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　　关键词：变频器 负载 控制系统

　　一、引言：

　　随着交流变频控制技术的不断发展，交流传动系统得到了广泛应用，并逐步取代直流传动系统。交流电动机采用变频调速技术是当代电动机调速的潮流，采用变频器控制电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC 组成控制系统等优点。变频器的这些优点使其在工业自动控制领域中的应用日益广泛。

　　宣钢炼钢厂120吨转炉自2006年投产，在转炉倾动系统中就采用了交流变频器，由于各方面原因倾动系统工作一直不正常，传动系统特性较差，启动电流大但力矩不足，不能很好的实现主从控制，从而无法准确定位。并且转炉在出钢时炉体点头现象严重，操作工人无法精确控制下渣量。转炉倾动的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的重点，同时也是转炉本体控制系统中投资最大的部分;倾动系统是关系到产品质量和生产安全的关键环节，严重制约了品种钢的冶炼，甚至容易发生转炉翻炉泼钢倒钢的严重事故。为此在主体结构不变的前提下，我厂重新选择A-B公司 Powerflex700s新型交流变频器，重新设计倾动控制系统。改造后控制系统可以做到大力矩启动，平稳加速、平滑变速。采用PLC控制，减少了有接点系统带来的故障，做到了停车点、变速点的准确控制，最大限度地发挥了变频器的特长和优点。总之，取得了满意的效果。

　　二、Powerflex700sA-B700S的选择及系统设计应用

　　1.选型注意事项

　　在宣钢120t转炉倾动系统改造设计阶段，我们进行了详细的技术调查及性能分析。通过技术性能和电动机机械特性比较,采用交流电动机传动，电动机及变频装置的选择应注意以下两点：

　　1） 交流电动机

　　电动机功率应足够大，Pe-ac≥1.2Pe-dc Pe-ac: 交流电动机额定功率 Pe-dc: 直流电动机额定功率;电动机过力矩能力应足够大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax, 应选择Mcr=2.8～3.0Mn的电动机，以避开转速颠覆区。电动机型式：变频，带强迫冷却风机

　　2） 变频传动装置

　　应采用矢量变换型并具有低频力矩补偿功能的变频传动装置。变频传动装置应具有电动机励磁预置特殊功能，应具有足够大的过载能力，满足Ivfmax≥2Ide,1min。四象限运行，变频器能工作在正向出力、正向制动、反向出力、反向制动四种工作状态。

　　变频传动装置制动方式：为适应转炉工作区间内力矩波动大的状况，实现均匀加减速，克服机械设备的扭力振动，提高转炉停车的稳定性，理论上采用回馈制动方式较理想，但考虑到变频装置回馈制动单元长期频繁运行，易发生逆变颠覆，造成系统停机。因此，为保证系统可靠、稳定运行，采用传统的能耗制动方式。

　　2.宣钢120t转炉工艺设备概况

　　宣钢120t转炉炉壳为全焊接式固定炉底结构，转炉托圈为焊接箱形结构,其内通循环水冷却，转炉炉壳与托圈的连接,采用三点支承方式，此结构既能有效地在360?范围内支承炉壳又可适应炉壳的热膨胀。倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式。由以下几部分组成:驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和润滑装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机（二次减速机）壳体旋转的旋转力矩平衡装置，通过扭力杆扭转来吸收扭矩并将扭矩转化为垂直的拉力和压力，通过扭力杆轴的固定轴承座和浮动轴承座传递到基础上,由于拉力和压力使扭力杆形成相反的扭矩,从而导致产生了吸收倾动力矩的效果。

　　转炉倾动采用全正力矩方式,即转炉倾动到任一角度时都保证是正力矩，确保转炉在360?回转过程中都是正力矩,事故断电时,转炉能够以自身重力自动返回垂直位置,从而排除翻炉泼钢事故的发生。

　　3.工艺控制方式的要求

　　转炉倾动系统设内外两种控制方式，内控用于调试维护应急操作。外控用于正常生产。当外控发生故障时，可及时用内控实现转炉倾动的手动运行。内外控切换可通过转炉倾动控制柜门上设置的选择开关实现。

　　内控方式：通过转炉倾动控制柜门上设置的选择开关按钮指示灯及文本显示器对转炉倾动进行变频器的主从切换、前倾，后倾速度设定等操作和状态及运行参数监视，这时操作人员在转炉主控室可监视转炉倾动运行全过程，转炉主PLC只发送倾动允许的信号给倾动PLC，不参与其他方面控制。

