譚翼清,蘇 港,申艷聰,李 徽

(1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414000;2.湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

0 引言

鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石.在高品質(zhì)特殊鋼加工冶煉行業(yè),連鑄電磁攪拌技術(shù)以其不接觸性、易控制性、調(diào)控范圍寬等特點(diǎn)成為了提高連鑄鑄坯鋼材品質(zhì)和成品率的最有效技術(shù),并在國(guó)內(nèi)外金屬冶金連鑄生產(chǎn)線中得到推廣應(yīng)用[1].

電磁攪拌技術(shù)對(duì)于改善鑄坯質(zhì)量有很重要的作用.低頻專用逆變電源作為連鑄電磁攪拌的關(guān)鍵裝備,其電流波形質(zhì)量和響應(yīng)速度等性能直接影響連鑄鋼坯的質(zhì)量和品質(zhì).目前應(yīng)用于電磁攪拌器的變頻電源主要采用國(guó)外品牌的高性能專用變頻器,均能滿足繞組對(duì)稱的電磁攪拌器三相低頻大電流的輸出要求[2].然而,由于國(guó)內(nèi)電磁攪拌器種類的多樣化以及生產(chǎn)工藝的局限性(如輥式電磁攪拌器就有三相繞組和兩相繞組,工藝和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了繞組阻抗不對(duì)稱),常規(guī)的電磁攪拌變頻電源系統(tǒng)難以完全適應(yīng)控制對(duì)象要求,無(wú)法輸出三相120°對(duì)稱平衡的電流或兩相90°對(duì)稱平衡電流.

新型專用變頻電源是專門針對(duì)冶金行業(yè)中的電磁攪拌器可能出現(xiàn)的繞組各種特殊情況定制研發(fā)的,可滿足電磁攪拌器在兩相/三相、對(duì)稱/不對(duì)稱繞組情況下,輸出平衡電流,保證特殊電磁攪拌器獲得最大攪拌力及攪拌磁場(chǎng)的對(duì)稱性,從而使液態(tài)金屬獲得最佳的攪拌效果.

1 電磁攪拌系統(tǒng)的主要構(gòu)成以及對(duì)變頻電源的要求

當(dāng)今主流的電磁攪拌系統(tǒng)主要由配電柜、變頻電源、電磁攪拌器以及冷卻水系統(tǒng)四部分組成[3].其工作原理是配電柜通過PLC 控制器與新型變頻電源進(jìn)行Profibus 通信或端子控制,按照不同攪拌工藝的要求向變頻電源發(fā)送相應(yīng)的控制指令和參數(shù)(電流、頻率、攪拌方式等),同時(shí)從變頻電源讀取各種狀態(tài)及測(cè)量反饋值(電流大小、攪拌速度大小等);此外,配電柜還需向冷卻水系統(tǒng)發(fā)出控制指令(啟動(dòng)、停止等),并讀取攪拌器的冷卻狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁攪拌器的冷卻.當(dāng)各種條件滿足后變頻電源系統(tǒng)接收到PLC 控制命令,根據(jù)所給定的頻率和電流指令輸出相應(yīng)頻率和電流至電磁攪拌器的繞組上,并根據(jù)電磁攪拌器種類的不同產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或行波磁場(chǎng),最終實(shí)現(xiàn)利用產(chǎn)生的電磁力對(duì)電磁攪拌器內(nèi)的金屬溶液進(jìn)行可控?cái)嚢?達(dá)到所需冶金效果.

電磁攪拌系統(tǒng)要求變頻電源能輸出三相/兩相對(duì)稱電流,同時(shí)電流、頻率幅值獨(dú)立可調(diào),互不干擾;長(zhǎng)時(shí)間低頻大電流輸出(頻率一般在0.3 Hz～16 Hz 之間)電流有效值根據(jù)攪拌器功率需求一般在100 A～1600 A之間;攪拌器線圈發(fā)生對(duì)地短路以及相間短路時(shí)能及時(shí)提供保護(hù).

為保證電磁力的最大輸出、減少損耗、提升系統(tǒng)效率,針對(duì)三相不對(duì)稱繞組變頻電源必須輸出互差120°均衡電流,針對(duì)兩相不對(duì)稱繞組必須輸出兩相互差90°的均衡電流.

