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ABB變頻器DTC在轉(zhuǎn)爐和氧槍上的應(yīng)用
來源:遠寧電氣有限公司 發(fā)布時間:2015-11-03
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文章主要介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用,敘述了轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降變頻控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計,投運后,系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、效果良好。
1 引言
遠寧電氣的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝較復(fù)雜,檢測參數(shù)多,設(shè)備動作頻繁。工藝參數(shù)檢測的正確與否,自動控制水平的高低,直接關(guān)系到鋼水質(zhì)量與產(chǎn)量的高低。為此,必須有一套檢測正確及時,自動控制水平較高的控制系統(tǒng),才能穩(wěn)定生產(chǎn),滿足企業(yè)生存與發(fā)展的需求。
2 轉(zhuǎn)爐傾動的負載特點
煉鋼就是把從高爐出來的鐵水和廢鋼裝進煉鋼爐內(nèi),通過氧化脫碳及造渣過程,降低有害元素,除往爐氣及爐渣,冶煉出符合要求的鋼水來。
目前煉鋼的方法主要有三種,即平爐煉鋼法、轉(zhuǎn)爐煉鋼法、電爐煉鋼法。大部分采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼。其優(yōu)越性是有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。
2.1 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要設(shè)備有
(1)原料供給設(shè)備:包括鐵水廢鋼、散狀材料及鐵合金等的供給;
(2)轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備:它由爐體、爐體支承裝置和爐體傾動的電力拖動控制系統(tǒng)等組成;
(3)吹氧裝置:氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼時,用氧量大,要求供氧及時,氧壓穩(wěn)定,安全可靠,因此必須有一套完善的設(shè)備來保證向轉(zhuǎn)爐供氧;
(4)煙氣凈化處理設(shè)備;
(5)爐渣處理設(shè)備,爐外精煉設(shè)備,鑄錠設(shè)備。
根據(jù)工藝要求,轉(zhuǎn)爐傾動角度為正負360°。轉(zhuǎn)爐的爐子耳軸下部比上部高,下部比上部重,按正力矩設(shè)計。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時,依靠爐體本身的正力矩來確保爐口向上,不發(fā)生倒鋼事故。
在轉(zhuǎn)爐正常工作時,假如需要傾倒鋼水,就由電動機輸出正力矩,帶動轉(zhuǎn)爐緩慢傾動。倒完鋼水后,需要緩慢的把爐體回回正位,這時,就需要把轉(zhuǎn)爐的勢能回饋系統(tǒng),電動機工作在回饋狀態(tài)。
2.2 轉(zhuǎn)爐對傳動系統(tǒng)的要求
由于轉(zhuǎn)爐的工藝和傳動技術(shù)特點,因此轉(zhuǎn)爐對傳動系統(tǒng)有很高的要求:
(1)機械傾動轉(zhuǎn)爐能連續(xù)回轉(zhuǎn)360°,并且能正確停止在任意位置上,還應(yīng)根據(jù)工藝要求具有調(diào)速性能。其傾動位置能與氧槍、盛鋼桶車及煙罩等相關(guān)設(shè)備有一定的連鎖要求;
(2)在運轉(zhuǎn)過程中,必須有最大的安全可靠性,在電氣或機械中某一部分發(fā)生故障時,傾動機械應(yīng)有能力繼續(xù)進行短時間運轉(zhuǎn)、維持到煉鋼一爐結(jié)束,即使傾動機械發(fā)生無法控制事故時,爐子也不會自動傾翻發(fā)生“倒鋼”事故;
(3)傾動機械應(yīng)有良好的柔性性能,以緩沖沖擊負荷和由啟動、制動產(chǎn)生的扭振。
轉(zhuǎn)爐煉鋼的另外一個關(guān)鍵設(shè)備是氧槍。圖1是氧槍的系統(tǒng)示意圖。
圖1 氧槍系統(tǒng)示意圖
