变频器在转炉倾动中的设计与应用

周芝峰 上海电机学院

摘要：针对转炉倾动机构负载的控制特点，重点介绍了DTC变频器控制系统的设计、选型及参数配置，并就采用PLC和编码器实现准确位置控制的原理和方法做了分析。

关键词：转炉 变频器 位置控制

Application and Design of Technology in Tilting Furnace

Zhou Zhifeng

Abstract: countered the characteristic of tilting furnace, The paper introduces the design and selection and parameter configuration. But also, will analysis the used PLC and encoder for principle of position control.

Keywords: tilting furnace inverter position control

1 引言

转炉的倾动和氧枪控制是转炉系统控制的核心，是关系产品质量和生产安全的关键环节，某公司第二炼钢厂的30 t转炉倾动装置，由4台电机驱动，低速轴刚性连接。在此之前，由于大转矩启动、大调速范围运行的要求，转炉倾动系统是采用直流电机驱动，控制系统采用了逻辑无环流直流调速系统。该设备是20世纪90年代初期产品，故障率较高。另外，炉体倾动的角度控制也没能很好的解决，时常由于机械式主令的触头松动错位而造成事故；如超过角度极限时会造成“倒钢”，有时停车不到位，钢水不能进钢包，造

成“跑钢”等等。

此次改造，在主体结构不变的前提下，拟将炉容增大至33 t，经用户同意，我们把直流传动改为交流电机变频驱动，改造后控制系统可以做到大力矩启动，平稳加速、平滑变速。采用PLC控制，减少了有接点系统带来的故障。用旋转编码器作为位置检测元件，配合高速计数器，进行定位控制，开辟了一个定位控制的新途径。做到了停车点、变速点的准确控制，最大限度地发挥了变频器的特长和优点。总体上，取得了满意的效果。

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2 工艺要求

转炉在炼钢时，是垂直的，炉口向上，当出钢时，需要倾斜一定的角度。炉体倾动部分采用4台电机驱动，低速轴刚性连接，炉体采用4点悬挂式，辅以扭力杆作为力矩吸收。

根据工艺要求，转炉炉体需能进行正反360°

的倾动。一般情况转炉倾动机构处于正力矩工作

状态，其重量主要集中在下部。这样就可以确保

转炉事故状态下，炉体能自动复位。也就是说倾

动机构具有势能负载特性。因此，对系统提出如

下要求：

1）电气控制系统须有足够的启动力矩，以

适应满载启动的要求，启动须平稳，频繁启动/

制动，无冲击；满足电机四象限运行的需要；

2）针对势能负载的特点，电气系统最好在

低速甚至零速时有较大的力矩输出；

3）为了克服前面叙述的弊端，机械制动器

必须和电控系统紧密配合，在电机建立足够的输

出力矩时，才能松开，需要制动时，立即使电机

停止；

4）炉体须能做到准确、平稳停车定位；

5）4台电动机须保持同步运行，无论是启动、

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制动和正常工作状态，4台电机的负荷要尽量保持平衡；4台电机转速偏差不大于8 r/min ,转矩偏差不大于输出转矩的6 %

3 变频器选择

3.1 控制系统选择

变频器的类型很多，就控制方式而言，有U/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩

（DTC）控制，不同的控制系统其性能不尽相同，

适应的负载也有区别。前已述及，料车具有势能

负载的特性。因此，要求系统在动态过程中具有

较快的转矩响应，且具有较大的启动转矩，最好

在零速时能具有最大的转矩输出。根据这些特点，

我们经过技术比较，认为选用直接转矩控制

（DTC）系统最为恰当。直接转矩控制技术，是

利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接

在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算

与控制异步电动机的磁链和转矩，也就是说DTC

系统是把转矩作为直接跟踪控制对象的，它强调的

是转矩的直接控制与效果。采用DTC直接转矩控

制的交流调速系统可以获得比矢量控制要快的多

的转矩响应，据资料介绍，无速度传感器的矢量控

制系统的转矩阶跃响应，大约为6～7 ms，而直接

转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1 ms左右。

由此可知，它可以做到力矩的建立优先于速度，这正是我们所需要的。

转炉倾动驱动的选择，主要是考虑两方面，一是启动时不要冲击；二是在中途停止再启动时防止因重力作用而下滑。下面就从启动转矩的大小和时间入手，来阐述系统选取的着重点。电机和倾动机构的参数如下：

