蔡海林(馬鞍山鋼鐵股份有限公司原燃料采購(gòu)中心,安徽馬鞍山243003)

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基于面裝式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍位置控制

蔡海林
(馬鞍山鋼鐵股份有限公司原燃料采購(gòu)中心,安徽馬鞍山243003)

【摘要】在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的一個(gè)重要工藝是吹氧，傳統(tǒng)的氧槍傳動(dòng)裝置采用直流調(diào)速控制系統(tǒng)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)以其優(yōu)越的控制性能逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。主要研究了基于面裝式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍位置控制系統(tǒng)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)面裝式永磁同步電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了氧槍位置的精確控制，提高了系統(tǒng)效率。

【關(guān)鍵詞】面裝式永磁同步電機(jī)；轉(zhuǎn)爐煉鋼；氧槍位置控制

1　引言

對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)化系統(tǒng)而言，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)也是整個(gè)系統(tǒng)的核心，擁有一套穩(wěn)定可靠、安全高效的傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐煉鋼成功的有力保障[1]。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼中的氧槍和傾動(dòng)裝置則采用直流調(diào)速系統(tǒng)，然而直流電機(jī)的制造和維護(hù)成本高，且可靠性較差[2]。隨著電力電子技術(shù)和設(shè)備、數(shù)字芯片以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速漸漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)[3]，采用矢量控制技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的控制性能，且整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)成本低，效率高。

近年來(lái)，隨著永磁體材料的開(kāi)發(fā)，永磁同步電機(jī)以其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高效率的特點(diǎn)成為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此本文主要研究將面裝式永磁同步電機(jī)應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼中氧槍的位置控制系統(tǒng)。

一般的，在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中保持氧槍在熔池面以上的預(yù)定高度，因此則需要控制氧槍的位置。本文采用基于面裝式永磁同步電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，其位置控制系統(tǒng)包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)[4]，本文通過(guò)設(shè)計(jì)SMPMSM的三環(huán)控制器，提出了基于SMPMSM的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍位置控制方法。最后，利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)SMPMSM傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了提出的傳動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)⒀鯓尶刂圃陬A(yù)定位置，從而實(shí)現(xiàn)了精確位置控制。

2　面裝式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，SMPMSM的電壓方程可以表示為：

其中，Vd、Vq和id、iq分別表示d-q坐標(biāo)系下的電機(jī)電壓和電流，棕e表示電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度，Rs是電機(jī)定子電阻，Ls是電機(jī)同步電感，追f是永磁體磁鏈。

同樣的，SMPMSM的轉(zhuǎn)矩方程表示為：

其中，np是電機(jī)極對(duì)數(shù)。由SMPMSM轉(zhuǎn)矩方程可以看出，通過(guò)控制d-q坐標(biāo)系下的電機(jī)q軸電流iq就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

SMPMSM的運(yùn)動(dòng)方程為：

SMPMSM位置可以表示為：

由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，再根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征，可以相應(yīng)地表示出氧槍在垂直方向上的具體位置，從而控制氧槍的升降。

3　基于SMPMSM的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍位置控制

3.1SMPMSM矢量控制原理

對(duì)于交流電機(jī)的控制方式，大多采用矢量控制，其基本原理是：利用坐標(biāo)變換原理，將三相交流電機(jī)等效到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，因此電機(jī)的定子電流分解為直軸電流分量id和交軸電流分量iq，通過(guò)控制電機(jī)的交軸電流分量達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換公式為：

其中，ia、ib、ic分別為電機(jī)定子三相電流，茲e是電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度。

對(duì)于面裝式永磁同步電機(jī)，如公式(2)所示，其轉(zhuǎn)矩只與交軸電流分量iq有關(guān)，因此，通過(guò)控制直軸電流分量id=0，從而控制交軸電流分量iq就能控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

3.2SMPMSM位置、速度、電流三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的SMPMSM控制系統(tǒng)選取位置、速度、電流三閉環(huán)的控制方案。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，采用d、q軸雙PI調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)，由指令電流與反饋電流的誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出電壓指令，當(dāng)誤差增大時(shí)，通過(guò)增大電壓指令調(diào)節(jié)電機(jī)電流，從而縮小誤差，這種通過(guò)誤差的閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)可以控制電機(jī)的實(shí)際電流準(zhǔn)確跟蹤指令電流。

