转炉倾动电机的同步运行方式「转炉倾动四拖四」

今天带来转炉倾动电机的同步运行方式「转炉倾动四拖四」，关于转炉倾动电机的同步运行方式「转炉倾动四拖四」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1 引言

转炉是重要的炼钢设备，转炉性能的好坏对炼钢生产的产品质量、产品数量以及炼钢生产的安全都有着非常重大的影响。而转炉倾动部分又是整个转炉设备组成的关键部分。因此，对于转炉倾动系统来说一个好的传动方案是保证转炉设备具有良好运行性能的重要基础。

转炉的倾动是靠转炉倾动装置来实现的。转炉倾动装置多采用全悬挂扭力杆平衡型式。它由以下几部分组成：四台驱动用交流异步电动机、一次减速机、二次减速机、润滑装置及扭力杆平衡装置等。扭力杆平衡装置是平衡转炉倾动时引起悬挂减速机(二次减速机）壳体旋转的旋转力矩的平衡装置。倾动装置整体悬挂在耳轴上。转炉倾动电动机与一次减速机，一次减速机与二次减速机通过齿轮的啮合，由四台倾动电动机同步的驱动转炉的倾动。这是一种多电机通过齿轮啮合的钢性机械连接的同步驱动负载的运行方式。实际上有时为了减小机械设备的转动惯量，以加快过度过程及减少过度过程的能量损耗，同时又要能承担功率较大的负载时，经常采用多台电动机共同驱动一台机械设备的拖动方式即多电机同步运行方式。这种运行方式需要解决的问题是速度同步控制和力矩均衡控制的问题。

对于倾动装置的驱动电动机为交流异步电动机时，驱动电机既有同步运行要求又有调速要求，因此，应选用交流变频调速电气传动系统。交流变频调速系统的控制模式有U/f控制，矢量控制，直接转矩控制等。采用什么控制模式与装置的运行要求有关。

在多电机同步运行情况下，对速度的要求并不都一样。有的要求很高精度的瞬时速度一致；有的则要求没有位移的积累误差，也即要求平均速度保持高度一致；还有的没有特别要求，只要彼此间速度大致保持一致就可以了。除此之外，同步运行的机构间还有不同的机械连接方式，有的有很完全的机械硬连接，有的则是不完全的机械连接，有的甚至完全没有机械连接，同步运行机构间的连接方式，大致可分为刚性连接、柔性连接、无机械连接。

刚性机械连接，这种连接指的是在各同步驱动机构间存在完全的机械硬连接结构即各同步驱动机构间通过固定连接,其连接件不存在一定的延展性，因此，保证了各驱动机构间不会出现转速偏差和积累转速差情况。如：转炉的倾动装置，四台驱动电动机输出轴上各连有一个主动齿轮，通过一次减速机、二次减速机与装在转炉耳轴上的大齿轮啮合带动炉体转动。忽略齿隙以后，四台电动机转速完全一致，不会出现转速偏差。考虑齿隙因素后，在过度过程瞬间可能由于齿隙影响有转速差出现，但齿隙消除以后，转速互差也就消除了。更不会出现转速积累误差。这种情况下，电动机速度的同步是由机械结构保证的，电力拖动系统的任务是保证各电动机承担的负载转矩分配合理，不能有严重的不平衡甚至出现电机间输出转矩相互顶牛、干扰的现象。

柔性机械连接，所谓柔性连接是指各驱动机构间通过皮带或者其它有一定延展性的材料连接，由于材料存在延展性，各机构间会出现一定的转速互差，但转速互差的出现会强烈影响各电机之间的负载分配，产生的负载转矩变化能够占到电机转矩输出能力的足够比例。这种情况下，机械结构已经不能保证电动机速度的同步要求了，电力拖动系统除解决负载分配关系外还要解决转速同步问题。

无机械连接，指同步运行机构之间完全没有机械连接，出现转速偏差时也基本上完全不影响负载分配关系。这种情况下，如果对积累误差没有要求，控制会比较简单，用统一的调速指令分别进行控制就可以了。

不同的速度要求和不同的连接型式就会有不同控制的多电机同步运行方式。选择一个合适的转炉倾动电机同步运行方式，对转炉的良好运行致关重要。

2 U/f控制的多电机同步运行方式

U/f控制的多电机同步运行是指用一台变频器在恒压频比控制模式下拖动多台电机同时运行，所以也称群拖。群拖方式只能采用U/f控制模式，矢量控制和直接转矩控制都不适合用于群拖方式。在群拖方式下变频器为各电机提供频率和电压相同的电源。各电动机的理想空载转速一致，而转速差则由机械特性曲线的差异决定，这种方式不能有效的控制瞬时转速差，动态响应的一致性差。对于每一台电动机来说电机的各种固有参数不可能完全一致，由于电机参数的差异使得各电动机的机械特性在同一变频器供电时也会出现差异。

如图1所示，当群拖方式用于象转炉倾动机构这种有着刚性机械连接的装置时，会出现各驱动电动机所承受负载转矩不一样即负载功

率分配不均问题。原因是当机构为刚性机械连接时，装置的机械结构保证了运行的转速是同步的，忽略齿隙以后，各驱动电动机的转速完全一致，不会出现互差。这种情况下，当各电动机的机械特性存在差异时，从图1中可以看出，当负载较轻，转速靠近理想空载转速点时，各驱动电动机所输出的转矩差异较小，当机械特性差异较大，同时负载又较重时，各驱动电动机所输出的转矩差异就比较大，因此，会造成每台电动机出力不均，承载大的电动机会出现过载、过流、发热，甚至跳闸。而承载小的电动机则出力不够。使得设备的正常运行受到影响。为了能正常使用，有时会加大电动机的功率配置，这会造成电机资源浪费，设备效率下降。由于这种方式不能有效的控制瞬时转速差，动态响应的一致性差，动态特性存在差异。所以，在过渡过程中有时会发生机械冲击和运行不稳定的状况。