电机的额定转矩：875 N·m，额定转矩与启动转矩之比：1.8，转炉倾动转矩：1 700 N·m，

根据以上数据我们来看选取什么系统最好。首先我们假设采用工频直接启动的情况，由于一台电机的启动力矩只有486 N·m，４台电机的总启动力矩也只有486×4=1 944 N·m,可见，４台电机在平衡位置启动是勉强可以的，但如果在非平衡位置，抱闸突然松开，转炉靠重力下滑，电机克服重力和惯性力而使转炉平稳倾动，就不可能了，只有在电机建立了足够的力矩之后才能克服下滑而使转炉继续倾动，这可能需要1 s以上的时间，必然产生剧烈的抖动甚至会无法控制，所以在变频技术成熟之前，大都采用直流驱动。那么，现在采用变频技术，选用矢量控制系统又如何呢？前已述及，矢量控制系统额定力矩的建立时

间一般在6～7 ms，这样在非平衡位置启动时，还是会有一些抖动，而在平衡位置启动时，由于是以最大力矩起动，会产生一定的冲击。而TDC控制就不同了，它把转矩作为控制对象，可以设定启动转矩为倾动转矩的1.2倍左右，这样，即便是零速时，也有足够的转矩输出，既可减少启动的冲击，又可克服非平衡位置启动时的抖动。

以上分析可知，对于转炉倾动的驱动选用直接转矩控制系统最佳。为此，我们选用了ACS800的变频器。该变频器可以应用在有较高的过载能力要求的场所，其传动的核心是直接转矩控制（DTC）； 具有高精度的动、静态指标和大的启动转矩；速度的静态精度可以到0.01%，动态精度可以到0.1%；在零速时可以输出1.5～2倍的额定转矩；具有方便灵活的编程功能和多级速度设定功能；具有电磁制动、直流注入方式的能耗制动和专用的机械制动器的控制功能。还可以设定不同的启动转矩和速度曲线，并可通过数字量输入来设定多级速度，有利于平稳起动、制动和准确停车，可以很好地满足转炉倾动机构的特殊要求。

3.2 变频器容量选择

电机为Y系列变频电机，电机参数如下：

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型号YTSZ315S-10,电压380 V，功率55 kW，电流124 A，转速585 r/min，效率0.9,功率因数0.8，转矩875 N·m。

对于转炉倾动系统而言，要求启动力矩大，且在零速时能有克服炉体重力的能力。因此，在选型计算时，一般要求按相关公式计算后，再加大一级。从资料上得知，变频器的容量计算可按下式进行：

PNkPM(kW) （1）

式中：PM为负载所要求的电动机的轴输出功率；η为电动机的效率；k为电流波形的修正系数 (PWM方式时，取1.05～1.0)。

把电机参数代入式（1）得

P1.0555N0.964kW

查ABB公司的ACS800的手册并考虑到重载启动，选用了ACS800–01–00100–3变频器，其额定功率为90 kW，电流为155 A。当然为了可靠起见，在选定后还应按式（2）、式（3）进行校验。

IN=kIM（A） （2）

PNk3UMIMcos103(kW) （3）

式中：UM为电动机电压，V；IM为电动机工频最大电流，A；cos为电动机的功率因数；PN为变频器的额定容量，kVA；IN为变频器的额定电流，A。

把数据代入上式即可验证，所选变频器容量满足要求。

3. 3 启动曲线形状选择

在启动时，由于是重载，并要求平稳，因此把启动的速度轨迹设置成“S”曲线，如图1所示。S型启动曲线特别适合于势能类负载，可以避免

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负荷冲击，有利于减少设备故障。在设定参数时我们取底部弧线的时间为上升时间的1/10。速度上升时间设定为10 s。为了减少冲击，启动时采用了分级启动，第一级为25 Hz， 第二级为50 Hz。速度运行图见图2。实际观察运行较为平稳，基本没有炉体的抖动现象。

图1 启动曲线

4 用编码器实现准确位置控制

转炉倾动是用电机驱动数十吨盛满钢水的炉体按预定的角度旋转，并能准确地停止在任一角度，不能抖动，不能有冲击，不能错位。对于如此重的炉体，如此苛刻的要求，确实是控制的难点。如果停车不到位，就可能出现“跑钢”或钢水倒不尽，如果停车过位，就可能出现“倒钢”，如果停车惯性太大，还可能发生“泼钢”。要作到精确定位，位置检测装置的精度和使用性能也就显得非常重要了，在此之前，是用机械式LK4主令控制器来实现位置检测的，经常出现触头松动、窜位的现象，检修和调整的工作也很费时，故障率

