時間:2009-08-05 11:38:40來源:ronggang
摘 要:本文詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)爐的傾動系統(tǒng)及氧槍系統(tǒng)中的運(yùn)行特點(diǎn),并結(jié)合漣源鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐的實(shí)際情況,闡述了轉(zhuǎn)爐應(yīng)用中采用直接轉(zhuǎn)矩控制型(DTC)變頻器的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計思想。
一、轉(zhuǎn)爐傳動系統(tǒng)特點(diǎn)
轉(zhuǎn)爐設(shè)備是煉鋼廠的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備,其爐體外形如下圖所示,轉(zhuǎn)爐像一個“掛著的水桶”。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)主要的電力傳動設(shè)備包括爐體傾動的電力傳動設(shè)備及氧槍傳動的電力控制設(shè)備。
1、轉(zhuǎn)爐傾動的電力傳動設(shè)備
在中大型轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中,爐體傾動部分一般采用四臺傾動電機(jī),通過減速機(jī)剛性連接,并采用全懸掛固定方式和扭力桿力矩吸收方式,如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語是:全懸掛四點(diǎn)嚙合柔性傳動方式。
圖1 轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)示意圖
2、轉(zhuǎn)爐傾動工作方式及控制要求
在轉(zhuǎn)爐的冶煉過程中,傾動電機(jī)的具有如下特點(diǎn):
· 轉(zhuǎn)爐傾動裝置由四臺傾動電機(jī)同時驅(qū)動,四臺電動機(jī)同步啟動,加、減速及同步運(yùn)行,并要求它們保持速度同步和均勻的負(fù)荷分配。
· 轉(zhuǎn)爐傾動速度一般可以在0.1~0.8rpm之間進(jìn)行傾動速度調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)爐傾動角度范圍0~±360°
· 一臺或二臺電機(jī)出現(xiàn)故障時,要求傳動系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),這時,余下的二臺或三臺電機(jī)短時間內(nèi)降速運(yùn)行,并保持速度同步和均勻的負(fù)荷分配。
· 轉(zhuǎn)爐傾動過程中,在不同的工況下,傾動電機(jī)有時處于電動狀態(tài),有時處于發(fā)電狀態(tài),傳動裝置需要解決能量回饋問題。
· 傾動控制裝置必須解決傳動與抱閘機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)控制問題,防止“溜車”現(xiàn)象的發(fā)生。
· 轉(zhuǎn)爐傾動裝置具有大慣量、重載的運(yùn)行特點(diǎn),要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。
3、氧槍傳動的電力控制設(shè)備
轉(zhuǎn)爐的另一個關(guān)鍵設(shè)備是氧槍。
氧槍是典型的位能負(fù)載,也是典型的提升應(yīng)用,氧槍控制裝置必須解決傳動與抱閘機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)控制問題,防止發(fā)生“掉槍”事故。
圖2 氧槍傳動系統(tǒng)示意圖
4、氧槍工作方式及控制要求
氧槍傳動系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):
氧槍下降時,電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),要求氧槍傳動裝置能解決能量回饋問題。
每臺轉(zhuǎn)爐一般配有兩套氧槍,兩臺氧槍升降設(shè)備,一臺工作,一臺在維修或備用。
氧槍的升降速度可無級調(diào)節(jié)。
氧槍也具有大慣量、重載高力矩啟動的運(yùn)行特點(diǎn),要求傳動裝置有足夠的起動力矩和過載能力。
二、漣源鋼鐵集團(tuán)50T轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)及傳動系統(tǒng)配置
漣源鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐工程為改造工程,原設(shè)備為電爐煉鋼,工藝相對落后,能耗高。2003年6月改造工程動工,傳動部分采用了我公司的CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng),并在年終一次性投運(yùn)成功。該轉(zhuǎn)爐傳動部分的主要工藝參數(shù)如下:
轉(zhuǎn)爐公稱容量:50噸
最大傾動力矩:1400KNm,最大事故力矩:3500KNm
傾動速度:0.28~0.8轉(zhuǎn)/min,總傳動比:802.2
吹氧時間:12~14min/爐,冶煉周期:42min
傾動電機(jī):YZR280M-8/45KW/93.5A
提升力:70.8KN,卷揚(yáng)能力:35.4KN
提升速度:快速41.9m/min,慢速10.5m/min
氧槍電機(jī):YZR250M-4/55KW/100A
