轉(zhuǎn)爐傾動電氣方案設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

張旭 王福朝

摘? ?要：對于轉(zhuǎn)爐傾動傳動系統(tǒng)的電氣方案設(shè)計(jì)，一方面對電機(jī)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(fù)荷分配，如何處理多電機(jī)剛性連接時(shí)負(fù)荷平衡和速度同步是轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)電氣方案設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文從矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)在煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用入手進(jìn)行探討，介紹了轉(zhuǎn)爐傾動變頻器選型方法，對目前交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)流行的壓頻比（U/F）矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的區(qū)別進(jìn)行了闡述，并三者轉(zhuǎn)矩響應(yīng)或建立轉(zhuǎn)矩的機(jī)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(jì)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(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐傾動? 直接轉(zhuǎn)矩控制? 主從控制? 定位控制

中圖分類號：TF748? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0130-02

隨著電氣控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC邏輯控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代老的系統(tǒng)。特別是在轉(zhuǎn)爐傾動裝置傳動電氣控制系統(tǒng)中，國內(nèi)外的電氣控制系統(tǒng)也在不斷的升級改造中。某集團(tuán)公司承接的越南某鋼廠EPC建設(shè)項(xiàng)目中，煉鋼車間轉(zhuǎn)爐電氣自動化系統(tǒng)采用PLC控制，轉(zhuǎn)爐傾動的傳動部分是由四臺變頻電機(jī)通過減速機(jī)與爐體剛性連接成一體，采用變頻器驅(qū)動。轉(zhuǎn)爐的傾動角度檢測用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測元件并用PLC高速計(jì)數(shù)器來采集，通過PLC運(yùn)算進(jìn)行位置準(zhǔn)確定位控制。下面就本項(xiàng)目中成功的轉(zhuǎn)爐傾動傳動選型做一簡單介紹。

1? 轉(zhuǎn)爐傳動系統(tǒng)配置

轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)為四驅(qū)全懸掛柔性傳動，有四臺電機(jī)，四臺一次減速機(jī)，一臺二次減速機(jī)和一套扭力桿裝置組成。轉(zhuǎn)爐傾動屬于勢能負(fù)載，它對變頻器的要求是滿足滿載啟動運(yùn)行平穩(wěn)、啟動/制動無沖擊、電機(jī)四象限運(yùn)行、在零速或低速時(shí)有較大的力矩輸出、制動時(shí)電機(jī)立即停止、停位平穩(wěn)準(zhǔn)確和四臺電動機(jī)同步運(yùn)行負(fù)荷平衡。

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

轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)的要滿足以下的基本要求：

（1）電動機(jī)啟動運(yùn)行平穩(wěn)、啟動/制動無沖擊，根據(jù)要求轉(zhuǎn)爐可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行傾動速度調(diào)節(jié)。

（2）其中某臺電動機(jī)如果出現(xiàn)故障，但轉(zhuǎn)爐正在吹煉狀態(tài)，那么其余3臺電動機(jī)要能夠降速運(yùn)行保持到爐鋼煉完。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障時(shí)，傾動機(jī)械的機(jī)械和電氣設(shè)備能滿足短時(shí)間的過載，可以倒出爐內(nèi)物，以便事故處理。

（4）為阻止電動機(jī)在啟動時(shí)對設(shè)備沖擊，轉(zhuǎn)爐開始傾動時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)逐步的漸進(jìn)加速。

2? 直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制（DTC）。

壓頻比控制方式（U/F）是為了保證電機(jī)磁通恒定在控制時(shí)要求頻率變化時(shí)電壓按一定的比例調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^設(shè)置零速時(shí)的電壓偏置建立零速轉(zhuǎn)矩，但范圍較小。

