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转炉倾动过程中的变频控制 |
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转炉倾动过程中的变频控制
摘要
在钢铁企业的冶炼生产中，变频器在我们的电气自动化系统里面处于非常重要的组成部分。变频技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。随着科学技术和控制理论的发展，变频驱动控制技术也得到了显著发展。
本文主要介绍了变频器的相关知识，还根据现场的实际应用讲述了精炼转炉的变频控制的电机速度控制以及速度闭环和通讯控制方式等内容。
通过变频器在转炉倾动的应用的学习将有利于提高此类设备在生产过程中的维护、检修的效率和质量。
关键词: 变频器 精炼转炉 速度闭环 通讯
一 变频控制技术的发展历史和优势
交流电动机拖动诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长的时期内，交流电动机一直采用不变速的拖动。随着科学技术和控制理论的发展，变频控制的交流电动机得到了极大的发展。其变频控制性能不断得到提高，广泛应用于现代工农业生产中。
变频调速控制技术是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点：
(1)节能；(2)容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制；(3)容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可用适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制；(4)电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。
二 变频器的基本结构及工作原理
2.1 变频器的基本构成及作用
变频器基本由整流电路、直流中间电路、逆变电路、控制电路四部分组成。
输入 输出
变频器的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压（电流）转换为具有所需频率的交流电压（电流）。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极基极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，也是变频器的核心部分。
2.2 变频器的工作原理
变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。
变频器的工作原理可以分为V/ƒ控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。
V/ƒ控制变频器：V/ƒ控制是一种比较简单的控制方式。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/ƒ（电压和频率的比）的值保持一定而得到所需的转矩特性。
转差频率控制方式是对V/ƒ控制的一种改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。
矢量控制的基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流）并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式被称为矢量控制方式。
随着变频技术的日益向前发展，矢量控制的变频器得到了极大的发展，并且广泛应用于企业的生产当中。
三 转炉倾动中的变频控制
精炼转炉是炼钢冶炼工艺的重要环节，转炉的倾动控制是转炉系统控制的核心，是关系产品质量和生产安全的关键环节。炼钢工序的转炉全悬挂在拖圈驱动侧耳轴上，采用双电机驱动，每一台电机分别通过一套变频器来进行控制。在正常的生产和冶炼过程中，主要采用双变频双电机运行，而在事故情况下，满足单变频单电机的运行功能。每一台电机都是通过VVVF变频器进行控制。每一个VVVF控制安装有一个内部的电流调节环和外部的速度调节器。在正常情况下两台电机的操作仅有一个速度调节是主调节，第二个为从属。驱动1被选择为默认的主调节器，一旦出现故障驱动2调节器将变成主调节器。
