1. 概述
交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)代電動(dòng)機(jī)調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、精度高、通用性強(qiáng)、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)齊全、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于以往的多種調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、液力偶合器調(diào)速等，因此，變頻器的發(fā)展十分迅速，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。
它的主要作用有：
(1). 節(jié)約能源
利用變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行，在諸多方面可以節(jié)約電能，尤其是在風(fēng)機(jī)類、水泵類等機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，節(jié)能效果最為明顯。在當(dāng)前我國電力供應(yīng)普遍緊張的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。
(2). 提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量
在生產(chǎn)線的流水作業(yè)控制等方面，往往存在快速運(yùn)行、準(zhǔn)確停車、重載恒速輸送、輕載高速返回等許多工藝要求。采用交流變頻調(diào)速，能很好地解決這些調(diào)速控制的要求，并逐步取代傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，使電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加合理簡單，生產(chǎn)效率大幅度提高。
(3). 有效地防止沖擊電流
由于變頻器可以方便地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停止，因而可以有效地減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，改善電源容量裕度。尤其是電動(dòng)機(jī)容量大，而變壓器容量相對較小時(shí)，這種效果更加明顯。
(4). 可以方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反向運(yùn)行
由于變頻器都具有正、反向輸入端子，因此，電動(dòng)機(jī)的正、反向運(yùn)行不需要主回路交流接觸器之間交替切換，減少故障維修，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
2. 變頻器的應(yīng)用
近幾年，在我們的設(shè)計(jì)工作中大量地應(yīng)用了交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，尤其是A-B品牌的交流變頻器，在轉(zhuǎn)爐、連鑄以及風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的自動(dòng)控制中，都收到了良好的效果。下面，主要談一談交流變頻器在轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2.1 應(yīng)用范圍
交流變頻器在轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降、一次除塵的風(fēng)機(jī)運(yùn)行、散狀料給料機(jī)下料、運(yùn)輸車輛的行走等生產(chǎn)過程，近幾年在煉鋼車間大型吊車的行走控制中，也逐步使用了交流變頻器。交流變頻器的使用除了大量節(jié)約電能外，也極大地提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的安全可靠性。若交流變頻器與基礎(chǔ)級計(jì)算機(jī)（PLC）系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)配合使用，效果會(huì)更好。
美國羅可韋爾自動(dòng)化公司A-B品牌的1336 IMPACT系列變頻器能夠提供精確的電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制，具有獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)磁場和轉(zhuǎn)矩的能力，在零速下仍能產(chǎn)生滿轉(zhuǎn)矩。因此，這種變頻器特別適合于重載或滿載啟動(dòng)的負(fù)載，例如轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降以及運(yùn)輸車輛行走等的控制。
2.2 具體應(yīng)用
(1). 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，是轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中變頻技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)，由于負(fù)載的特性，此部分技術(shù)難度較大，同時(shí)，也是轉(zhuǎn)爐本體控制系統(tǒng)中投資最大的部分。我們在青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐（2003年）、珠海粵裕豐鋼鐵公司65噸轉(zhuǎn)爐（2003年）、青海西寧鋼鐵公司65噸轉(zhuǎn)爐（2004年）的傾動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均采用了1336 IMPACT系列變頻器。下面以青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐為例，說明1336 IMPACT系列變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：
青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置采用4只齒輪傳動(dòng)的全懸掛結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)齒輪由一臺(tái)YZPBF315M-10,75kW交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，正常生產(chǎn)時(shí)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，其余3臺(tái)電動(dòng)機(jī)仍可繼續(xù)工作，以滿足生產(chǎn)的要求。在每個(gè)電動(dòng)機(jī)軸上安裝1個(gè)編碼器，在傾動(dòng)機(jī)構(gòu)耳軸上安裝1個(gè)編碼器及1個(gè)主令控制器。
