1 引言
随着现代控制理论与电力电子技术的迅速发展，交流变频调速控制技术具有了和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，变频调速控制系统逐渐成为交流传动的主流调速控制方案。在冶金系统起重机控制系统中，变频器的高价位以及对环境的较高要求，限制了在大型铸造起重机中的应用。随着变频技术的不断发展，尤其是近年来自换向、脉冲式整流回馈单元、公共直流母线、现场总线等技术的发展，整车全变频控制系统在大型铸造起重机控制系统的应用逐渐显现出优点。
2 大型铸造起重机的工艺性能
2.1 大型铸造起重机工艺特点
在炼钢和连铸车间吊运液态金属的起重机，即兑铁水、接钢水的起重机统称为铸造起重机。其起重量为吊运的钢水包与钢水或铁水罐与铁水质量之和。铸造起重机是炼钢炼铸工艺中的主要设备之一。主要用于转炉加料跨向转炉兑铁水，在精炼跨将钢水吊运至精炼炉或在钢水接受跨将钢水吊运到连铸回转大包台上。由于铸造起重机常吊运液态金属，并在高温、高粉尘的恶劣环境中，所以工作级别高；另外，由于铸造起重机要完成倾兑铁水和倒渣的功能，因此，铸造起重机必须拥有主、副两钩。随着转炉炼钢容量的不断加大，铸造起重机的起重能力也在不断加大。现在一般把200t以上的铸造起重机称作大型铸造起重机，320t以上的铸造起重机称作特大型铸造起重机。
2.2 大型铸造起重机结构形式
铸造起重机主要由桥架、主起升、副起升、大车、主小车、副小车、电气设备、附属钢结构等部分组成。大型铸造起重机的桥架目前常采用四梁四轨双小车和四梁六轨双小车两种形式，主起升的减速器大多采用行星三减速器机型、整体大减速器机型和三减速器机型三种。大型铸造起重机总体结构形式在国内主要有四梁四轨行星三减速器、四梁四轨整体大减速器、四梁六轨行星三减速器、四梁六轨整体大减速器四种结构。
2.3 大型铸造起重机的工艺要求
因为铸造起重机吊运的是高温液态金属，事故后果不堪设想，另外当起重机出现故障不能继续工作后，整个炼钢生产线都将处于瘫痪状态，因此对铸造起重机的安全性、可靠性、使用性能要求很高。大型铸造起重机的主要技术参数一般由炼钢厂的工艺确定，根据一个工作循环所需要的时间来确定各机构的工作速度。起升机构的起升速度一般设置在8m/min～12m/min，大车运行机构的运行速度一般为8m/min～80m/min，主、副小车的运行速度一般为4m/min～40m/min。大型铸造起重机因为使用频繁、载荷率高，起重机的工作级别一般定为a7或a8级，主起升机构和大车运行机构的工作级别为m8或m7级，主、副小车运行机构和副起升机构的工作级别为m7或m6级。
3 交流变频技术目前发展特点
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及电机控制技术和现场总线技术的发展，变频器向单元化、数字化、智能化和网络化方向发展。近年来，自换向、脉冲式整流回馈单元技术和公共直流母线技术在生产实际中的大量应用，也成为交流变频技术的两个发展方向。
3.1 控制方式
交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。矢量控制和直接转矩控制都是基于同样的交流电机两相等效数学模型，实现对转矩和磁链的分别控制。矢量控制和直接转矩控制都能获得良好的交流调速系统的静态、动态性，能够与直流调速系统媲美。目前在变频器产品应用方面，以西门子公司6se70/6se71系列为代表的矢量控制型变频器和以abb公司acs800/acc800为代表直接转矩控制型变频器都具有良好的性能指标，下面是siemens公司6se70/6se71矢量控制变频器的部分技术指标：
(1)速度设定分辨率：30.001hz；
(2)转速精度：0.001%ne；
(3)转速上升时间：20ms；
(4)转矩精度：1%ne≤n≤100%ne时，<2.5% te；
(6)转矩上升时间：5ms。
3.2 制动方式
当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下降或者减速运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的能量以电能的形式回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。
(1)在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；
(2)采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。
