关于氧枪变频器抱闸控制的探讨

刘晓明，安伟

（阳春新钢铁有限责任公司，广东 阳春529600）

转炉氧枪是炼钢生产中的关键设备。在转炉冶炼过程中，氧枪根据钢水温度的变化频繁地升降，定位需要快速、准确、可靠。氧枪制动器失控极有可能造成坠枪，从而酿成重大事故。

某公司转炉氧枪的抱闸采用西门子Master-Drives变频器控制。本文针对实际应用中的一些问题，结合Masterdrives变频器抱闸控制的原理，对此进行了更深一步的分析和探讨。依据分析结果提出了改进方法，并取得了较好效果。

1 抱闸打开控制

根据西门子《矢量控制使用大全》中的介绍，如果使用了抱闸控制，B277和B278必须被连接，即P561=278，逆变器释放；P564=277，设定点释放。参数P605选择抱闸控制单元的功能参数：0 无抱闸；1 有抱闸不带检测信息；2 有抱闸带检测信息。

1.1 释放设定值依据B277信号

如果使用抱闸的同时P605≠0，且P564=277，则P610 选择抱闸打开连接器只能设置成输出电流基波频率的均方根值K242，而不能设置为转矩电流分量K184。因为在矢量控制方式下，设定值释放前，电机绕组上只有励磁电流，没有转矩电流。所以，此时选择转矩电流作为抱闸打开的条件，转矩电流一直为零，抱闸永远不会打开。

那么，当P610=242时，P611抱闸打开阀值应该如何设定，可以依据电机励磁建立过程波形来分析，如图1所示。图1中，1为Isd（act），电流磁通分量的实际值，2为Psi（act），由磁通模型计算的磁通实际值。

图1 电机励磁建立过程波形Fig.1 The waveforms of building motor excitation

通过图1可以看出，实际的励磁电流并不是线性上升，而是如图1中波形1所示有一个超出额定值的最大值。所以，此时的开闸电流设定值并不要求精确，因为开闸电流只是抱闸打开的条件之一，其必须与变频器内部的励磁完成信号同时满足抱闸才会打开。在这种条件下，抱闸打开时建立的仅仅是励磁，没有转矩产生。转矩是在P606抱闸打开延时（P605=1）过后，设定值释放，转速调节器根据设定转速和实际转速的偏差进行PI调节后产生的。

1.2 释放设定值固定使能

如果使用抱闸的同时P605≠0，且P564=1，也就是设定值一直使能，则P610 选择抱闸打开连接器可以设置成转矩电流分量K184或输出电流基波频率的均方根值K242。因为设定值是一直使能的，在抱闸打开之前就能够建立励磁电流和转矩电流。所以，采用此种设置时，重载情况下抱闸打开时的溜枪现象会大大减小甚至消除。

提抢时和下枪时的速度转矩波形，见图2。

图2 速度转矩波形Fig.2 The speed torque waveforms

从图2a的测量结果可以看出，提枪工况下抱闸真正打开时已经建立了约120%的转矩（波形1），远大于正常提枪时需要的80%转矩（波形4），此提枪时不存在溜枪现象。图2a中，1为Isq（act），电流转矩分量的实际值；2 为n/f（Band-Stop），通过带阻滤波后的速度实际值；3 为OpenBrake，打开抱闸命令；4为正常工作时的转矩。

这种设置是不是重载位能负载抱闸控制的最好选择，还要看具体工况而定。如高炉大料车、转炉倾动电机在启动时，工作在正向电动（第1象限）状态或反向电动（第3象限）状态，都是电机在做功，这种方式是适合的。但对于氧枪负载来说分为2种情况：一是在提枪时，速度给定值为正，产生正向的转矩电流，当正向的转矩电流达到阀值时，抱闸打开，氧枪上升，不存在溜枪现象；二是在下枪时，速度给定值为负，产生负向的转矩电流，当负向的转矩电流达到阀值时，抱闸打开，松开抱闸的瞬间不仅不能抑制溜枪，反而加速了溜枪。这是因为提枪时电机工作在第1象限（电机做功），在抱闸打开后，电机克服重力做功；下枪时电机工作在第4象限（重力做功），在抱闸打开的瞬间，电机不仅没有制动反而在帮助重力做功。当然，下枪时电机协同重力做功的过程很短，速度调节器会快速调节回来，从氧枪的实际动作来看也不是很明显，但这种方式是不完善的。

从图2b可以看出，下枪初始抱闸真正打开时的转矩约为-100%（波形1），对应的实际速度有一个大的过冲（波形2），然后再调节回来，并且过冲现象在电机轴侧观察非常明显。实际情况与上述的理论分析完全吻合。图2b中，1为Isq（act），电流转矩分量实际值；2 为n/f（Band-Stop），通过带阻滤波后的速度实际值；3 为OpenBrake，打开抱闸命令。

