一、轉(zhuǎn)爐原直流拖動系統(tǒng)簡介 　　1986年建成投產(chǎn)的3座轉(zhuǎn)爐，爐子傾動和氧槍升降的拖動系統(tǒng)采用的是模擬量恒磁通邏輯無環(huán)流直流拖動系統(tǒng)，恒磁通調(diào)壓調(diào)節(jié)器速，該系統(tǒng)具有兩個閉環(huán)、一個速度環(huán)、一個電流環(huán)，每座轉(zhuǎn)爐傾動由四臺22kW、650r/min直流電動機(jī)集中傳動，每座轉(zhuǎn)爐有兩根氧槍，每根氧槍由一臺22kW、650r/min直流電機(jī)單獨(dú)傳動。由于80年代初期我國電控配套水平所限（盡管該直流系統(tǒng)當(dāng)時是國內(nèi)較先進(jìn)的拖動系統(tǒng)），該系統(tǒng)十分龐大。每座轉(zhuǎn)爐的電控柜達(dá)14臺之多，繼電器、接觸器多達(dá)160個。因插件為分立元件，且系統(tǒng)是模擬控制方式，因此調(diào)試周期很能夠長（達(dá)3個月）。由于原系統(tǒng)存在先天性的不足，所以運(yùn)行一段時間后熱停工時間增加，維護(hù)難度越來越大。尤其是繼電聯(lián)鎖部分和插件部分故障率相當(dāng)高，不但維護(hù)費(fèi)用高（達(dá)0.45元/噸鋼），而且嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的正常運(yùn)行。 二、轉(zhuǎn)爐傾動負(fù)載和氧槍升降負(fù)載特性及電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析 1.氧槍負(fù)載特性及電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)狀態(tài)分析 （1）氧槍負(fù)載是典型的位能負(fù)載。 （2）氧槍電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析。 　　氧槍提升時，電動機(jī)制電磁轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即電動機(jī)制電磁轉(zhuǎn)矩M的方向與旋轉(zhuǎn)的方向相同，故電動機(jī)處于電動運(yùn)行狀態(tài)，工作于第一象限。氧槍下降時，由于氧槍屬重載，在該重載的作用下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速要高于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，而電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，因此電動機(jī)處于回饋制動狀態(tài)工作于第四象限。 　　轉(zhuǎn)爐傾動方式為全懸掛四點(diǎn)嚙合柔性傳動，原設(shè)計最大傾動力矩為85rfm，傾動速度為0.1～1r/min，傾動角度為正反360°，減速比為1：802.3。 　　據(jù)工藝要求，轉(zhuǎn)爐的傾動角度為正反360°。轉(zhuǎn)爐爐口和爐底方向軸線與地平面垂直時為零位狀態(tài)。故爐子傾動負(fù)載力矩為角度的函數(shù)Mfz=f（θ），屬于反陰性的位能負(fù)載。 　　另外，據(jù)工藝設(shè)計說明，該轉(zhuǎn)爐按正力矩設(shè)計，卻爐子耳軸下部比上部高，下部比上部重。從而確保轉(zhuǎn)爐電控系統(tǒng)失靈或抱閘力不夠時，能靠爐體自身的正力矩來確保爐口向上，這樣不至于發(fā)生倒鋼等事故。但當(dāng)為修爐拆除爐底后能入爐口粘鋼渣太多（達(dá)到或超過8噸）時，爐體可能出現(xiàn)上部較下部重，由于液體鋼水重心隨轉(zhuǎn)爐傾角的變化而變化，這樣在修爐和出渣或出鋼時，可能出現(xiàn)負(fù)力矩。當(dāng)爐體處于正力矩狀態(tài)時，電動機(jī)處于電動運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)爐體處于負(fù)力矩狀態(tài)時，電動機(jī)處于回饋制動狀態(tài)，電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載特性。 三、變頻調(diào)速的原理及用于轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降負(fù)載的可行性分析 1.變頻調(diào)速的原理及機(jī)械特性 　　由于異（同）步電動機(jī)的同頻轉(zhuǎn)速n1與電源頻率成正比，所以改變電源頻率就能改變同步轉(zhuǎn)速n1，并從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就是變頻調(diào)速。 　　