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變頻調(diào)速技術(shù)在煉鋼廠20噸轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)和氧槍升降上的應(yīng)用

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北京世紀(jì)長秋科技有限公司

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產(chǎn)品簡介

詳細(xì)介紹

　　承鋼煉鋼廠于是1986年建成投產(chǎn)，該廠有3座20噸頂?shù)讖?fù)合吹轉(zhuǎn)爐和2臺(tái)方坯連鑄機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)采用了當(dāng)時(shí)國內(nèi)外的一些新工藝、新設(shè)備，如頂?shù)讖?fù)合吹煉、吹氬、廢氣回收等。電控系統(tǒng)是當(dāng)時(shí)國內(nèi)比較的模擬量恒磁通邏輯無環(huán)流直流拖動(dòng)系統(tǒng)。該廠建成后使承鋼的煉鋼生產(chǎn)能力大幅度提高，從而也使該廠的生產(chǎn)在承鋼占有舉足輕重的地位。1994年5月，意外事故造成3座20噸轉(zhuǎn)爐全部停產(chǎn)。在這種萬分緊急的情況下，為恢復(fù)生產(chǎn)，在有關(guān)專家的指導(dǎo)下，承鋼在鋼鐵冶金轉(zhuǎn)爐上大膽采用了具有轉(zhuǎn)矩限定功能的全數(shù)字式交流變頻調(diào)速技術(shù)，用以取代原來的直流拖動(dòng)系統(tǒng)，并獲得了成功。調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，新采用的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有可以與原直流系統(tǒng)相媲美的平滑調(diào)速特性，滿足工藝要求。而且，調(diào)速裝置體積較小、功能全、集成度高，相當(dāng)于國際90年代水平。盡管操作人員習(xí)慣沒有改變，但由于裝備水平提高，裝置集成度高，且其自診斷和保護(hù)功能可靠，因此大大降低了熱停工時(shí)間。

　　一、轉(zhuǎn)爐原直流拖動(dòng)系統(tǒng)簡介

　　1986年建成投產(chǎn)的3座轉(zhuǎn)爐，爐子傾動(dòng)和氧槍升降的拖動(dòng)系統(tǒng)采用的是模擬量恒磁通邏輯無環(huán)流直流拖動(dòng)系統(tǒng)，恒磁通調(diào)壓調(diào)節(jié)器速，該系統(tǒng)具有兩個(gè)閉環(huán)、一個(gè)速度環(huán)、一個(gè)電流環(huán)，每座轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)由四臺(tái)22kW、650r/min直流電動(dòng)機(jī)集中傳動(dòng)，每座轉(zhuǎn)爐有兩根氧槍，每根氧槍由一臺(tái)22kW、650r/min直流電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)。由于80年代初期我國電控配套水平所限（盡管該直流系統(tǒng)當(dāng)時(shí)是國內(nèi)較的拖動(dòng)系統(tǒng)），該系統(tǒng)十分龐大。每座轉(zhuǎn)爐的電控柜達(dá)14臺(tái)之多，繼電器、接觸器多達(dá)160個(gè)。因插件為分立元件，且系統(tǒng)是模擬控制方式，因此調(diào)試周期很能夠長（達(dá)3個(gè)月）。由于原系統(tǒng)存在先天性的不足，所以運(yùn)行一段時(shí)間后熱停工時(shí)間增加，維護(hù)難度越來越大。尤其是繼電聯(lián)鎖部分和插件部分故障率相當(dāng)高，不但維護(hù)費(fèi)用高（達(dá)0.45元/噸鋼），而且嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

　　二、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)負(fù)載和氧槍升降負(fù)載特性及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析

　　1.氧槍負(fù)載特性及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)狀態(tài)分析

　?。?）氧槍負(fù)載是典型的位能負(fù)載。

　　氧槍機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。氧槍工藝要求如下：

　　4 Me=4*29.37=117.4694(kgf?m)

　　傳遞到爐子軸上的額定轉(zhuǎn)矩為

　　17.4694*802.3=94246.362(kgf?m)＞85 tf?m

　　即電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)矩傾動(dòng)力矩。

　　若考慮電動(dòng)機(jī)的過載能力，

　　對(duì)Y系列電機(jī)：入= Mmax/ Me≈2.0，則轉(zhuǎn)矩為2*94.25=188.5 tf?m

　　對(duì)YZ系列電機(jī)：入= Mmax/ Me=(2.2~2.8),則轉(zhuǎn)矩將更大。

?。╞）氧槍電機(jī)傳遞到卷筒上的額定轉(zhuǎn)矩為

　　29.37*19.24=0.565( tf?m)

