1 概述
  隨著交流變頻控制技術的不斷發(fā)展,交流傳動系統(tǒng)得到了廣泛應用,并逐步取代直流傳動系統(tǒng)。特別是在120t轉爐傾動裝置傳動系統(tǒng)中,該級別轉爐的傾動裝置,國內外一直采用直流電動機傳動控制系統(tǒng)。濟鋼120t轉爐傾動裝置首次采用交流變頻傳動系統(tǒng)并取得成功。為120t及以上級別轉爐傾動傳動交流化提供了寶貴經驗。為提高煉鋼自動化水平,降低生產維護成本奠定了">

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技術頻道

羅克韋爾自動化變頻器在濟鋼120t轉爐傾動裝置交流變頻調速系

1 概述
  隨著交流變頻控制技術的不斷發(fā)展,交流傳動系統(tǒng)得到了廣泛應用,并逐步取代直流傳動系統(tǒng)。特別是在120t轉爐傾動裝置傳動系統(tǒng)中,該級別轉爐的傾動裝置,國內外一直采用直流電動機傳動控制系統(tǒng)。濟鋼120t轉爐傾動裝置首次采用交流變頻傳動系統(tǒng)并取得成功。為120t及以上級別轉爐傾動傳動交流化提供了寶貴經驗。為提高煉鋼自動化水平,降低生產維護成本奠定了基礎。
  
  2 轉爐傾動工藝設備概況
  2.1 工藝設備結構
  濟鋼120t轉爐爐殼為全焊接式固定爐底結構,轉爐托圈為焊接箱形結構,其內通循環(huán)水冷卻,轉爐爐殼與托圈的連接,采用三點支承方式,此結構既能有效地在360º范圍內支承爐殼又可適應爐殼的熱膨脹。傾動裝置采用全懸掛扭力桿平衡型式。由以下幾部分組成:驅動電動機、一次減速機、二次減速機、扭力桿平衡裝置和潤滑裝置等。扭力桿平衡裝置是平衡轉爐傾動時引起懸掛減速機(二次減速機)殼體旋轉的旋轉力矩平衡裝置,通過扭力桿扭轉來吸收扭矩并將扭矩轉化為垂直的拉力和壓力,通過扭力桿軸的固定軸承座和浮動軸承座傳遞到基礎上,由于拉力和壓力使扭力桿形成相反的扭矩,從而導致產生了吸收傾動力矩的效果。
  轉爐傾動采用全正力矩方式,即轉爐傾動到任一角度時都保證是正力矩,確保轉爐在360º回轉過程中都是正力矩,事故斷電時,轉爐能夠以自身重力自動返回垂直位置,從而排除翻爐潑鋼事故的發(fā)生。轉爐傾動驅動系統(tǒng)主要工藝設備參數(shù):
  轉爐容量:125t 最大:135t
  最大傾動力矩:300T.m
  轉爐折算到電動機軸上的最大轉動慣量:675kg.m2
  機械齒輪速比:523
  額定轉矩:1700N.m
  最大力矩倍數(shù):Mcr/Me = 2.9
  傾動速度: 0.13—1.3 r/min
  傾動角度: 0—360˚
  加速時間:4S
  變頻電動機:4臺 132KW YZP355S-8 AC380V 735r/min
  電動機冷卻方式:強迫風冷
  傾動電動機附編碼器: 1024P/R DC24V
  傾動位置接近開關:4個
  傾動裝置制動器:YTD-2000/60
  制動器電動機:4臺0.55KW AC380V
  轉爐托圈耳軸端部編碼器: 3600P/R DC24V
  2.2工藝控制要求
  120t轉爐傾動機械設備采用4臺交流變頻電動機驅動,4臺電動機采用4點嚙合全懸掛形式,通過扭力桿裝置進行力矩平衡。
  轉爐傾動控制系統(tǒng)的基本要求為:
  (1)4臺電動機同步啟動、制動及同步運行,根據(jù)要求轉爐可以在0.13~1.3r/min之間進行傾動速度調節(jié),轉爐可以做±360°旋轉。轉爐傾動時4臺電動機負載應相同。
  (2)當一臺電動機發(fā)生故障,而轉爐正處于吹煉狀態(tài),則剩余3臺電動機降速運行維持該爐鋼煉完,此時轉爐速度控制在0.14~0.8r/min。
  (3)當轉爐正在出鋼、出渣時,交流電源系統(tǒng)發(fā)生停電故障,此時利用UPS電源將4臺制動器打開,轉爐依靠自重復位, 轉爐處于安全位置。
  (4)當轉爐出現(xiàn)塌爐等事故時,傾動機械的機電設備能短時過載,轉爐以0.13r/min速度旋轉,傾動轉爐倒出爐內裝盛物,然后進行事故處理。
  (5)轉爐為全正力矩設計,即在整個工作傾動角度內由0°~士180°方向傾動均為正力矩。
  (6)電力系統(tǒng)應能記憶煉上一爐鋼時,轉爐轉動0~180°的電動機參數(shù),如電壓、電流轉矩等,本爐次轉爐冶煉時,應將電動機當前參數(shù)與上一爐鋼轉爐轉動時的電動機參數(shù)進行對比,如果誤差超過10%則報警,操作工人應立即檢查設備是否故障。
  (7)為防止電動機突然啟動對設備的沖擊,轉爐開始傾動時電動機轉速應從零開始逐漸加速,從零到正常速度的加速時間是4S。
  (8)由于制動器制動力矩較大,為了防止制動時對設備的沖擊,轉爐制動時應先通過能耗制動將電動機減速,當轉爐傾動速度接近零時,制動器失電制動,制動時間為4S。
  (9)在現(xiàn)場操作臺和CRT上設置故障報警燈,顯示轉爐稀油潤滑系統(tǒng)是否正常,稀油站的故障信號包括油位低、油壓低及油溫高,三種故障信號合成一個給油異常信號,當此信號燈亮時,操作工人應立即檢查及排除稀油站故障。
  (10)轉爐在零位時如果電動機的驅動力矩大于700Nm,則報警,操作工人應及時檢查制動器是否出現(xiàn)故障。
  (11)如果電動機最大驅動力矩大于1800Nm10秒以上則報警,此時表示電動機超負荷工作,檢查機械系統(tǒng),有故障立即排除。
  (12)轉爐正常操作時,電動機驅動力矩不得大于2290Nm。
  (13)轉爐傾動時必需選擇3臺以上電動機工作才能操作,如果選擇2臺及以下時則報警。
  轉爐冶煉工藝過程轉動角度及速度控制范圍要求見表1
  
