变频调速技术在炼钢厂20吨转炉倾动和氧枪升降上的应用
承钢炼钢厂于是1986年建成投产，该厂有3座20吨顶底复合吹转炉和2台方坯连铸机，设计时采用了当时国内外的一些新工艺、新设备，如顶底复合吹炼、吹氩、废气回收等。电控系统是当时国内比较先进的模拟量恒磁通逻辑无环流直流拖动系统。该厂建成后使承钢的炼钢生产能力大幅度提高，从而也使该厂的生产在承钢占有举足轻重的地位。1994年5月，意外事故造成3座20吨转炉全部停产。在这种万分紧急的情况下，为恢复生产，在有关专家的指导下，承钢率先在钢铁冶金转炉上大胆采用了具有最大转矩限定功能的全数字式交流变频调速技术，用以取代原来的直流拖动系统，并获得了成功。调试运行结果表明，新采用的交流变频调速系统具有完全可以与原直流系统相媲美的平滑调速特性，完全满足工艺要求。而且，调速装置体积较小、功能全、集成度高，相当于国际90年代水平。尽管操作人员习惯没有改变，但由于装备水平提高，装置集成度高，且其自诊断和保护功能可靠，因此大大降低了热停工时间。
一、转炉原直流拖动系统简介
1986年建成投产的3座转炉，炉子倾动和氧枪升降的拖动系统采用的是模拟量恒磁通逻辑无环流直流拖动系统，恒磁通调压调节器速，该系统具有两个闭环、一个速度环、一个电流环，每座转炉倾动由四台22kW、650r/min直流电动机集中传动，每座转炉有两根氧枪，每根氧枪由一台22kW、650r/min直流电机单独传动。由于80年代初期我国电控配套水平所限（尽管该直流系统当时是国内较先进的拖动系统），该系统十分庞大。每座转炉的电控柜达14台之多，继电器、接触器多达160个。因插件为分立元件，且系统是模拟控制方式，因此调试周期很能够长（达3个月）。由于原系统存在先天性的不足，所以运行一段时间后热停工时间增加，维护难度越来越大。尤其是继电联锁部分和插件部分故障率相当高，不但维护费用高（达0.45元/吨钢），而且严重制约着生产的正常运行。
二、转炉倾动负载和氧枪升降负载特性及电动机运转状态分析
1.氧枪负载特性及电动机运转达状态分析
（1）氧枪负载是典型的位能负载。
氧枪机械传动系统示意图如图1所示。氧枪工艺要求如下：
4 Me=4*29.37=117.4694(kgf·m)
传递到炉子轴上的额定转矩为
17.4694*802.3=94246.362(kgf·m)＞85 tf·m
即电机额定转矩大于转矩最大倾动力矩。
若考虑电动机的过载能力，
对Y系列电机：入= Mmax/ Me≈2.0，则最大转矩为2*94.25=188.5 tf·m
对YZ系列电机：入= Mmax/ Me=(2.2~2.8),则最大转矩将更大。
（b）氧枪电机传递到卷筒上的额定转矩为
29.37*19.24=0.565( tf·m)
略小于氧枪负载转矩0.6t·m，但考虑到电动机的最大转矩为
2*29.37*19.24=1.13 tf·m
远大于氧枪负载0.6t·m，故仍采用22kW电机试验。
2）极数选择。
由于原直流机的ne=650r/min，故选用8极交流电机，尽管额定转速稍高一些（730r/min)。但若选用10极电机，其同步转速仅为600r/min，要提高转速必须提高频率（50Hz以上），这样，特性将会变为恒功率，这不适用于此种负载。
（3）变频器的选用及其工作原理。
对于炉子倾动这种负载，变频器选用的最重要原则之一是：所选变频器必须具有在满载或过载时输出转矩恒定的功能，也就是要用具有转矩限定的无跳闸变频器。另外要具有再生发电制动功能。还要注意到普通电机长期工作于低频状态时电机发热现象（因低频时电机风扇通风能力降低所致）。基于上述考虑，我们选用了FUJI FRENIC5000G7型变频器。
炉子倾动电机总容量为4*22=88kW，故选用FREN110G7 4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻以及继电单元。
