机械设备故障。

早期的主卷扬设备制动抱闸电源一般直接取自主卷电机定子绕组，电机得电产生力矩后抱闸器得电打开，若电机失电则抱闸随之失电制动。

但在使用变频器时抱闸电机电源必须取自变频器输入电源端（电源母线），这样就可能存在料车上料过程中或在轨道中途再起动时系统出现故障须停机，但由于种种原因抱闸控制电路不能失电抱闸（上述“飞车”事故就是由于中间继电器辅助触点被卡而造成的），料车将在重力作用下失控，飞车下滑。

采用速度闭环控制方式，速度反馈采用旋转编码器，脉冲信号送给变频器，通过总线与PLC联网，一旦出现飞车失控的现象测速装置就会向系统发出真实的速度信号，PLC马上发出停车抱闸的指令。

本系统采用了增加了一套型号为PVM58N-011AGROBN-1213的智能主令编码器，控制精度增大到毫米，它的通讯方法是PFB通讯。

安装位置是在卷扬滚筒。

正常工作电压24V，连接线为DP电缆并为编码器专门配置了单独的24V电源，它和主卷扬300PLC组成了一套PLC系统。

在料车溜车和变频器通讯中断料车没有力矩输出时，能够及时使料车抱闸关闭，防止发生料车冲顶挂车。

在实际应用中又增加双主令控制系统来预防机械方面出现的主令脱齿现象，即料车上料过程中由2个主令控制器共同参与料车的变速及停车控制。

通过上述措施从电气方面已可靠解决料车挂车冲顶现象。

第五章运行中改进与故障处理

5.1技术改进

5.1.1松绳开关原设计为机械式行程开关，因此开关属保护设备，平时不动作，所以时间长了会出现机械锈死和电气触点氧化等现象，影响了该系统的稳定性。

改进为接近开关后解决上述问题。

5.1.2原设计料车东西车上行是各根据自己的料车主令控制器的状态动作，但因主令控制器与减速机的链接为齿轮连接，齿轮磨损和机械振动都会引起脱齿的现象，造成料车冲顶。

后通过维护人员改进为双主令共同控制料车上行，大大增加了料车上料系统的稳定性。

5.1.3防溜车措施，后期在主令控制器旁加装智能主令编码器，通过程序判断进行精确控制。

5.2故障处理

F001如果已设置主接触器返回信号，在下达开机命令后，经P600设定时间后仍无返回信号。

对他激同步电机（P095=12），励磁电流单元无返回信号。

检查P591（SrcContactorMsg）参数值必须与主接触器返回信号一致，检查主接触器返回信号电路。

（或在同步电机时，励磁电流单元返回信号）

F002Pre-charging在预充电时达不到80%的最小直流母线电压（P071线电压x1.34），超过3s的最大预充电时间。

检查电源电压；与P071线电压相比较（在直流装置将P071与直流母线电压相比较）；检查直流装置上的整流/回馈单元；整流/回馈单元必须先于逆变器投入电网。

F006DClinkovervoltage由于直流母线电压过高，该装置关机。

r949=1:

主动装置直流母线过电压r949=2:

从动装置直流母线过电压。

检查电源电压或输入直流电压。

变频器在无回馈可能的回馈模式下运行。

如变频器电源电压达到上限并且工作于满载状态，当有缺相时，F006报故障。

或许:

1、增大P464下降时间2、激活P515DC母线电压调节器（预先检查P071）3、减小P526搜索速度4、减小P259最大发电功率（仅适用于P100=3，4或5）。

F008DClinkundervoltage直流母线电压（P071线电压）降到其值的76%以下，当动能缓冲使能时，降至61%以下。

在“正常”运行（即无模拟）时直流母线欠电压。

在激活动能缓冲时直流母线欠电压和转速低于电机额定转速的10%。

发生了“短时电源故障”，这只能在电源重新恢复后才能检测到（自动再启动标志）。

检查:

