晶闸管滑差调节装置及其在轧钢机上的应用

发布时间：2008-01-05 来源：www.e-works.net.cn

        一、概述

       在钢铁企业中，不可逆不调速的开坯机、板坯机等小型轧钢机都装有飞轮，通过调节主电机滑差使飞轮储存和释放能量。飞轮释放能量所产生的力矩与主电机的电磁力矩共同克服冲击负荷，以降低主电机能量及提高系统稳定性和过载能力。滑差调节系统的性能是能否发挥飞轮作用的决定性条件。本文重点介绍晶闸管滑差调节装置的特点及改进系统的探讨。

        二、滑差调节方案的选择

        开坯轧机在生产过程中经常出现高达电动机额定力矩2.5倍的尖峰力矩，有时甚至达到3～4倍。这种频繁的负荷冲击要求带飞轮传动轧机的滑差调节装置必须调节准确快速，当冲击负荷到来时能及时准确地协调电动机和飞轮地出力，使系统处于最佳运行状态。为保证电动机的出力，调节装置的功率因数不能降低的太多，另外系统稳定性、维护工作量、提高电机利用率等因素也应予以充分考虑。常用的滑差调节方式有常接电阻、接触器式、频敏变阻器及液体滑差调节器四种。但是都存在一些缺点和弊病。

        1）频敏变阻器滑差调节系统，虽然具有阻抗随频率改变而自动无级调节滑差的特性及系统简单的优点，但由于频敏变阻器常接在转子上，使感应电动机的功率因数进一步降低。我们知道，电动机的转矩与转子功率因数成正比，功率因数可视为电动机转矩系数。功率因数的降低减少了电动机的电磁力矩，显然对克服冲击负荷是极其不利的。另外，由于电动机功率因数低而使冲击电流比金属电阻系统大的多，电动机端电压严重下降，进一步削弱了电动机转矩，由频敏变阻器的基本属性所决定的这一弱点是难以避免的。

          2）水电阻滑差调节系统有理想的连续调节特性，但系统快速性差，液体电阻值随温度而变化，维修量大，一般很少采用。

         3）带接电阻滑差调节器特性较软，飞轮利用率较差，一般只用于小容量电机。

        4）接触器式滑差调节器的最大优点是功率因数较高，电动机电磁转矩大。这种系统多采用单级单星形或双星形结线，使电机利用率降低；通过金属电阻和接触器触头的电流大，承受电压高，造成触头经常烧毁。在生产实践中虽然不断进行改造和完善，但系统的缺陷并没有得到彻底解决。

        鉴于上述四种滑差调节系统都各存在一些弊病，我们在某钢厂Φ650轧机上采用了晶闸管滑差调节装置，取得了较理想的效果。

        三、晶闸管滑差调节系统介绍

       晶闸管滑差调节装置的滑差电阻为双三角并联结线（见图1）。三组三角结线的电阻构成两级滑差调节系统，以并联电阻的多少而改变电动机转子回路的总电阻值，是电动机运行在不同特性曲线上，电阻的切除和投入是靠晶闸管控制的。起动时，晶闸管KS1、KS2导通，频敏变阻器和电阻全部接入，使起动电流限制在要求值以内。起动后，频敏变阻器切除，电动机运行在特性曲线I上，处于空载待轧钢状态。轧钢时，冲击负荷电流由电流互感器LH检测并送到电流检测环节，转换成电压信号送入滑差继电器1#JHW、2#JHW，当冲击负荷达到切换点M＊1时，1#JHW切断触发器脉冲，晶闸管KS1截止，切除电阻RT1，电动机运行在特性曲线II上。如冲击负荷继续增大达到M＊2切换点时，2#JHW切断2#触发器脉冲晶闸管KS2截止，切除电阻RT2，电动机运行在特性曲线III上电动机由特性曲线I过渡到特性曲线II上运行时，飞轮释放能量。冲击负荷过后，晶闸管KS1、KS2又导通，将电阻RT1、RT2接入转子，电动机恢复到特性曲线I上运行，飞轮又存储能量。

