1. 概述
交流電動機采用變頻調(diào)速技術是當代電動機調(diào)速的潮流，它以體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護齊全、操作方便等優(yōu)點，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)領域的應用日益廣泛。
它的主要作用有：
(1). 節(jié)約能源
利用變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速運行，在諸多方面可以節(jié)約電能，尤其是在風機類、水泵類等機械設備運行過程中，節(jié)能效果最為明顯。在當前我國電力供應普遍緊張的情況下，這一點顯得尤為重要。
(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，往往存在快速運行、準確停車、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)的直流電動機調(diào)速方式，使電氣設備的結(jié)構更加合理簡單，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現(xiàn)軟啟動和軟停止，因而可以有效地減少電動機啟動、停止時對電網(wǎng)的沖擊，改善電源容量裕度。尤其是電動機容量大，而變壓器容量相對較小時，這種效果更加明顯。
(4). 可以方便地實現(xiàn)電動機的正、反向運行
由于變頻器都具有正、反向輸入端子，因此，電動機的正、反向運行不需要主回路交流接觸器之間交替切換，減少故障維修，減輕工人的勞動強度。
2. 變頻器的應用
近幾年，在我們的設計工作中大量地應用了交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，尤其是A-B品牌的交流變頻器，在轉(zhuǎn)爐、連鑄以及風機、水泵類負載的自動控制中，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)中的應用。
2.1 應用范圍
交流變頻器在轉(zhuǎn)爐煉鋼控制系統(tǒng)中，主要應用于轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降、一次除塵的風機運行、散狀料給料機下料、運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級計算機（PLC）系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)配合使用，效果會更好。
美國羅可韋爾自動化公司A-B品牌的1336 IMPACT系列變頻器能夠提供精確的電動機速度和轉(zhuǎn)矩控制，具有獨立控制電動機磁場和轉(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的負載，例如轉(zhuǎn)爐傾動、氧槍升降以及運輸車輛行走等的控制。
2.2 具體應用
(1). 轉(zhuǎn)爐傾動的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐傾動的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，是轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中變頻技術應用的重點，由于負載的特性，此部分技術難度較大，同時，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）的傾動控制系統(tǒng)設計中均采用了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)爐傾動設計中的應用：
青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐傾動裝置采用4只齒輪傳動的全懸掛結(jié)構形式，每個齒輪由一臺YZPBF315M-10,75kW交流電動機傳動，正常生產(chǎn)時4臺電動機同步運行，當其中1臺發(fā)生故障時，其余3臺電動機仍可繼續(xù)工作，以滿足生產(chǎn)的要求。在每個電動機軸上安裝1個編碼器，在傾動機構耳軸上安裝1個編碼器及1個主令控制器。
根據(jù)煉鋼工藝的要求，傾動的控制采用傳統(tǒng)的主令控制器操作, 操作地點有三處，即操作室主操作臺、轉(zhuǎn)爐爐前操作臺和轉(zhuǎn)爐爐后操作臺，其工作程序和聯(lián)鎖控制通過PLC實現(xiàn)。該轉(zhuǎn)爐為全正力矩設計，當出鋼或出渣過程停電時，可氣動松開制動閘，爐子靠自重恢復到垂直位置。
根據(jù)近幾年轉(zhuǎn)爐傾動控制系統(tǒng)的設計和應用情況，我們針對1拖4控制方式（即1臺變頻器拖動4臺電動機）和4拖4主從控制方式進行了認真的比較。1拖4的控制方式，系統(tǒng)簡單，易編程調(diào)試和維護，但從安全、合理的角度考慮，每座轉(zhuǎn)爐需增設一套變頻器裝置作為備用，以化解轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時因變頻器故障而帶來的巨大風險，這樣造價會相對較高，不經(jīng)濟。最終我們確定了4臺電動機采用變頻器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)絡進行通訊。
考慮到轉(zhuǎn)爐傾動的負載性質(zhì)和變頻器的過載系數(shù)，我們選用了4臺1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B150-AA-EN-L8E-HA2-GM5,112kW來分別驅(qū)動4臺電動機。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、進線電抗器。
為了抑制變頻器對其它設備的高頻干擾，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方式，而采用了能耗制動，制動力矩110％，制動電阻柜外安裝。
本系統(tǒng)具有以下特點和功能：
