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　　關鍵詞：變頻器 負載 控制系統

　　一、引言：

　　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。交流電動機采用變頻調速技術是當代電動機調速的潮流，采用變頻器控制電動機的電力拖動系統，有著節能效果顯著，調節控制方便，維護簡單，可網絡化集中遠程控制，可與PLC 組成控制系統等優點。變頻器的這些優點使其在工業自動控制領域中的應用日益廣泛。

　　宣鋼煉鋼廠120噸轉爐自2006年投產，在轉爐傾動系統中就采用了交流變頻器，由于各方面原因傾動系統工作一直不正常，傳動系統特性較差，啟動電流大但力矩不足，不能很好的實現主從控制，從而無法準確定位。并且轉爐在出鋼時爐體點頭現象嚴重，操作工人無法精確控制下渣量。轉爐傾動的變頻調速控制系統，是轉爐控制系統中變頻技術應用的重點，同時也是轉爐本體控制系統中投資最大的部分;傾動系統是關系到產品質量和生產安全的關鍵環節，嚴重制約了品種鋼的冶煉，甚至容易發生轉爐翻爐潑鋼倒鋼的嚴重事故。為此在主體結構不變的前提下，我廠重新選擇A-B公司 Powerflex700s新型交流變頻器，重新設計傾動控制系統。改造后控制系統可以做到大力矩啟動，平穩加速、平滑變速。采用PLC控制，減少了有接點系統帶來的故障，做到了停車點、變速點的準確控制，最大限度地發揮了變頻器的特長和優點。總之，取得了滿意的效果。

　　二、Powerflex700sA-B700S的選擇及系統設計應用

　　1.選型注意事項

　　在宣鋼120t轉爐傾動系統改造設計階段，我們進行了詳細的技術調查及性能分析。通過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，應具有足夠大的過載能力，滿足Ivfmax≥2Ide,1min。四象限運行，變頻器能工作在正向出力、正向制動、反向出力、反向制動四種工作狀態。

　　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。

　　2.宣鋼120t轉爐工藝設備概況

　　宣鋼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360?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360?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。

　　3.工藝控制方式的要求

　　轉爐傾動系統設內外兩種控制方式，內控用于調試維護應急操作。外控用于正常生產。當外控發生故障時，可及時用內控實現轉爐傾動的手動運行。內外控切換可通過轉爐傾動控制柜門上設置的選擇開關實現。

　　內控方式：通過轉爐傾動控制柜門上設置的選擇開關按鈕指示燈及文本顯示器對轉爐傾動進行變頻器的主從切換、前傾，后傾速度設定等操作和狀態及運行參數監視，這時操作人員在轉爐主控室可監視轉爐傾動運行全過程，轉爐主PLC只發送傾動允許的信號給傾動PLC，不參與其他方面控制。

　　外控方式：外控時，操作人員可以通過操作臺及上位計算機對轉爐傾動運行（包括變頻器主從切換，速度給定，前傾，后傾等）操作。可任意指定一臺電機作為主電機。轉爐傾動的所有操作指令由轉爐主PLC給傾動PLC發出。

　　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。

　　4、轉爐傾動控制系統的基本要求為:

　　傾動裝置的工藝要求為正常工作時由四臺變頻器控制相應的電機共同拖動轉爐，當四臺變頻器中有一臺故障的時候其他三臺仍然能夠拖動負載。轉爐傾動是一個大慣性的位勢負載，要求傳動系統有很好的低速起動性能，同時要求電機和變頻器要有較強的過載能力和電機的輸出轉矩能夠平衡分配。具體步驟如下：

　　（1）4臺電動機同步啟動、制動及同步運行,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。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。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。

　　（2）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。

　　（3）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。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。

　　（4）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臺只能保證將當前爐內鋼水倒出。

　　5.電氣傳動控制系統方案確定

　　根據以上的分析計算及工藝控制要求, 宣鋼120t轉爐傾動裝置電氣傳動控制系統選用4套A-B公司的直接轉矩控制變頻裝置（型號：Powerflex700s 200KW）,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，變頻器與PLC之間采用網絡及I/O進行通訊，在傾動變頻調速柜中，為了抑制電源側過壓，減少電流畸變，在變頻器輸入側配有進線電抗器，以便提高系統的可靠性和靈活性。　轉爐主控室、出鋼操作臺、出渣操作臺三地互鎖;當其中一地操作時，其他兩地無法操作。當外部聯鎖條件不允許時，自動封鎖系統。

　　6、傾動裝置控制系統結構圖

圖1 系統結構示意圖

　　三、 關鍵技術的應用

　　1、 根據轉爐工作特點，4臺電動機必須同步啟動、制動及同步運行。如何實現這一要求，是該系統的關鍵。該方案中，4套變頻器對應4臺電動機, 正常情況下采用一主三從的控制方式,通過通訊方式調節一個速度環一個電流環來控制4臺電動機同步啟動、制動及同步運行。

　　以1#變頻器為主為例，系統調節原理圖如下：

圖2 傳動系統控制結構圖

　　4臺變頻器的配電變壓器選用1000kVA，10kV/380V變壓器工作，變壓器高壓側需有避雷設備。四臺變頻器均由各自的配電柜獨立提供電源。為了滿足負荷均衡分配和一定速度精度的要求，該系統采用了如圖2所示的傳動控制系統。其中只有1#電機的變頻器使用了雙閉環控制，它是該系統中的主機，其它幾臺變頻器使用了轉矩閉環，為從動工作方式。系統主頻率給定由LOGIX5000 PLC給定，由編碼器反饋作為系統的速度反饋。在速度調節器的輸出中取出轉矩分量，再作為轉矩給定同時送給三臺變頻器的轉矩調節器。由于三臺電機的轉矩給定一樣，故其實際轉矩也是一樣的，這樣就能比較均衡地分配負荷。同時由于主機有速度閉環控制，電機的運行速度也能跟隨系統的給定值。因此，系統能夠工作在動態平衡點上。由于轉爐傾動是位勢負載，當轉爐回位時，電動機是工作在發電狀態，所以需要配備制動單元和制動電阻來進行能耗制動，以保證平穩回位。在轉爐傾動系統中，我們配置了制動單元和制動電阻，制動電阻是額定功率為50KW，阻值為3歐姆的兩個電阻并聯，經過調試能夠滿足系統的需要。