根據(jù)以上參數(shù)和轉(zhuǎn)爐傳動系統(tǒng)的工作方式及控制要求,我公司開發(fā)出高性能的CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng),并在漣源鋼鐵集團(tuán)50T轉(zhuǎn)爐工程中一次性投運(yùn)成功。系統(tǒng)硬件具體配置如下:
傾動變頻器:ACS800-04-0140-3 四臺(含制動組件)
氧槍變頻器:ACS800-04-0120-3 兩臺(含制動組件)
光纖通信模塊:RDCO-03 四只
光柵編碼器:10-1153qiq-1024 三只
后臺控制系統(tǒng):SIEMENS S7-400(CPU 414-2DP)
CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)在傳動部分采用ACS800系列變頻器作為核心部件。在轉(zhuǎn)爐傾動部分配置四臺變頻器,采用“一拖一”驅(qū)動方式,四臺變頻器之間采用光纖構(gòu)成通信環(huán)網(wǎng);氧槍部分同樣采用“一拖一”方式驅(qū)動,并配置光柵編碼器;外圍控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-400系列PLC,并配套CMK專用的通信程序和工藝控制程序,結(jié)果證明CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)可以非常完美地完成轉(zhuǎn)爐驅(qū)動的各種工藝要求:在傾動電機(jī)速度同步、負(fù)荷平均分配和氧槍電機(jī)零速滿轉(zhuǎn)矩、報閘控制、抗過載能力等諸多方面均表現(xiàn)完美。
三、轉(zhuǎn)爐傾動部分變頻控制系統(tǒng)的方案說明
CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中,最為成功之處是在傾動部分采用了四臺變頻器“一拖一”驅(qū)動方式,并且圓滿地解決了變頻器之間的“主從”應(yīng)用問題。以往的轉(zhuǎn)爐驅(qū)動系統(tǒng)中,一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)或采用“一拖四”的交流調(diào)速方式,這種方式下只能保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本一致,而完全無法保證電機(jī)的負(fù)載一致問題,特別是“一拖四”的交流調(diào)速系統(tǒng),采用一臺變頻器同時驅(qū)動四臺電機(jī),由于電機(jī)的電氣特性并非完全一致,變頻器只能采用“V/F”控制方式,起動轉(zhuǎn)矩低,轉(zhuǎn)矩控制特性差。另外,由于電機(jī)的電氣特性差別,驅(qū)動過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法保證一致,而轉(zhuǎn)爐的傾動電機(jī)之間屬于齒輪剛性連接,微小的轉(zhuǎn)速差別可能引起非常大的負(fù)載不平衡,情況嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)在傾動過程中有的傾動電機(jī)處在電動狀態(tài),而有的傾動電機(jī)卻處在發(fā)電狀態(tài),造成了負(fù)載的嚴(yán)重不平衡,經(jīng)常損壞傾動電機(jī)。
而在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中,4臺變頻器通過光纖連接,構(gòu)成主從應(yīng)用工作組,工作時其中一臺設(shè)為主傳動工作方式,另三臺工作在從傳動方式,從傳動變頻器以速度/力矩工作方式工作,主變頻器速度由上位機(jī)PLC系統(tǒng)通過變頻器I/O口給定,主變頻器通過光纖環(huán)網(wǎng)向從機(jī)發(fā)送運(yùn)行信息,內(nèi)容包括主機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)矩及開關(guān)狀態(tài)等,從機(jī)通過DDCS光纜鏈路與主傳動連接,由主從應(yīng)用宏自動實(shí)現(xiàn)與主傳動的速度/力矩跟蹤和力矩準(zhǔn)確分配,直接用軟件實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)傳動中速度同步和力矩分配。由于通信是采用光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的,數(shù)據(jù)刷新時間為1ms,最大延遲時間為4ms,如此高的通信速度足以保證主從機(jī)之間的速度及負(fù)載的一致性,具有極好的實(shí)時性、高可靠性和抗干擾能力,速度跟蹤精度誤差低于0.3%s,主從應(yīng)用的通訊時間即使在1主10從的應(yīng)用情況下也不超過4ms。這是其他傳動系統(tǒng)所不具備的。
系統(tǒng)正常運(yùn)行時,上位PLC系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與變頻器正常通訊,實(shí)現(xiàn)控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,當(dāng)因某種原因引起某臺從變頻器或電機(jī)故障時,故障變頻器自動停止工作,另外三臺變頻器繼續(xù)工作,主變頻器控制負(fù)載在這三臺變頻器之間平均分配;當(dāng)主變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時,主變頻器停止工作,并發(fā)出故障信號,由上位PLC系統(tǒng)起動故障處理程序,通過變頻器I/O端口,設(shè)置另外一臺變頻器為主傳動,組成新的主/從工作組,按主/從方式繼續(xù)工作,新的主變頻器負(fù)責(zé)速度控制和負(fù)載分配。整個轉(zhuǎn)換過程在2秒鐘以內(nèi)完成。
