\\变频器在转炉倾动系统的应用及改造
陶汉雄
广钢股份有限公司转炉炼钢厂机动科，广州市白鹤洞1号 邮编510380
摘要：转炉倾动传动系统中既要求电机具有良好的同步性能并且要求有较好的负荷分配。如何处理负荷分配是转炉倾动系统关键的问题。本文介绍交流变频系统如何实现负荷分配。 关键词： 转炉倾动、变频传动、主从控制、直接转矩控制
Abstract: Converter tilting system claim have well synchronization and equilibrium .How to disposal equilibrium is converter tilting system pivotal problem The paper described how to equilibrium in the AC Frequency-converter system.
Key word：converter tilting system、frequency conversion、principal and subordinate control、directness torque control
0、引言
广钢两座45吨转炉倾动系统原采用施耐德PDL系列变频器。新转炉投产的第一年，由于变频器功能的不足和系统设计的缺陷使转炉倾动系统的设备运行故障率相当高，对生产造成较大的影响。从2004年11月18日试产到2005年6月改造前先后出现4台变频器IGBT损坏的事故，其中2005年1月19日，2＃炉两台倾动变频器同时烧毁IGBT功率模块令生产中断。由于系统无法做到转矩平衡导致2005年两座转炉都先后多次出现了弹性杆断裂的设备故障。更为严重的是2#转炉在2005年6月8日出现了倾炉完全不受控制，盛满钢水的炉体翻转了两周半才停下来的恶性事故。
1、转炉倾动系统工艺要求和特点
转炉倾动是一个大惯性的位能负载，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。如下图所示，转炉倾动机构采用全悬挂四点啮合柔性传动，电机与减速机钢性连接。
1． 1工艺要求
转炉倾动角度为正负360。转炉的炉体耳轴下部比上部高，下部比上部重，按正力矩设计。因此，当转炉电控系统失灵或抱闸力矩不够时，依靠炉体本身的正力矩来确保炉口向上，不发生倒钢事故。
减电动机 速耳 机轴转炉 座
在转炉正常工作时，如果需要倾倒钢水，就由电动机输出正力矩，带动转炉缓慢倾
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动（系统速比高达1:1000），电动机工作在电动状态。倒完钢水后，需要缓慢的把炉体回归正位，这时，就需要把转炉的势能回馈系统，电动机工作在回馈状态。
1.2转炉倾动系统特点
要求四台电机负载均匀，转矩偏差不大于10%，否则对机械设备有较大的冲击容易损坏设备。
转炉倾动转矩特点:转炉倾动机构按全正转矩设计（在60度左右出现转矩最大值）。但由于实际使用中炉衬变化、炉帽粘钢、炉内钢液流动变化等因数造成有所改变。运行中会与转矩曲线有很大偏差。转矩与角度曲线如图：
2、存在的问题
2．1广钢45t转炉原倾动系统的变频器是施耐德PDL系列的变频器，采用了1主3从的方式实现控制，但在运行过程中从机在启动到稳定运行的过程中电流基本上是恒定不变的。从减速机现场观察，在启动的过程中主机的一次减速机偏摆严重而从机基本不会出现偏摆，说明从机在启动的过程中基本没有承担负载。在投入使用半年时间后两座炉先后都出现了弹性杆（将一次减速机固定的装置）断裂的机械故障。以上都充分表明原系统负荷分配严重不均匀。
2．2原变频器只能提供固定方向的起动转矩，这种固定方向的起动转矩与转炉倾动系统有所不同。导致系统无论如何调整总有一个方向起动时会先由于负载转矩向反方向转动后再起动。同时由此造成了系统响应时间较长，不能满足系统的快速响应要求。
2．3变频器保护功能不强和系统设计上存在严重缺陷，当主变频器出现故障时未能及时作出判断。从而使系统执行错误的指令运行。使倾动系统出现误动作。另外急停是通过网络控制变频器控制板，在变频器失控的状态下根本无法实现急停。
3、解决方案确定
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转炉倾动系统是多电机传动系统解决好电机同步和负荷分配的问题十分重要。由于电机与减速机是硬连接，不可能象传送皮带等设备以某台速度偏快的电机打滑实现运行。在转炉倾动系统若出现较大的速度或转矩偏差时，系统将无法正常运行
在控制方案上有几种常用的方案：1）采用1台大容量的变频器控制4台电机。这种方式实施简单投资较少，但变频器损坏则无法满足转炉工艺提出的最少保证生产完1炉钢的要求，否则需要多安装一台变频器造成投资增加。并且这种方式下完全依靠电机的滑差实现同步，仍然无法实现负荷分配的均衡；2）采用4台变频器对4台电机分别进行速度调节，由PLC同时给4台变频器发出速度指令。这种方式下能满足任意一台电机或变频器故障都不会影响正在进行的生产。但系统完全无法进行负荷的均衡分配。3）采用4台变频器对4台电机进行配置，并通过光纤将4台变频器连接起来，设置成1主3从。PLC只给主机下达速度指令，主机设置成转速控制。从机设置成转矩控制或ADD方式，由主机的转矩控制从机的速度。
三种方案各有优缺点，根据实际的需要和现有的条件，最终选定了方案3，但必须对原系统进行优化改造。
4、改造措施及方案
根据系统存在的问题，特制定了改造方案及要求：
1、 确保转炉系统安全、可靠运行是这次改造中必须首先解决的问题。为避免变频器