较高。改造后，我们采用光电旋转编码器和PLC实现位置控制，精度高，调整方便，基本上没有故障。

4.1 位置控制的实现

编码器安装在低速轴上，随着电机的旋转它输出一系列脉冲信号，根据型号的不同，每周发出的脉冲数也不同，可根据需要选用。编码器的信号送入到PLC的高速计数器进行计数，计数值的大小，也就反映了炉体转动的角度，以达到精确判断位置（角度）的目的。S7–200系列PLC的高速计数器具有外部控制的双向计数功能，完全满足旋转计数的要求。编码器可以判断电机的旋转方向，不管电机的方向如何，高速计数器都可以准确计数。

我们把炉体口向上的垂直位定为原点，计数值为0，炉体在转动的过程中计数值不断增加，我们可以根据不同的计数值来判断炉体的转动角度。例如：选用200P/R的单圈绝对值编码器，则每个脉冲所对应的角度是1.8°，设炉体出钢的角度为160°，我们就可以方便地算出所对应的计数值是89。从而可精确地设定停车的位置。由于计数器是软件设定，所以，非常方便。当计数值超过最高设定值89时，会发出报警和停车信号，

变频器启动所有应急程序，保证系统的安全。 4.2 变频器速度运行图设置

变频器的优越性在于可以通过简单的参数设定来实现多功能的控制，多级速度设定就是其中的一种，该变频器可以通过数字量输入端的组合，设置4～6档速度。可非常方便地实现变速运行和变速起/停，还可以随意设置加/减速时间。在本例中，为了实现准确、平稳停车，防止事故发生，除了精确的检测、判断之外，还给变频器设置了20 Hz和 5 Hz的两级减速，在炉体停车之前，是以5 Hz的速度运行，当发出停车信号时，在各种制动措施的配合下，很容易实现准确停车，同时也减少了制动器和机械设备的磨损和冲击。为了实现各级速度间的平滑过度，变频器的减速时间设置为5 s，可以平滑变速。当炉体转到120°的a点时，PLC发出信号，使变频器的DI5为1，DI6为0，变频器开始减速，3 s后速度降至20 Hz，当炉体转到140°的b点时，使变频器的DI5为0，DI6为1，速度减至5 Hz。直至停车。速度运行图如图2所示。需要说明的是，调整前的计算，仅能参考，要保证停车准确，需要对编码器、计数器和变频器的参数进行协调修改，精心的调试。

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图2 速度运行图

5 负荷平衡措施

我们知道，对于多台电机同轴驱动的情况，负荷平衡是一个控制难点，主要是因为信号传递和设备参数不对称性造成的。采用直流电机驱动时，解决的办法是电枢串联供电，并分别在每台的励磁回路中串电阻进行微调。对于交流电机而言，参数的分散性更大，负荷平衡问题更难处理。针对这类问题，ACS800变频器专门开发了主/从

控制功能，解决了负荷平衡问题。

主/从控制是专门为多机传动应用而设计的，

在几台变频器当中，设置某一台为主机，其他为

从机，主机以广播的方式向从机发送指令，并跟

踪检查从机的状态，以实现协调控制。一个主机

最多可带10个从机。采用主/从控制，必须增加

专用传动单元（RD—CO板），该单元负责信息的传递和运算，主/从控制信号是采用光纤环行连接，以总线方式通讯。其中：T为发送器连接，R为接收器连接，接线示意图见图3。 本例共有

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4台变频器，即：1台为主变频器（MASTER），另外3台为从变频器。由于是低速轴刚性连接，故主变频器设定为速度控制，从变频器设定为转

矩控制，以保证各变频器的负荷平衡。当主变频器发生故障时，全部从变频器以自由停车方式停机，单台从机出现故障时本变频器停机，其余继续运行。但在该变频器故障排除后，必须全部停止后再重新启动，才能投入。

