冶金工业的变频器应用与维护（四）.pdf

f c 。 。u m n 专 栏 冶金工业的变频器应用与维护 四 Th e AC I n v e r t e r ’ S Ao o l i c a t i o n a n d Ma i n t e n a n c e i n t h e Me t a l l u r i c a 1 I n d u l 变频器在 转炉系统 中的应用 器 与PL C】 浙江工商职业技术学院 李方园 摘要转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，主要的电力传动设备包括炉体 倾动的电力传动设备、氧枪传动的 电力控制设备和辅助风机等。在转炉系 统 中采用变频器 ，它具有节约能源、提高生产效率 、保证产品质量和有效 地防止冲击电流等优点。 关键词 变频器；转炉；主从控制 Abs t r a c t T h e c o n v e ne r e q u i p me n t i s t h e k e y s t e e l p l a n t e q u ip me n t Th e ma i n p o we r t r a n s mi s s i o n e q u i p me n t i n c l u d e s t h e f u r n a c e t i l t i n g p o we r t r a n s mi s s i o n e q u i p me n t ， o x y g e n l a n c e d r i v e a n d a u x i l i a r y p o we r c o n t r o l e qu i p me n t s u c h a s f a n s ． AC i n v e r t e r s a r e u s e d i n t h e c o n v e r t e r s y s t e m， wh i c h c a n s a v e e n e r g y ， imp r o v e p r o d u c t i v i t y ,e n s u r e p r o d u c t q u a l i ty,a n d e ff e c t i v e l y p r e v e n t i mp u l s i v e c u r r e n t a n d S O o n Ke y wo r d s AC i n v e r t e r ； Co n v e r t e r ； Ma s t e r - s l a v e c o n t r o l 1 前言 转 炉设 备是 炼钢厂 的关键生 产设备 ，其炉体外 形如 图1 所 示，转炉像一个 “ 挂着的水桶”。转炉系统主要的电力传动设备 包括炉体倾动的 电力传动设备、氧枪传动的 电力控制设备和辅助 图1 转炉 结构 1 、炉体2 ，托圈 3 耳轴4 、大齿轮 5 减速箱 6 、拉压杆 7 、摆杆 8 扭力杆 3 6 萄 萄 潍监A U T O M A T I O N P A N O R A M A 2 0 1 1 ．0 2 风机 等 。 在整个 转炉吹炼过程中 ，由于冶炼操作需要 ，转炉需要倾 动到不 同的角度 ，以便进行各项工业操作。一般而言 ，转 炉倾动 回转角度为0 - 3 6 0 度，转炉倾动回转速度为高速 1 ． 0 r ／ mi n 和低速 0 ． 2 r ／ ra i n 。转炉回转的动能由以下几部分转动体绕耳轴轴线转动组 成炉体、钢水、托圈、耳轴 两个、大齿轮。 2 变频器在转炉倾动 中的应用 在 中大型转炉系统中 ，炉体倾动部分一般采用几台倾动 电 机 ，通过减速机刚性连接 ，并采用全悬挂固定方式和扭力杆力矩 吸收方式，如图2 所示。 减 速 机 巨 轴 座 图2 转炉倾动结构 在转炉的冶炼过程中，倾动电机一般部具有如下特点 转炉 倾动装置由几台倾动电机同时驱动 ，既要同步启动 ，加、减速及 同步运行 ，并要求它们保持速度同步和均匀的负荷分配 ；转炉倾 动速度一般可以在0 ． 1 ～O ． 8 r p m之间进行倾动速度调节 ；一台或二 台电机出现故障时 ，要求传动系统仍能继续运转 ，这时 ，余下的 二台或三 台电机短时间内降速运行 ，并保持速度 同步和均匀的负 荷分配 ；转炉倾动过程中，在不 同的工况下，倾动电机有时处于 电动状态 ，有时处于发电状态 ；转炉倾动装置具有大惯量、重载 的运行特点，要求传动装置有足够的起动力矩和过载能力。 