ABB变频器在转炉倾动上的应用分析

ABB变频器在转炉倾动上的应用分析ABB变频器在转炉倾动上的应用分析沈中朋1引言转炉的倾动和氧枪控制是转炉系统控制的核心，是关系产品质量和生产安全的关键环节，河北省某公司第二、三炼钢厂的60t转炉倾动装置，由4台电机驱动，低速轴刚性连接。于2008年12月份投产至今，做到了停车点、变速点的准确控制，最大限度地发挥了变频器的特长和优点，得到厂家的一致好评。来源:工艺要求转炉在炼钢时，是垂直的，炉口向上，当出钢时，需要倾斜一定的角度。炉体倾动部分采用4台电机驱动，低速轴刚性连接，炉体采用4点悬挂式，辅以扭力杆作为力矩吸收。根据工艺要求，转炉炉体需能进行正反360°的倾动。一般情况转炉倾动机构处于正力矩工作状态，其重量主要集中在下部。这样就可以确保转炉事故状态下，炉体能自动复位。也就是说倾动机构具有势能负载特性。因此，对系统提出如下要求：1）电气控制系统须有足够的启动力矩，以适应满载启动的要求，启动须平稳，频繁启动/制动，无冲击；满足电机四象限运行的需要；2）针对势能负载的特点，电气系统最好在低速甚至零速时有较大的力矩输出；3）为了保证转炉在摇炉及出钢、出渣时准确、平稳停车定位，机械制动器必须和电控系统紧密配合，在电机建立足够的输出力矩时，才能松开，需要制动时，立即使电机停止；4）4台电动机须保持同步运行，无论是启动、制动和正常工作状态，4台电机的负荷要尽量保持平衡；4台电机转速,转矩输出基本一致。来源:变频电机，我给配的110KW的ACS800变频器。变频器的类型很多，就控制方式而言，有U/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩（DTC）控制，不同的控制系统其性能不尽相同，适应的负载也有区别。前已述及，转炉具有势能负载的特性。因此，要求系统在动态过程中具有较快的转矩响应，且具有较大的启动转矩，最好在零速时能具有最大的转矩输出。根据这些特点，我们经过技术比较，认为选用直接转矩控制（DTC）系统最为恰当。直接转矩控制技术，它不考虑如何使定子电流解耦，而是直接着眼于对电磁力矩的直接控制，利用空间矢量的方法，在定子磁场坐标下计算和控制交流电机的转矩、即采用定子磁场定向，借助于离散俩种式调节（Bang-Bang控制），产生PWM信号直接对逆变器的开关状态进行最佳的调节，以获得转矩的高动态性能的控制，它省去了复杂的矢量变换，没有固定的载波频率，该控制系统转矩响应速度快，限制在一拍以内，且无超调。据资料介绍，无速度传感器的矢量控制系统的转矩阶跃响应，大约为8-10ms，建立满转矩需2.2s左右；而直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1-5ms，建立满转矩只需480ms左右。由此可知，它可以做到力矩的建立优先于速度。标准内置的交流电抗器明显地降低了进线电源稳压器的高次谐波含量，大大降低了变频器的电磁辐射，同时保护整流二极管和滤波电容器免受电压、电流的冲击。这正是我们所需要的。以上分析可知，对于转炉倾动的驱动选用直接转矩控制系统最佳。为此，我们选用了ACS800的变频器。该变频器可以应用在有较高的过载能力要求的场所，其传动的核心是直接转矩控制（DTC）；具有高精度的动、静态指标和大的启动转矩；速度的静态精度可以到0.01%，动态精度可以到0.1%；在零速时可以输出1.5～2倍的额定转矩；具有方便灵活的编程功能和多级速度设定功能；具有电磁制动、直流注入方式的能耗制动和专用的机械制动器的控制功能。