2 系統(tǒng)方案與使用效果

2.1 系統(tǒng)方案

新型專用變頻電源是基于高性能矢量變頻器平臺(tái)開發(fā)的專門應(yīng)用于電磁攪拌變頻電源的裝置,采用美國(guó)TI 公司最新一代DSP 電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320F28232)作為核心控制芯片,主頻可達(dá)150 MHz;采用德國(guó)Infineon 公司第四代IGBT 模塊,結(jié)合其175 °C 最高結(jié)溫的特性,運(yùn)用創(chuàng)新型空間矢量和PWM 調(diào)制方式,進(jìn)一步降低開關(guān)損耗,使得變頻器即使在50 °C 環(huán)境溫度下,也無(wú)需降額使用,完全滿足了電磁攪拌器低頻大電流輸出的要求[4].

新型專用變頻電源主要基于對(duì)稱分量法(特殊電流均衡控制策略):根據(jù)對(duì)稱分量法,任何三線制系統(tǒng)(三相、兩相三線)均可以分解成完全對(duì)稱的正序三相系統(tǒng)和負(fù)序三相系統(tǒng).如果電磁攪拌器線圈是對(duì)稱的三相系統(tǒng),那么其負(fù)序分量為0,只有正序分量,因此,若要控制其不平衡三相負(fù)載,就要先將其分解成正序分量和負(fù)序分量,并通過兩個(gè)控制器,分別對(duì)正、負(fù)序分量進(jìn)行控制,將負(fù)序分量控制為0,就能實(shí)現(xiàn)三相不平衡抑制.如果攪拌器線圈是兩相,可把兩相攪拌器當(dāng)成一種特殊的三相負(fù)載(即三相相位差不為120°,且幅值不相等的三相負(fù)載).這樣分解出來(lái)的正序分量和負(fù)序分量均不為0,那么要對(duì)其進(jìn)行控制時(shí),同樣可對(duì)其進(jìn)行對(duì)稱分量法分解,分解成正序和負(fù)序分量.此時(shí)負(fù)序分量不可控制為0,需要根據(jù)模型計(jì)算出一個(gè)能保證兩相相差90° 且幅值相等的負(fù)序電流給定值.再分別對(duì)正、負(fù)序分量進(jìn)行控制,就能實(shí)現(xiàn)兩相不平衡抑制.

圖1 兩相電磁攪拌器接線示意圖

圖2 三相電磁攪拌器接線示意圖

新型專用變頻電源采用了特殊電流均衡控制策略(在主控板中已經(jīng)把程序設(shè)計(jì)好,通過參數(shù)設(shè)置來(lái)選擇如F5-00),可根據(jù)不同的電磁攪拌器類型以及不管繞組對(duì)稱與否均能輸出平衡的電流(注:針對(duì)兩相電磁攪拌器輸出兩相平衡互差90°的電流,針對(duì)三相電磁攪拌器輸出三相平衡互差120°的電流),完全滿足了電磁攪拌系統(tǒng)對(duì)變頻電源的要求.圖1、2分別為兩相電磁攪拌器、三相電磁攪拌器的主電路接線示意圖.圖中電磁攪拌電源為新型變頻電源.RST 輸入接入三相電網(wǎng),U、V、W 輸出側(cè)接至兩相/三相攪拌器.主電路接法較為簡(jiǎn)單,而控制板端子接線則可根據(jù)用戶需求靈活接配;此外,還可根據(jù)需求選配ProfiBUS-DP 板卡,實(shí)現(xiàn)通訊控制.用戶根據(jù)所配置的情況,可分別通過面板、端子或通信方式實(shí)現(xiàn)頻率、電流指令的給定以及變頻電源的啟?？刂?

2.2 使用效果

電磁攪拌器的機(jī)型較多,下面主要介紹三相負(fù)載不平衡的外置式電磁攪拌器與兩相負(fù)載不平衡的輥式板坯電磁攪拌器在額定運(yùn)行(額定電流400 A 輸出,運(yùn)行頻率一般在0.3 Hz～16 Hz 之間)時(shí)的使用效果,以及輸出短路保護(hù)的電流波形.

