菱科變頻調速技術在煉鋼廠20噸轉爐傾動和氧槍升降上的應用

    承鋼煉鋼廠于是1986年建成投產，該廠有3座20噸頂底復合吹轉爐和2臺方坯連鑄機，設計時采用了當時國內外的一些新工藝、新設備，如頂底復合吹煉、吹氬、廢氣回收等。電控系統是當時國內比較先進的模擬量恒磁通邏輯無環流直流拖動系統。該廠建成后使承鋼的煉鋼生產能力大幅度提高，從而也使該廠的生產在承鋼占有舉足輕重的地位。1994年5月，意外事故造成3座20噸轉爐全部停產。在這種萬分緊急的情況下，為恢復生產，在有關專家的指導下，承鋼率先在鋼鐵冶金轉爐上大膽采用了具有最大轉矩限定功能的全數字式交流變頻調速技術，用以取代原來的直流拖動系統，并獲得了成功。調試運行結果表明，新采用的交流變頻調速系統具有完全可以與原直流系統相媲美的平滑調速特性，完全滿足工藝要求。而且，調速裝置體積較小、功能全、集成度高，相當于國際90年代水平。盡管操作人員習慣沒有改變，但由于裝備水平提高，裝置集成度高，且其自診斷和保護功能可靠，因此大大降低了熱停工時間。

一、轉爐原直流拖動系統簡介

    1986年建成投產的3座轉爐，爐子傾動和氧槍升降的拖動系統采用的是模擬量恒磁通邏輯無環流直流拖動系統，恒磁通調壓調節器速，該系統具有兩個閉環、一個速度環、一個電流環，每座轉爐傾動由四臺22kW、650r/min直流電動機集中傳動，每座轉爐有兩根氧槍，每根氧槍由一臺22kW、650r/min直流電機單獨傳動。由于80年代初期我國電控配套水平所限（盡管該直流系統當時是國內較先進的拖動系統），該系統十分龐大。每座轉爐的電控柜達14臺之多，繼電器、接觸器多達160個。因插件為分立元件，且系統是模擬控制方式，因此調試周期很能夠長（達3個月）。由于原系統存在先天性的不足，所以運行一段時間后熱停工時間增加，維護難度越來越大。尤其是繼電聯鎖部分和插件部分故障率相當高，不但維護費用高（達0.45元/噸鋼），而且嚴重制約著生產的正常運行。

二、轉爐傾動負載和氧槍升降負載特性及電動機運轉狀態分析

1.氧槍負載特性及電動機運轉達狀態分析

（1）氧槍負載是典型的位能負載。
氧槍機械傳動系統示意圖如圖1所示。氧槍工藝要求如下：
 高速40m/min，低速3.5m/min，行程10.9m，氧槍靜載4.8t，氧槍靜力矩0.6tf·m。
（2）氧槍電動機運轉狀態分析。

    氧槍電機機械特性和負載特性示圖2。氧槍提升時，電動機制電磁轉矩要克服負載轉矩，即電動機制電磁轉矩M的方向與旋轉的方向相同，故電動機處于電動運行狀態，工作于第一象限。氧槍下降時，由于氧槍屬重載，在該重載的作用下，電動機轉速要高于電機的同步轉速，而電機的電磁轉矩方向與旋轉方向相反，因此電動機處于回饋制動狀態工作于第四象限。

2.轉爐傾動負載特性及電動機支轉狀態分析

    轉爐傾動方式為全懸掛四點嚙合柔性傳動，原設計最大傾動力矩為85rf·m，傾動速度為0.1~1r/min，傾動角度為正反360°，減速比為1：802.3。

    據工藝要求，轉爐的傾動角度為正反360°。轉爐爐口和爐底方向軸線與地平面垂直時為零位狀態。故爐子傾動負載力矩為角度的函數Mfz=f(θ)，屬于反陰性的位能負載。

    另外，據工藝設計說明，該轉爐按正力矩設計，卻爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重。從而確保轉爐電控系統失靈或抱閘力不夠時，能靠爐體自身的正力矩來確保爐口向上，這樣不至于發生倒鋼等事故。但當為修爐拆除爐底后能入爐口粘鋼渣太多（達到或超過8噸）時，爐體可能出現上部較下部重，由于液體鋼水重心隨轉爐傾角的變化而變化，這樣在修爐和出渣或出鋼時，可能出現負力矩。當爐體處于正力矩狀態時，電動機處于電動運行狀態，當爐體處于負力矩狀態時，電動機處于回饋制動狀態，電動機的機械特性和負載特性風圖3。