输入直流电压、直流母线。

F010由于直流母线电压过高，该装置关机。

1、检查电源电压

2、检查制动电阻

3、变频器在无回馈可能的回馈模式下运行，制动单元被设置到较低的响应阈值（673V）。

F011该装置由于过电流而关机。

超过关机阈值。

检查：

1、变频器输出是否短路或有接地故障

2、负载处于过载状态

3、电机与变频器是否匹配

4、是否动态要求过高

F012在异步电动机励磁期间，电流未升至空载工作设定的励磁电流的12.5%。

仅适于闭环n/f/T控制（P100=3，4或5）如果未接入电机则进入模拟模式P372。

检查电流检测，检查功率部分。

F014在电动机激励期间，电流量未升至电机空载电流的25%。

注意:

仅适用于U800=1，不考虑控制型式（与F012不同）

检查：

1、输出接触器2、电动机电缆。

F015Motorstall电机已堵转或失步。

检查:

1、降低负载

2、释放抱闸

3、提高电流极限

4、提高堵转时间P805

5、提高设定值-实际值偏差阈值P792仅对于f/n/T控制（P100=3，4，5）

6、提高转矩极限或转矩设定值，仅对于n/T控制或带速度调节器的v/f控制:

（P100=0，4，5）

7、检查测速机电缆

8、检查脉冲编码器的脉冲数

9、检查模拟测速机标度

10、电机侧和变频器侧测速机电缆屏蔽层是否接11、降低转速预控制的平滑度P216（仅n/T控制）仅对于频率控制:

（P100=3）

12、缩短加速时间（见P467-ProtRampGenGain）

13、增大低频时的电流（P278，P279，P280）

14、接通转速调节器预控制（P471>0）。

设置EMF调节器动态（P315）最大系数为2

15、提高EMF模式的转换频率（P313）。

当n/f调节器过调制时，用带脉冲的编码器通过速度调节器代替

16、转速设定值用转速实际值跟踪，这样设定实际值偏差总是小于P792设定值，仅对于同步电机:

（P095=12）

17、检查励磁单元的电流极限

17、检查励磁电流设定值和实际值（包括接线）

18、检查在电流动态变化时励磁单元的电压极限

19、检查传动系统的共振

F017仅用于增强书本型。

在运行期间（仅增强书本型装置）安全停车工作或24V电源故障。

检查:

是否使用安全停车跳线器？

是否连接安全停车返回信号？

在增强书本型检查24V电源。

F018寻找到的设定频率不能实现，原因是:

辅助设定值2过高；静止状态时速度实际值是负值（信号纹波）且负向旋转闭锁。

检查:

辅助设定值2用低的最大转速启动负向旋转。

F019Motornotfound在不带测速机的捕捉再启动期间：

不可能在两个方向搜索（1个方向堵转），而且电机未找到。

处理：

在电机自由停车后再通电增加P525搜索电流。

两旋转方向使能（P571，P572）。

F020Motortemperature已超过电机极限温度r949=1电机温度超过极限值，r949=2至电机温度传感器或传感器电缆短路，r949=4至电机温度传感器或传感器电缆断路，r949=5电缆断路且超过极限值。

检查：

电机（负载，通风等）。

电机实际温度可从r009读出，检查P381电机温度故障，检查KTY84输入插头X103:

29，30或X104：

29，30（增强书本型）是否短路。

结语

日照钢铁有限公司8座1080m3高炉主卷扬上料系统均采用西门子变频器加制动单元、制动电阻进行调速控制，高炉已分别于2006年至2007年投入运行，在系统调试运行过程中，发现了一些设计隐患和不足，通过不断改进，目前设备运行平稳，料车启动平稳，停车位置准确。

该系统的成功应用也为其它相同高炉用户设计和维护时借鉴。

参考文献：

1、《使用大全》西门子

2、

3、《高炉主卷扬双料车变频控制系统》郑州大学李永刚

4、王晓柏等].以变频器为核心的高炉卷扬控制系统[J].变频器世界,2004,1：

101-103