变频器调速技术在炼钢厂120T转炉倾动、氧枪
    系统的自动控制应用
   
    李德平
   
    酒泉钢铁集团有限责任公司碳钢薄板厂,甘肃嘉峪关735100.
    摘 要：变频器，自动化控制技术。
    关键词：变频器
    1．前言
    酒钢碳钢薄板厂炼钢工序有3座120t顶底复吹转炉，转炉氧枪和转炉倾动采用矢量控制变频器， 以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 1#转炉已经于2005年4月份投产，2#和3#转炉将于2006年初投产，三座转炉的倾动和氧枪系统均采用罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构–ControlNet，基于磁场定向矢量控制（Field-oriented Control）技术的1336 Force交流变频器，实现转炉倾动和氧枪系统的自动控制，其自诊断和保护功能可靠，降低了设备故障停机时间，大大提高了生产效率。
    2.炼钢厂转炉传动系统概述
    转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，其炉体外形如下图所示。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及氧枪传动的电力控制设备。
    2.1转炉倾动的电力传动设备
    在酒钢碳钢薄板厂120T转炉系统中，炉体倾动部分采用四台倾动电机，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1所示。标准术语是：全悬挂四点啮合柔性传动方式。
   
    2.2 转炉倾动工作方式及控制要求
    在转炉的冶炼过程中，倾动电机的具有如下特点：
    • 转炉倾动装置由四台倾动电机同时驱动，四台电动机同步启动，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。
    • 转炉倾动速度可以在0.12～1.0rpm之间进行倾动速度调节，转炉倾动角度范围0～±360°
    • 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可低速运行，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，传动装置需要解决能量回馈问题。
    • 倾动控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防止“溜车”现象的发生。
    • 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。
    2.3 氧枪传动的电力控制设备
    炼钢厂转炉的另一个关键设备是氧枪。图2是氧枪传动系统示意图。
   
   
   
    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，防止发生“坠枪”事故。
    2.4 氧枪工作方式及控制要求
    氧枪传动系统具有如下特点：
    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。
    酒钢碳钢薄板厂每台转炉配有两套氧枪，两台氧枪升降设备，一台工作，一台在待机位用于维修或备用；氧枪的升降速度可无级调节。
    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。
    3．转炉倾动负载和氧枪升降负载特性及电动机运转状态分析
    3.1酒钢集团120T转炉工艺参数及传动系统配置：
    根据酒钢泉钢铁（集团）有限责任公司“十五”发展规划，新建了200万吨热轧薄板工程，炼钢厂120T转炉工程2005年4月陆续投产，传动部分采用了罗克韦尔自动化公司性能卓越的1336 Force交流变频器，该转炉传动变频控制系统自动化控制在国内达到了领先水平，其传动部分的主要工艺参数如下：
    转炉公称容量：120吨；
    工作倾动力矩：240吨.米；
    过载倾动力矩：660吨.米；
    倾动速度：0.12-1.0r/min；
    倾动角度：+/-360；
    过载能力：起动力矩（低频1HZ）：1.5倍额定力矩（20秒）；
    过载力矩（最低速）：1.8倍额定力矩（20 秒）；
    倾动速度：0.12～1.0转/min；
    设计最大倾动力矩为240吨.米；
    过载倾动力矩：660吨.米；倾动电机：YTSZ315S-10/110KW/230A
    氧枪吹氧时间：14～16min/炉；
    提升速度：快速40m/min，慢速5m/min
    氧枪电机：YTSZ315S-4/132KW/240A
    氧枪制动器：制动器：YWZ4-500/121，4台；
    额定功率/电压：0.33KW/AC380V；制动力矩：2500Nm；
    根据以上参数和转炉传动系统的工作方式及控制要求，罗克韦尔自动化公司开发出高性能的1336 Force系列转炉传动变频控制系统，并在酒钢集团120T转炉工程中得以应用。系统硬件具体配置如下：
    倾动变频器：1336T-B250-AA-GT3EN 四台（含制动组件）
    氧枪变频器：1336T-B250-AA-GT3EN 两台（含制动组件）
    光纤适配器：1336T-GT3EN 六块
    通信光缆：1786-SF10 六根
    短距离光纤模块：1786-RPFS 四块
    通讯适配器：1786-RPA/B 1块
    变频装置同步通讯板：1336T-D2DIS 四块
    光栅编码器：30-3641IA-1024 六只
    后台控制系统：Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix
    ControlNet系列转炉传动变频控制系统在传动部分采用1336 Force系列变频器作为核心部件。在转炉倾动部分配置四台变频器，采用“一拖一”驱动方式，四台变频器之间采用光纤构成通信环网；氧枪部分同样采用“一拖一”方式驱动，并配置光栅编码器；外围控制系统采用AB ControlLogix系列PLC，并配套1336 Force系列变频器专用的PLC处理器、I/O等通信程序和工艺控制程序，结果证明1336 Force系列转炉传动变频控制系统可以非常完美地完成转炉驱动的各种工艺要求：在倾动电机速度同步、负荷平均分配和氧枪电机零速满转矩、报闸控制、抗过载能力等诸多方面均表现完美。
    3.2 转炉倾动部分变频控制系统性能说明
    1336 Force系列转炉传动变频控制系统中，最为成功之处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。
    而在 1336 Force系列转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以速度/力矩工作方式工作，主变频器速度由上位机PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过光纤环网向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，从机通过DtoD通讯与主传动连接，实现转矩跟随，由主从切换功能自动实现与主传动的速度/力矩跟踪和力矩准确分配，直接用软件实现了多电机传动中速度同步和力矩分配。系统正常运行时，上位PLC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PLC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。1336 Force变频器的这种主从转矩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。1336 Force变频器转距跟随特性及主变频从一台变频器切换到另外一台变频器的情况下，主从应用的速度环和力矩环仍然是在变频器内部实现的，具有极快的响应速度和控制精度。而其它品牌的变频器在主从应用时，为了实现主机从一台变频器到另一台变频器的切换，必须把速度环放在变频器外部，例如在PLC中实现速度环，这样，速度环的响应速度和控制精度就大打折扣，会引起速度不稳、溜车等一系列问题。尤其是在炼钢过程中操作转炉倾动时，例如在炼钢工人需要采样钢水样品时，负载力矩的突然变化，要求速度环尽快响应，但以PLC实现的速度环可能来不及响应，出现溜车。
    3.3 转炉氧枪部分变频控制系统特性说明
    在氧枪部分的变频控制系统中，最为关键的一点是变频器需要具有非常的的起动转矩，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100%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120% 。而1336 Force系列变频器所独有的Force控制技术，为氧枪电机提供了良好的动态特性和负载力矩响应能力，超过200%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1336Force系列转炉传动变频控制系统中，充分利用了Force变频参数及应用程序，并结合PLC编制了一套抱闸逻辑控制程序，成功实现了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，大大提高了系统应用的可靠性。
    3.4 氧枪电动机运转特性分析：
    氧枪电机机械特性和负载特性示图 2 。氧枪提升时，电动机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。
   
