轉爐傾動電氣方案設計應用研究

張旭　王福朝

摘 要：對于轉爐傾動傳動系統的電氣方案設計，一方面對電機要有較好同步性能的要求，另一方面在電氣控制中也要有良好的負荷分配，如何處理多電機剛性連接時負荷平衡和速度同步是轉爐傾動系統電氣方案設計的一個關鍵問題。本文從矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）技術在煉鋼轉爐傾動傳動系統中的應用入手進行探討，介紹了轉爐傾動變頻器選型方法，對目前交流電機變頻調速控制系統流行的壓頻比（U/F）矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）的區別進行了闡述，并三者轉矩響應或建立轉矩的機理做了說明，闡述了選擇變頻器的理由，介紹了變頻器選型的計算方法，主從控制的方法和通過PLC的位置控制方法，可靠性高及運行穩定。

關鍵詞：轉爐傾動 直接轉矩控制 主從控制 定位控制

中圖分類號：TF748 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0130-02

隨著電氣控制系統的不斷發展，PLC邏輯控制系統得到了廣泛應用，并逐步取代老的系統。特別是在轉爐傾動裝置傳動電氣控制系統中，國內外的電氣控制系統也在不斷的升級改造中。某集團公司承接的越南某鋼廠EPC建設項目中，煉鋼車間轉爐電氣自動化系統采用PLC控制，轉爐傾動的傳動部分是由四臺變頻電機通過減速機與爐體剛性連接成一體，采用變頻器驅動。轉爐的傾動角度檢測用旋轉編碼器作為位置檢測元件并用PLC高速計數器來采集，通過PLC運算進行位置準確定位控制。下面就本項目中成功的轉爐傾動傳動選型做一簡單介紹。

1 轉爐傳動系統配置

轉爐傾動機構為四驅全懸掛柔性傳動，有四臺電機，四臺一次減速機，一臺二次減速機和一套扭力桿裝置組成。轉爐傾動屬于勢能負載，它對變頻器的要求是滿足滿載啟動運行平穩、啟動/制動無沖擊、電機四象限運行、在零速或低速時有較大的力矩輸出、制動時電機立即停止、停位平穩準確和四臺電動機同步運行負荷平衡。

鑒于ABB ACS800系列變頻器控制核心是直接轉矩控制（DTC），具有零速下可輸出1.5～2倍的額定轉矩，且轉矩建立響應快并能實現主從控制方案等特點，故選用其作為轉爐傾動傳動的控制部件。

轉爐傾動控制系統的要滿足以下的基本要求：

（1）電動機啟動運行平穩、啟動/制動無沖擊，根據要求轉爐可以在一定范圍內進行傾動速度調節。

（2）其中某臺電動機如果出現故障，但轉爐正在吹煉狀態，那么其余3臺電動機要能夠降速運行保持到爐鋼煉完。

（3）當轉爐發生故障時，傾動機械的機械和電氣設備能滿足短時間的過載，可以倒出爐內物，以便事故處理。

（4）為阻止電動機在啟動時對設備沖擊，轉爐開始傾動時應實現逐步的漸進加速。

2 直接轉矩控制

目前變頻的控制方式有：壓頻比控制方式（U/F）、矢量控制方式（VC）和直接轉矩控制（DTC）。

壓頻比控制方式（U/F）是為了保證電機磁通恒定在控制時要求頻率變化時電壓按一定的比例調節。可以通過設置零速時的電壓偏置建立零速轉矩，但范圍較小。

矢量控制方式（VC）和直接轉矩控制（DTC）具有建立高于額定轉矩的能力，但采用直接轉矩控制（DTC）的交流調速系統可以獲得比矢量控制要快的多的轉矩響應。矢量控制系統的轉矩階躍響應，大約為6～7ms，直接轉矩控制系統的轉矩階躍響應可以達到1ms左右。原因是眾所周知的，接轉矩控制系統（DTC）由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩，采用砰-砰控制來實現變頻器的PWM控制，DTC控制系統沒有電流控制環路，接轉矩控制系統（DTC）的著眼點是電壓，而不是電流。矢量控制系統的輸出電壓是由電流調節器的輸出產生的，這就存在電流調節的時間滯后。現代的矢量控制系統輸出電壓可以是由電機模型計算的前饋電壓控制和電流調節共同產生，前饋電壓控制可以獲得較快的動態響應，但這個電壓輸出是由模型精確計算的，沒有任何過沖現象，且電流是始終受控的。

