1 概述
隨著交流變頻控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代直流傳動(dòng)系統(tǒng)。特別是在120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)中，該級(jí)別轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)裝置，國(guó)內(nèi)外一直采用直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置首次采用交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)并取得成功。為120t及以上級(jí)別轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)交流化提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。為提高煉鋼自動(dòng)化水平,降低生產(chǎn)維護(hù)成本奠定了基礎(chǔ)。
2 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)工藝設(shè)備概況
2.1 工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)
濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐爐殼為全焊接式固定爐底結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)爐托圈為焊接箱形結(jié)構(gòu),其內(nèi)通循環(huán)水冷卻，轉(zhuǎn)爐爐殼與托圈的連接,采用三點(diǎn)支承方式，此結(jié)構(gòu)既能有效地在360o范圍內(nèi)支承爐殼又可適應(yīng)爐殼的熱膨脹。傾動(dòng)裝置采用全懸掛扭力桿平衡型式。由以下幾部分組成:驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、一次減速機(jī)、二次減速機(jī)、扭力桿平衡裝置和潤(rùn)滑裝置等。扭力桿平衡裝置是平衡轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)引起懸掛減速機(jī)(二次減速機(jī))殼體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩平衡裝置，通過(guò)扭力桿扭轉(zhuǎn)來(lái)吸收扭矩并將扭矩轉(zhuǎn)化為垂直的拉力和壓力，通過(guò)扭力桿軸的固定軸承座和浮動(dòng)軸承座傳遞到基礎(chǔ)上,由于拉力和壓力使扭力桿形成相反的扭矩,從而導(dǎo)致產(chǎn)生了吸收傾動(dòng)力矩的效果。
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)采用全正力矩方式,即轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)到任一角度時(shí)都保證是正力矩，確保轉(zhuǎn)爐在360o回轉(zhuǎn)過(guò)程中都是正力矩,事故斷電時(shí),轉(zhuǎn)爐能夠以自身重力自動(dòng)返回垂直位置,從而排除翻爐潑鋼事故的發(fā)生。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要工藝設(shè)備參數(shù):
轉(zhuǎn)爐容量：125t 最大：135t
最大傾動(dòng)力矩：300T.m
轉(zhuǎn)爐折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：675kg.m2
機(jī)械齒輪速比：523
額定轉(zhuǎn)矩：1700N.m
最大力矩倍數(shù)：Mcr/Me = 2.9
傾動(dòng)速度： 0.13—1.3 r/min
傾動(dòng)角度： 0—360?
加速時(shí)間：4S
變頻電動(dòng)機(jī)：4臺(tái) 132KW YZP355S-8 AC380V 735r/min
電動(dòng)機(jī)冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷
傾動(dòng)電動(dòng)機(jī)附編碼器： 1024P/R DC24V
傾動(dòng)位置接近開(kāi)關(guān)：4個(gè)
傾動(dòng)裝置制動(dòng)器：YTD-2000/60
制動(dòng)器電動(dòng)機(jī)：4臺(tái)0.55KW AC380V
轉(zhuǎn)爐托圈耳軸端部編碼器: 3600P/R DC24V
2.2工藝控制要求
120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)械設(shè)備采用4臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，4臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用4點(diǎn)嚙合全懸掛形式，通過(guò)扭力桿裝置進(jìn)行力矩平衡。
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求為:
(1)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步啟動(dòng)、制動(dòng)及同步運(yùn)行,根據(jù)要求轉(zhuǎn)爐可以在0.13～1.3r/min之間進(jìn)行傾動(dòng)速度調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)爐可以做±360°旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)載應(yīng)相同。
(2)當(dāng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障,而轉(zhuǎn)爐正處于吹煉狀態(tài),則剩余3臺(tái)電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行維持該爐鋼煉完,此時(shí)轉(zhuǎn)爐速度控制在0.14～0.8r/min。
(3)當(dāng)轉(zhuǎn)爐正在出鋼、出渣時(shí),交流電源系統(tǒng)發(fā)生停電故障,此時(shí)利用UPS電源將4臺(tái)制動(dòng)器打開(kāi),轉(zhuǎn)爐依靠自重復(fù)位, 轉(zhuǎn)爐處于安全位置。
(4)當(dāng)轉(zhuǎn)爐出現(xiàn)塌爐等事故時(shí),傾動(dòng)機(jī)械的機(jī)電設(shè)備能短時(shí)過(guò)載,轉(zhuǎn)爐以0.13r/min速度旋轉(zhuǎn),傾動(dòng)轉(zhuǎn)爐倒出爐內(nèi)裝盛物,然后進(jìn)行事故處理。
(5)轉(zhuǎn)爐為全正力矩設(shè)計(jì),即在整個(gè)工作傾動(dòng)角度內(nèi)由0°～士180°方向傾動(dòng)均為正力矩。
(6)電力系統(tǒng)應(yīng)能記憶煉上一爐鋼時(shí),轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)0～180°的電動(dòng)機(jī)參數(shù),如電壓、電流轉(zhuǎn)矩等,本爐次轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí),應(yīng)將電動(dòng)機(jī)當(dāng)前參數(shù)與上一爐鋼轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如果誤差超過(guò)10%則報(bào)警,操作工人應(yīng)立即檢查設(shè)備是否故障。