某炼钢转炉的容量 为9 0 吨 ，由3 台交流变频电机拖动 ，电机 的主要参数 电机额定功率为5 5 k W ，额定 电压为3 8 0 V，额定 电 流为1 I O A，额定频率为5 0 Hz ，额定转速 为9 2 0 r ／ r n i n 。每台电机都 由一台R O C K WE L L I MP A C T1 3 3 6 变频器供电，四台变频器三用一 备 ，一主二从，拖动三台电机在转炉倾动时均衡的分担负载。 变频控制 系统的配置如 图3 所示 ，其 中只有主电机的变频器 使用了双闭环控制，其它两台变频器使用了转矩闭环 ，为从动工 作方式。系统主频率给定 由上位机给定 ，由编码器反馈作为系统 的速度反馈 。在速度调节器的输出中取出转矩分量 ，再作为转矩 给定 同时送给三台变频器的转矩调节器。由于三台 电机的转矩给 定一样，故其实际转矩也是一样 的，这样就能比较均衡地分配负 荷 。同时由于主机有速度闭环控制 ，电机的运行速度也能跟随系 统 的给 定值 。因此 ，系 统能 够工 作在 动 态平 衡点 上 。 旋 转 蝙 码 群 图3 变频器 的制动配置 由于转炉倾动是位势负载 ，当转炉回位时 ，电动机是工作在 发电状态，所以需要配备制动单元和制动电阻来进行能耗制动 ， 以保证平稳回位。在转 炉倾动系统中 ，该组变频器配置了制动单 元和制动 电阻，制动电阻是额定功率为5 0 k W，阻值 为3 欧姆的两 个电阻并联 ，经过调试能够满足系统的需要。 本 系统最大 的特 点是 在倾 动部分采用了 四台 变频 器 “ 一拖 一 ”驱动方式，并且圆满地解决了变频器之间的“ 主从”应用问 题 。以往的转炉驱动系统中，一般采用直流调速系统或采用 “ 一 拖四”的交流调速方式 ，这种方式下只能保证 电机的转速基本一 致 ，而完全无法保证 电机的负载一致问题，特别是 “ 一拖四”的 交流 调 速 系统 ，采 用 一 台变 频 器 同时 驱 动 四台 电机 ， 由于 电机 的 电气特性并非完全一致 ，变频器只能采用 “ V ／ F ”控制方式 ，起 动转矩低 ，转矩控制特性差 。另外 ，由于 电机的电气特性差别 ， 驱动过程 中电机的转速无法保证一致 ，而转炉的倾动电机之间属 于齿轮刚性连接 ，微小的转速 差别可能引起非常大的负载不平 衡 ，情 况 严重 时 甚至 会 出 现在 倾 动 过程 中有 的倾 动 电机 处 在 电动 状态，而有的倾动 电机却处在发电状态 ，造成了负载的严重不平 衡 ，经常损坏倾动电机 。 系统正常运行时 ，上位P L C系统通过现场总线与变频器正常 通讯 ，实现控制和现场数据采集，当因某种原因引起某台从变频 器 或 电机 故 障时 ，故 障变 频 器 自动 停 止工 作 ，另外 三 台变 频 器继 续工作 ，主变频器控 制负载在这三台变频器之 间平均分配 ；当主 变频器或 电机 出现故障 时，主变频器停止工作 ，并发出故障信 号 ，由上位P L C系统起动故障处理程序 ，通过变频器I ／ O 端 口，设 置另外一台变频器为主传动 ，组成新的主／ 从工作组 ，按主／ 从方 式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。整个转换 过程在2 秒钟以内完成 。 变 频 器 的这 种主 从 可 以重 新 配置 的 特 点 ，保证 了 转炉 倾 动 系 统在任何一台或二台倾动 电机或变频器出现故障的情况下 ，仍能 继续工作，且不会出现电机负荷分配不均匀的现象。 3 变频器在氧枪传 动中的应用 在转炉炼钢生产 中，氧枪 定位的精确性直接影响吹炼终点 的钢水温度和碳含量，同时对生产安全和炉龄 、枪龄也有很大的 影响。氧枪是典型的位能负载 ，也是典型的提升应用，氧枪控制 装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，以防止发生 “ 掉枪 ”事故 。 氧枪传动系统一般具有如下特点 1 氧枪下降时 ，电动 机处于发电状态，要求氧枪传动装置能解决能量回馈问题 ； 2 每台转炉一般配有两套氧枪 ，两台氧枪升降设备 ，一台工作，一 台在维修或备用 ； 3 氧枪的升降速度可无级调节 ； 4 氧枪 也具有大惯量 、重载高力矩启动的运行特点 ，要求传动装置有足 够的起动力矩和过载能力 。 氧枪 电机机械特性和负载特性如图4 所示。