鄭軍
轉(zhuǎn)爐出鋼是煉鋼的重要環(huán)節(jié)，目前面臨的最大困難是難以實現(xiàn)自動控制。因此，在實際工作中，工作人員可以利用冶金工藝建模技術(shù)，以電生磁及動磁生電的理念為設(shè)計基礎(chǔ)，通過設(shè)計異步電機(jī)等手段，完善設(shè)計整套控制轉(zhuǎn)爐出鋼的智能化系統(tǒng)?；诖耍疚膶D(zhuǎn)爐出鋼零速懸停智能優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，確保其具備較強(qiáng)的可操作性及抗干擾能力，保障工作過程的安全性、穩(wěn)定性，進(jìn)而降低生產(chǎn)及養(yǎng)護(hù)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
一、智能懸停系統(tǒng)
轉(zhuǎn)爐出鋼是煉鋼的重要環(huán)節(jié)，在實際操作過程中，一定要保證穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)而保證工作質(zhì)量及產(chǎn)品質(zhì)量。工作人員根據(jù)實際工作情況設(shè)計了異步電機(jī)設(shè)備，其可以進(jìn)一步保證轉(zhuǎn)爐在出鋼工作中抱閘不投入，避免設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)抖動，使出鋼過程更穩(wěn)定。如果轉(zhuǎn)爐在出鋼時發(fā)生故障，那么異步電機(jī)設(shè)備可以及時停止其工作。異步電機(jī)設(shè)備還可以在傾動過程中進(jìn)行雙檢測及雙矯正，并預(yù)測不正常指令。
(一)三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)
三相異步電動機(jī)進(jìn)行工作時，主要依靠轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差率生成電動勢，進(jìn)而達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。三相異步電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1. 異步電機(jī)定子：定子主要由三部分構(gòu)成：機(jī)座；定子鐵芯；定子繞組。
2.異步電機(jī)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子主要由三部分構(gòu)成：轉(zhuǎn)子軸；轉(zhuǎn)子鐵芯；轉(zhuǎn)子繞組。
3. 氣隙：通常情況下，氣隙特別小，尤其是中小型異步電機(jī)，據(jù)調(diào)查分析，中小型異步電機(jī)的氣隙通常保持在 0.1～1mm 范圍內(nèi)。而且，想要保證其電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生更低的空載電流，那么在設(shè)計過程中，則應(yīng)盡可能提高電機(jī)的功率，并確保其氣隙范圍在更小的數(shù)值范圍內(nèi)。
(二)工作原理
應(yīng)用三相異步電機(jī)主要由于其構(gòu)成簡單、成本更低、耐用使用壽命更長、便于維護(hù)、負(fù)載特性更好、效率更高等。所以，三相異步電機(jī)的應(yīng)用行業(yè)和領(lǐng)域更廣泛，冶金、煤炭、化工等行業(yè)都在使用。
為了保證其工作的科學(xué)性及合理性，設(shè)計時，通常需要按照電磁感應(yīng)原理及電磁力定律展開工作，然后將380V三相對稱交流電同時連接到三相異步電機(jī)設(shè)備上，并保證120°相位差，這時將會出現(xiàn)一個完整的旋轉(zhuǎn)磁場。同時，定子旋轉(zhuǎn)磁場會對載流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體造成一定的影響，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力，推動電機(jī)工作，這樣可以促進(jìn)電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。
(三)運(yùn)行狀態(tài)
異步電機(jī)包括電動機(jī)、發(fā)動機(jī)以及電磁制動三種狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。
(四)運(yùn)行狀態(tài)分析
1.異步電機(jī)的主磁通及漏磁通