2.2.1 三相不對(duì)稱電磁攪拌器

當(dāng)控制對(duì)象為三相電磁攪拌器時(shí),運(yùn)行方式設(shè)定為三相電流控制方式(F5?00=1),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)異形電磁攪拌器三相電流均衡控制.所控制的電磁攪拌器為矩形外置式電磁攪拌器,由于生產(chǎn)工藝上的缺陷,三相繞組存在著嚴(yán)重的不平衡[5].在不采用任何抑制措施時(shí),即采用通用的VF 分離控制方式時(shí),三相輸出電流存在著嚴(yán)重的不平衡(圖3),電流不對(duì)稱度大于40%,三相電流相位差也不為120°.而采用不平衡抑制控制策略后(圖4),三相電流不對(duì)稱度得到了抑制,不對(duì)稱度小于4%,同時(shí)三相電流相位差為標(biāo)準(zhǔn)的120°,電流控制穩(wěn)態(tài)精度小于2%,頻率誤差小于0.05 Hz.

圖3 F5-00=0 采用VF 分離控制方式

圖4 F5-00=1 采用三相電流閉環(huán)控制方式

2.2.2 兩相不對(duì)稱電磁攪拌器

輥式電磁攪拌器采用了兩相繞組方式,兩相繞組中點(diǎn)即中間相接至變頻器中間相.由于生產(chǎn)工藝水平的局限性,很難實(shí)現(xiàn)兩相繞組平衡,從而造成了兩相電流的嚴(yán)重不對(duì)稱.然而,為了保證電磁攪拌力的均衡,不僅需保持兩相電流均衡,還要保證兩相電流相位差互差90°[6].

采用兩相電流閉環(huán)控制策略,不僅保證了兩相電流角度互差90°,而且所采用的不平衡控制策略能實(shí)現(xiàn)兩相電流的均衡(不平衡度抑制在4%以內(nèi)).圖5(a)為未采用不平衡控制策略時(shí)的L、F 兩相電流輸出波形,此時(shí)設(shè)定電流為355 A,運(yùn)行頻率為6.00 Hz,然而從波形可看出,兩相電流不僅幅值不相等,相位相差也非90°電角度.圖5(b)為采用兩相平衡控制策略的L 相與F 相的輸出電流相位差波形圖,由圖可知,輸出兩相電流的相位差為91°,基本滿足了兩相互差90°電角度的要求.同時(shí),兩相電流不對(duì)稱度小于4%,電流控制穩(wěn)態(tài)精度小于2%,頻率誤差小于0.05 Hz.

設(shè)定電流400 A,頻率2 Hz,在沒有使用均衡控制策略運(yùn)行條件下,兩相電流不平衡度相差16.75%,如圖6所示.在使用均衡控制策略運(yùn)行條件下,兩相電流不平衡度相差4.75%,如圖7所示.

圖5 兩相輥式板坯電磁攪拌器電流波

圖6 無(wú)平衡控制策略功能電流矢量圖(I1與I2不平衡)

圖7 有平衡控制策略功能電流矢量圖(I1和I2接近平衡)

2.3 保護(hù)功能

圖8為電磁攪拌器在輸出額定電流情況下,突然發(fā)生輸出對(duì)地短路時(shí),變頻器對(duì)地短路保護(hù)的電流波形.可以看出,在發(fā)生對(duì)地短路時(shí),變頻器能迅速實(shí)現(xiàn)封波,輸出電流立刻減小至零,從而避免了對(duì)地短路時(shí)燒壞變頻器.

圖9為攪拌器在輸出額定電流情況下,突然發(fā)生輸出相間短路時(shí)變頻器的電流波形.可以看出,在發(fā)生相間短路時(shí),變頻器能迅速實(shí)現(xiàn)封波,輸出電流立刻減小至零,從而避免了相間短路時(shí)燒壞變頻器.

圖8 輸出對(duì)地短路保護(hù)電流波形

圖9 輸出相間短路保護(hù)電流波形

2.4 冶金效果

某鋼廠采用新型專用變頻電源用于兩相板坯輥式電磁攪拌器,在減少中心縮孔、消除碳偏析、等軸晶方面作用非常明顯,見表1.

表1 冶金效果對(duì)比表

3 結(jié)束語(yǔ)

新型電磁攪拌專用變頻電源采用電流均衡策略,不管電磁攪拌器的繞組是兩相還是三相,是對(duì)稱還是不對(duì)稱,均能輸出均衡的電流,對(duì)提高電磁攪拌器的攪拌力,提高鋼材質(zhì)量和品質(zhì)都非常有效,完全可以替代甚至超過進(jìn)口電磁攪拌變頻電源,能大大降低企業(yè)設(shè)備成本費(fèi),并為企業(yè)帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益.