摘 要：本文詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)系統(tǒng)及氧槍系統(tǒng)中的運(yùn)行特點(diǎn)，并結(jié)合漣源鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐的實(shí)際情況，闡述了轉(zhuǎn)爐應(yīng)用中采用直接轉(zhuǎn)矩控制型（DTC）變頻器的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。一、轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)
轉(zhuǎn)爐設(shè)備是煉鋼廠的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其爐體外形如下圖所示，轉(zhuǎn)爐像一個(gè)“掛著的水桶”。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要的電力傳動(dòng)設(shè)備包括爐體傾動(dòng)的電力傳動(dòng)設(shè)備及氧槍傳動(dòng)的電力控制設(shè)備。
1、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的電力傳動(dòng)設(shè)備
在中大型轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中，爐體傾動(dòng)部分一般采用四臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)，通過減速機(jī)剛性連接，并采用全懸掛固定方式和扭力桿力矩吸收方式，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語是：全懸掛四點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)方式。
圖1 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
2、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)工作方式及控制要求
在轉(zhuǎn)爐的冶煉過程中，傾動(dòng)電機(jī)的具有如下特點(diǎn)：
· 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置由四臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，四臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步啟動(dòng)，加、減速及同步運(yùn)行，并要求它們保持速度同步和均勻的負(fù)荷分配。
· 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度一般可以在0.1～0.8rpm之間進(jìn)行傾動(dòng)速度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度范圍0～±360°
· 一臺(tái)或二臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，要求傳動(dòng)系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)，余下的二臺(tái)或三臺(tái)電機(jī)短時(shí)間內(nèi)降速運(yùn)行，并保持速度同步和均勻的負(fù)荷分配。
· 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過程中，在不同的工況下，傾動(dòng)電機(jī)有時(shí)處于電動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，傳動(dòng)裝置需要解決能量回饋問題。
· 傾動(dòng)控制裝置必須解決傳動(dòng)與抱閘機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)控制問題，防止“溜車”現(xiàn)象的發(fā)生。
· 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置具有大慣量、重載的運(yùn)行特點(diǎn)，要求傳動(dòng)裝置有足夠的起動(dòng)力矩和過載能力。
3、氧槍傳動(dòng)的電力控制設(shè)備
轉(zhuǎn)爐的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是氧槍。
氧槍是典型的位能負(fù)載，也是典型的提升應(yīng)用，氧槍控制裝置必須解決傳動(dòng)與抱閘機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)控制問題，防止發(fā)生“掉槍”事故。
圖2 氧槍傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
4、氧槍工作方式及控制要求
氧槍傳動(dòng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
氧槍下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，要求氧槍傳動(dòng)裝置能解決能量回饋問題。
每臺(tái)轉(zhuǎn)爐一般配有兩套氧槍，兩臺(tái)氧槍升降設(shè)備，一臺(tái)工作，一臺(tái)在維修或備用。
氧槍的升降速度可無級(jí)調(diào)節(jié)。
氧槍也具有大慣量、重載高力矩啟動(dòng)的運(yùn)行特點(diǎn)，要求傳動(dòng)裝置有足夠的起動(dòng)力矩和過載能力。
二、漣源鋼鐵集團(tuán)50T轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)配置
漣源鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐工程為改造工程，原設(shè)備為電爐煉鋼，工藝相對(duì)落后，能耗高。2003年6月改造工程動(dòng)工，傳動(dòng)部分采用了我公司的CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)，并在年終一次性投運(yùn)成功。該轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)部分的主要工藝參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)爐公稱容量：50噸
最大傾動(dòng)力矩：1400KNm，最大事故力矩：3500KNm
傾動(dòng)速度：0.28～0.8轉(zhuǎn)/min，總傳動(dòng)比：802.2
吹氧時(shí)間：12～14min/爐，冶煉周期：42min
