變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、PAGE PAGE 6變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用周芝峰上海電機(jī)學(xué)院摘要：針對轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)負(fù)載的控制特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了DTC變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型及參數(shù)配置，并就采用PLC和編碼器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確位置控制的原理和方法做了分析。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐 變頻器 位置控制Application and Design of Technology in Tilting FurnaceZhou ZhifengAbstract: countered the characteristic of tilting furnace, The paper introduces the design and selection an

2、d parameter configuration. But also, will analysis the used PLC and encoder for principle of position control.Keywords: tilting furnace inverter position control1 引言轉(zhuǎn)爐的傾動和氧槍控制是轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)控制的核心，是關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，某公司第二煉鋼廠的30 t轉(zhuǎn)爐傾動裝置，由4臺電機(jī)驅(qū)動，低速軸剛性連接。在此之前，由于大轉(zhuǎn)矩啟動、大調(diào)速范圍運(yùn)行的要求，轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)是采用直流電機(jī)驅(qū)動，控制系統(tǒng)采用了邏輯無環(huán)流直流調(diào)速系統(tǒng)。該

3、設(shè)備是20世紀(jì)90年代初期產(chǎn)品，故障率較高。另外，爐體傾動的角度控制也沒能很好的解決，時常由于機(jī)械式主令的觸頭松動錯位而造成事故；如超過角度極限時會造成“倒鋼”，有時停車不到位，鋼水不能進(jìn)鋼包，造成“跑鋼”等等。此次改造，在主體結(jié)構(gòu)不變的前提下，擬將爐容增大至33 t，經(jīng)用戶同意，我們把直流傳動改為交流電機(jī)變頻驅(qū)動，改造后控制系統(tǒng)可以做到大力矩啟動，平穩(wěn)加速、平滑變速。采用PLC控制，減少了有接點(diǎn)系統(tǒng)帶來的故障。用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測元件，配合高速計(jì)數(shù)器，進(jìn)行定位控制，開辟了一個定位控制的新途徑。做到了停車點(diǎn)、變速點(diǎn)的準(zhǔn)確控制，最大限度地發(fā)揮了變頻器的特長和優(yōu)點(diǎn)。總體上，取得了滿意的效果。2

4、 工藝要求轉(zhuǎn)爐在煉鋼時，是垂直的，爐口向上，當(dāng)出鋼時，需要傾斜一定的角度。爐體傾動部分采用4臺電機(jī)驅(qū)動，低速軸剛性連接，爐體采用4點(diǎn)懸掛式，輔以扭力桿作為力矩吸收。根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)爐爐體需能進(jìn)行正反360的傾動。一般情況轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)處于正力矩工作狀態(tài)，其重量主要集中在下部。這樣就可以確保轉(zhuǎn)爐事故狀態(tài)下，爐體能自動復(fù)位。也就是說傾動機(jī)構(gòu)具有勢能負(fù)載特性。因此，對系統(tǒng)提出如下要求：1）電氣控制系統(tǒng)須有足夠的啟動力矩，以適應(yīng)滿載啟動的要求，啟動須平穩(wěn)，頻繁啟動/制動，無沖擊；滿足電機(jī)四象限運(yùn)行的需要；2）針對勢能負(fù)載的特點(diǎn)，電氣系統(tǒng)最好在低速甚至零速時有較大的力矩輸出；3）為了克服前面敘述的弊端，機(jī)

5、械制動器必須和電控系統(tǒng)緊密配合，在電機(jī)建立足夠的輸出力矩時，才能松開，需要制動時，立即使電機(jī)停止；4）爐體須能做到準(zhǔn)確、平穩(wěn)停車定位；5）4臺電動機(jī)須保持同步運(yùn)行，無論是啟動、制動和正常工作狀態(tài)，4臺電機(jī)的負(fù)荷要盡量保持平衡；4臺電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差不大于8 r/min ,轉(zhuǎn)矩偏差不大于輸出轉(zhuǎn)矩的6 %3 變頻器選擇3.1 控制系統(tǒng)選擇變頻器的類型很多，就控制方式而言，有U/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制，不同的控制系統(tǒng)其性能不盡相同，適應(yīng)的負(fù)載也有區(qū)別。前已述及，料車具有勢能負(fù)載的特性。因此，要求系統(tǒng)在動態(tài)過程中具有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，且具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，最好在零速時能具有