氧枪升降电机容量为22kW,故选用FRN30G7-4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻及继电单元。
该型号变频器是全数字大功率晶体管（GTR）变频器。它具有两个别16位CPU，通过它们可实现转矩限定、转差补偿控制、瞬时电源故障后的平稳恢复以及自动加/减速控制，并具有低噪音、高可靠保护和错误诊断等功能。
（4）系统的设计特点和安装调试情况简介。
1）系统的设计特点及就注意的问题。
·转炉倾动仍采用三地可选操作（操作室、炉前、炉后），以满足工艺要求，操作开关仍采用原来的无触点主令开关，从而可不改变原来的操作习惯。
·无触点主令开关后加一相敏整流插件，经得到0~10V的模拟量控制电压。
·变频器的频率控制信号为0~±10V模拟量电压信号的极性来改变电动机的正反运行方向。
·变频器的运行命令需在主电源接通几秒后方能接通，否则，若在主电源接通前该命令已接通，逆变器将诊断为故障，不工作。即FWD或REV与CM端子之间的接通应在主电源接通几秒后才能接通。
·该变频器设有的0.5~5Hz 起动频率可维持0~10秒。5Hz以下由于谐波分量相对较大，会造成起动转矩减小，故不易使用。
·为确保电机起动时有足够大的起动转矩来确保重载起动的安全性，利用其频率水平检测信号端子FDT打开抱闸。即FDT和CME端子的输出信号控制继电单元，利用继电单元的动合点去控制抱闸接触器线卷（FDT和CME是无源点，当变频器输出频率超过设定的检测水平时，此信号有，否则无）。
·制动单元和变频器之间的连线需注意不能接反极性和线号，否则制动单元将不能正常工作或不起制动作用。
·辅助控制电源R。、T。端子应从主电源接触器电源侧引接，以确保在变频器故障跳闸或人为停运时，变频器能正确显示故障类型。
·除主回路和辅助控制电源外，变频器的所有输入和输出端子的接线均应采用屏蔽，以解决电磁干扰问题，而屏蔽层一端要做良好接地。
·标有E（G），END的端子均应单独良好接地，不要跨接。
·将主令开关零位时的闭点接到变频器的滑行停止信号端子BX和CM端子上，从而使变频器的主令开关回零位时或在零位时立即封锁无输出。
2）安装调试情况。
变频器运行期间，其环境温度应在-10~+50°C之内。垂直安装时，振动要低于0.5G。周围应无腐蚀性气体。柜内安装时，应确保柜内温度不超过50°C。
调试时遇到的主要问题如下：
·设定完有关数据后，起车时抱闸打开，负载有溜车现象，且变频器经常出现过流封锁。根据现象判断是起动转矩不够。另外也说明了起动电流大并不等于起转矩大。解决的方法是提高低频率时的电压，从而补偿低速时的转矩。
·开始时以及用RUN和CME端子信号来控制抱闸开合时（即输出输出频率达到5Hz时RUN为通，从而打开抱闸），发生负载下滑溜车现象，后改为用FDT频率水平检测信号端子来控制抱闸，提高了低频时的电压，使上述问题得以解决。当输出频率比设定频率大时（FDT设定频率为8Hz），FDT-CME之间为通，可通过继电单元的动合接点接通抱闸接触器打开抱闸。利用FDT功能就是让电动机先堵转建立起足够大的电磁转矩后，抱闸才打开。从而保持在重载起动时的安全，避免了倒钢或溜车事故的发生。
·3号转炉调试时，主令开关均在零位（即未加频率给定信号），但变频器仍有3~7Hz的变化输出。也就是说存在干扰输入信号。检查后发现0~±10V控制信号和主令二次输出信号（约48V）在一根电缆里，将它们分开后此现象消失。由此可见，在施工中一定要注意做好屏蔽，强弱信号绝不能混用一根电缆。
·在2号转炉氧枪试车时，曾发生一加给定，抱闸打开后，逆变器就立即故障封锁，并显示“F01 OU”的现象。查表可知是主电路直流过电压。经分析怀疑是制动单元未投入工作所致。检查后发现，是THR和CM端子与制动单元及制动电阻的1和2端子连线接反，误将THR接到制动单元的2端子上（应接制动单元的10端子）所致，将线改接后此现象消失。
·调试中发现，用YZR绕线电机换Y系列鼠笼形电机，并将转子直接短接后使用，亦能满足工艺要求。目前均应用YZR绕线电机。
