桥式起重机节能调速技术改造

1 概述 宝钢炼钢厂废钢桥式起重机主要负责废钢起吊以便向转炉供料，该设备24h连续工作，一旦停止运行会直接影响转炉炼钢生产。该桥式起重机电气控制系统是1985年引进日本安川公司生产的调压调速控制产品，经20多年在100%负荷率下运行，见已出现许多问题： (1)主起升机构电机为绕线式电动机，通过可控硅调节电机定子交流电压和改变电机转子电阻相结合的方式进行调速控制，其他系统均采用继电接触器控制，接触器动作频繁(年均百万次)，故障率高，且备件消耗量大； (2)转子用电阻器长期处于发热状态，故障多，电阻器发热消耗大量能源，粗略测算年耗电十几万度； (3)受当时控制水平所限，定子调压系统采用模拟控制方式，技术落后，备件很难采购。同时由于分离元件寿命短、离散性高，影响调节系统的稳定性，因而须经常调整控制系统参数，模拟系统参数调整较麻烦，时间长，常常影响设备正常使用； (4)测速发电机的速度反馈装置故障率高，占整个调速系统故障的80%以上； (5)很多元器件老化，故障率高，滑环、接触器、电阻器等故障频繁； (6)部分元器件厂家己停产，无备件更换； (7)整个控制系统耗能大，不利环保节能。 2 主要改造方案 (1)将定子调压调速系统改为带电能反馈的节能型变频调速系统； (2)取消转子电阻，取消接触器控制； (3)采用直流母线方式、传动系统整流回馈装置和逆变器进行控制； (4)改造绕线式电机，使之能用于变频控制； (5)桥式起重机变频调速控制系统一直由外商提供技术和产品，考虑现场改造的技术难度和复杂性以及进口设备高昂的价格，本次改造充分结合现场条件，参照目前最先进的AFE变频调速系统，采用关键元器件引进、自主技术集成的改造路线，以降低成本。 3 改造方案的技术分析 3.1 电机特性分析 3.1.1 电机工作原理及特性 三相异步绕线电机、三相异步鼠笼电机和三相异步变频电机均属于交流异步电机，具有相同的工作原理，即电机通电后，定子形成旋转磁场切割转子绕组形成转子电压和转子电流，定子磁场与转子电流相互作用形成电机电动力矩 M=CMφI2cosφ2 普通三相异步绕线电机、三相异步鼠笼电机在50Hz工频下直接起动时，由于cosφ2很小，所以M不大。变频器控制电机在设定的频率和电压下起动时能得到较高的cosφ2和I2，起动力矩较大。 3.1.2 变频装置控制普通绕线电机 变频装置提供的电压是接近正弦波的方波脉冲，变频电机就是基于方波脉冲设计铁心和绕组的，变频装置控制变频电机能得到较宽的调速范围(1：50)和较少的损耗；而变频装置控制普通绕线电机只能得到较窄的调速范围(1：10)和较多的损耗，但损耗的增加一般不大于2%~5%，对电机发热影响不大，而对于桥式起重机，调速范围1：10足够了。因此在桥式起重机上采用变频器控制普通绕线电机完全可行。 3.1.3 主起升机构电机 宝钢炼钢厂25t废钢桥式起重机主起升机构电机为160kW、585r/min、100%ED工作制电机，F级(155℃)绝缘耐热等级，主起升机构运行速度30m/s，起重量25t(含电磁吸盘自重10t)。 起升机构静功率 P=(Q+W)V/(6.12η)=25×30/(6.12×0.9)=136.2kW 可以看出满载时静功率小于电动机额定功率160kW，桥式起重机的动态转矩很小，主起升机构三相异步绕线电机最大转矩是额定转矩的3.39倍。因此采用原160kw二相异步绕线电机作为起升机构的拖动电机无论起动还是运行都没有问题，也通过了发热计算。 3.2 调速特性分析 3.2.1 主起升机构变频调速主传动部分的改造 本次改造3号25t桥式起重机主起升机构的焦点之一是成套引进还是自主集成。用户希望改造后能达到西门子最新产品AFE变频调速系统的性能，而西门子公司成套进口的AFE变频调速柜国内应用极少，且AFE变频调速系统的设计、制造、调试全部由德国西门子总部的工程师完成，国内熟知AFE变频调速装置工程师很少，西门子技术支持工程师认为AFE变频调速不可分拆，否则风险太大，国内外没有这样的先例。基于对变频调速技术的广泛应用及对现场工况的了解，在用户的支持与配合下，我们采用自己设计、自主集成、关键元器件选择国外产品的改造路线。 (1)AFE整流/回馈装置 该装置的核心部件是1个带有闭环控制板CUSA的调节板，它将三相交流电源变成可调直流电压，为三相交流电源侧叠加1个快速矢量控制，向电网发送一个近似正弦波的电流，因而，在电网净化滤波器的帮助下，电网能保持很小的扰动。