摘 要 ：文章主要介紹轉爐煉鋼變頻控制系統的設計與應用，敘述了轉爐傾動、氧槍升降變頻控制系統的原理和設計，投運后，系統穩定、可靠、效果良好。
1 引言
福建省三鋼（集團）有限責任公司（以下簡稱三鋼公司）煉鋼廠的轉爐煉鋼工藝較復雜，檢測參數多，設備動作頻繁。工藝參數檢測的準確與否，自動控制水平的高低，直接關系到鋼水質量與產量的高低。為此，必須有一套檢測準確及時，自動控制水平較高的控制系統，才能穩定生產，滿足企業生存與發展的需求。
2 轉爐傾動的負載特點
煉鋼就是把從高爐出來的鐵水和廢鋼裝入煉鋼爐內，通過氧化脫碳及造渣過程，降低有害元素，除去爐氣及爐渣，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、轉爐煉鋼法、電爐煉鋼法。大部分采用氧氣頂吹轉爐煉鋼。其優越性是有利于實現生產過程的自動化。
2.1 氧氣頂吹轉爐煉鋼的主要設備有
（1）原料供應設備：包括鐵水廢鋼、散狀材料及鐵合金等的供應；
（2）轉爐主體設備：它由爐體、爐體支承裝置和爐體傾動的電力拖動控制系統等組成；
（3）吹氧裝置：氧氣轉爐煉鋼時，用氧量大，要求供氧及時，氧壓穩定，安全可靠，因此必須有一套完善的設備來保證向轉爐供氧；
（4）煙氣凈化處理設備；
（5）爐渣處理設備，爐外精煉設備，鑄錠設備。
根據工藝要求，轉爐傾動角度為正負360°。轉爐的爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重，按正力矩設計。因此，當轉爐電控系統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，不發生倒鋼事故。
在轉爐正常工作時，如果需要傾倒鋼水，就由電動機輸出正力矩，帶動轉爐緩慢傾動。倒完鋼水后，需要緩慢的把爐體回歸正位，這時，就需要把轉爐的勢能回饋系統，電動機工作在回饋狀態。
2.2 轉爐對傳動系統的要求
由于轉爐的工藝和傳動技術特點，因此轉爐對傳動系統有很高的要求：
（1）機械傾動轉爐能連續回轉360°，并且能準確停止在任意位置上，還應根據工藝要求具有調速性能。其傾動位置能與氧槍、盛鋼桶車及煙罩等相關設備有一定的連鎖要求；
（2）在運轉過程中，必須有最大的安全可靠性，在電氣或機械中某一部分發生故障時，傾動機械應有能力繼續進行短時間運轉、維持到煉鋼一爐結束，即使傾動機械發生無法控制事故時，爐子也不會自動傾翻發生“倒鋼”事故；
（3）傾動機械應有良好的柔性性能，以緩沖沖擊負荷和由啟動、制動產生的扭振。
轉爐煉鋼的另外一個關鍵設備是氧槍。圖1是氧槍的系統示意圖。
圖1 氧槍系統示意圖
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，電動機的電磁轉矩克服負載轉矩。電動機工作在電動狀態。氧槍下降時，負載力矩拉著電機轉。電動機工作在回饋制動狀態。同傾動控制系統類似，氧槍傳動控制系統也必須與抱閘裝置協調工作，防止“溜車”現象，而且也有足夠的啟動力矩和過載能力。并且速度可調節。
轉爐一般配有兩套氧槍，一套工作，另一套備用或檢修。
3 變頻器在三鋼公司煉鋼廠轉爐控制系統的配置
根據轉爐的傾動和氧槍控制系統的特點，選用了ABB公司的ACS800系列DTC變頻器。
3.1 ABB ACS800系列變頻器的技術特點
ABB ACS800系列變頻器的技術特點如下，它特別適用于此處轉爐控制：
ABB ACS800系列變頻器將DTC技術和模糊控制理論合二為一，構成高性能、低成本的變頻器調速產品，并且性能大大優于矢量控制變頻器。
在DTC中，定子磁通和轉矩被作為主要的控制變量。高速數字信號處理器與先進的電機軟件模型相結合使電機的狀態以40,000次/s更新。由于電機狀態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狀態都是單獨確定的。這意味者其傳動系統可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態變化做出快速響應。在DTC中不需要對電壓、頻率分別控制的PWM調制器。因此沒有固定的斬波頻率，在實際運行中，不會產生其它變頻器驅動電機時所發出的那種高頻噪聲，同時也降低了變頻器本身的功耗。
標準內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。
