冶金工業的變頻器應用與維護（四）變頻器在轉爐系統中的應用

浙江工商職業技術學院 李方園

1 前言

轉爐設備是煉鋼廠的關鍵生產設備，其爐體外形如圖1所示，轉爐像一個“掛著的水桶”。轉爐系統主要的電力傳動設備包括爐體傾動的電力傳動設備、氧槍傳動的電力控制設備和輔助風機等。

在整個轉爐吹煉過程中，由于冶煉操作需要，轉爐需要傾動到不同的角度，以便進行各項工業操作。一般而言，轉爐傾動回轉角度為0～±360度，轉爐傾動回轉速度為高速1.0r/min和低速0.2r/min。轉爐回轉的動能由以下幾部分轉動體繞耳軸軸線轉動組成：爐體、鋼水、托圈、耳軸（兩個）、大齒輪。

圖1 轉爐結構

2 變頻器在轉爐傾動中的應用

在中大型轉爐系統中，爐體傾動部分一般采用幾臺傾動電機，通過減速機剛性連接，并采用全懸掛固定方式和扭力桿力矩吸收方式，如圖2所示。

圖2 轉爐傾動結構

在轉爐的冶煉過程中，傾動電機一般都具有如下特點：轉爐傾動裝置由幾臺傾動電機同時驅動，既要同步啟動，加、減速及同步運行，并要求它們保持速度同步和均勻的負荷分配；轉爐傾動速度一般可以在0.1～0.8rpm之間進行傾動速度調節；一臺或二臺電機出現故障時，要求傳動系統仍能繼續運轉，這時，余下的二臺或三臺電機短時間內降速運行，并保持速度同步和均勻的負荷分配；轉爐傾動過程中，在不同的工況下，傾動電機有時處于電動狀態，有時處于發電狀態；轉爐傾動裝置具有大慣量、重載的運行特點，要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。

某煉鋼轉爐的容量為90噸，由3臺交流變頻電機拖動，電機的主要參數：電機額定功率為55kW，額定電壓為380V，額定電流為110A，額定頻率為50Hz，額定轉速為920r/min。每臺電機都由一臺ROCKWELL IMPACT1336變頻器供電，四臺變頻器三用一備，一主二從，拖動三臺電機在轉爐傾動時均衡的分擔負載。

變頻控制系統的配置如圖3所示，其中只有主電機的變頻器使用了雙閉環控制，其它兩臺變頻器使用了轉矩閉環，為從動工作方式。系統主頻率給定由上位機給定，由編碼器反饋作為系統的速度反饋。在速度調節器的輸出中取出轉矩分量，再作為轉矩給定同時送給三臺變頻器的轉矩調節器。由于三臺電機的轉矩給定一樣，故其實際轉矩也是一樣的，這樣就能比較均衡地分配負荷。同時由于主機有速度閉環控制，電機的運行速度也能跟隨系統的給定值。因此，系統能夠工作在動態平衡點上。

圖3 變頻器的制動配置

由于轉爐傾動是位勢負載，當轉爐回位時，電動機是工作在發電狀態，所以需要配備制動單元和制動電阻來進行能耗制動，以保證平穩回位。在轉爐傾動系統中，該組變頻器配置了制動單元和制動電阻，制動電阻是額定功率為50kW，阻值為3歐姆的兩個電阻并聯，經過調試能夠滿足系統的需要。

本系統最大的特點是在傾動部分采用了四臺變頻器“一拖一”驅動方式，并且圓滿地解決了變頻器之間的“主從”應用問題。以往的轉爐驅動系統中，一般采用直流調速系統或采用“一拖四”的交流調速方式，這種方式下只能保證電機的轉速基本一致，而完全無法保證電機的負載一致問題，特別是“一拖四”的交流調速系統，采用一臺變頻器同時驅動四臺電機，由于電機的電氣特性并非完全一致，變頻器只能采用“V/F”控制方式，起動轉矩低，轉矩控制特性差。另外，由于電機的電氣特性差別，驅動過程中電機的轉速無法保證一致，而轉爐的傾動電機之間屬于齒輪剛性連接，微小的轉速差別可能引起非常大的負載不平衡，情況嚴重時甚至會出現在傾動過程中有的傾動電機處在電動狀態，而有的傾動電機卻處在發電狀態，造成了負載的嚴重不平衡，經常損壞傾動電機。

系統正常運行時，上位PLC系統通過現場總線與變頻器正常通訊，實現控制和現場數據采集，當因某種原因引起某臺從變頻器或電機故障時，故障變頻器自動停止工作，另外三臺變頻器繼續工作，主變頻器控制負載在這三臺變頻器之間平均分配；當主變頻器或電機出現故障時，主變頻器停止工作，并發出故障信號，由上位PLC系統起動故障處理程序，通過變頻器I/O端口，設置另外一臺變頻器為主傳動，組成新的主/從工作組，按主/從方式繼續工作，新的主變頻器負責速度控制和負載分配。整個轉換過程在2秒鐘以內完成。