矢量控制也可以调节功率因数，其优点是：当电网发生故障，甚至是在发电工作时，也不会烧坏逆变器上的熔断器，当一相瞬时跌落时，调节系统将功率分配给其余相且可连续工作。该装置还设有1个VSB板(电压识别板)，作为电网角度编码器，它具有100%的电网回馈能力，不需要自耦变压器，在发电工作时不产生损耗功率。该装置具有以下特点： ①控制系统可以对电网产生任意扰动，即该系统具有最佳综合功率因数； ②在电网电压瞬时跌落或故障时，具有防止传动系统颠覆功能； ③能进行无功功率补偿； ④四象限工作方式，带自换向功能； ⑤对于不稳定电网有最高可用性； (2)变频调速柜构成变频调速系统由电源连接模块、变流器模块、逆变器3部分组成，见图1。 3.2.2 主起升机构变频调速控制部分的改造 (1)变频调速柜控制 变频调速柜由操作室的电源合闸按钮控制整流/回馈装置启动，直流母线电压升到600V，运行输出继电器吸合，无故障输出继电器吸合，整流/回馈装置PMU显示0，系统进入待运行状态。 卷上、卷下和四档速度给定仍由操作室的操作指令开关控制，这些信号经新增加的中间继电器控制板送人变频调速柜，控制信号送入CUVC板，速度给定送入EB1扩展板。卷上、卷下运行指令使逆变器处于工作状态，并按给定速度档位运行。输出信号包括运行信号、故障信号和抱闸信号。控制信号的连接见图2。 变频调速控制采用带编码器的速度闭环控制方式，实现了主钩快速起动和快速停止，起动加速度可达到1.8m/s2，载荷经0.4S时间从静止升到最高运行速度。可以实现主钩运行从上升最高速快速直接转换到下降最高速，完全满足现场工况要求。 改用变频装置后，电机电流控制抱闸打开，电机实际转速控制抱闸闭合，减少了抱闸对机械设备的冲击，同时延长了抱闸装置的使用寿命。 (2)操作控制 起升机构采用变频器控制，操作手柄从下降拉回零位停车时，没有反接制动，因而不存在换向死区，变频器迅速降低频率，电动机迅速形成回馈制动力矩，再加上机械制动器的作用，制动效果比定子调压控制更好，不会产生溜钩现象。 3.2.3 变频调速与调压调速比较 基速以下调速时，变频调速为恒转矩调速，即在整个调速范围内，电动机允许的输出转矩保持不变。基速以上调速时，为恒功率调速。 调压调速既非恒转矩调速也非恒功率调速，随着转速的降低，电动机的允许输出转矩和允许输出功率都下降。 (1)变频调速的效率为0.97~0.98，而调压调速属于变转差率调速，低速时转差损耗大，效率低，不利于节能。 (2)矢量控制的变频调速，不加测速反馈时调速范围可以达到1：10，有测速反馈时调速范围大于1：10，且稳、速精度高，可以低转速稳定运行。 (3)启动转矩问题，电动机的力矩包括2部分：负载力矩和动态力矩，负载力矩用于提升重物，动态力矩用于启动和制动。变频器许用动态力矩为0.6MN(30s)，只要不超重，启动不成问题。废钢桥式起重机为电磁吸盘桥式起重机，不会出现超重现象，能满足变频启动的要求。 (4)启动负荷较大时，会出现下降溜钩问题。调压调速方式用串电阻改变机械特性，同步转速不变，特性较软，负荷变化引起的转速变化很大，采用测速反馈后会得到改善，但在低速时，测速反馈也不能使其特性得到改善，因而可能出现下降溜钩现象。 而变频调速的特性和直流电机相同，基速以下调速，机械特性是一组平行直线，特性硬，负荷变化时转速下降很小，载荷下降时，特性延伸到第四象限，处于再生制动，仍旧保持电动状态时的特性硬度，不会出现溜钩现象。 (5)绕线电机转子串电阻调速，因电阻长期处于发热状态消耗大量能量，以牺牲能量实现调速性能，效率很低。变频调速效率可达0.97~0.98，绕线电机改为变频调速后，只是将电阻全部短接，不会影响电机的性能，效率也不会下降。 4 改造效果 长时间运行表明，变频调速系统运行可靠、响应速度快、节能环保、调速稳定、故障率低，是起升机构理想的控制装置，完全达到了改造目标。 在AFE产品基础上自主集成的桥式起重机变频调速系统为国内首创，技术性能与西门子成套产品相同，但装置成本明显降低，调试和现场服务的费用更低，能为系统的正常运行和维护提供技术支持。 改造后的变频调速系统节能效果明显，1台160kW电机主钩，以1年330d、每天工作16h计算，能节电40万kW.h，节省电费超过25万元。 作者：蔡丽娟 孙承波 戴至前 陈平原 来源：