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1 概述

    隨著交流變頻控制技術的不斷發展，交流傳動系統得到了廣泛應用，并逐步取代直流傳動系統。特別是在120t轉爐傾動裝置傳動系統中，該級別轉爐的傾動裝置，國內外一直采用直流電動機傳動控制系統。濟鋼120t轉爐傾動裝置首次采用交流變頻傳動系統并取得成功。為120t及以上級別轉爐傾動傳動交流化提供了寶貴經驗。為提高煉鋼自動化水平,降低生產維護成本奠定了基礎。

2  轉爐傾動工藝設備概況

2.1 工藝設備結構

    濟鋼120t轉爐爐殼為全焊接式固定爐底結構，轉爐托圈為焊接箱形結構,其內通循環水冷卻，轉爐爐殼與托圈的連接,采用三點支承方式，此結構既能有效地在360º范圍內支承爐殼又可適應爐殼的熱膨脹。傾動裝置采用全懸掛扭力桿平衡型式。由以下幾部分組成:驅動電動機、一次減速機、二次減速機、扭力桿平衡裝置和潤滑裝置等。扭力桿平衡裝置是平衡轉爐傾動時引起懸掛減速機(二次減速機)殼體旋轉的旋轉力矩平衡裝置，通過扭力桿扭轉來吸收扭矩并將扭矩轉化為垂直的拉力和壓力，通過扭力桿軸的固定軸承座和浮動軸承座傳遞到基礎上,由于拉力和壓力使扭力桿形成相反的扭矩,從而導致產生了吸收傾動力矩的效果。

    轉爐傾動采用全正力矩方式,即轉爐傾動到任一角度時都保證是正力矩，確保轉爐在360º回轉過程中都是正力矩,事故斷電時,轉爐能夠以自身重力自動返回垂直位置,從而排除翻爐潑鋼事故的發生。轉爐傾動驅動系統主要工藝設備參數:

    轉爐容量：125t 最大：135t

    最大傾動力矩：300T.m

    轉爐折算到電動機軸上的最大轉動慣量：675kg.m²

    機械齒輪速比：523

    額定轉矩：1700N.m

    最大力矩倍數：Mcr/Me = 2.9

    傾動速度： 0.13―1.3 r/min
 
    傾動角度： 0―360˚

    加速時間：4S

    變頻電動機：4臺 132KW  YZP355S-8  AC380V  735r/min

    電動機冷卻方式：強迫風冷

    傾動電動機附編碼器： 1024P/R DC24V

    傾動位置接近開關：4個

    傾動裝置制動器：YTD-2000/60

    制動器電動機：4臺0.55KW  AC380V

    轉爐托圈耳軸端部編碼器: 3600P/R  DC24V

2.2工藝控制要求

     120t轉爐傾動機械設備采用4臺交流變頻電動機驅動，4臺電動機采用4點嚙合全懸掛形式，通過扭力桿裝置進行力矩平衡。

轉爐傾動控制系統的基本要求為:

    (1)4臺電動機同步啟動、制動及同步運行,根據要求轉爐可以在0.13～1.3r/min之間進行傾動速度調節,轉爐可以做±360°旋轉。轉爐傾動時4臺電動機負載應相同。

    (2)當一臺電動機發生故障,而轉爐正處于吹煉狀態,則剩余3臺電動機降速運行維持該爐鋼煉完,此時轉爐速度控制在0.14～0.8r/min。

    (3)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。

    (4)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0.13r/min速度旋轉,傾動轉爐倒出爐內裝盛物,然后進行事故處理。

    (5)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。

    (6)電力系統應能記憶煉上一爐鋼時,轉爐轉動0～180°的電動機參數,如電壓、電流轉矩等,本爐次轉爐冶煉時,應將電動機當前參數與上一爐鋼轉爐轉動時的電動機參數進行對比,如果誤差超過10%則報警,操作工人應立即檢查設備是否故障。

    (7)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4S。

    (8)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4S。

    (9)在現場操作臺和CRT上設置故障報警燈,顯示轉爐稀油潤滑系統是否正常,稀油站的故障信號包括油位低、油壓低及油溫高,三種故障信號合成一個"給油異常"信號,當此信號燈亮時,操作工人應立即檢查及排除稀油站故障。

    (10)轉爐在零位時如果電動機的驅動力矩大于700Nm,則報警,操作工人應及時檢查制動器是否出現故障。

    (11)如果電動機最大驅動力矩大于1800Nm10秒以上則報警,此時表示電動機超負荷工作,檢查機械系統,有故障立即排除。

    (12)轉爐正常操作時,電動機驅動力矩不得大于2290Nm。

    (13)轉爐傾動時必需選擇3臺以上電動機工作才能操作,如果選擇2臺及以下時則報警。

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 電氣傳動控制系統方案

3.1交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較

    120t轉爐傾動裝置驅動電動機，國內外以往一直采用直流電動機，隨著交流變頻控制技術的發展，交流傳動系統得到了廣泛應用，并逐步取代直流傳動控制系統。在濟鋼120t轉爐傾動系統設計階段，我們對兩種方案進行了詳細的技術調查及性能比較。