　　略小于氧槍負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.6t?m，但考慮到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

　　2*29.37*19.24=1.13 tf?m

　　遠(yuǎn)大于氧槍負(fù)載0.6t?m，故仍采用22kW電機(jī)試驗(yàn)。

　　2）極數(shù)選擇。

　　由于原直流機(jī)的ne=650r/min，故選用8極交流電機(jī)，盡管額定轉(zhuǎn)速稍高一些（730r/min)。但若選用10極電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速僅為600r/min，要提高轉(zhuǎn)速必須提高頻率（50Hz以上），這樣，特性將會(huì)變?yōu)楹愎β?，這不適用于此種負(fù)載。

　　（3）變頻器的選用及其工作原理。

　　對(duì)于爐子傾動(dòng)這種負(fù)載，變頻器選用的最重要原則之一是：所選變頻器必須具有在滿載或過載時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩恒定的功能，也就是要用具有轉(zhuǎn)矩限定的無跳閘變頻器。另外要具有再生發(fā)電制動(dòng)功能。還要注意到普通電機(jī)長期工作于低頻狀態(tài)時(shí)電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象（因低頻時(shí)電機(jī)風(fēng)扇通風(fēng)能力降低所致）。基于上述考慮，我們選用了FUJI FRENIC5000G7型變頻器。

　　爐子傾動(dòng)電機(jī)總?cè)萘繛?*22=88kW，故選用FREN110G7 4型、400V系列變頻器。另配制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻以及繼電單元。

　　氧槍升降電機(jī)容量為22kW,故選用FRN30G7-4型、400V系列變頻器。另配制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻及繼電單元。

　　該型號(hào)變頻器是全數(shù)字大功率晶體管（GTR）變頻器。它具有兩個(gè)別16位CPU，通過它們可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限定、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制、瞬時(shí)電源故障后的平穩(wěn)恢復(fù)以及自動(dòng)加/減速控制，并具有低噪音、高可靠保護(hù)和錯(cuò)誤診斷等功能。

　?。?）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和安裝調(diào)試情況簡介。

　　1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及就注意的問題。

　　?轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)仍采用三地可選操作（操作室、爐前、爐后），以滿足工藝要求，操作開關(guān)仍采用原來的無觸點(diǎn)主令開關(guān)，從而可不改變?cè)瓉淼牟僮髁?xí)慣。

　　?無觸點(diǎn)主令開關(guān)后加一相敏整流插件，經(jīng)得到0~10V的模擬量控制電壓。

　　?變頻器的頻率控制信號(hào)為0~±10V模擬量電壓信號(hào)的極性來改變電動(dòng)機(jī)的正反運(yùn)行方向。

　　?變頻器的運(yùn)行命令需在主電源接通幾秒后方能接通，否則，若在主電源接通前該命令已接通，逆變器將診斷為故障，不工作。即FWD或REV與CM端子之間的接通應(yīng)在主電源接通幾秒后才能接通。

　　?該變頻器設(shè)有的0.5~5Hz 起動(dòng)頻率可維持0~10秒。5Hz以下由于諧波分量相對(duì)較大，會(huì)造成起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，故不易使用。

　　?為確保電機(jī)起動(dòng)時(shí)有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來確保重載起動(dòng)的安全性，利用其頻率水平檢測信號(hào)端子FDT打開抱閘。即FDT和CME端子的輸出信號(hào)控制繼電單元，利用繼電單元的動(dòng)合點(diǎn)去控制抱閘接觸器線卷（FDT和CME是無源點(diǎn)，當(dāng)變頻器輸出頻率超過設(shè)定的檢測水平時(shí)，此信號(hào)有，否則無）。