图3 主/从接线图

6 制动方式选择及设计

为了实现准确停车和防止炉体失去动力时

的“溜车”事故发生，制动措施非常重要。我们在

设计时，采用了电气制动和机械制动相结合的办

法。

6.1 电气制动

电气制动一般可以采用电磁制动、能耗制动和反接制动。ACS800变频器内部分别设置了电磁制动和直流注如入式（能耗）制动。由于本工

程电机容量较大，电磁制动会使电机严重发热，不太适用。我们选用了直流注入制动方式，该制动方式可以把电机锁定在零速，当速度给定和电机速度均降至5 Hz以下时，变频器传动单元发出电机停止指令并在电机定子中注入直流电流，使电机迅速停止。根据所需制动力的大小，注入电流值可以在0～1.2倍额定电流之间进行调整，制动效果比较满意。由于是菜单式编程和数字式设定，调整非常方便。 6.2 机械制动器的控制

对于势能类负载，没有机械制动器是绝对不

行的，在电机突然断电或中途启动时，必须靠机

械制动来控制负载的下落转动。为了克服前面提

到的问题，制动器必须在电机建立了一定的转矩、

电流和转速后才能松开，在改造之前的控制系统

中，电机得电则制动器立即松开，电机失电则立

即制动，制动器的动作快于电机转矩的建立，在

这种情况下，炉体抖动是必然的，更甚者会发生压式抱闸，这种制动器制具有较大制动力，动作迅速。制动器接线如图4所示。

“溜车”事故。ACS800变频器有专用的制动器编程控制功能，可以通过编程对制动逻辑进行设置，例如：可以通过变频器的“42 BRAKE CONTROL”参数对制动器松开电流、制动器松开频率、制动器松开/闭合时间、制动器释放转矩等进行随心所欲的修改。该参数共有10个用户编程细目，以保证制动器的可靠动作。在实际调试中，我们把释放电流确定为电机额定电流的90%，释放频率为5 Hz，释放转矩为100%的额定转矩。当动作条件满足时，变频器的可编程输出继电器RO1动作，使制动器制动或释放。除此之外，制

动器还可以接受外部接点的控制，外部接点是供

用户增加功能时自行设计用的，在本例中，我们

把过极限位、变频器故障、紧急停车、系统断电

等都作为外部接点的驱动信号。当出现上述任一

故障时，PLC就会使外部接点断开，使制动器迅

速制动。本工程中的机械制动器采用了大推力液

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图4 制动器接线图

7 调试总结

7.1 关于变频器容量选择

变频器容量的选择与计算，很多文献均有论

述，一般认为对于势能类负载，在选择时应比计

算值大一级并按重过载选择，这是考虑加速力矩

的影响。经过调试发现，所选变频器容量裕度偏

大，我们分析可能有两个原因；一是电机选择有

较大的余量，二可能是“S”型启动的因素所至或加

速时间设置的较长，也缓解了启动的冲击。本人

认为设计时，应对整个系统有清楚的了解，做到心中有数。

7.2 可靠接地很重要

我们在调试时，发现有莫名其妙的干扰信号，甚至有时编码器的信号也有错误，于是进行检查，结果发现屏蔽电缆的接地不太标准。因为

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我们采用的是具有复合屏蔽的铠装型信号电缆，这种电缆有里外双层屏蔽，双层屏蔽之间有绝缘层隔开，接地时应里外层应单独接地，有较好的屏蔽效果。但工人施工时，接地端的里外层拧在了一起，接在了设备的外壳上。另外一端，屏蔽层裸露，且没做处理，就和金属软管套在了一起，实际形成了两点接地，这样把共模干扰引了进来。另外，原有接地网老化、锈蚀严重，也可能有影响。于是，重新对所有屏蔽电缆进行了重新施工，并敷设了专用的接地网。之后，没发现什么问题。8 结束语

直接转矩控制变频器的启动转矩较大，转矩

响应快，适合于转炉倾动系统的驱动。ACS800

的主/从控制功能对于多电机同轴驱动负荷平衡

找到了出路，使用方便。该系统的设计、选型满

足了转炉倾动系统的苛刻要求，应该说是成功的。参考文献

1 ABB公司，ASC800 编程手册，2005

2 李崇坚.交流电机变频调速控制系统的探讨.中国工 控网

3 吴忠智.调速用变频器及配套设备选用指南.北京:机械工业出版社，2006

4 刘俊美.通用变频器应用技术.福州：福建科学技术出版社，2003

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