  
  
  3 電氣傳動控制系統(tǒng)方案
  3.1交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較
  120t轉爐傾動裝置驅動電動機,國內外以往一直采用直流電動機,隨著交流變頻控制技術的發(fā)展,交流傳動系統(tǒng)得到了廣泛應用,并逐步取代直流傳動控制系統(tǒng)。在濟鋼120t轉爐傾動系統(tǒng)設計階段,我們對兩種方案進行了詳細的技術調查及性能比較。
  1)交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較,見表2
  表2:交、直流電動機傳動控制方案的技術性能比較表
  
  
  通過以上技術性能和電動機機械特性比較,采用交流電動機傳動,電動機及變頻裝置的選擇應注意以下兩點:
  1) 交流電動機
   電動機功率應足夠大,Pe-ac≥1.2Pe-dc
  Pe-ac: 交流電動機額定功率
  Pe-dc: 直流電動機額定功率
   電動機過力矩能力應足夠大,Mmax=0.75Mcr≥1.2Mjmax,
  應選擇Mcr=2.8~3.0Mn的電動機,以避開上圖所示的轉速顛覆區(qū)。
   電動機型式:變頻,帶強迫冷卻風機
  2) 變頻傳動裝置
   應采用矢量變換型并具有低頻力矩補償功能的變頻傳動裝置。
   變頻傳動裝置應具有電動機勵磁預置特殊功能
   變頻傳動裝置應具有足夠大的過載能力,滿足Ivfmax≥2Ide,1min。
   變頻傳動裝置制動方式:為適應轉爐工作區(qū)間內力矩波動大的狀況,實現(xiàn)均勻加減速,克服機械設備的扭力振動,提高轉爐停車的穩(wěn)定性,理論上采用回饋制動方式較理想,但考慮到變頻裝置回饋制動單元長期頻繁運行,易發(fā)生逆變顛覆,造成系統(tǒng)停機。因此,為保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行,采用傳統(tǒng)的能耗制動方式。
  3.2 交流電動機的力矩校驗
  濟鋼120t轉爐傾動裝置驅動電動機技術數(shù)據(jù)如下:
  電動機型號:YZP355S-8
  電動機功率:132Kw
  額定轉速:735 r/min
  額定電壓/電流:380V/270A
  額定轉矩:1700Nm
  最大力矩倍數(shù):Mcr/Me=3.0
  冷卻方式:強迫風冷
  1) 力矩校驗基本計算
   電動機額定轉矩:1700Nm
   折算到電機軸上總負載力矩:
  Miz=260*103/551/0.92=5130(Nm)
  單電機軸上負載力矩:
  4臺工作:Mi4=5130/4=1283(Nm)
  3臺工作:Mi4=5130/3=1710(Nm)
   折算到電機軸上總加速力矩:
  Mjz=657*735/375/4=3220(Nm)
  單電機軸上加速力矩:
  4臺工作:Mj4=3220/4=805(Nm)
  3臺工作:Mi4=3220/3=1073(Nm)
  2) 校驗計算結果
  表3:校驗計算結果
  
