摘 要 ：文章主要介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，敘述了轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降變頻控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計，投運后，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、效果良好。
1 引言
福建省三鋼（集團）有限責(zé)任公司（以下簡稱三鋼公司）煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝較復(fù)雜，檢測參數(shù)多，設(shè)備動作頻繁。工藝參數(shù)檢測的準確與否，自動控制水平的高低，直接關(guān)系到鋼水質(zhì)量與產(chǎn)量的高低。為此，必須有一套檢測準確及時，自動控制水平較高的控制系統(tǒng)，才能穩(wěn)定生產(chǎn)，滿足企業(yè)生存與發(fā)展的需求。
2 轉(zhuǎn)爐傾動的負載特點
煉鋼就是把從高爐出來的鐵水和廢鋼裝入煉鋼爐內(nèi)，通過氧化脫碳及造渣過程，降低有害元素，除去爐氣及爐渣，冶煉出符合要求的鋼水來。
目前煉鋼的方法主要有三種，即平爐煉鋼法、轉(zhuǎn)爐煉鋼法、電爐煉鋼法。大部分采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼。其優(yōu)越性是有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。
2.1 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要設(shè)備有
（1）原料供應(yīng)設(shè)備：包括鐵水廢鋼、散狀材料及鐵合金等的供應(yīng)；
（2）轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備：它由爐體、爐體支承裝置和爐體傾動的電力拖動控制系統(tǒng)等組成；
（3）吹氧裝置：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼時，用氧量大，要求供氧及時，氧壓穩(wěn)定，安全可靠，因此必須有一套完善的設(shè)備來保證向轉(zhuǎn)爐供氧；
（4）煙氣凈化處理設(shè)備；
（5）爐渣處理設(shè)備，爐外精煉設(shè)備，鑄錠設(shè)備。
根據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)爐傾動角度為正負360°。轉(zhuǎn)爐的爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重，按正力矩設(shè)計。因此，當轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時，依靠爐體本身的正力矩來確保爐口向上，不發(fā)生倒鋼事故。
在轉(zhuǎn)爐正常工作時，如果需要傾倒鋼水，就由電動機輸出正力矩，帶動轉(zhuǎn)爐緩慢傾動。倒完鋼水后，需要緩慢的把爐體回歸正位，這時，就需要把轉(zhuǎn)爐的勢能回饋系統(tǒng)，電動機工作在回饋狀態(tài)。
2.2 轉(zhuǎn)爐對傳動系統(tǒng)的要求
由于轉(zhuǎn)爐的工藝和傳動技術(shù)特點，因此轉(zhuǎn)爐對傳動系統(tǒng)有很高的要求：
（1）機械傾動轉(zhuǎn)爐能連續(xù)回轉(zhuǎn)360°，并且能準確停止在任意位置上，還應(yīng)根據(jù)工藝要求具有調(diào)速性能。其傾動位置能與氧槍、盛鋼桶車及煙罩等相關(guān)設(shè)備有一定的連鎖要求；
（2）在運轉(zhuǎn)過程中，必須有最大的安全可靠性，在電氣或機械中某一部分發(fā)生故障時，傾動機械應(yīng)有能力繼續(xù)進行短時間運轉(zhuǎn)、維持到煉鋼一爐結(jié)束，即使傾動機械發(fā)生無法控制事故時，爐子也不會自動傾翻發(fā)生“倒鋼”事故；
（3）傾動機械應(yīng)有良好的柔性性能，以緩沖沖擊負荷和由啟動、制動產(chǎn)生的扭振。
轉(zhuǎn)爐煉鋼的另外一個關(guān)鍵設(shè)備是氧槍。圖1是氧槍的系統(tǒng)示意圖。
圖1 氧槍系統(tǒng)示意圖
氧槍是典型的位能式負載，只要抱閘裝置一打開，氧槍電機就馬上有100%的負載，氧槍提升時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩。電動機工作在電動狀態(tài)。氧槍下降時，負載力矩拉著電機轉(zhuǎn)。電動機工作在回饋制動狀態(tài)。同傾動控制系統(tǒng)類似，氧槍傳動控制系統(tǒng)也必須與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作，防止“溜車”現(xiàn)象，而且也有足夠的啟動力矩和過載能力。并且速度可調(diào)節(jié)。
轉(zhuǎn)爐一般配有兩套氧槍，一套工作，另一套備用或檢修。
3 變頻器在三鋼公司煉鋼廠轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的配置
根據(jù)轉(zhuǎn)爐的傾動和氧槍控制系統(tǒng)的特點，選用了ABB公司的ACS800系列DTC變頻器。
3.1 ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點
ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點如下，它特別適用于此處轉(zhuǎn)爐控制：
ABB ACS800系列變頻器將DTC技術(shù)和模糊控制理論合二為一，構(gòu)成高性能、低成本的變頻器調(diào)速產(chǎn)品，并且性能大大優(yōu)于矢量控制變頻器。
在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號處理器與先進的電機軟件模型相結(jié)合使電機的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味者其傳動系統(tǒng)可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DTC中不需要對電壓、頻率分別控制的PWM調(diào)制器。因此沒有固定的斬波頻率，在實際運行中，不會產(chǎn)生其它變頻器驅(qū)動電機時所發(fā)出的那種高頻噪聲，同時也降低了變頻器本身的功耗。
