（电气工程专业论文）转炉倾动电气传动系统的研究与工程设计.pdf

东北走擘硕士论文 摘耍 转炉倾动电气传动系统的研究与工程设计 摘要 转炉的电气传动控制系统的工程设计难点在倾动与氧枪系统。随着电子计算机技术 和电气传动理论的发展，出现了各种不同的设计理念。 在初期，供电方面为了保障安全可靠，不但要有两路电源，而且还要有第三路保安 电源或采用蓄电池组，在本文中我们借鉴消防供电的方式，提出了采用应急电源( e p s ) 作为第三路保安电源的方案；供电采用直流供电控制系统是摸拟方式的。后来变成了 全数字式的；变频器出现以后，采用交流系统供电。调速系统的配置方案一开始是一台 调速器拖动控制四台电机，当控制系统采用全数字以后，变成台调速器拖动一台电机， 多台电机同步均衡地运行；转炉的电气控制系统一丌始是采用所谓继电器控制系统，后 来出现了可编程序控制器。采用可编程序控制器( p l c ) 之后，控制系统与传动系统之 间采用总线方式联网通讯，系统在外表看来，变得非常简单了。总之，电气传动系统变 得越来越精确、简洁、安全和可靠。方便我们进行工程设计、安装、调试与维护。 本篇论文跟踪现代电气自动化技术的发展，总结了转炉倾动电气传动控制系统设汁 的发展过程，将当今最先进的计算机控制技术和电气传动装置综合应用于这个项目的设 计中，概述最流行的配置方案，并提出了电气传动自动化的信息化概念，使我们在工程 设计领域里，能够做到用信息化的一般性理论指导工程设计。 关键词：转炉倾动；电气传动；全数字；直流调速；交流调速；信息化 可编程序控制器 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c he n g i n e e r i n go f t h ec o n v e r t e r t i p p l e rs y s t e m se l e c t r i c d r i v e a b s t r a c t t h ec o n v e i t e rt i p p l e ra n do x y g e og u ns y s t e mi st h ek e y d i f f i c a i t yi ne n g i n e e r i n gd e s i g n f o re l e c t r i cd r i v ec e n t r o ls y s t e mo f t h ec o n v e r t e r v a r i o u st h e o r i e sh a v ea r i s e na f t e rt h e d e v e l o p i n go f c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n de l e c t r i cd r i v e t h e o r y a tt h eb e g i n n i n g p e o p l eh a v et op r o v i d en o to n l yt w op o w e rs o u l e sb u ta l s ot h et h i r d o n et os e c u r et h ep o w e rs u p p l y i nt h i st h e o r y , ir a i s eap l a nt h a ti sa b o u tt o a d o p tt h e e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ( e p s ) a st h et h i r dp o w e rs a u c e ，d u et oar e f e r r i c eo ff i r ep o w e r s u p p l y ；t h ep o w e rs u p p l yi sd c ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mw a sa n a l o g u et h e nd i g i t a l ；t h ep o w e r s y s t e mi sa ca f t e rt h ef r e q u e n c yc o n v e r t e ra p p e a r e d c o n f i g u r ew a yo ft h es p e e dr e g u l a t e s y s t e m i s o n es p e e d r e g u l a t o r d r i v e f o u r m o t o r sa t f i r s t ，w h e n c e n t r o ls y s t e m b e a l l d i g i t a l ，t h e d r i v es y s t e mi sb eo n es p e e dr e g u l a t o rd r i v eo n em o t o rr e s p e c t i v e l y ，m a n ym o t o r sr u n s y n c h r o n o l 】sa n de q u i