交流变频器在转炉炼钢控制系统中的应用

关键词：转炉倾动、氧枪升降、一次除尘、1336 IMPACT系列变频器、PowerFlex7000系列中压变频器

1. 概述

交流电动机采用变频调速技术是当代电动机调速的潮流，它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、操作方便等优点，优于以往的多种调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、液力偶合器调速等，因此，变频器的发展十分迅速，在工业领域的应用日益广泛。

它的主要作用有：

(1). 节约能源

利用变频器实现电动机调速运行，在诸多方面可以节约电能，尤其是在风机类、水泵类等机械设备运行过程中，节能效果最为明显。在当前我国电力供应普遍紧张的情况下，这一点显得尤为重要。

(2). 提高生产效率，保证产品质量

在生产线的流水作业控制等方面，往往存在快速运行、准确停车、重载恒速输送、轻载高速返回等许多工艺要求。采用交流变频调速，能很好地解决这些调速控制的要求，并逐步取代传统的直流电动机调速方式，使电气设备的结构更加合理简单，生产效率大幅度提高。

(3). 有效地防止冲击电流

由于变频器可以方便地实现软启动和软停止，因而可以有效地减少电动机启动、停止时对电网的冲击，改善电源容量裕度。尤其是电动机容量大，而变压器容量相对较小时，这种效果更加明显。

(4). 可以方便地实现电动机的正、反向运行

由于变频器都具有正、反向输入端子，因此，电动机的正、反向运行不需要主回路交流接触器之间交替切换，减少故障维修，减轻工人的劳动强度。

2. 变频器的应用

近几年，在我们的设计工作中大量地应用了交流变频调速控制系统，尤其是A-B品牌的交流变频器，在转炉、连铸以及风机、水泵类负载的自动控制中，都收到了良好的效果。下面，主要谈一谈交流变频器在转炉炼钢控制系统中的应用。

2.1 应用范围

交流变频器在转炉炼钢控制系统中，主要应用于转炉倾动、氧枪升降、一次除尘的风机运行、散状料给料机下料、运输车辆的行走等生产过程，近几年在炼钢车间大型吊车的行走控制中，也逐步使用了交流变频器。交流变频器的使用除了大量节约电能外，也极大地提高了转炉生产的安全可靠性。若交流变频器与基础级计算机（PLC）系统联网配合使用，效果会更好。

美国罗可韦尔自动化公司A-B品牌的1336 IMPACT系列变频器能够提供精确的电动机速度和转矩控制，具有独立控制电动机磁场和转矩的能力，在零速下仍能产生满转矩。因此，这种变频器特别适合于重载或满载启动的负载，例如转炉倾动、氧枪升降以及运输车辆行走等的控制。

2.2 具体应用

(1). 转炉倾动的变频调速控制系统

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，由于负载的特性，此部分技术难度较大，同时，也是转炉本体控制系统中投资最大的部分。我们在青岛钢铁公司80吨转炉（2003年）、珠海粤裕丰钢铁公司65吨转炉（2003年）、青海西宁钢铁公司65吨转炉（2004年）的倾动控制系统设计中均采用了1336 IMPACT系列变频器。下面以青岛钢铁公司80吨转炉为例，说明1336 IMPACT系列变频器在转炉倾动设计中的应用：

青岛钢铁公司80吨转炉倾动装置采用4只齿轮传动的全悬挂结构形式，每个齿轮由一台YZPBF315M-10,75kW交流电动机传动，正常生产时4台电动机同步运行，当其中1台发生故障时，其余3台电动机仍可继续工作，以满足生产的要求。在每个电动机轴上安装1个编码器，在倾动机构耳轴上安装1个编码器及1个主令控制器。

根据炼钢工艺的要求，倾动的控制采用传统的主令控制器操作, 操作地点有三处，即操作室主操作台、转炉炉前操作台和转炉炉后操作台，其工作程序和联锁控制通过PLC实现。该转炉为全正力矩设计，当出钢或出渣过程停电时，可气动松开制动闸，炉子靠自重恢复到垂直位置。

根据近几年转炉倾动控制系统的设计和应用情况，我们针对1拖4控制方式（即1台变频器拖动4台电动机）和4拖4主从控制方式进行了认真的比较。1拖4的控制方式，系统简单，易编程调试和维护，但从安全、合理的角度考虑，每座转炉需增设一套变频器装置作为备用，以化解转炉正常生产时因变频器故障而带来的巨大风险，这样造价会相对较高，不经济。最终我们确定了4台电动机采用变频器1对1控制，既4拖4主从控制方式，变频器与PLC系统之间采用国际开放式的DEVICE NET网络进行通讯。

为了抑制电源侧过电压，减少电流畸变，在变频器输入侧配有共模扼流圈、进线电抗器。

为了抑制变频器对其它设备的高频干扰，在变频器输出侧配有输出电抗器。

另外，系统中没有采用能量回馈制动方式，而采用了能耗制动，制动力矩110％，制动电阻柜外安装。

本系统具有以下特点和功能：

__四象限运行。IMPACT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。

__主/从控制功能（速度/转矩控制）。在4台变频器中，设定其中1台为主变频器，进行速度控制，另外3台为从变频器，主变频器的内部转矩输出作为从变频器的转矩给定进行转矩控制；当其中1台从变频器发生故障时，主变频器内部转矩输出信号给另外2台从变频器的转矩给定，进行转矩控制；当主变频器发生故障时，通过DEVICE NET通讯网络，PLC系统给从变频器中的1台进行赋值，变为速度控制（使其变为主变频器），其内部转矩输出信号作为另外2台从变频器的转矩给定，进行转矩控制。

__零速满转矩功能。由于采用FORCE技术，在全调速范围内可直接控制转矩。

(2). 氧枪升降的变频调速控制系统

氧枪升降的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的另一个重点和难点。氧枪升降是典型的位能负载，靠钢丝绳牵引，按照炼钢工艺专业的要求，氧枪在升降过程中要实现慢速到快速以及快速到慢速的转换，且其停经的工艺检测点较多，在待吹点和吹炼点均要求准确停车。尤其是在吹炼点，氧枪的枪位直接影响到炼钢的质量。因此，应用变频器控制氧枪升降是氧枪调速控制系统的理想之选。我们在河北宣化钢铁公司2X80吨转炉（2001年）、青岛钢铁公司80吨转炉（2003年）、珠海粤裕丰钢铁公司65吨转炉（2003年）、青海西宁钢铁公司65吨转炉（2004年）的氧枪升降控制系统设计中均采用了1336 IMPACT系列变频器。下面以青岛钢铁公司80吨转炉为例，说明1336 IMPACT系列变频器在氧枪升降设计中的应用：

青岛钢铁公司80吨转炉设有2套氧枪，互为备用。每套氧枪升降系统由一台YSGB315L1-10,64kW交流电动机传动，在生产过程中当工作氧枪发生故障时，可快速通过横移换枪等操作，使用备用氧枪继续生产。当氧枪系统停电时，可切换到气动马达，将氧枪提起。氧枪升降系统联锁条件较多，是转炉控制系统中最重要的部分，其工作程序和联锁控制是通过计算机控制系统（PLC）实现的。