標準內(nèi)置的交流電抗器明顯地降低了進線電源的高次諧波含量，大大降低了變頻器的電磁輻射，同時保護整流二極管和濾波電容器免受電壓、電流的沖擊。
零速滿轉(zhuǎn)矩：由ACS800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉(zhuǎn)矩，并且不需要光碼盤或測速電機的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現(xiàn)滿力矩輸出。
DTC提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉(zhuǎn)矩。最大起動轉(zhuǎn)矩能達到200%的電機額定轉(zhuǎn)矩。
自動起動：ACS800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。因為ACS800能在幾毫秒內(nèi)測出電機的狀態(tài)，任何的條件下都可在0.48s內(nèi)迅速起動。而矢量控制變頻器則需大于是2.2s。
在磁通優(yōu)化模式下，電機磁通被自動地適應(yīng)于負載以提高效率，同時降低電機的噪音。這得益于磁通優(yōu)化，基于不同的負載，變頻器和電機的總效率可提高1%-10%。
精確的速度控制：ACS800的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開環(huán)應(yīng)用時為0.3%s，在閉環(huán)應(yīng)用時為0.1%s。而矢量控制變頻器在開環(huán)時大于0.8%s，閉環(huán)時為0.3%s。ACS800變頻器的靜態(tài)精度為0.01%。
精確轉(zhuǎn)矩控制：動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間，在開環(huán)應(yīng)用時能達到1-5ms，而矢量控制變頻器在閉環(huán)時需10-20ms，開環(huán)時為100-200ms。
三鋼公司煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐容量為100t，轉(zhuǎn)爐的傾動電機為4臺90kW的變頻電機，氧槍電機為2臺75kW的變頻電機；上位控制系統(tǒng)采用GE的90-70系列PLC。
圖2 跟隨主機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的主/從控制示意圖
3.2 傾動和氧槍的控制情況
（1）傾動控制
通常，轉(zhuǎn)爐的傾動由3-4臺電機完成，所以為了系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定的工作，這幾臺電機就必須要進行負荷平衡，也就是所有的電機出力是一樣的。
由于這4臺電機是剛性連接，所以要求所有電機的速度要絕對同步，因此4臺電機的傳動采用主/從控制，4臺變頻器之間用光纖進行連接。所以，在系統(tǒng)配置中，將一臺變頻器作為主機，由它進行速度調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩給定，其它變頻器作為從機，跟隨主機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，如圖2所示。同常規(guī)的控制方式相比，這種使用將系統(tǒng)的性能提高到了一個新高度。徹底解決由于電機運行中的不同步而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐“點頭“和”搖頭“的現(xiàn)象。
4臺變頻器可以在主/從之間切換，但是同時只能有一臺主機，另外三臺為從機，主機采用速度控制方式、從機采用轉(zhuǎn)矩控制方式，主機給從機發(fā)出控制命令，從機接受主機發(fā)出的啟動、停止指令及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值進行動作。
當某臺從機出現(xiàn)故障時，并不影響主機和其它從機的通訊和動作，所以可以繼續(xù)運行，等到適當時候進行檢修；當主機出現(xiàn)故障時，從機由于接受不到主機的信號而停機并報故障，此時將其中一臺從機切換為主機，故障主機切換為從機，切換完成后，主機發(fā)出復(fù)位命令將信號同步后，從機故障信號消失，當系統(tǒng)正常后，繼續(xù)運行，等到適當時候?qū)收显O(shè)備進行檢修。
當主機正常而3臺從機同時報故障時，說明通訊出現(xiàn)了問題，為了不影響生產(chǎn)的正常進行，此時將所有從機切換為主機，即4臺變頻器同時進行速度控制，當檢修條件具備時應(yīng)立即檢查通訊問題。
需要注意的是當檢修變頻器的時候，如果此時需要其它變頻器繼續(xù)運行，由于變頻器斷電后，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)斷開，所以其它變頻器不能進行主/從控制，應(yīng)全部切換為主機才能繼續(xù)運行。等檢修完后，再切換為主/從控制方式。
如果進行正常的主/從切換，從機會由于暫時得不到主機信號報故障，當主機/從機切換完成后，給主機發(fā)出復(fù)位指令后，可以消除所有報警信號。
由于轉(zhuǎn)爐屬于高啟動轉(zhuǎn)矩的負載，因此啟動方式為預(yù)加恒定勵磁的高轉(zhuǎn)矩啟動方式，停止方式為斜坡停車方式，采用制動斬波器和制動電阻將回饋的能量進行吸收。
為了準確與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作，當變頻器的速度達到絕對零速后，由變頻器輸出指令來控制抱閘裝置，通過中間繼電器來帶動抱閘接觸器，然后變頻器停止勵磁，這樣可以保證傾動裝置不會出現(xiàn)“溜車”現(xiàn)象。
（2）氧槍控制
氧槍控制的關(guān)鍵是在抱閘一打開后，電機就要有100%的負載，為此，傳動裝置必須在零速下輸出至少150%的力矩，以防止氧槍“溜車”。
ABB變頻器的DTC控制方式可以在零速下提供高達200%的輸出力矩，其專用的提升軟件，具有轉(zhuǎn)矩記憶功能，將氧槍所需的啟動轉(zhuǎn)矩記憶下來，一旦系統(tǒng)啟動，就輸出所需的力矩，保證氧槍的平穩(wěn)運行。
ABB提升軟件所具有的抱閘聯(lián)鎖控制功能更加保證了系統(tǒng)的安全運行。
圖3所示的是變頻起停的時序圖。
圖3 變頻起停的時序圖
4 結(jié)束語
三鋼公司煉鋼廠轉(zhuǎn)爐變頻控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，投運后運行正常，應(yīng)用效果良好。