l i b r i u m tt h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rs h o w e du pi nt h ee l e c t r i c a l c o n t r o ls p t e mf o l l o w i n gt h er e l a y - c o n t r o ls y s t e m f r o mt h e no n ，p e o p l eu s eb u sm e t h o d b e t w e e nc o n t r o ls y s t e ma n dd r i v es y s t e m ，c o n s e q u e n t l yt h es y s t e ma p p e a r sq u i t es i m # e i n b r i e f , i ti sm o r ec o n v e n i e n tf o rt h ee n g i n e e r st od e s i g n ，a s s e m b l e ，t r o u b l e s h o o ta n dm a i n t a i n t h es y s t e m ，b e c a u s et h ee l e c t r i cd r i v es y s t e mi sm o r e a c c u r a t e ，s i m p l e ，s a f ea n dr e l i a b l e t h em o s ta d v a n c e dc o m p u t e rc e n t r a lt e c h n o l o g ya n de l e c t r i cd r i v ed e v i c ea r e a p p l i e di n t h i sd e s i g nb ys u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fd e s i g n i n gt h ec o n v e r 【e r d a m a g e s y s t e m e l e c t r i cd f j v e ，i nt h em e a n t i m e ，t h ec o n c e p to f e l e c t r i cd r i v ea u t o m a t i o n ，i n f o r m a t i o n h a sb e e na r i s e ni nt h i st h e o r y t h i sc o n c e p tw i l lg u i d eu st of u l f i l lt h ee n g i n e e r i n g d e s i g nb y u s i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d ：c o n v e r t e rt i p p l e r ；e l e c t r i cd r i v e ；a l ld i g i t a l ；d cs p e e dr e g u l a t e ；a cs p e e d r e g u l a t e - m - 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的提出 在炼钢车间电气传动控制系统中，最关键的部分是转炉的倾动控制。因为转炉倾动 的机械传动机构比较复杂和在倾动过程中力矩会发生变化，其控制方案很难确定。而且 控制方案随着电力拖动技术和计算机控制技术的发展有很多变化。 转炉车间电气自动化的一般配置是这样的：基础自动化级是可编程序控制器、全数 字变流装置相一些现场检测仪表，过程自动化级是工控机加组态软件。两级自动化之问 通过各种通讯规约联网，交换数据。当然还可以跟企业的管理级计算机系统联网。 转炉设备是炼钢厂的关键生产设备，其炉体外形如下图所示，转炉像一个“挂着的 水桶”。转炉系统主要的电力传动设备包括炉体倾动及氧枪传动的电力控制设备。在中 大型转炉系统中，炉体倾动部分一般采用四台倾动电机，通过减速机刚性连接，并采用 全悬挂固定方式和扭力杆力矩吸收方式，如图1 1 所示。标准术语是：全悬挂四点啮合 柔性传动方式。 减 速 机 电动机 阳 转 b 口 炉 轴 座 图t 。1 转炉倾动结构示意囤 f i g i 1c o n v e r t e r t i p p l e rc o n f i g u r m i o ns k e t c h m a p 在转炉的冶炼过程中，倾动电机具有如下特点： ( 1 ) 转炉倾动装置由四台倾动电机同时驱动，四台电动机同步启动，加、减速及 同步运行，并要求它们保持速度同步和均匀的负荷分配。 ( 2 ) 转炉倾动速度一般可以在o 1 0 g r p m 之间进行倾动速度调节，转炉倾动角度 范围o 3 6 0 。 1 东北大学硕士学位论文 第一章引言 ( 3 ) 一台或二台电机出现故障时，要求传动系统仍能继续运转，这时，余下的二 台或三台电机短时问内降速运行，并保持速度同步和均匀的负荷分配。 ( 4 ) 转炉倾动过程中，在不同的工况下，倾动电机有时处于电动状态，有时处于 发电状态，传动装置需要解决能量回馈问题。 ( 5 ) 倾动控制装置必须解决传动与抱闸机构之间的协调控制问题，防i t “溜车” 现象的发生。 ( 6 ) 转炉倾动装置具有大惯量、重载的运行特点，要求传动装置有足够的起动力 矩和过载能力。 我查看过一些有关转炉倾动电气自动化方面的资料，发现其难点在倾动电机的控制 上。随着电气传动技术的发展，在各个时期有不同的配置。最初是一套直流装置拖动叫 台直流电机。变频器出现以后，是一套变频器拖动四台交流电机。即所谓的一拖四。当 电气传动的数字化技术成熟之后，出现了一拖一，即四套变流装置分别拖动四台电机。 我关心的是电气传动装置如何适应转炉在倾动过程中不同的工况变化? 一拖一方式的 电机之间如何保持速度一致，如何保持负荷分配平衡? 变流装置的参数是如何设定的? 本篇论文将围绕转炉倾动电力拖动控制系统的工程设计方案的变化展开，首先在第 二章，我要讨论一下转炉倾动的力矩特性，为选择电机提供理论参数：在第三章，将对 本篇论文中要用的多电机传动的控制思想进行论述，第四章将探讨转炉倾动的供电方 案，我将提出一种新的供电方案：在第五章，将探讨转炉倾动的直流方案，第六章，探 讨转炉倾动的交流方案，在这两章，我将简要介绍传动方案的变化，对当今最新的传动 方案做一下详细介绍：第七章，简要说明转炉倾动的计算机控制方案和转炉倾动的操作 设计。这样，就构成了一个比较完整的转炉倾动控制的工程设计方案。 在前占部分，我将简要回顾一下电气传动自动化领域的发展过程，提出自动化领域 信息化的概念。这个概念的提出将对我们理解电气拖动自动化，起动提纲挈领的作用， 对自动化的本质将有更深一层的认识。 1 2 自动化领域的信息化概念 随着计算机技术在各个领域的广泛应用和计算机技术的飞速发展，当今社会的信息 化进程亦得到了快速发展，我们常说我们已经进入了信息时代，知识经济的时代，可能 东北大学硕士学位论文第一章引言 就是基于这一点才说的吧。信息化在当今的中国企业管理领域是时兴热门的概念。在相 关的企业信息化的定义里，作为一名从事电气工程的设计者来说，我更感兴趣的是：我 们这个专业，跟企业的信息化有什么关系? 先来看一段企业信息化的概念：企业信息化是“将信息技术应用于企业生产、管理 经营活动，实质上是将企业的生产过程、物料移动、事务处理、现金流动、客户交户等 业务过程数字化，通过各种信息系统网络加工生成新的信息资源、提供给各层次的人们 洞悉、观察各类动态业务中的一切信息，以做出有利于生产要素组合优化、企业资源合 理配置的决策。” 在以上概念中，我们看到了两个关键词：数字化、信息系统网络。这是本篇论文所 要讨论内容的切入点。因为我们都知道，无论是在电气自动化控制系统还是在电气传动 控制系统里，我们近几年都太常见了这两个词。 从技术手段看，企业信息化是企业对现代信息技术的广泛应用。现代信息技术的核 心是微电子技术、计算机技术和网络通信技术，正是信息技术的发展和在企业中的广泛 应用构成了企业信息化的个显著特征。这从句话里，我感觉到，这象是在说电气控制 系统和电气传动控制系统的信息化一样。 先来简单地回顾一下控制系统和电气传动系统的信息化演进过程。它们在转炉电气 自动化系统中都将得到应用。 1 3 控制系统的信息化 1 8 3 6 年电磁继电发明以来，人们就开始用导线把各种继电器、计时器及其接点连接 起来，并按照一定的逻辑关系控制各种生产机械。以提高劳动生产率。这种以硬接线组 成的系统称为继电器顺序控制系统，或简称为继电控制系统。多年以来，继电控制系统 在顺序控制领域一直占有主导地位。 随着微电子技术的发展以及工业生产的复杂化，出现了以分立元件组成的电子式顺 序控制器。如二极管插接控制器、矩阵式顺控器或半导体式顺序控制器。国内在2 0 世 纪7 0 年代应用较多。按控制器所用的器件来划分经历了电子管、磁性逻辑器件、半导 体分立元件、集成电路和大规模集成电路和微计算机几代产品的变迁。 2 0 世纪6 0 年代初，军事工业已经开始应用小型计算机代替较复杂的顺控器，但由 东北大学硕士学位论文 第一章引言 于成本高，i o 电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未得到推广和应用。 2 0 世纪6 0 年代后期，美国的汽车制造业发展很快，汽车形态不断更新，每次设计 修改必然要导致汽车生产线的变动以及整个装配系统的重新配置。在汽车生产这样一个 复杂的控制系统中，大量的继电器通过硬接线相互连接，当工艺发生变化时，控制要求 也要相应改变，这就需要改变控制柜里继电器的硬线连接方式，甚至要重新设计新系统。 为了适应汽车生产发展的需要，满足汽车型号不断更新的市场需求，谋求在汽车市场竞 争中的优势地位，1 9 6 8 年美国通用汽车公司提出了多品种、小批量、更新快的战略。为 了解决继电器控制系统对于生产工艺变化适应性差的老大难问题。首次提出“工业控制 器”这个概念，并对之提出以下十条要求： ( 1 ) 容易编程，可以很方便地在现场修改。 ( 2 ) 易于更换，基本结构应采用便于更换的插件式。 ( 3 ) 在恶劣的工业现场环境，可靠性要高于继电式控制系统。 ( 4 ) 安装尺寸要小。 ( 5 ) 可与上位计算机进行数据通讯。 ( 6 ) 价格要低于继电式控制器。 ( 7 ) 全部输入应能适用于交流1 1 5 v 电源系统。( 美国标准) ( 8 ) 全部输出至少应有交流1 1 5 v 、2 a 的容量，能直接驱动电磁阀等。 ( 9 ) 基本单元能扩展，系统不需要做大的修改。 ( 1 0 ) 可编程存储器至少能扩展至4 k 字节。 根据通用汽车公司的要求，美国数据设备公司( d e c ) 将计算机中的存储技术引入 了继电顺序控制器，在1 9 6 9 年率先推出了世界上第一台工业控制器，即p d p 一1 可编程 逻辑控制器( p l c ) ，应用在通用汽车公司的汽车生产线上，取得了成功。从此面向 生产控制的工业控制器进入了一个新的发展时期。 到了2 0 世纪9 0 年代，随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，以1 6 位或3 2 位微处理器构成的可编程序控制器得到了惊人的发展，r i s c ( 精简指令c p u ) 芯片在 计算机上的大量使用，也使p l c 在概念上、设计上和性能价格比t 有了重大的突破， 同时p l c 的联网通信能力得到了进一步加强，使得p l c 的应用领域不断扩大。在软件 设计上，p l c 已经具有了强大的数值运算、函数运算、模拟量处理和批量数据处理能_ = _ 【7 ， 4 东北大学硕士学位论文 第一章引言 并具有了高速、多功能、高可靠性和开放性等特征。 在经历了3 0 余年的发展后，现代p l c 产品已经成了名副其实的多功能控制器，它 的逻辑控制、过程控制、运动控制和数据处理功能都得到了很大的加强和完善。与此同 时，p l c 的联网通讯功能也得到飞速发展，p l c 及p l c 的联网通讯已经成为工业生产 中不可或缺、应用最广的一类控制装置。 在当代，p l c 技术呈现出了新的发展趋势，传统p l c 的框架模块式结构要被软p l c ( s o f 口l c ) 和带有现场总线接口的元器件所取代。软件功能强大，硬件规模缩小，整 个控制系统在外观上看来，是用网线联结在一起的一台台电脑和一个个传感器。 1 4 电气传动系统的信息化 企业的信息化管理和电气传动自动化系统的信息化控制在技术手段上是一致的。 调速系统里的控制部分随着计算机技术的发展，经历了由模拟控制向模拟数字混合 控制和全数字控制方向发展，在2 0 世纪9 0 年代形成了全数字化调速装置的系列化产品。 由于出现了超大规模集成电路的微处理器芯片使得将计算机技术直接应用于自动 控制装置中进行实时控制变得简便易行。在带有微机的全数字自动控制系统中，在不变 更硬件的情况下，依靠软件支持，就可以实现各种调节和控制功能。因而这种系统的工 作可靠性和应用灵活性明显优于模拟控制系统。 这种系统的明显优点是：参数的设置和装置的调试非常简便；动态参数自动优化： 系统具有故障自诊断处理功能，维护方便：装置的抗干扰性好，运行可靠，不受元件老 化和温度漂移的影响，能长期保持稳定的控制精度；可以根据需要，利用内置的编程功 能实现张力、位置、协调、多机控制、程序设定等功能；可以通过接l = ：l 模板，和上一级 自动化系统进行通讯，能实现生产过程自动化。 在现代，由于变流调速装置具备了智能化、数字化的功能，完全可以将一台变流调 速装置看成一台p l c 产品。 例如：国内的某家全数字直流调速系列产品：有8 个a i 、4 个a o 、1 7 个d i 、7 个 d o 端子，内含p i d ，加法器，计时器，计数器等功能块。可进行自由编程控制；提供p r o f i b u s 现场总线接口；多功能上位机编程与监控组态应用软件包，能实现电流环主从比例联动、 卷曲缠绕、恒张力控制等控制功能， 东北是学硕士学位论文 第一章i ! 言 这样的变流装置完全可以看成是自动化网络罩的一个节点，信息化技术在电气传动 系统里得到了完整的体现。 1 5 自动化系统的互联 在自动化系统的设计中，体现了在计算机系统里的系统集成的概念。全线产品不一 定全是一个厂家提供的，只要提供了统一的通讯规约，就可以通过网络互联。 图12 工业自动化网络互联示意图 f i g i 2i n d u s w ya u t o m a d o nn e t w o r ks k e t c h m a p 通常在一个工厂里的网络拓朴结构往往如图】2 所示：所有的装置、元器件都通过 各种各样的网络联接在了1 起。自动化控制系统和电气传动系统的互联已经是常规设计 形式。通过联网和运行支撑软件，使上位机、p l c 系统和电气传动系统西调统一地工作， 所有命令、现场设各的状态、工艺参数等数据通过网络进行交换，整个电气自动化系统 至此完成了信息化，并成为企业信息化的一部分。如图1 2 所示。 在这里我想再简单介绍一下电气自动化系统里两个常用的概念：组态软件和现场总 线。 1 5 1 组态软件 组态来自英文的c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进 行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目 的。