摘 要 ：文章主要介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，敘述了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降變頻控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)，投運(yùn)后，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、效果良好。
1 引言
福建省三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱三鋼公司）煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝較復(fù)雜，檢測(cè)參數(shù)多，設(shè)備動(dòng)作頻繁。工藝參數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確與否，自動(dòng)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(cè)準(zhǔn)確及時(shí)，自動(dòng)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(dòng)的負(fù)載特點(diǎn)
煉鋼就是把從高爐出來(lái)的鐵水和廢鋼裝入煉鋼爐內(nèi)，通過(guò)氧化脫碳及造渣過(guò)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(lái)。
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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(dòng)的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)等組成；
（3）吹氧裝置：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)，用氧量大，要求供氧及時(shí)，氧壓穩(wěn)定，安全可靠，因此必須有一套完善的設(shè)備來(lái)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(dòng)角度為正負(fù)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(jì)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時(shí)，依靠爐體本身的正力矩來(lái)確保爐口向上，不發(fā)生倒鋼事故。
在轉(zhuǎn)爐正常工作時(shí)，如果需要傾倒鋼水，就由電動(dòng)機(jī)輸出正力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)爐緩慢傾動(dòng)。倒完鋼水后，需要緩慢的把爐體回歸正位，這時(shí)，就需要把轉(zhuǎn)爐的勢(shì)能回饋系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)工作在回饋狀態(tài)。
2.2 轉(zhuǎn)爐對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
由于轉(zhuǎn)爐的工藝和傳動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)，因此轉(zhuǎn)爐對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有很高的要求：
（1）機(jī)械傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐能連續(xù)回轉(zhuǎn)360°，并且能準(zhǔn)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，必須有最大的安全可靠性，在電氣或機(jī)械中某一部分發(fā)生故障時(shí)，傾動(dòng)機(jī)械應(yīng)有能力繼續(xù)進(jìn)行短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)、維持到煉鋼一爐結(jié)束，即使傾動(dòng)機(jī)械發(fā)生無(wú)法控制事故時(shí)，爐子也不會(huì)自動(dòng)傾翻發(fā)生“倒鋼”事故；
（3）傾動(dòng)機(jī)械應(yīng)有良好的柔性性能，以緩沖沖擊負(fù)荷和由啟動(dòng)、制動(dòng)產(chǎn)生的扭振。
轉(zhuǎn)爐煉鋼的另外一個(gè)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(fù)載，只要抱閘裝置一打開，氧槍電機(jī)就馬上有100%的負(fù)載，氧槍提升時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。氧槍下降時(shí)，負(fù)載力矩拉著電機(jī)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)。同傾動(dòng)控制系統(tǒng)類似，氧槍傳動(dòng)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(dòng)力矩和過(guò)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(dòng)和氧槍控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(diǎn)
ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點(diǎn)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(hào)處理器與先進(jìn)的電機(jī)軟件模型相結(jié)合使電機(jī)的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機(jī)狀態(tài)以及實(shí)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(dú)確定的。這意味者其傳動(dòng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DTC中不需要對(duì)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(shí)際運(yùn)行中，不會(huì)產(chǎn)生其它變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)所發(fā)出的那種高頻噪聲，同時(shí)也降低了變頻器本身的功耗。
標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置的交流電抗器明顯地降低了進(jìn)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(shí)保護(hù)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(dòng)的電機(jī)能夠獲得在零速時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并且不需要光碼盤或測(cè)速電機(jī)的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時(shí)實(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩。最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能達(dá)到200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。
