摘 要：本文詳細介紹了轉爐的傾動系統及氧槍系統中的運行特點，并結合漣源鋼鐵公司轉爐的實際情況，闡述了轉爐應用中采用直接轉矩控制型（DTC）變頻器的優點和系統設計思想。

　　一、轉爐傳動系統特點

　　轉爐設備是煉鋼廠的關鍵生產設備，其爐體外形如下圖所示，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及氧槍傳動的電力控制設備。

　　1、轉爐傾動的電力傳動設備

　　在中大型轉爐系統中，爐體傾動部分一般采用四臺傾動電機，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1所示。標準術語是：全懸掛四點嚙合柔性傳動方式。

圖1 轉爐傾動結構示意圖

　　2、轉爐傾動工作方式及控制要求

　　在轉爐的冶煉過程中，傾動電機的具有如下特點：

　　· 轉爐傾動裝置由四臺傾動電機同時驅動，四臺電動機同步啟動，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，轉爐傾動角度范圍0～±360°

　　· 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，傳動裝置需要解決能量回饋問題。

　　· 傾動控制裝置必須解決傳動與抱閘機構之間的協調控制問題，防止“溜車”現象的發生。

　　· 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。

　　3、氧槍傳動的電力控制設備

　　轉爐的另一個關鍵設備是氧槍。

　　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，防止發生“掉槍”事故。

圖2 氧槍傳動系統示意圖

　　4、氧槍工作方式及控制要求

　　氧槍傳動系統具有如下特點：

　　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。

　　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。

　　氧槍的升降速度可無級調節。

　　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。

　　二、漣源鋼鐵集團50T轉爐工藝參數及傳動系統配置

　　漣源鋼鐵集團煉鋼廠50T轉爐工程為改造工程，原設備為電爐煉鋼，工藝相對落后，能耗高。2003年6月改造工程動工，傳動部分采用了我公司的CMK系列轉爐傳動變頻控制系統，并在年終一次性投運成功。該轉爐傳動部分的主要工藝參數如下：

　　轉爐公稱容量：50噸

　　最大傾動力矩：1400KNm，最大事故力矩：3500KNm

　　傾動速度：0.28～0.8轉/min，總傳動比：802.2

　　吹氧時間：12～14min/爐，冶煉周期：42min

　　傾動電機：YZR280M-8/45KW/93.5A

　　提升力：70.8KN，卷揚能力：35.4KN

　　提升速度：快速41.9m/min，慢速10.5m/min

　　氧槍電機：YZR250M-4/55KW/100A

　　根據以上參數和轉爐傳動系統的工作方式及控制要求，我公司開發出高性能的CMK系列轉爐傳動變頻控制系統，并在漣源鋼鐵集團50T轉爐工程中一次性投運成功。系統硬件具體配置如下：

　　傾動變頻器：ACS800-04-0140-3 四臺（含制動組件）

　　氧槍變頻器：ACS800-04-0120-3 兩臺（含制動組件）

　　光纖通信模塊：RDCO-03 四只

　　光柵編碼器：10-1153qiq-1024 三只

　　后臺控制系統：SIEMENS S7-400（CPU 414-2DP）

　　CMK系列轉爐傳動變頻控制系統在傳動部分采用ACS800系列變頻器作為核心部件。在轉爐傾動部分配置四臺變頻器，采用“一拖一”驅動方式，四臺變頻器之間采用光纖構成通信環網;氧槍部分同樣采用“一拖一”方式驅動，并配置光柵編碼器;外圍控制系統采用SIEMENS S7-400系列PLC，并配套CMK專用的通信程序和工藝控制程序，結果證明CMK系列轉爐傳動變頻控制系統可以非常完美地完成轉爐驅動的各種工藝要求：在傾動電機速度同步、負荷平均分配和氧槍電機零速滿轉矩、報閘控制、抗過載能力等諸多方面均表現完美。