　　?制動(dòng)單元和變頻器之間的連線需注意不能接反極性和線號(hào)，否則制動(dòng)單元將不能正常工作或不起制動(dòng)作用。

　　?輔助控制電源R。、T。端子應(yīng)從主電源接觸器電源側(cè)引接，以確保在變頻器故障跳閘或人為停運(yùn)時(shí)，變頻器能正確顯示故障類型。

　　?除主回路和輔助控制電源外，變頻器的所有輸入和輸出端子的接線均應(yīng)采用屏蔽，以解決電磁干擾問題，而屏蔽層一端要做良好接地。

　　?標(biāo)有E（G），END的端子均應(yīng)單獨(dú)良好接地，不要跨接。

　　?將主令開關(guān)零位時(shí)的閉點(diǎn)接到變頻器的滑行停止信號(hào)端子BX和CM端子上，從而使變頻器的主令開關(guān)回零位時(shí)或在零位時(shí)立即無輸出。
2）安裝調(diào)試情況。

　　變頻器運(yùn)行期間，其環(huán)境溫度應(yīng)在-10~+50°C之內(nèi)。垂直安裝時(shí)，振動(dòng)要低于0.5G。周圍應(yīng)無腐蝕性氣體。柜內(nèi)安裝時(shí)，應(yīng)確保柜內(nèi)溫度不超過50°C。

　　調(diào)試時(shí)遇到的主要問題如下：

　　?設(shè)定完有關(guān)數(shù)據(jù)后，起車時(shí)抱閘打開，負(fù)載有溜車現(xiàn)象，且變頻器經(jīng)常出現(xiàn)過流。根據(jù)現(xiàn)象判斷是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠。另外也說明了起動(dòng)電流大并不等于起轉(zhuǎn)矩大。解決的方法是提高低頻率時(shí)的電壓，從而補(bǔ)償?shù)退贂r(shí)的轉(zhuǎn)矩。

　　?開始時(shí)以及用RUN和CME端子信號(hào)來控制抱閘開合時(shí)（即輸出輸出頻率達(dá)到5Hz時(shí)RUN為通，從而打開抱閘），發(fā)生負(fù)載下滑溜車現(xiàn)象，后改為用FDT頻率水平檢測信號(hào)端子來控制抱閘，提高了低頻時(shí)的電壓，使上述問題得以解決。當(dāng)輸出頻率比設(shè)定頻率大時(shí)（FDT設(shè)定頻率為8Hz），F(xiàn)DT-CME之間為通，可通過繼電單元的動(dòng)合接點(diǎn)接通抱閘接觸器打開抱閘。利用FDT功能就是讓電動(dòng)機(jī)先堵轉(zhuǎn)建立起足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩后，抱閘才打開。從而保持在重載起動(dòng)時(shí)的安全，避免了倒鋼或溜車事故的發(fā)生。

　　?3號(hào)轉(zhuǎn)爐調(diào)試時(shí)，主令開關(guān)均在零位（即未加頻率給定信號(hào)），但變頻器仍有3~7Hz的變化輸出。也就是說存在干擾輸入信號(hào)。檢查后發(fā)現(xiàn)0~±10V控制信號(hào)和主令二次輸出信號(hào)（約48V）在一根電纜里，將它們分開后此現(xiàn)象消失。由此可見，在施工中一定要注意做好屏蔽，強(qiáng)弱信號(hào)絕不能混用一根電纜。

　　?在2號(hào)轉(zhuǎn)爐氧槍試車時(shí)，曾發(fā)生一加給定，抱閘打開后，逆變器就立即故障，并顯示“F01 OU"的現(xiàn)象。查表可知是主電路直流過電壓。經(jīng)分析懷疑是制動(dòng)單元未投入工作所致。檢查后發(fā)現(xiàn)，是THR和CM端子與制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻的1和2端子連線接反，誤將THR接到制動(dòng)單元的2端子上（應(yīng)接制動(dòng)單元的10端子）所致，將線改接后此現(xiàn)象消失。

　　?調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，用YZR繞線電機(jī)換Y系列鼠籠形電機(jī)，并將轉(zhuǎn)子直接短接后使用，亦能滿足工藝要求。目前均應(yīng)用YZR繞線電機(jī)。

