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风光JD-BP32系列变频器在转炉倾动中的应用 |
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作者：新风光电子 郭培彬 |
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摘 要：本文介绍了山东某钢铁集团50T转炉倾动系统的特点和控制要求。通过风光JD-BP32系列变频器的系统配置和现场调试，满足了转炉设备的控制要求。转炉倾动多年平稳运行，印证了调试JD-BP32系列变频器的方案是可行的。
关键词：风光JD-BP32变频器 转炉 应用
1 转炉传动系统特点
转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，其炉体外形如图1示。转炉像一个“挂着的水桶”。转炉系统主要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。下面介绍炉体倾动的电力传动设备。
在大中型转炉系统中，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矩吸收方式。
炼钢厂转炉倾动装置在实际生产操作过程中，需对转炉倾动装置进行频繁的起动、制动及加减速操作，所以对倾动装置的控制精度及系统的响应时间有很高的要求。转炉倾动负载特性及电动机运转状态分析如下：
根据转炉控制工艺要求，转炉的倾动角度为正反360°，当转炉炉口与炉底方向轴线与地平面垂直时为垂直状态，故转炉倾动负载力矩为角度的函数，即Tfz＝f（θ），属于反阻性的位能负载。另外，根据工艺设计说明，转炉按正力矩设计，即转炉的耳轴下部比上部高，下部比上部重，从而保证转炉控制系统的稳定性。在转炉倾动装置的实际操作中，进行倒渣或出钢时，可能出现负力矩。当转炉炉体处于正力矩状态时，电动机处于电动运行状态，当转炉炉体处于负力矩状态时，电动机处于发电运行状态，此时电动机处于回馈制动状态，倾动装置的驱动电动机的机械特性和负载特性如图2所示：
2转炉倾动控制系统的基本要求
（1）四台电动机同步启动、制动及同步运行，根据要求转炉可以在0.2～1.0r/min之间进行倾动速度调节，转炉可以做±360°旋转。
（2）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。
（3）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0.2r/min速度旋转，倾动转炉倒出炉内装盛物，然后进行事故处理。
（4）转炉为全正力矩设计，即在整个工作倾动角度内由0°～士180°方向倾动均为正力矩。
（5）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2s。
（6）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2S。
（7）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 山东某钢铁集团50T转炉主要控制难点
3.1主要控制难点
转炉控制主要完成炉前的炉门动作和炉体的倾动操作，炉后倾炉和出钢钢包车、出渣渣车操作，烟罩的升降操作和冷却水流量、压力联锁控制，氧枪的升降操作和氧枪定位及冷却水流量压力联锁控制，氧枪横移换枪操作，上料称重和进料操作，并完成转炉水冷烟罩、水冷炉壁、水冷氧枪等水冷系统多个测温点温度变化的实施数据采集以及冷却水系统压力、流量等实时数据采集监视和超限及事故报警。通过以太网实现PLC和操作站之间的实时数据传送，由人机界面完成生产过程监控。 图3为转炉现场图。
图3 转炉现场图
其中，四台转炉倾动电机的控制是该项目中技术难度最大的课题，要求必须做到快速响应，控制精度、安全可靠性能要求比较高。设计采用的传动控制装置是风光JD-BP32系列变频器产品，型号为 JD-BP32-315T（315kW/380V），较好地解决了以上难题。
3.2转炉倾动变频控制方式选择
根据近几年转炉倾动控制系统的设计和应用情况，设计单位针对“一拖四”控制方式（即一台变频器拖动四台电动机）和“四拖四”主从控制方式进行了认真的比较，认为“一拖四”的控制方式，系统简单，易编程调试和维护，从安全、合理的角度考虑，每座转炉另外设一套变频器装置作为备用，以化解转炉正常生产时，因变频器故障而带来的停产。最终设计单位确定了四台电动机采用“一拖四”控制方式。转炉倾动主回路如图4所示。
图4 转炉倾动主回路图
3.3转炉倾动变频控制特点
（1）再生能量的处理：对于转炉倾动这种负载，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高性能变频器，以保证转炉生产的安全性。另外要具有再生发电制动功能。为了保证转炉生产的连续性，采用传统的制动单元和制动电阻，而不采用回馈单元，处理电机的再生发电。