为了满足生产冶炼的需要，转炉可以进行360度的旋转倾动，它在冶炼模式下的控制位置主要有：
1）加料位置。转炉的加料位置也就是向转炉内注入铁水或废钢的位置。目前使用控制位置在40度-50度之间，在这个阶段的倾动可以是手动方式，也即是操作人员可以根据铁水包或废钢斗的位置进行手动倾动到合适的兑铁或兑料的位置。
2）手动测温取样位置。在操作人员兑完铁水后，操作人员通过手动倾动到78度－85度之间，进行测温取样工作。
3）吹炼位置。转炉的吹炼位置为定位吹炼，也就是在一个角度位置进行冶炼。目前使用的位置为356度。到吹炼位置的倾动过程采用的是自动倾动方式，即是通过程序上的设定，让转炉自动倾动到我们需要的356度位置。
4）冶炼后的倒炉倾动。冶炼中和冶炼后的倒炉操作主要有：冶炼中的测温取样、冶炼中的倒渣、出钢操作。在此过程中转炉倾动的范围为356度－78度，也即是转炉将在自动模式的状态下自动从冶炼位置倾动倒78度位置。
3.1变频控制下的电机速度计算：
3.1.1 自动控制模式下的转炉速度控制：
炼钢工序转炉自动控制区域仅在2个区间，第一个区间设为A区间即：从冶炼位置倒炉到80度停止的区间。此方向为顺时针方向，因而其速度给定值为负值。根据和编码器值的配合，设定转炉停止的位置为79.8到80.2之间。也就是当转炉角度倾动到这个区域内将停止下来。假设转炉倾动角度设为θ，那么它在A区间内的速度控制大小就有以下几个范围。
当｜θ-80｜>20时，给定变频器频率值为－50HZ；
当40<θ<80，再设定一个给频率值为－25HZ;
当5<｜θ-80｜<20时，给定频率值为－10HZ;
当｜θ-80｜<5时，给定频率值为－5HZ；
当｜θ-80｜<2时，给定频率值为－2HZ；
因此可以得出：当炉体运行区间在从356到40度时，转炉全速运行，输出频率为－50HZ；当炉体运行区间在从40到60度时，转炉半速运行，输出频率为－25HZ；当炉体运行区间在从60到75度时，转炉运行频率为－10HZ；当炉体运行区间在从75到78度时，转炉运行频率为－5HZ；当转炉运行区间在从78到80度时，转炉输出频率为－2HZ。
第二区间设为B区间，即控制范围为从80度到356度（或称为－3.5度），此方向为逆时针，给定速度值为正。根据和编码器值的配合，设定转炉停止的位置为－3.3到－3.7之间。也就是当转炉角度倾动到这个区域内将停止下来。假设转炉倾动角度设为θ，那么它在B区间内的速度控制大小就有以下几个范围。
当｜θ-（-3.5）｜>20时，给定变频器频率值为50HZ；
当5<｜θ-（-3.5）｜<20时，给定频率值为10HZ;
当｜θ-（-3.5）｜<5时，给定频率值为5HZ;
当｜θ-（-3.5）｜<2时，给定频率值为2HZ;
因此可以得出：当炉体运行区间在从80到16.5度时，转炉全速运行，输出频率为50HZ；当炉体运行区间在从16.5到1.5度时，转炉运行频率为10HZ；当炉体运行区间在从1.5到-1.5度时，转炉运行频率为5HZ；当转炉运行区间在从-1.5到-3.5度时，转炉输出频率为2HZ。
根据以上角度控制，我们可以看出，随着角度越接近80或-3.5（356）度，变频器的控制频率越小，从而电机转速越小，越能够控制下来。
3.1.2 手动控制模式
转炉手动模式主要用来提供转炉在非自动模式下的转炉操作，它的使用权限高于自动模式，也即是手动操作模式可以在自动倾动状态下进行干预，这样当发生转炉发生紧急事故时，操作人员可以快速操作转炉到所需要的位置。
转炉手动操作来自于现场的操作手柄，所采集的信号为4～20mA的模拟量值。由于转炉倾动时需要的值为频率值（-50HZ到50HZ之间），因此在采集数据后需要设定控制范围对应值，即STEP7里的SCALE程序。SCALE程序的使用目的就是要将现场检测来的模拟量值转化为线性数据值。
转炉手动倾动时的SCALE程序如下：
假设现场操作手柄采集的模拟量值为a,由于操作手柄有2个操作方向，对应一个方向而言，设定最大输出值为#HLM，最小为#LLM， SCALE程序输出值为#V，设定#HLM和#LLM的意图只是用来表示，如果计算出来的值大于#HLM，则输出值#V采用#HLM的值输出；同样，如果计算出来的值小于#LLM，则输出值#V采用#LLM的值输出。SCALE程序的计算公式：
#V=[a×#HLM+(27648-#LLM) ×#LLM]÷27648
因此，无论检测的模拟量值为多少，它对应的线性值如下图示：
从上图可以得知：
