变频器在电弧炉电极自动调节器上的应用

河北冶金总第109期Total109

HEBEIMETALLURGY1999年第1期1999,Number1

变频器在电弧炉电极自动调节器上的应用

李旭明　李振双　高莲秀

󰀁

摘　要　从提高电弧炉电极自动调节器的可靠性,延长变频器和电动机的使用寿命出发,分析变频器的参数设定方法及原理。

关键词　变频调速　起动转矩　电流调节

APPLICATIONOFFREQUENCYCONVERTERTOAUTOMATIC

ELECTRODEREGULATOROFELECTRICAREFURNACE

LiXuming　LiZhenshuang　GaoLianxiu

Abstract　Themethodandtheorytodeterminetheparametersoffrequencycon-verterareanalysedtoarisethereliabilityofautomaticelectroderegulatorofelectricarefurnaceandprolongtheservicelifeofconverterandmotor.

Keywords　speed-adjustingwithfrequencyconverting　startingtorque　cur-rentregulating

　　在电弧炉电极自动调节器上采用变频调速技术,使调节器的性能有了很大提高。但是,调节器在跟踪给定弧流的过程中,电动机处于频繁起制动状态;另外,立柱无上、下限位保护以及不导电炉料的影响,电机经常处于堵转状态,变频器和电动机因过热和过流报废时常发生。因此,避免变频器和电动机遭受起动和堵转电流的冲击,变频器的起制动参数和保护功能的设定成为设备正常运转的条件。1　变频器的起动

变频器的起动性能应满足以下三个方面:(1)恒最大转矩调速。调节器在自动状态时,电动机始终工作在额定频率以下,为保证恒最大转矩调速,必须随着频率的降低,适当提高定子电压对电动机转矩进行提升,我们把这种调节作用称为转矩提升。

(2)电动机的起动性能。在保证电动机起动转矩的前提下,降低起动电流。

(3)调节器快速性要求。为保证电弧电流快速跟踪给定电流的变化,要求起制动时间最短。

1.1　转矩提升

图1　恒最大转矩变频调速的机械性曲线

1.2　起动频率

此可得出以下结论:设电机的额定频率fe,任意频率f(f≤fe),电机的磁通保持不变,对于不同频率特性曲线,同位置处,电机输出转矩相等,则电机电流也相等。例如,任意频率f下,只要电机的输出转矩等于额定转矩Me,我们就认为电机电流I等于额定电流Ie。这样,就能用分析直流调速的方法分析交流调速。

采用转矩提升后机械特性曲线如图1所示,由

󰀁联系人:李旭明,承德(067002)承德钢铁公司炼钢厂

由图1可知,假设电机以额定转矩起动,电机的

收稿日期:1999-01-20

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起动频率Fqe由下式求得

　　　　Fqe=(n0-ne)・p/60

(1)

2　变频器的保护

电机加减速时间的设定,是在假定负载不变的前提下,电机以最大转矩起动到最大速度的条件下计算出来的。实际过程中受频率和负载变化的影响,加速时间不可能最短,瞬间的负载扰动仍然会造成变频器保护跳闸。因此,必须使电机电流受控,采用带有电流限定作用的电流负反馈可有效解决这一问题。

2.1　电流限定

其中n0为额定空载转速,ne为额定转速,p为电机极对数。

如果电机以最大转矩Mm起动,电机的起动频率Fqm由下式求得:

　　　　Fqm=Sm・n0・p/60

(2)

其中Sm为临界转差率。

假设电机的负载转矩等于额定转矩,当起动频率低于Fqe时,电机堵转,输入电能使电机发热;当起动频率大于Fqm时,电机起动转矩减小,起动电流增大,因此,起动频率的选择范围是

　　　　Fqe由于电极自动调节器采用自适应PID控制,必须有一个不灵敏区防止系统产生振荡,造成电机过热和机械磨损加剧等不良后果,同时为了防止电机爬行,同样应将起动频率设为Fqm。

图2是变频器的控制原理框图,速度调节器的输出限幅取决于电机最大电流Idm,即　　　　Ugi=K・Idm

(4)

其中K为调节系数。当电机电流小于电流限定值Idm时,电流调节器不起作用;当电机电流大于Idm时,电流调节器开始降低控制电压,通过降低变频器的输出频率来达到降低电机电流的目的,直到降低到电流为Idm对应的频率为止。这就是电流的自动调节过程。

图2　变频器控制原理框图

　　为了满足调节器快速性能的要求,实现所谓的最短时间控制和时间最优控制,充分发挥电机的过载能力,电流限定值必须小于电机最大转矩Mm对应的电流Im。我们设加减速时间为自动调节,起动频率Eq=Fqm,电流限定值Idm=Im,采用电流负反馈,分析电机的起动过程:变频器起动后,电机按设定电流Im以最大转矩Mm恒流升速,当变频器输出频率与给定频率相等时,电机沿该频率下的固有特性曲线升速到负载转矩对应的速度,整个起动过程如图1包络线所示。