   
    3.5 转炉倾动负载特性及电动机运转特性分析：
    转炉倾动方式为全悬挂四点啮合柔性传动，原设计最大倾动力矩为240吨.米，过载倾动力矩：660吨.米，倾动速度：0.12-1.0r/min ，倾动角度为正反 360 °，减速比为 1 ： 802.3 。 根据工艺要求，转炉的倾动角度为正反 360 °。转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态。故炉子倾动负载力矩为角度的函数 M fz =f( θ ) ，属于反阴性的位能负载。 另外，据工艺设计说明，该转炉按正力矩设计，即炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重。从而确保转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，能靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于发生倒钢等事故。但当为修炉拆除炉底后能入炉口粘钢渣太多（达到或超过 8 吨）时，炉体可能出现上部较下部重，由于液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态，电动机的机械特性和负载特性如图 3 。
   
   
    4. 酒钢碳钢薄板厂120T转炉变频调速系统的原理及用于转炉倾动和氧枪升降负载的分析
    4.1 变频调速原理及机械特性
    由于异（同）步电动机的同步转速 n1与电源频率成正比，所以改变电源频率就能改变同步转速n1，从而实现调速，这就是变频调速。
    在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量ρm为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持ρm不变是容易做到的。在交流异步电机中，磁能是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢？
    我们知道，异步电动机的电势方程为
    E1=4.44f1W1Kw1ρm
    因为电压 V 1 =E1 +IZ1 ，如果忽略定子压降，则上式可近似表示为 E1=4.44f1W1Kw1ρm≈V1
    所以 ρm =C1V1/f1
    式中， E 1 为定子每相感应电势的有效值， f1为定子频率， W1为定子每相绕组串联匝数， KW1为基波绕组系数，ρm为每极气隙磁通量， C 1 =1/4.44K W1W1 ，是一常数。
    由ρ m 的表达式可见，要保持电机磁通恒定，必须使定子电压随定子频率成正比变化。即：V 1 /f 1 =V’ 1 /f’1 ，这种 V 1 与 f 1 的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制。根据 V 1 /f 1 协调控制的方式不同，可以得到不同的调速成特性。
    （ 1 ）基频以下调速。
    （ a ）恒电压频率比调速。由电动机的电磁转矩公式 M=C m ρ m I’ 2COSρZ 可知， M 与ρ m , I’ 2 成正比，要保持 M 不变，则必须ρ m 不变，即要不 V 1 与 f 1 成正比变化。即
    V 1 /f 1 =V 1e /f 1e =常数
    带下标 e 表示额定频率时的相应数值。
   