在電動機(jī)調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量ρm為不變額定值。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；磁通太大，又會使鐵芯飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持ρm不變是容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁能是由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保證磁通恒定呢？ 我們知道，異步電動機(jī)的電勢方程為 E1= 4.44f1W1Kw1ρm 因為電壓V1=E1+IZ1，如果忽略定子壓降，則上式可近似表示為 E1= 4.44f1W1Kw1ρm≈V1 所以 ρm =C1V1/f1 式中，E1為定子每相感應(yīng)電勢的有效值，f1為定子頻率，W1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，KW1 為基波繞組系數(shù)，ρm為每極氣隙磁通量，C1=1/4.44KW1W1，是一常數(shù)。 由ρm的表達(dá)式可見，要保持電機(jī)磁通恒定，必須使定子電壓隨定子頻率成正比變化。即：V1/f1=V’1/f"1 ，這種V1與f1的配合變化稱為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制。根據(jù)V1/f1協(xié)調(diào)控制的方式不同，可以得到不同的調(diào)速成特性。 （1）基頻以下調(diào)速。 （a）恒電壓頻率比調(diào)速。由電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式 M=CmρmI"2COSρZ 可知，M 與ρm, I"2 成正比，要保持M不變，則必須ρm 不變，即要不V1與f1成正比變化。即 V1/f1=V1e/f1e=常數(shù) 這是恒電壓頻率比的協(xié)調(diào)控制方式（簡稱恒壓頻比），其機(jī)械特性曲線簇（以某一臺8極電機(jī)為例）如圖4所示。由圖可見，從同步轉(zhuǎn)速（M=0）到最大轉(zhuǎn)矩（Mmax）的特性可近似看作是線性關(guān)系，且線性段基本平行，類似于直流電機(jī)的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩陣Mmax卻隨f1下降而減少，這是因為f1高時，V1和E1數(shù)值都較大，定子阻抗壓降的比例很小，所以V1≈=E1；而f1低時，V1和E1數(shù)值較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略了。E1與V1相差較大，E1小于V1很多，所以ρm小很多，Mmax就很小。這對于風(fēng)機(jī)水泵類機(jī)械負(fù)載起動還是合適的。 （b）恒最大轉(zhuǎn)矩調(diào)速。用V1/F1=常數(shù)協(xié)調(diào)控制，在低速時最大轉(zhuǎn)矩Mmax減小。降低了起動與過載能力，低速時為了保持Mmax不變，提高起動能力，就必須采用 定子電勢/定子頻率=常數(shù) 　　如前所述，因為低頻時，V1和E1都較小，定子阻抗壓降的份量就比較顯著，不能忽略。這時隨轉(zhuǎn)速的降低，定子電壓應(yīng)適當(dāng)提高，以近似補(bǔ)償定子阻抗引起的壓降，從而保證電機(jī)具有恒最大轉(zhuǎn)矩Mmax。 （2）基頻以上調(diào)速（恒功率調(diào)速）。 　　有時為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使f1>f1e，從而得到n>ne的調(diào)速。但是定子電壓V1卻不能增加得比額定電壓V1e還要大，最多只能保持V1=V1e由式ρm =C1（V1e/f1e）可知，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。弱磁后額定電流時的轉(zhuǎn)矩減小，特性也變軟。 　　由于轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降屬重起動或滿載起動負(fù)載，故要求電動機(jī)在起動時要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩和足夠大的過載能力。通過以上分析可知，采用恒磁通變頻調(diào)速，在低頻時（低速時）可通過人為地提高電壓來保證電機(jī)具有最大恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，因而可以滿足重載起動負(fù)載要求。