摘要：磁力吊是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的起重設(shè)備.本文介紹了一種基于全數(shù)字直流調(diào)速器與PLC的新型磁力吊勵(lì)磁和消磁控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的控制方式相比，能快速的勵(lì)磁和消磁，提高生產(chǎn)效率，并能顯著的減少能耗。 關(guān)鍵字：磁力吊 數(shù)字化 直流調(diào)速器 可編程控制器 The application of digital controller in the electromagnet Abstract Electromagnet-crane is indispensable equipment in steel production. This paper introduces a new system of electromagnet commuting and controlling. It is based on digital direct current speed regular and programmable controller. To be compared with traditional controlling manner, it can excite and demagnetize much faster ，reduce energy consumption and advance productivity. Key words: electromagnet¬-crane digital DC Speed-Adjusting controller PLC 一、概述 目前我國各企業(yè)現(xiàn)有的磁力吊控制設(shè)備均采用變電阻調(diào)壓控制方式，它將工業(yè)電壓通過變壓器和整流器調(diào)壓和整流后，直接接入電磁鐵線圈，隨著電網(wǎng)的波動(dòng)，磁路中的磁通也跟著波動(dòng)，為了保持磁力吊的吸力，一般是將磁通保持在過飽和狀態(tài), 因此電阻上消耗功率過多，電能浪費(fèi)情況十分嚴(yán)重。另外磁力吊電磁鐵是直流大電感負(fù)載，當(dāng)直流接觸器接通和斷開的時(shí)候，容易產(chǎn)生電弧光，經(jīng)常燒壞直流接觸器，機(jī)械結(jié)構(gòu)也常常損壞，因而故障率高，維修工作量大。在當(dāng)前的生產(chǎn)形勢下，該控制方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高效大規(guī)模生產(chǎn)的需要。 針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了一種基于直流調(diào)速器和可編程控制器的全數(shù)字電磁鐵整流控制方式，利用軟件編程代替物理接點(diǎn)，各種控制參數(shù)數(shù)字輸入，并且可以改寫和鎖存，不受外界影響。內(nèi)部智能控制模塊可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)自動(dòng)勵(lì)磁和消磁以及參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)功能，可以保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。 1. 電磁鐵工作原理 電磁鐵是利用通電線圈產(chǎn)生電磁力以吸引負(fù)載。在本質(zhì)上是一個(gè)直流大電感，但是由于本身和環(huán)境影響復(fù)雜，在其控制過程中存在大純滯后和非線性。當(dāng)電磁鐵制造完成后，它的吊重僅與輸入磁勢IW和等值工作氣隙有關(guān)。而W是線圈的匝數(shù)，是個(gè)常數(shù)，因此當(dāng)假設(shè)電磁鐵的參數(shù)是不變的常數(shù)的時(shí)候，吊重是輸入電流的線性函數(shù)。 2.2 磁滯性 當(dāng)鐵心線圈通有交變電流時(shí)，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一次時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨著磁場強(qiáng)度H而變化的關(guān)系如圖2-2，由圖可見，當(dāng)H減到零值時(shí)，B還沒有回到零值。