罗克韦尔自动化交流变频器在转炉炼钢控制系统中的应用

1. 概述
交流电动机采用变频调速技术是当代电动机调速的潮流，它以体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、操作方便等优点，优于以往的多种调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、液力偶合器调速等，因此，变频器的发展十分迅速，在工业领域的应用日益广泛。
它的主要作用有：
(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，尤其是在风机类、水泵类等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
在生产线的流水作业控制等方面，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。
(4). 可以方便地实现电动机的正、反向运行
由于变频器都具有正、反向输入端子，因此，电动机的正、反向运行不需要主回路交流接触器之间交替切换，减少故障维修，减轻工人的劳动强度。
2. 变频器的应用
近几年，在我们的设计工作中大量地应用了交流变频调速控制系统，尤其是A-B品牌的交流变频器，在转炉、连铸以及风机、水泵类负载的自动控制中，都收到了良好的效果。下面，主要谈一谈交流变频器在转炉炼钢控制系统中的应用。
2.1  应用范围
交流变频器在转炉炼钢控制系统中，主要应用于转炉倾动、氧枪升降、一次除尘的风机运行、散状料给料机下料、运输车辆的行走等生产过程，近几年在炼钢车间大型吊车的行走控制中，也逐步使用了交流变频器。交流变频器的使用除了大量节约电能外，也极大地提高了转炉生产的安全可靠性。若交流变频器与基础级计算机（PLC）系统联网配合使用，效果会更好。
美国罗可韦尔自动化公司A-B品牌的1336 IMPACT系列变频器能够提供精确的电动机速度和转矩控制，具有独立控制电动机磁场和转矩的能力，在零速下仍能产生满转矩。因此，这种变频器特别适合于重载或满载启动的负载，例如转炉倾动、氧枪升降以及运输车辆行走等的控制。
2.2  具体应用
(1). 转炉倾动的变频调速控制系统
转炉倾动的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的重点，由于负载的特性，此部分技术难度较大，同时，也是转炉本体控制系统中投资最大的部分。我们在青岛钢铁公司80吨转炉（2003年）、珠海粤裕丰钢铁公司65吨转炉（2003年）、青海西宁钢铁公司65吨转炉（2004年）的倾动控制系统设计中均采用了1336 IMPACT系列变频器。下面以青岛钢铁公司80吨转炉为例，说明1336 IMPACT系列变频器在转炉倾动设计中的应用：
青岛钢铁公司80吨转炉倾动装置采用4只齿轮传动的全悬挂结构形式，每个齿轮由一台YZPBF315M-10,75kW交流电动机传动，正常生产时4台电动机同步运行，当其中1台发生故障时，其余3台电动机仍可继续工作，以满足生产的要求。在每个电动机轴上安装1个编码器，在倾动机构耳轴上安装1个编码器及1个主令控制器。
根据炼钢工艺的要求，倾动的控制采用传统的主令控制器操作, 操作地点有三处，即操作室主操作台、转炉炉前操作台和转炉炉后操作台，其工作程序和联锁控制通过PLC实现。该转炉为全正力矩设计，当出钢或出渣过程停电时，可气动松开制动闸，炉子靠自重恢复到垂直位置。
根据近几年转炉倾动控制系统的设计和应用情况，我们针对1拖4控制方式（即1台变频器拖动4台电动机）和4拖4主从控制方式进行了认真的比较。1拖4的控制方式，系统简单，易编程调试和维护，但从安全、合理的角度考虑，每座转炉需增设一套变频器装置作为备用，以化解转炉正常生产时因变频器故障而带来的巨大风险，这样造价会相对较高，不经济。最终我们确定了4台电动机采用变频器1对1控制，既4拖4主从控制方式，变频器与PLC系统之间采用国际开放式的DEVICE NET网络进行通讯。
考虑到转炉倾动的负载性质和变频器的过载系数，我们选用了4台1336 IMPACT矢量型变频器1336E-B150-AA-EN-L8E-HA2-GM5,112kW来分别驱动4台电动机。PLC系统也采用A-B品牌的ControlLogix控制系统。