氧槍是典型的位能式負載,只要抱閘裝置一打開,氧槍電機就馬上有100%的負載,氧槍提升時,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩。電動機工作在電動狀態(tài)。氧槍下降時,負載力矩拉著電機轉(zhuǎn)。電動機工作在回饋制動狀態(tài)。同傾動控制系統(tǒng)類似,氧槍傳動控制系統(tǒng)也必須與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作,防止“溜車”現(xiàn)象,而且也有足夠的啟動力矩和過載能力。并且速度可調(diào)節(jié)。
轉(zhuǎn)爐一般配有兩套氧槍,一套工作,另一套備用或檢驗。
3 變頻器在三鋼公司煉鋼廠轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的配置
根據(jù)轉(zhuǎn)爐的傾動和氧槍控制系統(tǒng)的特點,選用了ABB公司的ACS800系列DTC變頻器。
3.1 ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點
ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點如下,它特別適用于此處轉(zhuǎn)爐控制:
ABB ACS800系列變頻器將DTC技術(shù)和模糊控制理論合二為一,構(gòu)成高性能、低本錢的變頻器調(diào)速產(chǎn)品,并且性能大大優(yōu)于矢量控制變頻器。
在DTC中,定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號處理器與先進的電機軟件模型相結(jié)合使電機的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新,逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味者其傳動系統(tǒng)可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DTC中不需要對電壓、頻率分別控制的PWM調(diào)制器。因此沒有固定的斬波頻率,在實際運行中,不會產(chǎn)生其它變頻器驅(qū)動電機時所發(fā)出的那種高頻噪聲,同時也降低了變頻器本身的功耗。
標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置的交流電抗器明顯地降低了進線電源的高次諧波含量,大大降低了變頻器的電磁輻射,同時保護整流二極管和濾波電容器免受電壓、電流的沖擊。
零速滿轉(zhuǎn)矩:由ACS800帶動的電性能夠獲得在零速時電機的額定轉(zhuǎn)矩,并且不需要光碼盤或測速電機的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現(xiàn)滿力矩輸出。
DTC提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉(zhuǎn)矩。最大起動轉(zhuǎn)矩能達到200%的電機額定轉(zhuǎn)矩。
自動起動:ACS800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。由于ACS800能在幾毫秒內(nèi)測出電機的狀態(tài),任何的條件下都可在0.48s內(nèi)迅速起動。而矢量控制變頻器則需大于是2.2s。
在磁通優(yōu)化模式下,電機磁通被自動地適應(yīng)于負載以進步效率,同時降低電機的噪音。這得益于磁通優(yōu)化,基于不同的負載,變頻器和電機的總效率可進步1%-10%。
精確的速度控制:ACS800的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開環(huán)應(yīng)用時為0.3%s,在閉環(huán)應(yīng)用時為0.1%s。而矢量控制變頻器在開環(huán)時大于0.8%s,閉環(huán)時為0.3%s。ACS800變頻器的靜態(tài)精度為0.01%。
精確轉(zhuǎn)矩控制:動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間,在開環(huán)應(yīng)用時能達到1-5ms,而矢量控制變頻器在閉環(huán)時需10-20ms,開環(huán)時為100-200ms。