　　外控方式：外控时，操作人员可以通过操作台及上位计算机对转炉倾动运行（包括变频器主从切换，速度给定，前倾，后倾等）操作。可任意指定一台电机作为主电机。转炉倾动的所有操作指令由转炉主PLC给倾动PLC发出。

　　120t转炉倾动机械设备采用4台交流变频电动机驱动，4台电动机采用4点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。

　　4、转炉倾动控制系统的基本要求为:

　　倾动装置的工艺要求为正常工作时由四台变频器控制相应的电机共同拖动转炉，当四台变频器中有一台故障的时候其他三台仍然能够拖动负载。转炉倾动是一个大惯性的位势负载，要求传动系统有很好的低速起动性能，同时要求电机和变频器要有较强的过载能力和电机的输出转矩能够平衡分配。具体步骤如下：

　　（1）4台电动机同步启动、制动及同步运行,当一台电动机发生故障,而转炉正处于吹炼状态,则剩余3台电动机降速运行维持该炉钢炼完。当转炉正在出钢、出渣时,交流电源系统发生停电故障,此时利用UPS电源将4台制动器打开,转炉依靠自重复位, 转炉处于安全位置。转炉为全正力矩设计,即在整个工作倾动角度内由0°～士180°方向倾动均为正力矩。

　　（2）电力系统应能记忆炼上一炉钢时,转炉转动0～180°的电动机参数,如电压、电流转矩等,本炉次转炉冶炼时,应将电动机当前参数与上一炉钢转炉转动时的电动机参数进行对比,如果误差超过10%则报警,操作工人应立即检查设备是否故障。

　　（3）为防止电动机突然启动对设备的冲击,转炉开始倾动时电动机转速应从零开始逐渐加速,从零到正常速度的加速时间是4S。由于制动器制动力矩较大,为了防止制动时对设备的冲击,转炉制动时应先通过能耗制动将电动机减速,当转炉倾动速度接近零时,制动器失电制动,制动时间为4S。

　　（4）转炉倾动时必需选择3台以上电动机工作才能操作,如果选择2台只能保证将当前炉内钢水倒出。

　　5.电气传动控制系统方案确定

　　根据以上的分析计算及工艺控制要求, 宣钢120t转炉倾动装置电气传动控制系统选用4套A-B公司的直接转矩控制变频装置（型号：Powerflex700s 200KW）,倾动主回路采用4台电动机一对一的结构，即4套变频装置控制4台电动机，变频器与PLC之间采用网络及I/O进行通讯，在倾动变频调速柜中，为了抑制电源侧过压，减少电流畸变，在变频器输入侧配有进线电抗器，以便提高系统的可靠性和灵活性。　转炉主控室、出钢操作台、出渣操作台三地互锁;当其中一地操作时，其他两地无法操作。当外部联锁条件不允许时，自动封锁系统。

　　6、倾动装置控制系统结构图

图1 系统结构示意图

　　三、 关键技术的应用

　　1、 根据转炉工作特点，4台电动机必须同步启动、制动及同步运行。如何实现这一要求，是该系统的关键。该方案中，4套变频器对应4台电动机, 正常情况下采用一主三从的控制方式,通过通讯方式调节一个速度环一个电流环来控制4台电动机同步启动、制动及同步运行。

　　以1#变频器为主为例，系统调节原理图如下：

图2 传动系统控制结构图

　　4台变频器的配电变压器选用1000kVA，10kV/380V变压器工作，变压器高压侧需有避雷设备。四台变频器均由各自的配电柜独立提供电源。为了满足负荷均衡分配和一定速度精度的要求，该系统采用了如图2所示的传动控制系统。其中只有1#电机的变频器使用了双闭环控制，它是该系统中的主机，其它几台变频器使用了转矩闭环，为从动工作方式。系统主频率给定由LOGIX5000 PLC给定，由编码器反馈作为系统的速度反馈。在速度调节器的输出中取出转矩分量，再作为转矩给定同时送给三台变频器的转矩调节器。由于三台电机的转矩给定一样，故其实际转矩也是一样的，这样就能比较均衡地分配负荷。同时由于主机有速度闭环控制，电机的运行速度也能跟随系统的给定值。因此，系统能够工作在动态平衡点上。由于转炉倾动是位势负载，当转炉回位时，电动机是工作在发电状态，所以需要配备制动单元和制动电阻来进行能耗制动，以保证平稳回位。在转炉倾动系统中，我们配置了制动单元和制动电阻，制动电阻是额定功率为50KW，阻值为3欧姆的两个电阻并联，经过调试能够满足系统的需要。

