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【摘要】：变频调速技术是目前国际上最流行、应用最广泛、最节能的调速技术之一。对当前的高炉炉前液压设备来说，由于有很大的功率损失，所以如何汲取变频调速技术的优点是极其重要的课题。本论文研究了高炉炉前液压设备的变频改造，并对其性能进行了分析。
【关键词】：高炉炉前液压系统，变频调速，能耗分析，仿真分析，速度补偿
1 高炉炉前液压系统改造
1.1 原高炉炉前液压系统分析
1.1.1.原高炉炉前液压系统特点
原炉前设备采用KD300泥炮及KDIA型开铁口机，液压系统使用节流调速，各液压缸所需流量相差较大，难以与主泵的额定流量相匹配。由于使用节流调速，泥炮液压系统的溢流阀根据系统所需最大压力设定为25MPa，转炮和打泥两个环节所需要的实际压力均小于18MPa，泥炮回转时的压力则更小，这相对于溢流阀设定压力有较大差距，导致了很大的节流压力损失。由于各个油缸的流量相差非常大，泥炮旋转前进时要求迅速流量可达371L/min，而后退时则要求慢速平稳，开铁口机冲钻小车前进时仅要求流量4L/min，而后退时则要求90L/min，压炮过程中流量要求更小，这些工况都不能很好地匹配主泵的额定流量，溢流量过大造成系统较大的节流流量损失。节流压力和流量的损失导致了不必要的能量损失。因此对原液压系统进行节能改造，减少过度溢流导致的压力和流量损失，可以很大程度提高炉前液压系统的效率。
在原有炉前液压系统中，泥炮采用出口节流开口机马达均采用进口节流调速，在不计管路压力损失和系统泄露的情况下，液压缸的速度表达式为：
其中：C表示节流阀系数； 表示节流阀通流面积；F表示液压缸负载； 表示节流阀指数； 表示活塞小端面积。
其速度一负载特性曲线如图1所示。
图1 出口节流调速回路速度一负载特性
由图中可以看出，采用出口节流阀时，液压缸速度受负载影响，负载越大，则影响越大，这就导致系统中液压缸的速度很难进行精确控制。
1.2 高炉炉前液压系统的变频改造
1.2.1.液压系统的改造
分析原炉前液压系统可以得出能源的浪费主要是由于不必要的大流量造成的，而流量和泵排量及电机转速成正比，炉前液压系统中常用柱塞泵的排量只能采用手动调整变量机构调整，无法实现频繁快速控制，所以此次采用变频控制电机转速来控制流量，由于流量的可控所以原开口机泵站可合并到泥炮泵站中，系统采用3台电机及3台定量泵，两用一备，电机采用变频器控制，泥炮及开铁口机阀台中所有节流阀及调速阀1可以去掉，液压系统中的溢流阀也可以去掉。由于系统变频需要采用PLC控制，所以换向阀采用y机能三位四通电液换向阀，这样就可以用PLC控制三位四通电液换向阀来自动控制泥炮的工作，提高炉前液压系统的自动化程度。液压系统的溢流阀4采用两级溢流，由两组溢流阀和三位四通电磁换向阀作为安全阀用，将溢流阀的遥控口通过三位四通电磁换向阀与油箱组成，通过控制电磁阀，实现泥炮25Mpa及开口机16Mpa的压力需求。停止卸荷改造后的液压系统见图2。
图2 改造后泥炮液压系统原理图
1.2.2.电气控制的改造
由于炉前液压系统对力矩的控制精度要求不高，所以采用普通型变频器即可，采用变频器后可以省去原系统中的软启动器，系统的控制点及I/O接口均不多，所以改造采用西门子S7-300系列PLC完全可以满足使用，系统采用V/F开环控制方式进行控制。这种控制方法成本低廉，容易实现，最重要的是无需增加任何检测和控制设备，对变频器性能要求低。但是它的缺点也很明显，它对变频器的控制特性比较差，变频器低频时可能转矩不足，设定低频补偿功能容易产生过补偿或欠补偿而引起跳阐，也会带来附加能耗，V/F开环控制不能补偿液压系统的泄漏和电机转速的变化，系统调速精度得不到保证。由于本变频驱动液压泥炮不需要在很低频率下工作，因此可以对变频器输入控制量进行补偿以获得较好的稳态速度。