異步電機(jī)內(nèi)的電磁系統(tǒng)有主磁通及漏磁通兩種形式。主磁通作為傳遞媒介，用于能力的傳遞，且傳遞效果更好。其能量傳遞的主要流程為：定子→氣隙→轉(zhuǎn)子→氣隙→定子。而漏磁通的主要作用為電抗壓降，不能作為能量傳遞的媒介。漏磁通一般分為三個部分：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次諧波。
2.轉(zhuǎn)子不運(yùn)行狀況分析
為了保證異步電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作，需要以電動勢及磁動勢為支撐，且其大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況相關(guān)。此時，應(yīng)設(shè)定交流電機(jī)(異步)的轉(zhuǎn)差頻率，并由獨立電壓對其進(jìn)行掌控，以達(dá)到異步電機(jī)堵轉(zhuǎn)的目的。而當(dāng)電機(jī)和變頻器長時間在堵轉(zhuǎn)電流下工作時，則需要降低其容量。
二、智能傾動系統(tǒng)
從我國目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，通常選擇 S120 系列高性能交流變頻傾動控制系統(tǒng)，它是由德國SIE‐MENS公司研制的，該系統(tǒng)主要由進(jìn)線開關(guān)、進(jìn)線電抗器、整流單元、逆變器、輸出電抗器、制動單元、制動電阻等構(gòu)成。
(一)改造前的傾動系統(tǒng)
應(yīng)用改造前的傾動系統(tǒng)工作時，工作人員在實際操控傾動傳動裝置的過程中，需要人工手動操作。通常利用自動化控制程序開啟抱閘，進(jìn)而推動轉(zhuǎn)爐運(yùn)行。如果轉(zhuǎn)爐沒有運(yùn)行，應(yīng)關(guān)閉抱閘，傳動裝置隨之停止工作，因此不會產(chǎn)生電流。所以，需要保證制動電阻應(yīng)用的科學(xué)性，以達(dá)成掌控變頻器四象限的目的，具體參數(shù)可參考表2。
(二)優(yōu)化后的傾動系統(tǒng)
1.SINAMICS S120系統(tǒng)介紹
由于傾動系統(tǒng)改造前，工作中存在一定的弊端， 且需要投入一定的人力。為了降低人力成本，提高生產(chǎn)效率，需要對傾動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善。優(yōu)化后的傾動系統(tǒng)主要應(yīng)用SINAMICS S120系統(tǒng)，它不僅可以在一定程度上控制直線電機(jī)，同時也具備良好的定位功能。除此之外，SINAMICS S120系統(tǒng)還可以實現(xiàn)傳動應(yīng)用的單機(jī)及多級變頻調(diào)速裝置設(shè)備。
SINAMICS S120 系統(tǒng)的構(gòu)成分別為以下 6 個部分：(1)控制單元；(2)電源模塊；(3)功率模塊；(4)直流+24V電源模塊；(5)傳感器模塊；(6)端子模塊以及選件板。
2.全新傾動系統(tǒng)方案概述
在全新的傾動系統(tǒng)中應(yīng)用 S120 變頻器，并以此對轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的主要原因是，相較于其他變頻器而言，S120 變頻器的性能更好。傾動系統(tǒng)在工作過程中，其控制方式主要采用四象限運(yùn)行的電阻制動。當(dāng)四個電機(jī)同時啟動時，即使其中一臺電機(jī)出現(xiàn)故障停止工作，其他三臺電機(jī)依然可以正常運(yùn)行，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)爐持續(xù)工作，從而確保了工作效率。正常來講，傾動主回路應(yīng)用4臺電動機(jī)，并采用一對一的模式，其實是將4臺變頻控制裝置與4臺電動機(jī)進(jìn)行連接，并且每個系統(tǒng)包含一臺進(jìn)線柜、一臺整流裝置BLM以及一臺逆變器，同時還需要配備制動單元和制動電阻。
通常來說，需要應(yīng)用 SIMOTION D455，并對 S120變頻器進(jìn)行一定的控制，同時也需要保持與CU320之間的通訊。SIMOTION D455 主要的工作內(nèi)容還包括監(jiān)督變頻器及保證生產(chǎn)效率。SIMOTION D455 在實際工作中的具體功能如下：(1)全新位置傳感器應(yīng)該與D455運(yùn)動控制系統(tǒng)保持連接狀態(tài)，然后再由D455控制器明確位置，保證其準(zhǔn)確性，并在斷電情況下進(jìn)行檢測；(2)新的位置加速度傳感器需要連接到D455運(yùn)動控制系統(tǒng)上，并與電機(jī)自身的編碼器同時運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)生傾斜超速、預(yù)測系統(tǒng)的目的；(3)與變頻器、控制器CU320相結(jié)合，監(jiān)控驅(qū)動力，確保其轉(zhuǎn)矩值大于設(shè)定值，進(jìn)而對機(jī)械卡住等過力矩的情況進(jìn)行預(yù)判；(4)通過應(yīng)用預(yù)激勵信號、退磁信號和零速閾值，實現(xiàn)對抱制動的控制 ，保證其精準(zhǔn)性和可靠性。 CU320作為基礎(chǔ)控制器，要保證對每個BLM整流器單元及逆變器進(jìn)行控制。對傾斜的控制，可以達(dá)到各個傾斜裝置之間隨意切換主從控制的目的，進(jìn)而保證整體傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定。
