济钢120t转炉倾动装置交流变频调速系统开发与应用

2 转炉倾动工艺设备概况
2.1 工艺设备结构
济钢120t转炉炉壳为全焊接式固定炉底结构，转炉托圈为焊接箱形结构,其内通循环水冷却，转炉炉壳与托圈的连接,采用三点支承方式，此结构既能有效地在0°～360°范围内支承炉壳又可适应炉壳的热膨胀。倾动装置采用全悬挂扭力杆平衡型式。由以下几部分组成:驱动电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆平衡装置和润滑装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机(二次减速机)壳体旋转的旋转力矩平衡装置，通过扭力杆扭转来吸收扭矩并将扭矩转化为垂直的拉力和压力，通过扭力杆轴的固定轴承座和浮动轴承座传递到基础上,由于拉力和压力使扭力杆形成相反的扭矩,从而导致产生了吸收倾动力矩的效果。
转炉倾动采用全正力矩方式,即转炉倾动到任一角度时都保证是正力矩，确保转炉在360°回转过程中都是正力矩,事故断电时,转炉能够以自身重力自动返回垂直位置,从而排除翻炉泼钢事故的发生。转炉倾动驱动系统主要工艺设备参数:
转炉容量：125t, 最大：135t ；
最大倾动力矩：260T.m;
转炉折算到电动机轴上的最大转动惯量：657kg.m2；
机械齿轮速比：551；
额定转矩：1700N.m;
最大力矩倍数：Mcr/Me = 2.9；
倾动速度： 0.13～1.3 r/min
倾动角度： 0～360°
加速时间：4s
变频电动机：4台 132kW YZP355S-8 AC 380V 735r/min
电动机冷却方式：强迫风冷
倾动电动机附编码器： 1024p/r DC24V
倾动位置接近开关：4个
倾动装置制动器：YTD-2000/60
制动器电动机：4台0.55kW AC380V
转炉托圈耳轴端部编码器: 3600p/r DC24V
2.2工艺控制要求
120t转炉倾动机械设备采用4台交流变频电动机驱动，4台电动机采用四点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。
转炉倾动控制系统的基本要求为:
(1) 4台电动机同步启动、制动及同步运行,根据要求转炉可以在0.13～1.3r/min之间进行倾动速度调节,转炉可以做±360°旋转。转炉倾动时4台电动机负载应相同;
(2) 当一台电动机发生故障,而转炉正处于吹炼状态,则剩余3台电动机降速运行,维持该炉钢炼完,此时转炉速度控制在0.14～0.8r/min;
(3) 当转炉正在出钢、出渣时,交流电源系统发生停电故障,此时利用UPS电源将4台制动器打开,转炉依靠自重复位, 转炉处于安全位置;
(4) 当转炉出现塌炉等事故时,倾动机械的机电设备能短时过载,转炉以0.13r/min速度旋转,倾动转炉倒出炉内盛物,然后进行事故处理;
(5) 转炉为全正力矩设计,即在整个工作倾动角度内由0°～±180°方向倾动均为正力矩;
(6) 电力系统应能记忆炼上一炉钢时,转炉转动0～180°的电动机参数,如电压、电流、转矩等。本炉次转炉冶炼时,应将电动机当前参数与上一炉钢转炉转动时的电动机参数进行对比,如果误差超过10%则报警,操作工人应立即检查设备是否故障；
(7) 为防止电动机突然启动对设备的冲击,转炉开始倾动时电动机转速应从零开始逐渐加速,从零到正常速度的加速时间是4s；
(8) 由于制动器制动力矩较大,为了防止制动时对设备的冲击,转炉制动时应先通过能耗制动将电动机减速,当转炉倾动速度接近零时,制动器失电制动,制动时间为4s；
(9) 在现场操作台和CRT上设置故障报警灯,显示转炉稀油润滑系统是否正常,稀油站的故障信号包括油位低、油压低及油温高,三种故障信号合成一个“给油异常”信号,当此信号灯亮时,操作工人应立即检查及排除稀油站故障；
(10) 转炉在零位时如果电动机的驱动力矩大于700Nm,则报警,操作工人应及时检查制动器是否出现故障；
(11) 如果电动机最大驱动力矩大于1800Nm，10s以上则报警,此时表示电动机超负荷工作,检查机械系统,有故障立即排除；
(12) 转炉正常操作时,电动机驱动力矩不得大于2290Nm；
(13) 转炉倾动时必需选择3台以上电动机工作才能操作,如果选择2台及以下时则报警。
转炉冶炼工艺过程转动角度及速度控制范围要求见表1。

3 电气传动控制系统方案
3.1交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较
120t转炉倾动装置驱动电动机，国内外以往一直采用直流电动机，随着交流变频控制技术的发展，交流传动系统得到了广泛应用，并逐步取代直流传动控制系统。在济钢120t转炉倾动系统设计阶段，我们对两种方案进行了详细的技术调查及性能比较。
（1） 交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较
技术性能比较见表2。

