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　　摘 要：本文詳細介紹了轉(zhuǎn)爐的傾動系統(tǒng)及氧槍系統(tǒng)中的運行特點，并結(jié)合漣源鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐的實際情況，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)點和系統(tǒng)設(shè)計思想。

　　一、轉(zhuǎn)爐傳動系統(tǒng)特點

　　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“掛著的水桶”。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要的電力傳動設(shè)備包括爐體傾動的電力傳動設(shè)備及氧槍傳動的電力控制設(shè)備。

　　1、轉(zhuǎn)爐傾動的電力傳動設(shè)備

　　在中大型轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)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桿力矩吸收方式，如圖1所示。標準術(shù)語是：全懸掛四點嚙合柔性傳動方式。

圖1 轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)示意圖

　　2、轉(zhuǎn)爐傾動工作方式及控制要求

　　在轉(zhuǎn)爐的冶煉過程中，傾動電機的具有如下特點：

　　· 轉(zhuǎn)爐傾動裝置由四臺傾動電機同時驅(qū)動，四臺電動機同步啟動，加、減速及同步運行，并要求它們保持速度同步和均勻的負荷分配。

　　· 轉(zhuǎn)爐傾動速度一般可以在0.1～0.8rpm之間進行傾動速度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)爐傾動角度范圍0～±360°

　　· 一臺或二臺電機出現(xiàn)故障時，要求傳動系統(tǒng)仍能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，這時，余下的二臺或三臺電機短時間內(nèi)降速運行，并保持速度同步和均勻的負荷分配。

　　· 轉(zhuǎn)爐傾動過程中，在不同的工況下，傾動電機有時處于電動狀態(tài)，有時處于發(fā)電狀態(tài)，傳動裝置需要解決能量回饋問題。

　　· 傾動控制裝置必須解決傳動與抱閘機構(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)爐傾動裝置具有大慣量、重載的運行特點，要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。

　　3、氧槍傳動的電力控制設(shè)備

　　轉(zhuǎn)爐的另一個關(guān)鍵設(shè)備是氧槍。

　　氧槍是典型的位能負載，也是典型的提升應(yīng)用，氧槍控制裝置必須解決傳動與抱閘機構(gòu)之間的協(xié)調(diào)控制問題，防止發(fā)生“掉槍”事故。

圖2 氧槍傳動系統(tǒng)示意圖

　　4、氧槍工作方式及控制要求

　　氧槍傳動系統(tǒng)具有如下特點：

　　氧槍下降時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，要求氧槍傳動裝置能解決能量回饋問題。

　　每臺轉(zhuǎn)爐一般配有兩套氧槍，兩臺氧槍升降設(shè)備，一臺工作，一臺在維修或備用。

　　氧槍的升降速度可無級調(diào)節(jié)。

　　氧槍也具有大慣量、重載高力矩啟動的運行特點，要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。

　　二、漣源鋼鐵集團50T轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)及傳動系統(tǒng)配置

　　漣源鋼鐵集團煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐工程為改造工程，原設(shè)備為電爐煉鋼，工藝相對落后，能耗高。2003年6月改造工程動工，傳動部分采用了我公司的CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)，并在年終一次性投運成功。該轉(zhuǎn)爐傳動部分的主要工藝參數(shù)如下：

　　轉(zhuǎn)爐公稱容量：50噸

　　最大傾動力矩：1400KNm，最大事故力矩：3500KNm

　　傾動速度：0.28～0.8轉(zhuǎn)/min，總傳動比：802.2

　　吹氧時間：12～14min/爐，冶煉周期：42min

　　傾動電機：YZR280M-8/45KW/93.5A

　　提升力：70.8KN，卷揚能力：35.4KN

　　提升速度：快速41.9m/min，慢速10.5m/min

　　氧槍電機：YZR250M-4/55KW/100A

　　根據(jù)以上參數(shù)和轉(zhuǎn)爐傳動系統(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)爐傳動變頻控制系統(tǒng)，并在漣源鋼鐵集團50T轉(zhuǎn)爐工程中一次性投運成功。系統(tǒng)硬件具體配置如下：

　　傾動變頻器：ACS800-04-0140-3 四臺（含制動組件）

　　氧槍變頻器：ACS800-04-0120-3 兩臺（含制動組件）

　　光纖通信模塊：RDCO-03 四只

　　光柵編碼器：10-1153qiq-1024 三只

　　后臺控制系統(tǒng)：SIEMENS S7-400（CPU 414-2DP）

　　CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)在傳動部分采用ACS800系列變頻器作為核心部件。在轉(zhuǎn)爐傾動部分配置四臺變頻器，采用“一拖一”驅(qū)動方式，四臺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，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)爐傳動變頻控制系統(tǒng)可以非常完美地完成轉(zhuǎn)爐驅(qū)動的各種工藝要求：在傾動電機速度同步、負荷平均分配和氧槍電機零速滿轉(zhuǎn)矩、報閘控制、抗過載能力等諸多方面均表現(xiàn)完美。