2. 高炉炉前液压系统变频节能分析
2.1.原液压系统能耗分析
2.2.节流调速功率特性
原液压系统采用节流调速阀。液体经过节流阀时有节流损失，多余的油液通过溢流阀回油箱，有溢流损失。损失的能量转变为热能，使油液发热，当油液温升过高时，就会影响泥炮液压系统的工作性能，并缩短油的使用期限。因此这种调速方法多用在功率不大的场合。
2.2.1.原液压系统的能耗分析
对原液压系统和变频调速液压系统主要环节的功率消耗特性进行对比分析，原高炉炉前液压系统工作流程中功率损耗情况如下表所示.由表可以看出原系统的流量损失非常严重，尤其是在压炮保压和凿岩机开铁口环节。
转炮进 qp 371L/min q2 179L/min P1 25MPa △qT 0L/min
q1 371L/min D1 180mm D2 250mm △PT 4MPa
打泥进 qp 371L/min q2 205L/min P1 25MPa △qT 161L/min
q1 210L/min D1 280mm D2 420mm △PT 3MPa
压炮 qp 371L/min q2 0 P1 25MPa △qT 371L/min
q1 油缸内泄可忽略 D1 180mm D2 250mm △PT 0MPa
开铁口 qp 371L/min q2 4-140L/min P1 16MPa △qT 231-367L/min
q1 4-140L/min D1 液压马达 D2 液压马达 △PT 2MPa
qp 为泵站流量； q1 /q2 为有杆腔/无杆腔流量；D1 / D2为杆径/缸径；△qT为流量损失； △PT 为压力损失 图3 主要环节的流量压力损失
2.2.2变频驱动液压泥炮节能性分析
变频驱动液压泥炮通过PLC控制变频器输出频率改变电动机转速，从而对液压设备进行调速，所以没有溢流损失，相应的由于节流调速所产生的节流损失也就不会产生。
变频驱动液压泥炮调速系统总的功率损失主要由两部分组成。一部分是电机的功率损失，这部分的功率损失主要包括电机铜损、铁损及机械损耗等。另一部分是液压系统的功率损失，这部分的功率损失不含节流损失和溢流损失，而只包括由于液压系统的泄漏所引起的容积损失和机械传动损失。因此变频液压调速系统总的功率损失是很小的，具有很好的节能效果。
3.炉前液压系统执行元件速度控制分析
3.1. 变频驱动液压泥炮调速回路特性
图4 变频驱动液压泥炮调速回路
图中液压泵3的转速是通过PLC控制变频器的输出频率来控制的。泵3的输出流量为：
其中， 表示泵的泄露流量， 表示液压泵的转速， 表示液压泵的排量。
液压缸6的流量平衡方程为：
其中， 表示活塞大端面积； 表示液压缸运动速度； 液压缸的泄露流量。泵的输出流量等于输入液压缸的流量。
3.2.补偿速度降落
变频驱动液压泥炮调速回路的负载特性方程如下：
由式中可以得出，第一，负载F会引起缸速降落，且负载越大引起的缸速降落越大；第二，回路的总泄漏系数 具有和负载F同样的作用，由于油温的升高会引起油粘性下降从而导致总泄漏量增大，因此油温升高也会造成缸速降落。
所以，要获得所需的稳态值，必须对各种因素产生的缸速降落进行补偿。我们必须先计算出缸速降落的大小，然后在变频器输入控制量中加以补偿，改变泵的输出流量，从而获得所需的缸速稳态值。这就是流量补偿法。
由泄漏引起的缸速降落为：
系统总泄漏所产生的，在变频驱动液压泥炮调速系统中，系统总泄漏为泵和缸的内泄漏之和为该缸速降落 。