傾動(dòng)電機(jī)：YZR280M-8/45KW/93.5A
提升力：70.8KN，卷揚(yáng)能力：35.4KN
提升速度：快速41.9m/min，慢速10.5m/min
氧槍電機(jī)：YZR250M-4/55KW/100A
根據(jù)以上參數(shù)和轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)系統(tǒng)的工作方式及控制要求，我公司開發(fā)出高性能的CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)，并在漣源鋼鐵集團(tuán)50T轉(zhuǎn)爐工程中一次性投運(yùn)成功。系統(tǒng)硬件具體配置如下：
傾動(dòng)變頻器：ACS800-04-0140-3 四臺(tái)（含制動(dòng)組件）
氧槍變頻器：ACS800-04-0120-3 兩臺(tái)（含制動(dòng)組件）
光纖通信模塊：RDCO-03 四只
光柵編碼器：10-1153qiq-1024 三只
后臺(tái)控制系統(tǒng)：SIEMENS S7-400（CPU 414-2DP）
CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)在傳動(dòng)部分采用ACS800系列變頻器作為核心部件。在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)部分配置四臺(tái)變頻器，采用“一拖一”驅(qū)動(dòng)方式，四臺(tái)變頻器之間采用光纖構(gòu)成通信環(huán)網(wǎng);氧槍部分同樣采用“一拖一”方式驅(qū)動(dòng)，并配置光柵編碼器;外圍控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-400系列PLC，并配套CMK專用的通信程序和工藝控制程序，結(jié)果證明CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)可以非常完美地完成轉(zhuǎn)爐驅(qū)動(dòng)的各種工藝要求：在傾動(dòng)電機(jī)速度同步、負(fù)荷平均分配和氧槍電機(jī)零速滿轉(zhuǎn)矩、報(bào)閘控制、抗過載能力等諸多方面均表現(xiàn)完美。
三、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)部分變頻控制系統(tǒng)的方案說明
CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)中，最為成功之處是在傾動(dòng)部分采用了四臺(tái)變頻器“一拖一”驅(qū)動(dòng)方式，并且圓滿地解決了變頻器之間的“主從”應(yīng)用問題。以往的轉(zhuǎn)爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)或采用“一拖四”的交流調(diào)速方式，這種方式下只能保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本一致，而完全無法保證電機(jī)的負(fù)載一致問題，特別是“一拖四”的交流調(diào)速系統(tǒng)，采用一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)四臺(tái)電機(jī)，由于電機(jī)的電氣特性并非完全一致，變頻器只能采用“V/F”控制方式，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，轉(zhuǎn)矩控制特性差。另外，由于電機(jī)的電氣特性差別，驅(qū)動(dòng)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法保證一致，而轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)電機(jī)之間屬于齒輪剛性連接，微小的轉(zhuǎn)速差別可能引起非常大的負(fù)載不平衡，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)在傾動(dòng)過程中有的傾動(dòng)電機(jī)處在電動(dòng)狀態(tài)，而有的傾動(dòng)電機(jī)卻處在發(fā)電狀態(tài)，造成了負(fù)載的嚴(yán)重不平衡，經(jīng)常損壞傾動(dòng)電機(jī)。
而在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)中，4臺(tái)變頻器通過光纖連接，構(gòu)成主從應(yīng)用工作組，工作時(shí)其中一臺(tái)設(shè)為主傳動(dòng)工作方式，另三臺(tái)工作在從傳動(dòng)方式，從傳動(dòng)變頻器以速度/力矩工作方式工作，主變頻器速度由上位機(jī)PLC系統(tǒng)通過變頻器I/O口給定，主變頻器通過光纖環(huán)網(wǎng)向從機(jī)發(fā)送運(yùn)行信息，內(nèi)容包括主機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩及開關(guān)狀態(tài)等，從機(jī)通過DDCS光纜鏈路與主傳動(dòng)連接，由主從應(yīng)用宏自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與主傳動(dòng)的速度/力矩跟蹤和力矩準(zhǔn)確分配，直接用軟件實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)傳動(dòng)中速度同步和力矩分配。由于通信是采用光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為1ms，最大延遲時(shí)間為4ms，如此高的通信速度足以保證主從機(jī)之間的速度及負(fù)載的一致性，具有極好的實(shí)時(shí)性、高可靠性和抗干擾能力，速度跟蹤精度誤差低于0.3%s,主從應(yīng)用的通訊時(shí)間即使在1主10從的應(yīng)用情況下也不超過 4ms。這是其他傳動(dòng)系統(tǒng)所不具備的。
系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，上位PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器正常通訊，實(shí)現(xiàn)控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)因某種原因引起某臺(tái)從變頻器或電機(jī)故障時(shí)，故障變頻器自動(dòng)停止工作，另外三臺(tái)變頻器繼續(xù)工作，主變頻器控制負(fù)載在這三臺(tái)變頻器之間平均分配;當(dāng)主變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主變頻器停止工作，并發(fā)出故障信號(hào)，由上位PLC系統(tǒng)起動(dòng)故障處理程序，通過變頻器I/O端口，設(shè)置另外一臺(tái)變頻器為主傳動(dòng)，組成新的主/從工作組，按主/從方式繼續(xù)工作，新的主變頻器負(fù)責(zé)速度控制和負(fù)載分配。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程在2秒鐘以內(nèi)完成。
