广西民族大学学报（自然科学版） 第１４卷第３期 ２００８年８月 ＪｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵＡＮＧＸＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＦＯＲ ＮＡＴＩＯＮＡＬＩＴＩＥＳ ＶＯ１．１４ Ｎ仉３ Ａｕｇ．２００８ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＭＭ４ ４ ０变频器ＳＬＶＣ矢量控制 在冶炼电极提升中的应用 邓小芳 （桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 ５４１００４） 摘 要：在卷扬方式的悬挂提升（如起重机的提升应用）中使用变频器时，都要求使用带光电编码器的矢 量控制方式从而获得更大的起升转矩和快速的响应时间，但由于冶炼电极提升的环境温度高， 不能安装光电编码器；使用西门子ＭＩＣＯＲＭ［ＡＳＴＥＲ４４０变频器的无传感器矢量控制方式 （ＳＬＶＣ）可以很好的解决这一难题．通过优化变频器参数取得了良好的试验效果和生产成效，具 有良好的现实意义． 关键词：ＳＬＶＣ矢量控制；变频器；无传感器 中图分类号：ＴＦ３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—８４６２（２００８）０３—００７１－－０４ 电极升降的传动方式主要有三种：卷扬、齿轮齿 条和液压方式．卷扬方式不同于后两种，不用安装电 极配重，上升时依靠电机旋转带动卷扬来带动电极提 升，下降时电机则工作在制动状态，将电机制动力矩 减小，电极系统的自重克服制动力下降．当制动力与 自重达到平衡时，电极处于静止状态．在冶炼时三相 电极下降，当有至少两相电极接触液面时，碳电极通 停状态．电极升降系统在改造之前是使用电磁离合调 速电机（也称滑差电机）来提升电极，利用带速度环和 电流环的模拟电路板控制调节电枢电流从而控制提 升力来升降电极和调节电流的目的．该系统先由德国 ＥＬＩＮ公司设计，每相电极主要由电阻，三极管和二 极管组成的１３块印刷电路板来完成．其最大的特点 是稳定，工作可靠，但是核心调节部分没有电路图，维 过熔融液体构成导电回路而产生电流，电极插人的深 度越深则产生的电流越大，当到达设定电流时，电极 不再往下．当偶然因素引起电流波动时，调节系统自 修不易．如今在保持原电路板接口完全不变的情况 下，重新设计电路逻辑，利用ＣＤ４０４６芯片构成锁相 环电路来调节电枢电流使该套电路板既可以单独使 用也可以和以前的电路板混合使用，将以前主要由二 动调节电极的位置从而使电流基本保持稳定．使用目 前最成熟的系统总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ构建一个自 动化电极控制系统，具有配线简洁，性能可靠的优点． 极管、三极管等元件组成的电路改成了主要由小规模 集成电路组成，部分超过了原来的性能．但随着现代 工业控制技术的飞速发展，以前的模拟电路控制因为 调节相对不便且没有监控画面，无法用数据库来管理 而显得落后，特别是电磁调速电机由于结构相对复 １ 电极控制系统的构成 在冶炼的大部分时间里，电极处于几乎静止的悬 ＊收稿日期：２００８－５—０７． 作者简介：邓小芳（１９７６一），女，广西桂林人，桂林电子科技大学信息与通信学院讲师，硕士，研究方向：无线通信，网络优化 和自动控制等方面． ７１ 广西民族大学学报（自然科学版） ２００８年８月 第１４卷 杂，故障频率较高，且维护维修较为困难．在这种情形 下我们决定采用“上位监控机＋ＰＬＣ＋变频器”的形 式来改造现有的电极升降控制系统． 在这里我们采用的电极控制系统主要由电极提 升控制系统，喷吹升降旋转控制系统和平车移动位置 指示系统组成，本文主要介绍电极升降系统． 