1） 交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較,見表2

表2：交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較表

2） 交、直流電動機機械特性比較,見圖1

通過以上技術性能和電動機機械特性比較,采用交流電動機傳動，電動機及變頻裝置的選擇應注意以下兩點：

1) 交流電動機

    電動機功率應足夠大，Pe-ac≥1.2Pe-dc

    Pe-ac: 交流電動機額定功率

    Pe-dc: 直流電動機額定功率

    電動機過力矩能力應足夠大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax,

    應選擇Mcr=2.8~3.0Mn的電動機，以避開上圖所示的轉速顛覆區。

    電動機型式：變頻，帶強迫冷卻風機

2) 變頻傳動裝置

    應采用矢量變換型并具有低頻力矩補償功能的變頻傳動裝置。

    變頻傳動裝置應具有電動機勵磁預置特殊功能

    變頻傳動裝置應具有足夠大的過載能力，滿足Ivfmax≥2Ide,1min。

    變頻傳動裝置制動方式：為適應轉爐工作區間內力矩波動大的狀況，實現均勻加減速，克服機械設備的扭力振動，提高轉爐停車的穩定性，理論上采用回饋制動方式較理想，但考慮到變頻裝置回饋制動單元長期頻繁運行，易發生逆變顛覆，造成系統停機。因此，為保證系統可靠、穩定運行，采用傳統的能耗制動方式。

3.2 交流電動機的力矩校驗

濟鋼120t轉爐傾動裝置驅動電動機技術數據如下：

    電動機型號：YZP355S-8

    電動機功率：132Kw

    額定轉速：735 r/min

    額定電壓/電流：380V/270A

    額定轉矩：1700Nm

    最大力矩倍數：Mcr/Me=3.0

    冷卻方式：強迫風冷

1) 力矩校驗基本計算

    電動機額定轉矩：1700Nm

    折算到電機軸上總負載力矩：

    Miz=260＊103/551/0.92=5130(Nm)

    單電機軸上負載力矩:

    4臺工作：Mi4=5130/4=1283(Nm)

    3臺工作：Mi4=5130/3=1710(Nm)

    折算到電機軸上總加速力矩：

    Mjz=657＊735/375/4=3220(Nm)

    單電機軸上加速力矩:

    4臺工作：Mj4=3220/4=805(Nm)

    3臺工作：Mi4=3220/3=1073(Nm)

2) 校驗計算結果

    表3：校驗計算結果

    注：表中的計算是以電動機的額定力矩Me為基準。該型號電動機的正常過載能力（S3）為200%Me，60S; 非常過載能力為220%Me，15S。表中最大動態力矩系數1.1,是考慮到電動機負載的不平衡性而確定的。塌爐力矩系數2.5,是根據工藝給出的估算值。

3.3 電氣傳動控制系統方案

    根據以上的分析計算及工藝控制要求, 濟鋼120t轉爐傾動裝置電氣傳動控制系統選用4套羅克韋爾公司的直接轉矩控制變頻裝置（型號：1336E-BP300-L8E-GM6；功率：224kW）,傾動主回路采用4臺電動機一對一的結構，即4套變頻裝置控制4臺電動機，以便提高系統的可靠性和靈活性。

    該系統帶編碼器速度反饋；通過設備網（DeviceNet）與PLC通訊；具有兩倍的過載能力，1分鐘的條件；采用能耗制動方式；具有低頻力矩補償功能，電動機勵磁預置功能和力矩電流平衡等功能，控制電源采用UPS供電,能夠滿足傾動設備的力矩控制要求。

見圖2：傾動裝置控制系統結構圖

    通訊故障情況下，采用1#變頻器為主的控制方式，通過模擬量信號調節一個速度環四個電流環來控制4臺電動機同步啟動、制動及同步運行。示意圖如下：

2)如何實現電動機勵磁預置，滿足傾動設備滿轉矩啟動要求

    本方案通過設備網（DeviceNet）的通訊方式改變變頻器參數值，滿足主從選擇和電動機勵磁預置功能。通過主令發出預勵磁指令，信號傳到PLC中，再通過設備網（DeviceNet）的通訊方式向4臺變頻器發出‘電機預勵磁’信號, 電機勵磁迅速建立，實現零轉速滿轉矩啟動，滿足了傾動設備滿轉矩啟動要求。另外，通過CRT操作畫面選擇幾號變頻器為主，然后通過設備網（DeviceNet）向1臺變頻器發‘本機為主’信號。

3)如果1臺電動機或變頻器故障，允許3臺電動機正常工作

    通過切除故障電動機或變頻器主回路電源，使故障電機完全處于被拖動的機械負載狀態。因為控制回路采取了4臺抱閘同時動作的控制方式，不會使電動機運行受阻。如果是主變頻器或電機故障，需要重新選擇另一臺變頻器為主。

4)施耐德Quantum PLC 與DeviceNet通訊問題

    由于轉爐自動化控制系統采用了施耐德Quantum PLC,而該傳動控制系統為美國A-B公司變頻裝置，其通訊方式為DeviceNet網絡協議。因此，解決兩者之間通訊問題成為系統實現自動的關鍵。

    本方案在施耐德Quantum PLC中采用DeviceNet Scanner模塊140SAC-QDNET-010,配置A-B公司DeviceNet網絡通訊組態軟件9357-DNETL3,9355-WABENE,成功解決了Quantum PLC與A-B公司DeviceNet之間通訊。實現了轉爐傾動系統網絡自動控制。

5結束語
 
    濟鋼120t轉爐傾動裝置交流變頻傳動系統,自2003年3月投入運行至今，系統穩定可靠，其控制功能完全滿足了轉爐傾動工藝需求。這一技術的成功應用，標志著整個轉爐系統傳動實現了全交流化。在該級別轉爐系統中，該技術的應用在國內甚至國際上尚屬首例，是交流傳動應用的重大突破。為今后該級別及以上轉爐傾動裝置的設計及應用，積累了寶貴的經驗，具有較強的推廣應用價值。