變頻器在轉爐傾動中的應用 (1)

關鍵字：變頻器 轉爐 電力傳動
　　1 轉爐傳動系統特點
　　轉爐設備是煉鋼廠的關鍵生產設備，其爐體外形如圖1示。轉爐像一個“掛著的水桶”。轉爐系統主要電力傳動設備包括爐體傾動的電力傳動設備及氧槍傳動的電力控制設備。下面介紹爐體傾動的電力傳動設備。
 
　　
 
　　在大中型轉爐系統中，爐體傾動部分一般采用四臺傾動電機，通過減速機剛性連接，并采用全懸掛固定方式和扭力矩吸收方式。
　　煉鋼廠轉爐傾動裝置在實際生產操作過程中，需對轉爐傾動裝置進行頻繁的起動、制動及加減速操作，所以對傾動裝置的控制精度及系統的響應時間有很高的要求。轉爐傾動負載特性及電動機運轉狀態分析如下：
　　根據轉爐控制工藝要求，轉爐的傾動角度為正反360°，當轉爐爐口與爐底方向軸線與地平面垂直時為垂直狀態，故轉爐傾動負載力矩為角度的函數，即Tfz＝f（θ），屬于反阻性的位能負載。另外，根據工藝設計說明，轉爐按正力矩設計，即轉爐的耳軸下部比上部高，下部比上部重，從而保證轉爐控制系統的穩定性。在轉爐傾動裝置的實際操作中，進行倒渣或出鋼時，可能出現負力矩。當轉爐爐體處于正力矩狀態時，電動機處于電動運行狀態，當轉爐爐體處于負力矩狀態時，電動機處于發電運行狀態，此時電動機處于回饋制動狀態，傾動裝置的驅動電動機的機械特性和負載特性如圖2所示：
 
　　
　　2轉爐傾動控制系統的基本要求
　　（1）四臺電動機同步啟動、制動及同步運行，根據要求轉爐可以在0.2～1.0r/min之間進行傾動速度調節，轉爐可以做±360°旋轉。
　　（2）當轉爐正在出鋼、出渣時，交流電源系統發生停電故障，此時利用UPS電源將4臺制動器打開，轉爐依靠自重復位， 轉爐處于安全位置。
　　（3）當轉爐出現塌爐等事故時，傾動機械的機電設備能短時過載，轉爐以0.2r/min速度旋轉，傾動轉爐倒出爐內裝盛物，然后進行事故處理。
　　（4）轉爐為全正力矩設計，即在整個工作傾動角度內由0°～士180°方向傾動均為正力矩。
　　（5）為防止電動機突然啟動對設備的沖擊，轉爐開始傾動時電動機轉速應從零開始逐漸加速，從零到正常速度的加速時間是2s。
　　（6）由于制動器制動力矩較大，為了防止制動時對設備的沖擊，轉爐制動時應先通過能耗制動將電動機減速，當轉爐傾動速度接近零時，制動器失電制動，制動時間為2S。
　　（7）轉爐冶煉工藝過程轉動角度及速度控制范圍要求見表1。
　　
　　3 山東某鋼鐵集團50T轉爐主要控制難點
　　3.1主要控制難點
　　轉爐控制主要完成爐前的爐門動作和爐體的傾動操作，爐后傾爐和出鋼鋼包車、出渣渣車操作，煙罩的升降操作和冷卻水流量、壓力聯鎖控制，氧槍的升降操作和氧槍定位及冷卻水流量壓力聯鎖控制，氧槍橫移換槍操作，上料稱重和進料操作，并完成轉爐水冷煙罩、水冷爐壁、水冷氧槍等水冷系統多個測溫點溫度變化的實施數據采集以及冷卻水系統壓力、流量等實時數據采集監視和超限及事故報警。通過以太網實現PLC和操作站之間的實時數據傳送，由人機界面完成生產過程監控。 圖3為轉爐現場圖。
 
　　
 
　　其中，四臺轉爐傾動電機的控制是該項目中技術難度最大的課題，要求必須做到快速響應，控制精度、安全可靠性能要求比較高。設計采用的傳動控制裝置是風光 JD-BP32系列變頻器產品，型號為 JD-BP32-315T（315kW/380V），較好地解決了以上難題。
　　3.2轉爐傾動變頻控制方式選擇
　　根據近幾年轉爐傾動控制系統的設計和應用情況，設計單位針對“一拖四”控制方式（即一臺變頻器拖動四臺電動機）和“四拖四”主從控制方式進行了認真的比較，認為“一拖四”的控制方式，系統簡單，易編程調試和維護，從安全、合理的角度考慮，每座轉爐另外設一套變頻器裝置作為備用，以化解轉爐正常生產時，因變頻器故障而帶來的停產。最終設計單位確定了四臺電動機采用“一拖四”控制方式。轉爐傾動主回路如圖4所示。
 