(7)為防止電動(dòng)機(jī)突然啟動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊,轉(zhuǎn)爐開(kāi)始傾動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)從零開(kāi)始逐漸加速,從零到正常速度的加速時(shí)間是4S。
(8)由于制動(dòng)器制動(dòng)力矩較大,為了防止制動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊,轉(zhuǎn)爐制動(dòng)時(shí)應(yīng)先通過(guò)能耗制動(dòng)將電動(dòng)機(jī)減速,當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度接近零時(shí),制動(dòng)器失電制動(dòng),制動(dòng)時(shí)間為4S。
(9)在現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)和CRT上設(shè)置故障報(bào)警燈,顯示轉(zhuǎn)爐稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)是否正常,稀油站的故障信號(hào)包括油位低、油壓低及油溫高,三種故障信號(hào)合成一個(gè)"給油異常"信號(hào),當(dāng)此信號(hào)燈亮?xí)r,操作工人應(yīng)立即檢查及排除稀油站故障。
(10)轉(zhuǎn)爐在零位時(shí)如果電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩大于700Nm,則報(bào)警,操作工人應(yīng)及時(shí)檢查制動(dòng)器是否出現(xiàn)故障。
(11)如果電動(dòng)機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力矩大于1800Nm10秒以上則報(bào)警,此時(shí)表示電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷工作,檢查機(jī)械系統(tǒng),有故障立即排除。
(12)轉(zhuǎn)爐正常操作時(shí),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩不得大于2290Nm。
(13)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)必需選擇3臺(tái)以上電動(dòng)機(jī)工作才能操作,如果選擇2臺(tái)及以下時(shí)則報(bào)警。
轉(zhuǎn)爐冶煉工藝過(guò)程轉(zhuǎn)動(dòng)角度及速度控制范圍要求見(jiàn)表1
3 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)方案
3.1交、直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制方案的技術(shù)性能比較
120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)外以往一直采用直流電動(dòng)機(jī)，隨著交流變頻控制技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，我們對(duì)兩種方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)調(diào)查及性能比較。
1）交、直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制方案的技術(shù)性能比較,見(jiàn)表2
表2：交、直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制方案的技術(shù)性能比較表
通過(guò)以上技術(shù)性能和電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性比較,采用交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)及變頻裝置的選擇應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
1) 交流電動(dòng)機(jī)
? 電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)足夠大，Pe-ac≥1.2Pe-dc
Pe-ac: 交流電動(dòng)機(jī)額定功率
Pe-dc: 直流電動(dòng)機(jī)額定功率
? 電動(dòng)機(jī)過(guò)力矩能力應(yīng)足夠大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax,
應(yīng)選擇Mcr=2.8~3.0Mn的電動(dòng)機(jī)，以避開(kāi)上圖所示的轉(zhuǎn)速顛覆區(qū)。
? 電動(dòng)機(jī)型式：變頻，帶強(qiáng)迫冷卻風(fēng)機(jī)
2) 變頻傳動(dòng)裝置
? 應(yīng)采用矢量變換型并具有低頻力矩補(bǔ)償功能的變頻傳動(dòng)裝置。
? 變頻傳動(dòng)裝置應(yīng)具有電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁預(yù)置特殊功能
? 變頻傳動(dòng)裝置應(yīng)具有足夠大的過(guò)載能力，滿足Ivfmax≥2Ide,1min。
? 變頻傳動(dòng)裝置制動(dòng)方式：為適應(yīng)轉(zhuǎn)爐工作區(qū)間內(nèi)力矩波動(dòng)大的狀況，實(shí)現(xiàn)均勻加減速，克服機(jī)械設(shè)備的扭力振動(dòng)，提高轉(zhuǎn)爐停車(chē)的穩(wěn)定性，理論上采用回饋制動(dòng)方式較理想，但考慮到變頻裝置回饋制動(dòng)單元長(zhǎng)期頻繁運(yùn)行，易發(fā)生逆變顛覆，造成系統(tǒng)停機(jī)。因此，為保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，采用傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)方式。
3.2 交流電動(dòng)機(jī)的力矩校驗(yàn)
濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下：
電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YZP355S-8
電動(dòng)機(jī)功率：132Kw
額定轉(zhuǎn)速：735 r/min
額定電壓/電流：380V/270A
額定轉(zhuǎn)矩：1700Nm
最大力矩倍數(shù)：Mcr/Me=3.0
冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷
1) 力矩校驗(yàn)基本計(jì)算
? 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：1700Nm
? 折算到電機(jī)軸上總負(fù)載力矩：
Miz=260＊103/551/0.92=5130(Nm)
單電機(jī)軸上負(fù)載力矩:
4臺(tái)工作：Mi4=5130/4=1283(Nm)
3臺(tái)工作：Mi4=5130/3=1710(Nm)
? 折算到電機(jī)軸上總加速力矩：
Mjz=657＊735/375/4=3220(Nm)
單電機(jī)軸上加速力矩:
4臺(tái)工作：Mj4=3220/4=805(Nm)
3臺(tái)工作：Mi4=3220/3=1073(Nm)
2) 校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
表3：校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
注：表中的計(jì)算是以電動(dòng)機(jī)的額定力矩Me為基準(zhǔn)。該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的正常過(guò)載能力（S3）為200%Me，60S; 非常過(guò)載能力為220%Me，15S。表中最大動(dòng)態(tài)力矩系數(shù)1.1,是考慮到電動(dòng)機(jī)負(fù)載的不平衡性而確定的。塌爐力矩系數(shù)2.5,是根據(jù)工藝給出的估算值。
