李曙陽， 陳勇彪， 孫大成

(1.湖南科美達電氣股份有限公司，湖南岳陽414000;2.中鋼設備有限公司，北京100080)

隨著鋼鐵連鑄技術的迅猛發(fā)展，特大方、圓坯的連鑄冶煉技術在鋼廠的使用越來越多，而相對應的電磁攪拌變頻電源功率也就越來越大，如何提供高質量、低成本、高可靠性的低頻大功率電源已成為電力電子技術的一個熱點，引起了國內外廣泛關注[1-6].湖南科美電氣股份有限公司成功利用大功率模塊并聯技術獲得攪拌器特大電流輸出1 600 A，并將該套變頻電源裝置應用在永通特鋼φ1200圓1機×1流連鑄機上，成為國內低頻變頻電源輸出最大電流生產廠家.

1 系統(tǒng)構成及原理

目前，國內鋼廠電磁攪拌器的使用已基本實現國產化，我公司研發(fā)的以工控機為控制核心的電磁攪拌器控制系統(tǒng)已占據國內大部分市場，并已出口到東南亞和非洲及南美一些國家，該產品主要由隔離變壓器、配電柜、整流逆變單元和工業(yè)控制計算機組成.系統(tǒng)由變壓器連接配電柜供電，并通過整流單元和預充電及功率補償裝置濾波整流后，將直流電源連接至逆變單元;由工業(yè)控制計算機進行數據處理后并將數據通過脈寬調制及驅動回路控制逆變單元的開通和關斷，并將逆變后的三相低頻交流電源連接至電磁攪拌器;同時通過電流PID閉環(huán)回路對電流進行精確控制[7-10].系統(tǒng)組成框圖見圖1.

2 計算機控制技術

電磁攪拌器計算機控制系統(tǒng)由中央工業(yè)控制計算機(簡稱中央IPC)和下位工業(yè)控制計算機(簡稱下位IPC)組成，中央IPC操作系統(tǒng)為win2000/XP系統(tǒng)，HDMI采用C++語言編程，主要有監(jiān)控和操作功能.下位IPC操作平臺為NINUX裁剪系統(tǒng)，內含軟PLC，數據采集和處理主要由下位機完成，同時具有操作和顯示功能.程序設計主要包含以下內容:Linux操作系統(tǒng)的驅動程序、軟PLC程序、SPWM變頻調制程序、電流的閉環(huán)PID控制程序、用戶界面設計程序、通信接口設計程序等.

2.1 主要技術參數

1)Linux系統(tǒng)裁剪.

2)軟PLC開發(fā)，符合IEC61131-3標準，PLC的掃描頻率:25ms，PL允許最大開關量輸入、輸出:各192點，PLC允許最大模擬量輸入、輸出:各128點.

3)頻率:0.1 ～25 Hz，誤差小于0.01 Hz.

4)電流:0～2 000 A，誤差小于2%.

5)PID智能調節(jié)，具有自學習功能，正反交替時間小于15 s，電流啟動到穩(wěn)定不超過10 ms.

6)SPWM脈寬調制，能控制SA866和DSP.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

7)流數:16流(每套工控機).

8)能與西門子PLC進行以太網、MPI和Profibus通訊.

2.2 軟PLC技術

由于不同硬PLC與工控機的兼容性較差，我們開發(fā)了軟PLC，利用軟件的形式實現了硬PLC的功能.軟 PLC硬件工作平臺為研祥工控機，型號為FSC-1814V2NA.操作平臺選用的是linux系統(tǒng)，基于linux內核模塊的Rtlinux是一個免費的、開放源代碼的實時操作系統(tǒng)，而我們采用的是對 DLAPMRTLinux加以改良的實時應用程序接口 RTAI.軟PLC體系架構見圖2.

2.2.1 軟PLC的硬件構成

研祥下位工控機一套、PIO-168(弘格)開關量數據采集卡一塊、PCL-813B(研華)模擬量數據采集卡一塊、DLink以太網網卡一塊.其中PIO-168板卡分別與輸入、輸出板相連，輸入板通過光電隔離，將外界環(huán)境的高壓、強干擾信號與工控機隔離，完成過程控制的開關量采集;輸出板通過繼電器隔離，完成過程控制的開關量輸出，輸入、輸出板都連接在I/O板上.

2.2.2 軟PLC模塊設計

本設計的軟PLC采用模塊化設計，每個模塊都專職一項功能，MATPLC是Linux下的軟PLC開發(fā)軟件，它是開放源代碼的，很容易對它進行內核定制，并嵌入到自己的程序中.其內核主要包含以下幾個部分:I/O模塊、邏輯模塊和用戶界面模塊等.MATPLC的工作原理和硬PLC相似，只是內核控制是由軟件來實現的.其內核結構如圖3所示.

2.2.3 與內置PLC有關的軟件界面

由于PLC部分直接關系到系統(tǒng)運行的安全，本系統(tǒng)對PLC進行修改和編譯相對容易，因此，在軟件上將對其授權于用戶維護人員.圖4是軟PLC的某一幅界面.

