交流變頻器在轉爐煉鋼控制系統中的應用
關鍵詞：轉爐傾動、氧槍升降、一次除塵、1336 IMPACT系列變頻器、PowerFlex7000系列中壓變頻器
1. 概述
交流電動機采用變頻調速技術是當代電動機調速的潮流，它以體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護齊全、操作方便等優點，優于以往的多種調速方式，如變極調速、調壓調速、滑差調速、串級調速、液力偶合器調速等，因此，變頻器的發展十分迅速，在工業領域的應用日益廣泛。
它的主要作用有：
(1). 節約能源
利用變頻器實現電動機調速運行，在諸多方面可以節約電能，尤其是在風機類、水泵類等機械設備運行過程中，節能效果最為明顯。在當前我國電力供應普遍緊張的情況下，這一點顯得尤為重要。
(2). 提高生產效率，保證產品質量
在生產線的流水作業控制等方面，往往存在快速運行、準確停車、重載恒速輸送、輕載高速返回等許多工藝要求。采用交流變頻調速，能很好地解決這些調速控制的要求，并逐步取代傳統的直流電動機調速方式，使電氣設備的結構更加合理簡單，生產效率大幅度提高。
(3). 有效地防止沖擊電流
由于變頻器可以方便地實現軟啟動和軟停止，因而可以有效地減少電動機啟動、停止時對電網的沖擊，改善電源容量裕度。尤其是電動機容量大，而變壓器容量相對較小時，這種效果更加明顯。
(4). 可以方便地實現電動機的正、反向運行
由于變頻器都具有正、反向輸入端子，因此，電動機的正、反向運行不需要主回路交流接觸器之間交替切換，減少故障維修，減輕工人的勞動強度。
2. 變頻器的應用
近幾年，在我們的設計工作中大量地應用了交流變頻調速控制系統，尤其是A-B品牌的交流變頻器，在轉爐、連鑄以及風機、水泵類負載的自動控制中，都收到了良好的效果。下面，主要談一談交流變頻器在轉爐煉鋼控制系統中的應用。
2.1 應用范圍
交流變頻器在轉爐煉鋼控制系統中，主要應用于轉爐傾動、氧槍升降、一次除塵的風機運行、散狀料給料機下料、運輸車輛的行走等生產過程，近幾年在煉鋼車間大型吊車的行走控制中，也逐步使用了交流變頻器。交流變頻器的使用除了大量節約電能外，也極大地提高了轉爐生產的安全可靠性。若交流變頻器與基礎級計算機（PLC）系統聯網配合使用，效果會更好。
美國羅可韋爾自動化公司A-B品牌的1336 IMPACT系列變頻器能夠提供精確的電動機速度和轉矩控制，具有獨立控制電動機磁場和轉矩的能力，在零速下仍能產生滿轉矩。因此，這種變頻器特別適合于重載或滿載啟動的負載，例如轉爐傾動、氧槍升降以及運輸車輛行走等的控制。
2.2 具體應用
(1). 轉爐傾動的變頻調速控制系統
轉爐傾動的變頻調速控制系統，是轉爐控制系統中變頻技術應用的重點，由于負載的特性，此部分技術難度較大，同時，也是轉爐本體控制系統中投資最大的部分。我們在青島鋼鐵公司80噸轉爐（2003年）、珠海粵裕豐鋼鐵公司65噸轉爐（2003年）、青海西寧鋼鐵公司65噸轉爐（2004年）的傾動控制系統設計中均采用了1336 IMPACT系列變頻器。下面以青島鋼鐵公司80噸轉爐為例，說明1336 IMPACT系列變頻器在轉爐傾動設計中的應用：
青島鋼鐵公司80噸轉爐傾動裝置采用4只齒輪傳動的全懸掛結構形式，每個齒輪由一臺YZPBF315M-10,75kW交流電動機傳動，正常生產時4臺電動機同步運行，當其中1臺發生故障時，其余3臺電動機仍可繼續工作，以滿足生產的要求。在每個電動機軸上安裝1個編碼器，在傾動機構耳軸上安裝1個編碼器及1個主令控制器。
