關(guān)于氧槍變頻器抱閘控制的探討

劉曉明，安偉

（陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司，廣東 陽春529600）

轉(zhuǎn)爐氧槍是煉鋼生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，氧槍根據(jù)鋼水溫度的變化頻繁地升降，定位需要快速、準(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)用中的一些問題，結(jié)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(jù)分析結(jié)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(jù)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(shè)定點釋放。參數(shù)P605選擇抱閘控制單元的功能參數(shù)：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(shè)定值依據(jù)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(shè)置成輸出電流基波頻率的均方根值K242，而不能設(shè)置為轉(zhuǎn)矩電流分量K184。因為在矢量控制方式下，設(shè)定值釋放前，電機繞組上只有勵磁電流，沒有轉(zhuǎn)矩電流。所以，此時選擇轉(zhuǎn)矩電流作為抱閘打開的條件，轉(zhuǎn)矩電流一直為零，抱閘永遠不會打開。

那么，當(dāng)P610=242時，P611抱閘打開閥值應(yīng)該如何設(shè)定，可以依據(jù)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。

圖1 電機勵磁建立過程波形Fig.1 The waveforms of building motor excitation

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(shè)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(nèi)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(zhuǎn)矩產(chǎn)生。轉(zhuǎn)矩是在P606抱閘打開延時（P605=1）過后，設(shè)定值釋放，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差進行PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的。

1.2 釋放設(shè)定值固定使能

如果使用抱閘的同時P605≠0，且P564=1，也就是設(shè)定值一直使能，則P610 選擇抱閘打開連接器可以設(shè)置成轉(zhuǎn)矩電流分量K184或輸出電流基波頻率的均方根值K242。因為設(shè)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(zhuǎn)矩電流。所以，采用此種設(shè)置時，重載情況下抱閘打開時的溜槍現(xiàn)象會大大減小甚至消除。

提搶時和下槍時的速度轉(zhuǎn)矩波形，見圖2。

圖2 速度轉(zhuǎn)矩波形Fig.2 The speed torque waveforms

從圖2a的測量結(jié)果可以看出，提槍工況下抱閘真正打開時已經(jīng)建立了約120%的轉(zhuǎn)矩（波形1），遠大于正常提槍時需要的80%轉(zhuǎn)矩（波形4），此提槍時不存在溜槍現(xiàn)象。圖2a中，1為Isq（act），電流轉(zhuǎn)矩分量的實際值；2 為n/f（Band-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(zhuǎn)矩。

這種設(shè)置是不是重載位能負(fù)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(zhuǎn)爐傾動電機在啟動時，工作在正向電動（第1象限）狀態(tài)或反向電動（第3象限）狀態(tài)，都是電機在做功，這種方式是適合的。但對于氧槍負(fù)載來說分為2種情況：一是在提槍時，速度給定值為正，產(chǎn)生正向的轉(zhuǎn)矩電流，當(dāng)正向的轉(zhuǎn)矩電流達到閥值時，抱閘打開，氧槍上升，不存在溜槍現(xiàn)象；二是在下槍時，速度給定值為負(fù)，產(chǎn)生負(fù)向的轉(zhuǎn)矩電流，當(dāng)負(fù)向的轉(zhuǎn)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(dāng)然，下槍時電機協(xié)同重力做功的過程很短，速度調(diào)節(jié)器會快速調(diào)節(jié)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(zhuǎn)矩約為-100%（波形1），對應(yīng)的實際速度有一個大的過沖（波形2），然后再調(diào)節(jié)回來，并且過沖現(xiàn)象在電機軸側(cè)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(zhuǎn)矩分量實際值；2 為n/f（Band-Stop），通過帶阻濾波后的速度實際值；3 為OpenBrake，打開抱閘命令。

為進一步提高FJSP鄰域結(jié)構(gòu)的有效性，基于文獻[21]的研究，本文對FJSP鄰域結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)技術(shù)進行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計混合算法，采用基準(zhǔn)算例進行測試，驗證了算法的有效性。

2 抱閘閉合控制

正常情況下，觸發(fā)Masterdrives變頻器合閘指令有2條途徑：1）變頻器處于非運行狀態(tài)，直接發(fā)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(shè)定的門檻值，經(jīng)過P617延時后發(fā)出合閘命令。

原氧槍變頻器參數(shù)設(shè)置為：

P609.01=B105 OR（NOT B3103）

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(dāng)前的程序和變頻器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，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(guān)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(jīng)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(xiàn)（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(guān)。

高速運行和低速運行時抱閘閉合波形如圖3所示。

圖3 抱閘閉合波形Fig.3 Brake closing waveforms running

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(dāng)運行命令消失后抱閘閉合命令到來（波形1），經(jīng)過P607的延時（150 ms）后，逆變器封鎖（波形2），轉(zhuǎn)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(xiàn)象（波形3）。低速下槍時的溜槍現(xiàn)象在電機軸側(cè)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(zhuǎn)矩分量的實際值；3 為n/f（Band-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(shè)置

分析清楚以上氧槍升降的各種關(guān)系后，氧槍變頻器抱閘打開控制的最佳設(shè)置方案依然是西門子的推薦設(shè)置，但需要注意速度環(huán)的比例系數(shù)在自動優(yōu)化的基礎(chǔ)上加大，積分時間減?。ㄕ{(diào)整幅度較大），使速度環(huán)的特性更硬，響應(yīng)更快以減少溜槍。最好使用Drive Monitor軟件記錄波形，檢查實際響應(yīng)情況。抱閘閉合設(shè)置如下：

P609.01=106 故障

P609.02=109 OFF2

P609.03=111 OFF3

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(shù)需要根據(jù)實際情況進行調(diào)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(jié)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(fā)出抱閘打開命令的同時給一個短時間的（可設(shè)置）、方向總是正向的、大小合適（可設(shè)置）的啟動附加轉(zhuǎn)矩，先由這個附加轉(zhuǎn)矩平衡負(fù)載，然后再由速度調(diào)節(jié)器按照速度給定值來進行PI 調(diào)節(jié)。對此方法進行了實際應(yīng)用，結(jié)果論證了它的正確性和可行性。啟動附加轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩使能；2為抱閘完全打開期間，附加轉(zhuǎn)矩成線性增加到設(shè)定值；3為附加轉(zhuǎn)矩保持一段時間（可設(shè)置）；4 為附加轉(zhuǎn)矩設(shè)定時間結(jié)束，附加轉(zhuǎn)矩按線性減小到0。

圖4 啟動附加轉(zhuǎn)矩的示意圖Fig.4 The schematic diagram of start additional torque

啟動附加轉(zhuǎn)矩功能可以利用變頻器的自由功能塊來實現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，氧槍運行更平穩(wěn)；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(xiàn)象，控制更精準(zhǔn)。

雖然，Masterdrives 系列變頻器已經(jīng)停產(chǎn)，但還是有大量的產(chǎn)品正使用于生產(chǎn)實際。同時利用附加啟動轉(zhuǎn)矩解決重載位能類負(fù)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。

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