ABB變頻器的這種主從可以重新配置的特點(diǎn),保證了轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)在任何一臺或二臺傾動電機(jī)或變頻器出現(xiàn)故障的情況下,仍能繼續(xù)工作,且不會出現(xiàn)電機(jī)負(fù)荷分配不均勻的現(xiàn)象。
ABB變頻器主從應(yīng)用宏在主機(jī)從一臺變頻器切換到另外一臺變頻器的情況下,主從應(yīng)用的速度環(huán)和力矩環(huán)仍然是在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的,具有極快的響應(yīng)速度和控制精度。而其它品牌的變頻器在主從應(yīng)用時,為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)從一臺變頻器到另一臺變頻器的切換,必須把速度環(huán)放在變頻器外部,例如在PLC中實(shí)現(xiàn)速度環(huán),這樣,速度環(huán)的響應(yīng)速度和控制精度就大打折扣,會引起速度不穩(wěn)、溜車等一系列問題。尤其是在煉鋼過程中操作轉(zhuǎn)爐傾動時,例如在煉鋼工人需要采樣鋼水樣品時,負(fù)載力矩的突然變化,要求速度環(huán)盡快響應(yīng),但以PLC實(shí)現(xiàn)的速度環(huán)可能來不及響應(yīng),出現(xiàn)溜車。
另外,為了監(jiān)控轉(zhuǎn)爐的傾動位置,系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)爐主軸上安裝有一只光柵編碼器,該信號直接傳誦到后臺PLC系統(tǒng),通過PLC來計算、轉(zhuǎn)換。而傾動電機(jī)則無須配置編碼器,原因是變頻器通過光纖環(huán)進(jìn)行通信,而ACS800變頻器的DTC控制方式已完全滿足轉(zhuǎn)爐電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度。
四、轉(zhuǎn)爐氧槍部分變頻控制系統(tǒng)的方案說明
在氧槍部分的變頻控制系統(tǒng)中,最為關(guān)鍵的一點(diǎn)是變頻器需要具有非常的的起動轉(zhuǎn)矩,原因是氧槍屬于典型的提升機(jī)負(fù)載,只要制動報閘一打開,電機(jī)就有100%的負(fù)載,而這時電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零,再考慮到加速轉(zhuǎn)矩、摩擦力矩及氧槍粘鋼水等因素,所以氧槍變頻器的起動轉(zhuǎn)矩最少應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)矩的120% 。而ACS800系列變頻器所獨(dú)有的DTC控制技術(shù),為氧槍電機(jī)提供了良好的動態(tài)特性和負(fù)載力矩響應(yīng)能力,超過200%的啟動力矩及先進(jìn)的提升應(yīng)用程序可以完全滿足氧槍工藝要求。
另外,氧槍需嚴(yán)格監(jiān)控,防止出現(xiàn)“溜槍”故障,在CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)中,我司充分利用了ABB公司開發(fā)的提升應(yīng)用程序,并結(jié)合PLC編制了一套抱閘邏輯控制程序,成功實(shí)現(xiàn)了變頻器在機(jī)械抱閘尚未打開的情況下,仍能維持零速滿力矩運(yùn)行而不跳閘,大大提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。
五、CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)
系統(tǒng)試運(yùn)行期間測得現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)如下
1、 傾動傳動部分:
電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩: 100%~160%
電機(jī)間速度同步誤差:0.1%~0.3%
電機(jī)間負(fù)載不平衡誤差:0.5%~1%
速度控制精度:0.1%~0.3%
轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間:1ms~5ms
加減速時間:2s
過載能力:>250%
2、 氧槍傳動部分:
電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩: 130%~150%
速度控制精度:0.1%~0.4%
轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間:1ms~5ms
加減速時間:2s~3s
過載能力:>200%
六、結(jié)論
系統(tǒng)自投運(yùn)以來,運(yùn)行非常穩(wěn)定,性能可靠,現(xiàn)場操作人員非常滿意,從未出現(xiàn)傾動時爐體“點(diǎn)頭、濺鋼”、“溜車”等問題。應(yīng)用證明,CMK系列轉(zhuǎn)爐傳動變頻控制系統(tǒng)非常完美地完成了漣源鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠50T轉(zhuǎn)爐設(shè)備的傳動任務(wù),該系統(tǒng)具有較大的市場推廣價值。
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