ABB變頻器的這種主從可以重新配置的特點(diǎn)，保證了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)在任何一臺(tái)或二臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)或變頻器出現(xiàn)故障的情況下，仍能繼續(xù)工作，且不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)負(fù)荷分配不均勻的現(xiàn)象。
ABB變頻器主從應(yīng)用宏在主機(jī)從一臺(tái)變頻器切換到另外一臺(tái)變頻器的情況下，主從應(yīng)用的速度環(huán)和力矩環(huán)仍然是在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，具有極快的響應(yīng)速度和控制精度。而其它品牌的變頻器在主從應(yīng)用時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)從一臺(tái)變頻器到另一臺(tái)變頻器的切換，必須把速度環(huán)放在變頻器外部，例如在PLC中實(shí)現(xiàn)速度環(huán)，這樣，速度環(huán)的響應(yīng)速度和控制精度就大打折扣，會(huì)引起速度不穩(wěn)、溜車等一系列問題。尤其是在煉鋼過程中操作轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)，例如在煉鋼工人需要采樣鋼水樣品時(shí)，負(fù)載力矩的突然變化，要求速度環(huán)盡快響應(yīng)，但以PLC實(shí)現(xiàn)的速度環(huán)可能來不及響應(yīng)，出現(xiàn)溜車。
另外，為了監(jiān)控轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)位置，系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)爐主軸上安裝有一只光柵編碼器，該信號(hào)直接傳誦到后臺(tái)PLC系統(tǒng)，通過PLC來計(jì)算、轉(zhuǎn)換。而傾動(dòng)電機(jī)則無須配置編碼器，原因是變頻器通過光纖環(huán)進(jìn)行通信，而ACS800變頻器的DTC控制方式已完全滿足轉(zhuǎn)爐電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度。
四、轉(zhuǎn)爐氧槍部分變頻控制系統(tǒng)的方案說明
在氧槍部分的變頻控制系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的一點(diǎn)是變頻器需要具有非常的的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，原因是氧槍屬于典型的提升機(jī)負(fù)載，只要制動(dòng)報(bào)閘一打開，電機(jī)就有 100%的負(fù)載，而這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，再考慮到加速轉(zhuǎn)矩、摩擦力矩及氧槍粘鋼水等因素，所以氧槍變頻器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最少應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)矩的120% 。而 ACS800系列變頻器所獨(dú)有的DTC控制技術(shù)，為氧槍電機(jī)提供了良好的動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載力矩響應(yīng)能力，超過200%的啟動(dòng)力矩及先進(jìn)的提升應(yīng)用程序可以完全滿足氧槍工藝要求。
另外，氧槍需嚴(yán)格監(jiān)控，防止出現(xiàn)“溜槍”故障，在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)中，我司充分利用了ABB公司開發(fā)的提升應(yīng)用程序，并結(jié)合PLC編制了一套抱閘邏輯控制程序，成功實(shí)現(xiàn)了變頻器在機(jī)械抱閘尚未打開的情況下，仍能維持零速滿力矩運(yùn)行而不跳閘，大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。
五、CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)
系統(tǒng)試運(yùn)行期間測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如下
1、 傾動(dòng)傳動(dòng)部分：
電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 100%～160%
電機(jī)間速度同步誤差：0.1%～0.3%
電機(jī)間負(fù)載不平衡誤差：0.5%～1%
速度控制精度：0.1%～0.3%
轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間：1ms～5ms
加減速時(shí)間：2s
過載能力：>250%
2、 氧槍傳動(dòng)部分：
電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 130%～150%
速度控制精度：0.1%～0.4%
轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間：1ms～5ms
加減速時(shí)間：2s～3s
過載能力：>200%
六、結(jié)論
系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行非常穩(wěn)定，性能可靠，現(xiàn)場(chǎng)操作人員非常滿意，從未出現(xiàn)傾動(dòng)時(shí)爐體“點(diǎn)頭、濺鋼”、“溜車”等問題。應(yīng)用證明，CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)非常完美地完成了漣源鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐設(shè)備的傳動(dòng)任務(wù)，該系統(tǒng)具有較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