    正常時爐體重W1=170t，最大鐵水重W2=40t，總重約為W=W1+W2=170+40=210t。爐體全記為6.4m，耳軸中心距爐口為3.1m（上部），耳軸中心距爐底為3.3m（下部）。

三、變頻調速的原理及用于轉爐傾動和氧槍升降負載的可行性分析

1.變頻調速的原理及機械特性 

    由于異（同）步電動機的同頻轉速n1與電源頻率成正比，所以改變電源頻率就能改變同步轉速n1，并從而實現調速，這就是變頻調速。
    在電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量ρm為不變額定值。磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；磁通太大，又會使鐵芯飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保持ρm不變是容易做到的。在交流異步電機中，磁能是由定子和轉子磁勢合成產生的，怎樣才能保證磁通恒定呢？
我們知道，異步電動機的電勢方程為
E1= 4.44f1W1Kw1ρm
因為電壓V1=E1+IZ1，如果忽略定子壓降，則上式可近似表示為
E1= 4.44f1W1Kw1ρm≈V1
所以
ρm =C1V1/f1
式中，E1為定子每相感應電勢的有效值，f1為定子頻率，W1為定子每相繞組串聯匝數，KW1 為基波繞組系數，ρm為每極氣隙磁通量，C1=1/4.44KW1W1，是一常數。
由ρm的表達式可見，要保持電機磁通恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化。即：V1/f1=V'1/f'1 ，這種V1與f1的配合變化稱為恒磁通變頻調速中的協調控制。根據V1/f1協調控制的方式不同，可以得到不同的調速成特性。
（1）基頻以下調速。
（a）恒電壓頻率比調速。由電動機的電磁轉矩公式 M=CmρmI'2COSρZ 可知，M 與ρm, I'2 成正比，要保持M不變，則必須ρm 不變，即要不V1與f1成正比變化。即
V1/f1=V1e/f1e=常數
帶下標e表示額定頻率時的相應數值。

    這是恒電壓頻率比的協調控制方式（簡稱恒壓頻比），其機械特性曲線簇（以某一臺8極電機為例）如圖4所示。由圖可見，從同步轉速（M=0）到最大轉矩（Mmax）的特性可近似看作是線性關系，且線性段基本平行，類似于直流電機的調壓特性。但最大轉矩陣Mmax卻隨f1下降而減少，這是因為f1高時，V1和E1數值都較大，定子阻抗壓降的比例很小，所以V1≈=E1；而f1低時，V1和E1數值較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略了。E1與V1相差較大，E1小于V1很多，所以ρm小很多，Mmax就很小。這對于風機水泵類機械負載起動還是合適的。

（b）恒最大轉矩調速。用V1/F1=常數協調控制，在低速時最大轉矩Mmax減小。降低了起動與過載能力，低速時為了保持Mmax不變，提高起動能力，就必須采用
定子電勢/定子頻率=常數
的協調控制。如前所述，因為低頻時，V1和E1都較小，定子阻抗壓降的份量就比較顯著，不能忽略。這時隨轉速的降低，定子電壓應適當提高，以近似補償定子阻抗引起的壓降，從而保證電機具有恒最大轉矩Mmax。這時電機的機械特性如圖5所示。恒壓頻比控制特性和恒電勢頻率比控制特性如圖6所示。

（2）基頻以上調速（恒功率調速）。
    有時為了擴大調速范圍，可以使f1>f1e，從而得到n>ne的調速。但是定子電壓V1卻不能增加得比額定電壓V1e還要大，最多只能保持V1=V1e由式ρm =C1(V1e/f1e)可知，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。弱磁后額定電流時的轉矩減小，特性也變軟。則可得到近似恒功率的調速特性如圖7中fe=50HZ以上的特性。