还可以设定不同的启动转矩和速度曲线，并可通过数字量输入来设定多级速度，有利于平稳起动、制动和准确停车，可以很好地满足转炉倾动机构的特殊要求。请登陆:输配电设备网浏览更多信息3.2变频器控制方式选择4台变频器采用主从控制方式、增量式编码器闭环反馈、和昆腾PLC走DP通讯，即PLC发送控制字给主变频器（初始化、起停，速度4级给定），变频器的状态字送给PLC（实际电流、实际转矩、实际转速）；正常生产为1主3从，如果从出现故障，可到1主1从把这炉钢出去，如果主出现故障，可切换令1台为主，1主2从可以继续生产，以上处理完故障后，恢复1主3从，都在画面上操作；1主3从炉体的转速控制在0.13-1.22rpm、1主2从炉体的转速控制在0.13-0.55rpm、1主3从炉体的转速控制在0.13-0.21rpm。每台变频器通过开关量点对用户宏1、2作主从选择。3.3变频器容量选择电机为变频电机，电机参数如下：电压380V，功率55kW，电流105A，转速985r/min，效率0.9,功率因数0.8。对于转炉倾动系统，要求启动转矩大，且在零速时能有克服炉体重量的能力，因此在选型时，加大了二级，变频器的容量计算可按下式进行：（1）式中：PM为负载所要求的电动机的轴输出功率；η为电动机的效率；k为电流波形的修正系数(PWM方式时，取1.05～1.0)。把电机参数代入式（1）得由于是重载启动，最坏的情况下2台变频器还能转车，于是选用了ACS800-04-0170-3，额定功率110KW,电流248A。按式（2）和（3）校验：IN≥kIM（A）（2）（3）式中：UM为电动机电压，V；IM为电动机工频最大电流，A；为电动机的功率因数；PN为变频器的额定容量，kVA；IN为变频器的额定电流，A。把数据代入上式即可验证，所选变频器容量满足要求。4用位置编码器实现准确位置控制转炉倾动是用电机驱动60吨盛满钢水的炉体（本体总自重410吨左右），按预定的角度旋转，并能准确地停止在任一角度，不能抖动，不能有冲击，不能错位。对于如此重的炉体，如此苛刻的要求，确实是控制的难点。如果停车不到位，就可能出现“跑钢”或钢水倒不尽，如果停车过位，就可能出现“倒钢”，如果停车惯性太大，还可能发生“泼钢”。要作到精确定位，位置检测装置的精度和使用性能也就显得非常重要了，我用机械式LK4主令控制器和光电旋转编码器和PLC实现位置控制，主要定了3个位置：转炉零位、转炉出钢位、转炉出渣位。精度高，调整方便，2重保护，没有出现故障。5负荷平衡措施我们知道，对于多台电机同轴驱动的情况，负荷平衡是一个控制难点，主要是因为信号传递和设备参数不对称性造成的。对于交流电机而言，参数的分散性更大，负荷平衡问题更难处理。针对这类问题，ACS800变频器专门开发了主/从控制功能，解决了负荷平衡问题。主/从控制是专门为多机传动应用而设计的，在几台变频器当中，设置某一台为主机，其他为从机，主机以广播的方式向从机发送指令，并跟踪检查从机的状态，以实现协调控制。一个主机最多可带10个从机。采用主/从控制，必须增加专用传动单元（RD—CO板），该单元负责信息的传递和运算，主/从控制信号是采用光纤环行连接，以总线方式通讯。其中：T为发送器连接，R为接收器连接，接线示意图见图1。本例共有4台变频器，即：1台为主变频器（MASTER），另外3台为从变频器。由于是低速轴刚性连接，故主变频器设定为速度控制，从变频器设定为转矩控制即跟随主变频器的转矩给定，以保证各变频器的负荷平衡。当主变频器发生故障时，全部从变频器以斜坡停车方式停机，单台从机出现故障时本变频器停机，其余继续运行。但在该变频器故障排除后，必须全部停止后再重新启动，才能投入。