（2）开抱闸的控制：转炉倾动在控制过程中，应防止出现“溜车”故障。利用PLC控制程序，使抱闸在系统起动后电机转矩建立到足够大时松开，大大提高了系统应用的可靠性。
3.4转炉倾动控制系统操作
（1）三地操作：根据炼钢工艺的要求，转炉倾动需三地控制，分别是主控室主操作台控制、转炉炉前操作台控制、转炉炉后操作台控制。主控室主操作台控制：在主控室通过主操作台上的按钮及摇炉主令控制器可对转炉进行摇炉、加料、出料及其它所有的操作均能在主控室主操作台上进行。转炉炉前、炉后操作台控制：主要是在出料出渣及转炉维护时现场工人使用，由于在主控室只能看到转炉的一个正面，在出料出渣时无法看到出料的多少，这样只能借助于现场炉前炉后操作台工人的现场操作。
（2）开停机及速度给定——倾动摇炉主令控制器
开停机及速度给定控制由倾动摇炉主令控制器给出，现主令控制器选用TE公司生产的XDA-V11122型。XDA-V11122型主令控制器与PLC之间进行电压模拟量输入，电压范围为-10V～+10V。当输入电压-10V～0V时，电机反转；当输入电压0V～+10V时，电机正转。在PLC程序中，将-10V～＋l0V的范围对应划分为-27648～＋27648数字范围。当输入在-27648～-300时，电机反转；在300～27648时，电机正转；在-300～＋300时，电机不动，防止控制器漂移而发生误动。
4山东某钢铁集团50T转炉工艺参数
该钢铁集团50T转炉工程为新建项目，采用了当时国内外先进的控制工艺、控制技术，项目于2003年7月一次性投运成功。该转炉倾动部分的主要工艺参数如下：
转炉公称容量：50T
额定倾动力矩：1000kN.m
最大事故力矩：2300 kN.m
倾动速度：0.2～1.0rpm
总传动比：563.08
倾动电机：YGP315M-8，45kW，电机为辊道用变频调速三相异步电动机，定子Y接， H级绝缘，工作制S5（40%），cosΦ=0.76，额定电流85.9A,额定转矩659.1N.m。
5 JD-BP32系列变频器产品特点
JD-BP32系列变频器是山东新风光电子科技发展有限公司采用全新理念自主开发的一系列高性能，简易型、低噪音变频器。在提高稳定性的前提下增加了简易PLC、实用的PI调节，灵活的输入输出端子、参数在线修改、自识别信号传输故障、停电和停机参数存储、定长控制、摆频控制、RS485控制、现场总线控制等一系列实用先进的运行、控制功能。为设备制造和终端客户提供了集成度高的一体化解决方案，对降低系统采购和运营成本，提高系统可靠性具有极大的帮助。
JD-BP32系列变频器产品技术参数如表2所示。
表2 JD-BP32系列变频器产品技术参数 | 项目 | 标准规范 | 输入 | 额定电压/频率 | 三相 380V；50Hz/60Hz | 变动容许值 | 电压：-20% ～ +20％ 电压失衡率：<3% 频率：±5％ | 输出 | 额定电压 | 380V | 频率范围 | 0Hz～500Hz | 频率解析度 | 0.01Hz | 过载能力 | 150%额定电流1min，180%额定电流3s | 主要控制功能 | 调制方式 | 优化空间电压矢量SVPWM调制 | 控制方式 | 空间电压矢量SVPWM控制（具有最优低频死区补偿特性） | 频率精度 | 数字设定：最高频率×±0. 01%；模拟设定：最高频率×±0.2% | 频率分辨率 | 数字设定：0.01Hz；模拟设定：最高频率×0.1% | 起动频率 | 0.40Hz～20.00Hz | 转矩提升 | 自动转矩提升，手动转矩提升0.1%～30.0% | V/FFFFF曲线 | 五种方式：恒转矩V/F曲线、1种用户定义多段V/F曲线方式和3种降转矩特性曲线方式(2.0次幂、1.7次幂和1.2次幂) | 加减速曲线 | 两种方式：直线加减速、S曲线加减速；七种加减速时间，时间单位(min/s)可选 ，最长6000min | 直流制动 | 直流制动开始频率：0～15.00Hz 制动时间：0～60.0s 制动电流：0～80％ | 能耗制动 | 内置能耗制动单元，可外接制动电阻 | 点动 | 点动频率范围：0.1Hz～50.00Hz,点动加减速时间0.1～60.0s | 内置PI | 可方便地构成闭环控制系统 | 多段速运行 | 通过内置PLC或控制端子实现多段速运行 | 纺织摆频 | 可实现预置频率、中心频率可调的摆频功能 | 自动电压调整(AVR) | 当电网电压变化时，维持输出电压恒定不变 | 自动节能运行 | 根据负载情况，自动优化V/F曲线，实现节能运行 | 自动限流 | 对运行期间电流自动限制，防止频繁过流故障跳闸 | 定长控制 | 到达设定长度后变频器停机 | 通讯功能 | 具有RS485标准通讯接口，支持ASCII和RTU两种格式的MODBUS通讯协议。