电极控制系统在ＳＴＥＰ７中的组态画面如图１． 图１组态画面 整个自动化系统的网络拓扑图如图２． 总媛 图２系统组成 为了可靠，还应具备完善的手动控制和指针式指 示仪表，保证在计算机系统故障时能够正常使用． ２变频器的参数设置 变频器的提升应用是一种比较复杂的应用．ＡＢＢ 的ＡＳＣ８００就专门为提升应用开发了一套宏参数，但 该宏却不是标配，需要用户另外购买．其他品牌的变 频器也有相应的设置如安川的变频器，西门子的高端 变频器如６ＳＥ系列在起重机提升方面也有成功的应 用，但是４４０变频器在这方面的应用却不多，也没有 系统的介绍．通过几个月的实际摸索，多方查阅资料 和西门子技术热线的支持总结出一套较为完整的参 数设置方法． ２．１主控制方式的设置 控制方式Ｐ１３００：ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４４０的最大 进步就是采用了矢量控制，并且还有一项无传感器的 矢量控制方式（ＳＬＶＣ方式设置值为２０），设置值为 ７２ ２２时为无传感器的转矩控制．用矢量控制在低频时 产生的电流虽然并不比Ｖ／Ｆ控制时大，但可以准确 的控制矢量角度，产生的有效力矩也很大．在带编码 器方式时可以产生２００ 的初始力矩，无编码器方式 则更多地依靠用户设置．通过算法测量电机的转速， 特性没有带编码器的方便，但以前在液压混料机的旋 转控制中也使用了这种方式，故选择此模式．通过试 验验证可以满足矢量控制需要． ２．２最低频率的设置 Ｐ１０８０最小频率：通过试验，发现在０ ＨＺ时，即 便是矢量控制，一样不能保证足够的转矩能使电极稳 定在绝对的零速度，而且在０ ＨＺ时输出较大的电流 很可能损坏ＩＧＢＴ；通过试验调整，最后设置到０．７ ＨＺ，这时变频器输出的励磁电流分量可以产生较大 的制动力，电极不会失速下落，同时电极的一次电流 比较平稳，且避开了绝对的零频． ２．３ 制动电阻的设置 将制动电阻正确连接后，还需设置才能发挥其作 用．在这里电机在下降和悬挂都工作在制动状态，故 正确地设置其参数特别重要． Ｐ１２３７：只有正确设置该值，动力制动才能生效． 根据制动时间的长短和制动负荷的大小可以尝试着 增加其数值，其中可能的设定值： ０：禁止动力制动； １：工作／停止的比率为５％； ２：工作／停止的比率为１０ ； ３：工作／停止的比率为２０ ； ４：工作／停止的比率为５Ｏ ； ５：工作／停止的比率为１００％ 根据使用情况，我们将Ｐ１２３７设置到３． Ｐ１２４０：该参数对应使能／禁止直流电压（Ｖｗ）控 制器，直流电压控制器对直流回路的电压进行动态控 制，避免大惯量负载系统制动时因过压而跳闸．使能 直流控制器的动态缓冲功能对于提升十分有用． ２．４功率相关参数的设置 如果采用矢量控制方式，一定要按实际的电机功 率和电流参数设置，最大不能超过一档；但试验后发 现在低频时变频器输出的电流基本与设置的功率电 流值成正比，即使电机堵转，电流一样不会升高，（反 而是线性控制还会随着负载的增加增大电流）．增加 频率达到５ ＨＺ的时候，电流就会随负载增加，超过５ ＨＺ以后再降低频率，电流照样随负荷增加，一直到 降到２ ＨＺ左右，电流又回复固定状态．后将这一现 ２００８年第３期 ●邓小芳／ＭＭ４４Ｏ变频器ＳＬＶＣ矢量控制在冶炼电极提升中的应用 象咨询西门子专家，便又牵涉到了另外一个重要参数 Ｐ１７５５． ２．５ 转矩闭环频率的设置 矢量变频器是通过测量多个电气量并通过复杂 的数学模型来解耦求出两个重要的参数砺磁分量和 转矩分量（即相当于直流电机的定子电流和转子电 流）并分别控制从而可以象直流电机一样有优异的调 速性能．但是无传感器的矢量控制方式也有其缺点， 就是在低频时由于测到的相关电气量非常小，其中的 有用分量也小，到一定程度有可能噪声分量超过有用 分量而使变频器无法建立有效的矢量模型．