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３６ 液压与气动 ２００６年第３期 变频控制在高炉炉前液压设备上的应用研究 彭秀英，卢飞平 Ｓｔｕｄｙ ０ｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｔａｐｈｏｌｅ Ａｒｅａ ｏｆ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ ＰＥＮＧ Ｘｉｕ—ｙｉｎｇ，ＬＵ Ｆｅｉ—ｐｉｎｇ （贵州大学机械工程学院，贵州贵阳５５０００３） 摘要：高炉炉前液压设备是高炉冶炼生产的重要设备。目前，高炉炉前液压设备各执行元件所需的流 量和液压泵的输出流量不匹配，存在很大的溢流损失。文章研究把变频驱动技术用于高炉炉前液压设备，为 从根本上解决高炉炉前液压设备能耗过高的问题探索出一条有效途径。 关键词：变频调速；高炉；液压设备；流量；节能 中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００．４８５８（２（）０６）ｏ３．００３６．０３ １引言 可克服传统上的变量泵电气自动控制复杂的缺点。本 高炉炉前设备一般是指泥炮、开口机和揭盖机，其 文在变频控制系统中，用带ＰＩＤ控制模块的ＰＬＣ自动 基本功能是及时开、堵铁口，满足高炉炼铁与出铁要 控制变频器根据系统需求改变液压泵输出流量。 求。随着高炉容积的不断扩大、炉顶压力的提高，液压 ２高炉炉前液压设备中的变频控制系统 泥炮、液压开铁口机和液压揭盖机在高炉冶炼中已取 ２．１ 高炉炉前液压设备泥炮液压系统工作原理 代了传统的高炉炉前设备成为高炉炉前液压配套设 高炉炉前液压设备一般由液压泥炮、液压开口机 备。由于高炉炉前液压设备在不同工序中需要的流量 和液压揭盖机３部分组成，液压泥炮是高炉出铁后，将 不同，从而使液压设备在设计时，是以工作循环中所需 炮泥压出堵住出铁口的设备，主要完成转炮、压炮和打 的最大功率来选择液压泵和电机，但液压设备在实际 泥动作。泥炮液压系统原理图如图１所示。 运行时，大部分时问都是欠负载运行，因而液压设备的 泥炮液压系统主要由主泵３、打泥液压缸９、压炮 效率不高。本文从系统的角度综合考虑液压设备的节 液压缸１２和转炮液压缸１４组成。系统中各个执行元 能问题，将变频控制技术与液压技术结合起来，构成一 种新型节能传动方式，从而实现高炉炉前液压设备的 收稿日期：２００５．１２－２９ 最佳功率匹配。 作者简介：彭秀英（１９５６一），女，湖南省娄底人，副教授，工 利用变频器控制液压泵电机，实现变量泵的功能， 学十，主要从事液压气动技术和工程机械等片面的教学和科 可减少甚至消除溢流损失，达到很好的节能效果；而且 研工作。 ・・● ＋＿‘ －・● ＊＋－．一＋。＋ ＇卜＿．＿●…－ｏ．－．．－．－＋ ＇卜＿．＿＋－・‘－．＿－ｏ．－．●－＇卜－４，－＿—’ ＿．－●－・‘－．＿－ｏ．－，●－・‘－．￣－ｏ．－ 设置和查询过程，结果以数字形式显示输出，报警内容 ⑤具有作为温度补偿的抽油量自动显示功能； 则用汉字显示输出。 ⑥抽油精度土１ ｍＬ； 键盘功能模块：完成控制板上各键的功能设置。 ⑦本设备电源为２２０ Ｖ、５０ Ｉ－ＩＺ，功率小于０．５ ｋＷ。 ４主要性能特点 ①抽真空时。真空度大于０。０００６５ ＭＰａ； 参考文献： ②具有抽真空时问的设定、报警及真空泵工作时 ［１ 雷天觉．新编液压工程于册［Ｍ］．北京：北京理－Ｔ大学出 间的累计功能； 版社，１９９８． ③具有油箱最高液位、最低液位的报警及储油量 ［２］周士昌．液压系统设计图集［Ｍ］．北京：机械工业出版社， 实时显示功能； ２ｏｏ３． ④可以通过透明管监视除气是否彻底，加注到导 ［３ Ｊ戴忠达．