　　
　　3.3轉爐傾動變頻控制特點
　　（1）再生能量的處理：對于轉爐傾動這種負載，變頻器選用的最重要原則之一是：所選變頻器必須具有在滿載或過載時輸出轉矩恒定的高性能變頻器，以保證轉爐生產的安全性。另外要具有再生發電制動功能。為了保證轉爐生產的連續性，采用傳統的制動單元和制動電阻，而不采用回饋單元，處理電機的再生發電。
　　（2）開抱閘的控制：轉爐傾動在控制過程中，應防止出現“溜車”故障。利用PLC控制程序，使抱閘在系統起動后電機轉矩建立到足夠大時松開，大大提高了系統應用的可靠性。
　　3.4轉爐傾動控制系統操作
　　（1）三地操作：根據煉鋼工藝的要求，轉爐傾動需三地控制，分別是主控室主操作臺控制、轉爐爐前操作臺控制、轉爐爐后操作臺控制。主控室主操作臺控制：在主控室通過主操作臺上的按鈕及搖爐主令控制器可對轉爐進行搖爐、加料、出料及其它所有的操作均能在主控室主操作臺上進行。轉爐爐前、爐后操作臺控制：主要是在出料出渣及轉爐維護時現場工人使用，由于在主控室只能看到轉爐的一個正面，在出料出渣時無法看到出料的多少，這樣只能借助于現場爐前爐后操作臺工人的現場操作。
　　（2）開停機及速度給定——傾動搖爐主令控制器
　　開停機及速度給定控制由傾動搖爐主令控制器給出，現主令控制器選用TE公司生產的XDA-V11122型。XDA-V11122型主令控制器與PLC之間進行電壓模擬量輸入，電壓范圍為-10V～+10V。當輸入電壓-10V～0V時，電機反轉；當輸入電壓0V～+10V時，電機正轉。在PLC程序中，將-10V～＋l0V的范圍對應劃分為-27648～＋27648數字范圍。當輸入在-27648～-300時，電機反轉；在300～27648時，電機正轉；在-300～＋300時，電機不動，防止控制器漂移而發生誤動。
　　4山東某鋼鐵集團50T轉爐工藝參數
　　該鋼鐵集團50T轉爐工程為新建項目，采用了當時國內外先進的控制工藝、控制技術，項目于2003年7月一次性投運成功。該轉爐傾動部分的主要工藝參數如下：
　　轉爐公稱容量：50T
　　額定傾動力矩：1000kN.m
　　最大事故力矩：2300 kN.m
　　傾動速度：0.2～1.0rpm
　　總傳動比：563.08
　　傾動電機：YGP315M-8，45kW，電機為輥道用變頻調速三相異步電動機，定子Y接， H級絕緣，工作制S5（40%），cosΦ=0.76，額定電流85.9A，額定轉矩659.1N.m。
　　5 JD-BP32系列變頻器產品特點
　　JD-BP32系列變頻器是山東新風光電子科技發展有限公司采用全新理念自主開發的一系列高性能，簡易型、低噪音變頻器。在提高穩定性的前提下增加了簡易PLC、實用的PI調節，靈活的輸入輸出端子、參數在線修改、自識別信號傳輸故障、停電和停機參數存儲、定長控制、擺頻控制、RS485控制、現場總線控制等一系列實用先進的運行、控制功能。為設備制造和終端客戶提供了集成度高的一體化解決方案，對降低系統采購和運營成本，提高系統可靠性具有極大的幫助。
　　JD-BP32系列變頻器產品技術參數如表2所示。
　　
　　6 具體調試過程
　　由于工藝需要需要經常頻繁搖爐，再加上自身重量和爐內料的重量達160噸左右，負載慣性大，為確保在任意位置不下滑，每臺電機的機械抱閘何時打開、何時關閉是調試的關鍵。在實際調試過程中，經過反復實驗，選擇四臺電動機額定電流值之和的空載值（30～35%），此時電機已建立起足夠大的電磁轉矩，通過與PLC配合，制動器可以打開。這樣可以避免出現“溜車”現象。
　　由于轉爐變頻器是“一拖四”控制，所以變頻控制只能采用“V/F”控制，為了提高變頻器在低速的轉矩，啟動時應加上一個合適的提升電壓。
　　電壓提升參數：P0.09=6% 啟動時電壓提升的數值。P0.10=10Hz 轉矩提升截止頻率。變頻器主要調試參數如表3所示。
　　
　　然后根據工藝要求，變頻器與PLC控制系統連接信號主要有：正轉運行，反轉運行，急停，復位，變頻器運行信號（開抱閘信號）和變頻器故障信號。根據現場接線圖5示。
 
　　
　　7 現場使用情況
　　轉爐傾動電機的具體控制過程如下：
　　（1）起動過程
　　當系統準備運行時，變頻器主回路各開關及接觸器接通，主令控制器將模擬量數值輸入PLC中，通過主令控制器輸入的正負值，PLC判斷變頻器正、反轉，對主令控制器的輸入值取絕對值后作為變頻器的速度控制而輸出，變頻器無故障的情況下開始運行，開閘信號（根據變頻器輸出電流是否到達所需的電機電流的幅值）由 PLC給出，轉爐傾動電機開始轉動且轉速上升至給定值。
　　（2）停車
　　當主令控制器打到停機位后，PLC發出停車指令，變頻器封鎖輸出，抱閘關閉，轉爐傾動停止轉動。
　　（3）故障
　　當變頻器發生故障后，其故障信號輸入PLC中，抱閘關閉，同時PLC發出報警。
　　8 結束語
　　2003年7月1日，整個轉爐工程投入使用。相比于鋼廠內其它轉爐傾動直流調速控制，變頻調速具有維護費用低，運行時動作響應快，運行平穩等特點，避免了溜車、鋼水外濺事故的發生。轉爐傾動多年平穩運行，印證了調試風光JD-BP32-T系列變頻器的方案是可行的。