库马克CMK系列转炉传动变频控制在转炉中的应用

　　转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，其炉体外形如下图所示，转炉像一个“挂着的水桶”。转炉系统主要的电力传动设备包括炉体倾动的电力传动设备及氧枪传动的电力控制设备。

　　1、转炉倾动的电力传动设备

　　在中大型转炉系统中，炉体倾动部分一般采用四台倾动电机，通过减速机刚性连接，并采用全悬挂固定方式和扭力杆力矩吸收方式。标准术语是：全悬挂四点啮合柔性传动方式。

    2、转炉倾动工作方式及控制要求

　　在转炉的冶炼过程中，倾动电机的具有如下特点：

　　· 转炉倾动装置由四台倾动电机同时驱动，四台电动机同步启动，加、减速及同步运行，并要求它们保持速度同步和均匀的负荷分配。

　　· 转炉倾动速度一般可以在0.1～0.8rpm之间进行倾动速度调节，转炉倾动角度范围0～±360°

　　· 一台或二台电机出现故障时，要求传动系统仍能继续运转，这时，余下的二台或三台电机短时间内降速运行，并保持速度同步和均匀的负荷分配。

　　· 转炉倾动过程中，在不同的工况下，倾动电机有时处于电动状态，有时处于发电状态，传动装置需要解决能量回馈问题。

　　· 倾动控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防止“溜车”现象的发生。

　　· 转炉倾动装置具有大惯量、重载的运行特点，要求传动装置有足够的起动力矩和过载能力。

　　3、氧枪传动的电力控制设备

　　转炉的另一个关键设备是氧枪。

　　氧枪是典型的位能负载，也是典型的提升应用，氧枪控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防止发生“掉枪”事故。

 　　4、氧枪工作方式及控制要求

　　氧枪传动系统具有如下特点：

　　氧枪下降时，电动机处于发电状态，要求氧枪传动装置能解决能量回馈问题。

　　每台转炉一般配有两套氧枪，两台氧枪升降设备，一台工作，一台在维修或备用。

　　氧枪的升降速度可无级调节。

　　氧枪也具有大惯量、重载高力矩启动的运行特点，要求传动装置有足够的起动力矩和过载能力。

二、涟源钢铁集团50T转炉工艺参数及传动系统配置

　　涟源钢铁集团炼钢厂50T转炉工程为改造工程，原设备为电炉炼钢，工艺相对落后，能耗高。2003年6月改造工程动工，传动部分采用了我公司的CMK系列转炉传动变频控制系统，并在年终一次性投运成功。该转炉传动部分的主要工艺参数如下：

　　转炉公称容量：50吨

　　最大倾动力矩：1400KNm，最大事故力矩：3500KNm

　　倾动速度：0.28～0.8转/min，总传动比：802.2

　　吹氧时间：12～14min/炉，冶炼周期：42min

　　倾动电机：YZR280M-8/45KW/93.5A

　　提升力：70.8KN，卷扬能力：35.4KN

　　提升速度：快速41.9m/min，慢速10.5m/min

　　氧枪电机：YZR250M-4/55KW/100A

　　根据以上参数和转炉传动系统的工作方式及控制要求，我公司开发出高性能的CMK系列转炉传动变频控制系统，并在涟源钢铁集团50T转炉工程中一次性投运成功。系统硬件具体配置如下：

　　倾动变频器：ACS800-04-0140-3 四台（含制动组件）

　　氧枪变频器：ACS800-04-0120-3 两台（含制动组件）

　　光纤通信模块：RDCO-03 四只

　　光栅编码器：10-1153qiq-1024 三只

　　后台控制系统：SIEMENS S7-400（CPU 414-2DP）

　　CMK系列转炉传动变频控制系统在传动部分采用ACS800系列变频器作为核心部件。在转炉倾动部分配置四台变频器，采用“一拖一”驱动方式，四台变频器之间采用光纤构成通信环网;氧枪部分同样采用“一拖一”方式驱动，并配置光栅编码器;外围控制系统采用SIEMENS S7-400系列PLC，并配套CMK专用的通信程序和工艺控制程序，结果证明CMK系列转炉传动变频控制系统可以非常完美地完成转炉驱动的各种工艺要求：在倾动电机速度同步、负荷平均分配和氧枪电机零速满转矩、报闸控制、抗过载能力等诸多方面均表现完美。

三、转炉倾动部分变频控制系统的方案说明

　　CMK系列转炉传动变频控制系统中，最为成功之处是在倾动部分采用了四台变频器“一拖一”驱动方式，并且圆满地解决了变频器之间的“主从”应用问题。以往的转炉驱动系统中，一般采用直流调速系统或采用“一拖四”的交流调速方式，这种方式下只能保证电机的转速基本一致，而完全无法保证电机的负载一致问题，特别是“一拖四”的交流调速系统，采用一台变频器同时驱动四台电机，由于电机的电气特性并非完全一致，变频器只能采用“V/F”控制方式，起动转矩低，转矩控制特性差。另外，由于电机的电气特性差别，驱动过程中电机的转速无法保证一致，而转炉的倾动电机之间属于齿轮刚性连接，微小的转速差别可能引起非常大的负载不平衡，情况严重时甚至会出现在倾动过程中有的倾动电机处在电动状态，而有的倾动电机却处在发电状态，造成了负载的严重不平衡，经常损坏倾动电机。

