西门子6SE70变频器在钢厂转炉倾动/氧枪升降控制电机上的应用

1　引言 　　淄博宏达炼钢公司是一家中小型钢铁公司，为扩大生产规模，计划新增120t转炉一台。在听取厂方介绍的早期4台20t的炉子，用的是直流调速。现在不仅维护费用高，而且经常出故障。2002年安装的3台80t的炉子采用交流变频调速，调速信号来自于主操作台上的电位器，运行时转炉转动快慢难以达到理想的控制要求，低频时干扰明显，而且出现过几次转炉炉体遛车，钢水外溅事故。对于炼钢工艺的特别要求，转炉和氧枪都是重、满载启动运行，及运行平稳性、较高的停车定位精确度。此设计选用6se70系列的变频器，通过变频器内部软件调试技术解决速度不稳、遛车及提升困难等诸多问题。 　　选用的西门子变频器型号为: 　　转炉倾动控制:由一台6se7037-0ek60(400kw)的变频器同时控制4台55kw并联运行的电机， 　　氧枪升降控制:由一台6se7031-8ef60(90kw)的变频器控制一台55kw的电机系统运行控制和连锁通过上位机西门子plc来实现。 2　转炉倾动和氧枪升降的变频调速控制系统 2.1　转炉倾动的变频调速控制系统 　　基于钢厂工艺及厂家考虑成本的要求，倾动的控制采用的是1拖4控制方式(即一台变频器拖动四台电机并联运行)。由于厂内大批量使用变频器控制电机，为了消除变频器运行时对电网谐波干扰，又可防止电网突变对变频器输入侧的冲击，同时保护整流模块，因此在变频器输入侧配有半导体高速熔断器和输入电抗器。同时为了更好地抑制变频器输出侧对外围设备的干扰，提高变频器的带载能力，在变频器的输出侧配有输出电抗器。转炉倾动主回路图如图1所示。

图1　转炉倾动主回路图

2.2　氧枪升降的变频调速控制系统 　　氧枪升降的变频调速系统，氧枪升降是典型的位能性负载，按照炼钢工艺的要求，氧枪在升降过程中要实现由慢速到快速和由快速到慢速的转换，检测点不仅多而且定位必须准确，否则直接影响到炼钢质量和氧枪的损坏。因此氧枪的检测及定位由脉冲编码器和plc实现。一备一用的两套氧枪系统确保了炼钢系统的可靠性;当一只氧枪发生故障时，可快速提升此氧枪、横移至一侧，然后将另一只氧枪横移、对中、下降来替换故障氧枪。 　　同样考虑到冶金行业此设计用的是6se70变频器，在变频器输入侧配有半导体高速熔断器和输入电抗器，在输出侧配有输出电抗器。如图2所示，主回路完全按照西门子变频器的标准装配要求配置。

图2　氧枪升降主回路图

3　控制系统 3.1　转炉倾动控制系统 (1)三地操作:根据炼钢工艺的要求，转炉倾动需三地控制，分别为主控室主操作台控制、转炉炉前操作台控制、转炉炉后操作台控制。 　　主控室主操作台控制:在主控室通过主操作台上的按钮及操作把手可对转炉进行摇炉、加料、出料和氧枪的对中、升降、加氧及其它所有的操作均能在主控室主操作台上进行。 　　转炉炉前、炉后操作台控制:主要是在出料出渣及转炉维护时现场工人使用，由于在主控室只能看到转炉的一个正面，在出料出渣时无法看到出料的多少，这样只能借助于现场炉前炉后操作台工人的现场操作。 (2)段速控制:和以往的模拟调速、端子点动调速不一样，克服了频繁操作，速度不稳，而且受外界干扰大的缺点;通过2个继电器实现3个固定速度的选择。 参数定义: p580=16 定义变频器6#端子选择段速0位 p581=12 定义变频器4#端子选择段速1位 即:当4#端子为“0”， 6#端子为“0”时，选择速度p405 当4#端子为“0”， 6#端子为“1”时，选择1段固定速度p406 当4#端子为“1”， 6#端子为“0”时，选择2段固定速度p407 当4#端子为“1”， 6#端子为“1”时，选择3段固定速度p408 p417=1 选择开关量连接器的bico参数，从此读入选择一固定设定值的位2 p418=0 选择开关量连接器的bico参数，从此读入选择一固定设定值的位3 p405=0 固定速度为0 p406=10 1段固定速度10hz p407=20 2段固定速度20hz p408=30 3段固定速度30hz (3)抱闸使能:在炼钢过程中，由于工艺需要经常频繁摇炉，再加上自身加炉内料重达200t，是一个大惯量负载，为确保在任意位置不下滑，且定位准确，每台电机的轴都设有机械抱闸。抱闸何时打开、何时关闭是转炉安全运行的前提，若在升速时过早的打开抱闸，转炉将遛车，而且由于炉内是液态钢水下滑时重心前移，重力矩造成的下滑力加大，下滑加快后果不堪设想;升速时若打开抱闸过晚，当打开抱闸时转炉迅速提速，钢水前溅也是不允许的。同样变频器在减速时关闭抱闸也有严格的时间限制。抱闸是通过变频器继电器输出实现的。 参数定义: p653=275 定义变频器5#端子选择抱闸使能 p610 =242 制动阀值参考量取转矩电流 p611=80 抱闸打开条件检测到电流百分数 p609、1=105 变频器故障抱闸关闭条件 p609、2=106 变频器停止 p609、3=601 变频器正转反转与门 p609、4=0 p443=40 调速口选择段速 (4)电压提升:由于转炉是v/f控制，在低速时电压也低，由于转矩与电压的平方成正比，转矩非常小，提升困难，经过多次观察启动时电流曲线和炉体动向，启动时加上一个适当的提升电压效果比较明显。 电压提升参数: p318=1 电压提升 p325=25 0hz时电压提升的数值 p326=10 电压提升结束频率 对于转炉倾动，通过段速控制、抱闸使能、电压提升三者的配合使用，转炉在启停运行过程中非常可靠。转炉倾动变频器控制端子图如图3所示。