工业自动化组态软件是面向监控与数据数据采集( s u p e r v i s i o nc o n t r o la n dd a t e a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设各项目，使用方式灵活，功能强大。 它最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其 东北大学硕士学位论文第一章引言 这样的变流装置完全可以看成是自动化网络里的一个节点，信息化技术在电气传动 系统里得到了完整的体现。 1 5 自动化系统的互联 在自动化系统的设计中体现了在计算机系统里的系统集成的概念。全线产品不一 定全是一个厂家提供的，只要提供了统一的通讯规约，就可以通过网络互联。 圈i2 工业自动化网络互联示意图 f i g 12i n d u s t r ya u t o m a t | o nn e t w o r ks k e t c hm a p 通常在一个工厂里的网络拓朴结构往往如图1 2 所示：所有的装置、元器件都通过 各种各样的网络联接在了一起。自动化控制系统和电气传动系统的互联已经是常规设计 形式。通过联网和运行支撑软件，使上位机、p l c 系统和电气传动系统协调统一地工作， 所有命令、现场设备的状态、工艺参数等数据通过网络进行交换，整个电气自动化系统 至此完成了信息化，并成为企业信息化的一部分。如图1 2 所示。 在这里我想再简单介绍一下电气自动化系统罩两个常用的概念：组态软件和现场总 线。 1 5 1 组态软件 组态来自英文的c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进 行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的f | 的。工业自动化组态软件是面向监控与数据数据采集( s u p e r v i s i o nc o n t r o la n dd a t e a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台，丁具，具有丰富的设各项目，使用方式灵活，功能强大。 它最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其 它最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其 东北是学硕士学位论文 第一章i ! 言 这样的变流装置完全可以看成是自动化网络罩的一个节点，信息化技术在电气传动 系统里得到了完整的体现。 1 5 自动化系统的互联 在自动化系统的设计中，体现了在计算机系统里的系统集成的概念。全线产品不一 定全是一个厂家提供的，只要提供了统一的通讯规约，就可以通过网络互联。 图12 工业自动化网络互联示意图 f i g i 2i n d u s w ya u t o m a d o nn e t w o r ks k e t c h m a p 通常在一个工厂里的网络拓朴结构往往如图】2 所示：所有的装置、元器件都通过 各种各样的网络联接在了1 起。自动化控制系统和电气传动系统的互联已经是常规设计 形式。通过联网和运行支撑软件，使上位机、p l c 系统和电气传动系统西调统一地工作， 所有命令、现场设各的状态、工艺参数等数据通过网络进行交换，整个电气自动化系统 至此完成了信息化，并成为企业信息化的一部分。如图1 2 所示。 在这里我想再简单介绍一下电气自动化系统里两个常用的概念：组态软件和现场总 线。 1 5 1 组态软件 组态来自英文的c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进 行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目 的。工业自动化组态软件是面向监控与数据数据采集( s u p e r v i s i o nc o n t r o la n dd a t e a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设各项目，使用方式灵活，功能强大。 它最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其 东北大学硕士学位论文堑二苎! ! 堇 主要内涵，印丰要解决人机图形界面问题，把工艺设备的各种参数咀各种形式在电脑屏 幕上显示出来，同时还具有控制功能。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、 s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支持己经成为主要内容。 在一个自动监控系统中，投入运行的工业化组态软件是系统的数据收集处理中心、 远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的丁业化组态软件与各种控制、检测设备 ( 如p l c 、智能仪表、d c s 等) 共同构成快速反应中心和控制中心。 