自動(dòng)起動(dòng)：ACS800的自動(dòng)起動(dòng)特性超過(guò)一般變頻器的飛升起動(dòng)和積分起動(dòng)的性能。因?yàn)锳CS800能在幾毫秒內(nèi)測(cè)出電機(jī)的狀態(tài)，任何的條件下都可在0.48s內(nèi)迅速起動(dòng)。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(jī)磁通被自動(dòng)地適應(yīng)于負(fù)載以提高效率，同時(shí)降低電機(jī)的噪音。這得益于磁通優(yōu)化，基于不同的負(fù)載，變頻器和電機(jī)的總效率可提高1%-10%。
精確的速度控制：ACS800的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.3%s，在閉環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.1%s。而矢量控制變頻器在開環(huán)時(shí)大于0.8%s，閉環(huán)時(shí)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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間，在開環(huán)應(yīng)用時(shí)能達(dá)到1-5ms，而矢量控制變頻器在閉環(huán)時(shí)需10-20ms，開環(huán)時(shí)為100-200ms。
三鋼公司煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐容量為100t，轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)電機(jī)為4臺(tái)90kW的變頻電機(jī)，氧槍電機(jī)為2臺(tái)75kW的變頻電機(jī)；上位控制系統(tǒng)采用GE的90-70系列PLC。
圖2 跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的主/從控制示意圖
3.2 傾動(dòng)和氧槍的控制情況
（1）傾動(dòng)控制
通常，轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)由3-4臺(tái)電機(jī)完成，所以為了系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定的工作，這幾臺(tái)電機(jī)就必須要進(jìn)行負(fù)荷平衡，也就是所有的電機(jī)出力是一樣的。
由于這4臺(tái)電機(jī)是剛性連接，所以要求所有電機(jī)的速度要絕對(duì)同步，因此4臺(tái)電機(jī)的傳動(dòng)采用主/從控制，4臺(tái)變頻器之間用光纖進(jìn)行連接。所以，在系統(tǒng)配置中，將一臺(tái)變頻器作為主機(jī)，由它進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩給定，其它變頻器作為從機(jī)，跟隨主機(jī)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(gè)新高度。徹底解決由于電機(jī)運(yùn)行中的不同步而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐“點(diǎn)頭“和”搖頭“的現(xiàn)象。
4臺(tái)變頻器可以在主/從之間切換，但是同時(shí)只能有一臺(tái)主機(jī)，另外三臺(tái)為從機(jī)，主機(jī)采用速度控制方式、從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式，主機(jī)給從機(jī)發(fā)出控制命令，從機(jī)接受主機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)、停止指令及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)作。
當(dāng)某臺(tái)從機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，并不影響主機(jī)和其它從機(jī)的通訊和動(dòng)作，所以可以繼續(xù)運(yùn)行，等到適當(dāng)時(shí)候進(jìn)行檢修；當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，從機(jī)由于接受不到主機(jī)的信號(hào)而停機(jī)并報(bào)故障，此時(shí)將其中一臺(tái)從機(jī)切換為主機(jī)，故障主機(jī)切換為從機(jī)，切換完成后，主機(jī)發(fā)出復(fù)位命令將信號(hào)同步后，從機(jī)故障信號(hào)消失，當(dāng)系統(tǒng)正常后，繼續(xù)運(yùn)行，等到適當(dāng)時(shí)候?qū)收显O(shè)備進(jìn)行檢修。
當(dāng)主機(jī)正常而3臺(tái)從機(jī)同時(shí)報(bào)故障時(shí)，說(shuō)明通訊出現(xiàn)了問(wèn)題，為了不影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，此時(shí)將所有從機(jī)切換為主機(jī)，即4臺(tái)變頻器同時(shí)進(jìn)行速度控制，當(dāng)檢修條件具備時(shí)應(yīng)立即檢查通訊問(wèn)題。
需要注意的是當(dāng)檢修變頻器的時(shí)候，如果此時(shí)需要其它變頻器繼續(xù)運(yùn)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(jìn)行主/從控制，應(yīng)全部切換為主機(jī)才能繼續(xù)運(yùn)行。等檢修完后，再切換為主/從控制方式。
如果進(jìn)行正常的主/從切換，從機(jī)會(huì)由于暫時(shí)得不到主機(jī)信號(hào)報(bào)故障，當(dāng)主機(jī)/從機(jī)切換完成后，給主機(jī)發(fā)出復(fù)位指令后，可以消除所有報(bào)警信號(hào)。
由于轉(zhuǎn)爐屬于高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，因此啟動(dòng)方式為預(yù)加恒定勵(lì)磁的高轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)方式，停止方式為斜坡停車方式，采用制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻將回饋的能量進(jìn)行吸收。
為了準(zhǔn)確與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作，當(dāng)變頻器的速度達(dá)到絕對(duì)零速后，由變頻器輸出指令來(lái)控制抱閘裝置，通過(guò)中間繼電器來(lái)帶動(dòng)抱閘接觸器，然后變頻器停止勵(lì)磁，這樣可以保證傾動(dòng)裝置不會(huì)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(jī)就要有100%的負(fù)載，為此，傳動(dòng)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(dá)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(dòng)轉(zhuǎn)矩記憶下來(lái)，一旦系統(tǒng)啟動(dòng)，就輸出所需的力矩，保證氧槍的平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行。
圖3所示的是變頻起停的時(shí)序圖。
圖3 變頻起停的時(shí)序圖
4 結(jié)束語(yǔ)
三鋼公司煉鋼廠轉(zhuǎn)爐變頻控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，投運(yùn)后運(yùn)行正常，應(yīng)用效果良好。
