变频器在炼钢厂中的应用

【摘要】本文从变频器的基础概念入手，说明了根据工艺要求进行变频器选型的注意事项，重点介绍了运用ABB变频器DTC直接转矩控制技术实现对转炉倾动的控制。该控制方式具有良好的低频特性，合理运用主从负荷平衡，实现了4台电机转矩的一致，倾动控制采用转矩宏。

【关键词】变频器 炼钢 转炉

转炉炼钢工艺复杂，检测参数多，设备动作频繁。当代转炉技术的发展主要体现在提高转炉的生产效率、提高钢水质量、更加节能降耗、改善生产操作环境、发展新技术以及采用新工艺和先进装备，为此必须有一套检测准确及时、自动控制水平较高的控制系统，才能稳定生产，满足企业生存与发展的需求。

一、变频器概述

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

二、转炉控制工艺要求

根据工艺要求，转炉倾动角度为±360°，以满足兑铁水、加废钢、吹氧、取样、测温、出钢、倒渣和补炉等各项工艺操作的要求。转炉的炉子耳轴下部比上部高，下部比上部重，按正力矩设计。

倾动控制系统有如下要求：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；针对势能负载特点，电气系统需在低速时有较大的力矩输出；为了克服前面叙述的弊端，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；炉体须能做到准确、平稳停车定位；在全悬挂方式下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。

三、变频器选型

当前交流变频调速系统主要为矢量控制和DTC直接转矩控制。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，也就是说DTC系统是把转矩作为直接跟踪控制对象的，它强调的是转矩的直接控制与效果。对交流电机来讲，要想获快速转矩响应，磁链不变条件下，就要求电流快速变化，而电流变化是由电压快速变化引起。矢量控制系统输出电压是由电流调节器输出产生，这就存在电流调节时间滞后。而DTC直接转矩没有电流控制环路，电机可以获较大du/dt，较大加速电流，产生较快电流响应及转矩响应。故采用DTC直接转矩控制交流调速系统可以获比矢量控制要快的多转矩响应，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为100-200ms，而直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1-5 ms左右。根据以上要求，选用ABB ACS800系列变频器。ABB变频器的核心技术是直接转矩控制。

四、倾动控制

倾动机构采用全悬挂四点驱动，对应四台电机由四台变频器来驱动，由于这4台电机是刚性连接，所以要求所有电机的速度要准确同步，因此4台电机的传动采用主/从负荷平衡控制，4台变频器之间用光纤通讯模块进行连接构成传动网。在系统配置中，将一台变频器作为主机，由它进行速度调节，输出转矩给定，其他变频器作为从机，跟随主机的转矩响应。同常规的控制方式相比，这种使用将系统的性能提高到了一个新高度。彻底解决由于电机运行中的不同步而产生的转炉“点头”和“摇头”的现象。

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。采用主/从控制，必须增加专用传动单元光纤通讯模块，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，1台为主变频器，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，以保证各变频器的负荷平衡。当主变频器发生故障时，从变频器以自由停车方式停机，单台从机出现故障时本变频器停机，其余变频器继续运行。但在故障变频器的故障排除后，全部变频器须停止后再重新启动，才能投入。

五、倾动制动

转炉倾动控制是转炉控制中最重要、最复杂的控制，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，设计时采用了电气制动和机械制动相结合的办法。其中的电气制动，在ACS800变频器的内部功能选项中，电气制动可采用直流注入制动的方式实现，能将电机锁定在零速，当速度给定和实际转速均降至所设定额频率以下时，变频器发出电机停止指令并在电机定子中注入直流电流，使电机迅速停机。

六、结语

变频器在转炉炼钢中使用，特别是直接转矩、转矩宏、电气制动、机械制动等多项控制技术的合理应用，很好解决倾动重载起动问题。而主/从控制技术充分应用，不仅解决了多电机同轴驱动负荷平衡同步问题，也减少了设备大型化，降低了维护工作量和设备投资。该系统已在钢厂成功应用，系统运行稳定，反映良好，经济和社会效益显著。

参考文献：

[1]赵铭祺.炼轧厂炼钢工序1#转炉倾动系统改造建议方案[J].酒钢科技，2010，（01）.

[2]陶峥嵘.变频器在120吨转炉上的应用[J].中国钢铁业，2010，（04）.