另外由于氧槍和轉(zhuǎn)爐傾動均能負(fù)載，故有發(fā)電制動工作狀態(tài)。而變頻器可通過另加一反向逆變橋或加一“過壓保護(hù)放電阻”提供這種“回饋”通路。 　　從上述分析還可看出，變頻調(diào)速可得幾乎與直流電機(jī)調(diào)速相同“硬度”的機(jī)械特性。因而可以說，這種變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)完全具備了用于轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降這種位能負(fù)載上的可能性。 四、承鋼20噸轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)情況介紹 1.電動機(jī)的選擇 （1）工藝要求。 轉(zhuǎn)爐最大傾動力矩：Mmax =85tf•m 轉(zhuǎn)爐傾動速度：0.1～1r/min 減速比：1：802.3 氧槍重量：W=4.8t （有一動滑輪） 卷揚(yáng)速度：高速40m/min；低速3.5m/min 卷筒直徑：D=500mm 減速比：1：19.24 （2）電動機(jī)的選用。 　　轉(zhuǎn)爐傾動原來采用四臺2kW，ne=650r/min直流電機(jī)傳動，考慮到原設(shè)備四點(diǎn)嚙合，故仍選用四臺交流電動機(jī)集中傳動。每座轉(zhuǎn)爐有兩根氧槍（分為左右槍），原來各由一臺22kW，ne=650r/min直流電動機(jī)單獨(dú)傳動，此次仍保留單獨(dú)傳動方式，即兩臺交流電動機(jī)分別驅(qū)動左右氧槍。 　　主電動機(jī)均選用YZ225M1 8型，22kW、AC380V、730r/min。每座轉(zhuǎn)爐各用六臺，其中傾動用四臺，氧槍用兩臺。由于YZ系列電機(jī)短期采購有困難，故先采用Y225M 8同容量電機(jī)（盡管過載能力小些）在3號轉(zhuǎn)爐上試用。 1）電動機(jī)轉(zhuǎn)矩計算。 額定轉(zhuǎn)矩：Me=9550Pe/ ne=9550＊22/730=287.38（N•m）=29.37（kgf•m） 最大轉(zhuǎn)矩：Mmax/ Me=2.0（Y225M-8 電機(jī)） Mmax =2 Me=2＊29.37=58.74（kgf•m） （a）由于轉(zhuǎn)爐傾動用四臺電機(jī)，故合轉(zhuǎn)矩為 4 Me=4＊29.37=117.4694（kgf•m） 傳遞到爐子軸上的額定轉(zhuǎn)矩為 17.4694＊802.3=94246.362（kgf•m）＞85 tf•m 即電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)矩最大傾動力矩。 若考慮電動機(jī)的過載能力， 對Y系列電機(jī)：入= Mmax/ Me≈2.0，則最大轉(zhuǎn)矩為2＊94.25=188.5 tf•m 對YZ系列電機(jī)：入= Mmax/ Me=（2.2～2.8）,則最大轉(zhuǎn)矩將更大。 （b）氧槍電機(jī)傳遞到卷筒上的額定轉(zhuǎn)矩為 29.37＊19.24=0.565（ tf•m） 略小于氧槍負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.6t•m，但考慮到電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為 2＊29.37＊19.24=1.13 tf•m 遠(yuǎn)大于氧槍負(fù)載0.6t•m，故仍采用22kW電機(jī)試驗。 2）極數(shù)選擇。 　　由于原直流機(jī)的ne=650r/min，故選用8極交流電機(jī)，盡管額定轉(zhuǎn)速稍高一些（730r/min）。但若選用10極電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速僅為600r/min，要提高轉(zhuǎn)速必須提高頻率（50Hz以上），這樣，特性將會變?yōu)楹愎β?，這不適用于此種負(fù)載。 （3）變頻器的選用及其工作原理。 　　對于爐子傾動這種負(fù)載，變頻器選用的最重要原則之一是：所選變頻器必須具有在滿載或過載時輸出轉(zhuǎn)矩恒定的功能，也就是要用具有轉(zhuǎn)矩限定的無跳閘變頻器。另外要具有再生發(fā)電制動功能。還要注意到普通電機(jī)長期工作于低頻狀態(tài)時電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象（因低頻時電機(jī)風(fēng)扇通風(fēng)能力降低所致）。基于上述考慮，我們選用了FUJI FRENIC5000G7型變頻器。爐子傾動電機(jī)總?cè)萘繛?＊22=88kW，故選用FREN110G7 4型、400V系列變頻器。另配制動單元和制動電阻以及繼電單元。 　　