轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)電氣方案設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

張旭　王福朝

摘 要：對于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣方案設(shè)計(jì)，一方面對電機(jī)要有較好同步性能的要求，另一方面在電氣控制中也要有良好的負(fù)荷分配，如何處理多電機(jī)剛性連接時(shí)負(fù)荷平衡和速度同步是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)電氣方案設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文從矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)在煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用入手進(jìn)行探討，介紹了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)變頻器選型方法，對目前交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)流行的壓頻比（U/F）矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的區(qū)別進(jìn)行了闡述，并三者轉(zhuǎn)矩響應(yīng)或建立轉(zhuǎn)矩的機(jī)理做了說明，闡述了選擇變頻器的理由，介紹了變頻器選型的計(jì)算方法，主從控制的方法和通過PLC的位置控制方法，可靠性高及運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐傾動(dòng) 直接轉(zhuǎn)矩控制 主從控制 定位控制

中圖分類號：TF748 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0130-02

隨著電氣控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC邏輯控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代老的系統(tǒng)。特別是在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置傳動(dòng)電氣控制系統(tǒng)中，國內(nèi)外的電氣控制系統(tǒng)也在不斷的升級改造中。某集團(tuán)公司承接的越南某鋼廠EPC建設(shè)項(xiàng)目中，煉鋼車間轉(zhuǎn)爐電氣自動(dòng)化系統(tǒng)采用PLC控制，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的傳動(dòng)部分是由四臺(tái)變頻電機(jī)通過減速機(jī)與爐體剛性連接成一體，采用變頻器驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)角度檢測用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測元件并用PLC高速計(jì)數(shù)器來采集，通過PLC運(yùn)算進(jìn)行位置準(zhǔn)確定位控制。下面就本項(xiàng)目中成功的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)選型做一簡單介紹。

1 轉(zhuǎn)爐傳動(dòng)系統(tǒng)配置

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)為四驅(qū)全懸掛柔性傳動(dòng)，有四臺(tái)電機(jī)，四臺(tái)一次減速機(jī)，一臺(tái)二次減速機(jī)和一套扭力桿裝置組成。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)屬于勢能負(fù)載，它對變頻器的要求是滿足滿載啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、啟動(dòng)/制動(dòng)無沖擊、電機(jī)四象限運(yùn)行、在零速或低速時(shí)有較大的力矩輸出、制動(dòng)時(shí)電機(jī)立即停止、停位平穩(wěn)準(zhǔn)確和四臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行負(fù)荷平衡。

鑒于ABB ACS800系列變頻器控制核心是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），具有零速下可輸出1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩建立響應(yīng)快并能實(shí)現(xiàn)主從控制方案等特點(diǎn)，故選用其作為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)的控制部件。

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)的要滿足以下的基本要求：

（1）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、啟動(dòng)/制動(dòng)無沖擊，根據(jù)要求轉(zhuǎn)爐可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行傾動(dòng)速度調(diào)節(jié)。

（2）其中某臺(tái)電動(dòng)機(jī)如果出現(xiàn)故障，但轉(zhuǎn)爐正在吹煉狀態(tài)，那么其余3臺(tái)電動(dòng)機(jī)要能夠降速運(yùn)行保持到爐鋼煉完。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障時(shí)，傾動(dòng)機(jī)械的機(jī)械和電氣設(shè)備能滿足短時(shí)間的過載，可以倒出爐內(nèi)物，以便事故處理。

（4）為阻止電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)對設(shè)備沖擊，轉(zhuǎn)爐開始傾動(dòng)時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)逐步的漸進(jìn)加速。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制

目前變頻的控制方式有：壓頻比控制方式（U/F）、矢量控制方式（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。

壓頻比控制方式（U/F）是為了保證電機(jī)磁通恒定在控制時(shí)要求頻率變化時(shí)電壓按一定的比例調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^設(shè)置零速時(shí)的電壓偏置建立零速轉(zhuǎn)矩，但范圍較小。

矢量控制方式（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）具有建立高于額定轉(zhuǎn)矩的能力，但采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為6～7ms，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到1ms左右。原因是眾所周知的，接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）的著眼點(diǎn)是電壓，而不是電流。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后?，F(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機(jī)模型計(jì)算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生，前饋電壓控制可以獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的，沒有任何過沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。

3 變頻器主/從控制功能

鑒于變頻器在使用中簡便和性能可靠， 在目前的電氣控制方案中已逐步成本首選的電機(jī)控制器。根據(jù)轉(zhuǎn)爐工作特點(diǎn)，4臺(tái)電動(dòng)機(jī)必須同步啟動(dòng)、制動(dòng)及同步運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)這一要求，是本次轉(zhuǎn)爐電氣情動(dòng)方案的重點(diǎn)。本方案中，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)是采用四臺(tái)變頻器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，為了保證電機(jī)負(fù)荷平衡傳動(dòng)控制方案做成主/從控制方式（一主三從）。通過PLC邏輯處理出現(xiàn)故障時(shí)可以切換成一主兩從或一主一從控制方式。如圖1所示。