由流量补偿法调整后，可以在一定程度补偿液压缸的速度偏差，得到一个较为精确地稳态值。
3.3. 速度闭环精确控制
流量补偿法虽然补偿了液压系统泄漏和电机速度降落等因数对油缸速度的影响，但是因为工作过程中负载和温度的事实变化，因此只能是粗略补偿，无法做到精准控制。所以针对变频驱动液压泥炮，采用速度闭环反馈补偿控制可以提高速度跟踪效果和精度，其方法是通过直接检测液压缸的速度，将此速度进行反馈，与给定速度比较，得到偏差信号，再通过控制器输出控制信号给变频器。速度闭环控制框图如图5所示。
图5 速度闭环控制框图
上图中控制器可以是PID控制器，模糊控制器，神经网络控制器等。它是一种线性控制器。根据给定值 与实际输出值 构成偏差 ，将偏差的比列、积分、微分通过线性组构成控制量，其规律是：
其中 表示比列系数， 表示积分时间常数， 表示微分时间常数。
4.炉前变频液压系设备节能分析
4.1.延长设备使用寿命
高炉炉前设备中的泥炮及开铁口机在开堵铁口作业时，前进过程中设备与铁口的剧烈碰撞及后退过程中旋转部位惯性引起的设备整体晃动是设备寿命缩短的主要原因，但传统液压系统无法实现液压缸速度的连续控制，该问题无法得到很好的解决。改造后的变频液压系统可以实现液压缸的前期快速后期平稳的控制方式，很好解决以上问题，可在很大程度上延长设备使用寿命。
4.2.减少炮泥及备件
液压泥炮在打泥堵铁口作业过程中，采用前期大流量快速堵口，后期小流量堆积堵口厚度，可以很好的
减少烧炮嘴情况及降低炮泥使用量，传统炉前液压系统无法实现此功能，改造后的变频液压系统可以实现液压缸的速度连续控制，有效的减少炮嘴备件和降低炮泥使用量。
【参考文献】：
[1]李永堂，雷步芳，高雨茁.液压系统建模与仿真.北京：冶金工业出版社.2003
[2]田长虹.变频调速技术发展及应用前景展望.大众用电，2004
[3]张承慧，程金，夏东伟.变频调速技术的发展及其在电力系统中的应用.热能动力工程，2003
【关键词】：高炉炉前液压系统，变频调速，能耗分析，仿真分析，速度补偿
1 高炉炉前液压系统改造
1.1 原高炉炉前液压系统分析
1.1.1.原高炉炉前液压系统特点
原炉前设备采用KD300泥炮及KDIA型开铁口机，液压系统使用节流调速，各液压缸所需流量相差较大，难以与主泵的额定流量相匹配。由于使用节流调速，泥炮液压系统的溢流阀根据系统所需最大压力设定为25MPa，转炮和打泥两个环节所需要的实际压力均小于18MPa，泥炮回转时的压力则更小，这相对于溢流阀设定压力有较大差距，导致了很大的节流压力损失。由于各个油缸的流量相差非常大，泥炮旋转前进时要求迅速流量可达371L/min，而后退时则要求慢速平稳，开铁口机冲钻小车前进时仅要求流量4L/min，而后退时则要求90L/min，压炮过程中流量要求更小，这些工况都不能很好地匹配主泵的额定流量，溢流量过大造成系统较大的节流流量损失。节流压力和流量的损失导致了不必要的能量损失。因此对原液压系统进行节能改造，减少过度溢流导致的压力和流量损失，可以很大程度提高炉前液压系统的效率。
在原有炉前液压系统中，泥炮采用出口节流开口机马达均采用进口节流调速，在不计管路压力损失和系统泄露的情况下，液压缸的速度表达式为：
其中：C表示节流阀系数； 表示节流阀通流面积；F表示液压缸负载； 表示节流阀指数； 表示活塞小端面积。
其速度一负载特性曲线如图1所示。
图1 出口节流调速回路速度一负载特性
由图中可以看出，采用出口节流阀时，液压缸速度受负载影响，负载越大，则影响越大，这就导致系统中液压缸的速度很难进行精确控制。