图3　转炉倾动变频器控制端子图

3.2　氧枪升降控制系统 (1)主控室主操作台控制:在主控室通过主操作台上的按钮及操作把手可对氧枪进行横移、对中、升降及加氧等操作。 (2)段速控制:同转炉倾动一样同样用段速控制，氧枪通过一个继电器实现两个固定速度的选择。 参数定义:

p580=16 定义变频器6#端子选择段速0位 p581=0 常0选择段速1位 即:当6#端子为“0”，选择1段固定速度p405 当6#端子为“1”，选择2段固定速度p406 p417=1 选择开关量连接器的bico参数，从此读入选择一固定设定值的位2。 p418=0 选择开关量连接器的bico参数，从此读入选择一固定设定值的位3。 p405=10 1段固定速度10hz p406=27 1段固定速度27hz p443=40 调速口选择段速 (3)抱闸使能:氧枪在对中位停止升降时，为确保在任意位置不下滑，且定位准确，氧枪电机的轴加有机械抱闸，同样抱闸是通过变频器继电器输出实现的。 参数定义: p653=275 定义变频器5#端子选择抱闸使能 p610=148 制动阀值参考量取速度/频率 p611=5.5 抱闸打开条件检测到速度/频率的百分数 p609、1=105 变频器故障, 抱闸闭合条件 p609、2=106 变频器停止 p609、3=601 变频器正转反转与门 p609、4=0 (4)矢量控制:氧枪升降是典型的位能性负载，在低速时要求有足够的提升转矩，因此氧枪控制方式是矢量控制。 (5)静态提升:在炼钢过程中氧枪在对中位停止时，有两种状态:一是氧枪长时间停止升降，变频器停止运行;二是氧枪在1～3min内可能频繁升降，变频器运行在待命状态(变频器已启动但没升速)，此时氧枪的下滑力全靠抱闸来克服，一旦抱闸失灵或误动抱闸打开，后果可想而知。为确保万无一失加入静态转矩提升，克服氧枪自身的重力矩，这样在松开抱闸的一瞬间氧枪不下滑。 参数定义: p100=3 控制方式 p278=110 静态提升的百分数(保证静态提升电流小于电机额定电流，则电机能在温升允许条件下长期运行而不损坏) 　　对于氧枪升降，如图4所示，氧枪升降控制是通过段速控制、静态提升、抱闸使能、矢量控制四者的配合使用，氧枪也达到了最佳运行状态。

4　现场调试问题与解决 　　无论是转炉倾动还是氧枪升降，逻辑调试并不复杂，只是简单地启停、正转、反转和几个固定速度。但炼钢作为一个高危行业。加上主控室主操作台直接正对转炉，炉前炉后操作台直接在现场，现场工人较多，因此安全可靠是第一位。

4.1　问题 (1)在变频器空载调试时，用变频器的运行输出去打开抱闸，变频器遛车很明显。然后用检测频率去打开抱闸，在5hz左右效果仍然不好。因此选择检测转矩电流，并将电流提高让电机先堵转建立足够大的电磁转矩再打开抱闸。这样尽可能保证启动不遛车。 (2)变频器初始调试时，在未加电压提升时，首先，变频器时常报a020，其次，转炉抱闸打开的瞬间转炉先有一点遛车后再慢慢平稳运行，误认为抱闸打开太早，经多次提高抱闸打开的阀值和减少变频器升速时间，效果还算可以。 (3)问题(1)解决后，现场出现一个新的问题，每次变频器启动松开抱闸前，抱闸有两声大的响声后松开，同时电机的轴快速运转。说明抱闸打开又太晚，虽然变频器的上升时间和抱闸打开有一个时间差，但抱闸打开机械上要有一个动作时间，若变频器设置的上升时间太短，抱闸打开时电机已转到一个很高的速度，所以出现此现象。对此加大了变频器的上升时间，调节了抱闸打开的阀值，抱闸打开时基本运行正常。但新的问题是当转炉满载启动抱闸打开时，负载又有遛车迹象，且变频器时常出现过流封锁，根据现象判断是启动转矩不够。同时也说明启动电流大并不等于启动转矩大。

4.2　问题的解决 　　在后来的调试中加入电压提升经多次试验效果非常明显，低速时电压提升增加了提升力矩，所有的问题得到了解决。 5　变频器的主要调试参数 (见附表) 

6　结束语 　　此转炉于5月15～17日模拟炼钢一次成功，5月18日投料生产以来一直运行良好，在几次的回访中客户反映良好，和以前的几台炉子相比使用方便、稳定，从没有像以前的转炉出现过遛车、反映迟钝的现象。