    把基頻以下調速和基頻以上調速兩種情況結合起來，可得圖8所示的異步電動機變頻調速控制特性和圖7所示的異步電動機變頻調速的機械特性。如果電動機在不同轉速下都不超過額定電流，則電機都在溫升允許條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下屬于“恒轉矩調速”，而在基頻以上，基本上屬于“恒功功率調速”。

    由于轉爐傾動和氧槍升降屬重起動或滿載起動負載，故要求電動機在起動時要有足夠大的起動轉矩和足夠大的過載能力。通過以上分析可知，采用恒磁通變頻調速，在低頻時（低速時）可通過人為地提高電壓來保證電機具有最大恒轉矩調速特性，因而可以滿足重載起動負載要求。另外由于氧槍和轉爐傾動均能負載，故有發電制動工作狀態。而變頻器可通過另加一反向逆變橋或加一“過壓保護放電阻”提供這種“回饋”通路。從上述分析還可看出，變頻調速可得幾乎與直流電機調速相同“硬度”的機械特性。因而可以說，這種變頻調速傳動系統完全具備了用于轉爐傾動和氧槍升降這種位能負載上的可能性。

四、承鋼20噸轉爐傾動和氧槍升降應用變頻調速技術情況介紹

1.電動機的選擇
（1）工藝要求。
轉爐最大傾動力矩：Mmax =85tf·m
轉爐傾動速度：0.1~1r/min
減速比：1：802.3
氧槍重量：W=4.8t (有一動滑輪)
卷揚速度：高速40m/min；低速3.5m/min
卷筒直徑：D=500mm
減速比：1：19.24

（2）電動機的選用。
    轉爐傾動原來采用四臺2kW，ne=650r/min直流電機傳動，考慮到原設備四點嚙合，故仍選用四臺交流電動機集中傳動。每座轉爐有兩根氧槍（分為左右槍），原來各由一臺22kW，ne=650r/min直流電動機單獨傳動，此次仍保留單獨傳動方式，即兩臺交流電動機分別驅動左右氧槍。其主回路如圖9所示。

    主電動機均選用YZ225M1 8型，22kW、AC380V、730r/min。每座轉爐各用六臺，其中傾動用四臺，氧槍用兩臺。由于YZ系列電機短期采購有困難，故先采用Y225M 8同容量電機（盡管過載能力小些）在3號轉爐上試用。

1）電動機轉矩計算。
額定轉矩：Me=9550Pe/ ne=9550*22/730=287.38(N·m)=29.37(kgf·m)
最大轉矩：Mmax/ Me=2.0(Y225M-8 電機）
Mmax =2 Me=2*29.37=58.74(kgf·m)
（a）由于轉爐傾動用四臺電機，故合轉矩為
4 Me=4*29.37=117.4694(kgf·m)
傳遞到爐子軸上的額定轉矩為
17.4694*802.3=94246.362(kgf·m)＞85 tf·m
即電機額定轉矩大于轉矩最大傾動力矩。
若考慮電動機的過載能力，
對Y系列電機：入= Mmax/ Me≈2.0，則最大轉矩為2*94.25=188.5 tf·m
對YZ系列電機：入= Mmax/ Me=(2.2~2.8),則最大轉矩將更大。
（b）氧槍電機傳遞到卷筒上的額定轉矩為
29.37*19.24=0.565( tf·m)
略小于氧槍負載轉矩0.6t·m，但考慮到電動機的最大轉矩為
2*29.37*19.24=1.13 tf·m
遠大于氧槍負載0.6t·m，故仍采用22kW電機試驗。
2）極數選擇。
由于原直流機的ne=650r/min，故選用8極交流電機，盡管額定轉速稍高一些（730r/min)。但若選用10極電機，其同步轉速僅為600r/min，要提高轉速必須提高頻率（50Hz以上），這樣，特性將會變為恒功率，這不適用于此種負載。

