国产EPS电源在转炉驱动系统的应用

邱 旭

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

矿在贵冶熔炼车间老系统三台转炉倾动摇炉的驱动系统中，核心部分是转炉倾动摇炉的电气控制驱动系统，但真正保护转炉设备安全的是备用电源（EPS）。转炉电机驱动系统选配了一台400kW容量的EPS电源，带动三台转炉的75kW驱动电机串电阻调速起动，经过减速传动机构带动转炉炉体转动。EPS在转炉驱动系统中作为备用电源使用，作用是在市电停电时，为防止正在吹炼的转炉炉内铜水堵住吹炼风管，而临时提供炉体驱动电源，使炉体倾转到安全角度［1］。由于转炉装满铜水，事故倾转时，电机运行特性为重载、速度低、倾动力矩大，直接启动的电机启动电流达到4～7倍的额定电流，同时又因供电线路长（200m），电机负载端压降大，导致电机输出力矩克服不了倾动力矩，无法驱动炉体倾转，而炉体制动抱闸因工作电源电压压降过大而不能正常打开，造成铜水堵风管的事故发生。

为了满足转炉电机在事故倾转时正常供电运行，必须要求EPS电源抗电流冲击能力强、电压瞬时动态补偿速度快、持续供电稳定的性能。

转炉原配备用EPS电源为日本60年代产品技术落后淘汰，进口UPS电源虽性能可靠，但价格高昂。随着国产的EPS电源应用技术不断地发展创新，核心部件逆变变频器性能不断地改进，技术越来越趋向可靠，国产EPS电源也最终成为转炉倾转备用电源的最经济可靠的选择。

2 EPS电源的工作原理与特性

2.1 EPS工作原理

如图1所示，EPS电源采用单体逆变技术, 集充电器、蓄电池、逆变变频器及控制器于一体［2］。

图1 EPS原理图

（1）当市电正常时，市电经过开关（Q2）和电源切换装置（ATS）合闸回路（交流旁路）给电机负载供电，并提供电压、电流检测。同时通过开关（Q1）和充电器对蓄电池组进行充电管理。充电器是一个仅需向蓄电池组提供相当于10%蓄电池组容量(Ah)的充电电流的小功率直流电源,它并不具备直接向逆变器提供直流电源的能力。与此同时,在EPS的逻辑控制板的调控下，逆变变频器处于自动待机工作状态，不输出交流电。电机负载实际使用的电源是来自电网的市电。EPS电源待机工作处在休眠状态,可以有效的达到节能的效果。

（2）当市电供电中断或市电电压超限(±15%或±20%额定输入电压)时, 电源切换装置（ATS）将瞬时投切至逆变变频器供电，由电池组提供直流电源通过EPS的逆变变频器转换成交流电源, 给电机负载供电。

（3）当市电电压恢复正常工作时，EPS的控制中心发出信号对逆变变频器执行自动待机操作, 同时通过电源切换装置（ATS）自动完成从逆变变频器供电向交流旁路供电的切换操作。此后,EPS恢复充电功能向电池组充电［3］。

2.2 EPS特性

（1） 耐恶劣环境：主要器件逻辑控制板的芯片采用高品质产品，保证了潮湿、酸碱腐蚀等恶劣条件下正常工作。

（2）全免维护的充放电管理：充电系统分为恒流、恒压两阶段充电，通过对充电电流及电池组电压的检测，自主选择充电模式。

（3） 具有阶越处理能力：对突发性的输入阶越及负载的突变，能够自主诊断识别处理，避免了不可恢复的保护误动作。尤其针对感性电机负载，解决了起动电流过大时(7倍以上)，电池组短时通过逆变变频器持续稳定输出大电流及过载保护的问题。

（4） 具有快速补偿电压压降能力，根据检测电压与设定电压值，可以微秒级完成电压的补偿。

3 转炉倾动时，EPS电源的主要作用

根据转炉电机驱动特性，一台EPS电源同时向三台转炉的75kW驱动电机供电，每台电机额定电流147A。单台电机驱动装有铜水炉体启动瞬间电流可达1029A。通过现场手动模拟两个电机同时起动，检测到电流尖峰可达1400A，电机负载端电压由400V瞬间跌落至364V，通常情况下EPS功率需要大约2MW的容量,才能满足电机起动要求。

为了解决这一问题，在EPS电源中采用了国内先进的快速限流、微秒级PID闭环调节、电池自动巡检充电、改进变压器变比系数等技术手段，不仅克服了电机起动瞬间电流冲击大，压降大，而且最大限度地降低了EPS容量，满足400kW的EPS电源能够同时向三台转炉的75kW驱动电机供电的能力。

