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摘要：文章详尽地介绍了宝钢股份有限公司兴建的宽厚板轧钢厂的起重机使用交流变频调速的情况；用运行中测量的数据及运行波形图阐述了其可观的效果；同时指出了方案设计的不足之处
英文摘要：In this paper, the frequency variable adjusting speed technology application situation is introduced on the hoist of generous board factory in Baoshan iron and steel Limited Company. Also the considerable results are explained with the data measured while operating and operation oscillogram, and the weak point of conceptual design is pointed out at the same time.
关键词：交流变频调速 节能 波形图
1 引言
宝钢宽厚板厂是宝钢“十五”规划的重点工程项目之一。全厂总投资47亿元。设计年产热轧宽厚板180万吨。该工程分两期建成：一期工程建成5.000mm宽精轧机一架以及精整个条生产线、外围设施，年产热轧宽厚板140万吨。待建二期预留5.000mm宽厚板初轧机一架以及第二剪切线、第二热处理线等。设计轧制常规宽厚板产品规格为长度：(Max)25.000mm，宽度：900～ 4.800mm，厚度：5～150mm(二期时为400mm)。产品单重：Max.～24t(二期时Max.～45t)。由于生产工艺所需，宽厚板厂主要作业线由板加区(板坯库及加热炉)、轧机区、磨辊间、冷床区、剪切线、精整区、特厚板处理设备、热处理线、涂漆线、成品库等组成。在生产过程中，轧件(钢板)所经的主要路由是辊道，即采用辊道运输。但是，需要过跨的轧件则采用过跨台车以及过跨起重机中转。在轧制过程中轧件的吊运量相当大，因而起重机的用量亦相当大。
2 宝钢股份宽厚板厂所设起重机概况
宽厚板厂设计使用起重机67台。其中一期阶段45台、二期增加22台(待建)。起重机在厂房内的布局如表1所示。 （图片） （图片） （图片） 起重机由德国SMS公司提供技术、设计，部分直接从德国整机引进，其余由太原重型机械厂、大连起重机厂制造及组装、调试。宽厚板厂的起重机均采用双小车双主卷扬机结构或单小车双主卷扬机结构形式。一般各条主作业线的起重机选用单小车机构，成品库的起重机选用双小车结构。小车上的两台卷扬机的机械部分用一根长轴直接连接以实现两台卷扬机机械同步。每一台小车(即两台卷扬)配有相应长度的扁担形吊具(樑)。为了防止吊具摆动，吊具樑的两端通过三级可随吊钩的上下而自动伸缩的金属导筒与小车樑直接连接。由于在生产过程中，轧件(钢板)均采用电磁方式起吊，所以每台起重机都配有与吊具樑的长度相适应的电磁挂樑。电磁挂樑通过吊具(樑)上的挂钩直接与吊具(樑)相连接，目的是为了方便电磁挂樑的折卸。双小车式的起重机则配有两根各12m长的电磁挂樑，单小车的起重机配有一根25m长的电磁挂樑。最长的电磁挂樑长42m。每根12m长的电磁挂樑上配有5个矩形的电磁吸盘，25m的电磁挂樑上配有9个矩形的电磁吸盘，42m长的电磁挂樑上配有16个矩形的电磁吸盘。图１为单小车式结构示意图。双小车起重机的卷扬及电机、导筒、电磁挂樑的配置方式与单小车的配置完全一样，只不过是两套而已。