　　2 系統的主從方式切換

　　由于變頻器功能的局限，在以往的轉爐傾動系統的設計中，能夠方便實現變頻主從工作方式切換的并不多。但是，由于本系統采用了Rockwell公司的700S變頻器，它能夠通過外部端子上開關量的組合輸入來方便的實現系統的工作方式的切換，如果主變頻器發生故障，我們可以從控制柜液晶屏上迅速的切換到另一個變頻器上，可保證三臺變頻器的正常運行。

　　3 傾動系統的PI調節參數的確定

　　在本系統中，由于從機變頻器的轉矩給定為主機變頻器速度調節器的輸出值，因此，主機變頻器速度調節器PI參數的調整對整個系統的動態性能有著相當大的影響，如果輸出調整過大，系統很容易出現超調，這時，從動變頻器所驅動的電機將有可能在發電和電動狀態下交替工作，系統處于不穩定的狀態，如果輸出調整過小，則系統調整過慢，甚至有可能出現不能調整到均衡的狀態。因此，需要反復的試驗才能夠得到最優的PI參數，廠家技術人員在通過理論計算的基礎上，進行現場微調，得到一組較為滿意的參數，系統的動態性能較好，通過重新調整PI參數，基本解決了我廠第一期轉爐運行一直不太正常的問題。圖3為經過PI參數調整后，現場得到的三臺電機的電流曲線。通過該圖，我們可以看出，三個電機的電流在穩態時基本相等，負載分配比較均衡，在啟動時，從動電機的跟隨比較快，動態性能比較好。

圖3 負載運行時電機的電流曲線

　　4、 傾動系統的抱閘控制

　　由于轉爐傾動是位勢負載，所以機械抱閘的控制也很重要。抱閘開早了或關晚了，轉爐都將出現回位動作從而產生抖動; 開晚了或關早了，轉爐電機將有可能過流。

　　在轉爐傾動系統開抱閘前，我們必須要求電機能夠提供足夠的轉矩，讓轉爐在開抱閘后不至于產生回位動作和抖動，因此，系統開抱閘需要先檢測變頻器的輸出電流，變頻器的輸出電流由變頻器的模擬量輸出反饋到PLC里，PLC再對電流作出判斷，確認電流達到能夠產生足以承擔負載轉矩的電流的情況下，這時打開抱閘，傾動系統就能夠比較平穩的起動，確保了系統的安全性。

　　在轉爐傾動系統關抱閘時，需要確定系統速度接近零的時候才可以關抱閘，如果關早了，電機運行遇到阻礙，轉矩就會增大，就會出現電流過大的情形。如果關晚了，轉爐在速度已經為零的情況下，沒有抱閘的作用，將會由于重力的作用出現回位動作，這是非常危險的，因此，應該根據實際情況，設定關抱閘的速度判斷值，根據速度來關抱閘。

　　5、通訊網絡

　　由于轉爐自動化控制系統采用了施耐德Quantum 系列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Conrolnet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。

　　針對現有設備的設備狀況和環境，我們選用LOGIX5555作為傳動控制系統實現的主體，通過Controlnet與變頻裝置連接實現了轉爐傾動系統網絡自動控制。在轉爐傳動變頻控制系統中，4臺變頻器通過光纖連接，構成主從應用工作組，工作時其中一臺設為主傳動工作方式，另三臺工作在從傳動方式，從傳動變頻器以轉矩模式工作，主變頻器速度由PLC系統通過變頻器I/O口給定，主變頻器通過Drive-to-Drive Link通訊向從機發送運行信息，內容包括主機轉速，轉矩及開關狀態等，由主從裝置參數設定自動實現與主傳動的速度/轉矩跟蹤和轉矩準確分配，實現了多電機傳動中速度同步和轉矩分配。傳動控制系統只接受轉爐控制系統的一個傾動允許信號，就能夠滿足控制的要求。

　　系統正常運行時，PLC系統通過CNB總線與轉爐傾動變頻器正常通訊，實現控制和數據采集。當因某種原因引起故障時，例如某臺從變頻器或電機故障時，故障變頻器自動停止工作，另外三臺變頻器繼續工作，主變頻器控制負載在這三臺變頻器之間平均分配;當主變頻器或電機出現故障時，主變頻器停止工作，并發出故障信號，此時可設置另外一臺變頻器為主傳動，組成新的主/從工作組，按主/從方式繼續工作，新的主變頻器負責速度控制和負載分配。

　　另外，轉爐傾動需嚴格監控，防止出現“溜車”故障，在轉爐傳動變頻控制系統中，利用了PLC控制程序，使抱閘在系統起動后轉矩建立在一定的輸出轉矩時松開，在系統停止后轉矩下降至一定的輸出轉矩時抱緊，大大提高了系統應用的可靠性。

　　四、應用效果

　　經過將近半年多的應用，該系統設備能夠滿足 我廠工藝的要求，其運行效果平滑穩定。 Powerflex700s的主/從控制功能對于多電機同軸驅動負荷平衡找到了出路，使用方便。該系統的設計、選型滿足了轉爐傾動系統的苛刻要求，應該說是成功的。