为此４４０ 变频器设置了一个参数Ｐ１７５５，当频率低至该频率 时，变频器不再依赖观测器模型所测得的参数来进行 闭环调节，而是根据电机的额定参数和测得的固定参 数计算一个固定值来开环控制，Ｐ１７５５的值不应低于 以下公式： （电机同步转速一电机输出转速）／（电机同步转 速／额定频率）×２ 将这里的参数计算结果如下： （１５００—１４５０）／（１５０Ｏ／５Ｏ）×２—３．３３（ＨＺ） 也就是说当频率低于３．３３ＨＺ时，闭环模型是基 本失效的．而系统的电极提升在大部分时间的应用都 是小于３．３３ ＨＺ，那怎样才能保证在低频状况下的稳 定呢？ 影响变频器低频性能的几个参数： 额定电流的设置：通过实验发现频率小于Ｐ１７５５ 的值时，当控制方式为２０（即无传感器矢量控制 ＳＬＶＣ），不管负载负荷怎么增加，变频器的输出电流 均保持不变，即使堵转亦如此，而这个电流就是电机 的磁化电流，磁化电流与额定电流的设置成正比，也 就是说只要简单的提高设定的电机额定电流就可以 增大在低频时的输出力矩．试验证明确实如此． Ｐ１６１０和Ｐ１６１１的设置：因为ＭＭ４变频器的说 明书上反复强调一定要准确地输入电机的名牌参数， 说名牌参数与设置参数超过一档将不能保证参数的 准确，从而影响矢量控制的精确性．提高电机的额定 参数，将导致变频器得到的电机模型不准确，从而导 致控制性能的恶化．为此发现了另外两个参数： Ｐ１６１０连续转矩提升（ＳＬＶＣ）；加速度转矩提升 （ＳＬＶＣ）．这两个参数区别于Ｖ／Ｆ控制的参数： Ｐ１３１Ｏ和Ｐ１３１１．从图３可以看到，在Ｐ１７５５定义频 率以下，当不设置Ｐ１６１０和Ｐ１６ｌ１时，变频器输出的 磁化电流将等于额定的磁化电流，而通过这两个参数 的设置可以在０频时显著地提高磁化电流，从而明显 改善低频开环悬挂或提升时的性能，而不必提升额定 电流．需要注意一点，ＩＧＢＴ在０频附近的特性不是 太好，不建议在０频时输入过高电流，故Ｐ１６１０不宜 过高． 图３ Ｐ１６１ｏ、Ｐ１６１１作用示意图 ２．５．１最大转矩的考虑 在调试和运行过程中，提升电极不止一次发生变 频器频率升不上去甚至电极掉下而变频器没有任何 故障信息的情况，通过提高变频器中电机的额定功率 而有所改善，很久都没找到具体原因．直到装了一个 ＳＴＡＲＴ４．０，通过监视运行中的参数才发现是因为最 大转矩的，变频器是通过额定功率算出变频器的 额定转矩，又根据额定转矩和过载倍数计算出最大转 矩值，即使使用速度控制方式，最大转矩的也是 一直有效的．当将额定功率设为４ ＫＷ时得到最大转 矩为３９．５ Ｎ．Ｍ，而设为５．５ Ｋｗ时，最大值增加到 ５４ Ｎ．Ｍ，从而增加最大输出转矩．在提升操作的观察 中发现，每次提升操作时，输出转矩都瞬间达到最大 值，待负载已经达到一定提升速度后才降下来，而当 机械出现卡阻或者因为某些原因导致负载阻力增大 时超过最大输出力矩时，变频器不能提升负载将导致 无法提升的故障（但这时候变频器并没有报任何故障 信号）．在实际冶炼过程中因为电极下到熔融的炉子 里面，此时提升所需的力矩因为液面的阻力和电弧的 拉力较大，以至某相电流增大，而调节器输出提升命 令时无法提升导致电流异常增大的故障．为此必须提 升最大转矩的值．与前面提升额定电流一样，通过提 高电机的额定功率Ｐ３０５，将增加变频器的额定转矩， 从而直接增加变频器的最大转矩Ｐ１５２０和Ｐ１５２１的 值．其计算公式如下： Ｐ１５２０（Ｐ１５２１）：４×Ｒ０３３３ Ｒｏ３３３一Ｐ０３０７（ＫＷ）×１０００／（２×ＰＩ×Ｐ０３１１ （Ｒ／ＭＩＮ）／６０） 由上面计算公式看出，提高电机的额定功率 ７３ 广西民族大学学报（自然科学版） ｒ ２００８年８月 第１４卷 Ｐ０３０７其输出最大转矩将成正比提高，也可以在变频 器计算完之后直接改写Ｐ１５２０和Ｐ１５２１的值，从而 不改变名牌的额定功率而提高其最大转矩． ２．５．２加减速时间的设置 在系统中，需要反应时间尽量短，但设置过短将 速的危险而停止变频器输出将制动器释放．