　　而在CMK系列转炉传动变频控制系统中，4台变频器通过光纤连接，构成主从应用工作组，工作时其中一台设为主传动工作方式，另三台工作在从传动方式，从传动变频器以速度/力矩工作方式工作，主变频器速度由上位机PLC系统通过变频器I/O口给定，主变频器通过光纤环网向从机发送运行信息，内容包括主机转速，转矩及开关状态等，从机通过DDCS光缆链路与主传动连接，由主从应用宏自动实现与主传动的速度/力矩跟踪和力矩准确分配，直接用软件实现了多电机传动中速度同步和力矩分配。由于通信是采用光纤环网实现的，数据刷新时间为1ms，最大延迟时间为4ms，如此高的通信速度足以保证主从机之间的速度及负载的一致性，具有极好的实时性、高可靠性和抗干扰能力，速度跟踪精度误差低于0.3%s,主从应用的通讯时间即使在1主10从的应用情况下也不超过4ms。这是其他传动系统所不具备的。

　　系统正常运行时，上位PLC系统通过现场总线与变频器正常通讯，实现控制和现场数据采集，当因某种原因引起某台从变频器或电机故障时，故障变频器自动停止工作，另外三台变频器继续工作，主变频器控制负载在这三台变频器之间平均分配;当主变频器或电机出现故障时，主变频器停止工作，并发出故障信号，由上位PLC系统起动故障处理程序，通过变频器I/O端口，设置另外一台变频器为主传动，组成新的主/从工作组，按主/从方式继续工作，新的主变频器负责速度控制和负载分配。整个转换过程在2秒钟以内完成。

　　ABB变频器的这种主从可以重新配置的特点，保证了转炉倾动系统在任何一台或二台倾动电机或变频器出现故障的情况下，仍能继续工作，且不会出现电机负荷分配不均匀的现象。

　　ABB变频器主从应用宏在主机从一台变频器切换到另外一台变频器的情况下，主从应用的速度环和力矩环仍然是在变频器内部实现的，具有极快的响应速度和控制精度。而其它品牌的变频器在主从应用时，为了实现主机从一台变频器到另一台变频器的切换，必须把速度环放在变频器外部，例如在PLC中实现速度环，这样，速度环的响应速度和控制精度就大打折扣，会引起速度不稳、溜车等一系列问题。尤其是在炼钢过程中操作转炉倾动时，例如在炼钢工人需要采样钢水样品时，负载力矩的突然变化，要求速度环尽快响应，但以PLC实现的速度环可能来不及响应，出现溜车。

　　另外，为了监控转炉的倾动位置，系统只在转炉主轴上安装有一只光栅编码器，该信号直接传诵到后台PLC系统，通过PLC来计算、转换。而倾动电机则无须配置编码器，原因是变频器通过光纤环进行通信，而ACS800变频器的DTC控制方式已完全满足转炉电机的转速控制精度。

四、转炉氧枪部分变频控制系统的方案说明

　　在氧枪部分的变频控制系统中，最为关键的一点是变频器需要具有非常的的起动转矩，原因是氧枪属于典型的提升机负载，只要制动报闸一打开，电机就有100%的负载，而这时电机的转速为零，再考虑到加速转矩、摩擦力矩及氧枪粘钢水等因素，所以氧枪变频器的起动转矩最少应不低于额定转矩的120% 。而ACS800系列变频器所独有的DTC控制技术，为氧枪电机提供了良好的动态特性和负载力矩响应能力，超过200%的启动力矩及先进的提升应用程序可以完全满足氧枪工艺要求。

　　另外，氧枪需严格监控，防止出现“溜枪”故障，在CMK系列转炉传动变频控制系统中，我司充分利用了ABB公司开发的提升应用程序，并结合PLC编制了一套抱闸逻辑控制程序，成功实现了变频器在机械抱闸尚未打开的情况下，仍能维持零速满力矩运行而不跳闸，大大提高了系统应用的可靠性。

五、CMK系列转炉传动变频控制系统运行数据

　　系统试运行期间测得现场运行数据如下

　　1、 倾动传动部分：

　　电机起动转矩： 100%～160%

　　电机间速度同步误差：0.1%～0.3%

　　电机间负载不平衡误差：0.5%～1%

　　速度控制精度：0.1%～0.3%

　　转矩响应时间：1ms～5ms

　　加减速时间：2s

　　过载能力：>250%

　　2、 氧枪传动部分：

　　电机起动转矩： 130%～150%

　　速度控制精度：0