2.2　过流保护

值,不会造成变频器过流保护跳闸,因此,调节器采用有电流限定作用的负反馈后,瞬时的负载扰动也不会使变频器保护跳闸,只有变频器的输出端(外线或电机)短路才能使变频器过流保护动作,因此,调节器的可靠性大大提高。

变频器是通过降低电机频率来电机电流的,它只对加速和稳速过程中的过流起作用,对减速和制动过程中的过流无法保护,减速期间的过流只能通过延长减速时间来解决。3　变频器的制动

电极自动调节器升降机构同辊道、吊车提升等需要反复制动的生产机械一样,制动参数的正确选择成为设备正确的条件,首先说明制动原理。

3.1　泵升作用和再生发电

假如电机堵转,电机电流远大于电流限定值Im,电流调节器动作,变频器的输出频率迅速降低到Fqm,则电机电流降至Im,避免变频器和电机遭受大电流的冲击,起到快速安全的保护作用。

由于变频器的电流限定值远远小于其过流保护52由图3可知,变频器的主电路采用交直流电压型,R1是电容C的充电限流电阻,正常工作时由可

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控硅KP切除。正常情况下,电容C和电机通过六个续流二极管进行能量交换。如果电机的转子转速超过给定频率下的同步转速,滑差为负,那就不管反电动势多低,六个续流二极管都会将电机的再生能回馈给直流回路,这就是电机的再生发电状态。由于直流侧并有大电容,极性不能改变,而续流二极管又只能单方向流过电流,势必使电容电压升高,电机制动时间加长。从能量角度讲,再生发电状态时,只有电容C吸收能量,它不但吸收电感储存的全部磁能量,而且连制动产生的全部电能也一并吸收进去,不管反电动势是高是低,如果没有吸收再生能量环节,电容上电压将升高,直到引起过压保护跳闸,这就是泵升作用。

再生制动问题有以上三种方案:

(1)送回市电。这就需要一个逆变器将直流变成交流,当再生能量大或技术含量高时可用。(2)共用直流母线。在自动化生产线下同时使用多台变频器时,它们的直流母线可并联使用,此方案适用于不同时制动的场合。

(3)制动电阻。我们所用变频器采用这一方法,图3中制动电阻R,二极管D和晶体管Q共同构成制动单元,在减速和制动过程中,制动单元进行斩波将多余的再生制动能消耗在制动电阻上,保证电机快速制动。

制动电阻是变频器的附件,是用来吸收多余的再生电能的,它的选择应根据以下原则:首先计算由机械能、位能等转换过来的电能,再根据制动时间和制动转矩选择制动电阻。制动电阻有现成的产品,分为长期和短期两种定额,一般制动时间大于20秒时选择长期定额。4　应用效果

采用变频调速,可以对电机直接进行起动,不需要复杂的起动设备,是起重设备的首选方案。但是,变频器属于电子产品,合理设定其参数,开发它的保

图3　变频器主电路原理图

为了防止过压跳闸,以及再生发电过程中制动时间过长而影响调节器性能,应将发电过程中送回直流回路的电能吸收掉,这就是再生制动问题。3.2　再生制动

再生制动的目的就是防止电容电压升高,解决

护功能,提高设备的可靠性就显得尤为重要。自从我们对电机的各种指标进行认真计算,重新修正变频器参数后,至今未报废一台变频器,变频电机在车间内使用寿命最长,每年为我厂挽回十多万元的损失,为变频器在其它方面的应用提供经验。

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7.2.5　终渣调节剂的加入量

为保证终渣中(MgO)与(FeO)所形成的固溶体有较高的耐火度,必须增加镁球用量,但这将造成溅渣成本上升,且终渣中过多的(MgO)不利于下一炉次的脱S反应。针对这种情况,石钢采取了对高硫铁水进行预脱硫扒渣措施,使终渣(FeO)降到16%以下。8　结束语

由于采取了一系列措施,特别是1997年实行溅渣护炉工艺以来,石钢30t转炉的炉龄日益提高,1998年已达到2880炉,比1996年末溅渣护炉前的平均炉龄696炉提高了3倍。但是,这与目前的国内先进水平还有较大差距,石钢公司仍将继续探索溅渣护炉等提高炉龄的有效技术,争取逐步达到先进水平。

石钢终渣(MgO)含量一般为3%～4%,为提高挂渣层的耐火度,延长挂渣层的护炉时间,有必要加入镁球。在上述留渣量的情况下,加入100～200kg轻烧镁球使终渣(MgO)含量达到7%～9%。加入的镁球要求氧化镁含量大于70%,粒度10～30mm,清洁干燥。

向炉内加入镁球的方式由炉底的变化来决定。如果炉底正常,出完钢后加入镁球溅渣;如果炉底出现轻微上涨,则在吹炼开始8分钟内加入镁球,出完钢后直接溅渣。

7.2.6　终渣(FeO)含量

由于拉碳低,终渣(FeO)较高,为18%～20%。

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