國產EPS電源在轉爐驅動系統的應用

邱 旭

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

礦在貴冶熔煉車間老系統三臺轉爐傾動搖爐的驅動系統中，核心部分是轉爐傾動搖爐的電氣控制驅動系統，但真正保護轉爐設備安全的是備用電源（EPS）。轉爐電機驅動系統選配了一臺400kW容量的EPS電源，帶動三臺轉爐的75kW驅動電機串電阻調速起動，經過減速傳動機構帶動轉爐爐體轉動。EPS在轉爐驅動系統中作為備用電源使用，作用是在市電停電時，為防止正在吹煉的轉爐爐內銅水堵住吹煉風管，而臨時提供爐體驅動電源，使爐體傾轉到安全角度［1］。由于轉爐裝滿銅水，事故傾轉時，電機運行特性為重載、速度低、傾動力矩大，直接啟動的電機啟動電流達到4～7倍的額定電流，同時又因供電線路長（200m），電機負載端壓降大，導致電機輸出力矩克服不了傾動力矩，無法驅動爐體傾轉，而爐體制動抱閘因工作電源電壓壓降過大而不能正常打開，造成銅水堵風管的事故發生。

為了滿足轉爐電機在事故傾轉時正常供電運行，必須要求EPS電源抗電流沖擊能力強、電壓瞬時動態補償速度快、持續供電穩定的性能。

轉爐原配備用EPS電源為日本60年代產品技術落后淘汰，進口UPS電源雖性能可靠，但價格高昂。隨著國產的EPS電源應用技術不斷地發展創新，核心部件逆變變頻器性能不斷地改進，技術越來越趨向可靠，國產EPS電源也最終成為轉爐傾轉備用電源的最經濟可靠的選擇。

2 EPS電源的工作原理與特性

2.1 EPS工作原理

如圖1所示，EPS電源采用單體逆變技術, 集充電器、蓄電池、逆變變頻器及控制器于一體［2］。

圖1 EPS原理圖

（1）當市電正常時，市電經過開關（Q2）和電源切換裝置（ATS）合閘回路（交流旁路）給電機負載供電，并提供電壓、電流檢測。同時通過開關（Q1）和充電器對蓄電池組進行充電管理。充電器是一個僅需向蓄電池組提供相當于10%蓄電池組容量(Ah)的充電電流的小功率直流電源,它并不具備直接向逆變器提供直流電源的能力。與此同時,在EPS的邏輯控制板的調控下，逆變變頻器處于自動待機工作狀態，不輸出交流電。電機負載實際使用的電源是來自電網的市電。EPS電源待機工作處在休眠狀態,可以有效的達到節能的效果。

（2）當市電供電中斷或市電電壓超限(±15%或±20%額定輸入電壓)時, 電源切換裝置（ATS）將瞬時投切至逆變變頻器供電，由電池組提供直流電源通過EPS的逆變變頻器轉換成交流電源, 給電機負載供電。

（3）當市電電壓恢復正常工作時，EPS的控制中心發出信號對逆變變頻器執行自動待機操作, 同時通過電源切換裝置（ATS）自動完成從逆變變頻器供電向交流旁路供電的切換操作。此后,EPS恢復充電功能向電池組充電［3］。

2.2 EPS特性

（1） 耐惡劣環境：主要器件邏輯控制板的芯片采用高品質產品，保證了潮濕、酸堿腐蝕等惡劣條件下正常工作。

（2）全免維護的充放電管理：充電系統分為恒流、恒壓兩階段充電，通過對充電電流及電池組電壓的檢測，自主選擇充電模式。

（3） 具有階越處理能力：對突發性的輸入階越及負載的突變，能夠自主診斷識別處理，避免了不可恢復的保護誤動作。尤其針對感性電機負載，解決了起動電流過大時(7倍以上)，電池組短時通過逆變變頻器持續穩定輸出大電流及過載保護的問題。

（4） 具有快速補償電壓壓降能力，根據檢測電壓與設定電壓值，可以微秒級完成電壓的補償。

3 轉爐傾動時，EPS電源的主要作用

根據轉爐電機驅動特性，一臺EPS電源同時向三臺轉爐的75kW驅動電機供電，每臺電機額定電流147A。單臺電機驅動裝有銅水爐體啟動瞬間電流可達1029A。通過現場手動模擬兩個電機同時起動，檢測到電流尖峰可達1400A，電機負載端電壓由400V瞬間跌落至364V，通常情況下EPS功率需要大約2MW的容量,才能滿足電機起動要求。

為了解決這一問題，在EPS電源中采用了國內先進的快速限流、微秒級PID閉環調節、電池自動巡檢充電、改進變壓器變比系數等技術手段，不僅克服了電機起動瞬間電流沖擊大，壓降大，而且最大限度地降低了EPS容量，滿足400kW的EPS電源能夠同時向三臺轉爐的75kW驅動電機供電的能力。