自动控制理论基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社， 弹液压系统中的液压油是否有气泡； 】９９１． 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００６年第３期 液压与气动 ３７ ．退炮压炮 １．油箱２ 电机３．主象４．溢流恻５．手动换向阀 ６．单向节流阀７．溢流阀８，液控单向阀９．打泥液压缸 ｌＯ．减压阀１１．单向阎ｌ２．压炮液压缸 ｌ３．平衡阀ｌ４．转炮液压缸 图１泥炮液压系统原理图 件均采用手动换向阀控制与节流调速，压炮动作保压 由液控单向阀控制完成。为了避免液压冲击，系统各 动作压力值分级监控，降低动作压力（压炮动作和打泥 退动作的压力均由减压阀或溢流阀降低）。在转炮回 路中设置了平衡阀，用来避免泥炮旋转过程中间停车 引起的液压冲击。这种泥炮液压系统动作可靠，安全 性也较高。但各液压缸的流量相差较大，难以与主泵 的额定流量相匹配，溢流量过大造成系统较大的能量 损失，同时引起油液温升。 ２．２高炉炉前液压设备的变频控制原理 由于高炉炉前液压设备各执行元件所需的流量和 液压泵的输出流量不匹配，存在很大的溢流损失。研 究把变频驱动技术用于高炉炉前液压设备，用变频器 控制液压泵电机可以从根本上克服高炉炉前液压设备 能量浪费的弊病，同时还可以解决由于定量泵长期以 系统所需最大流量流动，而引起的噪声与温升问题以 及溢流引起的油液温升问题，从而延长机器寿命。 高炉炉前液压设备液压系统的变频控制改造，包 括液压设备的液压系统和电控系统两部分。对液压系 统进行集成简化处理，在执行元件进油路上设置节流 阀，并在节流阀进出口加上压力传感器采样节流阀进 出口压差。把压力传感器的输出信号传给带ＰＴＤ控制 模块的ＰＬＣ，ＰＬＣ用ＰＩＤ控制方法控制变频器的输出 频率，改变液压泵电机的转速，使液压泵输出流量等于 节流阀所调整的流量，实现液压系统的流量匹配。此时 节流阀前后压力差值和设定压力差值（根据工作循环 中不同工序速度情况设定）相等，从而自动控制工作循 环中不同工序时执行元件的运行速度。应用变频 电动机转速来控制液压泵输出流量，可简化系统调速 回路，取消溢流阀溢流回路，同时泵的输出压力自动与 各执行元件所需压力相适应，取消了降低动作压力的 减压阀和溢流阀，从而使系统降低了功率损失和油液 温升，实现了节能传动与控制。控制系统框图如图２ 所示。 图２控制系统框图 本变频控制液压系统实质是利用容积节流式调速 原理进行调速，通过对节流阀的开口调整来改变流入 液压缸的流量，监控节流阀的进出口压差来保证通过 节流阀的流量为设定值，同时将其进出口压差作为反 馈信号，通过变频器控制液压泵电机的转速。使液压泵 的输出流量自动地与液压缸所需流量相适应。这种回 路虽仍存在一定的节流损失，但无溢流损失，效率 高、速度负载特性好、运动平稳、调速范围宽。 同时系统还可采用触摸屏技术，实现控制系统的 无机械按钮化，设备状态的可视化，使得液压系统控制 更加明了，操作简便。触摸屏可根据需要编辑出各种 画面，实时显示系统的操作指示信息。人机界面上的 触摸按键可产生相应的开关信号，或输入数值、字符 给ＰＩＥ进行数据交换，从而产生相应的动作控制设备 的运行。 ２．３ ＰＩＤ控制算法 为了使节流阀的进出口压差值等于设定压差值，本 系统采用了ＰＩＤ控制方法。ＰＩＤ控制系统如图３所示。 图３ ＰＩＤ控制系统 ＰＩＤ控制器是一种线性控制器，它根据给定值ｒ 维普资讯 http://www.cqvip.com