變頻器的這種主從可以重新配置的特點，保證了轉爐傾動系統在任何一臺或二臺傾動電機或變頻器出現故障的情況下，仍能繼續工作，且不會出現電機負荷分配不均勻的現象。

3 變頻器在氧槍傳動中的應用

在轉爐煉鋼生產中，氧槍定位的精確性直接影響吹煉終點的鋼水溫度和碳含量，同時對生產安全和爐齡、槍齡也有很大的影響。氧槍是典型的位能負載，也是典型的提升應用，氧槍控制裝置必須解決傳動與抱閘機構之間的協調控制問題，以防止發生“掉槍”事故。

氧槍傳動系統一般具有如下特點：（1）氧槍下降時，電動機處于發電狀態，要求氧槍傳動裝置能解決能量回饋問題；（2）每臺轉爐一般配有兩套氧槍，兩臺氧槍升降設備，一臺工作，一臺在維修或備用；（3）氧槍的升降速度可無級調節；（4）氧槍也具有大慣量、重載高力矩啟動的運行特點，要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。

氧槍電機機械特性和負載特性如圖4所示。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。

圖4 氧槍傳動控制特點

在氧槍部分的變頻控制系統中，最為關鍵的一點是變頻器需要具有非常大的起動轉矩，原因是氧槍屬于典型的提升機負載，只要制動報閘一打開，電機就有100%的負載，而這時電機的轉速為零，再考慮到加速轉矩、摩擦力矩及氧槍粘鋼水等因素，所以氧槍變頻器的起動轉矩最少應不低于額定轉矩的120%。而類似ACS800系列變頻器所獨有的DTC控制技術，就能為氧槍電機提供了良好的動態特性和負載力矩響應能力，同時其超過200%的啟動力矩及先進的提升應用程序可以完全滿足氧槍工藝要求。

另外，氧槍需嚴格監控，防止出現“溜槍”故障，在轉爐傳動變頻控制系統中，可充分利用變頻器的提升應用程序或者應用宏，并結合PLC編制了一套抱閘邏輯控制程序，就能成功實現變頻器在機械抱閘尚未打開的情況下仍能維持零速滿力矩運行而不跳閘的功能，從而大大提高氧槍傳動系統的可靠性。

4 高壓變頻器在轉爐除塵風機中的應用

某煉鋼廠對三座轉爐進行擴容改造，將風機移至地面，采用液力偶合器調速，高速2700r/min（設計2900r/min），低速1200r/min。

經過一段時間的運行，發現液力偶合器技術存在著局限性，主要表現在：調速范圍在30%～90%之間，轉速不穩定；而且低速1200r/min仍然偏高，造成能源浪費，高速運行時，液力偶合器有時失速，轉爐爐口冒煙；液力偶合器需經常更換軸承，造成轉爐停產，不能滿足連續生產的需要等。

鑒于液力偶合器存在上述眾多問題，因此在對新上一座30t轉爐時決定不再使用液力偶合器調速，改用北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器為新轉爐風機進行調速，具體方案如圖5所示。

圖5 除塵風機的變頻改造方案

設備配置和參數如下：

KM：變頻器供電的高壓真空斷路器，為原有高壓真空開關；

KG1、KG2、KG3：高壓變頻器內置真空接觸器；

BPQ：HARSVERT-A06/076變頻器；

M：630KW/6KV異步電動機。

采用高壓變頻調速系統對除塵風機進行高壓變頻的工作過程如下：變頻器操作可以在本機控制，也可以遠程操作。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。變頻器也可由控制室的上位機或操作臺進行操作，吹煉時，變頻器高速運行；不吹煉時，變頻器低速運行。可以根據工況需要自由設定，完全可以滿足工藝要求。

5 結束語

在轉爐系統中采用變頻器，它具有以下效果：

（1）節約能源

利用變頻器實現電動機調速運行，在諸多方面可以節約電能，尤其是在轉爐風機類機械設備運行過程中，節能效果最為明顯。在當前我國電力供應普遍緊張的情況下，這一點顯得尤為重要。

（2）提高生產效率，保證產品質量

在轉爐負載中往往存在快速運行、準確停車、重載恒速輸送、輕載高速返回等許多工藝要求。采用交流變頻調速，能很好地解決這些調速控制的要求，并逐步取代傳統的直流電動機調速方式，使電氣設備的結構更加合理簡單，生產效率大幅度提高。

（3）有效地防止沖擊電流

由于變頻器可以方便地實現軟啟動和軟停止，因而可以有效地減少電動機啟動、停止時對電網的沖擊，改善電源容量裕度。尤其是轉爐電動機容量大，而變壓器容量相對較小時，這種效果更加明顯。

[1]李方園. 變頻器行業應用實踐[M].北京：中國電力出版社，2006：71-72.

[2]ABB變頻器DTC在轉爐和氧槍上的運用,www.ca800.com.

[3]交流變頻器在轉爐煉鋼控制系統中的應用,www.ca800.com.