·在3号转炉调试中，开始未加主令开关零位封锁逆变器功能时发现，当主令开关回零后，抱闸合上，但电机有较大响声。分析认为，当主令开关回零后，变频器不是立即无输出，而是按照预先设定好的减速曲线逐渐降到零输出，故电机有响声。后来加上主令开关零位封锁后，此现象消失。
·由于3号转炉由于事故停产，炉内有26吨铁水，已在炉底凝成大块。因此负载的最大力矩远大于设计的最在倾动力矩（85 tf·m），初步估算约为150 tf·m，而交流调速装置仍能拖动转炉倾动，可见恒转矩变频器能将交流电机的过载能力充分发挥出来。
五、有待解决的问题
（1）由于时间太匆忙，未选用接地错误检测单元，而炼钢生产现场环境又比较恶劣，因此经常发生电机主电源电缆接地故障。对接地故障而言，若无检测单元，变频器将无保护功能，因此应及时完善功能。
（2）目前由于尚没有PLC，当发生三地操作，主令只要有一个不在零位，而又恰需选择该主令操作时，相当于人为加上频率给定信号，因此将发生“自动”开车现象，十分危险。当然用继电器亦可实现，但较复杂，因此应用早用PLC。
（3）目前三座转炉均应用YZR绕线电机，应尽早更换YZ鼠笼电机。
在承钢20吨转炉倾动和氧枪升降上应用变频器的实践表明：
（1）具有最大转矩限定的无跳闸变频调速装置完全适用于转炉倾动和氧枪升降这样的位能负载，且适用于冲击性负载。
（2）交流变频调速具有可与直流调速系统相媲美的调速特性，尽管我们所使用的FUJI G7交流调速装置是开环控制，但它的功能相当于原来的双闭环直流系统。
（3）由于计算机的应用和大量应用软件的开发，以及电力电子器件的发展，使静止变频体积很少。因此目前的1面柜相当于原来直流系统14面柜的功能，从而使施工量大大减小，占地面积大大减小。
（4）调试周期大大缩短，每个系统仅需两个小时即可，而原来系统的调试，约需两三个月。
（5）由于元器件大大减小，故障率将大大降低。预计热停工时间将减小50%以上。相应的维护费用亦将有较大降低（原来每年维护费用约为18万元）。
（6）我们使用的G7型变频器保护功能十分灵敏可靠。而且在某种意义上具有允许“误操作”功能。比如，若将主令开关从零位迅速推到正最大给定位置（或负最大给定）或从正最大给定位置迅速推到负最大给定位置，若你的加/减速的速度比设定的快，变频器将不跟随你的命令，而是按照现场调试时已设定好的加/减速曲线自动进行加/减速。若速度比设定的慢，变频器将执行你的命令。这就是允许“误操作”的含义。
一、转炉原直流拖动系统简介
1986年建成投产的3座转炉，炉子倾动和氧枪升降的拖动系统采用的是模拟量恒磁通逻辑无环流直流拖动系统，恒磁通调压调节器速，该系统具有两个闭环、一个速度环、一个电流环，每座转炉倾动由四台22kW、650r/min直流电动机集中传动，每座转炉有两根氧枪，每根氧枪由一台22kW、650r/min直流电机单独传动。由于80年代初期我国电控配套水平所限（尽管该直流系统当时是国内较先进的拖动系统），该系统十分庞大。每座转炉的电控柜达14台之多，继电器、接触器多达160个。因插件为分立元件，且系统是模拟控制方式，因此调试周期很能够长（达3个月）。由于原系统存在先天性的不足，所以运行一段时间后热停工时间增加，维护难度越来越大。尤其是继电联锁部分和插件部分故障率相当高，不但维护费用高（达0.45元/吨钢），而且严重制约着生产的正常运行。
二、转炉倾动负载和氧枪升降负载特性及电动机运转状态分析
1.氧枪负载特性及电动机运转达状态分析
（1）氧枪负载是典型的位能负载。
氧枪机械传动系统示意图如图1所示。氧枪工艺要求如下：
4 Me=4*29.37=117.4694(kgf·m)
传递到炉子轴上的额定转矩为
17.4694*802.3=94246.362(kgf·m)＞85 tf·m
即电机额定转矩大于转矩最大倾动力矩。
若考虑电动机的过载能力，
对Y系列电机：入= Mmax/ Me≈2.0，则最大转矩为2*94.25=188.5 tf·m