　　三、轉(zhuǎn)爐傾動部分變頻控制系統(tǒng)的方案說明

　　CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中，最為成功之處是在傾動部分采用了四臺變頻器“一拖一”驅(qū)動方式，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的轉(zhuǎn)速基本一致，而完全無法保證電機的負載一致問題，特別是“一拖四”的交流調(diào)速系統(tǒng)，采用一臺變頻器同時驅(qū)動四臺電機，由于電機的電氣特性并非完全一致，變頻器只能采用“V/F”控制方式，起動轉(zhuǎn)矩低，轉(zhuǎn)矩控制特性差。另外，由于電機的電氣特性差別，驅(qū)動過程中電機的轉(zhuǎn)速無法保證一致，而轉(zhuǎn)爐的傾動電機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載不平衡，情況嚴重時甚至會出現(xiàn)在傾動過程中有的傾動電機處在電動狀態(tài)，而有的傾動電機卻處在發(fā)電狀態(tài)，造成了負載的嚴重不平衡，經(jīng)常損壞傾動電機。

　　而在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中，4臺變頻器通過光纖連接，構(gòu)成主從應(yīng)用工作組，工作時其中一臺設(shè)為主傳動工作方式，另三臺工作在從傳動方式，從傳動變頻器以速度/力矩工作方式工作，主變頻器速度由上位機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)向從機發(fā)送運行信息，內(nèi)容包括主機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩及開關(guān)狀態(tài)等，從機通過DDCS光纜鏈路與主傳動連接，由主從應(yīng)用宏自動實現(xiàn)與主傳動的速度/力矩跟蹤和力矩準確分配，直接用軟件實現(xiàn)了多電機傳動中速度同步和力矩分配。由于通信是采用光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)刷新時間為1ms，最大延遲時間為4ms，如此高的通信速度足以保證主從機之間的速度及負載的一致性，具有極好的實時性、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。這是其他傳動系統(tǒng)所不具備的。

　　系統(tǒng)正常運行時，上位PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與變頻器正常通訊，實現(xiàn)控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，當因某種原因引起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(xù)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(xiàn)故障時，主變頻器停止工作，并發(fā)出故障信號，由上位PLC系統(tǒng)起動故障處理程序，通過變頻器I/O端口，設(shè)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(xù)工作，新的主變頻器負責速度控制和負載分配。整個轉(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，保證了轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)在任何一臺或二臺傾動電機或變頻器出現(xiàn)故障的情況下，仍能繼續(xù)工作，且不會出現(xiàn)電機負荷分配不均勻的現(xiàn)象。

　　ABB變頻器主從應(yīng)用宏在主機從一臺變頻器切換到另外一臺變頻器的情況下，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，為了實現(xiàn)主機從一臺變頻器到另一臺變頻器的切換，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)爐傾動時，例如在煉鋼工人需要采樣鋼水樣品時，負載力矩的突然變化，要求速度環(huán)盡快響應(yīng)，但以PLC實現(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，該信號直接傳誦到后臺PLC系統(tǒng)，通過PLC來計算、轉(zhuǎn)換。而傾動電機則無須配置編碼器，原因是變頻器通過光纖環(huán)進行通信，而ACS800變頻器的DTC控制方式已完全滿足轉(zhuǎn)爐電機的轉(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)鍵的一點是變頻器需要具有非常的的起動轉(zhuǎn)矩，原因是氧槍屬于典型的提升機負載，只要制動報閘一打開，電機就有100%的負載，而這時電機的轉(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系列變頻器所獨有的DTC控制技術(shù)，為氧槍電機提供了良好的動態(tài)特性和負載力矩響應(yīng)能力，超過200%的啟動力矩及先進的提升應(yīng)用程序可以完全滿足氧槍工藝要求。

　　另外，氧槍需嚴格監(jiān)控，防止出現(xiàn)“溜槍”故障，在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(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，成功實現(xiàn)了變頻器在機械抱閘尚未打開的情況下，仍能維持零速滿力矩運行而不跳閘，大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

　　五、CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

　　系統(tǒng)試運行期間測得現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)如下

　　1、 傾動傳動部分：

　　電機起動轉(zhuǎn)矩： 100%～160%

　　電機間速度同步誤差：0.1%～0.3%

　　電機間負載不平衡誤差：0.5%～1%

　　速度控制精度：0.1%～0.3%

　　轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間：1ms～5ms

　　加減速時間：2s

　　過載能力：>250%

　　2、 氧槍傳動部分：

　　電機起動轉(zhuǎn)矩： 130%～150%

　　速度控制精度：0.1%～0.4%

　　轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間：1ms～5ms

　　加減速時間：2s～3s

　　過載能力：>200%

　　六、結(jié)論

　　系統(tǒng)自投運以來，運行非常穩(wěn)定，性能可靠，現(xiàn)場操作人員非常滿意，從未出現(xiàn)傾動時爐體“點頭、濺鋼”、“溜車”等問題。應(yīng)用證明，CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)非常完美地完成了漣源鋼鐵集團煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐設(shè)備的傳動任務(wù)，該系統(tǒng)具有較大的市場推廣價值。