　　?在3號(hào)轉(zhuǎn)爐調(diào)試中，開始未加主令開關(guān)零位逆變器功能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主令開關(guān)回零后，抱閘合上，但電機(jī)有較大響聲。分析認(rèn)為，當(dāng)主令開關(guān)回零后，變頻器不是立即無輸出，而是按照預(yù)先設(shè)定好的減速曲線逐漸降到零輸出，故電機(jī)有響聲。后來加上主令開關(guān)零位后，此現(xiàn)象消失。

　　?由于3號(hào)轉(zhuǎn)爐由于事故停產(chǎn)，爐內(nèi)有26噸鐵水，已在爐底凝成大塊。因此負(fù)載的力矩遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的最在傾動(dòng)力矩（85 tf?m），初步估算約為150 tf?m，而交流調(diào)速裝置仍能拖動(dòng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)，可見恒轉(zhuǎn)矩變頻器能將交流電機(jī)的過載能力充分發(fā)揮出來。
三、有待解決的問題

　?。?）由于時(shí)間太匆忙，未選用接地錯(cuò)誤檢測單元，而煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境又比較惡劣，因此經(jīng)常發(fā)生電機(jī)主電源電纜接地故障。對(duì)接地故障而言，若無檢測單元，變頻器將無保護(hù)功能，因此應(yīng)及時(shí)完善功能。

　?。?）目前由于尚沒有PLC，當(dāng)發(fā)生三地操作，主令只要有一個(gè)不在零位，而又恰需選擇該主令操作時(shí)，相當(dāng)于人為加上頻率給定信號(hào)，因此將發(fā)生“自動(dòng)"開車現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)。當(dāng)然用繼電器亦可實(shí)現(xiàn)，但較復(fù)雜，因此應(yīng)用早用PLC。

　?。?）目前三座轉(zhuǎn)爐均應(yīng)用YZR繞線電機(jī)，應(yīng)盡早更換YZ鼠籠電機(jī)。

　　在承鋼20噸轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)和氧槍升降上應(yīng)用變頻器的實(shí)踐表明：

　?。?）具有轉(zhuǎn)矩限定的無跳閘變頻調(diào)速裝置適用于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)和氧槍升降這樣的位能負(fù)載，且適用于沖擊性負(fù)載。

　　（2）交流變頻調(diào)速具有可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速特性，盡管我們所使用的FUJI G7交流調(diào)速裝置是開環(huán)控制，但它的功能相當(dāng)于原來的雙閉環(huán)直流系統(tǒng)。

　?。?）由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和大量應(yīng)用軟件的開發(fā)，以及電力電子器件的發(fā)展，使靜止變頻體積很少。因此目前的1面柜相當(dāng)于原來直流系統(tǒng)14面柜的功能，從而使施工量大大減小，占地面積大大減小。

　　（4）調(diào)試周期大大縮短，每個(gè)系統(tǒng)僅需兩個(gè)小時(shí)即可，而原來系統(tǒng)的調(diào)試，約需兩三個(gè)月。

　?。?）由于元器件大大減小，故障率將大大降低。預(yù)計(jì)熱停工時(shí)間將減小50%以上。相應(yīng)的維護(hù)費(fèi)用亦將有較大降低（原來每年維護(hù)費(fèi)用約為18萬元）。

　　（6）我們使用的G7型變頻器保護(hù)功能十分靈敏可靠。而且在某種意義上具有允許“誤操作"功能。比如，若將主令開關(guān)從零位迅速推到正給定位置（或負(fù)給定）或從正給定位置迅速推到負(fù)給定位置，若你的加/減速的速度比設(shè)定的快，變頻器將不跟隨你的命令，而是按照現(xiàn)場調(diào)試時(shí)已設(shè)定好的加/減速曲線自動(dòng)進(jìn)行加/減速。若速度比設(shè)定的慢，變頻器將執(zhí)行你的命令。這就是允許“誤操作"的含義。

關(guān)鍵詞：交流變頻調(diào)速變頻調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī) 直流電機(jī) 繼電器

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