工业自动化组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以下任务： ( 1 ) 查看生产现场的实时数据及流程画面，自由浏览各个实时历时趋势画面； ( 2 ) 自动打印各种实时，历时生生报表： ( 3 ) 可运行s o f t p l c ，完成现场设备的测控； ( 4 ) 可记录并处理各种过程报警和系统报警； ( 5 ) 可直线修改生产过程参数和状态： ( 6 ) 可与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。 1 5 2 现场总线 现场总线是一种特殊的网络技术，其核心内容是一是工业应用，二是完成从模拟方 式到数字方式的转变，使信息和供电在一根双线电缆上传输。目前。现场总线已有8 1 2 种国际标准和市场标准，例如c a n ，p r o f i b u s 、c o n t o rn e t 等。在工业控制网络 中，最常用的是p r o f i b u s d p ，其构成如图1 _ 3 所示。 图1 3 现场总线构成示意圈 f i g 1 3 f i e l db u sc o n f i g u r a t i o ns k o t c hm a p 7 东北太学硕士学位论文 第一章引言 它的主要设备是主站、网络附件、总线设备、支持软件等。 1 6 电气自动化的信息化概念 通过以上的介绍可以看出，在电气自动化化领域内，信息化程度是最高的，它的 主要特征是： ( 1 ) 、微型计算机技术的全面使用，如工业p c ，o p c 技术，实时数据库，组态软件， 编程软件等。 ( 2 ) 、多种通讯协议下的联网功能，除了p l c 和电气传动供应商自己开发的通讯 协议以外，还有十几种现场总线通讯协议，特别是咀太网协议在工业上的应用，使超远 程监控成为现实。 ( 3 ) 、所有信息的数字化。无论是过程控制级还是基础自动化级，都是在应用计算 机技术的基础完成的，所有信息必然是数字化的。 ( 4 ) 、用软件实现控制系统的智能化。这是自动化信息化的一个显著标志。 综上所述，简要介绍了转炉车间电气自动化所涉及到的相关技术，在以后的章节中， 将详细介绍信息化技术在转炉倾动电气传动控制方案中的使用。 电气传动控制的信息化，将作为工程设计中方案配置和设备选型的主要原则。 末北大学硕士学位论文第二章转炉俪动负载力矩特性及电动机运行状态分析 第二章转炉倾动负载力矩特性及电动机运行状 态分析 2 1 转炉炼钢简介 2 1 1 概述 冶金炼钢就是把从高炉出来的铁水和废钢装入炼钢炉内，通过氧化脱碳及造渣过 程，降低有害元素，除去炉气及炉渣，冶炼出符合要求的钢水来。 目前炼钢的方法主要有三种，即平炉炼钢法、转炉炼钢法、电炉炼钢法。大部分采 用氧气顶吹转炉炼钢。氧气顶吹转炉以它特有的优点在大多数产钢国家得到了迅速的发 展。其优越性之一是有利于实现生产过程的自动化。 2 1 2 氧气顶吹转炉的主要设备 ( 1 ) 原料供应设备包括铁水废钢、散状料及铁合金等的供应。 ( 2 ) 转炉主体设备它由炉体、炉体支承装置和炉体倾动机构等组成。是实现转 炉炼钢工艺操作的主要设备。炉体倾家荡产动的电力拖动控制系统就是本篇论文的主要 内容。 ( 3 ) 吹氧装置氧气转炉炼钢时用氧量大，要求供氧及时，氧压稳定，安全可 靠，因此必须有一套完善的设备来保证向转炉供氧。供氧系统由输氧管道、阀门和向转 炉吹氧的吹氧管装置等设备组成。 ( 4 ) 烟气净化处理设备。 ( 5 ) 炉渣处理设备，炉外精炼设各，铸锭设备。 某钢厂3 0 0 t 氧气转炉总体结构如图2 1 所示。它由炉体、支承装置及倾动机械组成。 转炉炉体及其附件的全部重量皆通过支承系统传递到基础上去，同时，支承系统还 担负着传递从倾动机械给炉体，使其倾动的力矩。 2 2 倾动机械 倾动机械用以转动炉体，以完成转炉兑铁水、出钢、加料、修炉等系列工艺操作。 - 9 - 东北炙学硕士学住论支 第二幸转妒倾动负载力矩特性垦垦动杠连行状态分析 因此，倾动机械是实现转炉炼钢生产的关键设备之。 2 2 1 工作特点 ( 1 ) 速度低，减速比大：转炉工作对象是高温液态金属，在冶炼过程中还进行一 系列的工艺操作，要求炉体能平稳倾动准确定位，因此炉子皆采取低转速的倾动速度， 通常倾动转速为0 1 1 5 r m i n 。为获得如些低的倾动速度，需要很的速比，一般为6 0 0 1 0 0 0 ，甚至更高。例如我国1 2 0 t 的转炉速比为7 5 3 3 5 ，3 0 0 t 转炉为6 3 8 2 4 5 。 图2 1 某钢厂3 0 0 吨转炉总体结构 卜炉体2 一支承装置3 一倾动机构 f i g 2 1 ac e r t a i ns t e e l w o r k sc 彻v e n e fc o l l e c t i v i t y 刚= 兀j c n 鹏 i - s t o c k2 - s u r p o r t i n gd e v i c e3 - t i p p l e rf r a m e w o r k ( 2 ) 重载、倾动力矩大：转炉炉体自重很大，再加上炉液重量，整个被倾动部分 的重量要达上百吨甚至几千吨重，通常炉子回转部分总重约为炉子容量的6 8 倍。例 如，5 0 吨炉子回转部分重量为3 5 4 t , 而1 2 0 t 和3 0 0 t 炉子分别为8 8 7 t 和2 0 0 0 t 重。