（3）變頻器的選用及其工作原理。

    對于爐子傾動這種負載，變頻器選用的最重要原則之一是：所選變頻器必須具有在滿載或過載時輸出轉矩恒定的功能，也就是要用具有轉矩限定的無跳閘變頻器。另外要具有再生發電制動功能。還要注意到普通電機長期工作于低頻狀態時電機發熱現象（因低頻時電機風扇通風能力降低所致）?；谏鲜隹紤]，我們選用了FUJI FRENIC5000G7型變頻器。
     爐子傾動電機總容量為4*22=88kW，故選用FREN110G7 4型、400V系列變頻器。另配制動單元和制動電阻以及繼電單元。

    氧槍升降電機容量為22kW,故選用FRN30G7-4型、400V系列變頻器。另配制動單元和制動電阻及繼電單元。

    該型號變頻器是全數字大功率晶體管（GTR）變頻器。它具有兩個別16位CPU，通過它們可實現轉矩限定、轉差補償控制、瞬時電源故障后的平穩恢復以及自動加/減速控制，并具有低噪音、高可靠保護和錯誤診斷等功能。

（4）系統的設計特點和安裝調試情況簡介。

1）系統的設計特點及就注意的問題。
·轉爐傾動仍采用三地可選操作（操作室、爐前、爐后），以滿足工藝要求，操作開關仍采用原來的無觸點主令開關，從而可不改變原來的操作習慣。
·無觸點主令開關后加一相敏整流插件，經得到0~10V的模擬量控制電壓。
·變頻器的頻率控制信號為0~±10V模擬量電壓信號的極性來改變電動機的正反運行方向。
·變頻器的運行命令需在主電源接通幾秒后方能接通，否則，若在主電源接通前該命令已接通，逆變器將診斷為故障，不工作。即FWD或REV與CM端子之間的接通應在主電源接通幾秒后才能接通。

·該變頻器設有的0.5~5Hz 起動頻率可維持0~10秒。5Hz以下由于諧波分量相對較大，會造成起動轉矩減小，故不易使用。

·為確保電機起動時有足夠大的起動轉矩來確保重載起動的安全性，利用其頻率水平檢測信號端子FDT打開抱閘。即FDT和CME端子的輸出信號控制繼電單元，利用繼電單元的動合點去控制抱閘接觸器線卷（FDT和CME是無源點，當變頻器輸出頻率超過設定的檢測水平時，此信號有，否則無）。

·制動單元和變頻器之間的連線需注意不能接反極性和線號，否則制動單元將不能正常工作或不起制動作用。

·輔助控制電源R。、T。端子應從主電源接觸器電源側引接，以確保在變頻器故障跳閘或人為停運時，變頻器能正確顯示故障類型。

·除主回路和輔助控制電源外，變頻器的所有輸入和輸出端子的接線均應采用屏蔽，以解決電磁干擾問題，而屏蔽層一端要做良好接地。

·標有E（G），END的端子均應單獨良好接地，不要跨接。
·將主令開關零位時的閉點接到變頻器的滑行停止信號端子BX和CM端子上，從而使變頻器的主令開關回零位時或在零位時立即封鎖無輸出。
2）安裝調試情況。
變頻器運行期間，其環境溫度應在-10~+50°C之內。垂直安裝時，振動要低于0.5G。周圍應無腐蝕性氣體。柜內安裝時，應確保柜內溫度不超過50°C。
調試時遇到的主要問題如下：
·設定完有關數據后，起車時抱閘打開，負載有溜車現象，且變頻器經常出現過流封鎖。根據現象判斷是起動轉矩不夠。另外也說明了起動電流大并不等于起轉矩大。解決的方法是提高低頻率時的電壓，從而補償低速時的轉矩。
·開始時以及用RUN和CME端子信號來控制抱閘開合時（即輸出輸出頻率達到5Hz時RUN為通，從而打開抱閘），發生負載下滑溜車現象，后改為用FDT頻率水平檢測信號端子來控制抱閘，提高了低頻時的電壓，使上述問題得以解決。當輸出頻率比設定頻率大時（FDT設定頻率為8Hz），FDT-CME之間為通，可通過繼電單元的動合接點接通抱閘接觸器打開抱閘。利用FDT功能就是讓電動機先堵轉建立起足夠大的電磁轉矩后，抱閘才打開。從而保持在重載起動時的安全，避免了倒鋼或溜車事故的發生。