   
    这是恒电压频率比的协调控制方式（简称恒压频比），其机械特性曲线簇（以某一台 8 极电机为例）如图 4 所示。由图可见，从同步转速（ M=0 ）到最大转矩（ M max ）的特性可近似看作是线性关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转矩阵 M max 却随 f 1 下降而减少，这是因为 f 1 高时， V 1 和 E 1 数值都较大，定子阻抗压降的比例很小，所以 V 1 ≈ =E 1 ；而 f 1 低时， V 1 和 E 1 数值较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略了。 E 1 与 V 1 相差较大， E 1 小于 V 1 很多，所以ρ m 小很多， M max 就很小。这对于风机水泵类机械负载起动还是合适的。
    （ b ）恒最大转矩调速。用 V 1 /F 1 = 常数协调控制，在低速时最大转矩 M max 减小。降低了起动与过载能力，低速时为了保持 M max 不变，提高起动能力，就必须采用定子电势 / 定子频率 = 常数 的协调控制。如前所述，因为低频时， V 1 和 E 1 都较小，定子阻抗压降的份量就比较显著，不能忽略。这时随转速的降低，定子电压应适当提高，以近似补偿定子阻抗引起的压降，从而保证电机具有恒最大转矩 M max 。这时电机的机械特性如图 5 所示。恒压频比控制特性和恒电势频率比控制特性如图 6 所示。
   
   
    （ 2 ）基频以上调速（恒功率调速）。
    有时为了扩大调速范围，可以使 f 1 >f 1e ，从而得到 n>n e 的调速。但是定子电压 V 1 却不能增加得比额定电压 V 1e 还要大，最多只能保持 V 1 =V 1e 由式ρ m =C 1 ( V 1e /f 1e )可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。弱磁后额定电流时的转矩减小，特性也变软。则可得到近似恒功率的调速特性如图 7 中 f e =50H Z 以上的特性。
   
