摘要：磁力吊是鋼鐵企業生產中不可缺少的起重設備.本文介紹了一種基于全數字直流調速器與PLC的新型磁力吊勵磁和消磁控制系統，該系統和傳統的控制方式相比，能快速的勵磁和消磁，提高生產效率，并能顯著的減少能耗。 關鍵字：磁力吊 數字化 直流調速器 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 目前我國各企業現有的磁力吊控制設備均采用變電阻調壓控制方式，它將工業電壓通過變壓器和整流器調壓和整流后，直接接入電磁鐵線圈，隨著電網的波動，磁路中的磁通也跟著波動，為了保持磁力吊的吸力，一般是將磁通保持在過飽和狀態, 因此電阻上消耗功率過多，電能浪費情況十分嚴重。另外磁力吊電磁鐵是直流大電感負載，當直流接觸器接通和斷開的時候，容易產生電弧光，經常燒壞直流接觸器，機械結構也常常損壞，因而故障率高，維修工作量大。在當前的生產形勢下，該控制方式已經遠遠滿足不了高效大規模生產的需要。 針對這種情況，筆者設計了一種基于直流調速器和可編程控制器的全數字電磁鐵整流控制方式，利用軟件編程代替物理接點，各種控制參數數字輸入，并且可以改寫和鎖存，不受外界影響。內部智能控制模塊可以實現多級自動勵磁和消磁以及參數自動尋優功能，可以保證系統工作在最佳狀態。 1. 電磁鐵工作原理 電磁鐵是利用通電線圈產生電磁力以吸引負載。在本質上是一個直流大電感，但是由于本身和環境影響復雜，在其控制過程中存在大純滯后和非線性。當電磁鐵制造完成后，它的吊重僅與輸入磁勢IW和等值工作氣隙有關。而W是線圈的匝數，是個常數，因此當假設電磁鐵的參數是不變的常數的時候，吊重是輸入電流的線性函數。 2.2 磁滯性 當鐵心線圈通有交變電流時，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一次時，磁感應強度B隨著磁場強度H而變化的關系如圖2-2，由圖可見，當H減到零值時，B還沒有回到零值。這種磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁性物質的磁滯性。 當線圈中電流減到零值時（H=0），鐵心在磁化時所得的磁性還沒有完全消失，這時鐵心中所保留的磁感應強度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磁電流的方向，也就是改變磁場強度H的方向進行反向磁化。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 電磁鐵線圈電流動態特性 電磁特性中，磁滯回線是靜態電流與電磁力的函數曲線，在起吊和卸載過程中，電流經常在動態中完成控制，在線圈工作溫度和環境因素不變的情況下，電磁鐵的電阻和電感可以看作常數。當電磁鐵接通電源時，電流的動態方程為： 三. 磁力吊電磁鐵動態控制的三個階段 1．第一階段——強勵電流動態控制 強勵動態控制是在短的時間內和允許的最高電壓下，達到磁路的過飽和，以吊起負載，強勵控制第一階段主要是電磁鐵最高允許勵磁電壓的選擇。根據公式1-3，高的勵磁電壓可以減少強勵到磁飽和的時間。影響強勵時間除勵磁電壓外，還有時間常數，它與電感量成正比，和電阻成反比。電磁鐵在不同的環境和溫度下，電感和電阻都不一樣，所以不能用固定的時間原則和電流原則控制磁飽和。 2. 第二階段——維持電流動態控制 強勵電流建立磁飽和后，要降到維持吊重電流，在此過程中，電流變化較大，電磁鐵的磁感應電壓也較大，所以必須控制電流的下降速度以避免產生的感應電勢破壞絕緣。并且超調電流還不能小于吊重電流，保證動態控制不減少吊重。 3. 第三階段——退磁動態控制 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，為卸載動態控制階段。因為電磁鐵鐵心有剩磁的存在，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. 磁力吊的智能優化控制系統 在分析電磁鐵的動態控制三個階段后，可以根據電磁鐵的電磁特性和電氣特性對其進行智能優化控制。在強勵階段，需要根據負載的大小輸入合適的勵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，該階段的優化控制目標就是以比較經濟的勵磁電壓快速的建立飽和磁場。在維持階段，優化控制的目標就是將強勵電流降到維持電流，以減少電能的損耗。在消磁階段，優化控制的目標是在切斷維持電流后，快速的加入矯頑電流，以盡可能短的時間消磁。根據各個階段不同的優化控制目標，可以設計不同的優化控制方法。 1．系統的組成 英國CT公司生產的Mentor || 直流驅動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角來控制電流的大小。其內部含有斜坡函數，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。根據電磁鐵的參數和設定的控制目標，可以計算出電流控制的各個控制參數。將這些參數輸入到Mentor || 直流驅動器中，便能對電磁鐵的三個控制階段進行優化控制。 2. 強勵優化控制原理。 根據該階段的優化控制目標，計算出控制器的各個參數。其控制原理如圖6。利用斜坡函數的功能，可以很好的對電流的上升曲線進行控制，控制器內部含有智能PID 控制模塊，對于電磁鐵隨內外環境所產生的電流變化，可以通過PID 控制功能進行電流的優化控制。 3.維持吊重優化控制原理 長時間的強勵電流會使電磁鐵繞組過熱，可能燒壞繞組。另外也增加了電能的損耗。根據負載的大小和電磁鐵吸力公式，可以計算出維持吊重理論電流的大小，在此基礎上乘以一個保險系數，得到實際電流大小。 4.退磁優化控制原理 一般的退磁方法是在電磁鐵電流為零時輸入反向電流。電磁鐵在斷電瞬間，內部繞組相當于一個大電感，傳統的直流接觸器開關動作慢，因而產生相當大的自感電勢，其值可達上千伏，因無退磁回路，所以在觸點處便形成電弧放電，燒壞設備。 Mentor || 直流驅動器是一個可控硅全控橋電流控制器。通過控制可控硅的觸發角，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角，在電磁鐵兩端加反向電流。這個過程非常短，能夠到達毫秒級。因而能夠將電磁鐵儲存的能量一部分克服矯頑磁力，一部分反饋到電網而不產生破壞作用。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算得出。在電磁鐵吸力小于吊重時，就可以斷電。其原理如下： 五. 系統優越性 通過比較分析知道，該控制系統比傳統的控制方式具有很大的優勢。 1. 通過對電流的智能控制，節約了電能，全控橋的設計，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，實現無觸點設計，減少了物理損耗； 3. 控制精度高，可以實現恒電流控制； 4. 安裝簡單，可靠性、安全性高。故障率低，備件更換簡單。 六. 結束語 磁力吊電磁鐵在現代機械、冶金、礦山等行業應用廣泛，但產生的費用很高。利用該智能優化控制系統可以明顯的減少生產中的電能損耗以及降低設備的故障率，同時節約電磁鐵的維護和購置費用。該系統已在湘鋼、舞鋼等鋼鐵公司投產運行，顯著地提高企業的生產力，具有良好的推廣價值。 參考文獻 [1] 龐世浩. 散料起重電磁鐵的優化控制原理 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，武漢科技大學信息科學與工程學院在讀研究生，研究方向為新型工業控制。 劉惠康：男，1963年出生，湖南漣源人，武漢科技大學信息科學與工程學院教授，主要從事工廠供電與電機傳動方面的工作。 通訊地址：武漢科技大學54#信箱，430081，李保軍收，聯系電話：027-86566194