具有主从多机联动功能 | 运行功能 | 运行命令通道 | 操作面板给定；控制端子给定；串行口给定；可三种方式切换 | 频率设定通道 | 键盘模拟电位器给定；键盘▲、▼键给定；功能码数字给定；串行口给定；端子UP/DOWN给定；模拟电压给定；模拟电流给定；脉冲给定；组合给定；可多种给定方式随时切换 | 开关输入通道 | 正、反转指令；8路可编程开关量输入，可分别设定35种功能。 | 模拟输入通道 | 2路模拟信号输入，4～20mA、0～10V可选 | 模拟输出通道 | 模拟信号输出， 4～20mA或0～10V可选，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出 | 开关、脉冲输出通 道 | 1路可编程开路集电极输出；1路继电器输出信号；1路0～20kHz脉冲输出信号，实现各种物理量输出 | 操作 面板 | LED数码显示 | 可显示设定频率、输出电压、输出电流等参数 | 外接仪表显示 | 输出频率、输出电流、输出电压显示等物理量显示 | 按键锁定 | 实现按键的全部锁定 | 参数拷贝 | 使用远控键盘可以实现变频器之间的功能码参数拷贝功能。 | 保护功能 | 过流保护；过压保护；欠压保护；过热保护；过载保护等 | 任选件 | 制动组件；远程操作面板；远程电缆；键盘安装座等 | 环境 | 使用场所 | 室内，不受阳光直射，无尘埃、腐蚀性气体、油雾、水蒸汽等 | 海波高度 | 低于1000m（高于1000m时需降额使用） | 环境温度 | －10℃～＋40℃ | 湿度 | 小于90%RH，无结露 | 振动 | 小于5.9m/s2（0.6M） | 存储温度 | －20℃～＋60℃ | 结构 | 防护等级 | IP20（在选用状态显示单元或键盘的状态下） | 冷却方式 | 强制风冷 |
6 具体调试过程
由于工艺需要需要经常频繁摇炉，再加上自身重量和炉内料的重量达160吨左右，负载惯性大，为确保在任意位置不下滑，每台电机的机械抱闸何时打开、何时关闭是调试的关键。在实际调试过程中，经过反复实验，选择四台电动机额定电流值之和的空载值（30～35%），此时电机已建立起足够大的电磁转矩，通过与PLC配合，制动器可以打开。这样可以避免出现“溜车”现象。
由于转炉变频器是“一拖四”控制，所以变频控制只能采用“V/F”控制，为了提高变频器在低速的转矩，启动时应加上一个合适的提升电压。
电压提升参数：P0.09=6% 启动时电压提升的数值。P0.10=10Hz 转矩提升截止频率。变频器主要调试参数如表3所示。
表3 变频器主要调试参数 | 1 | P0.01=6 频率给定通道选择 | 2 | P0.04=00 运转方向设定 | 3 | P0.06=40 最大输出频率 | 4 | P0.07=50 基本运行频率 | 5 | P0.09=6 转矩提升 | 6 | P0.10=10 转矩提升截止频率 | 7 | P0.12=2 载波频率 | 8 | P0.16=0 加减速时间单位 | 9 | P0.17=2 加速时间 | 10 | P0.18=2 减速时间 | 11 | P2.01=3 启动频率 | 12 | P2.05=1 停机方式 | 13 | P4.00=9 三线式运转控制 | 14 | P4.02=17 故障复位 | 15 | P4.12=0 变频器运行信号 | 16 | P4.13=15 变频器故障信号 | 17 | P4.17=1 输出电流 |
然后根据工艺要求，变频器与PLC控制系统连接信号主要有：正转运行，反转运行，急停，复位，变频器运行信号（开抱闸信号）和变频器故障信号。根据现场接线图5示。
图5 变频器与PLC接线图
7 现场使用情况
转炉倾动电机的具体控制过程如下：
（1）起动过程
当系统准备运行时，变频器主回路各开关及接触器接通，主令控制器将模拟量数值输入PLC中，通过主令控制器输入的正负值，PLC判断变频器正、反转，对主令控制器的输入值取绝对值后作为变频器的速度控制而输出，变频器无故障的情况下开始运行，开闸信号（根据变频器输出电流是否到达所需的电机电流的幅值）由PLC给出，转炉倾动电机开始转动且转速上升至给定值。
（2）停车
当主令控制器打到停机位后，PLC发出停车指令，变频器封锁输出，抱闸关闭，转炉倾动停止转动。
（3）故障
当变频器发生故障后，其故障信号输入PLC中，抱闸关闭，同时PLC发出报警。
8结束语
2003年7月1日，整个转炉工程投入使用。相比于钢厂内其它转炉倾动直流调速控制，变频调速具有维护费用低，运行时动作响应快，运行平稳等特点，避免了溜车、钢水外溅事故的发生。转炉倾动多年平稳运行，印证了调试风光JD-BP32-T系列变频器的方案是可行的。
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(10/14/2011) |
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