   
    把基频以下调速和基频以上调速两种情况结合起来，可得图 8 所示的异步电动机变频调速控制特性和图 7 所示的异步电动机变频调速的机械特性。如果电动机在不同转速下都不超过额定电流，则电机都在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下属于“恒转矩调速”，而在基频以上，基本上属于“恒功功率调速”。
    由于转炉倾动和氧枪升降属重起动或满载起动负载，故要求电动机在起动时要有足够大的起动转矩和足够大的过载能力。通过以上分析可知，采用恒磁通变频调速，在低频时（低速时）可通过人为地提高电压来保证电机具有最大恒转矩调速特性，因而可以满足重载起动负载要求。另外由于氧枪和转炉倾动均为位能负载，故有发电制动工作状态。而变频器可通过另加一反向逆变桥或加一“过压保护放电阻”提供这种“回馈”通路。 从上述分析还可看出，变频调速可得几乎与直流电机调速相同“硬度”的机械特性。因而可以说，这种变频调速传动系统完全具备了用于转炉倾动和氧枪升降这种位能负载上的可能性。在本项目中使用的A-B 1336FORCE变频器采用FORCE磁场定向控制专利技术，能够获得交流电动机速度和转矩的卓越控制性能。FORCE技术是使交流电动机真正获得“类似直流调速”性能的世界最先进的变频技术。
    4.2 酒钢碳钢薄板厂120T转炉采用罗克韦尔自动化1336Force变频技术功能概述：
    转炉倾动和氧枪变频系统各变频器的控制分两种方式：
    （1）变频装置的单机调试、检修在人机接口操作面板（HIM）上完成；
    （2）设备联动运行通过PLC系统实现（操作地点：正常生产时在中控室或机旁，联机调试时在变频器柜柜门）。
    在任何一种情况下，均能保证控制方式的唯一性，而且控制方式的切换通过柜门上转换开关、按钮实现，方便、可靠。
    转炉4台倾动电机同时工作，通过4台对应变频器的负荷分配设置，实现4台倾动电机工作时的负荷均匀（各电机的负荷差异<10%）。在特殊情况下，当4台倾动电机及其对应的4台变频器其中任1台或2台出现故障时，通过4台变频器的主/从切换，实现正常工作的电机负荷分配。为扩大调速范围、提高调速精度，各变频器均带编码器反馈。对氧枪的控制，正常情况下，变频器与氧枪电机一一对应。当一只氧枪在换枪位置以下而其对应的变频器故障，通过PLC系统控制接触器的切换，投入另一台变频器，将该氧枪提升至换枪位置并换枪。
    4.3 系统构成描述
    酒钢炼钢转炉工程转炉倾动和氧枪变频系统的变频装置采用美国Rockwell Automation公司1336 Force系列交流变频器，每座转炉独立设置一套变频系统，由6台1336 Force变频器组成。变频器的参数设置、编程通过安装在变频控制柜柜门上的人机接口操作面板HIM完成，也可以通过计算机图形化参数设置、编程及监控软件DriveTools32，通过与变频器通讯下载/上载方便地实现上述功能。转炉倾动变频器通过Drive-to-Drive Link通讯，能以最大500Kbps的速率实现变频器间的通讯，从而满足系统负荷分配和主/从切换的要求。
    每座转炉倾动和氧枪变频变频系统配置了一套相对独立的PLC系统，该PLC采用Rockwell Automation公司ControlLogix控制系统，通过控制总线ControlNet网络接口实现转炉各变频器及PLC间通讯, 同时实现转炉与主PLC系统的通讯。
    4.4 1336 FORCE变频器的参数及设置：
    1、1336 FORCE变频器的参数较多，包含在以下四个文件中：
    1） Startup File
    2） Communications I/O File
    3） Velocity Torque File
    4） Diagnostics File
    每个文件包含若干个参数组，变频器某项功能所需要的参数都在一个组内，这样在完成一种功能设定时不需要改变参数组，但一个参数可以在多个组中。组态参数把源参数（link）和汇参数（sink）链接起来，一个源参数可以链至多个汇参数，反之，一个汇参数只能链至一个源参数。在实际应用中，只有源和汇链接好以后，输入和输出才有意义。主要设置参数为电机铭牌参数，极限参数（包括速度和电流），定标参数，链接参数和通讯口。氧枪和倾动系统参数链关系如下：
   
   
    汇参数（SINK) 源参数(SOURCE)
    P351 P56
    P352 P167
    P353 P52
    P354 P146
    P355 P126 氧枪：减速 倾动
    P356 P338
    P357 P264
    P358 /
   
    汇参数（SINK) 源参数(SOURCE)
    P367 P322
    P101 P323
    / P324
    P387 P325 氧枪：枪位 倾动：角度
    / P326
    P102 P327
    P11 P328 倾动用：主从控
    P12 P329 倾动用：主从控
    D2D通讯
    汇参数（SINK) 源参数(SOURCE)
    P20 P52
    P21 P167
    P355 P22
    P162 P23
   
    4.5．更换同型号电机和反馈类型改变后，需要重新做AUTOTUNE，（自整定）可以继续使用原有其他参数。
    4.6. DriverTools调试软件
    　　1336 Force系列交流变频器可用软件DriverTools进行参数设定。该软件 提供下列参数功能：
    　　* 菜单索引的参数存取
    　　* 参数组读及写
    　　* 将现有的参数组复制到同系列的其它装置上
    　　* 打印参数组
    　　* 过控制字进行操作（开关量命令、如开/关命令）及施加给定值
    　　* 通过状态字进行观察及读出实际值
    　　* 读出故障信号和报警信号
    5． 结论
    　　酒钢碳钢薄板厂炼钢工序转炉倾动氧枪变频自动控制系统自2005年4月投产以来投运以来，运行非常稳定，性能可靠，故障率低，现场操作岗位非常满意，应用证明，罗克韦尔自动化公司Allen-Bradley Logix平台控制系统-ControlLogix，NetLinx网络架构–ControlNet，及基于磁场定向矢量控制（Field-oriented Control）技术的1336 Force交流变频系统非常完美地完成了酒钢集团碳钢薄板厂120T转炉设备的传动任务，该系统具有目前世界最先进的变频技术，有较大的市场推广价值。
    6．参考文献
    （1）中冶赛迪工程技术股份有限公司. 酒泉钢铁(集团)有限责任公司炼钢转炉工程技术附件
    2004.6.8.