這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁性物質(zhì)的磁滯性。 當(dāng)線圈中電流減到零值時(shí)（H=0），鐵心在磁化時(shí)所得的磁性還沒有完全消失，這時(shí)鐵心中所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為剩磁，如圖2-2中的O-2和O-5段。要使鐵心的剩磁消失，一般要改變線圈中勵(lì)磁電流的方向，也就是改變磁場強(qiáng)度H的方向進(jìn)行反向磁化。使B=0的H值，在圖中用O-3和O-6代表，稱為矯頑磁力Hc。 3. 電磁鐵電氣特性 3.1 電磁鐵線圈電流動(dòng)態(tài)特性 電磁特性中，磁滯回線是靜態(tài)電流與電磁力的函數(shù)曲線，在起吊和卸載過程中，電流經(jīng)常在動(dòng)態(tài)中完成控制，在線圈工作溫度和環(huán)境因素不變的情況下，電磁鐵的電阻和電感可以看作常數(shù)。當(dāng)電磁鐵接通電源時(shí)，電流的動(dòng)態(tài)方程為： 三. 磁力吊電磁鐵動(dòng)態(tài)控制的三個(gè)階段 1．第一階段——強(qiáng)勵(lì)電流動(dòng)態(tài)控制 強(qiáng)勵(lì)動(dòng)態(tài)控制是在短的時(shí)間內(nèi)和允許的最高電壓下，達(dá)到磁路的過飽和，以吊起負(fù)載，強(qiáng)勵(lì)控制第一階段主要是電磁鐵最高允許勵(lì)磁電壓的選擇。根據(jù)公式1-3，高的勵(lì)磁電壓可以減少強(qiáng)勵(lì)到磁飽和的時(shí)間。影響強(qiáng)勵(lì)時(shí)間除勵(lì)磁電壓外，還有時(shí)間常數(shù)，它與電感量成正比，和電阻成反比。電磁鐵在不同的環(huán)境和溫度下，電感和電阻都不一樣，所以不能用固定的時(shí)間原則和電流原則控制磁飽和。 2. 第二階段——維持電流動(dòng)態(tài)控制 強(qiáng)勵(lì)電流建立磁飽和后，要降到維持吊重電流，在此過程中，電流變化較大，電磁鐵的磁感應(yīng)電壓也較大，所以必須控制電流的下降速度以避免產(chǎn)生的感應(yīng)電勢破壞絕緣。并且超調(diào)電流還不能小于吊重電流，保證動(dòng)態(tài)控制不減少吊重。 3. 第三階段——退磁動(dòng)態(tài)控制 由卸載前飽和磁滯回線退磁段吊重電流，降到消磁電流卸載過程，為卸載動(dòng)態(tài)控制階段。因?yàn)殡姶盆F鐵心有剩磁的存在，所以必須在切斷吊重電流后，加一反向電壓，控制消磁電流的大小，以加快卸載速度。 四. 磁力吊的智能優(yōu)化控制系統(tǒng) 在分析電磁鐵的動(dòng)態(tài)控制三個(gè)階段后，可以根據(jù)電磁鐵的電磁特性和電氣特性對(duì)其進(jìn)行智能優(yōu)化控制。在強(qiáng)勵(lì)階段，需要根據(jù)負(fù)載的大小輸入合適的勵(lì)磁電壓快速建立飽和磁場，但是該電壓不能超過電磁鐵的額定電壓，該階段的優(yōu)化控制目標(biāo)就是以比較經(jīng)濟(jì)的勵(lì)磁電壓快速的建立飽和磁場。在維持階段，優(yōu)化控制的目標(biāo)就是將強(qiáng)勵(lì)電流降到維持電流，以減少電能的損耗。在消磁階段，優(yōu)化控制的目標(biāo)是在切斷維持電流后，快速的加入矯頑電流，以盡可能短的時(shí)間消磁。根據(jù)各個(gè)階段不同的優(yōu)化控制目標(biāo)，可以設(shè)計(jì)不同的優(yōu)化控制方法。 1．系統(tǒng)的組成 英國CT公司生產(chǎn)的Mentor || 直流驅(qū)動(dòng)器是新一代可控硅全控橋電流控制器，它利用可控硅的觸發(fā)角來控制電流的大小。其內(nèi)部含有斜坡函數(shù)，可以控制電流的上升和下降速度，并且利用電流限制功能控制電流的最大值和最小值。根據(jù)電磁鐵的參數(shù)和設(shè)定的控制目標(biāo)，可以計(jì)算出電流控制的各個(gè)控制參數(shù)。