罗克韦尔自动化 1336系列变频器在中间包台车上的应用

鞍钢第二炼钢厂连续铸钢车间1流和2流生产线是1988年从日本神户制钢所全套引进，运转自今已经17年，PLC控制系统和传动变频设备基本老化，经常出现故障，而且由于控制设备已经进入淘汰周期，因此，从2003年陆续开始改造。
　　1．中间包台车控制系统简介
　　 炼钢厂中间包属于板坯连铸工艺前道设备，主要作用是钢水包回转到浇铸位置（即中间包的上方），打开钢水包滑动水口，使钢水注入中间包，待中间包钢水达到要求时，用中间包滑动水口控制注流，注入结晶器中。中间包通过台车进行平移或升降控制，由于使用环境恶劣，工作级别高。就其走行和升降运行除考虑严格密封防止金属粉尘和耐高温、安全系数高等条件因素外, 还具有一定的特殊性, 无论走行还是升降采用双电动机,双传动机构刚性联接的机械结构（见图1）。
　　
图1 双电动机刚性联接机械结构
　　当正常运行时2 台电动机必须同步运行以防止机械结构的损坏。当其中任一台电动机发生故障时, 另一台电动机必须能单独完成中间钢包起升和下降或平移的工作要求, 以防止严重的生产安全事故的发生。针对中间钢包必须的双电动机热备份的特殊情况，采用了变频器来实现双机控制。
　　2．对变频调速设备的技术要求
　　(1) 有良好的起动特性和稳速精度,起动力矩满足电机过载要求。起动力矩足够＞（钢包车静转矩＋摩擦转矩），以满足重载起动的要求(包内浇灌钢水)。
　　(2)升降转速连续可调,性能稳定可靠,以适应生产要求高速运转的需要。
　　(3) 采用双电机驱动,要求2 台电机速度偏差小于6rpm ,两电机转矩偏差小于输出转矩的5 %。以保证2 台电机负荷的均衡性。
　　3．变频器选型
　　由于AB 1336 IMPACT变频器具有FORCE矢量控制技术，可独立控制交流电机的转矩和磁通，适用于冲击负载和需要大的起动转矩场合，具有出色的速度控制和转矩控制功能，且在零速时仍能产生满转矩，完全满足双电机拖动的需要,故我们选择了1336E变频器作为台车升降控制。
　　 1336 PlUSⅡ变频器具有无传感器矢量控制功能，可以满足台车走行的要求，我们选择1336F变频器作为走行控制。
　　4．控制应用要点
　　(1) 重载起动和停车
　　中间包为重型设备, 其负载变化范围是相当大,其自重近30t ,再加上钢水可达80t 。1336E系列变频器是目前最先进的变频控制设备,对电机参数具有自整定优化运行功能,能充分发挥电动机的潜能,达到最优控制。
　　 对于升降控制，起动尤为重要，如果变频器运行后，提升力矩不足的话一旦制动闸打开就会出现溜钩或钢包滑落无法控制而快速下降，造成设备损坏事故。停车时，如果速度和制动闸配合不好，也会出现过早制动造成制动闸寿命缩短。
　　解决方案：见原理图2
　　
图2 台车升降电气原理图
　　利用变频器数字量输出接口，可编程为零速，和转矩输出功能。
　　起动时，通过使能1336E内置功能块逻辑加减功能(P212=16)，链接P86---＞P198和P201，对于提升转矩设定值可在P199中设定，下降转矩设定值可在P202中设定，P200=11，P203=9，P208=1,P209=0,输出值连接至数字量输出3(P189=37)控制制动闸。因此可灵活设定提升转矩为额定转矩的1.2-1.5倍和下降转据为额定转矩的0.3-0.5倍来控制制动闸，确保平稳起动。
　　停车时，设定数字量输出1(P114=15)，和P19保证电机在零速时，才开始控制制动闸的抱闸。
　　(2) 回馈电能的处理
　　由于重载下降时，钢包车因自身的重力而下降，电动机的转速将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是下降的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，见图3。
　　
图3 重载下降时的工作点
　　因此，无论减速过程还是对于钢包车重载下降时释放位能通过电动机转换成电能都将回馈给变频器，造成变频器直流母线电压升高。
　　解决方案一：选择制动单元和制动电阻把电能转化为热能消耗。
　　解决方案二：选择回馈单元把电能送回电网。不考虑初期投资该方案有很好的经济性，1336 Regen即可满足。
　　
　　(3) 两电机输出转矩的均衡
　　由于中间包台车为双电机驱动,故出力的均衡性也是关键问题之一,两台电机只有提供相同的转矩,这样才能保证设备可靠安全运行。从而保证电机既不过载也不欠载。
　　解决方案一：利用变频器的速度下垂跟随功能，见图4
　　

　　速度给定分别控制2台变频器，每台变频器在速度PI调节器内设置Droop值(P46=5%)，保证变频器控制电机的机械特性有一定的下垂，这样一来2台变频器即可在保持速度同步的前提下，输出转矩相对均衡。
　　解决方案二：利用变频器的主从控制功能实现转矩跟随
　　1台变频器主机作为速度控制，另1台变频器从机做转矩控制。见图5
　　
图5 转矩跟随
　　即从变频器跟随主变频器的转矩给定运行。由于在主从控制模式中每个电机都有独立的拖动系统, 主机或从机的独立运行可以用于冗余运行。即可以通过数字输入口完成速度控制和转矩控制之间的自由切换, 使之成为完善的独立拖动系统。
　　5　应注意的问题
　　(1) 由于采用双机同步控制, 主机和从机不存在速度误差, 这样2 个电动机传动装置之间的受载力矩相当均衡, 不仅可以直接刚性连接, 而且明显保证了传动装置在磨损后的同步性, 提高了使用期限。
　　(2) 由于台车对走行的控制要求不是很高，因此在改造中我们使用了1336F变频器也取得了很好的效果。
　　（3）变频调速系统具有非常优良的调速性能和全面的保护功能。在台车极为频繁使用情况下, 故障率很低, 明显减少维护保养时间。
　　（4）在鞍钢二炼钢厂连铸系统的改造过程中，应用1336E和1336F变频器我们先后改造了大包旋回、结晶器振动、扇形段拉矫辊、切下辊道、切割机等工艺段的变频控制，实际的运行效果十分令人满意。这充分说明Rockwell变频器有着广阔的应用前景。