3.1 快速限流功能

如图2所示，当EPS电源由电池组供电驱动转炉电机旋转时，电机起动电流瞬间冲击，电流升至830A时，EPS电源控制器对脉冲调节进行关一周期开一周期的控制方式，短时间维持输出830A，直到电机输出力矩克服转炉静态力矩，开始驱动转炉转动时，快速限流控制功能瞬间退出，此时最大限度地利用电池组的容量与瞬间放电能力带动负载。

3.2 微秒级PID闭环调节功能

在EPS电源由电池组供电驱动转炉电机旋转的实际测试中，电机侧电压跌至352V时，电机制动抱闸因压降过大无法正常打开，使电机堵转，电流将继续增加，直至过流报警，转炉倾转失败。为了维持电机侧电压高于352V，控制器投入微秒级PID闭环调节功能，外加负载电压采样电路，形成闭环，当电机端负载电压跌落时，如图3所示，此时电机电流瞬时达到1000A，控制器PID调节输出脉冲［4］，快速对电机端电压进行补偿，提高输出电压至414V，直接弥补线路上的压降，维持电机侧电压达到设定值（本次设定在372V），保证电机制动抱闸正常打开，同时降低输出电流。当电机克服启动力矩后，微秒级PID调节功能快速退出，转炉进入平稳倾转状态。

图2 快速限流抑制后的电流波形

图3 微秒级PID闭环调节输出电压波形

3.3 电池自动巡检充电

电池巡检为核心的充放电管理系统，自动对蓄电池组进行巡检，使蓄电池组始终处于电量饱和状态。

蓄电池组处于最佳准备状态，为转炉的应急倾转提供可靠电源，又保证了再次投入使用时，瞬间带负载能力。

3.4 改进变压器变比系数

普通转炉用EPS电源变压器变比为220/380，由于其输出端实时提高电压，直接弥补线路上的压降，直到EPS电源的最高补偿电压差值，且此值关系到EPS容量选型，体积大小。本次选用的EPS电源，为了减小最高补偿电压差值，将变压器变比由220/380改进为220/400，从而减小了EPS电源的体积与容量。

4 试验结果

改进后将市电与EPS电源带转炉倾转做了以下对比试验，如表1所示。

表1 市电与EPS电源带转炉倾转电压变化对比

通过以上数据，市电摇炉时，电机端最低电压为364V；而由电池组提供电能的EPS供电时，由于转炉频繁切换旋转方向时，电机处于起动、制动切换中，起动冲击电流最大，电机侧电压下降至364V，EPS电源相当于市电最大极限值； 在转炉来回点动旋转时，炉体制动器始终处在打开状态，故电机端电压367V略高于364V；EPS电源带动1#、2#转炉转动时，由于2台转炉错过了电流尖峰值，所以压降也相对不大，电机端电压372V；转炉摇炉过程中，市电电源切换至EPS电源供电，由于转炉转动惯性及制动器在打开状态，切换时所需的力矩较小，故压降也不大，电机端电压373V［5］。EPS电源完全适用转炉在极限操作下的驱动供电。

5 总结

通过本文的理论分析与试验结果，此款国产的EPS电源成功地应用于贵冶熔炼车间转炉驱动系统中，主要解决了现场以下几个问题：

（1）EPS电源成功驱动转炉倾转。现场EPS电源距离转炉驱动电机较远（200m），转炉倾转时，电机启动电流达到1000A，线路压降较大，达40V，电机端电压低至352V，国产EPS电源采用了多种先进技术相结合，完全适用转炉在极限操作下的驱动供电。

（2）避免了炉体制动抱闸因工作电源电压压降过大而不能正常打开的不良影响。转炉电机抱闸系统，由于左右抱闸片长期磨损，且不同程度，导致了抱闸系统松放行程加长，即弹簧的行程增长，所以需要更大的电压维持抱闸线圈工作。

（3）尽量减小了EPS电源的容量与体积，更加具有经济性。

（4）更加具有稳定性。主要器件及芯片采用高品质产品，在各种恶劣环境下能稳定长期运行［6］。

6 结束语

国产EPS电源性能优良，供电稳定，适应火法冶炼的金属粉尘、酸碱腐蚀等恶劣环境条件下正常工作。其中快速限流、微秒级PID闭环调节、变压器变比升级等关键技术，解决了我厂转炉驱动系统中EPS电源供电时，电机起动瞬间电流冲击大、压降大，引起转炉事故倾转失败的问题。