宝钢股份宽厚板厂的起重机，除了主轧跨和磨辊间的起重机主要用于轧机牌坊及大电机安装、检修的吊运以及轧辊修磨间轧辊的吊运外，其余起重机全部用于生产过程中各生产线之间轧件的吊运或倒运。如向过跨电平车装卸钢板，板坯库中的起重机用于收集从连铸送来的连铸板坯，成品库中的起重机用于收集从剪切线以及从涂漆线送来的各种不同规格的成品热轧板并按预定的模式堆垛、热轧成品钢板的装车发货以及各生产线之间钢板的吊运等。（图片）
图1 单小车式结构示意图 从表1可知，这些起重机的起重量最大的是(主轧跨的)400/100t，它的主要、特殊的用途是为在设备安装及设备检修时起吊轧机牌坊及轧机驱动用大电机。起重机的跨距一般为33m，冷床跨起重机的跨距为最大即是42m。起重机的大车最大走行速度设计为60~100m/min，卷扬的上升和下降的最大速度相同即最大速度均为10m/min，小车的最大运行速度为15m/min。钢板的过跨全部用专用的电动过跨台车来完成。
3 交流变频调速技术在宽厚板厂起重机调速的应用情况
宝钢宽厚板厂的起重机(检修用吊车除外)，从大车走行电机驱动、小车走行电机驱动、卷扬电机驱动等无一例外地实现了交流变频调速。根据电机功率的不同选用了与之相匹配的德国西门子生产的具有全数字化、具有矢量控制功能的(CUVC)6ES70系列变频器作为控制装置。一般，每一台卷扬电动机由一台变频器驱动，每一台起重机的大车走行电动机由一台变频器驱动，每一台起重机的小车走行电动机由一台变频器驱动。考虑到调速精度和定位的不同要求，小车走行系统、卷扬机系统安装测速编码器，实现速度闭环矢量控制。而大车走行系统采用了速度开环矢量控制。每一台起重机上的各个系统之间的协调、限位的状态检测及控制、制动器状态的检测及控制、蹬机信号和安全门状态的检测及控制等由一台PLC来协调控制。
起重机的供电仍采用了传统的方式，即AC380V动力电源通过滑触线引上机后不另设隔离变压器，而是在经过隔离开关后直接接到变频器的输入端。由于选用的变频器是二极管整流，没有能量回馈功能，不能把重物的位能以及动能馈送电网。由于这个原因，不仅会造成系统的制动能力差，更重要的是会导致变频器的直流环节过电压，引起变频器故障或相关元件损坏，迫使系统无法正常运行。
为了解决上述问题，宽厚板厂的起重机所用的变频器采取了直流过电压限制措施：即用电阻器吸收变频器直流回路的过电压，保持电动机有足够的制动转矩。
宝钢宽厚板厂的起重机分别由中国十三冶金建设公司、上海宝钢冶金建设公司负责安装，德国西门子公司、上海宝钢西门子公司负责调试。一切工作进展顺利。由于在调试中发现两台卷扬机实行机械同步存在一些问题，故在技术上没有得到根本解决之前，所有的为实现两台卷扬机同步运行的长轴都暂时不予使用。电气传动系统调试都十分顺利。
图2是录制的DE-6号起重机一台卷扬控制系统的电动机的速度、电流、转矩波形图(从静止～下降１档～下降４档～下降１档。图中下降3档开始转矩降低是导筒的自重造成。)。从波形图中可以看出系统的速度特性卓著，低速段的性能尤为可佳，加、减速力矩十分稳定，过渡过程也很理想，系统的转矩特性也十分理想，是其他交流调速控制系统的性能望尘莫及的。（图片）
图2卷扬控制系统100%负荷时的波形图 表２示出了DE-6号起重机电动机的主要参数。表３示出了DE-6号起重机运行时的实测电流数值。从表中的数据可看出同一台卷扬电机在同一速度档的上升电流大于下降的电流，这是因为上升时系统的机械损耗、电动机的电磁损耗及热损耗全部由电网提供(准确的说由变频器提供);下降时系统的机械损耗、电动机的电磁损耗及热损耗全部由重物提供，此时测得变频器的电流仅仅是回馈到变频器的那部分能量，没有包含损耗的那部分能量。还可以看出，重物的运行速度越高电动机的电流越小。由矢量控制理论可知，卷扬低速运行时虽然电动机等效电流大，但是其等效端电压小。表2DE-6号起重机电动机主要参数