因此，这种U/f控制的多电机同步运行方式不太适合转炉倾动装置的同步运行。

3 速度控制的多电机同步运行方式

所谓速度控制的多电机同步运行方式是指每台电机由一台变频器拖动，每台变频器都工作于带速度传感器的转速矢量控制或直接转矩控制模式下，各变频器的速度给定来自同一个给定源,由PLC或其它控制器提供统一的速度给定信号。这种方式，能够实现高性能的瞬时速度同步控制，适用于有较高的调速性能要求，又有很高的瞬时速度同步要求的应用，但对机械的连接有一定的要求。

转速矢量控制或者直接转矩控制是理论无差的闭环调速系统，由于积分环节的作用，只要存在可检测的转速偏差，系统就会通过调节作用去消除偏差。但再高的调节精度，也不可能在实际上完全消除转速的偏差。实际的偏差可能来源于给定误差、转速检测误差、给定信号存在的时间差以及机械方面的比例偏差。

因此，当这种方式用于刚性机械连接的情况时，由于刚性机械连接的结果使得各电机的运转转速完全相同，如果存在转速检测误差，或者给定信号存在时间差，则各闭环系统会产生不同的调节控制作用。

在存在检测误差的情况下，可能一个系统检测的转速略低于给定转速，另一个则略高于给定转速，因此，一台电机会增大输出转矩，力图产生加速作用使检测转速与给定一致，另一台电机则会减小输出转矩，力图产生减速作用使检测转速与给定一致。即使彼此的检测偏差很小由于控制环节的积分作用，也会在彼此间产生很大的输出偏差，使一台电机的输出转矩增加至最大转矩限幅值，另一台电机输出转矩降低到最小转矩限幅值甚至产生制动转矩。这种情况下，各电机的输出转矩会彼此抗衡抵消，形成互相干扰、较劲的局面，破坏了共同驱动负载的关系，给机械构件增加额外的受力，并且可能导致系统保护动作而无法继续运行。

在给定信号存在时间差时，先得到给定信号变化的系统会首先改变电机的输出转矩，力图加速或者减速以跟随给定变化，但后得到给定信号变化的系统却会检测到转速的改变，并产生与之抗衡的电机输出转矩，力图保持转速不变，同样会形成互相干扰、较劲的局面。

由此可知，这种速度控制的多电机同步运行方式不适合转炉倾动装置的同步运行。

4 主/从控制的多电机同步运行方式

主从控制的多电机同步运行方式是指整个同步控制系统在结构上采用一个速度环和多个力矩环的主从矢量控制方案。每一台电动机由一台变频器单独拖动即"一拖一"，利用矢量控制和直接转矩控制模式的转矩控制能力，让其中的一台变频器工作在带速度传感器的速度矢量控制或直接转矩控制模式下，把这个带有速度闭环的系统称为主系统或主机，其它变频器则工作在转矩控制模式下，称其系统为从系统或从机。其传动原理框图如图2。

主机完成同步运行的速度控制，把主机变频器的速度调节器输出信号，即力矩给定信号送给从机，使从机实现转矩矢量控制。也就是说，主机速度调节器输出的转矩指令被同时传送给了主机和所有从机的转矩控制环节，主机变频器的转矩控制部分与所有从机变频器的转矩控制部分得到了同样的转矩指令。这时的同步转速由主机决定，从机在转矩分配关系基本不变的前提下，转速会自然跟随主机变化。另外，主机的速度给定信号也同时传给了各从机，从机把接收到的主机速度给定信号与本机的速度反馈信号进行比较，比较后的偏差值通过比例调节作为转矩给定的辅助调节量，使从机在过渡过程中无超调的快速的跟随主机转速，最终达到主从机之间的同步控制和功率平衡。

当这种方式用于刚性机械连接的情况时，转速由机械结构强行保持一致，各驱动电机在同一主机转矩给定下输出基本相同的转矩，总的输出转矩与负载转矩平衡。电机之间在同步运行的同时实现了负载的均衡分配。

因此，主从控制的多电机同步运行方式适合转炉倾动电机的同步运行。

5 转炉倾动电机主从/控制同步运行方式的实现

系统的结构框图如图3

整个系统控制的构成主要由现场总线和装置通信网两部分组成。上位机PLC与变频器之间通过现场总线的通信来完成同步运行的速度给定、变频器运行的控制、变频器的主从切换控制、变频器及电动机运行状态的监控、故障诊断等功能 。变频器与变频器之间通过装置网的通信来完成主从变频器之间的信息传递，实现系统的主从传动功能。

上位机PLC、变频器可全部选用西门子的产品，西门子自动化产品具有很好的产品性能和很强的通信功能。PLC可选用S7－400PLC,变频器可选SINOVERT 6SE70系列变频器。PLC与变频器间通信的现场总线采用西门子的PROFIBUS现场总线，PLC则作为PROFIBUS－DP的主站接入PROFIBUS现场总线，每台变频器均以PROFIBUS－DP从站的形式接入PROFIBUS现场总线 。变频器与变频器间的装置通信网采用6SE70系列变频器提供的装置之间的一种，即能使所有连接的装置在极快的数据传输中，保持高性能的适时性和同步，又能保证变频器间高度协调工作的快速通讯网即SIMOLINK光纤环网。至此，就构成了转炉倾动电机同步运行控制系统的主要部分。

6 结束语

实际上，主从控制的多电机同步运行方式在转炉倾动系统中已获得了很好的应用，这也证明了主从控制的多电机同步运行方式是适合转炉倾动装置驱动电机的同步运行。