羅克韋爾自動化 1336系列變頻器在中間包臺車上的應用

鞍鋼第二煉鋼廠連續鑄鋼車間1流和2流生產線是1988年從日本神戶制鋼所全套引進，運轉自今已經17年，PLC控制系統和傳動變頻設備基本老化，經常出現故障，而且由于控制設備已經進入淘汰周期，因此，從2003年陸續開始改造。
　　1．中間包臺車控制系統簡介
　　 煉鋼廠中間包屬于板坯連鑄工藝前道設備，主要作用是鋼水包回轉到澆鑄位置（即中間包的上方），打開鋼水包滑動水口，使鋼水注入中間包，待中間包鋼水達到要求時，用中間包滑動水口控制注流，注入結晶器中。中間包通過臺車進行平移或升降控制，由于使用環境惡劣，工作級別高。就其走行和升降運行除考慮嚴格密封防止金屬粉塵和耐高溫、安全系數高等條件因素外, 還具有一定的特殊性, 無論走行還是升降采用雙電動機,雙傳動機構剛性聯接的機械結構（見圖1）。
　　
圖1 雙電動機剛性聯接機械結構
　　當正常運行時2 臺電動機必須同步運行以防止機械結構的損壞。當其中任一臺電動機發生故障時, 另一臺電動機必須能單獨完成中間鋼包起升和下降或平移的工作要求, 以防止嚴重的生產安全事故的發生。針對中間鋼包必須的雙電動機熱備份的特殊情況，采用了變頻器來實現雙機控制。
　　2．對變頻調速設備的技術要求
　　(1) 有良好的起動特性和穩速精度,起動力矩滿足電機過載要求。起動力矩足夠＞（鋼包車靜轉矩＋摩擦轉矩），以滿足重載起動的要求(包內澆灌鋼水)。
　　(2)升降轉速連續可調,性能穩定可靠,以適應生產要求高速運轉的需要。
　　(3) 采用雙電機驅動,要求2 臺電機速度偏差小于6rpm ,兩電機轉矩偏差小于輸出轉矩的5 %。以保證2 臺電機負荷的均衡性。
　　3．變頻器選型
　　由于AB 1336 IMPACT變頻器具有FORCE矢量控制技術，可獨立控制交流電機的轉矩和磁通，適用于沖擊負載和需要大的起動轉矩場合，具有出色的速度控制和轉矩控制功能，且在零速時仍能產生滿轉矩，完全滿足雙電機拖動的需要,故我們選擇了1336E變頻器作為臺車升降控制。
　　 1336 PlUSⅡ變頻器具有無傳感器矢量控制功能，可以滿足臺車走行的要求，我們選擇1336F變頻器作為走行控制。
　　4．控制應用要點
　　(1) 重載起動和停車
　　中間包為重型設備, 其負載變化范圍是相當大,其自重近30t ,再加上鋼水可達80t 。1336E系列變頻器是目前最先進的變頻控制設備,對電機參數具有自整定優化運行功能,能充分發揮電動機的潛能,達到最優控制。
　　 對于升降控制，起動尤為重要，如果變頻器運行后，提升力矩不足的話一旦制動閘打開就會出現溜鉤或鋼包滑落無法控制而快速下降，造成設備損壞事故。停車時，如果速度和制動閘配合不好，也會出現過早制動造成制動閘壽命縮短。
　　解決方案：見原理圖2
　　
圖2 臺車升降電氣原理圖
　　利用變頻器數字量輸出接口，可編程為零速，和轉矩輸出功能。
　　起動時，通過使能1336E內置功能塊邏輯加減功能(P212=16)，鏈接P86---＞P198和P201，對于提升轉矩設定值可在P199中設定，下降轉矩設定值可在P202中設定，P200=11，P203=9，P208=1,P209=0,輸出值連接至數字量輸出3(P189=37)控制制動閘。因此可靈活設定提升轉矩為額定轉矩的1.2-1.5倍和下降轉據為額定轉矩的0.3-0.5倍來控制制動閘，確保平穩起動。
　　停車時，設定數字量輸出1(P114=15)，和P19保證電機在零速時，才開始控制制動閘的抱閘。
　　(2) 回饋電能的處理
　　由于重載下降時，鋼包車因自身的重力而下降，電動機的轉速將超過同步轉速而進入再生制動狀態。電動機的旋轉方向是下降的，但其轉矩的方向卻與旋轉方向相反，見圖3。
　　
圖3 重載下降時的工作點
　　因此，無論減速過程還是對于鋼包車重載下降時釋放位能通過電動機轉換成電能都將回饋給變頻器，造成變頻器直流母線電壓升高。
　　解決方案一：選擇制動單元和制動電阻把電能轉化為熱能消耗。
　　解決方案二：選擇回饋單元把電能送回電網。不考慮初期投資該方案有很好的經濟性，1336 Regen即可滿足。
　　
　　(3) 兩電機輸出轉矩的均衡
　　由于中間包臺車為雙電機驅動,故出力的均衡性也是關鍵問題之一,兩臺電機只有提供相同的轉矩,這樣才能保證設備可靠安全運行。從而保證電機既不過載也不欠載。
　　解決方案一：利用變頻器的速度下垂跟隨功能，見圖4
　　

　　速度給定分別控制2臺變頻器，每臺變頻器在速度PI調節器內設置Droop值(P46=5%)，保證變頻器控制電機的機械特性有一定的下垂，這樣一來2臺變頻器即可在保持速度同步的前提下，輸出轉矩相對均衡。
　　解決方案二：利用變頻器的主從控制功能實現轉矩跟隨
　　1臺變頻器主機作為速度控制，另1臺變頻器從機做轉矩控制。見圖5
　　
圖5 轉矩跟隨
　　即從變頻器跟隨主變頻器的轉矩給定運行。由于在主從控制模式中每個電機都有獨立的拖動系統, 主機或從機的獨立運行可以用于冗余運行。即可以通過數字輸入口完成速度控制和轉矩控制之間的自由切換, 使之成為完善的獨立拖動系統。
　　5　應注意的問題
　　(1) 由于采用雙機同步控制, 主機和從機不存在速度誤差, 這樣2 個電動機傳動裝置之間的受載力矩相當均衡, 不僅可以直接剛性連接, 而且明顯保證了傳動裝置在磨損后的同步性, 提高了使用期限。
　　(2) 由于臺車對走行的控制要求不是很高，因此在改造中我們使用了1336F變頻器也取得了很好的效果。
　　（3）變頻調速系統具有非常優良的調速性能和全面的保護功能。在臺車極為頻繁使用情況下, 故障率很低, 明顯減少維護保養時間。
　　（4）在鞍鋼二煉鋼廠連鑄系統的改造過程中，應用1336E和1336F變頻器我們先后改造了大包旋回、結晶器振動、扇形段拉矯輥、切下輥道、切割機等工藝段的變頻控制，實際的運行效果十分令人滿意。這充分說明Rockwell變頻器有著廣闊的應用前景。