6、最大的轉(zhuǎn)矩輸出。根據(jù)這些特點(diǎn)，我們經(jīng)過技術(shù)比較，認(rèn)為選用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)最為恰當(dāng)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，也就是說DTC系統(tǒng)是把轉(zhuǎn)矩作為直接跟蹤控制對象的，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，據(jù)資料介紹，無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為67 ms，而直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到1 ms左右。由此可知，它可以做到力矩的建立優(yōu)先于速度，這正是我們所需要的。轉(zhuǎn)爐傾動驅(qū)動的選擇，主要是考

7、慮兩方面，一是啟動時不要沖擊；二是在中途停止再啟動時防止因重力作用而下滑。下面就從啟動轉(zhuǎn)矩的大小和時間入手，來闡述系統(tǒng)選取的著重點(diǎn)。電機(jī)和傾動機(jī)構(gòu)的參數(shù)如下：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩：875 Nm，額定轉(zhuǎn)矩與啟動轉(zhuǎn)矩之比：1.8，轉(zhuǎn)爐傾動轉(zhuǎn)矩：1 700 Nm，根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們來看選取什么系統(tǒng)最好。首先我們假設(shè)采用工頻直接啟動的情況，由于一臺電機(jī)的啟動力矩只有486 Nm，臺電機(jī)的總啟動力矩也只有4864=1 944 Nm,可見，臺電機(jī)在平衡位置啟動是勉強(qiáng)可以的，但如果在非平衡位置，抱閘突然松開，轉(zhuǎn)爐靠重力下滑，電機(jī)克服重力和慣性力而使轉(zhuǎn)爐平穩(wěn)傾動，就不可能了，只有在電機(jī)建立了足夠的力矩之后才能克服下滑

8、而使轉(zhuǎn)爐繼續(xù)傾動，這可能需要1 s以上的時間，必然產(chǎn)生劇烈的抖動甚至?xí)o法控制，所以在變頻技術(shù)成熟之前，大都采用直流驅(qū)動。那么，現(xiàn)在采用變頻技術(shù)，選用矢量控制系統(tǒng)又如何呢？前已述及，矢量控制系統(tǒng)額定力矩的建立時間一般在67 ms，這樣在非平衡位置啟動時，還是會有一些抖動，而在平衡位置啟動時，由于是以最大力矩起動，會產(chǎn)生一定的沖擊。而TDC控制就不同了，它把轉(zhuǎn)矩作為控制對象，可以設(shè)定啟動轉(zhuǎn)矩為傾動轉(zhuǎn)矩的1.2倍左右，這樣，即便是零速時，也有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，既可減少啟動的沖擊，又可克服非平衡位置啟動時的抖動。以上分析可知，對于轉(zhuǎn)爐傾動的驅(qū)動選用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最佳。為此，我們選用了ACS800的變

9、頻器。該變頻器可以應(yīng)用在有較高的過載能力要求的場所，其傳動的核心是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）； 具有高精度的動、靜態(tài)指標(biāo)和大的啟動轉(zhuǎn)矩；速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動態(tài)精度可以到0.1%；在零速時可以輸出1.52倍的額定轉(zhuǎn)矩；具有方便靈活的編程功能和多級速度設(shè)定功能；具有電磁制動、直流注入方式的能耗制動和專用的機(jī)械制動器的控制功能。還可以設(shè)定不同的啟動轉(zhuǎn)矩和速度曲線，并可通過數(shù)字量輸入來設(shè)定多級速度，有利于平穩(wěn)起動、制動和準(zhǔn)確停車，可以很好地滿足轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)的特殊要求。3.2 變頻器容量選擇電機(jī)為Y系列變頻電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如下：型號YTSZ315S-10,電壓380 V，功率55 kW，電流12