为进一步提高FJSP邻域结构的有效性，基于文献[21]的研究，本文对FJSP邻域结构，以及相关技术进行了深入研究，并在此基础上设计混合算法，采用基准算例进行测试，验证了算法的有效性。

2 抱闸闭合控制

正常情况下，触发Masterdrives变频器合闸指令有2条途径：1）变频器处于非运行状态，直接发出合闸命令；2）变频器检测到OFF1，OFF2，OFF3停车信号或故障信号，且速度实际值低于P616设定的门槛值，经过P617延时后发出合闸命令。

原氧枪变频器参数设置为：

P609.01=B105 OR（NOT B3103）

P607=0.15 抱闸闭合时间

P615=148 抱闸闭合连接量（速度实际值）

P616=12 抱闸闭合门槛值12%

由于当前的程序和变频器参数设置不当，变频器同时接收到OFF1 和B3103信号。操作手柄一到零位，抱闸立即关闭，速度实际值小于12%的这个条件根本没有起作用。变频器的电气制动完全没有起作用，全部依靠抱闸机械制动。在图3 中，氧枪操作手柄从第4 档（最高速）减至零位的过程中要经过3，2，1 档，每减一档速度降低17.5%，因此在抱闸闭合指令出现（手柄到零位）之前会有一个短时间的减速过程，这个过程的长短与操作手柄归零的速度有关。

高速运行和低速运行时抱闸闭合波形如图3所示。

图3 抱闸闭合波形Fig.3 Brake closing waveforms running

从图3b可以看出，在低速1档运行时，1档速度为10%小于门槛值12%，当运行命令消失后抱闸闭合命令到来（波形1），经过P607的延时（150 ms）后，逆变器封锁（波形2），转矩输出为零，完全依靠抱闸本身机械制动，因此存在比较明显的溜枪现象（波形3）。低速下枪时的溜枪现象在电机轴侧也能明显看到。图3b中，1为CloseBrake，闭合抱闸命令；2 为Isq（act），电流转矩分量的实际值；3 为n/f（Band-Stop），通过带阻滤波后的速度实际值。

3 氧枪变频器抱闸控制设置

分析清楚以上氧枪升降的各种关系后，氧枪变频器抱闸打开控制的最佳设置方案依然是西门子的推荐设置，但需要注意速度环的比例系数在自动优化的基础上加大，积分时间减小（调整幅度较大），使速度环的特性更硬，响应更快以减少溜枪。最好使用Drive Monitor软件记录波形，检查实际响应情况。抱闸闭合设置如下：

P609.01=106 故障

P609.02=109 OFF2

P609.03=111 OFF3

故障，OFF2，OFF3 到来时，不等待实际速度降低到门槛值，抱闸立即动作。

P616，P617，P800，P801等参数需要根据实际情况进行调整，遵循抱闸完全闸紧后变频器才能输出封锁的原则。

4 改进方法及结论

从原理上讲，氧枪变频器抱闸控制只能减少溜枪而不能避免溜枪。但是通过以上的探究与分析得出，不管是提枪还是下枪，在发出抱闸打开命令的同时给一个短时间的（可设置）、方向总是正向的、大小合适（可设置）的启动附加转矩，先由这个附加转矩平衡负载，然后再由速度调节器按照速度给定值来进行PI 调节。对此方法进行了实际应用，结果论证了它的正确性和可行性。启动附加转矩示意图如图4所示。图4中，1为抱闸打开命令给出，附加转矩使能；2为抱闸完全打开期间，附加转矩成线性增加到设定值；3为附加转矩保持一段时间（可设置）；4 为附加转矩设定时间结束，附加转矩按线性减小到0。

图4 启动附加转矩的示意图Fig.4 The schematic diagram of start additional torque

启动附加转矩功能可以利用变频器的自由功能块来实现，这里不再进一步讨论。

某公司的氧枪变频器抱闸控制从宏观上能够满足工艺要求，但通过深入分析还是发现了诸多不足，并通过理论分析和实际检测得出了可行的改进方法。通过这些改进，达到了以下效果：1）避免下枪开始时的过冲现象，氧枪运行更平稳；2）减少对电机和抱闸的冲击，减轻对闸皮的磨损；3）避免氧枪低速下降时的溜枪现象，控制更精准。

虽然，Masterdrives 系列变频器已经停产，但还是有大量的产品正使用于生产实际。同时利用附加启动转矩解决重载位能类负载溜车问题的原理依然适用于Sinamics 系列变频器，具有一定的推广价值。

［1］ 西门子电气传动有限公司（SEDL）.矢量控制使用大全［Z］.天津：西门子电气传动有限公司（SEDL），2007.

［2］ 王廷才，王伟.变频器原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2005.

［4］ 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］ 满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2012.