氧枪提升时 ，电 动机制电磁转矩要克服负载转矩 ，即电动机制电磁转矩M的方向 与旋转的方向相同，故 电动机处于 电动运行状态，工作于第一象 限 。氧枪下降时，由于氧枪属重载 ，在该重载的作用下 ，电动机 转速要高于电机的同步转速 ，而 电机的电磁转矩方向与旋转方向 相反 ，因此电动机处于回馈制动状态工作于第四象限。 ＼ ’ ～ 7 _r ， M 枪 图4 氧枪传动控制特点 在氧枪部分的变频控制系统中，最为关键的～点是变频器需 2 0 1 1 ．0 2 A U T O MA T I O N P A N O R A M A 茸 萄强 瞄 37 要具有非常大的起动转矩，原因是氧枪属于典型的提升机负载 ， 只要制动报闸一打开 ，电机就有1 0 0 ％的负载 ，而这时 电机的转速 为零 ，再考虑到加速转矩 、摩擦力矩及氧枪粘钢水等因素 ，所以 氧枪变频器的起动转矩最少应不低于额定转矩的1 2 0 ％。而类似 A C S 8 0 0 系列变频器所独有的D T C 控制技术 ，就能为氧枪电机提供 了良好的动态特性和负载力矩响应能力 ，同时其超过2 0 0 ％的启动 力矩及先进的提升应用程序可以完全满足氧枪工艺要求。 另外 ，氧枪需严格监控 ，防止出现 “ 溜枪”故障，在转炉传 动变频控制系统中，可充分利用变频器的提升应用程序或者应用 宏，并结合P L C 编制了一套抱闸逻辑控制程序 ，就能成功实现变 频器在机械抱闸尚未打开的情况下仍能维持零速满力矩运行而不 跳闸的功能，从而大大提高氧枪传动系统的可靠性 。 4 高压变频器在转炉除尘风机 中的应 用 某炼钢厂对三座转炉进行扩容改造 ，将风机移至地面 ，采用 液力偶合器调速，高速2 7 0 0 ff m i n 设计2 9 0 0 r ／ mi n ，低速1 2 0 0 ff mi n。 经过一段时间的运行 ，发现液力偶合器技术存在着局限性 ， 主要表现在 调速范围在3 0 ％～9 0 ％之间 ，转速不稳定 ；而且低 速1 2 0 0 ff mi n 仍然偏高 ，造成能源浪费 ，高速运行时 ，液力偶合器 有时失速 ，转炉炉口冒烟 ；液力偶合器需经常更换轴承 ，造成转 炉停产，不能满足连续生产的需要等。 鉴于液力偶合器存在上述众多问题，因此在对新上一座3 0 t 转 炉时决定不再使用液力偶合器调速，改用北京利德华福 电气技术 有限公司生产的高压变频器为新转炉风机进行调速 ，具体方案如 图5 所示 。 关 ； K G 3 图5 除尘风机 的变频 改造方案 设备配置和参数如下 K M 变频器供 电的高压 真空断路器 ，为原有高压真空 开 K G1 、K G 2 、K G3 高压变频器内置真空接触器 B P QH AR S V E R T - A0 6 ／ 0 7 6 变频器 ； 38 亩 赫浊嚣 A U T O MA T I O NP A N O R A M A 2 0 1 1 ．0 2 M 6 3 0 KW／ 6 KV异 步 电动机 。 采用高压变频调速 系统对除尘风机进行高压变频的工作过程 如下 变频器操作可以在本机控制 ，也可以远程操作 。变频器包 括一台内置的P L C，用于柜体 内开关信号的逻辑处理 ，以及与现 场各种操作信号和状态信号 如R S 4 8 5 的协调 ，并且可以根据用户 的需要扩展控制开关量 ，增强了系统的灵活性 。变频器也可由控 制室的上位机或操作台进行操作，吹炼时 ，变频器高速运行 ；不 吹炼时 ，变频器低速运行。可以根据工况需要 自由设定，完全可 以满足工艺要求。 5 结束语 在转炉系统中采用变频器 ，它具有以下效果 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， 尤其是在转炉风机类机械设备运行过程 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 在转 炉负载 中往往存在快速运行、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。 尤其是转炉电动机容量大，而变压器容量相对较小时，这种效果 更加 明显 。 参考文献 [ 1 ] 李方园． 变频器行业应用实践【 M] 北京 中国电力出版社，2 0 0 6 7 1 7 2 [ 2 】 A B B 变频器DT C在转炉和氧枪 } 的运用， w w w．c a 8 0 0 ． c o n 1 ． [ 3 】 交流变频器在转炉炼钢控制系统中的虚用， WW W c a 8 0 0 ．c o m． 习 6