图1  4拖4主从控制方式单线系统图
为了抑制电源侧过电压，减少电流畸变，在变频器输入侧配有共模扼流圈、进线电抗器。
为了抑制变频器对其它设备的高频干扰，在变频器输出侧配有输出电抗器。
另外，系统中没有采用能量回馈制动方式，而采用了能耗制动，制动力矩110％，制动电阻柜外安装。
本系统具有以下特点和功能：
__四象限运行。IMPACT变频器能工作在正向出力、正向制动、反向出力、反向制动四种工作状态。
__主/从控制功能（速度/转矩控制）。在4台变频器中，设定其中1台为主变频器，进行速度控制，另外3台为从变频器，主变频器的内部转矩输出作为从变频器的转矩给定进行转矩控制；当其中1台从变频器发生故障时，主变频器内部转矩输出信号给另外2台从变频器的转矩给定，进行转矩控制；当主变频器发生故障时，通过DEVICE NET通讯网络，PLC系统给从变频器中的1台进行赋值，变为速度控制（使其变为主变频器），其内部转矩输出信号作为另外2台从变频器的转矩给定，进行转矩控制。
__零速满转矩功能。由于采用FORCE技术，在全调速范围内可直接控制转矩。
(2). 氧枪升降的变频调速控制系统
氧枪升降的变频调速控制系统，是转炉控制系统中变频技术应用的另一个重点和难点。氧枪升降是典型的位能负载，靠钢丝绳牵引，按照炼钢工艺专业的要求，氧枪在升降过程中要实现慢速到快速以及快速到慢速的转换，且其停经的工艺检测点较多，在待吹点和吹炼点均要求准确停车。尤其是在吹炼点，氧枪的枪位直接影响到炼钢的质量。因此，应用变频器控制氧枪升降是氧枪调速控制系统的理想之选。我们在河北宣化钢铁公司2X80吨转炉（2001年）、青岛钢铁公司80吨转炉（2003年）、珠海粤裕丰钢铁公司65吨转炉（2003年）、青海西宁钢铁公司65吨转炉（2004年）的氧枪升降控制系统设计中均采用了1336 IMPACT系列变频器。下面以青岛钢铁公司80吨转炉为例，说明1336 IMPACT系列变频器在氧枪升降设计中的应用：
青岛钢铁公司80吨转炉设有2套氧枪，互为备用。每套氧枪升降系统由一台YSGB315L1-10,64kW交流电动机传动，在生产过程中当工作氧枪发生故障时，可快速通过横移换枪等操作，使用备用氧枪继续生产。当氧枪系统停电时，可切换到气动马达，将氧枪提起。氧枪升降系统联锁条件较多，是转炉控制系统中最重要的部分，其工作程序和联锁控制是通过计算机控制系统（PLC）实现的。

图2  变频器与PLC系统通讯网络框图
在设计中，考虑到氧枪升降的负载性质和变频器的过载系数，我们选用了2台1336 IMPACT矢量型变频器1336E-B125-AA-EN-L5-HA2-GM5,93kW来分别驱动每套氧枪升降装置电动机。
同样，为了抑制电源侧过电压以及变频器对其它设备的高频干扰，减少电流畸变，在变频器输入侧配有共模扼流圈、进线电抗器，在变频器输出侧配有输出电抗器。
变频器与计算机控制系统之间的信号与数据传输同样采用了国际开放式的DEVICE NET网络进行通讯，而不是采用以往常用的控制电缆硬线连接的方式，这样，节省了许多控制电缆，而且在以后的调试工作中也证明了这种通讯方式大大方便了变频器与计算机控制系统之间的信号采集与数据传输。
氧枪实际枪位的检测由脉冲编码器和计算机系统高速计数模块实现，在现场设一个氧枪上极限接近开关检测氧枪换枪位，以确定高速计数模块计数的起始点及枪位校验点。
(3). 变频器在转炉一次除尘系统中的应用
根据风机的负载特性，我们知道风机的流量与转速成正比；压力与转速的二次方成正比；轴功率与转速的三次方成正比。当需求风量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如，当需求风量减少1/2时，通过变频调速，从理论上讲，仅需要额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用传统的调节风门挡板开度大小的方式调节风量，虽然也可相应降低能耗，但风机长期工作在额定转速状态下，能量有相当部分损失在挡板上，因此，其节能效果明显不如变频调速控制系统。
转炉一次除尘系统是转炉生产的一个重要环节，吹炼时产生的烟气量较大，而平时烟气量则较小，而且这两种工况交替频繁，因此对变频调速控制系统要求较高，响应速度要快。另外，转炉一次除尘的烟气量较大，为风机配套的电机一般均为6kV或10kV的中压电机，这样变频器也要选择与之电压相匹配的中压变频器。
近几年我们在河北宣化钢铁公司2X80吨转炉（2001年）、天津钢铁公司100吨转炉（2003年）、内蒙古包头钢铁公司薄板厂2号210吨转炉（2003年）的一次除尘控制系统设计中均采用了中压变频器。其中包头钢铁公司薄板厂2号210吨转炉是从美国购买的二手设备，一次除尘风机配套的电机额定电压为6600V，额定功率为5500HP，额定频率为60HZ，额定转速为1180RPM，按照工艺专业的要求，其调速范围为650~1180RPM。根据电机的额定电压和额定频率，我们认为选用了A-B品牌的PowerFlex7000系列中压变频器是一次除尘控制系统的最佳方案。中压变频器的具体型号为7000-A430DJND-R18TX-*，额定输出功率为5500HP。
此中压变频器为18脉冲变频器，前端加18脉冲 5500kVA  10000V/3*2300V列相变压器。变频器装置本身宽为4200，重约3.4吨，整体安装，因此设计时需考虑电气室的荷载以及整体吊装所采取的措施。另外，进线高压开关柜需向变频器提供预跳闸接点，变频器需向进线高压开关柜提供合闸指令和跳闸接点。
包头钢铁公司薄板厂1号210吨转炉一次除尘系统也使用了相同型号的中压变频器。两座转炉自投产以来，中压变频器运行一直良好，经济效益明显。
3.结束语
交流变频技术在转炉调速控制系统中的应用越来越广泛，具有极大的应用潜力，经济效益非常客观。目前在我国许多中小型转炉的自动化控制水平还不是很高，如有条件对这些转炉进行交流变频器与计算机（PLC）控制系统相配合的技术改造，其社会效益、经济效益都是十分巨大的。