1.2 高炉炉前液压系统的变频改造
1.2.1.液压系统的改造
分析原炉前液压系统可以得出能源的浪费主要是由于不必要的大流量造成的，而流量和泵排量及电机转速成正比，炉前液压系统中常用柱塞泵的排量只能采用手动调整变量机构调整，无法实现频繁快速控制，所以此次采用变频控制电机转速来控制流量，由于流量的可控所以原开口机泵站可合并到泥炮泵站中，系统采用3台电机及3台定量泵，两用一备，电机采用变频器控制，泥炮及开铁口机阀台中所有节流阀及调速阀1可以去掉，液压系统中的溢流阀也可以去掉。由于系统变频需要采用PLC控制，所以换向阀采用y机能三位四通电液换向阀，这样就可以用PLC控制三位四通电液换向阀来自动控制泥炮的工作，提高炉前液压系统的自动化程度。液压系统的溢流阀4采用两级溢流，由两组溢流阀和三位四通电磁换向阀作为安全阀用，将溢流阀的遥控口通过三位四通电磁换向阀与油箱组成，通过控制电磁阀，实现泥炮25Mpa及开口机16Mpa的压力需求。停止卸荷改造后的液压系统见图2。
图2 改造后泥炮液压系统原理图
1.2.2.电气控制的改造
由于炉前液压系统对力矩的控制精度要求不高，所以采用普通型变频器即可，采用变频器后可以省去原系统中的软启动器，系统的控制点及I/O接口均不多，所以改造采用西门子S7-300系列PLC完全可以满足使用，系统采用V/F开环控制方式进行控制。这种控制方法成本低廉，容易实现，最重要的是无需增加任何检测和控制设备，对变频器性能要求低。但是它的缺点也很明显，它对变频器的控制特性比较差，变频器低频时可能转矩不足，设定低频补偿功能容易产生过补偿或欠补偿而引起跳阐，也会带来附加能耗，V/F开环控制不能补偿液压系统的泄漏和电机转速的变化，系统调速精度得不到保证。由于本变频驱动液压泥炮不需要在很低频率下工作，因此可以对变频器输入控制量进行补偿以获得较好的稳态速度。
2. 高炉炉前液压系统变频节能分析
2.1.原液压系统能耗分析
2.2.节流调速功率特性
原液压系统采用节流调速阀。液体经过节流阀时有节流损失，多余的油液通过溢流阀回油箱，有溢流损失。损失的能量转变为热能，使油液发热，当油液温升过高时，就会影响泥炮液压系统的工作性能，并缩短油的使用期限。因此这种调速方法多用在功率不大的场合。
2.2.1.原液压系统的能耗分析
对原液压系统和变频调速液压系统主要环节的功率消耗特性进行对比分析，原高炉炉前液压系统工作流程中功率损耗情况如下表所示.由表可以看出原系统的流量损失非常严重，尤其是在压炮保压和凿岩机开铁口环节。
转炮进 qp 371L/min q2 179L/min P1 25MPa △qT 0L/min
q1 371L/min D1 180mm D2 250mm △PT 4MPa
打泥进 qp 371L/min q2 205L/min P1 25MPa △qT 161L/min
q1 210L/min D1 280mm D2 420mm △PT 3MPa
压炮 qp 371L/min q2 0 P1 25MPa △qT 371L/min
q1 油缸内泄可忽略 D1 180mm D2 250mm △PT 0MPa
开铁口 qp 371L/min q2 4-140L/min P1 16MPa △qT 231-367L/min
q1 4-140L/min D1 液压马达 D2 液压马达 △PT 2MPa
qp 为泵站流量； q1 /q2 为有杆腔/无杆腔流量；D1 / D2为杆径/缸径；△qT为流量损失； △PT 为压力损失 图3 主要环节的流量压力损失
2.2.2变频驱动液压泥炮节能性分析