10、4 A，轉(zhuǎn)速585 r/min，效率0.9,功率因數(shù)0.8，轉(zhuǎn)矩875 Nm。對于轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)而言，要求啟動力矩大，且在零速時能有克服爐體重力的能力。因此，在選型計(jì)算時，一般要求按相關(guān)公式計(jì)算后，再加大一級。從資料上得知，變頻器的容量計(jì)算可按下式進(jìn)行： （1）式中：PM為負(fù)載所要求的電動機(jī)的軸輸出功率；為電動機(jī)的效率；k為電流波形的修正系數(shù) (PWM方式時，取1.051.0)。把電機(jī)參數(shù)代入式（1）得查ABB公司的ACS800的手冊并考慮到重載啟動，選用了ACS80001001003變頻器，其額定功率為90 kW，電流為155 A。當(dāng)然為了可靠起見，在選定后還應(yīng)按式（2）、式（3）進(jìn)行校驗(yàn)。I

11、N=kIM（A） （2） （3）式中：UM為電動機(jī)電壓，V；IM為電動機(jī)工頻最大電流，A；為電動機(jī)的功率因數(shù)；PN為變頻器的額定容量，kVA；IN為變頻器的額定電流，A。把數(shù)據(jù)代入上式即可驗(yàn)證，所選變頻器容量滿足要求。 3. 3 啟動曲線形狀選擇 在啟動時，由于是重載，并要求平穩(wěn)，因此把啟動的速度軌跡設(shè)置成“S”曲線，如圖1所示。S型啟動曲線特別適合于勢能類負(fù)載，可以避免負(fù)荷沖擊，有利于減少設(shè)備故障。在設(shè)定參數(shù)時我們?nèi)〉撞炕【€的時間為上升時間的1/10。速度上升時間設(shè)定為10 s。為了減少沖擊，啟動時采用了分級啟動，第一級為25 Hz， 第二級為50 Hz。速度運(yùn)行圖見圖2。實(shí)際觀察運(yùn)行較為平

12、穩(wěn)，基本沒有爐體的抖動現(xiàn)象。圖1 啟動曲線4 用編碼器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確位置控制轉(zhuǎn)爐傾動是用電機(jī)驅(qū)動數(shù)十噸盛滿鋼水的爐體按預(yù)定的角度旋轉(zhuǎn)，并能準(zhǔn)確地停止在任一角度，不能抖動，不能有沖擊，不能錯位。對于如此重的爐體，如此苛刻的要求，確實(shí)是控制的難點(diǎn)。如果停車不到位，就可能出現(xiàn)“跑鋼”或鋼水倒不盡，如果停車過位，就可能出現(xiàn)“倒鋼”，如果停車慣性太大，還可能發(fā)生“潑鋼”。要作到精確定位，位置檢測裝置的精度和使用性能也就顯得非常重要了，在此之前，是用機(jī)械式LK4主令控制器來實(shí)現(xiàn)位置檢測的，經(jīng)常出現(xiàn)觸頭松動、竄位的現(xiàn)象，檢修和調(diào)整的工作也很費(fèi)時，故障率較高。改造后，我們采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC實(shí)現(xiàn)位置控制，精度

13、高，調(diào)整方便，基本上沒有故障。4.1 位置控制的實(shí)現(xiàn)編碼器安裝在低速軸上，隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)它輸出一系列脈沖信號，根據(jù)型號的不同，每周發(fā)出的脈沖數(shù)也不同，可根據(jù)需要選用。編碼器的信號送入到PLC的高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值的大小，也就反映了爐體轉(zhuǎn)動的角度，以達(dá)到精確判斷位置（角度）的目的。S7200系列PLC的高速計(jì)數(shù)器具有外部控制的雙向計(jì)數(shù)功能，完全滿足旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的要求。編碼器可以判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，不管電機(jī)的方向如何，高速計(jì)數(shù)器都可以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。我們把爐體口向上的垂直位定為原點(diǎn)，計(jì)數(shù)值為0，爐體在轉(zhuǎn)動的過程中計(jì)數(shù)值不斷增加，我們可以根據(jù)不同的計(jì)數(shù)值來判斷爐體的轉(zhuǎn)動角度。例如：選用200P/R的單圈

