变频调速技术在钢铁厂20吨转炉倾动和氧枪升降上的应用

一、转炉原直流拖动系统简介 　　1986年建成投产的3座转炉，炉子倾动和氧枪升降的拖动系统采用的是模拟量恒磁通逻辑无环流直流拖动系统，恒磁通调压调节器速，该系统具有两个闭环、一个速度环、一个电流环，每座转炉倾动由四台22kW、650r/min直流电动机集中传动，每座转炉有两根氧枪，每根氧枪由一台22kW、650r/min直流电机单独传动。由于80年代初期我国电控配套水平所限（尽管该直流系统当时是国内较先进的拖动系统），该系统十分庞大。每座转炉的电控柜达14台之多，继电器、接触器多达160个。因插件为分立元件，且系统是模拟控制方式，因此调试周期很能够长（达3个月）。由于原系统存在先天性的不足，所以运行一段时间后热停工时间增加，维护难度越来越大。尤其是继电联锁部分和插件部分故障率相当高，不但维护费用高（达0.45元/吨钢），而且严重制约着生产的正常运行。 二、转炉倾动负载和氧枪升降负载特性及电动机运转状态分析 1.氧枪负载特性及电动机运转达状态分析 （1）氧枪负载是典型的位能负载。 （2）氧枪电动机运转状态分析。 　　氧枪提升时，电动机制电磁转矩要克服负载转矩，即电动机制电磁转矩M的方向与旋转的方向相同，故电动机处于电动运行状态，工作于第一象限。氧枪下降时，由于氧枪属重载，在该重载的作用下，电动机转速要高于电机的同步转速，而电机的电磁转矩方向与旋转方向相反，因此电动机处于回馈制动状态工作于第四象限。 　　转炉倾动方式为全悬挂四点啮合柔性传动，原设计最大倾动力矩为85rfm，倾动速度为0.1~1r/min，倾动角度为正反360°，减速比为1：802.3。 　　据工艺要求，转炉的倾动角度为正反360°。转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直时为零位状态。故炉子倾动负载力矩为角度的函数Mfz=f(θ)，属于反阴性的位能负载。 　　另外，据工艺设计说明，该转炉按正力矩设计，却炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重。从而确保转炉电控系统失灵或抱闸力不够时，能靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于发生倒钢等事故。但当为修炉拆除炉底后能入炉口粘钢渣太多（达到或超过8吨）时，炉体可能出现上部较下部重，由于液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。当炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于回馈制动状态，电动机的机械特性和负载特性。 三、变频调速的原理及用于转炉倾动和氧枪升降负载的可行性分析 1.变频调速的原理及机械特性 　　由于异（同）步电动机的同频转速n1与电源频率成正比，所以改变电源频率就能改变同步转速n1，并从而实现调速，这就是变频调速。 　　在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量ρm为不变额定值。磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；磁通太大，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持ρm不变是容易做到的。在交流异步电机中，磁能是由定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保证磁通恒定呢？ 我们知道，异步电动机的电势方程为 E1= 4.44f1W1Kw1ρm 因为电压V1=E1+IZ1，如果忽略定子压降，则上式可近似表示为 E1= 4.44f1W1Kw1ρm≈V1 所以 ρm =C1V1/f1 式中，E1为定子每相感应电势的有效值，f1为定子频率，W1为定子每相绕组串联匝数，KW1 为基波绕组系数，ρm为每极气隙磁通量，C1=1/4.44KW1W1，是一常数。 由ρm的表达式可见，要保持电机磁通恒定，必须使定子电压随定子频率成正比变化。即：V1/f1=V1/f"1 ，这种V1与f1的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制。根据V1/f1协调控制的方式不同，可以得到不同的调速成特性。 （1）基频以下调速。 （a）恒电压频率比调速。由电动机的电磁转矩公式 M=CmρmI"2COSρZ 可知，M 与ρm, I"2 成正比，要保持M不变，则必须ρm 不变，即要不V1与f1成正比变化。即 V1/f1=V1e/f1e=常数 这是恒电压频率比的协调控制方式（简称恒压频比），其机械特性曲线簇（以某一台8极电机为例）如图4所示。由图可见，从同步转速（M=0）到最大转矩（Mmax）的特性可近似看作是线性关系，且线性段基本平行，类似于直流电机的调压特性。但最大转矩阵Mmax却随f1下降而减少，这是因为f1高时，V1和E1数值都较大，定子阻抗压降的比例很小，所以V1≈=E1；而f1低时，V1和E1数值较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略了。E1与V1相差较大，E1小于V1很多，所以ρm小很多，Mmax就很小。这对于风机水泵类机械负载起动还是合适的。 （b）恒最大转矩调速。用V1/F1=常数协调控制，在低速时最大转矩Mmax减小。降低了起动与过载能力，低速时为了保持Mmax不变，提高起动能力，就必须采用 定子电势/定子频率=常数 　　如前所述，因为低频时，V1和E1都较小，定子阻抗压降的份量就比较显著，不能忽略。这时随转速的降低，定子电压应适当提高，以近似补偿定子阻抗引起的压降，从而保证电机具有恒最大转矩Mmax。 （2）基频以上调速（恒功率调速）。 　　有时为了扩大调速范围，可以使f1>f1e，从而得到n>ne的调速。但是定子电压V1却不能增加得比额定电压V1e还要大，最多只能保持V1=V1e由式ρm =C1(V1e/f1e)可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。弱磁后额定电流时的转矩减小，特性也变软。 　　由于转炉倾动和氧枪升降属重起动或满载起动负载，故要求电动机在起动时要有足够大的起动转矩和足够大的过载能力。通过以上分析可知，采用恒磁通变频调速，在低频时（低速时）可通过人为地提高电压来保证电机具有最大恒转矩调速特性，因而可以满足重载起动负载要求。另外由于氧枪和转炉倾动均能负载，故有发电制动工作状态。而变频器可通过另加一反向逆变桥或加一“过压保护放电阻”提供这种“回馈”通路。 　　从上述分析还可看出，变频调速可得几乎与直流电机调速相同“硬度”的机械特性。因而可以说，这种变频调速传动系统完全具备了用于转炉倾动和氧枪升降这种位能负载上的可能性。 四、承钢20吨转炉倾动和氧枪升降应用变频调速技术情况介绍 1.电动机的选择 （1）工艺要求。 转炉最大倾动力矩：Mmax =85tf•m 转炉倾动速度：0.1~1r/min 减速比：1：802.3 氧枪重量：W=4.8t (有一动滑轮) 卷扬速度：高速40m/min；低速3.5m/min 卷筒直径：D=500mm 减速比：1：19.24 （2）电动机的选用。 　　转炉倾动原来采用四台2kW，ne=650r/min直流电机传动，考虑到原设备四点啮合，故仍选用四台交流电动机集中传动。每座转炉有两根氧枪（分为左右枪），原来各由一台22kW，ne=650r/min直流电动机单独传动，此次仍保留单独传动方式，即两台交流电动机分别驱动左右氧枪。 　　主电动机均选用YZ225M1 8型，22kW、AC380V、730r/min。每座转炉各用六台，其中倾动用四台，氧枪用两台。由于YZ系列电机短期采购有困难，故先采用Y225M 8同容量电机（尽管过载能力小些）在3号转炉上试用。 1）电动机转矩计算。 额定转矩：Me=9550Pe/ ne=9550*22/730=287.38(N•m)=29.37(kgf•m) 最大转矩：Mmax/ Me=2.0(Y225M-8 电机） Mmax =2 Me=2*29.37=58.74(kgf•m) （a）由于转炉倾动用四台电机，故合转矩为 4 Me=4*29.37=117.4694(kgf•m) 传递到炉子轴上的额定转矩为 17.4694*802.3=94246.362(kgf•m)＞85 tf•m 即电机额定转矩大于转矩最大倾动力矩。 若考虑电动机的过载能力， 对Y系列电机：入= Mmax/ Me≈2.0，则最大转矩为2*94.25=188.5 tf•m 对YZ系列电机：入= Mmax/ Me=(2.2~2.8),则最大转矩将更大。 （b）氧枪电机传递到卷筒上的额定转矩为 29.37*19.24=0.565( tf•m) 略小于氧枪负载转矩0.6t•m，但考虑到电动机的最大转矩为 2*29.37*19.24=1.13 tf•m 远大于氧枪负载0.6t•m，故仍采用22kW电机试验。 2）极数选择。 　　由于原直流机的ne=650r/min，故选用8极交流电机，尽管额定转速稍高一些（730r/min)。但若选用10极电机，其同步转速仅为600r/min，要提高转速必须提高频率（50Hz以上），这样，特性将会变为恒功率，这不适用于此种负载。 （3）变频器的选用及其工作原理。 　　对于炉子倾动这种负载，变频器选用的最重要原则之一是：所选变频器必须具有在满载或过载时输出转矩恒定的功能，也就是要用具有转矩限定的无跳闸变频器。另外要具有再生发电制动功能。还要注意到普通电机长期工作于低频状态时电机发热现象（因低频时电机风扇通风能力降低所致）。基于上述考虑，我们选用了FUJI FRENIC5000G7型变频器。炉子倾动电机总容量为4*22=88kW，故选用FREN110G7 4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻以及继电单元。 　　氧枪升降电机容量为22kW,故选用FRN30G7-4型、400V系列变频器。另配制动单元和制动电阻及继电单元。 　　该型号变频器是全数字大功率晶体管（GTR）变频器。它具有两个别16位CPU，通过它们可实现转矩限定、转差补偿控制、瞬时电源故障后的平稳恢复以及自动加/减速控制，并具有低噪音、高可靠保护和错误诊断等功能。 （4）系统的设计特点和安装调试情况简介。 1）系统的设计特点及就注意的问题。 •转炉倾动仍采用三地可选操作（操作室、炉前、炉后），以满足工艺要求，操作开关仍采用原来的无触点主令开关，从而可不改变原来的操作习惯。 •无触点主令开关后加一相敏整流插件，经得到0~10V的模拟量控制电压。 •变频器的频率控制信号为0~±10V模拟量电压信号的极性来改变电动机的正反运