出现故障时无法控制，要将炉前、炉后、主控室的三个急停开关单独接到变频器前的接触器控制回路。使急停开关可以随时直接切断总电源，实现真正意义上的紧急停止，避免出现事故。
2、 根据转炉负载的特点选用的变频器应具备较大的起动转矩，且起动转矩应可根据
控制方向要求进行改变或提供恒定直流励磁的变频器。提高启动转矩，缩短系统响应时间
3、 变频器应具备提供高速监控手段，以便于在调试过程中可以动态监视负载分配。
减少动态响应过程的不平衡。
4、 具有光纤互相连接的功能，从而可实现主从控制。
根据前面所述的后三点的要求，选择了ABB公司的ACS800系列变频器。ACS800系列具有直接转矩控制（DTC）。这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别,通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。ABB公司的ACS800直接转矩控制系列，转矩响应速度可以达到<5ms，在带测速反馈时的静态速度精度达土0.01%，在不带带测速反馈的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达到正负0.1％的速度控制精度。
5、调试及主要设置
在调试的过程中起初4208设置了10%，即建立10%的起动转矩后释放抱闸。结果发现在转炉由前倾角度向后转动时效果较好，但出钢过程会出现“抬头”的现象。当时分析认为是由于设置的起动转矩不足造成，当时经反复调试从10%直到80%效果还没有大的改观。再次调整到由-10%直到-80%结果是出钢时效果较好，但倾炉在前倾角度下再继续前倾就会出现“抬头“的现象。经重新分析，由于负载转矩与位能性负载性质非常接近，所以转炉倾动调速系统应先建立足够的启动转矩后才悉放刹车。但转炉的负载转矩与位能性负载毕竟不完全
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相同，位能性负载具有单方向的特点。转炉负载的转矩方向是会经常出现改变因而转炉启动转矩是应需要跟随控制方向或建立直流转矩。所以起动转矩设置为零，而将2101的电机起动方式设置为采用恒定的励磁启动方式。经调整后完全消除了“抬头”和“点头”的现象。为实现其中一台变频器损坏后不至于断开变频器间的光纤链路，将变频器的直流电源采用外部供电方式。由于ABB变频器具有直接转矩控制(DTC)模式,无须增设速度编码器即可实现准确的速度控制。主从切换通过外部接线端子控制DI3实现主从模式的切换，当闭合时变频器切换为从机，断开则为主机。将从机参数保存在USER1 LOAD（调用用户宏1）中，将主机参数保存在USER2 LOAD（调用用户宏2）
接线如图
L01114FU～380V,50HzL02L03114QL1114R114KM114AU1V1W1114FU1125AR+R-X251(RO11)2(RO12)X262(RO22)3(RO23)X272(RO32)3(RO33)X221(DI1)2(DI2)3(DI3)4(DI4)11(DIIL)8(+24V)2(0V)ACS800-01-0070-3控制板(VREF+)PEX2112345678114-MBCH0RTRTRMBARDCO-03CH1CH2RTRT(AGND)(AI1+)(AI1-)(AI2+)(AI2-)(AI3+)(AI3-)CH3RT隔离器输出+隔离器输出-
主机主要参数设置：
2101=CONST DC MAGN 采用恒定的励磁启动方式。 2102=350Ms 励磁时间350毫秒。 2103=RAMP 表示采用斜坡停车方式。 2201=ACC/DEC1 表示采用加速/减速时间4 4201=ON 激活制动控制功能。 4203=0.1S 抱闸打开时间。 4204=0.2S 抱闸关闭时间。
4205=30rpm 当电机转速低于30转时关闭抱闸。 6001=MASTER 表示本机为主机。 从机主要参数设置：
2101=CONST DC MAGN 采用恒定的励磁启动方式。 2102=350Ms 励磁时间350毫秒。 2103=RAMP 表示采用斜坡停车方式。 2201=ACC/DEC1 表示采用加速/减速时间4 4201=ON 激活制动控制功能。 4203=0.1S 抱闸打开时间。
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4204=0.2S 抱闸关闭时间。
4205=30rpm 当电机转速低于30转时关闭抱闸。 6001=FOLLOWER 表示本机为从机。 6002=ADD 表示从机为转矩控制。 6003=YES 启动视窗功能。 6004=10rpm 视窗速度正偏差。 6005=10rpm 视窗速度负偏差。
4、结束语
通过利用Dirve Windows软件监视四台变频器的转矩可见电机运行转矩曲线几乎完全重合，只有在建立转矩的0.5秒内和停止运行前的0.5秒内有偏差，在运行过程中转矩偏差在0.25%~0.5%之间，转矩相互偏差远远小于10%要求。倾炉的响应时间大大缩短，起动时间从原来的8秒缩短到4秒。在减速机现场观察一次减速机在倾动的过程中只有轻微的摆动。从改造完毕到现在已使用接近1年，弹性杆完全没有损坏的迹象。在这一年的时间年没有再出现系统不受控制的情况。但在使用中偶然会出现过电流的报警等故障，具体原因及解决方法尚有待进行跟踪解决。改造后转矩曲线如图（入铁水、加废钢后向零度转动）
参考文献：《ACS800标准应用程序》 北京ABB电气传动系统有限公司 [作者简介]陶汉雄（1968— ）1996年毕业于广州业余大学。助理工程师。
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