变频驱动液压泥炮通过PLC控制变频器输出频率改变电动机转速，从而对液压设备进行调速，所以没有溢流损失，相应的由于节流调速所产生的节流损失也就不会产生。
变频驱动液压泥炮调速系统总的功率损失主要由两部分组成。一部分是电机的功率损失，这部分的功率损失主要包括电机铜损、铁损及机械损耗等。另一部分是液压系统的功率损失，这部分的功率损失不含节流损失和溢流损失，而只包括由于液压系统的泄漏所引起的容积损失和机械传动损失。因此变频液压调速系统总的功率损失是很小的，具有很好的节能效果。
3.炉前液压系统执行元件速度控制分析
3.1. 变频驱动液压泥炮调速回路特性
图4 变频驱动液压泥炮调速回路
图中液压泵3的转速是通过PLC控制变频器的输出频率来控制的。泵3的输出流量为：
其中， 表示泵的泄露流量， 表示液压泵的转速， 表示液压泵的排量。
液压缸6的流量平衡方程为：
其中， 表示活塞大端面积； 表示液压缸运动速度； 液压缸的泄露流量。泵的输出流量等于输入液压缸的流量。
3.2.补偿速度降落
变频驱动液压泥炮调速回路的负载特性方程如下：
由式中可以得出，第一，负载F会引起缸速降落，且负载越大引起的缸速降落越大；第二，回路的总泄漏系数 具有和负载F同样的作用，由于油温的升高会引起油粘性下降从而导致总泄漏量增大，因此油温升高也会造成缸速降落。
所以，要获得所需的稳态值，必须对各种因素产生的缸速降落进行补偿。我们必须先计算出缸速降落的大小，然后在变频器输入控制量中加以补偿，改变泵的输出流量，从而获得所需的缸速稳态值。这就是流量补偿法。
由泄漏引起的缸速降落为：
系统总泄漏所产生的，在变频驱动液压泥炮调速系统中，系统总泄漏为泵和缸的内泄漏之和为该缸速降落 。
由流量补偿法调整后，可以在一定程度补偿液压缸的速度偏差，得到一个较为精确地稳态值。
3.3. 速度闭环精确控制
流量补偿法虽然补偿了液压系统泄漏和电机速度降落等因数对油缸速度的影响，但是因为工作过程中负载和温度的事实变化，因此只能是粗略补偿，无法做到精准控制。所以针对变频驱动液压泥炮，采用速度闭环反馈补偿控制可以提高速度跟踪效果和精度，其方法是通过直接检测液压缸的速度，将此速度进行反馈，与给定速度比较，得到偏差信号，再通过控制器输出控制信号给变频器。速度闭环控制框图如图5所示。
图5 速度闭环控制框图
上图中控制器可以是PID控制器，模糊控制器，神经网络控制器等。它是一种线性控制器。根据给定值 与实际输出值 构成偏差 ，将偏差的比列、积分、微分通过线性组构成控制量，其规律是：
其中 表示比列系数， 表示积分时间常数， 表示微分时间常数。
4.炉前变频液压系设备节能分析
4.1.延长设备使用寿命
高炉炉前设备中的泥炮及开铁口机在开堵铁口作业时，前进过程中设备与铁口的剧烈碰撞及后退过程中旋转部位惯性引起的设备整体晃动是设备寿命缩短的主要原因，但传统液压系统无法实现液压缸速度的连续控制，该问题无法得到很好的解决。改造后的变频液压系统可以实现液压缸的前期快速后期平稳的控制方式，很好解决以上问题，可在很大程度上延长设备使用寿命。
4.2.减少炮泥及备件
液压泥炮在打泥堵铁口作业过程中，采用前期大流量快速堵口，后期小流量堆积堵口厚度，可以很好的
减少烧炮嘴情况及降低炮泥使用量，传统炉前液压系统无法实现此功能，改造后的变频液压系统可以实现液压缸的速度连续控制，有效的减少炮嘴备件和降低炮泥使用量。
【参考文献】：
[1]李永堂，雷步芳，高雨茁.液压系统建模与仿真.北京：冶金工业出版社.2003
[2]田长虹.变频调速技术发展及应用前景展望.大众用电，2004
[3]张承慧，程金，夏东伟.变频调速技术的发展及其在电力系统中的应用.热能动力工程，2003