以转炉手动倾动为例，设定#HLM=50，#LLM=0，如果计算出来的值大于50，则输出值#V采用50的值输出；同样，如果计算出来的值小于0，则输出值#V采用0的值输出。因此输出值的范围只控制在0～50之间，也即是给定变频器的频率为0Hz～50Hz之间。假设在手动倾动时的模拟量值为922，根据以上公式代入进行计算：
#V=[922×50+（27648-0）×0]÷27648
=（922×50）÷27648
=1.667
能得出此时的运行频率理论为1.667，采用四舍五入的算法，因而此时传送给变频器的速度控制频率值为2HZ。
3.1.3 电机运行的转速计算
转炉倾动电机的额定电流为400A，额定转速为740r/min，也即是在变频输出为50HZ时，在不考虑转差率的情况下，电机的转速n0=60f/p=60×50÷4=750 r/min。相应的在输出25HZ和4HZ时转速将相应的变为60×25÷4＝375r/min和60×4÷4＝60r/min。转炉驱动装置安装有2次减速机，它的装置图如下：
由此齿轮比可以看出，转炉倾动全速时，n＝740/600＝1.23r/min，也即是当电机在全速状态下，电机运行1/1.23＝0.81分钟，转炉炉体将旋转360度。
3.2 转炉倾动的变频控制方式
3.2.1 速度闭环控制
转炉倾动的变频控制采用的是速度闭环控制，也即是在整个转炉的倾动过程中，电机的速度编码器值一直参与了转炉的倾动监控，通过变频器内的速度计算值与实际检测的速度编码器值的比较来控制转炉的倾动运行。其控制图如下：
从上图可以看出，如果速度偏差值#value=｜V1—V2｜÷ V1×100%在可控的1%的范围内，那么转炉将继续按照PLC给定的频率值进行运行，否则将给出报警信息，并且使转炉变频器停机。
3.2.2变频控制的通讯
转炉倾动和主PLC 的通讯采用PROFIBUS-DP通讯方式，PLC可以从变频器上读取状态字以及所需要的数据，同时还可以写入控制字到变频器中。通讯网络图如下所示：
（1）.控制字位，即PLC系统提供给变频器信息的控制信号，有了这些控制字信息，变频器才可以满足启动的需要，具体信息如下：
位0:开/关1命令(“开”)(L“关”)
位1:关机OFF2命令 (L“OFF2”)
位2:关机OFF3命令 (L“OFF3”)(快停)
位3:逆变器使能命令 (H“逆变器使能”)( L“逆变器封锁”)
位4:斜坡函数发生器封锁命令 ( L“RFG封锁”)
位5:斜坡函数发生器保持命令 ( L“RFG封锁”)
位6:设定值使能命令 ( H“设定值使能”)
位7:确认命令 ( “确认”)
位8:点动1开机命令 ( “确认”)
位9： 点动2 开机命令(↑点动2 开)(L 点动2 关)
位10 ：PLC 来的控制命令(H “PLC 来的控制”)
位11： 顺时针旋转磁场命令(H “顺时针旋转磁场”)，即正转速度方向；
位12： 逆时针旋转磁场命令(H “逆时针旋转磁场”)，即反转速度方向；
位13： 电动电位计增加命令(H “电动电位计增加”)
位14： 电动电位计减小命令(H “电动电位计减小”)
位15 ：外部故障1 命令(L “外部故障1” )
位16： 功能数据组FDS 位0 命令
位17： 功能数据组FDS 位1 命令
位18：电机数据组MDS 位0 命令
位19： 电机数据组MDS 位1 命令
位20： 固定设定值FSW 位0(LSB)命令
位21： 固定设定值FSW 位1(MSB)命令
位22： 同步化使能命令(H “同步化使能”)
位23： 捕捉再启动命令使能能(H “捕捉再启动使能”)
位24： 软化/工艺调节器使能命令(H “软化/工艺调节器使能”)
位25： 调节器使能命令(H “调节器使能”)
位26： 外部故障2 命令(L ‘外部故障2“ )
位27： 主主/从传动命令(H 从动)/(L 主动)
位28： 外部报警1 命令(L “外部报警1“ )
位29： 外部报警2 命令(L “外部报警2“ )
位30： 选择BICO 数据组组(H 数据组2 ) / (L 数据组1 )
位31： 主接触器返回信号命令(H “主接触器返回信号”)
（2）.状态字位，即变频器反馈给PLC系统的信息，它将提供给PLC系统警告、报警等信息，具体信息如下：
位0：开机准备信号 (H)
位1：运行准备信号(H)
位2：运行信号(H)
位3：故障信号(H)
位4：关机OFF2 信号(L)
位5：关机OFF3 信号(L)
位6：开机封锁信号(H)
位7：报警信号(H)
位8：设定值值-实际值偏差信号(L)
位9：需要控制PZD 信号(H)