　　三、轉爐傾動部分變頻控制系統的方案說明

　　CMK系列轉爐傳動變頻控制系統中，最為成功之處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。

　　而在CMK系列轉爐傳動變頻控制系統中，4臺變頻器通過光纖連接，構成主從應用工作組，工作時其中一臺設為主傳動工作方式，另三臺工作在從傳動方式，從傳動變頻器以速度/力矩工作方式工作，主變頻器速度由上位機PLC系統通過變頻器I/O口給定，主變頻器通過光纖環網向從機發送運行信息，內容包括主機轉速，轉矩及開關狀態等，從機通過DDCS光纜鏈路與主傳動連接，由主從應用宏自動實現與主傳動的速度/力矩跟蹤和力矩準確分配，直接用軟件實現了多電機傳動中速度同步和力矩分配。由于通信是采用光纖環網實現的，數據刷新時間為1ms，最大延遲時間為4ms，如此高的通信速度足以保證主從機之間的速度及負載的一致性，具有極好的實時性、高可靠性和抗干擾能力，速度跟蹤精度誤差低于0.3%s,主從應用的通訊時間即使在1主10從的應用情況下也不超過4ms。這是其他傳動系統所不具備的。

　　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。

　　ABB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。

　　ABB變頻器主從應用宏在主機從一臺變頻器切換到另外一臺變頻器的情況下，主從應用的速度環和力矩環仍然是在變頻器內部實現的，具有極快的響應速度和控制精度。而其它品牌的變頻器在主從應用時，為了實現主機從一臺變頻器到另一臺變頻器的切換，必須把速度環放在變頻器外部，例如在PLC中實現速度環，這樣，速度環的響應速度和控制精度就大打折扣，會引起速度不穩、溜車等一系列問題。尤其是在煉鋼過程中操作轉爐傾動時，例如在煉鋼工人需要采樣鋼水樣品時，負載力矩的突然變化，要求速度環盡快響應，但以PLC實現的速度環可能來不及響應，出現溜車。

　　另外，為了監控轉爐的傾動位置，系統只在轉爐主軸上安裝有一只光柵編碼器，該信號直接傳誦到后臺PLC系統，通過PLC來計算、轉換。而傾動電機則無須配置編碼器，原因是變頻器通過光纖環進行通信，而ACS800變頻器的DTC控制方式已完全滿足轉爐電機的轉速控制精度。

　　四、轉爐氧槍部分變頻控制系統的方案說明

　　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的的起動轉矩，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ACS800系列變頻器所獨有的DTC控制技術，為氧槍電機提供了良好的動態特性和負載力矩響應能力，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CMK系列轉爐傳動變頻控制系統中，我司充分利用了ABB公司開發的提升應用程序，并結合PLC編制了一套抱閘邏輯控制程序，成功實現了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，大大提高了系統應用的可靠性。

　　五、CMK系列轉爐傳動變頻控制系統運行數據

　　系統試運行期間測得現場運行數據如下

　　1、 傾動傳動部分：

　　電機起動轉矩： 100%～160%

　　電機間速度同步誤差：0.1%～0.3%

　　電機間負載不平衡誤差：0.5%～1%

　　速度控制精度：0.1%～0.3%

　　轉矩響應時間：1ms～5ms

　　加減速時間：2s

　　過載能力：>250%

　　2、 氧槍傳動部分：

　　電機起動轉矩： 130%～150%

　　速度控制精度：0.1%～0.4%

　　轉矩響應時間：1ms～5ms

　　加減速時間：2s～3s

　　過載能力：>200%

　　六、結論

　　系統自投運以來，運行非常穩定，性能可靠，現場操作人員非常滿意，從未出現傾動時爐體“點頭、濺鋼”、“溜車”等問題。應用證明，CMK系列轉爐傳動變頻控制系統非常完美地完成了漣源鋼鐵集團煉鋼廠50T轉爐設備的傳動任務，該系統具有較大的市場推廣價值。