变频器在转炉上的应用

1 引言 早期通用变频器大多数为开环恒压比(v/f=常数)的控制方式．其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调速场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化;转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。变频技术的发展目前主要经历了三个阶段。 80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。这种控制方式引入频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差;基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响;将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 西德 f.blasschke等人提出了矢量控制(磁场定向控制)，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外．它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。 1985年德国鲁尔大学depenbrock教授提出直接转矩控制理论(direct torque control简称dtc)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。 转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息;控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别,通过id运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的控制产生pwm信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。 目前直接转矩控制变频器，已达到<2ms的转矩响应速度在带pg时的静态速度精度达土0.01%，在不带pg的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达到正负0.1％的速度控制精度。 2 dtc变频器的技术特点 abb的acs800系列变频器将dtc技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。 在dtc中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在dtc中不需要对电压、频率分别控制的pwm调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。 标准内置的交流电抗器明显降低了进线电源的高次谐波含量，大大降低了变频器的电磁辐射，同时保护整流二极管和滤波电容器免受电压、电流的冲击。 acs800控制盘有四种不同的键盘模式:实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流等信号。 启动向导功能使acs800的调试变得非常简便。当用户第一次给传动上电时，启动向导会引导用户完成所有的调试步骤，用户不必再担心会忘记设置某组参数。 电源断电时的运行—acs800将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，acs800将继续运行。 零速满转矩—由acs800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。 dtc提供的精确的转矩控制使得acs800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。 自动起动—acs800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为acs800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。而矢量控制变频器则需大于是2.2s。 在磁通优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%~10%。 精确的速度控制:acs800的动态转速误差在开环应用时为0.3%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。acs800变频器的静态精度为0.01%。 精确转矩控制:动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1~ms，而矢量控制变频器在闭环时需10~20ms，开环时为100~200ms。 3 转炉倾动和氧枪传动系统的特点 转炉是钢铁企业的关键生产设备，如图1所示，转炉从外观看像一个“挂着的水桶”。转动转炉所需要的传动电机通过减速机钢性连接。用标准术语:全悬挂四点啮合柔性传动。 图1 转炉系统示意图 根据工艺要求，转炉倾动角度为±360°。转炉的炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重，按正力矩设计。因此，当转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，依靠炉体本身的正力矩来确保炉口向上，不发生倒钢事故。 在转炉正常工作时，如果需要倾倒钢水，就由电动机输出正力矩，带动转炉缓慢倾动。倒完钢水后，需要缓慢的把炉体回归正位，这时，就需要把转炉的势能回馈到系统，电动机工作在回馈状态。 由于转炉的工艺和传动技术特点，因此转炉对传动系统有很高的要求: (1) 转炉倾动系统由4台电机同时驱动，要求这四台电机同时启动/停止运行，电机的速度可以调节，速度响应要快，而且要同步、负荷要均衡。 (2) 当1台或2台电机出现故障时，倾动系统余下的电机仍然能够继续运行，而且要同步、负荷要均衡。 (3) 转炉倾动过程中，根据不同的工况条件，倾动电机有时处于电动状态，而有时处于发电状态，传动系统必须解决能量回馈的问题。 (4) 倾动控制系统必须与抱闸装置协调工作，防止出现“点头”和“摇头”的现象。 (5) 由于转炉巨大的转动惯量，倾动控制系统必须有足够的启动力矩和过载能力。 转炉炼钢的另外一个关键设备是氧枪。图2是氧枪的系统示意图。 图2 氧枪系统示意图 氧枪是典型的位能式负载，只要抱闸装置一打开，氧枪电机就马上有100%的负载，氧枪提升时，电动机的电磁转矩克服负载转矩。电动机工作在电动状态。氧枪下降时，负载力矩拉着电机转。电动机工作在回馈制动状态。同倾动控制系统类似，氧枪传动控制系统也必须与抱闸装置协调工作，防止“溜车”现象，而且也有足够的启动力矩和过载能力。并且速度可调节。 转炉一般配有两套氧枪，一套工作，另一套备用或检修。 4 变频器在福建三明钢厂转炉控制系统的配置 福建三明钢厂转炉的容量为100吨，转炉的倾动电机为4台90kw的变频电机，氧枪电机为2台75kw的变频电机;上位控制系统采用ge的90-70系列plc。 根据转炉的倾动和氧枪控制系统的特点，选用了abb公司的acs800系列dtc变频器。 4.1系统配置 (1) 倾动控制系统 变频器柜(包括刀熔开关、控制盘)，4台; 制动斩波器，4个; 制动电阻，4个; 输出断路器，4个; 主/从控制软件，4套; 中间继电器及其它附件4套，调试工具drive window，1套。 (2) 氧枪控制系统:变频器柜(包括刀熔开关、控制盘)，2台; 制动斩波器，2个; 制动电阻，2个; 输出断路器，2个; 提升控制软件，2套; 中间继电器及其它附件，2套。 4.2 倾动和氧枪的控制情况 (1) 倾动控制 通常，转炉的倾动由3~4台电机完成，所以为了系统更可靠更稳定的工作，这几台电机就必须要进行负荷平衡，也就是所有的电机出力是一样的，如图3所示。 图3 倾动控制示意图 由于这4台电机是刚性连接，所以要求所有电机的速度要绝对同步，因此4台电机的传动采用主/从控制，4台变频器之间用光纤进行连接。所以，在系统配置中，将1台变频器作为主机，由它进行速度调节，输出转矩给定，其它变频器作为从机，跟随主机的转矩响应。同常规的控制方式相比，这种使用将系统的性能提高到了一个新高度。彻底解决由于电机运行的不同步而产生的转炉“点头“和”摇头“的现象。 4台变频器可以在主/从之间切换，但是同时只能有1台主机，另外3台为从机，主机采用