３８ 液压与气动 ２００６年第３期 （ｔ）与实际输出值ｃ（ｔ）构成控制偏差ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）一ｃ （ｔ），将偏差的比例、积分、和微分通过线性组合构成控 制量，对被控对象进行控制。其控制规律为： ） ㈤＋ ㈩ｄｆ＋ 】 式中 Ｋ ——比例系数 ７１ ——积分时间常数 ７１ ——微分时间常数 由于本系统是由ＰＬＣ控制，所以使用的是数字 ＰＩＤ控制器： 点 “（ｋ）＝ＫＰｅ（ｋ）＋ＫＩ ｅ（ ）＋ ＝０ ＫＩ）［ｅ（ｋ）一 （ｋ一１）］ 式中 “（ｋ）——第ｋ次采样时刻的控制量 ｅ（ｋ）——第ｋ次采样时刻的误差 ｅ（ｋ一１）——第ｋ一１次采样时刻的误差 Ｋ ——比例系数 Ｋ ——积分系数 ＫＤ——微分系数 本系统用差压传感器采样节流阀的进出口压差， 作为ＰＩＤ控制模块的输入，经过ＰＩＤ运算控制变频器 的输出，从而控制液压泵电机的转速，使液压泵输出的 流量自动地与液压缸流量相适应。 ２．４变频控制液压系统的工作过程 由ＰＩＥ、变频器和差压传感器组成的闭环系统，根 据工作循环中不同工序的速度设定节流阀进出口压差 值作为ＰＩＤ控制的给定值，用ＰＬＣ扫描差压传感器输 出的压力信号作为ＰＩＤ控制模块的输入信号。在节流 阀通流截面积ＡＴ设定后，通过节流阀的流量是恒定 不变的。当液压泵输出流量大于液压缸所需流量时， 节流阀前的压力升高，其进出口压差升高，通过差压传 感器输给ＰＩＥ，ＰＬＣ通过ＰＩＤ控制模块计算并输出信 号给变频器，变频器的输出频率减小，电机的转速减 小，泵输出流量减小，直到泵输出流量等于液压缸所需 流量时，节流阀进出口压差回到设定值，凋整完成。反 之，当液压泵输出流量小于液压缸所需流量时，节流阀 前的压力降低，其进出口压差降低，变频器的输出频率 升高，电机的转速升高，泵输出流量增加，直到泵输出 流量等于液压缸所需流量时，其压差回到设定值，调整 完成。节流阀的作用不仅使进入液压缸的流量保持恒 定，而且还使液压泵的输出流量恒定并与液压缸流量 相匹配。 ３高炉炉前液压设备变频控制的特点 １）系统能量利用率高 在本系统中，采用了容积节流式调速原理，无溢流 损失。并通过合理设定节流阀进出口压差值，减少节 流阀在负载范围内的节流损失，克服了因电机转速恒 定，液压泵在小流量时仍作高速运转所造成的磨损与 噪声，从而提高了系统能量的利用率。 ２）系统简单可靠 该系统使用变频器控制液压泵电机转速来实现变 茸泵的功能，取消了传统容积调速回路中变量泵复杂 的变排量机构及降低动作压力的减压阀和与溢流阀， 简化丁液压系统中的调速回路，使液压系统简单。 ３）系统控制精度高 在整个控制过程中，ＰＬＣ随时采样节流阀的进出 口压差作为ＰＬＣ自带的ＰＩＤ控制模块的输入信号，ＰＩＤ 控制模块根据采样时刻的偏差值控制变频器的输出。 这样形成闭环控制系统，控制精度高。 ４）系统对电网冲击小 采用变频器代替交流接触器控制液压泵电机，使 液压泵电机为无触点控制，运行平滑，可保护系统设备 不受冲击，从而减少因系统运行引起的电网电压波动。 并根据实际情况渊整启动、制动时间和运行速度等参 数，使其达到最佳运行状态。 ５）易于实现自动控制 用变频器控制液压泵电机转速实现变革的变量泵 本身就比传统的变量泵更容易实现自动控制。在本控 制系统中可根据工作循环中的不同工序设定节流阀的 进出口压差值，以自动｛卒制工作循环中不同工序时执 行元件的运行速度。 ４结束语 高炉炉前液压设备采用变频控制后，可提高其能 量利用率和自动化水平，减少温升和噪声。刘。多执行 元件的液压系统或变负载的液压系统均可采用本系统 的控制思想。 参考文献： ［１］陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．北京：机械丁业出版 社。２００２． ［２］姜继海，等．液压 气压传动［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００２． ［３］王春行．液压控制系统［Ｍ］．北京：机械工业 版社，２０００． ［４］周万珍．ＰＩＥ分析与设计 用［Ｍ］．北京：电子工业出版 礼，２００４，１． ［５］韩安荣．通用变频器及其应用［Ｍ］．北京：机械工、 出版 礼，２０００．