图1主从光纤连接示意图6制动方式选择及设计为了实现准确停车和防止炉体失去动力时的“溜车”事故发生，制动措施非常重要。我们在设计时，采用了机械制动的办法。对于势能类负载，没有机械制动器是绝对不行的，在电机突然断电或中途启动时，必须靠机械制动来控制负载的下落转动。为了克服前面提到的问题，报闸制动器必须在电机建立了一定的转矩、电流和转速后才能松开，而不能电机得电则报闸制动器立即松开，电机失电则立即制动，制动器的动作快于电机转矩的建立，在这种情况下，炉体抖动是必然的，更甚者会发生“溜车”事故。ACS800变频器有专用的制动器编程控制功能，可以通过编程对制动逻辑进行设置，例如：可以通过变频器的“42BRAKECONTROL”参数对制动器松开转矩、制动器闭合转速、制动器松开/闭合时间、制动器释放转矩等进行随心所欲的修改。该参数共有10个用户编程细目，以保证制动器的可靠动作。在实际调试中，我们把释放/闭合报闸电机时间确定为0.5秒，闭合转速为50rpm，释放转矩为50%的额定转矩。当动作条件满足时，变频器的可编程输出继电器RO1动作，使制动器制动或释放。除此之外，制动器还可以接受外部接点的控制，外部接点是供用户增加功能时自行设计用的，在本例中，我们把过极限位、变频器故障、紧急停车、系统断电等都作为外部接点的驱动信号。当出现上述任一故障时，PLC就会使外部接点断开，使制动器迅速制动。本工程中的机械制动器采用了大推力电动液压式抱闸，这种制动器制具有较大制动力，动作迅速。制动器接线如图2所示。图2制动器接线图7调试总结7.1关于变频器容量选择变频器容量的选择与计算，很多文献均有论述，一般认为对于势能类负载，在选择时应比计算值大二级并按重过载选择，这是考虑加速力矩的影响。经过调试发现，所选变频器容量裕度偏大，我们分析可能有两个原因；一是电机选择有较大的余量，二可能是启动的因素所至或加速时间设置的较长，也缓解了启动的冲击。本人认为设计时，应对整个系统有清楚的了解，做到心中有数。7.2可靠接地很重要我们在调试时，发现有莫名其妙的干扰信号，甚至有时编码器的信号也有错误，于是进行检查，结果发现屏蔽电缆的接地不太标准。因为我们采用的是具有复合屏蔽的铠装型信号电缆，这种电缆有里外双层屏蔽，双层屏蔽之间有绝缘层隔开，接地时应里外层应单独接地，有较好的屏蔽效果。但工人施工时，接地端的里外层拧在了一起，接在了设备的外壳上。另外一端，屏蔽层裸露，且没做处理，就和金属软管套在了一起，实际形成了两点接地，这样把共模干扰引了进来。另外，原有接地网接地处理不好，也可能有影响。于是，重新对所有屏蔽电缆进行了重新施工，并敷设了专用的接地网。之后，没发现什么问题。7.34台变频器负载分配4台变频器在生产时转矩及速度基本一致，炉体启动及停车非常稳，4台变频器的电流都在38-65A左右，负载分配平衡，到位即停。I从机转速和转矩波形（黑线是转速*0.1，红线是转矩）：测试1：测试2：总的来说，三个从机转矩跟随非常好。II主机转速和转矩波形（黑线是转速*0.1，红线是转矩）：测试1：测试2：7.4用户宏保存在单体优化后，分保存用户宏1与2时，外接24V电源千万不能断，否则主板死机，就不能再用，得需ABB公司售后来重新刷板；用户宏存储次数越多而越慢，时间多达30多分钟。8结束语直接转矩控制变频器的启动转矩较大，转矩响应快，适合于转炉倾动系统的驱动。ACS800的主/从控制功能对于多电机同轴驱动负荷平衡找到了出路，使用方便。该系统的设计、选型满足了转炉倾动系统的苛刻要求，现在都正常生产，应该说是我本人成功的应用案例，仅供大家学习参考，如有不足之处请指教。沈中朋2009-1-8