14、絕對值編碼器，則每個脈沖所對應(yīng)的角度是1.8，設(shè)爐體出鋼的角度為160，我們就可以方便地算出所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值是89。從而可精確地設(shè)定停車的位置。由于計(jì)數(shù)器是軟件設(shè)定，所以，非常方便。當(dāng)計(jì)數(shù)值超過最高設(shè)定值89時，會發(fā)出報警和停車信號，變頻器啟動所有應(yīng)急程序，保證系統(tǒng)的安全。4.2 變頻器速度運(yùn)行圖設(shè)置變頻器的優(yōu)越性在于可以通過簡單的參數(shù)設(shè)定來實(shí)現(xiàn)多功能的控制，多級速度設(shè)定就是其中的一種，該變頻器可以通過數(shù)字量輸入端的組合，設(shè)置46檔速度?？煞浅７奖愕貙?shí)現(xiàn)變速運(yùn)行和變速起/停，還可以隨意設(shè)置加/減速時間。在本例中，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、平穩(wěn)停車，防止事故發(fā)生，除了精確的檢測、判斷之外，還給變頻器設(shè)置了20

15、 Hz和 5 Hz的兩級減速，在爐體停車之前，是以5 Hz的速度運(yùn)行，當(dāng)發(fā)出停車信號時，在各種制動措施的配合下，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車，同時也減少了制動器和機(jī)械設(shè)備的磨損和沖擊。為了實(shí)現(xiàn)各級速度間的平滑過度，變頻器的減速時間設(shè)置為5 s，可以平滑變速。當(dāng)爐體轉(zhuǎn)到120的a點(diǎn)時，PLC發(fā)出信號，使變頻器的DI5為1，DI6為0，變頻器開始減速，3 s后速度降至20 Hz，當(dāng)爐體轉(zhuǎn)到140的b點(diǎn)時，使變頻器的DI5為0，DI6為1，速度減至5 Hz。直至停車。速度運(yùn)行圖如圖2所示。需要說明的是，調(diào)整前的計(jì)算，僅能參考，要保證停車準(zhǔn)確，需要對編碼器、計(jì)數(shù)器和變頻器的參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)修改，精心的調(diào)試。圖2 速

16、度運(yùn)行圖5 負(fù)荷平衡措施我們知道，對于多臺電機(jī)同軸驅(qū)動的情況，負(fù)荷平衡是一個控制難點(diǎn)，主要是因?yàn)樾盘杺鬟f和設(shè)備參數(shù)不對稱性造成的。采用直流電機(jī)驅(qū)動時，解決的辦法是電樞串聯(lián)供電，并分別在每臺的勵磁回路中串電阻進(jìn)行微調(diào)。對于交流電機(jī)而言，參數(shù)的分散性更大，負(fù)荷平衡問題更難處理。針對這類問題，ACS800變頻器專門開發(fā)了主/從控制功能，解決了負(fù)荷平衡問題。 主/從控制是專門為多機(jī)傳動應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，在幾臺變頻器當(dāng)中，設(shè)置某一臺為主機(jī)，其他為從機(jī)，主機(jī)以廣播的方式向從機(jī)發(fā)送指令，并跟蹤檢查從機(jī)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。一個主機(jī)最多可帶10個從機(jī)。采用主/從控制，必須增加專用傳動單元（RDCO板），該單元負(fù)

