冶金工業(yè)的變頻器應(yīng)用與維護(hù)（四）變頻器在轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 前言

轉(zhuǎn)爐設(shè)備是煉鋼廠的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其爐體外形如圖1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、氧槍傳動(dòng)的電力控制設(shè)備和輔助風(fēng)機(jī)等。

在整個(gè)轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，由于冶煉操作需要，轉(zhuǎn)爐需要傾動(dòng)到不同的角度，以便進(jìn)行各項(xiàng)工業(yè)操作。一般而言，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)回轉(zhuǎn)角度為0～±360度，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)回轉(zhuǎn)速度為高速1.0r/min和低速0.2r/min。轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)的動(dòng)能由以下幾部分轉(zhuǎn)動(dòng)體繞耳軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)組成：爐體、鋼水、托圈、耳軸（兩個(gè)）、大齒輪。

圖1 轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

2 變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)中的應(yīng)用

在中大型轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中，爐體傾動(dòng)部分一般采用幾臺(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2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)爐的冶煉過程中，傾動(dòng)電機(jī)一般都具有如下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置由幾臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，既要同步啟動(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)；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)；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。

某煉鋼轉(zhuǎn)爐的容量為90噸，由3臺(tái)交流變頻電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)的主要參數(shù)：電機(jī)額定功率為55kW，額定電壓為380V，額定電流為110A，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為920r/min。每臺(tái)電機(jī)都由一臺(tái)ROCKWELL IMPACT1336變頻器供電，四臺(tái)變頻器三用一備，一主二從，拖動(dòng)三臺(tái)電機(jī)在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)均衡的分擔(dān)負(fù)載。

變頻控制系統(tǒng)的配置如圖3所示，其中只有主電機(jī)的變頻器使用了雙閉環(huán)控制，其它兩臺(tái)變頻器使用了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，為從動(dòng)工作方式。系統(tǒng)主頻率給定由上位機(jī)給定，由編碼器反饋?zhàn)鳛橄到y(tǒng)的速度反饋。在速度調(diào)節(jié)器的輸出中取出轉(zhuǎn)矩分量，再作為轉(zhuǎn)矩給定同時(shí)送給三臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。由于三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定一樣，故其實(shí)際轉(zhuǎn)矩也是一樣的，這樣就能比較均衡地分配負(fù)荷。同時(shí)由于主機(jī)有速度閉環(huán)控制，電機(jī)的運(yùn)行速度也能跟隨系統(tǒng)的給定值。因此，系統(tǒng)能夠工作在動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)上。

圖3 變頻器的制動(dòng)配置

由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)是位勢負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)爐回位時(shí)，電動(dòng)機(jī)是工作在發(fā)電狀態(tài)，所以需要配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來進(jìn)行能耗制動(dòng)，以保證平穩(wěn)回位。在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)中，該組變頻器配置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻是額定功率為50kW，阻值為3歐姆的兩個(gè)電阻并聯(lián)，經(jīng)過調(diào)試能夠滿足系統(tǒng)的需要。

本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)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)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，上位PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與變頻器正常通訊，實(shí)現(xiàn)控制和現(xiàn)場數(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，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。

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。

3 變頻器在氧槍傳動(dòng)中的應(yīng)用

在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，氧槍定位的精確性直接影響吹煉終點(diǎn)的鋼水溫度和碳含量，同時(shí)對生產(chǎn)安全和爐齡、槍齡也有很大的影響。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，以防止發(fā)生“掉槍”事故。

氧槍傳動(dòng)系統(tǒng)一般具有如下特點(diǎn)：（1）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；（2）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；（3）氧槍的升降速度可無級調(diào)節(jié)；（4）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。

氧槍電機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載特性如圖4所示。氧槍提升時(shí)，電動(dòng)機(jī)制電磁轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即電動(dòng)機(jī)制電磁轉(zhuǎn)矩M的方向與旋轉(zhuǎn)的方向相同，故電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，工作于第一象限。氧槍下降時(shí)，由于氧槍屬重載，在該重載的作用下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要高于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，因此電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)工作于第四象限。

圖4 氧槍傳動(dòng)控制特點(diǎn)

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大的起動(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%。而類似ACS800系列變頻器所獨(dú)有的DTC控制技術(shù)，就能為氧槍電機(jī)提供了良好的動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載力矩響應(yīng)能力，同時(shí)其超過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，在轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)變頻控制系統(tǒng)中，可充分利用變頻器的提升應(yīng)用程序或者應(yīng)用宏，并結(jié)合PLC編制了一套抱閘邏輯控制程序，就能成功實(shí)現(xiàn)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)行而不跳閘的功能，從而大大提高氧槍傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

4 高壓變頻器在轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

某煉鋼廠對三座轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造，將風(fēng)機(jī)移至地面，采用液力偶合器調(diào)速，高速2700r/min（設(shè)計(jì)2900r/min），低速1200r/min。

經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)液力偶合器技術(shù)存在著局限性，主要表現(xiàn)在：調(diào)速范圍在30%～90%之間，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；而且低速1200r/min仍然偏高，造成能源浪費(fèi)，高速運(yùn)行時(shí)，液力偶合器有時(shí)失速，轉(zhuǎn)爐爐口冒煙；液力偶合器需經(jīng)常更換軸承，造成轉(zhuǎn)爐停產(chǎn)，不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要等。

鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在對新上一座30t轉(zhuǎn)爐時(shí)決定不再使用液力偶合器調(diào)速，改用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為新轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，具體方案如圖5所示。

圖5 除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案

設(shè)備配置和參數(shù)如下：

KM：變頻器供電的高壓真空斷路器，為原有高壓真空開關(guān)；

KG1、KG2、KG3：高壓變頻器內(nèi)置真空接觸器；

BPQ：HARSVERT-A06/076變頻器；

M：630KW/6KV異步電動(dòng)機(jī)。

采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻的工作過程如下：變頻器操作可以在本機(jī)控制，也可以遠(yuǎn)程操作。變頻器包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展控制開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機(jī)或操作臺(tái)進(jìn)行操作，吹煉時(shí)，變頻器高速運(yùn)行；不吹煉時(shí)，變頻器低速運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)工況需要自由設(shè)定，完全可以滿足工藝要求。

5 結(jié)束語

在轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中采用變頻器，它具有以下效果：

（1）節(jié)約能源

利用變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行，在諸多方面可以節(jié)約電能，尤其是在轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，節(jié)能效果最為明顯。在當(dāng)前我國電力供應(yīng)普遍緊張的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

（2）提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量

在轉(zhuǎn)爐負(fù)載中往往存在快速運(yùn)行、準(zhǔn)確停車、重載恒速輸送、輕載高速返回等許多工藝要求。采用交流變頻調(diào)速，能很好地解決這些調(diào)速控制的要求，并逐步取代傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，使電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加合理簡單，生產(chǎn)效率大幅度提高。

（3）有效地防止沖擊電流

由于變頻器可以方便地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停止，因而可以有效地減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，改善電源容量裕度。尤其是轉(zhuǎn)爐電動(dòng)機(jī)容量大，而變壓器容量相對較小時(shí)，這種效果更加明顯。

[1]李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2006：71-72.

[2]ABB變頻器DTC在轉(zhuǎn)爐和氧槍上的運(yùn)用,www.ca800.com.

[3]交流變頻器在轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,www.ca800.com.