3 變頻器主/從控制功能

鑒于變頻器在使用中簡便和性能可靠， 在目前的電氣控制方案中已逐步成本首選的電機控制器。根據轉爐工作特點，4臺電動機必須同步啟動、制動及同步運行。如何實現這一要求，是本次轉爐電氣情動方案的重點。本方案中，轉爐傾動是采用四臺變頻器單獨驅動，為了保證電機負荷平衡傳動控制方案做成主/從控制方式（一主三從）。通過PLC邏輯處理出現故障時可以切換成一主兩從或一主一從控制方式。如圖1所示。

ABB ACS800的主/從控制功能是為多傳動而設計的，柔性和剛性耦合連接均可。主/從控制的外部信號只與主機進行連接，主機通過一個光纖串行通訊鏈路來控制從機。在變頻器選型時增加四塊RDCO-0x專用選件。本項目的應用中按剛性耦合連接設置變頻器參數。

主傳動的控制方式是速度閉環系統，通過主給定的速度與電機編碼器的反饋的實際速度形成速度閉環系統。從傳動的控制方式是電流閉環系統，即主傳動的速度調節器的輸出作為從傳動的電流給定，從傳動通過電流閉環以到達電機負荷平衡的目的。

由于從機不會通過串行主/從機的連接向主機反饋任何數據。ABB推薦單獨使用一根電纜將從機故障信息傳送給主機。如圖2所示。該連接在從機出現故障時，主機和從機都會停止運行。

另外，變頻器有兩個模擬輸出端和三個繼電器輸出端用于外部監控。模擬輸出端可以提供電機速度信號和電機電流信號，而三個繼電器輸出端分別指示準備、運行和無故障信號。將這些信號接入PLC系統便可對變頻器的狀態進行監視。

4 變頻器容量選型

在設備配套選型時已確定好電機的型號。電機為Y系列變頻電機參數如下：型號YZP225M-8，電壓380V，功率30kW，電流68A，轉速735r/min，轉矩386N·m。

按下式計算變頻器的容量：

PN=kPM/η（kW） （1）

式中：PN為變頻器的額定容量kW，k為電流波形的修正系數 （PWM方式時，取1.05～1.0），PM為電動機的軸輸出功率kW，η為電動機的效率。

k取1.05，η取0.9，把k、η及電機其他參數代入（1）式則：

PN=1.05*30/0.9=35 （kW）

根據ABB ACS800的選型手冊選擇ACS800-01-0050-3變頻器。重載時其額定功率為37kW，電流為80A。

5 轉爐傾動角度定位控制

PLC在我國的應用已十分普及。它具有運算速度快、邏輯可靠、布線和通訊便捷，工藝調整靈活和維護方便等諸多優點。在設計時選用了S7-300 PLC作為轉爐的電氣核心控制部件，選用工控機并配SIMATIC WinCC視窗上位軟件作為HMI一起組成轉爐一級自動化的控制系統核心部分。在HMI上可以方便地進行工藝參數的設定工作方式選擇。

利用PLC作為位置環控制系統實現轉爐傾動的定位控制系統，如圖3所示。

S7-300 PLC的高速計數器具有外部控制的雙向計數功能。轉爐的傾動角度檢測用旋轉編碼器作為位置檢測元件，通過安裝在轉爐傾動機構低速軸上的編碼器輸出脈沖作為位置反饋信號將其送入到PLC，經其內部計算與設定值進行比較，位置到位后轉爐傾動停止。編碼器A和B脈沖信號的時序可以判定電機的旋轉方向。ACS800可以采用無速度反饋控制方式并能保證速度的動靜態精度。

6 結語

ACS800的主/從控制功能實現了多電機剛性連接時負荷平衡和速度同步問題，零速下轉矩的建立和通過S型曲線的設定保證了轉爐爐體在非平衡狀態下重載能平穩啟動。通過轉矩速度模式的切換保證了速度的動態跟隨。利用PLC通過編碼器位置反饋做到了準確定位控制。研究認為頻繁在零速下啟動的情況下選擇直接控制方式的變頻器其使用效果要優于矢量控制方式，隨著變頻控制技術的不斷發展變頻器的應用前景十分廣闊。

參考文獻

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