·3號轉爐調試時，主令開關均在零位（即未加頻率給定信號），但變頻器仍有3~7Hz的變化輸出。也就是說存在干擾輸入信號。檢查后發現0~±10V控制信號和主令二次輸出信號（約48V）在一根電纜里，將它們分開后此現象消失。由此可見，在施工中一定要注意做好屏蔽，強弱信號絕不能混用一根電纜。
·在2號轉爐氧槍試車時，曾發生一加給定，抱閘打開后，逆變器就立即故障封鎖，并顯示“F01 OU”的現象。查表可知是主電路直流過電壓。經分析懷疑是制動單元未投入工作所致。檢查后發現，是THR和CM端子與制動單元及制動電阻的1和2端子連線接反，誤將THR接到制動單元的2端子上（應接制動單元的10端子）所致，將線改接后此現象消失。
·調試中發現，用YZR繞線電機換Y系列鼠籠形電機，并將轉子直接短接后使用，亦能滿足工藝要求。目前均應用YZR繞線電機。
·在3號轉爐調試中，開始未加主令開關零位封鎖逆變器功能時發現，當主令開關回零后，抱閘合上，但電機有較大響聲。分析認為，當主令開關回零后，變頻器不是立即無輸出，而是按照預先設定好的減速曲線逐漸降到零輸出，故電機有響聲。后來加上主令開關零位封鎖后，此現象消失。
·由于3號轉爐由于事故停產，爐內有26噸鐵水，已在爐底凝成大塊。因此負載的最大力矩遠大于設計的最在傾動力矩（85 tf·m），初步估算約為150 tf·m，而交流調速裝置仍能拖動轉爐傾動，可見恒轉矩變頻器能將交流電機的過載能力充分發揮出來。

五、有待解決的問題

（1）由于時間太匆忙，未選用接地錯誤檢測單元，而煉鋼生產現場環境又比較惡劣，因此經常發生電機主電源電纜接地故障。對接地故障而言，若無檢測單元，變頻器將無保護功能，因此應及時完善功能。
（2）目前由于尚沒有PLC，當發生三地操作，主令只要有一個不在零位，而又恰需選擇該主令操作時，相當于人為加上頻率給定信號，因此將發生“自動”開車現象，十分危險。當然用繼電器亦可實現，但較復雜，因此應用早用PLC。
（3）目前三座轉爐均應用YZR繞線電機，應盡早更換YZ鼠籠電機。
在承鋼20噸轉爐傾動和氧槍升降上應用變頻器的實踐表明：
（1）具有最大轉矩限定的無跳閘變頻調速裝置完全適用于轉爐傾動和氧槍升降這樣的位能負載，且適用于沖擊性負載。
（2）交流變頻調速具有可與直流調速系統相媲美的調速特性，盡管我們所使用的FUJI G7交流調速裝置是開環控制，但它的功能相當于原來的雙閉環直流系統。
（3）由于計算機的應用和大量應用軟件的開發，以及電力電子器件的發展，使靜止變頻體積很少。因此目前的1面柜相當于原來直流系統14面柜的功能，從而使施工量大大減小，占地面積大大減小。
（4）調試周期大大縮短，每個系統僅需兩個小時即可，而原來系統的調試，約需兩三個月。
（5）由于元器件大大減小，故障率將大大降低。預計熱停工時間將減小50%以上。相應的維護費用亦將有較大降低（原來每年維護費用約為18萬元）。
（6）我們使用的G7型變頻器保護功能十分靈敏可靠。而且在某種意義上具有允許“誤操作”功能。比如，若將主令開關從零位迅速推到正最大給定位置（或負最大給定）或從正最大給定位置迅速推到負最大給定位置，若你的加/減速的速度比設定的快，變頻器將不跟隨你的命令，而是按照現場調試時已設定好的加/減速曲線自動進行加/減速。若速度比設定的慢，變頻器將執行你的命令。這就是允許“誤操作”的含義。