　　2 系统的主从方式切换

　　由于变频器功能的局限，在以往的转炉倾动系统的设计中，能够方便实现变频主从工作方式切换的并不多。但是，由于本系统采用了Rockwell公司的700S变频器，它能够通过外部端子上开关量的组合输入来方便的实现系统的工作方式的切换，如果主变频器发生故障，我们可以从控制柜液晶屏上迅速的切换到另一个变频器上，可保证三台变频器的正常运行。

　　3 倾动系统的PI调节参数的确定

　　在本系统中，由于从机变频器的转矩给定为主机变频器速度调节器的输出值，因此，主机变频器速度调节器PI参数的调整对整个系统的动态性能有着相当大的影响，如果输出调整过大，系统很容易出现超调，这时，从动变频器所驱动的电机将有可能在发电和电动状态下交替工作，系统处于不稳定的状态，如果输出调整过小，则系统调整过慢，甚至有可能出现不能调整到均衡的状态。因此，需要反复的试验才能够得到最优的PI参数，厂家技术人员在通过理论计算的基础上，进行现场微调，得到一组较为满意的参数，系统的动态性能较好，通过重新调整PI参数，基本解决了我厂第一期转炉运行一直不太正常的问题。图3为经过PI参数调整后，现场得到的三台电机的电流曲线。通过该图，我们可以看出，三个电机的电流在稳态时基本相等，负载分配比较均衡，在启动时，从动电机的跟随比较快，动态性能比较好。

图3 负载运行时电机的电流曲线

　　4、 倾动系统的抱闸控制

　　由于转炉倾动是位势负载，所以机械抱闸的控制也很重要。抱闸开早了或关晚了，转炉都将出现回位动作从而产生抖动; 开晚了或关早了，转炉电机将有可能过流。

　　在转炉倾动系统开抱闸前，我们必须要求电机能够提供足够的转矩，让转炉在开抱闸后不至于产生回位动作和抖动，因此，系统开抱闸需要先检测变频器的输出电流，变频器的输出电流由变频器的模拟量输出反馈到PLC里，PLC再对电流作出判断，确认电流达到能够产生足以承担负载转矩的电流的情况下，这时打开抱闸，倾动系统就能够比较平稳的起动，确保了系统的安全性。

　　在转炉倾动系统关抱闸时，需要确定系统速度接近零的时候才可以关抱闸，如果关早了，电机运行遇到阻碍，转矩就会增大，就会出现电流过大的情形。如果关晚了，转炉在速度已经为零的情况下，没有抱闸的作用，将会由于重力的作用出现回位动作，这是非常危险的，因此，应该根据实际情况，设定关抱闸的速度判断值，根据速度来关抱闸。

　　5、通讯网络

　　由于转炉自动化控制系统采用了施耐德Quantum 系列PLC,而该传动控制系统为美国A-B公司变频装置，其通讯方式为Conrolnet网络协议。因此，解决两者之间通讯问题成为系统实现自动的关键。

　　针对现有设备的设备状况和环境，我们选用LOGIX5555作为传动控制系统实现的主体，通过Controlnet与变频装置连接实现了转炉倾动系统网络自动控制。在转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以转矩模式工作，主变频器速度由PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过Drive-to-Drive Link通讯向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，由主从装置参数设定自动实现与主传动的速度/转矩跟踪和转矩准确分配，实现了多电机传动中速度同步和转矩分配。传动控制系统只接受转炉控制系统的一个倾动允许信号，就能够满足控制的要求。

　　系统正常运行时，PLC系统通过CNB总线与转炉倾动变频器正常通讯，实现控制和数据采集。当因某种原因引起故障时，例如某台从变频器或电机故障时，故障变频器自动停止工作，另外三台变频器继续工作，主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配;当主变频器或电机出现故障时，主变频器停止工作，并发出故障信号，此时可设置另外一台变频器为主传动，组成新的主/从工作组，按主/从方式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。

　　另外，转炉倾动需严格监控，防止出现“溜车”故障，在转炉传动变频控制系统中，利用了PLC控制程序，使抱闸在系统起动后转矩建立在一定的输出转矩时松开，在系统停止后转矩下降至一定的输出转矩时抱紧，大大提高了系统应用的可靠性。

　　四、应用效果

　　经过将近半年多的应用，该系统设备能够满足 我厂工艺的要求，其运行效果平滑稳定。 Powerflex700s的主/从控制功能对于多电机同轴驱动负荷平衡找到了出路，使用方便。该系统的设计、选型满足了转炉倾动系统的苛刻要求，应该说是成功的。