CU320 在實際工作的過程中主要有 6 點基本功能：(1)現(xiàn)階段傾動系統(tǒng)應(yīng)用4臺變頻器裝置控制器，且型號都選用 CU320，4 臺 CU320 在進(jìn)行通訊的過程中，一般應(yīng)用SINAMICS Link總線及CBE20通訊板，并保證通訊的及時性，其工作原理可參考圖 2。(2)應(yīng)用CU320能實現(xiàn)主從負(fù)荷的平衡狀態(tài)。(3)為了更有效地達(dá)到主從切換的狀態(tài)，轉(zhuǎn)爐正常運(yùn)行時，首先應(yīng)用1#傳動裝置，并將此作為主機(jī)，其余三個作為從機(jī)輔助進(jìn)行工作。如果 1#運(yùn)行出現(xiàn)故障停止工作，可以將2#從機(jī)作為主機(jī)，3#和4#作為從機(jī)繼續(xù)工作，以此類推。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行時，傳動裝置一般運(yùn)用矢量控制的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，滿足矢量閉環(huán)的控制需求，同時也可以使主從控制之間的負(fù)載處于平衡狀態(tài)。
因此，如果從機(jī)處于工作狀態(tài)，它的從動傳動裝置通常會采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)方式展開工作，在此過程中，一般以主調(diào)速器的輸出作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定。(4)CU320工作時，需要應(yīng)用DCC平臺，并進(jìn)行相應(yīng)的編程工作，同時需要合理利用DP總線的性能，保證變頻裝置與上位機(jī)進(jìn)行通訊。如果網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)故障問，就可以選擇本地控制系統(tǒng)，使二者保持通訊，可以以1#變頻器為主進(jìn)行控制，系統(tǒng)可以適當(dāng)調(diào)整模擬量信號，保證每個速度環(huán)和四個電流環(huán)，進(jìn)而控制4臺電機(jī)同時啟動及運(yùn)行，保持一致性，這樣可以保證轉(zhuǎn)爐傾動到安全、穩(wěn)定的位置。(5)實際工作中，需要合理利用量編碼區(qū)的自動檢測抗干擾的能力和轉(zhuǎn)換性能，在保證設(shè)備正常工作的同時，也不會對煉鋼工作造成不良影響，還可以主動轉(zhuǎn)換為無編碼器模式，進(jìn)一步提升了工作效率和工作質(zhì)量。(6)為提高低速懸停狀態(tài)下的控制精度，并保證其超高的穩(wěn)定性和安全性，有必要連接新增加的電機(jī)高精度編碼器，以取代現(xiàn)有的設(shè)備。
3.傾動系統(tǒng)接地要求
為了保證傳動工作的正常運(yùn)行，并保證此過程的安全性以及穩(wěn)定性，每臺傳動柜都會配備接地專用的端子或接地銅排。但在施工建設(shè)過程中，連接地極所應(yīng)用的電纜需要≥35mm2 ，接地電阻需要≤4Ω。
三、結(jié)束語
綜上所述，從目前煉鋼工作的實際情況來看，對于關(guān)鍵的轉(zhuǎn)爐出鋼工作環(huán)節(jié)，最突出的問題是缺乏智能化控制系統(tǒng)，這也導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。針對這一情況，需要完善、優(yōu)化轉(zhuǎn)爐出鋼零速懸停智能化系統(tǒng)，這樣可以隨機(jī)懸停，既滿足了轉(zhuǎn)爐出鋼隨時懸停的需求，也保障了工作的穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)而推動企業(yè)的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展，并保證工作效率和水平，提升其社會效益，保證產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。