根據(jù)以上的分析計(jì)算及工藝控制要求, 濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)選用4套羅克韋爾公司的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻裝置（型號(hào)：1336E-BP300-L8E-GM6；功率：224kW）,傾動(dòng)主回路采用4臺(tái)電動(dòng)機(jī)一對(duì)一的結(jié)構(gòu)，即4套變頻裝置控制4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，以便提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
該系統(tǒng)帶編碼器速度反饋；通過(guò)設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）與PLC通訊；具有兩倍的過(guò)載能力，1分鐘的條件；采用能耗制動(dòng)方式；具有低頻力矩補(bǔ)償功能，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁預(yù)置功能和力矩電流平衡等功能，控制電源采用UPS供電,能夠滿足傾動(dòng)設(shè)備的力矩控制要求。
見(jiàn)圖2：傾動(dòng)裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用
1) 根據(jù)轉(zhuǎn)爐工作特點(diǎn)，4臺(tái)電動(dòng)機(jī)必須同步啟動(dòng)、制動(dòng)及同步運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)這一要求，是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。該方案中，4套變頻器對(duì)應(yīng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī), 正常情況下采用一主三從的控制方式,通過(guò)通訊方式調(diào)節(jié)一個(gè)速度環(huán)一個(gè)電流環(huán)來(lái)控制4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步啟動(dòng)、制動(dòng)及同步運(yùn)行。
以1#變頻器為主為例，系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理圖如下：
圖3: 通訊方式系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理
通訊故障情況下，采用1#變頻器為主的控制方式，通過(guò)模擬量信號(hào)調(diào)節(jié)一個(gè)速度環(huán)四個(gè)電流環(huán)來(lái)控制4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步啟動(dòng)、制動(dòng)及同步運(yùn)行。示意圖如下：
圖4: 通訊故障方式系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理
2)如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁預(yù)置，滿足傾動(dòng)設(shè)備滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)要求
本方案通過(guò)設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）的通訊方式改變變頻器參數(shù)值，滿足主從選擇和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁預(yù)置功能。通過(guò)主令發(fā)出預(yù)勵(lì)磁指令，信號(hào)傳到PLC中，再通過(guò)設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）的通訊方式向4臺(tái)變頻器發(fā)出‘電機(jī)預(yù)勵(lì)磁’信號(hào), 電機(jī)勵(lì)磁迅速建立，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，滿足了傾動(dòng)設(shè)備滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)要求。另外，通過(guò)CRT操作畫(huà)面選擇幾號(hào)變頻器為主，然后通過(guò)設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）向1臺(tái)變頻器發(fā)‘本機(jī)為主’信號(hào)。
3)如果1臺(tái)電動(dòng)機(jī)或變頻器故障，允許3臺(tái)電動(dòng)機(jī)正常工作
通過(guò)切除故障電動(dòng)機(jī)或變頻器主回路電源，使故障電機(jī)完全處于被拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載狀態(tài)。因?yàn)榭刂苹芈凡扇×?臺(tái)抱閘同時(shí)動(dòng)作的控制方式，不會(huì)使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行受阻。如果是主變頻器或電機(jī)故障，需要重新選擇另一臺(tái)變頻器為主。
4)施耐德Quantum PLC 與DeviceNet通訊問(wèn)題
由于轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了施耐德Quantum PLC,而該傳動(dòng)控制系統(tǒng)為美國(guó)A-B公司變頻裝置，其通訊方式為DeviceNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因此，解決兩者之間通訊問(wèn)題成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的關(guān)鍵。
本方案在施耐德Quantum PLC中采用DeviceNet Scanner模塊140SAC-QDNET-010,配置A-B公司DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通訊組態(tài)軟件9357-DNETL3,9355-WABENE,成功解決了Quantum PLC與A-B公司DeviceNet之間通訊。實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制。
5 結(jié)束語(yǔ)
濟(jì)鋼120t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng),自2003年3月投入運(yùn)行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其控制功能完全滿足了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)工藝需求。這一技術(shù)的成功應(yīng)用，標(biāo)志著整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了全交流化。在該級(jí)別轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中，該技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際上尚屬首例，是交流傳動(dòng)應(yīng)用的重大突破。為今后該級(jí)別及以上轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。
