转炉倾动电气方案设计应用研究

张旭 王福朝

摘   要：对于转炉倾动传动系统的电气方案设计，一方面对电机要有较好同步性能的要求，另一方面在电气控制中也要有良好的负荷分配，如何处理多电机刚性连接时负荷平衡和速度同步是转炉倾动系统电气方案设计的一个关键问题。本文从矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）技术在炼钢转炉倾动传动系统中的应用入手进行探讨，介绍了转炉倾动变频器选型方法，对目前交流电机变频调速控制系统流行的压频比（U/F）矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）的区别进行了阐述，并三者转矩响应或建立转矩的机理做了说明，阐述了选择变频器的理由，介绍了变频器选型的计算方法，主从控制的方法和通过PLC的位置控制方法，可靠性高及运行稳定。

关键词：转炉倾动  直接转矩控制  主从控制  定位控制

中图分类号：TF748                                 文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0130-02

随着电气控制系统的不断发展，PLC逻辑控制系统得到了广泛应用，并逐步取代老的系统。特别是在转炉倾动装置传动电气控制系统中，国内外的电气控制系统也在不断的升级改造中。某集团公司承接的越南某钢厂EPC建设项目中，炼钢车间转炉电气自动化系统采用PLC控制，转炉倾动的传动部分是由四台变频电机通过减速机与炉体刚性连接成一体，采用变频器驱动。转炉的倾动角度检测用旋转编码器作为位置检测元件并用PLC高速计数器来采集，通过PLC运算进行位置准确定位控制。下面就本项目中成功的转炉倾动传动选型做一简单介绍。

1  转炉传动系统配置

转炉倾动机构为四驱全悬挂柔性传动，有四台电机，四台一次减速机，一台二次减速机和一套扭力杆装置组成。转炉倾动属于势能负载，它对变频器的要求是满足满载启动运行平稳、启动/制动无冲击、电机四象限运行、在零速或低速时有较大的力矩输出、制动时电机立即停止、停位平稳准确和四台电动机同步运行负荷平衡。

鉴于ABB ACS800系列变频器控制核心是直接转矩控制（DTC），具有零速下可输出1.5～2倍的额定转矩，且转矩建立响应快并能实现主从控制方案等特点，故选用其作为转炉倾动传动的控制部件。

转炉倾动控制系统的要满足以下的基本要求：

（1）电动机启动运行平稳、启动/制动无冲击，根据要求转炉可以在一定范围内进行倾动速度调节。

（2）其中某台电动机如果出现故障，但转炉正在吹炼状态，那么其余3台电动机要能够降速运行保持到炉钢炼完。

（3）当转炉发生故障时，倾动机械的机械和电气设备能满足短时间的过载，可以倒出炉内物，以便事故处理。

（4）为阻止电动机在启动时对设备冲击，转炉开始倾动时应实现逐步的渐进加速。

2  直接转矩控制

目前变频的控制方式有：压频比控制方式（U/F）、矢量控制方式（VC）和直接转矩控制（DTC）。

压频比控制方式（U/F）是为了保证电机磁通恒定在控制时要求频率变化时电压按一定的比例调节。可以通过设置零速时的电压偏置建立零速转矩，但范围较小。

矢量控制方式（VC）和直接转矩控制（DTC）具有建立高于额定转矩的能力，但采用直接转矩控制（DTC）的交流调速系统可以获得比矢量控制要快得多的转矩响应。矢量控制系统的转矩阶跃响应，大约为6～7ms，直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1ms左右。原因是众所周知的，接转矩控制系统（DTC）由电机的电压和电流计算出定子磁链和转矩，采用砰-砰控制来实现变频器的PWM控制，DTC控制系统没有电流控制环路，接转矩控制系统（DTC）的着眼点是电压，而不是电流。矢量控制系统的输出电压是由电流调节器的输出产生的，这就存在电流调节的时间滞后。现代的矢量控制系统输出电压可以是由电机模型计算的前馈电压控制和电流调节共同产生，前馈电压控制可以获得较快的动态响应，但这个电压输出是由模型精确计算的，没有任何过冲现象，且电流是始终受控的。