（图片）表3 DE-6号起重机电动机运行实测电流值
（图片）起吊重物110％负荷
（图片）由于现场设备安装的需要，宝钢宽厚板厂的起重机从2004年的6月份就陆续完成本体的安装调试，陆续投入设备吊装运行。从这段时间使用结果的看，这些起重机的控制是相当理想的，完全能满足复杂的生产作业的需要。自宝钢宽厚板厂2005年4月正式投入生产后，所有的起重机均投入正式生产运行，其运行情况进一步显现出其优越性能。例如起重机(带电磁挂粱)下放钢板，基本感觉不到钢板对地面的冲击。事实证明该项目(特指变频调速技术用于位能负载)是相当成功的。
4 评价及探讨
宝钢宽厚板厂起重机应用(特指卷扬系统)变频调速控制是续宝钢股份“大院”内二炼钢厂炉外精炼设备IR-UT及RH-KTB氧枪紧急提升(改造)成功应用后把变频技术大规模应用于起重机卷扬系统(位能负载)的又一个范例。它彻底结束了多年来在宝钢股份“大院”内的行家们关于“交流变频调速技术能否应用于位能负载即卷扬系统的喋喋不休的争论”。为今后变频调速技术在宝钢股份内起重机卷扬的系统的改造应用奠定了坚实的基础、叩开了一扇曾经被认为不可叩开的大门。
大约20年前，国外就有相关的报道，并指出交流变频调速技术应用于起重机的卷扬系统可以节能70%。笔者也曾就此做过相关的理论分析、研讨，其结论亦相同。不难理解，就卷扬系统而言：重物被从地面提升了一定的高度h，系统从电网吸取电功w0，除w0的一小部分(wS1)作为系统在提升过程中的损耗外，绝大部分转换为位能即有w0-ws1=(mgh)1。当重物被下放到原来的位置时，除它所具备的位能(mgh)1的一小部分wS2被系统损耗外，其大部分被转换为动能即：mv2(mgh)1－ws2(其中v为重物下降到最低位置时的瞬时速度)。当重物下降到最低位置时其速度变为０。即mv2W0-(Ws1+WS2)这部分能量全部回馈到电网，就是卷扬变频调速时节约的能量。它约占总能量W0的70%。它可以通过电动机转换成电能后由回馈装置回送到电网。在过去普遍应用的交流电动机二次串接电阻调速以或交流电动机定子调压调速系统中，这部分能量全部以发热的形式被消耗在二次电阻上了或被消耗在制动器的制动轮上。大车、小车的运行亦大体如此。车体被起动、加速，系统自电网吸取的能量的一小部分用于克服各种阻力，其大部分被转换成车体的动能。当车体从减速运行到停止运行的过程中这部分动能被电动机转换成电能，或是回馈到电网、或是被功率电阻消耗掉。
变频调速技术用于起重机的控制虽然设备的一次性投资较大，但是它带来的效益不可忽视：
(1) 大大提高起重机的控制性能, 使起重机完全能满足各种要求严酷的作业条件，由此可以直接提高产品的产量和质量，因而可以间接提高济效益。宝钢宽厚板厂的实际应用证实了这一点;
(2) 回馈电能、节能。至多2～3年就可以收回成本，经济效益相当可观。但是，要实现能量回馈需要另外增加整流回馈装置，设备的增加必然带来投资增加，同时起重机上安装设备的空间也受限制。如果考虑在地面电气室安装整流回馈装置，直流电源通过滑触线引上起重机，在机上实现逆变后对各台起重机供电，不仅解决了起重机上缺少安装空间位置的问题，还可以减少整流装置的投资。
宝钢股份宽厚板厂的起重机全面使用交流变频技术。仅仅利用了提高调速性能这一个方面而没有实施能量回馈，就这一点而言，可以说是一大的缺陷。
由于目前变频装置的价格较高，变频技术在起重机上普及应用还有较高的难度。
5 结束语
随着电力电子技术的不断发展，变频装置的价格将会大幅度的下降，交流变频技术在起重机上的应用将会得到普及。
12/21/2005
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