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一、概述
目前我國(guó)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(shì)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(shì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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?gòu)?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(shì)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(chǎng)，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(chǎng)。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(guó)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(zhǎng)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(shì)，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(shì)。
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(shì)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(jiǎn)單，可靠性、安全性高。故障率低，備件更換簡(jiǎn)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(gòu)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 | 