3  变频器主/从控制功能

鉴于变频器在使用中简便和性能可靠， 在目前的电气控制方案中已逐步成本首选的电机控制器。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，是本次转炉电气情动方案的重点。本方案中，转炉倾动是采用四台变频器单独驱动，为了保证电机负荷平衡传动控制方案做成主/从控制方式（一主三从）。通过PLC逻辑处理出现故障时可以切换成一主两从或一主一从控制方式。如图1所示。

ABB ACS800的主/从控制功能是为多传动而设计的，柔性和刚性耦合连接均可。主/从控制的外部信号只与主机进行连接，主机通过一个光纤串行通讯链路来控制从机。在变频器选型时增加四块RDCO-0x专用选件。本项目的应用中按刚性耦合连接设置变频器参数。

主传动的控制方式是速度闭环系统，通过主给定的速度与电机编码器的反馈的实际速度形成速度闭环系统。从传动的控制方式是电流闭环系统，即主传动的速度调节器的输出作为从传动的电流给定，从传动通过电流闭环以到达电机负荷平衡的目的。

由于从机不会通过串行主/从机的连接向主机反馈任何数据。ABB推荐单独使用一根电缆将从机故障信息传送给主机。如图2所示。该连接在从机出现故障时，主机和从机都会停止运行。

另外，变频器有两个模拟输出端和三个继电器输出端用于外部监控。模拟输出端可以提供电机速度信号和电机电流信号，而三个继电器输出端分别指示准备、运行和无故障信号。将这些信号接入PLC系统便可对变频器的状态进行监视。

4  变频器容量选型

在设备配套选型时已确定好电机的型号。电机为Y系列变频电机参数如下：型号YZP225M-8，电压380V，功率30kW，电流68A，转速735r/min，转矩386N·m。

按下式计算变频器的容量：

PN=kPM/η（kW）                                                       （1）

式中：PN为变频器的额定容量kW，k为电流波形的修正系数 （PWM方式时，取1.05～1.0），PM为电动机的轴输出功率kW，η为电动机的效率。

k取1.05，η取0.9，把k、η及电机其他参数代入（1）式则：

PN=1.05*30/0.9=35 （kW）

根据ABB ACS800的选型手册选择ACS800-01-0050-3变频器。重载时其额定功率为37kW，电流为80A。

5  转炉倾动角度定位控制

PLC在我国的应用已十分普及。它具有运算速度快、逻辑可靠、布线和通讯便捷，工艺调整灵活和维护方便等诸多优点。在设计时选用了S7-300 PLC作为转炉的电气核心控制部件，选用工控机并配SIMATIC WinCC视窗上位软件作为HMI一起组成转炉一级自动化的控制系统核心部分。在HMI上可以方便地进行工艺参数的设定工作方式选择。

利用PLC作为位置环控制系统实现转炉倾动的定位控制系统，如图3所示。

S7-300 PLC的高速计数器具有外部控制的双向计数功能。转炉的倾动角度检测用旋转编码器作为位置检测元件，通过安装在转炉倾动机构低速轴上的编码器输出脉冲作为位置反馈信号将其送入到PLC，经其内部计算与设定值进行比较，位置到位后转炉倾动停止。编码器A和B脉冲信号的时序可以判定电机的旋转方向。ACS800可以采用无速度反馈控制方式并能保证速度的动静态精度。

6  结语

ACS800的主/从控制功能实现了多电机刚性连接时负荷平衡和速度同步问题，零速下转矩的建立和通过S型曲线的设定保证了转炉炉体在非平衡状态下重载能平稳启动。通过转矩速度模式的切换保证了速度的动态跟随。利用PLC通过编码器位置反馈做到了准确定位控制。研究认为频繁在零速下啟动的情况下选择直接控制方式的变频器其使用效果要优于矢量控制方式，随着变频控制技术的不断发展变频器的应用前景十分广阔。

参考文献

[1] 孙学思. 转炉倾动自动控制系统设计与实现[D].东北大学，2013.

[2] 黄红艳. 高动态性能变频调速控制方式的比较和应用[J]. 国网技术学院学报， 2005， 8（4）：54-56.

[3] 李方园. 变频器在冶金工业中的应用与维护 第四讲 变频器在转炉系统中的应用[J]. 变频器世界， 2010（10）：123-125.