與“內置PLC”相對應的故障診斷系統(tǒng)能適時地將開關量故障顯示在下位機主界面上的信息提示欄中，方便用戶排除故障，保證生產.

3 并聯技術

要實現大功率模塊的并聯運行，其關鍵的問題在于各大功率模塊要共同分擔負載電流，并且要實現大功率模塊的均流運行.同時要考慮模塊的散熱和抗干擾問題.

圖2 軟PLC體系架構Fig.2 Software PLC architecture

圖3 軟PLC內核結構Fig.3 Software PLC kernel structure

3.1 大功率模塊并聯結構

為了滿足電流達到1 600 A，采用英國DYnex公司的DIM1600HSA120 IGBT模塊雙并聯，每個橋臂為4個模塊，上下橋臂各兩塊，共三組橋臂，12個模塊.模塊散熱采用最新的熱管散熱技術，每個橋臂共一個散熱器，共三組散熱器，每個散熱器功率能達到15 kW，在環(huán)境溫度低于30℃時，能保證模塊的溫升不會超過40℃.

采用Concept公司的315驅動器，驅動信號通過SCALE光接口即插即用型接收和發(fā)送，信號傳遞模式采用光纖，一旦驅動器檢測到短路時，內部的定時電容就開始計時，一段時間后就將驅動器關斷，通常我們稱之為響應時間;在響應時間結束時，驅動器會發(fā)出一個報錯信號脈沖反饋給主控系統(tǒng)，這個報錯信號會維持一個阻斷時間;在阻斷時間內，驅動器不再響應任何輸入信號;阻斷時間結束后，驅動器就自動復位了，之后再給它信號時，它將繼續(xù)執(zhí)行;2SP032V/s的阻斷時間為11 us，系統(tǒng)短路故障時能快速封鎖脈沖，保護模塊.同時通過光纖傳遞信號，系統(tǒng)抗干擾性也大大增強.

3.2 無電感接線技術

為了保證并聯模塊關斷時盡可能不產生尖峰電壓，我們主要從以下四個方面進行了技術改進:

1)采用了無電感接線技術，模塊及電容的連接都采用母排(正，負極板)疊成技術，正，負極板之間用0.2 mm諾米克紙絕緣，極大的縮小了正，負極板之間的距離，使系統(tǒng)的電感大大降低.

2)利用單模塊驅動技術，對并聯模塊驅動板參數進行優(yōu)化，特別是通過對模塊開通和關斷電壓的優(yōu)化組合，系統(tǒng)尖峰電壓已完全控制在安全范圍且成本低.

3)在模塊上增加了RCD緩沖吸收電路.

4)通過采用有源鉗位技術扼制過高的尖峰電壓.控制原理圖如圖5.

圖4 PLC運行狀態(tài)的界面Fig.4 Operating status interface to PLC

圖5 動態(tài)有源鉗位原理圖Fig.5 Dynamic active clamp schematic

通過以上四方面的技術改進，成功解決了模塊并聯時因系統(tǒng)尖峰電壓過高炸模塊的問題.圖6和7為技術改進前后用示波器實測模塊關斷尖峰電壓波形的對比.

實驗證明，技術改進前，由圖6可知，模塊關斷時尖峰電壓為1 020 V，技術改進后后，由圖7可知，模塊關斷時尖峰電壓為820 V，IGBT關斷時產生的尖峰電壓被有效地抑制，保證了IGBT在極端情況都能運行在安全運行區(qū)域(SOA)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性.

3.3 電流疊加技術

由于采用兩個大功率模塊并聯結構，這就要求并聯工作的每個模塊能夠共同平均分擔負載電流，既均分負載電流.電壓型霍爾傳感器無論在穩(wěn)定性和抗干擾性方面都沒有電流型霍爾傳感器好，我們在每個模塊的輸出側安裝了一個電流型霍爾傳感器，對每個模塊的輸出電流進行檢測并將疊加數據傳給計算機，調整各模塊的輸出電壓從而實現并聯模塊的均流運行，模塊的開通和關斷信號采用同一個信號，并且使信號傳輸距離盡可能短，傳輸信號采用光纖傳遞.硬件結構也做了重大改進，使其盡可能對稱，保證每個模塊上流過的電流相等.

圖6 普通模式下IGBT關斷時的尖峰電壓波形Fig.6 IGBT turn-off peak voltage waveforms in Normal mode

圖7 技術改進后的IGBT關斷時的尖峰電壓波形Fig.7 IGBT turn-off peak voltage waveformsafter technology Improved

4 結束語

大功率IGBT模塊并聯技術是單模塊技術的延伸，加大了電流的輸出范圍，成本低，技術可靠.目前國產電磁攪拌變頻電源單模塊結構方式電流最大能在800 A穩(wěn)定運行，電流超過800 A時，一般都采用進口變頻器，成本大大增加，通過大功率模塊并聯技術改進，簡化了熱設計，降低了成本，我公司的變頻電源運行電流能達到1 600 A，該套裝置已成功運用在永通特鋼電攪設備上，很好地解決了國內大電流低頻電源的需求.

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