根據煉鋼工藝的要求，傾動的控制采用傳統的主令控制器操作, 操作地點有三處，即操作室主操作臺、轉爐爐前操作臺和轉爐爐后操作臺，其工作程序和聯鎖控制通過PLC實現。該轉爐為全正力矩設計，當出鋼或出渣過程停電時，可氣動松開制動閘，爐子靠自重恢復到垂直位置。
根據近幾年轉爐傾動控制系統的設計和應用情況，我們針對1拖4控制方式（即1臺變頻器拖動4臺電動機）和4拖4主從控制方式進行了認真的比較。1拖4的控制方式，系統簡單，易編程調試和維護，但從安全、合理的角度考慮，每座轉爐需增設一套變頻器裝置作為備用，以化解轉爐正常生產時因變頻器故障而帶來的巨大風險，這樣造價會相對較高，不經濟。最終我們確定了4臺電動機采用變頻器1對1控制，既4拖4主從控制方式，變頻器與PLC系統之間采用國際開放式的DEVICE NET網絡進行通訊。
考慮到轉爐傾動的負載性質和變頻器的過載系數，我們選用了4臺1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B150-AA-EN-L8E-HA2-GM5,112kW來分別驅動4臺電動機。PLC系統也采用A-B品牌的ControlLogix控制系統。
為了抑制電源側過電壓，減少電流畸變，在變頻器輸入側配有共模扼流圈、進線電抗器。
為了抑制變頻器對其它設備的高頻干擾，在變頻器輸出側配有輸出電抗器。
另外，系統中沒有采用能量回饋制動方式，而采用了能耗制動，制動力矩110％，制動電阻柜外安裝。
本系統具有以下特點和功能：
__四象限運行。IMPACT變頻器能工作在正向出力、正向制動、反向出力、反向制動四種工作狀態。
__主/從控制功能（速度/轉矩控制）。在4臺變頻器中，設定其中1臺為主變頻器，進行速度控制，另外3臺為從變頻器，主變頻器的內部轉矩輸出作為從變頻器的轉矩給定進行轉矩控制；當其中1臺從變頻器發生故障時，主變頻器內部轉矩輸出信號給另外2臺從變頻器的轉矩給定，進行轉矩控制；當主變頻器發生故障時，通過DEVICE NET通訊網絡，PLC系統給從變頻器中的1臺進行賦值，變為速度控制（使其變為主變頻器），其內部轉矩輸出信號作為另外2臺從變頻器的轉矩給定，進行轉矩控制。
__零速滿轉矩功能。由于采用FORCE技術，在全調速范圍內可直接控制轉矩。
(2). 氧槍升降的變頻調速控制系統
氧槍升降的變頻調速控制系統，是轉爐控制系統中變頻技術應用的另一個重點和難點。氧槍升降是典型的位能負載，靠鋼絲繩牽引，按照煉鋼工藝專業的要求，氧槍在升降過程中要實現慢速到快速以及快速到慢速的轉換，且其停經的工藝檢測點較多，在待吹點和吹煉點均要求準確停車。尤其是在吹煉點，氧槍的槍位直接影響到煉鋼的質量。因此，應用變頻器控制氧槍升降是氧槍調速控制系統的理想之選。我們在河北宣化鋼鐵公司2X80噸轉爐（2001年）、青島鋼鐵公司80噸轉爐（2003年）、珠海粵裕豐鋼鐵公司65噸轉爐（2003年）、青海西寧鋼鐵公司65噸轉爐（2004年）的氧槍升降控制系統設計中均采用了1336 IMPACT系列變頻器。下面以青島鋼鐵公司80噸轉爐為例，說明1336 IMPACT系列變頻器在氧槍升降設計中的應用：
青島鋼鐵公司80噸轉爐設有2套氧槍，互為備用。每套氧槍升降系統由一臺YSGB315L1-10,64kW交流電動機傳動，在生產過程中當工作氧槍發生故障時，可快速通過橫移換槍等操作，使用備用氧槍繼續生產。當氧槍系統停電時，可切換到氣動馬達，將氧槍提起。氧槍升降系統聯鎖條件較多，是轉爐控制系統中最重要的部分，其工作程序和聯鎖控制是通過計算機控制系統（PLC）實現的。