ABB ACS800的主/從控制功能是為多傳動(dòng)而設(shè)計(jì)的，柔性和剛性耦合連接均可。主/從控制的外部信號只與主機(jī)進(jìn)行連接，主機(jī)通過一個(gè)光纖串行通訊鏈路來控制從機(jī)。在變頻器選型時(shí)增加四塊RDCO-0x專用選件。本項(xiàng)目的應(yīng)用中按剛性耦合連接設(shè)置變頻器參數(shù)。

主傳動(dòng)的控制方式是速度閉環(huán)系統(tǒng)，通過主給定的速度與電機(jī)編碼器的反饋的實(shí)際速度形成速度閉環(huán)系統(tǒng)。從傳動(dòng)的控制方式是電流閉環(huán)系統(tǒng)，即主傳動(dòng)的速度調(diào)節(jié)器的輸出作為從傳動(dòng)的電流給定，從傳動(dòng)通過電流閉環(huán)以到達(dá)電機(jī)負(fù)荷平衡的目的。

由于從機(jī)不會(huì)通過串行主/從機(jī)的連接向主機(jī)反饋任何數(shù)據(jù)。ABB推薦單獨(dú)使用一根電纜將從機(jī)故障信息傳送給主機(jī)。如圖2所示。該連接在從機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主機(jī)和從機(jī)都會(huì)停止運(yùn)行。

另外，變頻器有兩個(gè)模擬輸出端和三個(gè)繼電器輸出端用于外部監(jiān)控。模擬輸出端可以提供電機(jī)速度信號和電機(jī)電流信號，而三個(gè)繼電器輸出端分別指示準(zhǔn)備、運(yùn)行和無故障信號。將這些信號接入PLC系統(tǒng)便可對變頻器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

4 變頻器容量選型

在設(shè)備配套選型時(shí)已確定好電機(jī)的型號。電機(jī)為Y系列變頻電機(jī)參數(shù)如下：型號YZP225M-8，電壓380V，功率30kW，電流68A，轉(zhuǎn)速735r/min，轉(zhuǎn)矩386N·m。

按下式計(jì)算變頻器的容量：

PN=kPM/η（kW） （1）

式中：PN為變頻器的額定容量kW，k為電流波形的修正系數(shù) （PWM方式時(shí)，取1.05～1.0），PM為電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率kW，η為電動(dòng)機(jī)的效率。

k取1.05，η取0.9，把k、η及電機(jī)其他參數(shù)代入（1）式則：

PN=1.05*30/0.9=35 （kW）

根據(jù)ABB ACS800的選型手冊選擇ACS800-01-0050-3變頻器。重載時(shí)其額定功率為37kW，電流為80A。

5 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度定位控制

PLC在我國的應(yīng)用已十分普及。它具有運(yùn)算速度快、邏輯可靠、布線和通訊便捷，工藝調(diào)整靈活和維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)選用了S7-300 PLC作為轉(zhuǎn)爐的電氣核心控制部件，選用工控機(jī)并配SIMATIC WinCC視窗上位軟件作為HMI一起組成轉(zhuǎn)爐一級自動(dòng)化的控制系統(tǒng)核心部分。在HMI上可以方便地進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定工作方式選擇。

利用PLC作為位置環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的定位控制系統(tǒng)，如圖3所示。

S7-300 PLC的高速計(jì)數(shù)器具有外部控制的雙向計(jì)數(shù)功能。轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)角度檢測用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測元件，通過安裝在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)低速軸上的編碼器輸出脈沖作為位置反饋信號將其送入到PLC，經(jīng)其內(nèi)部計(jì)算與設(shè)定值進(jìn)行比較，位置到位后轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)停止。編碼器A和B脈沖信號的時(shí)序可以判定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。ACS800可以采用無速度反饋控制方式并能保證速度的動(dòng)靜態(tài)精度。

6 結(jié)語

ACS800的主/從控制功能實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)剛性連接時(shí)負(fù)荷平衡和速度同步問題，零速下轉(zhuǎn)矩的建立和通過S型曲線的設(shè)定保證了轉(zhuǎn)爐爐體在非平衡狀態(tài)下重載能平穩(wěn)啟動(dòng)。通過轉(zhuǎn)矩速度模式的切換保證了速度的動(dòng)態(tài)跟隨。利用PLC通過編碼器位置反饋?zhàn)龅搅藴?zhǔn)確定位控制。研究認(rèn)為頻繁在零速下啟動(dòng)的情況下選擇直接控制方式的變頻器其使用效果要優(yōu)于矢量控制方式，隨著變頻控制技術(shù)的不斷發(fā)展變頻器的應(yīng)用前景十分廣闊。

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