图1 转子回路接线图

        双三角晶闸管滑差调节系统的电阻计算原则与星形结线计算相似。RC、RT1、RT2并联后换算成星形阻值的标么值以γ＊ I Y表示，一般应使γ＊ n＋γ＊ I Y＝0.05，即为转子接电阻γ I Y的第I特性；RC、RT2并联后换算成星形阻值的标么值以γ＊ II Y表示，一般应使γ＊ n＋γ＊ II Y＝0.06，即为转子接电阻γ II Y的第II特性；RC换算成星形阻值的标么值以γ＊ III Y表示，一般应使γ＊ n＋γ＊ III Y＝0.09，即为转子接电阻γ III Y的第III特性（见图2）；按照上述原则可方便地计算出电阻RC、RT1、RT2。

图2 电动机特性曲线

       晶闸管滑差调节装置采用电动机转子加金属电阻方案，具有较高地功率因数，能充分发挥电动机转矩，有利于克服冲击负荷；采用两极滑差调节使电动机得到充分利用，能有效地挖掘现有电动机潜力，提高轧制速度，增加产量；采用滑差电阻三角形并联结线，转子电流按并联电阻值分配在各支路，滑差电阻回路电流仅为转子电流的50%，晶闸管端电压仅为转子额定电压的17%，为采用晶闸管切换电阻创造了非常有利地条件，降低了对硅元件的要求，减少了硅元件的数量，仅用六只KS500A/600V硅元件即可构成两极调节系统。从根本上解决了接触器式滑差调节器烧毁接触器触头问题，并扩大了系统使用范围。

      下面对某钢厂650轧机滑差调节系统参数计算作一简述。

       主电动机技术数据：额定功率2000kW，额定转速493r/min，定子额定电压6kV，额定电流231A；转子额定电压1072V，额定电流1150A。

    1）计算各电阻值

    转子电阻标么值：

    转子额定电阻：

    三角结线的常接电阻：

    实际选配电阻0.128Ω，即γⅢΔ＝0.128Ω

    三角结线的第二个并联电阻：
    ，实际选配电阻0.168Ω。

    故有：

    三角结线的第一个并联电阻：
   

    实际选配电阻0.32Ω，即γⅡΔ=0.059Ω

    2) 计算并联电阻各支路电流

    总电流

    RC、RT1、RT2并联各支路电流：IRC=307.5A，IRT1=123A，IRT2=234.5A

    RC、RT2并联各支路电流：IRC=377A，IRT2=288A

    电机转子只接RC时电流：IRC=655A

    按照各电阻阻值和发热等等效电流可选配合适的电阻器。

        四、探讨几个问题

       1）设计中采用的晶闸管滑差调节装置仅滑差电阻是三角结线，频敏变阻器仍以星形结线形式接入电动机转子，短接频敏变阻器的接触器触头仍流过转子电流，设计中选用3台600A接触器并联使用。如果将频敏变阻器与滑差电阻构成大三角结线（如图3），电流减小 ，接触器容量可大幅度降低，不仅可节省投资，同时也会进一步提高系统的可靠性。

 
图3 电动机转子加金属电阻电路

        2）对金属电阻调节滑差的评价

       感应电动机转子回路外界电阻消耗能量，这是不理想的。然而转子电阻又是产生转矩的必备条件，适当的阻值可以改善功率因数，增加起动和运转力矩。转子串5%～10%额定电阻后，功率因数接近于1，转子电流几乎全部转换成电磁力矩。带飞轮传动的轧钢机负载很重，在充分利用飞轮作用的同时电动机必须能够输出最大力矩。金属电阻调节滑差恰能适应这种特殊负荷的要求，表现出其它系统不能相比的优越性。因此，金属电阻在飞轮传动的特定条件下有其独特的优点，加之系统简单可靠，价格低廉，长期以来一直是带飞轮轧机传动的主导滑差调节方案，在其他频繁起动及调速要求不高的机械上也得到了广泛应用。

        3）转子回路外接电阻消耗的电能无疑应当回收利用，但节能型滑差调节装置的开发还有待进一步解决系统稳定性和效率问题，而且技术复杂，投资高，将会限制在中小企业的应用。因此，目前应用晶闸管滑差调节装置改造接触器式滑差调节器适合中小企业的技术水平和投资能力。这种装置具有老接触器式水电阻滑差调节器的优点，而且技术成熟、投资少、见效快，是目前改造中小型轧钢厂带飞轮轧机拖动系统的一个理想途径。