根據(jù)煉鋼工藝的要求，傾動(dòng)的控制采用傳統(tǒng)的主令控制器操作, 操作地點(diǎn)有三處，即操作室主操作臺(tái)、轉(zhuǎn)爐爐前操作臺(tái)和轉(zhuǎn)爐爐后操作臺(tái)，其工作程序和聯(lián)鎖控制通過PLC實(shí)現(xiàn)。該轉(zhuǎn)爐為全正力矩設(shè)計(jì)，當(dāng)出鋼或出渣過程停電時(shí)，可氣動(dòng)松開制動(dòng)閘，爐子靠自重恢復(fù)到垂直位置。
根據(jù)近幾年轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況，我們針對1拖4控制方式（即1臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)）和4拖4主從控制方式進(jìn)行了認(rèn)真的比較。1拖4的控制方式，系統(tǒng)簡單，易編程調(diào)試和維護(hù)，但從安全、合理的角度考慮，每座轉(zhuǎn)爐需增設(shè)一套變頻器裝置作為備用，以化解轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時(shí)因變頻器故障而帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)，這樣造價(jià)會(huì)相對較高，不經(jīng)濟(jì)。最終我們確定了4臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用變頻器1對1控制，既4拖4主從控制方式，變頻器與PLC系統(tǒng)之間采用國際開放式的DEVICE NET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。
考慮到轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)和變頻器的過載系數(shù)，我們選用了4臺(tái)1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B150-AA-EN-L8E-HA2-GM5,112kW來分別驅(qū)動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)。PLC系統(tǒng)也采用A-B品牌的ControlLogix控制系統(tǒng)。
圖1 4拖4主從控制方式單線系統(tǒng)圖
為了抑制電源側(cè)過電壓，減少電流畸變，在變頻器輸入側(cè)配有共模扼流圈、進(jìn)線電抗器。
為了抑制變頻器對其它設(shè)備的高頻干擾，在變頻器輸出側(cè)配有輸出電抗器。
另外，系統(tǒng)中沒有采用能量回饋制動(dòng)方式，而采用了能耗制動(dòng)，制動(dòng)力矩110％，制動(dòng)電阻柜外安裝。
本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)和功能：
__四象限運(yùn)行。IMPACT變頻器能工作在正向出力、正向制動(dòng)、反向出力、反向制動(dòng)四種工作狀態(tài)。
__主/從控制功能（速度/轉(zhuǎn)矩控制）。在4臺(tái)變頻器中，設(shè)定其中1臺(tái)為主變頻器，進(jìn)行速度控制，另外3臺(tái)為從變頻器，主變頻器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出作為從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制；當(dāng)其中1臺(tái)從變頻器發(fā)生故障時(shí)，主變頻器內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)給另外2臺(tái)從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制；當(dāng)主變頻器發(fā)生故障時(shí)，通過DEVICE NET通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC系統(tǒng)給從變頻器中的1臺(tái)進(jìn)行賦值，變?yōu)樗俣瓤刂疲ㄊ蛊渥優(yōu)橹髯冾l器），其內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)作為另外2臺(tái)從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。
__零速滿轉(zhuǎn)矩功能。由于采用FORCE技術(shù)，在全調(diào)速范圍內(nèi)可直接控制轉(zhuǎn)矩。
(2). 氧槍升降的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
氧槍升降的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，是轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中變頻技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。氧槍升降是典型的位能負(fù)載，靠鋼絲繩牽引，按照煉鋼工藝專業(yè)的要求，氧槍在升降過程中要實(shí)現(xiàn)慢速到快速以及快速到慢速的轉(zhuǎn)換，且其停經(jīng)的工藝檢測點(diǎn)較多，在待吹點(diǎn)和吹煉點(diǎn)均要求準(zhǔn)確停車。尤其是在吹煉點(diǎn)，氧槍的槍位直接影響到煉鋼的質(zhì)量。因此，應(yīng)用變頻器控制氧槍升降是氧槍調(diào)速控制系統(tǒng)的理想之選。我們在河北宣化鋼鐵公司2X80噸轉(zhuǎn)爐（2001年）、青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐（2003年）、珠海粵裕豐鋼鐵公司65噸轉(zhuǎn)爐（2003年）、青海西寧鋼鐵公司65噸轉(zhuǎn)爐（2004年）的氧槍升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均采用了1336 IMPACT系列變頻器。下面以青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐為例，說明1336 IMPACT系列變頻器在氧槍升降設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：
青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐設(shè)有2套氧槍，互為備用。每套氧槍升降系統(tǒng)由一臺(tái)YSGB315L1-10,64kW交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，在生產(chǎn)過程中當(dāng)工作氧槍發(fā)生故障時(shí)，可快速通過橫移換槍等操作，使用備用氧槍繼續(xù)生產(chǎn)。當(dāng)氧槍系統(tǒng)停電時(shí)，可切換到氣動(dòng)馬達(dá)，將氧槍提起。氧槍升降系統(tǒng)聯(lián)鎖條件較多，是轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中最重要的部分，其工作程序和聯(lián)鎖控制是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（PLC）實(shí)現(xiàn)的。