在設計中，考慮到氧槍升降的負載性質和變頻器的過載系數，我們選用了2臺1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B125-AA-EN-L5-HA2-GM5,93kW來分別驅動每套氧槍升降裝置電動機。
同樣，為了抑制電源側過電壓以及變頻器對其它設備的高頻干擾，減少電流畸變，在變頻器輸入側配有共模扼流圈、進線電抗器，在變頻器輸出側配有輸出電抗器。
變頻器與計算機控制系統之間的信號與數據傳輸同樣采用了國際開放式的DEVICE NET網絡進行通訊，而不是采用以往常用的控制電纜硬線連接的方式，這樣，節省了許多控制電纜，而且在以后的調試工作中也證明了這種通訊方式大大方便了變頻器與計算機控制系統之間的信號采集與數據傳輸。
氧槍實際槍位的檢測由脈沖編碼器和計算機系統高速計數模塊實現，在現場設一個氧槍上極限接近開關檢測氧槍換槍位，以確定高速計數模塊計數的起始點及槍位校驗點。
(3). 變頻器在轉爐一次除塵系統中的應用
根據風機的負載特性，我們知道風機的流量與轉速成正比；壓力與轉速的二次方成正比；軸功率與轉速的三次方成正比。當需求風量下降時，調節轉速可以節約大量能源。例如，當需求風量減少1/2時，通過變頻調速，從理論上講，僅需要額定功率的12.5%，即可節約87.5%的能源。如采用傳統的調節風門擋板開度大小的方式調節風量，雖然也可相應降低能耗，但風機長期工作在額定轉速狀態下，能量有相當部分損失在擋板上，因此，其節能效果明顯不如變頻調速控制系統。
轉爐一次除塵系統是轉爐生產的一個重要環節，吹煉時產生的煙氣量較大，而平時煙氣量則較小，而且這兩種工況交替頻繁，因此對變頻調速控制系統要求較高，響應速度要快。另外，轉爐一次除塵的煙氣量較大，為風機配套的電機一般均為6kV或10kV的中壓電機，這樣變頻器也要選擇與之電壓相匹配的中壓變頻器。
近幾年我們在河北宣化鋼鐵公司2X80噸轉爐（2001年）、天津鋼鐵公司100噸轉爐（2003年）、內蒙古包頭鋼鐵公司薄板廠2號210噸轉爐（2003年）的一次除塵控制系統設計中均采用了中壓變頻器。其中包頭鋼鐵公司薄板廠2號210噸轉爐是從美國購買的二手設備，一次除塵風機配套的電機額定電壓為6600V，額定功率為5500HP，額定頻率為60HZ，額定轉速為1180RPM，按照工藝專業的要求，其調速范圍為650~1180RPM。根據電機的額定電壓和額定頻率，我們認為選用了A-B品牌的PowerFlex7000系列中壓變頻器是一次除塵控制系統的最佳方案。中壓變頻器的具體型號為7000-A430DJND-R18TX-*，額定輸出功率為5500HP。
此中壓變頻器為18脈沖變頻器，前端加18脈沖 5500kVA 10000V/3*2300V列相變壓器。變頻器裝置本身寬為4200，重約3.4噸，整體安裝，因此設計時需考慮電氣室的荷載以及整體吊裝所采取的措施。另外，進線高壓開關柜需向變頻器提供預跳閘接點，變頻器需向進線高壓開關柜提供合閘指令和跳閘接點。
包頭鋼鐵公司薄板廠1號210噸轉爐一次除塵系統也使用了相同型號的中壓變頻器。兩座轉爐自投產以來，中壓變頻器運行一直良好，經濟效益明顯。
3. 結束語
交流變頻技術在轉爐調速控制系統中的應用越來越廣泛，具有極大的應用潛力，經濟效益非常客觀。目前在我國許多中小型轉爐的自動化控制水平還不是很高，如有條件對這些轉爐進行交流變頻器與計算機（PLC）控制系統相配合的技術改造，其社會效益、經濟效益都是十分巨大的。
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