表2： 交、直流电动机传动控制方案的技术性能比较表

（2） 交、直流电动机机械特性比较
机机械特性比较见图1。

3.2电动机及变频装置的选择
通过以上技术性能和电动机机械特性比较,采用交流电动机传动，电动机及变频装置的选择应注意以下两点：
(1)交流电动机
·电动机功率应足够大，Pe-ac≥1.2Pe-dc；
Pe-ac: 交流电动机额定功率
Pe-dc: 直流电动机额定功率
·电动机过力矩能力应足够大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax；
应选择Mcr =2.8~3.0 Mn的电动机，以避开图1所示的转速颠覆区;
·电动机型式：变频，带强迫冷却风机。
(2)变频传动装置
·应采用矢量变换控制型；
·变频传动装置应具有电动机“励磁预置”特殊功能；
·变频传动装置应具有足够大的过载能力，满足Ivfmax≥2Ide/1min；
·变频传动装置制动方式：为适应转炉工作区间内力矩波动大的状况，实现均匀加减速，克服机械设备的扭力振动，提高转炉停车的稳定性，为保证系统可靠、稳定运行，采用传统的能耗制动方式。
3.3 交流电动机的力矩校验
（1）济钢120t转炉倾动装置驱动电动机技术数据如下：
电动机型号：YZP355S-8；
电动机功率：132kw；
额定转速：735 r/min；
额定电压/电流：380V/270A；
额定转矩：1700Nm；
最大力矩倍数：Mcr/Me=3.0；
冷却方式：强迫风冷。
（2）力矩校验的基本计算
电动机额定转矩：Me=1700Nm
·折算到电机轴的静阻负载转矩：

式中：Tm：机械轴上的静阻转矩Nm；
i：传动比；η：传动效率
单电机轴上负载力矩:
4台工作：Mi4＝ ＝5026/4＝1256.5(Nm)
3台工作：Mi3=5026/3=1675(Nm)
·折算到电机轴上总加速力矩：

单电机轴上加速力矩:
4台工作：Mj4=3155/4=789(Nm)
3台工作：Mi3=3155/3=1052(Nm)
（3） 校验计算结果
校验计算结果如表3。

注：表中的计算是以电动机的额定力矩Me＝1700Nm为基准。该型号电动机的正常过载能力为200%Me，60s；非常过载能力为220%Me，15s。表3中最大动态力矩系数1.1,是考虑到电动机负载的不平衡性而确定的。塌炉力矩系数2.5,是根据工艺给出的估算值。
3.4 电气传动控制系统方案
根据以上的分析计算及工艺控制要求, 济钢120t转炉倾动装置电气传动控制系统选用4套罗克韦尔公司的直接转矩控制变频装置（型号：1336E-BP300-L8E-GM6；功率：224kW）,倾动主回路采用4台电动机一对一的结构，即4套变频装置控制4台电动机，以便提高系统的可靠性和灵活性。
该系统带编码器速度反馈；通过设备网（DeviceNet）与PLC通讯；具有两倍的过载能力，1分钟的条件；采用能耗制动方式；具有低频启动力矩大、电动机“励磁”预置功能和力矩电流平衡等功能，控制电源采用UPS供电,能够满足倾动设备的力矩控制要求。图2示出倾动装置控制系统的结构图。

4 关键技术的应用
(1) 系统的关键—如何实现4台电动机的同步运行
根据转炉工作特点，4台电动机必须同步启动、制动及同步运行。如何实现这一要求，是该系统的关键。该方案中，4套变频器对应4台电动机, 正常情况下采用一主三从的控制方式,通过通讯方式调节一个速度环一个电流环来控制4台电动机同步启动、制动及同步运行。
以1#变频器为主为例，系统调节原理图如图3：

图4 通讯故障情况下系统调节框图
(2) 如何实现电动机励磁预置，满足倾动设备满转矩启动要求
本方案通过设备网（DeviceNet）的通讯方式改变变频器参数值，满足主从选择和电动机“励磁”预置功能。通过主令发出预励磁指令，信号传到PLC中，再通过设备网（DeviceNet）的通讯方式向4台变频器发出“电机预励磁”信号, 电机励磁迅速建立，实现零转速满转矩启动，满足了倾动设备以满转矩启动的要求。另外，通过CRT操作画面选择几号变频器为主，然后通过设备网（DeviceNet）向1台变频器发‘本机为主’信号。
(3) 如果1台电动机或变频器故障，允许3台电动机正常工作
通过切除故障电动机或变频器主回路电源，使故障电机完全处于被拖动的机械负载状态。因为控制回路采取了4台抱闸同时动作的控制方式，不会使电动机运行受阻。如果是主变频器或电机故障，需要重新选择另一台变频器为主。
(4) 施耐德Quantum PLC 与DeviceNet通讯问题
由于转炉自动化控制系统采用了施耐德Quantum PLC,而该传动控制系统为美国A-B公司变频装置，其通讯方式为DeviceNet网络协议。因此，解决两者之间通讯问题成为系统实现自动的关键。
本方案在施耐德Quantum PLC中采用DeviceNet Scanner模块140SAC-QDNET-010,配置A-B公司DeviceNet网络通讯组态软件9357-DNETL3,9355-WABENE,成功解决了Quantum PLC与A-B公司DeviceNet之间通讯。实现了转炉倾动系统网络自动控制。

5 结束语
济钢120t转炉倾动装置交流变频传动系统,自2003年3月投入运行至今，系统稳定可靠，其控制功能完全满足了转炉倾动工艺需求。这一技术的成功应用，标志着整个转炉系统传动实现了全交流化。在该级别转炉系统中，该技术的应用在国内甚至国际上尚属首例，是交流传动应用的重大突破之一。为今后该级别及以上转炉倾动装置的设计及应用，积累了宝贵的经验，具有较强的推广应用价值。