圖2 變頻器與PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)框圖
在設(shè)計(jì)中，考慮到氧槍升降的負(fù)載性質(zhì)和變頻器的過載系數(shù)，我們選用了2臺(tái)1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B125-AA-EN-L5-HA2-GM5,93kW來分別驅(qū)動(dòng)每套氧槍升降裝置電動(dòng)機(jī)。
同樣，為了抑制電源側(cè)過電壓以及變頻器對其它設(shè)備的高頻干擾，減少電流畸變，在變頻器輸入側(cè)配有共模扼流圈、進(jìn)線電抗器，在變頻器輸出側(cè)配有輸出電抗器。
變頻器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間的信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸同樣采用了國際開放式的DEVICE NET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，而不是采用以往常用的控制電纜硬線連接的方式，這樣，節(jié)省了許多控制電纜，而且在以后的調(diào)試工作中也證明了這種通訊方式大大方便了變頻器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸。
氧槍實(shí)際槍位的檢測由脈沖編碼器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場設(shè)一個(gè)氧槍上極限接近開關(guān)檢測氧槍換槍位，以確定高速計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)的起始點(diǎn)及槍位校驗(yàn)點(diǎn)。
(3). 變頻器在轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用
根據(jù)風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性，我們知道風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比；壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)需求風(fēng)量下降時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如，當(dāng)需求風(fēng)量減少1/2時(shí)，通過變頻調(diào)速，從理論上講，僅需要額定功率的12.5%，即可節(jié)約87.5%的能源。如采用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板開度大小的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，雖然也可相應(yīng)降低能耗，但風(fēng)機(jī)長期工作在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，能量有相當(dāng)部分損失在擋板上，因此，其節(jié)能效果明顯不如變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，吹煉時(shí)產(chǎn)生的煙氣量較大，而平時(shí)煙氣量則較小，而且這兩種工況交替頻繁，因此對變頻調(diào)速控制系統(tǒng)要求較高，響應(yīng)速度要快。另外，轉(zhuǎn)爐一次除塵的煙氣量較大，為風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)一般均為6kV或10kV的中壓電機(jī)，這樣變頻器也要選擇與之電壓相匹配的中壓變頻器。
近幾年我們在河北宣化鋼鐵公司2X80噸轉(zhuǎn)爐（2001年）、天津鋼鐵公司100噸轉(zhuǎn)爐（2003年）、內(nèi)蒙古包頭鋼鐵公司薄板廠2號(hào)210噸轉(zhuǎn)爐（2003年）的一次除塵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均采用了中壓變頻器。其中包頭鋼鐵公司薄板廠2號(hào)210噸轉(zhuǎn)爐是從美國購買的二手設(shè)備，一次除塵風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)額定電壓為6600V，額定功率為5500HP，額定頻率為60HZ，額定轉(zhuǎn)速為1180RPM，按照工藝專業(yè)的要求，其調(diào)速范圍為650~1180RPM。根據(jù)電機(jī)的額定電壓和額定頻率，我們認(rèn)為選用了A-B品牌的PowerFlex7000系列中壓變頻器是一次除塵控制系統(tǒng)的最佳方案。中壓變頻器的具體型號(hào)為7000-A430DJND-R18TX-*，額定輸出功率為5500HP。
此中壓變頻器為18脈沖變頻器，前端加18脈沖 5500kVA 10000V/3*2300V列相變壓器。變頻器裝置本身寬為4200，重約3.4噸，整體安裝，因此設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電氣室的荷載以及整體吊裝所采取的措施。另外，進(jìn)線高壓開關(guān)柜需向變頻器提供預(yù)跳閘接點(diǎn)，變頻器需向進(jìn)線高壓開關(guān)柜提供合閘指令和跳閘接點(diǎn)。
包頭鋼鐵公司薄板廠1號(hào)210噸轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)也使用了相同型號(hào)的中壓變頻器。兩座轉(zhuǎn)爐自投產(chǎn)以來，中壓變頻器運(yùn)行一直良好，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
3.結(jié)束語
交流變頻技術(shù)在轉(zhuǎn)爐調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，具有極大的應(yīng)用潛力，經(jīng)濟(jì)效益非常客觀。目前在我國許多中小型轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)化控制水平還不是很高，如有條件對這些轉(zhuǎn)爐進(jìn)行交流變頻器與計(jì)算機(jī)（PLC）控制系統(tǒng)相配合的技術(shù)改造，其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益都是十分巨大的。