零速滿轉矩：由ACS800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉矩，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滿力矩輸出。
DTC提供的精確的轉矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩的最大起動轉矩。最大起動轉矩能達到200%的電機額定轉矩。
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。因為ACS800能在幾毫秒內測出電機的狀態，任何的條件下都可在0.48s內迅速起動。而矢量控制變頻器則需大于是2.2s。
在磁通優化模式下，電機磁通被自動地適應于負載以提高效率，同時降低電機的噪音。這得益于磁通優化，基于不同的負載，變頻器和電機的總效率可提高1%-10%。
精確的速度控制：ACS800的動態轉速誤差在開環應用時為0.3%s，在閉環應用時為0.1%s。而矢量控制變頻器在開環時大于0.8%s，閉環時為0.3%s。ACS800變頻器的靜態精度為0.01%。
精確轉矩控制：動態轉矩階躍響應時間，在開環應用時能達到1-5ms，而矢量控制變頻器在閉環時需10-20ms，開環時為100-200ms。
三鋼公司煉鋼廠的轉爐容量為100t，轉爐的傾動電機為4臺90kW的變頻電機，氧槍電機為2臺75kW的變頻電機；上位控制系統采用GE的90-70系列PLC。
圖2 跟隨主機的轉矩響應的主/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，轉爐的傾動由3-4臺電機完成，所以為了系統更可靠更穩定的工作，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絕對同步，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，在系統配置中，將一臺變頻器作為主機，由它進行速度調節，輸出轉矩給定，其它變頻器作為從機，跟隨主機的轉矩響應，如圖2所示。同常規的控制方式相比，這種使用將系統的性能提高到了一個新高度。徹底解決由于電機運行中的不同步而產生的轉爐“點頭“和”搖頭“的現象。
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、從機采用轉矩控制方式，主機給從機發出控制命令，從機接受主機發出的啟動、停止指令及轉矩的設定值進行動作。
當某臺從機出現故障時，并不影響主機和其它從機的通訊和動作，所以可以繼續運行，等到適當時候進行檢修；當主機出現故障時，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，主機發出復位命令將信號同步后，從機故障信號消失，當系統正常后，繼續運行，等到適當時候對故障設備進行檢修。
當主機正常而3臺從機同時報故障時，說明通訊出現了問題，為了不影響生產的正常進行，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，當檢修條件具備時應立即檢查通訊問題。
需要注意的是當檢修變頻器的時候，如果此時需要其它變頻器繼續運行，由于變頻器斷電后，光纖通訊網絡已經斷開，所以其它變頻器不能進行主/從控制，應全部切換為主機才能繼續運行。等檢修完后，再切換為主/從控制方式。
如果進行正常的主/從切換，從機會由于暫時得不到主機信號報故障，當主機/從機切換完成后，給主機發出復位指令后，可以消除所有報警信號。
由于轉爐屬于高啟動轉矩的負載，因此啟動方式為預加恒定勵磁的高轉矩啟動方式，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。
為了準確與抱閘裝置協調工作，當變頻器的速度達到絕對零速后，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“溜車”現象。
（2）氧槍控制
氧槍控制的關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，具有轉矩記憶功能，將氧槍所需的啟動轉矩記憶下來，一旦系統啟動，就輸出所需的力矩，保證氧槍的平穩運行。
ABB提升軟件所具有的抱閘聯鎖控制功能更加保證了系統的安全運行。
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 結束語
三鋼公司煉鋼廠轉爐變頻控制系統經過調試，投運后運行正常，應用效果良好。