对YZ系列电机：入= Mmax/ Me=(2.2~2.8),则最大转矩将更大。
（b）氧枪电机传递到卷筒上的额定转矩为
29.37*19.24=0.565( tf·m)
略小于氧枪负载转矩0.6t·m，但考虑到电动机的最大转矩为
2*29.37*19.24=1.13 tf·m
远大于氧枪负载0.6t·m，故仍采用22kW电机试验。
2）极数选择。
由于原直流机的ne=650r/min，故选用8极交流电机，尽管额定转速稍高一些（730r/min)。但若选用10极电机，其同步转速仅为600r/min，要提高转速必须提高频率（50Hz以上），这样，特性将会变为恒功率，这不适用于此种负载。
（3）变频器的选用及其工作原理。
对于炉子倾动这种负载，变频器选用的最重要原则之一是：所选变频器必须具有在满载或过载时输出转矩恒定的功能，也就是要用具有转矩限定的无跳闸变频器。另外要具有再生发电制动功能。还要注意到普通电机长期工作于低频状态时电机发热现象（因低频时电机风扇通风能力降低所致）。基于上述考虑，我们选用了FUJI FRENIC5000G7型变频器。
炉子倾动电机总容量为4*22=88kW，故选用FREN110G7 4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻以及继电单元。
氧枪升降电机容量为22kW,故选用FRN30G7-4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻及继电单元。
该型号变频器是全数字大功率晶体管（GTR）变频器。它具有两个别16位CPU，通过它们可实现转矩限定、转差补偿控制、瞬时电源故障后的平稳恢复以及自动加/减速控制，并具有低噪音、高可靠保护和错误诊断等功能。
（4）系统的设计特点和安装调试情况简介。
1）系统的设计特点及就注意的问题。
·转炉倾动仍采用三地可选操作（操作室、炉前、炉后），以满足工艺要求，操作开关仍采用原来的无触点主令开关，从而可不改变原来的操作习惯。
·无触点主令开关后加一相敏整流插件，经得到0~10V的模拟量控制电压。
·变频器的频率控制信号为0~±10V模拟量电压信号的极性来改变电动机的正反运行方向。
·变频器的运行命令需在主电源接通几秒后方能接通，否则，若在主电源接通前该命令已接通，逆变器将诊断为故障，不工作。即FWD或REV与CM端子之间的接通应在主电源接通几秒后才能接通。
·该变频器设有的0.5~5Hz 起动频率可维持0~10秒。5Hz以下由于谐波分量相对较大，会造成起动转矩减小，故不易使用。
·为确保电机起动时有足够大的起动转矩来确保重载起动的安全性，利用其频率水平检测信号端子FDT打开抱闸。即FDT和CME端子的输出信号控制继电单元，利用继电单元的动合点去控制抱闸接触器线卷（FDT和CME是无源点，当变频器输出频率超过设定的检测水平时，此信号有，否则无）。
·制动单元和变频器之间的连线需注意不能接反极性和线号，否则制动单元将不能正常工作或不起制动作用。
·辅助控制电源R。、T。端子应从主电源接触器电源侧引接，以确保在变频器故障跳闸或人为停运时，变频器能正确显示故障类型。
·除主回路和辅助控制电源外，变频器的所有输入和输出端子的接线均应采用屏蔽，以解决电磁干扰问题，而屏蔽层一端要做良好接地。
·标有E（G），END的端子均应单独良好接地，不要跨接。
·将主令开关零位时的闭点接到变频器的滑行停止信号端子BX和CM端子上，从而使变频器的主令开关回零位时或在零位时立即封锁无输出。
2）安装调试情况。
变频器运行期间，其环境温度应在-10~+50°C之内。垂直安装时，振动要低于0.5G。周围应无腐蚀性气体。柜内安装时，应确保柜内温度不超过50°C。
调试时遇到的主要问题如下：
·设定完有关数据后，起车时抱闸打开，负载有溜车现象，且变频器经常出现过流封锁。根据现象判断是起动转矩不够。另外也说明了起动电流大并不等于起转矩大。解决的方法是提高低频率时的电压，从而补偿低速时的转矩。