位10： 达到比较频率信号(H)
位11： 低电压故障信号(H)
位12： 主接触器接通信号(H)
位13： 斜坡函数发生器激活信号(H)
位14： 顺时针旋转磁场信号(H)/ 逆时针旋转磁场信号(L)
位15： KIP/FLN 激活信号(H)
位16： 捕捉再启动激活信号(H)
位17： 达到同步信号(H)
位18： 超速信号(L)
位19： 外部故障1 信号(H)
位20： 外部故障2 信号(H)
位21： 外部报警信号(H)
位22： 变频器I2t 报警信号(H)
位23： 变频器的超温故障信号(H)
位24： 变频器超温报警信号(H)
位25： 电机超温报警信号(H)
位26： 电机超温故障信号(H)
位27： 备用
位28： 电机堵转转/失步故障信号(H)
位29： 旁路接触器接通信号(H)
位30： 同步误差报警信号(H)
位31： 激活预充电信号(H)
3.3 转炉倾动变频器的参数设置
炼钢转炉倾动采取双电机双驱动的控制方式，2套变频装置提供驱动，一套变频器控制一台电机。转炉电机（型号为：1LA8-317-8PB90-Z315）的参数如下：
额定功率：200KW
额定电流：400A
额定电压：380V
额定频率：50HZ
电机额定转矩：2580.89Nm
转速：740 r/min
功率因数：0.79
绝缘等级：B3
防护等级：IP55
工作制：S1
电机采用自然冷却的方式，另外附带有电机绕组线圈温度检测和电机速度检测装置。
根据以上电机参数设定变频器的主要参数如下：
P068=0（没有输出滤波器）；
P071=510V（变频器最大输入电压为510V）；
P095=10（异步电机，国际标准IEC）；
P100=4（有测速机的速度n控制），速度闭环控制；
P101=380V（电机铭牌额定电压为380V）；
P102=400V（电机铭牌额定电流为400A）；
P103=45.2%（电机励磁电流，初设参数为0），此值通过计算得出的；
P104=0.79（电机铭牌功率因数为0.79）；
P107=50HZ（电机铭牌额定频率为50HZ）；
P108=740（电机铭牌额定转速为740r/min）；
P109=4（电机极对数），自动计算，其值为3000/740=4；
P113=2580.89（电机铭额定转矩：2580.89Nm）;
P130=11(带脉冲编码器)；
P151=1024（脉冲编码器每转的脉冲数为1024）；
P340=2.5KHZ（脉冲频率KHZ）；
P357=1.2（采样时间ms）;
P380=1（用于输出电机过热警告A023）；
P381=1（用于输出电机过热故障F020）；
P382=0（自风冷）；
P383=0（电机发热时间常数S）；
P384.01=150（电机负载警告限制%）；
P384.02=100（电机负载故障限制%）；
P452=110（电机最大频率或速度%），最大速度为740*110%=750r/min;
P453=-110（电机最大频率或速度%），最大速度为740*110%=750r/min;
P128=690 (最大输出电流A)；
P462=5（从静止加速到参考频率的时间S）；
P464=4（从参考频率减速到静止的时间S）；
结论
变频技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。
变频技术应用到精炼转炉是转炉控制技术的一次大的飞跃，它不但提高了转炉生产的节奏，而且保障了转炉生产的稳定有序，减少了设备事故的发生，增大了转炉冶炼的经济效益。精炼转炉的交流变频调速和计算机数字控制技术的应用使转炉的控制更加简单化，其设备的维护也更加方便。
本论文是根据现场精炼转炉的实际变频控制方式而编写的，现场的实际应用实践表明其变频控制的理论和方式是切实可行的。鉴于时间关系，论文中还存在许多不足之处，如有错误之处，敬请指导老师指正。
参考文献
[1]参考文献1.SIEMENS 矢量控制使用手册
吴忠智.调速用变频器及配套设备选用指南.北京:机械工业出版社，2006
[2]参考文献2.SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制装机装柜型逆变器使用说明书 西门子电气传动有限公司（SEDL） 2006
[3]参考文献3. SIMATIC STEP 7 V5.1 编程使用手册 西门子股份有限公司 1998
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