__四象限運行。IMPACT變頻器能工作在正向出力、正向制動、反向出力、反向制動四種工作狀態(tài)。
__主/從控制功能（速度/轉(zhuǎn)矩控制）。在4臺變頻器中，設定其中1臺為主變頻器，進行速度控制，另外3臺為從變頻器，主變頻器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出作為從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定進行轉(zhuǎn)矩控制；當其中1臺從變頻器發(fā)生故障時，主變頻器內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出信號給另外2臺從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，進行轉(zhuǎn)矩控制；當主變頻器發(fā)生故障時，通過DEVICE NET通訊網(wǎng)絡，PLC系統(tǒng)給從變頻器中的1臺進行賦值，變?yōu)樗俣瓤刂疲ㄊ蛊渥優(yōu)橹髯冾l器），其內(nèi)部轉(zhuǎn)矩輸出信號作為另外2臺從變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，進行轉(zhuǎn)矩控制。
__零速滿轉(zhuǎn)矩功能。由于采用FORCE技術，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)中變頻技術應用的另一個重點和難點。氧槍升降是典型的位能負載，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)的工藝檢測點較多，在待吹點和吹煉點均要求準確停車。尤其是在吹煉點，氧槍的槍位直接影響到煉鋼的質(zhì)量。因此，應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)設計中均采用了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計中的應用：
青島鋼鐵公司80噸轉(zhuǎn)爐設有2套氧槍，互為備用。每套氧槍升降系統(tǒng)由一臺YSGB315L1-10,64kW交流電動機傳動，在生產(chǎn)過程中當工作氧槍發(fā)生故障時，可快速通過橫移換槍等操作，使用備用氧槍繼續(xù)生產(chǎn)。當氧槍系統(tǒng)停電時，可切換到氣動馬達，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)鎖控制是通過計算機控制系統(tǒng)（PLC）實現(xiàn)的。
圖2 變頻器與PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡框圖
在設計中，考慮到氧槍升降的負載性質(zhì)和變頻器的過載系數(shù)，我們選用了2臺1336 IMPACT矢量型變頻器1336E-B125-AA-EN-L5-HA2-GM5,93kW來分別驅(qū)動每套氧槍升降裝置電動機。
同樣，為了抑制電源側(cè)過電壓以及變頻器對其它設備的高頻干擾，減少電流畸變，在變頻器輸入側(cè)配有共模扼流圈、進線電抗器，在變頻器輸出側(cè)配有輸出電抗器。
變頻器與計算機控制系統(tǒng)之間的信號與數(shù)據(jù)傳輸同樣采用了國際開放式的DEVICE NET網(wǎng)絡進行通訊，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算機控制系統(tǒng)之間的信號采集與數(shù)據(jù)傳輸。
氧槍實際槍位的檢測由脈沖編碼器和計算機系統(tǒng)高速計數(shù)模塊實現(xiàn)，在現(xiàn)場設一個氧槍上極限接近開關檢測氧槍換槍位，以確定高速計數(shù)模塊計數(shù)的起始點及槍位校驗點。
(3). 變頻器在轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)中的應用
根據(jù)風機的負載特性，我們知道風機的流量與轉(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。當需求風量下降時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。例如，當需求風量減少1/2時，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)風門擋板開度大小的方式調(diào)節(jié)風量，雖然也可相應降低能耗，但風機長期工作在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，能量有相當部分損失在擋板上，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)的一個重要環(huán)節(jié)，吹煉時產(chǎn)生的煙氣量較大，而平時煙氣量則較小，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，響應速度要快。另外，轉(zhuǎn)爐一次除塵的煙氣量較大，為風機配套的電機一般均為6kV或10kV的中壓電機，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210噸轉(zhuǎn)爐（2003年）的一次除塵控制系統(tǒng)設計中均采用了中壓變頻器。其中包頭鋼鐵公司薄板廠2號210噸轉(zhuǎn)爐是從美國購買的二手設備，一次除塵風機配套的電機額定電壓為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)電機的額定電壓和額定頻率，我們認為選用了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，因此設計時需考慮電氣室的荷載以及整體吊裝所采取的措施。另外，進線高壓開關柜需向變頻器提供預跳閘接點，變頻器需向進線高壓開關柜提供合閘指令和跳閘接點。
包頭鋼鐵公司薄板廠1號210噸轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)也使用了相同型號的中壓變頻器。兩座轉(zhuǎn)爐自投產(chǎn)以來，中壓變頻器運行一直良好，經(jīng)濟效益明顯。
3.結(jié)束語
交流變頻技術在轉(zhuǎn)爐調(diào)速控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，具有極大的應用潛力，經(jīng)濟效益非常客觀。目前在我國許多中小型轉(zhuǎn)爐的自動化控制水平還不是很高，如有條件對這些轉(zhuǎn)爐進行交流變頻器與計算機（PLC）控制系統(tǒng)相配合的技術改造，其社會效益、經(jīng)濟效益都是十分巨大的。