將這些參數(shù)輸入到Mentor || 直流驅(qū)動(dòng)器中，便能對(duì)電磁鐵的三個(gè)控制階段進(jìn)行優(yōu)化控制。 2. 強(qiáng)勵(lì)優(yōu)化控制原理。 根據(jù)該階段的優(yōu)化控制目標(biāo)，計(jì)算出控制器的各個(gè)參數(shù)。其控制原理如圖6。利用斜坡函數(shù)的功能，可以很好的對(duì)電流的上升曲線進(jìn)行控制，控制器內(nèi)部含有智能PID 控制模塊，對(duì)于電磁鐵隨內(nèi)外環(huán)境所產(chǎn)生的電流變化，可以通過PID 控制功能進(jìn)行電流的優(yōu)化控制。 3.維持吊重優(yōu)化控制原理 長時(shí)間的強(qiáng)勵(lì)電流會(huì)使電磁鐵繞組過熱，可能燒壞繞組。另外也增加了電能的損耗。根據(jù)負(fù)載的大小和電磁鐵吸力公式，可以計(jì)算出維持吊重理論電流的大小，在此基礎(chǔ)上乘以一個(gè)保險(xiǎn)系數(shù)，得到實(shí)際電流大小。 4.退磁優(yōu)化控制原理 一般的退磁方法是在電磁鐵電流為零時(shí)輸入反向電流。電磁鐵在斷電瞬間，內(nèi)部繞組相當(dāng)于一個(gè)大電感，傳統(tǒng)的直流接觸器開關(guān)動(dòng)作慢，因而產(chǎn)生相當(dāng)大的自感電勢，其值可達(dá)上千伏，因無退磁回路，所以在觸點(diǎn)處便形成電弧放電，燒壞設(shè)備。 Mentor || 直流驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)可控硅全控橋電流控制器。通過控制可控硅的觸發(fā)角，不僅可以控制電流的大小，也可以控制電流的方向。在電磁鐵斷電瞬間，通過控制可控硅的觸發(fā)角，在電磁鐵兩端加反向電流。這個(gè)過程非常短，能夠到達(dá)毫秒級(jí)。因而能夠?qū)㈦姶盆F儲(chǔ)存的能量一部分克服矯頑磁力，一部分反饋到電網(wǎng)而不產(chǎn)生破壞作用。在剩磁消失后，反向電流也減為零。一般的反向電流的大小可以通過磁滯回線計(jì)算得出。在電磁鐵吸力小于吊重時(shí)，就可以斷電。其原理如下： 五. 系統(tǒng)優(yōu)越性 通過比較分析知道，該控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制方式具有很大的優(yōu)勢。 1. 通過對(duì)電流的智能控制，節(jié)約了電能，全控橋的設(shè)計(jì)，使電磁鐵的反電勢合理的利用在反向消磁中； 2. 利用編程軟件代替物理繼電器，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，減少了物理損耗； 3. 控制精度高，可以實(shí)現(xiàn)恒電流控制； 4. 安裝簡單，可靠性、安全性高。故障率低，備件更換簡單。 六. 結(jié)束語 磁力吊電磁鐵在現(xiàn)代機(jī)械、冶金、礦山等行業(yè)應(yīng)用廣泛，但產(chǎn)生的費(fèi)用很高。利用該智能優(yōu)化控制系統(tǒng)可以明顯的減少生產(chǎn)中的電能損耗以及降低設(shè)備的故障率，同時(shí)節(jié)約電磁鐵的維護(hù)和購置費(fèi)用。該系統(tǒng)已在湘鋼、舞鋼等鋼鐵公司投產(chǎn)運(yùn)行，顯著地提高企業(yè)的生產(chǎn)力，具有良好的推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1] 龐世浩. 散料起重電磁鐵的優(yōu)化控制原理 寬厚板， 2001 [2] 瞿安. 起重電磁鐵 冶金電氣，1986 作者簡介： 李保軍：男，1982年出生，湖北孝感人，武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院在讀研究生，研究方向?yàn)樾滦凸I(yè)控制。 劉惠康：男，1963年出生，湖南漣源人，武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事工廠供電與電機(jī)傳動(dòng)方面的工作。 通訊地址：武漢科技大學(xué)54#信箱，430081，李保軍收，聯(lián)系電話：027-86566194