氧槍變頻器抱閘控制的探討范文

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《電氣傳動雜志》2015年第十一期

摘要：

針對轉爐氧槍的溜槍現象，從西門子Masterdrives變頻器的抱閘控制原理出發，結合氧槍的實際運行工況，深入分析了氧槍在上升、下降過程中不同檔位運行時的特性，在生產中通過DriveMonitor軟件錄制相關參數波形來加以驗證。并且提出了改進方法，通過實際應用論證了所提方法的正確性和可行性。

關鍵詞：

氧槍；變頻器；抱閘控制

轉爐氧槍是煉鋼生產中的關鍵設備。在轉爐冶煉過程中，氧槍根據鋼水溫度的變化頻繁地升降，定位需要快速、準確、可靠。氧槍制動器失控極有可能造成墜槍，從而釀成重大事故。某公司轉爐氧槍的抱閘采用西門子Master-Drives變頻器控制。本文針對實際應用中的一些問題，結合Masterdrives變頻器抱閘控制的原理，對此進行了更深一步的分析和探討。依據分析結果提出了改進方法，并取得了較好效果。

1抱閘打開控制

根據西門子《矢量控制使用大全》中的介紹，如果使用了抱閘控制，B277和B278必須被連接，即P561=278，逆變器釋放；P564=277，設定點釋放。參數P605選擇抱閘控制單元的功能參數：0無抱閘；1有抱閘不帶檢測信息；2有抱閘帶檢測信息。

1.1釋放設定值依據B277信號如果使用抱閘的同時P605≠0，且P564=277，則P610選擇抱閘打開連接器只能設置成輸出電流基波頻率的均方根值K242，而不能設置為轉矩電流分量K184。因為在矢量控制方式下，設定值釋放前，電機繞組上只有勵磁電流，沒有轉矩電流。所以，此時選擇轉矩電流作為抱閘打開的條件，轉矩電流一直為零，抱閘永遠不會打開。那么，當P610=242時，P611抱閘打開閥值應該如何設定，可以依據電機勵磁建立過程波形來分析，如圖1所示。圖1中，1為Isd（act），電流磁通分量的實際值，2為Psi（act），由磁通模型計算的磁通實際值。通過圖1可以看出，實際的勵磁電流并不是線性上升，而是如圖1中波形1所示有一個超出額定值的最大值。所以，此時的開閘電流設定值并不要求精確，因為開閘電流只是抱閘打開的條件之一，其必須與變頻器內部的勵磁完成信號同時滿足抱閘才會打開。在這種條件下，抱閘打開時建立的僅僅是勵磁，沒有轉矩產生。轉矩是在P606抱閘打開延時（P605=1）過后，設定值釋放，轉速調節器根據設定轉速和實際轉速的偏差進行PI調節后產生的。

1.2釋放設定值固定使能如果使用抱閘的同時P605≠0，且P564=1，也就是設定值一直使能，則P610選擇抱閘打開連接器可以設置成轉矩電流分量K184或輸出電流基波頻率的均方根值K242。因為設定值是一直使能的，在抱閘打開之前就能夠建立勵磁電流和轉矩電流。所以，采用此種設置時，重載情況下抱閘打開時的溜槍現象會大大減小甚至消除。提搶時和下槍時的速度轉矩波形，見圖2。從圖2a的測量結果可以看出，提槍工況下抱閘真正打開時已經建立了約120%的轉矩（波形1），遠大于正常提槍時需要的80%轉矩（波形4），此提槍時不存在溜槍現象。圖2a中，1為Isq（act），電流轉矩分量的實際值；2為n/（fBand-Stop），通過帶阻濾波后的速度實際值；3為OpenBrake，打開抱閘命令；4為正常工作時的轉矩。這種設置是不是重載位能負載抱閘控制的最好選擇，還要看具體工況而定。如高爐大料車、轉爐傾動電機在啟動時，工作在正向電動（第1象限）狀態或反向電動（第3象限）狀態，都是電機在做功，這種方式是適合的。但對于氧槍負載來說分為2種情況：一是在提槍時，速度給定值為正，產生正向的轉矩電流，當正向的轉矩電流達到閥值時，抱閘打開，氧槍上升，不存在溜槍現象；二是在下槍時，速度給定值為負，產生負向的轉矩電流，當負向的轉矩電流達到閥值時，抱閘打開，松開抱閘的瞬間不僅不能抑制溜槍，反而加速了溜槍。這是因為提槍時電機工作在第1象限（電機做功），在抱閘打開后，電機克服重力做功；下槍時電機工作在第4象限（重力做功），在抱閘打開的瞬間，電機不僅沒有制動反而在幫助重力做功。當然，下槍時電機協同重力做功的過程很短，速度調節器會快速調節回來，從氧槍的實際動作來看也不是很明顯，但這種方式是不完善的。從圖2b可以看出，下槍初始抱閘真正打開時的轉矩約為-100%（波形1），對應的實際速度有一個大的過沖（波形2），然后再調節回來，并且過沖現象在電機軸側觀察非常明顯。實際情況與上述的理論分析完全吻合。圖2b中，1為Isq（act），電流轉矩分量實際值；2為n/（fBand-Stop），通過帶阻濾波后的速度實際值；3為OpenBrake，打開抱閘命令。