遠寧煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐容量為100t,轉(zhuǎn)爐的傾動電機為4臺90kW的變頻電機,氧槍電機為2臺75kW的變頻電機;上位控制系統(tǒng)采用GE的90-70系列PLC。
圖2 跟隨主機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的主/從控制示意圖
3.2 傾動和氧槍的控制情況
(1)傾動控制
通常,轉(zhuǎn)爐的傾動由3-4臺電機完成,所以為了系統(tǒng)更可靠更穩(wěn)定的工作,這幾臺電機就必須要進行負荷平衡,也就是所有的電機出力是一樣的。
由于這4臺電機是剛性連接,所以要求所有電機的速度要盡對同步,因此4臺電機的傳動采用主/從控制,4臺變頻器之間用光纖進行連接。所以,在系統(tǒng)配置中,將一臺變頻器作為主機,由它進行速度調(diào)節(jié),輸出轉(zhuǎn)矩給定,其它變頻器作為從機,跟隨主機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),如圖2所示。同常規(guī)的控制方式相比,這種使用將系統(tǒng)的性能進步到了一個新高度。徹底解決由于電機運行中的不同步而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐“點頭“和”搖頭“的現(xiàn)象。
4臺變頻器可以在主/從之間切換,但是同時只能有一臺主機,另外三臺為從機,主機采用速度控制方式、從機采用轉(zhuǎn)矩控制方式,主機給從機發(fā)出控制命令,從機接受主機發(fā)出的啟動、停止指令及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值進行動作。
當(dāng)某臺從機出現(xiàn)故障時,并不影響主機和其它從機的通訊和動作,所以可以繼續(xù)運行,等到適當(dāng)時候進行檢驗;當(dāng)主機出現(xiàn)故障時,從機由于接受不到主機的信號而停機并報故障,此時將其中一臺從機切換為主機,故障主機切換為從機,切換完成后,主機發(fā)出復(fù)位命令將信號同步后,從機故障信號消失,當(dāng)系統(tǒng)正常后,繼續(xù)運行,等到適當(dāng)時候?qū)收显O(shè)備進行檢驗。
當(dāng)主機正常而3臺從機同時報故障時,說明通訊出現(xiàn)了題目,為了不影響生產(chǎn)的正常進行,此時將所有從機切換為主機,即4臺變頻器同時進行速度控制,當(dāng)檢驗條件具備時應(yīng)立即檢查通訊題目。
需要留意的是當(dāng)檢驗變頻器的時候,假如此時需要其它變頻器繼續(xù)運行,由于變頻器斷電后,光纖通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)斷開,所以其它變頻器不能進行主/從控制,應(yīng)全部切換為主機才能繼續(xù)運行。等檢驗完后,再切換為主/從控制方式。
假如進行正常的主/從切換,從機會由于暫時得不到主機信號報故障,當(dāng)主機/從機切換完成后,給主機發(fā)出復(fù)位指令后,可以消除所有報警信號。
由于轉(zhuǎn)爐屬于高啟動轉(zhuǎn)矩的負載,因此啟動方式為預(yù)加恒定勵磁的高轉(zhuǎn)矩啟動方式,停止方式為斜坡停車方式,采用制動斬波器和制動電阻將回饋的能量進行吸收。
為了正確與抱閘裝置協(xié)調(diào)工作,當(dāng)變頻器的速度達到盡對零速后,由變頻器輸出指令來控制抱閘裝置,通過中間繼電器來帶動抱閘接觸器,然后變頻器停止勵磁,這樣可以保證傾動裝置不會出現(xiàn)“溜車”現(xiàn)象。
(2)氧槍控制
氧槍控制的關(guān)鍵是在抱閘一打開后,電機就要有100%的負載,為此,傳動裝置必須在零速下輸出至少150%的力矩,以防止氧槍“溜車”。
ABB變頻器的DTC控制方式可以在零速下提供高達200%的輸出力矩,其專用的提升軟件,具有轉(zhuǎn)矩記憶功能,將氧槍所需的啟動轉(zhuǎn)矩記憶下來,一旦系統(tǒng)啟動,就輸出所需的力矩,保證氧槍的平穩(wěn)運行。
ABB提升軟件所具有的抱閘聯(lián)鎖控制功能更加保證了系統(tǒng)的安全運行。
圖3所示的是變頻起停的時序圖。
圖3 變頻起停的時序圖
4 結(jié)束語
遠寧電氣煉鋼廠轉(zhuǎn)爐變頻控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試,投運后運行正常,應(yīng)用效果良好。http://www.ynele.com/
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