矢量控制方式（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）具有建立高于額定轉(zhuǎn)矩的能力，但采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快得多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為6～7ms，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到1ms左右。原因是眾所周知的，接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）的著眼點(diǎn)是電壓，而不是電流。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后?，F(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機(jī)模型計(jì)算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生，前饋電壓控制可以獲得較快的動態(tài)響應(yīng)，但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的，沒有任何過沖現(xiàn)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(jī)控制器。根據(jù)轉(zhuǎn)爐工作特點(diǎn)，4臺電動機(jī)必須同步啟動、制動及同步運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)這一要求，是本次轉(zhuǎn)爐電氣情動方案的重點(diǎn)。本方案中，轉(zhuǎn)爐傾動是采用四臺變頻器單獨(dú)驅(qū)動，為了保證電機(jī)負(fù)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(xiàn)故障時(shí)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(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行連接，主機(jī)通過一個(gè)光纖串行通訊鏈路來控制從機(jī)。在變頻器選型時(shí)增加四塊RDCO-0x專用選件。本項(xiàng)目的應(yīng)用中按剛性耦合連接設(shè)置變頻器參數(shù)。

主傳動的控制方式是速度閉環(huán)系統(tǒng)，通過主給定的速度與電機(jī)編碼器的反饋的實(shí)際速度形成速度閉環(huán)系統(tǒng)。從傳動的控制方式是電流閉環(huán)系統(tǒng)，即主傳動的速度調(diào)節(jié)器的輸出作為從傳動的電流給定，從傳動通過電流閉環(huán)以到達(dá)電機(jī)負(fù)荷平衡的目的。

由于從機(jī)不會通過串行主/從機(jī)的連接向主機(jī)反饋任何數(shù)據(jù)。ABB推薦單獨(dú)使用一根電纜將從機(jī)故障信息傳送給主機(jī)。如圖2所示。該連接在從機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主機(jī)和從機(jī)都會停止運(yùn)行。

另外，變頻器有兩個(gè)模擬輸出端和三個(gè)繼電器輸出端用于外部監(jiān)控。模擬輸出端可以提供電機(jī)速度信號和電機(jī)電流信號，而三個(gè)繼電器輸出端分別指示準(zhǔn)備、運(yùn)行和無故障信號。將這些信號接入PLC系統(tǒng)便可對變頻器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

4? 變頻器容量選型

在設(shè)備配套選型時(shí)已確定好電機(jī)的型號。電機(jī)為Y系列變頻電機(jī)參數(shù)如下：型號YZP225M-8，電壓380V，功率30kW，電流68A，轉(zhuǎn)速735r/min，轉(zhuǎn)矩386N·m。

按下式計(jì)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(shù) （PWM方式時(shí)，取1.05～1.0），PM為電動機(jī)的軸輸出功率kW，η為電動機(jī)的效率。

k取1.05，η取0.9，把k、η及電機(jī)其他參數(shù)代入（1）式則：

PN=1.05*30/0.9=35 （kW）

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

5? 轉(zhuǎn)爐傾動角度定位控制

PLC在我國的應(yīng)用已十分普及。它具有運(yùn)算速度快、邏輯可靠、布線和通訊便捷，工藝調(diào)整靈活和維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)選用了S7-300 PLC作為轉(zhuǎn)爐的電氣核心控制部件，選用工控機(jī)并配SIMATIC WinCC視窗上位軟件作為HMI一起組成轉(zhuǎn)爐一級自動化的控制系統(tǒng)核心部分。在HMI上可以方便地進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定工作方式選擇。

利用PLC作為位置環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動的定位控制系統(tǒng)，如圖3所示。

S7-300 PLC的高速計(jì)數(shù)器具有外部控制的雙向計(jì)數(shù)功能。轉(zhuǎn)爐的傾動角度檢測用旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置檢測元件，通過安裝在轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)構(gòu)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(jīng)其內(nèi)部計(jì)算與設(shè)定值進(jìn)行比較，位置到位后轉(zhuǎn)爐傾動停止。編碼器A和B脈沖信號的時(shí)序可以判定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(tài)精度。

6? 結(jié)語

ACS800的主/從控制功能實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)剛性連接時(shí)負(fù)荷平衡和速度同步問題，零速下轉(zhuǎn)矩的建立和通過S型曲線的設(shè)定保證了轉(zhuǎn)爐爐體在非平衡狀態(tài)下重載能平穩(wěn)啟動。通過轉(zhuǎn)矩速度模式的切換保證了速度的動態(tài)跟隨。利用PLC通過編碼器位置反饋?zhàn)龅搅藴?zhǔn)確定位控制。研究認(rèn)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(yōu)于矢量控制方式，隨著變頻控制技術(shù)的不斷發(fā)展變頻器的應(yīng)用前景十分廣闊。

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