3.1 快速限流功能

如圖2所示，當EPS電源由電池組供電驅動轉爐電機旋轉時，電機起動電流瞬間沖擊，電流升至830A時，EPS電源控制器對脈沖調節進行關一周期開一周期的控制方式，短時間維持輸出830A，直到電機輸出力矩克服轉爐靜態力矩，開始驅動轉爐轉動時，快速限流控制功能瞬間退出，此時最大限度地利用電池組的容量與瞬間放電能力帶動負載。

3.2 微秒級PID閉環調節功能

在EPS電源由電池組供電驅動轉爐電機旋轉的實際測試中，電機側電壓跌至352V時，電機制動抱閘因壓降過大無法正常打開，使電機堵轉，電流將繼續增加，直至過流報警，轉爐傾轉失敗。為了維持電機側電壓高于352V，控制器投入微秒級PID閉環調節功能，外加負載電壓采樣電路，形成閉環，當電機端負載電壓跌落時，如圖3所示，此時電機電流瞬時達到1000A，控制器PID調節輸出脈沖［4］，快速對電機端電壓進行補償，提高輸出電壓至414V，直接彌補線路上的壓降，維持電機側電壓達到設定值（本次設定在372V），保證電機制動抱閘正常打開，同時降低輸出電流。當電機克服啟動力矩后，微秒級PID調節功能快速退出，轉爐進入平穩傾轉狀態。

圖2 快速限流抑制后的電流波形

圖3 微秒級PID閉環調節輸出電壓波形

3.3 電池自動巡檢充電

電池巡檢為核心的充放電管理系統，自動對蓄電池組進行巡檢，使蓄電池組始終處于電量飽和狀態。

蓄電池組處于最佳準備狀態，為轉爐的應急傾轉提供可靠電源，又保證了再次投入使用時，瞬間帶負載能力。

3.4 改進變壓器變比系數

普通轉爐用EPS電源變壓器變比為220/380，由于其輸出端實時提高電壓，直接彌補線路上的壓降，直到EPS電源的最高補償電壓差值，且此值關系到EPS容量選型，體積大小。本次選用的EPS電源，為了減小最高補償電壓差值，將變壓器變比由220/380改進為220/400，從而減小了EPS電源的體積與容量。

4 試驗結果

改進后將市電與EPS電源帶轉爐傾轉做了以下對比試驗，如表1所示。

表1 市電與EPS電源帶轉爐傾轉電壓變化對比

通過以上數據，市電搖爐時，電機端最低電壓為364V；而由電池組提供電能的EPS供電時，由于轉爐頻繁切換旋轉方向時，電機處于起動、制動切換中，起動沖擊電流最大，電機側電壓下降至364V，EPS電源相當于市電最大極限值； 在轉爐來回點動旋轉時，爐體制動器始終處在打開狀態，故電機端電壓367V略高于364V；EPS電源帶動1#、2#轉爐轉動時，由于2臺轉爐錯過了電流尖峰值，所以壓降也相對不大，電機端電壓372V；轉爐搖爐過程中，市電電源切換至EPS電源供電，由于轉爐轉動慣性及制動器在打開狀態，切換時所需的力矩較小，故壓降也不大，電機端電壓373V［5］。EPS電源完全適用轉爐在極限操作下的驅動供電。

5 總結

通過本文的理論分析與試驗結果，此款國產的EPS電源成功地應用于貴冶熔煉車間轉爐驅動系統中，主要解決了現場以下幾個問題：

（1）EPS電源成功驅動轉爐傾轉。現場EPS電源距離轉爐驅動電機較遠（200m），轉爐傾轉時，電機啟動電流達到1000A，線路壓降較大，達40V，電機端電壓低至352V，國產EPS電源采用了多種先進技術相結合，完全適用轉爐在極限操作下的驅動供電。

（2）避免了爐體制動抱閘因工作電源電壓壓降過大而不能正常打開的不良影響。轉爐電機抱閘系統，由于左右抱閘片長期磨損，且不同程度，導致了抱閘系統松放行程加長，即彈簧的行程增長，所以需要更大的電壓維持抱閘線圈工作。

（3）盡量減小了EPS電源的容量與體積，更加具有經濟性。

（4）更加具有穩定性。主要器件及芯片采用高品質產品，在各種惡劣環境下能穩定長期運行［6］。

6 結束語

國產EPS電源性能優良，供電穩定，適應火法冶煉的金屬粉塵、酸堿腐蝕等惡劣環境條件下正常工作。其中快速限流、微秒級PID閉環調節、變壓器變比升級等關鍵技術，解決了我廠轉爐驅動系統中EPS電源供電時，電機起動瞬間電流沖擊大、壓降大，引起轉爐事故傾轉失敗的問題。