变频器在转炉氧枪升降控制系统中的应用

祁庆芳

【摘 要】本文介绍了转炉氧枪控制系统中利用增量型编码器定位以及变频调速控制氧枪高低速技术的应用过程，以及变频器运行中出现的问题进行分析和处理。

【关键词】转炉氧枪；变频器；调速；智能电阻

0.前言

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能。目前冶金行业流行的顶吹式炼钢中氧枪自动控制系统担负着对从转炉顶部进行吹氧冶炼的氧枪的升降控制，其控制要求稳定可靠性好、控制精度高、响应速度快，其定位以及升降控制在吹炼过程中起着重要作用，直接影响到生产出钢水的质量。

1.氧枪控制系统的构成

1.1氧枪控制系统的设备构成

控制系统都是由电磁站内的PLC控制变频器，再由变频器驱动氧枪升降电动机工作，电动机通过减速机带动氧枪钢丝绳滚筒运转，钢丝绳牵引着装有氧枪的小车在固定的轨道上进行升降运动。为了将氧枪小车的位置信号反馈给PLC，在电机另一端装有氧枪高度编码器，在减速机另一端装有凸轮控制器。为了控制氧枪不至于冲顶或坠地，另外在氧枪的活动轨道上方还有两个机械上极限限位，在氧枪的固定轨道上还装有一个机械下极限限位。为了检测钢丝绳是否松驰，在钢丝绳的另一端装有张力检测传感器。

1.2智能主令控制器

转炉氧枪控制系统采用西门子智能编码器，在自动化系统中，编码器把实际的机械参数值转换成电气信号传入PLC进行处理。其具有运行可靠、响应速度快、分辨率高、控制正确、调整方便、状态存储等优点。智能编码器通过检测卷筒转动来得到正确的位移量，系统通过检测到不同的位移信号来发出指令通过程序来控制变频器起停、变速等。

1.3变频器

转炉氧枪控制系统采用的是施耐德Altivar61变频器并加有智能电阻器。

2.变频器的基本结构

变频器一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 见图1。

图1 变频器基本构成

2.1整流器

电网侧的变流器称为整流器，其作用是把交流电源转换成直流电源。整流器一般都是单独的一块整流模块。

2.2平波回路

平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

2.3控制电路

主要由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路构成。变频器采取的控制方式，有速度控制、转拒控制、PID或其它方式。

2.4逆变器

负载侧的变流器称为变流器，逆变器同整流器相反，逆变器是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断，从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

3.转炉氧枪控制系统的控制方式

3.1转炉氧枪控制过程为

整个氧枪自控系统是由西门子S7-400的PLC进行控制的。操作室手柄发出的提枪或下枪指令传入PLC的模拟量输入模块时，同时检测氧枪升降的条件是否具备，包括张力是否正常、最高点或最低点是否工作，其它条件是否满足下枪或提枪条件。

通过设定启动频率，第一运行速度、第二运行速度等多点速度（具体何时变速由智能编码器发出）。逆变器运行的条件是接到上升、下降命令，此命令由PLC根据运行约束条件输出上升、下降点来控制。

3.2在转炉氧枪控制系统中，变频器是其中不可或缺的部分，接线图见图2。变频器在调速过程中具有以下优点：

图2 变频器基本接线图

（1）调速连续方便，分段预置，调速过程中连续平滑。

（2）实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，减小机械冲击，延长电气元件使用寿命。

（3）启动及加速过程冲击电流小。对整个电网影响小。

4.变频器在氧枪控制中出现的问题及解决方法

4.1故障

转炉氧枪在一段时间内频繁出现故障，在自动控制过程中，其在上减速过程中总是出现变频器断电现象，而在手动使用时就没有这个现象出现。

4.2故障分析

4.2.1机械部分

故障发生后，立即检查，卷筒与减速机连接方式为直连式，中间采取滑块方式来减少连接间隙，保证设备精度。检查减速机连杆、滑块及滑块套。均无发现机械间隙，配合良好，无松动。

检查氧枪机械制动部分，检查液压推动器及行程，储能器，及闸皮，并未发现问题。

4.2.2电气控制

现场电气硬件包括，位移传感器，正位传感器，接线屏蔽等，通过正位传感器信号与偏位传感器进行对比，比较出信号，排除位移传感器故障。通过手动操作氧枪，从电气信号监控和反馈信号对比，排除正位传感器故障。检查传感器接头是否有松动及屏蔽情况是否良好，排除电气系统方面的故障。

电气软件方面，观测变频器控制反馈信息，氧枪在上减速位置时，发现设定指令与实际反馈指令比较后，实际反馈滞后于设定反馈3s左右。

在标定变频器给定指令时，出现误差。有滞后或超前的现象。

5.故障排除

优化变频器控制参数，在开始工作时，氧枪从低速到高速调整范围小，稳定性差，要求编码器开始工作时，输出位置信号，给定变频器快速信号，使变频器输出频率增大。来驱动氧枪快速运行。氧枪在快速运行至上减速位置时，智能编码器给出变速信号时，变频器先通过内置减速时间设定来进行微调。调整变频器内置参数，设置减速时间，让变频器进行自检，通过比较自行校正。

调整变频器智能电阻器，增大智能电阻器的阻值，由原来的5欧姆调整到8欧姆。经过调整后，观查增大后的阻值适合变频器的运行。经过上述调整，在氧枪后期运行过程中，原来出现的故障问题消失。

6.结束语

通过转炉氧枪控制系统的改进和调整，各项参数的优化及智能变阻器的大小调整，消除了自动过程中出现的变频器断电故障，充分利用了备件的本身特性，达到了生产使用要求。解决了实际中的难题。降低了备件成本。延长了设备的使用周期。

系统自运行以来，没有发生氧枪升降不正常的现象，系统定位精度高，生产效率和设备开机率明显提高；系统人机对话功能简单灵活，维护效率提高；减少了不安全因素。

【参考文献】

[1]吴忠智，吴加林.变频器应用手册.北京：机械工业出版社，2004.

[2]戴峻浩主编.电子技术基本教程（1），（2）[M].兵器工业出版社，1992.

[3]罗振才主编.炼钢机械（第二版）[M].冶金工业出版社，2001.