氧槍升降電機(jī)容量為22kW,故選用FRN30G7-4型、400V系列變頻器。另配制動單元和制動電阻及繼電單元。 　　該型號變頻器是全數(shù)字大功率晶體管（GTR）變頻器。它具有兩個別16位CPU，通過它們可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限定、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制、瞬時電源故障后的平穩(wěn)恢復(fù)以及自動加/減速控制，并具有低噪音、高可靠保護(hù)和錯誤診斷等功能。 （4）系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)和安裝調(diào)試情況簡介。 1）系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)及就注意的問題。 •轉(zhuǎn)爐傾動仍采用三地可選操作（操作室、爐前、爐后），以滿足工藝要求，操作開關(guān)仍采用原來的無觸點(diǎn)主令開關(guān)，從而可不改變原來的操作習(xí)慣。 •無觸點(diǎn)主令開關(guān)后加一相敏整流插件，經(jīng)得到0～10V的模擬量控制電壓。 •變頻器的頻率控制信號為0～±10V模擬量電壓信號的極性來改變電動機(jī)的正反運(yùn)行方向。 •變頻器的運(yùn)行命令需在主電源接通幾秒后方能接通，否則，若在主電源接通前該命令已接通，逆變器將診斷為故障，不工作。即FWD或REV與CM端子之間的接通應(yīng)在主電源接通幾秒后才能接通。 •該變頻器設(shè)有的0.5～5Hz 起動頻率可維持0～10秒。5Hz以下由于諧波分量相對較大，會造成起動轉(zhuǎn)矩減小，故不易使用。 •為確保電機(jī)起動時有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩來確保重載起動的安全性，利用其頻率水平檢測信號端子FDT打開抱閘。即FDT和CME端子的輸出信號控制繼電單元，利用繼電單元的動合點(diǎn)去控制抱閘接觸器線卷（FDT和CME是無源點(diǎn)，當(dāng)變頻器輸出頻率超過設(shè)定的檢測水平時，此信號有，否則無）。 •制動單元和變頻器之間的連線需注意不能接反極性和線號，否則制動單元將不能正常工作或不起制動作用。 •輔助控制電源R。,T。端子應(yīng)從主電源接觸器電源側(cè)引接，以確保在變頻器故障跳閘或人為停運(yùn)時，變頻器能正確顯示故障類型。 •除主回路和輔助控制電源外，變頻器的所有輸入和輸出端子的接線均應(yīng)采用屏蔽，以解決電磁干擾問題，而屏蔽層一端要做良好接地。 •標(biāo)有E（G），END的端子均應(yīng)單獨(dú)良好接地，不要跨接。 •將主令開關(guān)零位時的閉點(diǎn)接到變頻器的滑行停止信號端子BX和CM端子上，從而使變頻器的主令開關(guān)回零位時或在零位時立即封鎖無輸出。 2）安裝調(diào)試情況。 　　變頻器運(yùn)行期間，其環(huán)境溫度應(yīng)在-10～+50°C之內(nèi)。垂直安裝時，振動要低于0.5G。周圍應(yīng)無腐蝕性氣體。柜內(nèi)安裝時，應(yīng)確保柜內(nèi)溫度不超過50°C。 調(diào)試時遇到的主要問題如下： •設(shè)定完有關(guān)數(shù)據(jù)后，起車時抱閘打開，負(fù)載有溜車現(xiàn)象，且變頻器經(jīng)常出現(xiàn)過流封鎖。根據(jù)現(xiàn)象判斷是起動轉(zhuǎn)矩不夠。另外也說明了起動電流大并不等于起轉(zhuǎn)矩大。解決的方法是提高低頻率時的電壓，從而補(bǔ)償?shù)退贂r的轉(zhuǎn)矩。 •開始時以及用RUN和CME端子信號來控制抱閘開合時（即輸出輸出頻率達(dá)到5Hz時RUN為通，從而打開抱閘），發(fā)生負(fù)載下滑溜車現(xiàn)象，后改為用FDT頻率水平檢測信號端子來控制抱閘，提高了低頻時的電壓，使上述問題得以解決。當(dāng)輸出頻率比設(shè)定頻率大時（FDT設(shè)定頻率為8Hz），F(xiàn)DT-CME之間為通，可通過繼電單元的動合接點(diǎn)接通抱閘接觸器打開抱閘。利用FDT功能就是讓電動機(jī)先堵轉(zhuǎn)建立起足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩后，抱閘才打開。從而保持在重載起動時的安全，避免了倒鋼或溜車事故的發(fā)生。 •3號轉(zhuǎn)爐調(diào)試時，主令開關(guān)均在零位（即未加頻率給定信號），但變頻器仍有3～7Hz的變化輸出。也就是說存在干擾輸入信號。檢查后發(fā)現(xiàn)0～±10V控制信號和主令二次輸出信號（約48V）在一根電纜里，將它們分開后此現(xiàn)象消失。由此可見，在施工中一定要注意做好屏蔽，強(qiáng)弱信號絕不能混用一根電纜。 •在2號轉(zhuǎn)爐氧槍試車時，曾發(fā)生一加給定，抱閘打開后，逆變器就立即故障封鎖，并顯示“F01 OU”的現(xiàn)象。查表可知是主電路直流過電壓。經(jīng)分析懷疑是制動單元未投入工作所致。檢查后發(fā)現(xiàn)，是THR和CM端子與制動單元及制動電阻的1和2端子連線接反，誤將THR接到制動單元的2端子上（應(yīng)接制動單元的10端子）所致，將線改接后此現(xiàn)象消失。 •調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，用YZR繞線電機(jī)換Y系列鼠籠形電機(jī)，并將轉(zhuǎn)子直接短接后使用，亦能滿足工藝要求。目前均應(yīng)用YZR繞線電機(jī)。 •在3號轉(zhuǎn)爐調(diào)試中，開始未加主令開關(guān)零位封鎖逆變器功能時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主令開關(guān)回零后，抱閘合上，但電機(jī)有較大響聲。分析認(rèn)為，當(dāng)主令開關(guān)回零后，變頻器不是立即無輸出，而是按照預(yù)先設(shè)定好的減速曲線逐漸降到零輸出，故電機(jī)有響聲。后來加上主令開關(guān)零位封鎖后，此現(xiàn)象消失。 •由于3號轉(zhuǎn)爐由于事故停產(chǎn)，爐內(nèi)有26噸鐵水，已在爐底凝成大塊。因此負(fù)載的最大力矩遠(yuǎn)大于設(shè)計的最在傾動力矩（85 tf•m），初步估算約為150 tf•m，而交流調(diào)速裝置仍能拖動轉(zhuǎn)爐傾動，可見恒轉(zhuǎn)矩變頻器能將交流電機(jī)的過載能力充分發(fā)揮出來。 五、有待解決的問題 （1）由于時間太匆忙，未選用接地錯誤檢測單元，而煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境又比較惡劣，因此經(jīng)常發(fā)生電機(jī)主電源電纜接地故障。對接地故障而言，若無檢測單元，變頻器將無保護(hù)功能，因此應(yīng)及時完善功能。 （2）目前由于尚沒有PLC，當(dāng)發(fā)生三地操作，主令只要有一個不在零位，而又恰需選擇該主令操作時，相當(dāng)于人為加上頻率給定信號，因此將發(fā)生“自動”開車現(xiàn)象，十分危險。當(dāng)然用繼電器亦可實(shí)現(xiàn)，但較復(fù)雜，因此應(yīng)用早用PLC。 （3）目前三座轉(zhuǎn)爐均應(yīng)用YZR繞線電機(jī)，應(yīng)盡早更換YZ鼠籠電機(jī)。 　　在承鋼20噸轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降上應(yīng)用變頻器的實(shí)踐表明： （1）具有最大轉(zhuǎn)矩限定的無跳閘變頻調(diào)速裝置完全適用于轉(zhuǎn)爐傾動和氧槍升降這樣的位能負(fù)載，且適用于沖擊性負(fù)載。 （2）交流變頻調(diào)速具有可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速特性，盡管我們所使用的FUJI G7交流調(diào)速裝置是開環(huán)控制，但它的功能相當(dāng)于原來的雙閉環(huán)直流系統(tǒng)。 （3）由于計算機(jī)的應(yīng)用和大量應(yīng)用軟件的開發(fā)，以及電力電子器件的發(fā)展，使靜止變頻體積很少。因此目前的1面柜相當(dāng)于原來直流系統(tǒng)14面柜的功能，從而使施工量大大減小，占地面積大大減小。 （4）調(diào)試周期大大縮短，每個系統(tǒng)僅需兩個小時即可，而原來系統(tǒng)的調(diào)試，約需兩三個月。 （5）由于元器件大大減小，故障率將大大降低。預(yù)計熱停工時間將減小50%以上。相應(yīng)的維護(hù)費(fèi)用亦將有較大降低（原來每年維護(hù)費(fèi)用約為18萬元）。 （6）我們使用的G7型變頻器保護(hù)功能十分靈敏可靠。而且在某種意義上具有允許“誤操作”功能。比如，若將主令開關(guān)從零位迅速推到正最大給定位置（或負(fù)最大給定）或從正最大給定位置迅速推到負(fù)最大給定位置，若你的加/減速的速度比設(shè)定的快，變頻器將不跟隨你的命令，而是按照現(xiàn)場調(diào)試時已設(shè)定好的加/減速曲線自動進(jìn)行加/減速。若速度比設(shè)定的慢，變頻器將執(zhí)行你的命令。這就是允許“誤操作”的含義。 　 作者單位：神華集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)羊場灣煤礦（手機(jī)縮位號：60404） 　 地址：寧夏銀川靈武寧東鎮(zhèn)　751410　 Email：nx0952lsy@126.com