2抱閘閉合控制

正常情況下，觸發Masterdrives變頻器合閘指令有2條途徑：1）變頻器處于非運行狀態，直接發出合閘命令；2）變頻器檢測到OFF1，OFF2，OFF3停車信號或故障信號，且速度實際值低于P616設定的門檻值，經過P617延時后發出合閘命令。原氧槍變頻器參數設置為：P609.01=B105OR（NOTB3103）P607=0.15抱閘閉合時間P615=148抱閘閉合連接量（速度實際值）P616=12抱閘閉合門檻值12%由于當前的程序和變頻器參數設置不當，變頻器同時接收到OFF1和B3103信號。操作手柄一到零位，抱閘立即關閉，速度實際值小于12%的這個條件根本沒有起作用。變頻器的電氣制動完全沒有起作用，全部依靠抱閘機械制動。在圖3中，氧槍操作手柄從第4檔（最高速）減至零位的過程中要經過3，2，1檔，每減一檔速度降低17.5%，因此在抱閘閉合指令出現（手柄到零位）之前會有一個短時間的減速過程，這個過程的長短與操作手柄歸零的速度有關。高速運行和低速運行時抱閘閉合波形如圖3所示。從圖3a可以看出，電機在高速運行時抱閘就閉合了（波形3），隨著抱閘的不斷閘緊，轉矩電流不斷增加，直到限幅值150%（波形2）。在電機實際速度小于12%時再經過P607的延時，逆變器封鎖。這樣的控制方式對電機和抱閘的沖擊很大，閘皮的磨損也很嚴重。圖3a中，1為CloseBrake，閉合抱閘命令；2為Isq（act），電流轉矩分量的實際值；3為n/（fBand-Stop），通過帶阻濾波后的速度實際值。從圖3b可以看出，在低速1檔運行時，1檔速度為10%小于門檻值12%，當運行命令消失后抱閘閉合命令到來（波形1），經過P607的延時（150ms）后，逆變器封鎖（波形2），轉矩輸出為零，完全依靠抱閘本身機械制動，因此存在比較明顯的溜槍現象（波形3）。低速下槍時的溜槍現象在電機軸側也能明顯看到。圖3b中，1為CloseBrake，閉合抱閘命令；2為Isq（act），電流轉矩分量的實際值；3為n/（fBand-Stop），通過帶阻濾波后的速度實際值。

3氧槍變頻器抱閘控制設置

分析清楚以上氧槍升降的各種關系后，氧槍變頻器抱閘打開控制的最佳設置方案依然是西門子的推薦設置，但需要注意速度環的比例系數在自動優化的基礎上加大，積分時間減小（調整幅度較大），使速度環的特性更硬，響應更快以減少溜槍。最好使用DriveMonitor軟件記錄波形，檢查實際響應情況。抱閘閉合設置如下：P609.01=106故障P609.02=109OFF2P609.03=111OFF3故障，OFF2，OFF3到來時，不等待實際速度降低到門檻值，抱閘立即動作。P616，P617，P800，P801等參數需要根據實際情況進行調整，遵循抱閘完全閘緊后變頻器才能輸出封鎖的原則。

4改進方法及結論

從原理上講，氧槍變頻器抱閘控制只能減少溜槍而不能避免溜槍。但是通過以上的探究與分析得出，不管是提槍還是下槍，在發出抱閘打開命令的同時給一個短時間的（可設置）、方向總是正向的、大小合適（可設置）的啟動附加轉矩，先由這個附加轉矩平衡負載，然后再由速度調節器按照速度給定值來進行PI調節。對此方法進行了實際應用，結果論證了它的正確性和可行性。啟動附加轉矩示意圖如圖4所示。圖4中，1為抱閘打開命令給出，附加轉矩使能；2為抱閘完全打開期間，附加轉矩成線性增加到設定值；3為附加轉矩保持一段時間（可設置）；4為附加轉矩設定時間結束，附加轉矩按線性減小到0。啟動附加轉矩功能可以利用變頻器的自由功能塊來實現，這里不再進一步討論。某公司的氧槍變頻器抱閘控制從宏觀上能夠滿足工藝要求，但通過深入分析還是發現了諸多不足，并通過理論分析和實際檢測得出了可行的改進方法。通過這些改進，達到了以下效果：1）避免下槍開始時的過沖現象，氧槍運行更平穩；2）減少對電機和抱閘的沖擊，減輕對閘皮的磨損；3）避免氧槍低速下降時的溜槍現象，控制更精準。雖然，Masterdrives系列變頻器已經停產，但還是有大量的產品正使用于生產實際。同時利用附加啟動轉矩解決重載位能類負載溜車問題的原理依然適用于Sinamics系列變頻器，具有一定的推廣價值。

參考文獻

［1］西門子電氣傳動有限公司（SEDL）.矢量控制使用大全［Z］.天津：西門子電氣傳動有限公司（SEDL），2007.

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作者：劉曉明 安偉 單位：陽春新鋼鐵有限責任公司