要使这 东北大擘硕士学位论支 第二章转妒倾动负载力矩特性及电动机运行状态分析 样重的炉子倾动，就必须在它耳轴上施加巨大的倾动力矩。例如，我国5 0 t 、1 2 0 t 和3 0 0 t 转炉倾动力矩分别是1 4 0 0 、2 5 6 0 和6 5 0 0 k n i l l ，当考虑动态转矩和事故转矩后，其值 还要增大。 ( 3 ) 起动、制动频繁，承受较大的动负荷在冶炼周期内，要进行兑铁水、摇炉、 取样、出钢、倒猹以及清炉口等操作。为完成这些操作，倾动机械要在3 0 4 0 m i n 冶炼 周期内进行频繁起动和制动。据某厂1 2 0 t 转炉实际操作统计，在一个冶炼周期内，起动、 制动经常在3 0 5 0 次，最多可达8 0 1 0 0 次。且较多的起动方式是点动。因此，倾动 机械的运转俑“起动工作制”，在这种运转状态下的倾动机械，承受较大的动负荷。再 如倾动机械处于高温多尘工作环境中，这些都表明倾动机械工作繁重、条件恶劣。 2 2 2 对倾动机械的要求 根据倾动机械工作特点和工艺操作要求，倾动机械应具有以下性能： ( 1 ) 倾动机械驱动转达炉能连续回转3 6 0 4 ，并能准确停在任意倾动位置上，连应 根据工艺要求具有调速性能。其倾动位置能与氧枪、盛钢桶车及烟罩等相关设备有一定 的连锁要求。 ( 2 ) 在运转过程中，必须具有最大的安全可靠性。在电气或机械中某一部分发生 故障时，倾动机械应有能力继续进行短时浏运转、维持到一炉钢冶炼结束，即使倾动机 械发生无法控制的事故时，炉子也不会自动倾翻发生倒钢事故。 ( 3 ) 倾动机械应具有良好的柔性性能，以缓冲冲击负荷和由起动、制动所产生的 扭振。此外，倾动机械还应超载等事故状态具有保护能力，能适应高温环境。 2 2 3 对拖动系统的要求 ( 1 ) 转炉倾动的工序图转炉炼钢工艺要求在一个冶炼周期内要完成出钢、倒渣、 兑铁水、加废钢和耿样、测温以及吹炼等操作，需要倾动转炉多次，因此，电动机起、 制动频繁。此外，倾动机械形式及原料条件不同时，工艺操作也不同。例如，当原料含 s 、p 较高时，在吹炼中还要倒几次渣。 一般转炉一周期内操作工序如下： 打出钢口一出钢一倒渣一辅助操作一堵住钢口加废钢一兑铁水返回吹炼一取 样、测温一打出钢口。 1 1 东北太学硕士学位论支 第二章转炉倾动负载力矩特性夏电动机运行状态分析 对于大、中型转炉，当转炉转速可调时，取样、测温、兑铁水、倒渣、出钢等操作 需采用低速( o 1 0 5 r m i n ) 操作，而转炉运转时采用高速( 1 1 5 r m i n ) 。 图2 2 、图2 3 是某铡厂2 0 t 和】2 0 t 转炉操作时问及倾动工序图。 ( 2 ) 倾动机械的负荷图当转炉操作制度及倾动工序图确定后，可以按照己计算 出来的转炉倾动力矩迸一步画出倾动机械承载简化负载圈。由于转炉倾动力矩随倾角而 变化，所以在同一工序中倾动机械所承受的负荷是变化的。 图2 4 表示2 0 t 转炉倾动力矩曲线图，固2 j 及表2 1 表示该转炉每个冶炼周期内 倾动机械承受力矩大小的简化负载图。 ( 3 ) 转炉转速的确定 正确选定转炉倾动转速，直接关系到冶炼操作工序的顺利 进行，减轻倾动设备重量及降低电动机功率等。 一般情况下，转炉转速的范围为： 小型转炉( 1 5 t ) 0 8 l x m i n 中型转炉( 1 5 “3 0 t ) 0 6 0 8 r m i l 3 ( 3 0 f 1 2 0 t ) 高速：o 8 1 5 r m i n 低速：0 1 0 3 r m i n 。簇蘸 吣；i 罗湛。j 嗡二二 “、 避 黼 图2 2 某厂2 0 t 转炉操作时间及倾动工序图 f i g - 2 - 2ac e r t a i ns t e ej w o r k s 2 0 tc o n v 哪c r o p e x a t o r t i m e a n d d p p l e r w o r k i n gp r o c e d u r em a p - 1 2 东北太学硕士学住论文第二章转炉倾动负载力矩塑些墨皇塑坚堕苎查坌堑 大型转炉( 1 2 0 t 3 5 0 t )高速：0 ，i “i 5 r m i n 低速：0 1 r m i n 2 3 电动机的运行状态 一般的转炉倾动方式都为全悬挂多点啮合柔性传动，采用了扭力杆抗扭器，并实现 多点啮合，具有了全悬挂多点啮合扭力杆抗扭器柔性传动的特点。例如，宝钢3 0 0 t 转炉 倾动机械就采用了这种型式，如图2 1 和图2 5 所示。 按工艺要求，转炉的倾动角度为正反3 6 0 。转炉炉口和炉底方向轴线与地平面垂直 时为零位状态。炉子倾动时，负载转矩为角度的函数t z = 坷a ) ，如图2 6 图2 3 某厂1 2 0 t 转炉操作时间及倾动工序图 f i g 2 3 ac e r t a i n s t e e l w o r k s 1 2 0 tc o n v e r t e ro p e r a t o rt i m ea n dt i p p l e rw o r k i n gp r o c e d u r em a p 转炉倾动属于反阻性的位能负载，负载机械特性如图2 7 所示。 苎苎苎型型堂坠墼 苎三主堑望堡型! 塾生塑壁竺墨鱼垄i 堕! 