17、責(zé)信息的傳遞和運(yùn)算，主/從控制信號是采用光纖環(huán)行連接，以總線方式通訊。其中：T為發(fā)送器連接，R為接收器連接，接線示意圖見圖3。 本例共有4臺變頻器，即：1臺為主變頻器（MASTER），另外3臺為從變頻器。由于是低速軸剛性連接，故主變頻器設(shè)定為速度控制，從變頻器設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制，以保證各變頻器的負(fù)荷平衡。當(dāng)主變頻器發(fā)生故障時，全部從變頻器以自由停車方式停機(jī)，單臺從機(jī)出現(xiàn)故障時本變頻器停機(jī)，其余繼續(xù)運(yùn)行。但在該變頻器故障排除后，必須全部停止后再重新啟動，才能投入。圖3 主/從接線圖6 制動方式選擇及設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車和防止?fàn)t體失去動力時的“溜車”事故發(fā)生，制動措施非常重要。我們在設(shè)計(jì)時，采用了電氣

18、制動和機(jī)械制動相結(jié)合的辦法。6.1 電氣制動電氣制動一般可以采用電磁制動、能耗制動和反接制動。ACS800變頻器內(nèi)部分別設(shè)置了電磁制動和直流注如入式（能耗）制動。由于本工程電機(jī)容量較大，電磁制動會使電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，不太適用。我們選用了直流注入制動方式，該制動方式可以把電機(jī)鎖定在零速，當(dāng)速度給定和電機(jī)速度均降至5 Hz以下時，變頻器傳動單元發(fā)出電機(jī)停止指令并在電機(jī)定子中注入直流電流，使電機(jī)迅速停止。根據(jù)所需制動力的大小，注入電流值可以在01.2倍額定電流之間進(jìn)行調(diào)整，制動效果比較滿意。由于是菜單式編程和數(shù)字式設(shè)定，調(diào)整非常方便。6.2 機(jī)械制動器的控制對于勢能類負(fù)載，沒有機(jī)械制動器是絕對不行的，在

19、電機(jī)突然斷電或中途啟動時，必須靠機(jī)械制動來控制負(fù)載的下落轉(zhuǎn)動。為了克服前面提到的問題，制動器必須在電機(jī)建立了一定的轉(zhuǎn)矩、電流和轉(zhuǎn)速后才能松開，在改造之前的控制系統(tǒng)中，電機(jī)得電則制動器立即松開，電機(jī)失電則立即制動，制動器的動作快于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的建立，在這種情況下，爐體抖動是必然的，更甚者會發(fā)生“溜車”事故。ACS800變頻器有專用的制動器編程控制功能，可以通過編程對制動邏輯進(jìn)行設(shè)置，例如：可以通過變頻器的“42 BRAKE CONTROL”參數(shù)對制動器松開電流、制動器松開頻率、制動器松開/閉合時間、制動器釋放轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行隨心所欲的修改。該參數(shù)共有10個用戶編程細(xì)目，以保證制動器的可靠動作。在實(shí)際調(diào)試中

20、，我們把釋放電流確定為電機(jī)額定電流的90%，釋放頻率為5 Hz，釋放轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)動作條件滿足時，變頻器的可編程輸出繼電器RO1動作，使制動器制動或釋放。除此之外，制動器還可以接受外部接點(diǎn)的控制，外部接點(diǎn)是供用戶增加功能時自行設(shè)計(jì)用的，在本例中，我們把過極限位、變頻器故障、緊急停車、系統(tǒng)斷電等都作為外部接點(diǎn)的驅(qū)動信號。當(dāng)出現(xiàn)上述任一故障時，PLC就會使外部接點(diǎn)斷開，使制動器迅速制動。本工程中的機(jī)械制動器采用了大推力液壓式抱閘，這種制動器制具有較大制動力，動作迅速。制動器接線如圖4所示。 圖4 制動器接線圖7 調(diào)試總結(jié)7.1 關(guān)于變頻器容量選擇變頻器容量的選擇與計(jì)算，很多文獻(xiàn)均有論述，一般認(rèn)為對于