自换向、脉冲式整流回馈单元（西门子称作afe）以igbt作为功率器件，采用pwm控制方式。控制电路包括：母线电压调节器、功率因素调节器、输入电流调节器以及pwm控制器。由于采用了脉宽调制技术，通过一定的控制模式，对网侧交流电流的大小和相位进行控制，可以使输入电流接近正弦波并与电源电压同相位，系统的功率因素总是接近1。当逆变器回馈制动时，可以控制输入电流的相位与电源电压相反，以实现再生功率回馈电网。此时，系统仍能将直流母线电压保持在给定值上。需要特别指出的是，自换向、脉冲式整流回馈单元具有换向故障保护功能和安全电流限制功能，在能量回馈期间，即使电网发生短路或断电，系统安然无恙。
3.3 公共直流母线
公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线流动供其它逆变器使用（或回馈装置直接回馈给电网），以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。
3.4 智能化
随着高性能微处理器技术的发展以及dsp技术在变频器中的应用，变频器不仅具备了优越的控制性能而且拥有了强大数字编程处理能力。在一些高性能变频器内部集成了许多应用功能，其中机械制动控制功能和负荷分配控制功能是在工程实践中应用较多的两个功能。
3.4.1 机械制动控制功能
机械制动控制逻辑集成在变频器的应用中，用户通过简单的定义和硬线连接就可以实现复杂的机械制动控制功能。机械制动控制思想是：变频器应用其采集到的各种信号，例如电流转矩信号、速度信号、故障信号等在内部通过逻辑计算得出一个开关机械制动控制器的信号，直接输出信号控制机械制动控制器，同时产生一些控制信号（例如内部给定使能、逆变器使能）来控制变频器的运行配合机械制动器的动作，该功能也可以利用机械制动控制器的检测元件来检测机械制动器是否正常。
3.4.2 负荷分配控制功能
负荷分配技术是为多电机传动应用而设计的，负荷分配技术用于电气传动系统中运行两个（或多个）传动控制设备并且电机轴通过齿轮、导轨、链条或轴等相互连接的应用场合。负荷分配技术在目前应用的最普遍的是主从控制方式。主从应用控制中，外部控制信号只与主驱动设备连接，主驱动设备经由通信（或者模拟量信号）控制从机驱动设备。主驱动设备通过主从总线将命令信号和给定值传送给从驱动设备，主机也从从驱动设备读取返回的状态信息，以确认从驱动设备运行是否正常。主机传动是速度控制，从驱动设备根据机械传动不同连接形式跟随主机的转矩或速度给定。当主传动和从传动的电机轴通过柔性连接时，从驱动设备使用速度控制；当主传动和从传动的电机轴通过齿轮、导轨、轴等刚性连接时，从机驱动设备使用转矩控制。高性能变频器针对负荷分配技术，根据不同的负载类型设计了两种负荷分配应用模式：主传动和从传动都采用速度控制的下降模式（droop）和主传动采用速度控制、从传动采用的转矩控制的转矩跟随模式（torque follower）。
3.5 网络化
随着现场总线技术的发展，变频控制系统向着模块化和网络化方向发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，各变频器厂商都配置了标准的串行通信接口（如rs232c或rs422接口等）和专用的现场总线接口。这些接口的设置，显著地增强了变频单元与其它控制设备间的互联能力，从而与计算机控制系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台变频控制单元与计算机（或plc）连接成为一个数控系统。以西门子6se70/6se71变频器为例，其驱动器可配置的各种通讯模板中有支持profibus总线的cbp板，支持can总线的cbc板，支持devicenet总线的cbd板，支持cc-link总线的cbl板。
4 交流变频技术在大型铸造起重机的应用
铸造起重机是整个炼钢连铸工程中重要的工艺设备，承担着繁重的液态金属的吊运工作，因此要求起重机各机构、各部分安全性能必须做到万无一失，并且将故障率降到最低。针对铸造起重机的工艺特点和各机构的负载特性，下面讨论变频器的制动方式、控制系统的结构、非常运转方案以及各个机构的控制模式在铸造起重机中应用可行方案。
4.1 制动方式的选择
大型铸造起重机在重物下降和减速过程时，会产生大量的能量，选用何种方式处理该能量对系统显得至关重要。对于工作频繁的大型冶金起重机，采用动力制动方式是不合适的，以380/80起重机为例，电动机总容量达2112kw，需要的制动电阻超过1200kw，即使采用不锈钢电阻，总数可能超过240箱，按照每6箱组成一架，总数超过40架。这意味着需要在跨度仅为22米的主梁上部，摆放40多件长度约为800mm厚度约为500高度约为2000，重量240kg的电热炉，其困难可想而知。