垡查丛 图2 4 某厂2 0 t 转炉倾动力矩曲线圈 f i g 2 4ac e r t a i ns t e e l w o r k s2 0 t c o n v e r t e r t i p p l e r t o r q u e g r a p h 转炉按正力矩设计，即炉子在耳轴的下部比上部高下部比上部重。从而确保转炉 电控系统失灵或抱闸力不够时，雒够靠炉体自身的正力矩来确保炉口向上，这样不至于 阁25 某厂2 0 t 转护倾动简化负荷圈 f i 舀2 5 ac 。r m i ns t e e l w o r k s2 0 t c o n v e r t e r t i p p l e r p r e d i g e s t l o a dg z a p h 一1 4 - 东北大学硕士学位论文 第二章转炉倾动负载力矩特性及电动机运行状态分析 墨封一9 一词 誊藿篓鋈，甏蒌翦一q 眢一匹鲎熏黧丫厦受! ! 雾一镰 c ￥ 图2 6 转炉倾动机械系统示意图 a ) 正视图b ) 俯视图c ) 右侧视图 f i g 2 6c o n v e r t e r t i p p l e r m a c h i n es y s t e ms k e t c h m a p a ) e l e v a t i o nb ) p l a n f o r mc ) i 曲ts i d ee l e v a t i o n 发生倒钢等事故。但是，当修炉、扩除炉底后以及炉口粘钢渣太多时。炉体可能出现上 部比下部重，另外，液体钢水重心随转炉倾角的变化而变化倾角大于9 0 。后，钢水本身 产生负力矩时，这样在修炉和出渣或出钢时，可能出现负力矩。当炉体在正力矩时，电 n 正向 电动 一巳 互 7 正囱再n 生髑动 l t z 一巴 t 岳白矗生 制动 图2 7 电动机的机械特性 a ) 正力矩状态b ) 负力矩状态 f i g 27m o t o r m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c a ) p o s t t o r q u es t a t eb ) n e g a t i v e t o r q u es t a t e 动机处于电动状态，当炉体处于负力矩状态时，电动机处于再生制动状态，电动机的机 械特性见图2 7 所示。 p 弼墨 2 4 转炉倾动力矩计算 转炉倾动力矩的大小，与以下三个凼素有关： ( 1 ) 转炉容量、转炉形状和其本身重量： ( 2 ) 倾动角度a ； ( 3 ) 耳轴与炉体重心间距。 倾动力矩由三部分组成： t = t k + t 垤- 叮。 ( 2 1 ) 式中，t k 为炉壳和炉衬重量引起的力矩，称空炉力矩。在转动过程中，空炉的重 心与耳轴中心的距离l 不变，所以空炉力矩1 k 是倾角的正弦函数，如图2 - 7 a 所示。t v e 为炉内铁水和熔渣引起的力矩，称液体力矩。液体重心位置是变化的，所以，液体力矩 t y e 是倾转角度的函数t y e a ) ，如图2 - 7 b 所示；t m 为转炉耳轴上的摩擦力矩，在倾动 过程中摩擦力矩基本上是不变的，摩擦力矩的方向始终与转动方向相反。单相电压型 东北大学硕士学位论文第二章转炉倾动负载力矩特性度电动机运行状态分析 2 4 1 空炉力矩t k 的计算 由图2 8 可知： t k = g k l k s i n a ( t i m ( 2 2 ) 式中，g k 为空炉重量( t ) ；l k 为空炉重心至耳轴中心线的距离( m ) ；a 为转炉倾 动角度( 。) 。 0 9 0 “ 1 8 0 ” a 图2 8 转炉倾动力矩曲线 f i g 2 8c o n v e t t e l t i p p l e r t o r q u ec u r v e 2 4 2 铁水力矩t y c 的计算 由图2 9 可知： 图2 9 铁水力矩计算示意图 f i g 2 9m o l t e n i r o n t o r q mc a l c u l a t es k e t c h m a p t y e = g ”l y e s i n ( a v y e ) ( 2 3 ) 式中，g y e 为铁水重量( t ) ；l y e 为铁水重心至耳轴中心线的距离( m ) ；掣y e 为l y e 1 7 东北史学硕士学位论文第二章转炉倾动负载力矩特蝗塾动机运堑篓态分析 与转炉中心的夹角( 。) ；a 为倾动角度( 。) 。 2 4 3 耳轴上摩擦力矩t m 的计算 假设：( 1 ) 认为摩擦力矩在倾动过程中是不变的，即：忽略在出钢过程中铁水重量 变化的影响。( 2 ) 忽略小齿轮对耳轴上大齿轮上的眶力。 摩擦力矩计算公式为： t m 2 ( g k + g y e 恂o u 十哟p d 2 ( 2 4 ) 式中，0 l o 。为耳轴上悬挂齿轮箱重量( t ) ；g i 为托圈子重量( t ) ；u 为摩擦系数， 7 s 9 s m 5 n d 4 ” 1 = = 3 3 c 一 n o 1 c d 0 a ( 。) 图2 1 03 0 0 t 转炉倾动力矩曲线圈 r i g 。2 1 03 0 0 1c o n v e r l e r t i p p l e rt o r q u ec u r y e 对滑动轴承，