  注:表中的計算是以電動機的額定力矩Me為基準。該型號電動機的正常過載能力(S3)為200%Me,60S; 非常過載能力為220%Me,15S。表中最大動態(tài)力矩系數(shù)1.1,是考慮到電動機負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。
  3.3 電氣傳動控制系統(tǒng)方案
  根據(jù)以上的分析計算及工藝控制要求, 濟鋼120t轉爐傾動裝置電氣傳動控制系統(tǒng)選用4套羅克韋爾公司的直接轉矩控制變頻裝置(型號:1336E-BP300-L8E-GM6;功率:224kW),傾動主回路采用4臺電動機一對一的結構,即4套變頻裝置控制4臺電動機,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;通過設備網(wǎng)(DeviceNet)與PLC通訊;具有兩倍的過載能力,1分鐘的條件;采用能耗制動方式;具有低頻力矩補償功能,電動機勵磁預置功能和力矩電流平衡等功能,控制電源采用UPS供電,能夠滿足傾動設備的力矩控制要求。
  
  見圖2:傾動裝置控制系統(tǒng)結構圖
  
  
  
  4 關鍵技術的應用
  1) 根據(jù)轉爐工作特點,4臺電動機必須同步啟動、制動及同步運行。如何實現(xiàn)這一要求,是該系統(tǒng)的關鍵。該方案中,4套變頻器對應4臺電動機, 正常情況下采用一主三從的控制方式,通過通訊方式調節(jié)一個速度環(huán)一個電流環(huán)來控制4臺電動機同步啟動、制動及同步運行。
  以1#變頻器為主為例,系統(tǒng)調節(jié)原理圖如下:
  
  圖3: 通訊方式系統(tǒng)調節(jié)原理
  通訊故障情況下,采用1#變頻器為主的控制方式,通過模擬量信號調節(jié)一個速度環(huán)四個電流環(huán)來控制4臺電動機同步啟動、制動及同步運行。示意圖如下:
  
  圖4: 通訊故障方式系統(tǒng)調節(jié)原理
  2)如何實現(xiàn)電動機勵磁預置,滿足傾動設備滿轉矩啟動要求
  本方案通過設備網(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機勵磁預置功能。通過主令發(fā)出預勵磁指令,信號傳到PLC中,再通過設備網(wǎng)(DeviceNet)的通訊方式向4臺變頻器發(fā)出‘電機預勵磁’信號, 電機勵磁迅速建立,實現(xiàn)零轉速滿轉矩啟動,滿足了傾動設備滿轉矩啟動要求。另外,通過CRT操作畫面選擇幾號變頻器為主,然后通過設備網(wǎng)(DeviceNet)向1臺變頻器發(fā)‘本機為主’信號。
  3)如果1臺電動機或變頻器故障,允許3臺電動機正常工作
  通過切除故障電動機或變頻器主回路電源,使故障電機完全處于被拖動的機械負載狀態(tài)。因為控制回路采取了4臺抱閘同時動作的控制方式,不會使電動機運行受阻。如果是主變頻器或電機故障,需要重新選擇另一臺變頻器為主。
  4)施耐德Quantum PLC 與DeviceNet通訊問題
  由于轉爐自動化控制系統(tǒng)采用了施耐德Quantum PLC,而該傳動控制系統(tǒng)為美國A-B公司變頻裝置,其通訊方式為DeviceNet網(wǎng)絡協(xié)議。因此,解決兩者之間通訊問題成為系統(tǒng)實現(xiàn)自動的關鍵。
  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。實現(xiàn)了轉爐傾動系統(tǒng)網(wǎng)絡自動控制。
  
  5 結束語
  濟鋼120t轉爐傾動裝置交流變頻傳動系統(tǒng),自2003年3月投入運行至今,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,其控制功能完全滿足了轉爐傾動工藝需求。這一技術的成功應用,標志著整個轉爐系統(tǒng)傳動實現(xiàn)了全交流化。在該級別轉爐系統(tǒng)中,該技術的應用在國內甚至國際上尚屬首例,是交流傳動應用的重大突破。為今后該級別及以上轉爐傾動裝置的設計及應用,積累了寶貴的經驗,具有較強的推廣應用價值。

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