上一節(jié)已經(jīng)說(shuō)明，根據(jù)矢量控制原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩只與q軸電流分量有關(guān)，因此控制電機(jī)d軸電流分量id=0，通過(guò)調(diào)節(jié)就能調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，所以設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)通過(guò)速度環(huán)產(chǎn)生相應(yīng)的q軸電流指令，然后利用電流PI調(diào)節(jié)器控制電機(jī)電流，從而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。外環(huán)為位置環(huán)和速度環(huán)，均采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)，位置環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出速度給定值，同時(shí)限制最大速度；速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出q軸電流指令值，同時(shí)限制最大電流。整個(gè)位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電機(jī)由直流電源通過(guò)三相電壓型逆變器供電。整個(gè)矢量控制算法通過(guò)電流傳感器檢測(cè)電機(jī)三相電流，再由坐標(biāo)變換生成d、q軸電流，利用PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生d、q軸參考電壓，再由空間矢量脈寬調(diào)制算法生成逆變器三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)逆變器生成三相交流電壓供電機(jī)運(yùn)行。

4　系統(tǒng)仿真

傳動(dòng)系統(tǒng)采用額定功率為18 kW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min的SMPMSM，電機(jī)參數(shù)如下：

極對(duì)數(shù)：4

同步電感(Ls)：0.239 mH

永磁體磁鏈(追f)：0.065 Wb。

利用MATLABSimulink仿真軟件對(duì)提出的SMPMSM傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。其中，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，d、q軸電流PI控制器參數(shù)為：Kpd=Kpq=0.6、Kid=Kiq=32.67。

SMPMSM位置控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2，SMPMSM采用矢量控制方式，控制電機(jī)直軸電流id=0，而電機(jī)交軸電流指令通過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器獲得，速度給定值則通過(guò)位置PI調(diào)節(jié)器獲得。SMPMSM位置響應(yīng)波形如圖3所示。

由三環(huán)控制系統(tǒng)，電機(jī)位置迅速轉(zhuǎn)到預(yù)定位置處，調(diào)節(jié)時(shí)間約為1.2 s。而SMPMSM速度與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖4所示。

圖1　SMPMSM位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　傳動(dòng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖3　SMPMSM位置響應(yīng)波形

圖4　SMPMSM速度與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形

5　總結(jié)

轉(zhuǎn)爐煉鋼作為目前最主要的煉鋼方法，其高效精確的傳動(dòng)裝置是煉鋼成功的關(guān)鍵因素之一，本文結(jié)合現(xiàn)代交流傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，提出了基于面裝式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍位置控制方式。利用面裝式永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，通過(guò)矢量控制結(jié)構(gòu)來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)架構(gòu)了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了基于面裝式永磁同步電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)確地將電機(jī)控制到指令位置，能夠?qū)崿F(xiàn)氧槍的精確位置控制，提高系統(tǒng)的效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許文派.轉(zhuǎn)爐煉鋼學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988.

[2]湯蘊(yùn)繆.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4]秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1995.

Converter Oxygen Lance Position Control Based on Surface -Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor

Cai Hailin
(The Raw Materials and Fuels Purchase Center of Maanshan Iron & Steel Co. Ltd., Maanshan, Anhui 243003, China)

[Abstract]Oxygen blowing is an important process in converter steel smelting. Tradition-al oxygen lance drive device adopts DC speed adjusting control system, but with rapid devel-opment of electronic technology for electricity power system, AC lance drive system with its excellent control performance has gradually replaced DC speed adjusting system. The oxygen lance position control system for converter based on surface-mounted permanent magnet syn-chronous motor is studied. In the entire control system, precision control of the lance position is achieved by control of the surface-mounted permanent magnet synchronous motor, which improves the efficiency of the system.

[Keywords]surface-mounted permanent magnet synchronous motor; converter smelting; oxygen lance position control

作者簡(jiǎn)介：蔡海林（1980-），男，2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，電氣工程師，現(xiàn)從事遠(yuǎn)洋物流管理工作。

收稿日期：2015-06-16

【中圖分類號(hào)】TM3

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）10-0068-04