由于没有 长的线路和转动部分，这样构建的超速保护也十分可 靠，与前面的直流测发构成双保险． ３ 结语 此系统经调试后现已正常运行．通过对系统变频 器进行优化，系统比以前更加稳定地运行，故障在零 频下的不稳定因素都得到了有效的控制，与传统的模 拟系统相比，具有控制精度高、可靠性强、故障率低、 便于维护等优点．在实际生产中取得了良好的效果， 具有较好的现实意义． 可能引起变频器过载，可将Ｐｌ１２０和Ｐ１１２１均设置 为３秒，经试用基本符合要求． ２．５．３其他相关参数的设置 Ｐ７００—６，Ｐ１０００—６，这项保证变频器的启停，频 率设置命令源是ＰＲＯＦＩＢＵＳ． 通过前面变频器参数的优化，系统工作情况很不 错，但是为防止电极失速下坠的事故，加上超速保护 是十分必要的．在改造前系统一直使用永磁直流测速 发电机，在恶劣环境下十分可靠，于是给电机安装了 ［参 考 文 献］ ［１］吴刚．ＰＬＣ在电炉电极自动升降控制中的应用［Ｊ］．系统工程与电 子技术，２００３，（１）：５６—５９． 北京勇光高科的直流测速发电机：７０ＣＹＤ．将其产生 的电压经过分压后输入变频器０—１０伏的Ａ／Ｄ再输 入ＰＬＣ，通过ＰＬＣ计算，当电压过高时马上停止变频 ［２］顾学群，任吉云．电弧炼钢妒电极升降智能控制系统［Ｊ］．南通工学 院学报，２００２，（３）；７７—８０． 器的输出并将制动器释放，经试用效果不错． 有关失速保护问题是当变频器输出正常时由于 ［３］刘居柱．电弧炼钢控制系统的可靠性措施［Ｊ］．钢铁技术，２００３， （６）：８７—９Ｏ． ［４］李春林．移动设备Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－－ＤＰ在ｓ７ ３００中的应用［Ｊ］．设备管理 与维修，２００７，（９）：５５—５８． 负载过重等原因失速下滑而变频器不会自动保护停 机．可以通过其可组态的逻辑速度差将超过定值时启 动保护．比如将Ｒｏ６４（频率误差）值与预设定值比较， 当该值大于预设定值时即认为频率失控，可能会有超 ［责任编辑［责任校对黄祖宾］ 黄招扬］ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ０ｆ ＭＭ４４Ｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ０ｆ ＳＬＶＣ ｉｎ Ｓｍｅｌｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｒｉｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｆａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｌｋｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ｌｉｆｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｍｏｄｅ ｉｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｎｃｏｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｗｅ ａｔｔｅｍｐｔ ｔｏ ｕｓｅ ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４４０ Ｓ ＳＬＶＣ ｍｏｄｅ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂ— ｌｅｍ ａｎｄ ｇｅｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＳＬＶＣ；Ｖｅｃｔｏｒ；Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ；Ｎｏ Ｅｃｏｄｅ ７４