·开始时以及用RUN和CME端子信号来控制抱闸开合时（即输出输出频率达到5Hz时RUN为通，从而打开抱闸），发生负载下滑溜车现象，后改为用FDT频率水平检测信号端子来控制抱闸，提高了低频时的电压，使上述问题得以解决。当输出频率比设定频率大时（FDT设定频率为8Hz），FDT-CME之间为通，可通过继电单元的动合接点接通抱闸接触器打开抱闸。利用FDT功能就是让电动机先堵转建立起足够大的电磁转矩后，抱闸才打开。从而保持在重载起动时的安全，避免了倒钢或溜车事故的发生。
·3号转炉调试时，主令开关均在零位（即未加频率给定信号），但变频器仍有3~7Hz的变化输出。也就是说存在干扰输入信号。检查后发现0~±10V控制信号和主令二次输出信号（约48V）在一根电缆里，将它们分开后此现象消失。由此可见，在施工中一定要注意做好屏蔽，强弱信号绝不能混用一根电缆。
·在2号转炉氧枪试车时，曾发生一加给定，抱闸打开后，逆变器就立即故障封锁，并显示“F01 OU”的现象。查表可知是主电路直流过电压。经分析怀疑是制动单元未投入工作所致。检查后发现，是THR和CM端子与制动单元及制动电阻的1和2端子连线接反，误将THR接到制动单元的2端子上（应接制动单元的10端子）所致，将线改接后此现象消失。
·调试中发现，用YZR绕线电机换Y系列鼠笼形电机，并将转子直接短接后使用，亦能满足工艺要求。目前均应用YZR绕线电机。
·在3号转炉调试中，开始未加主令开关零位封锁逆变器功能时发现，当主令开关回零后，抱闸合上，但电机有较大响声。分析认为，当主令开关回零后，变频器不是立即无输出，而是按照预先设定好的减速曲线逐渐降到零输出，故电机有响声。后来加上主令开关零位封锁后，此现象消失。
·由于3号转炉由于事故停产，炉内有26吨铁水，已在炉底凝成大块。因此负载的最大力矩远大于设计的最在倾动力矩（85 tf·m），初步估算约为150 tf·m，而交流调速装置仍能拖动转炉倾动，可见恒转矩变频器能将交流电机的过载能力充分发挥出来。
五、有待解决的问题
（1）由于时间太匆忙，未选用接地错误检测单元，而炼钢生产现场环境又比较恶劣，因此经常发生电机主电源电缆接地故障。对接地故障而言，若无检测单元，变频器将无保护功能，因此应及时完善功能。
（2）目前由于尚没有PLC，当发生三地操作，主令只要有一个不在零位，而又恰需选择该主令操作时，相当于人为加上频率给定信号，因此将发生“自动”开车现象，十分危险。当然用继电器亦可实现，但较复杂，因此应用早用PLC。
（3）目前三座转炉均应用YZR绕线电机，应尽早更换YZ鼠笼电机。
在承钢20吨转炉倾动和氧枪升降上应用变频器的实践表明：
（1）具有最大转矩限定的无跳闸变频调速装置完全适用于转炉倾动和氧枪升降这样的位能负载，且适用于冲击性负载。
（2）交流变频调速具有可与直流调速系统相媲美的调速特性，尽管我们所使用的FUJI G7交流调速装置是开环控制，但它的功能相当于原来的双闭环直流系统。
（3）由于计算机的应用和大量应用软件的开发，以及电力电子器件的发展，使静止变频体积很少。因此目前的1面柜相当于原来直流系统14面柜的功能，从而使施工量大大减小，占地面积大大减小。
（4）调试周期大大缩短，每个系统仅需两个小时即可，而原来系统的调试，约需两三个月。
（5）由于元器件大大减小，故障率将大大降低。预计热停工时间将减小50%以上。相应的维护费用亦将有较大降低（原来每年维护费用约为18万元）。
（6）我们使用的G7型变频器保护功能十分灵敏可靠。而且在某种意义上具有允许“误操作”功能。比如，若将主令开关从零位迅速推到正最大给定位置（或负最大给定）或从正最大给定位置迅速推到负最大给定位置，若你的加/减速的速度比设定的快，变频器将不跟随你的命令，而是按照现场调试时已设定好的加/减速曲线自动进行加/减速。若速度比设定的慢，变频器将执行你的命令。这就是允许“误操作”的含义。
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