一种新型变频电源在电磁搅拌系统中的应用

谭翼清,苏 港,申艳聪,李 徽

(1.湖南科美达电气股份有限公司,湖南 岳阳 414000;2.湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006)

0 引言

钢铁工业是国民经济发展的重要基石.在高品质特殊钢加工冶炼行业,连铸电磁搅拌技术以其不接触性、易控制性、调控范围宽等特点成为了提高连铸铸坯钢材品质和成品率的最有效技术,并在国内外金属冶金连铸生产线中得到推广应用[1].

电磁搅拌技术对于改善铸坯质量有很重要的作用.低频专用逆变电源作为连铸电磁搅拌的关键装备,其电流波形质量和响应速度等性能直接影响连铸钢坯的质量和品质.目前应用于电磁搅拌器的变频电源主要采用国外品牌的高性能专用变频器,均能满足绕组对称的电磁搅拌器三相低频大电流的输出要求[2].然而,由于国内电磁搅拌器种类的多样化以及生产工艺的局限性(如辊式电磁搅拌器就有三相绕组和两相绕组,工艺和结构导致了绕组阻抗不对称),常规的电磁搅拌变频电源系统难以完全适应控制对象要求,无法输出三相120°对称平衡的电流或两相90°对称平衡电流.

新型专用变频电源是专门针对冶金行业中的电磁搅拌器可能出现的绕组各种特殊情况定制研发的,可满足电磁搅拌器在两相/三相、对称/不对称绕组情况下,输出平衡电流,保证特殊电磁搅拌器获得最大搅拌力及搅拌磁场的对称性,从而使液态金属获得最佳的搅拌效果.

1 电磁搅拌系统的主要构成以及对变频电源的要求

当今主流的电磁搅拌系统主要由配电柜、变频电源、电磁搅拌器以及冷却水系统四部分组成[3].其工作原理是配电柜通过PLC 控制器与新型变频电源进行Profibus 通信或端子控制,按照不同搅拌工艺的要求向变频电源发送相应的控制指令和参数(电流、频率、搅拌方式等),同时从变频电源读取各种状态及测量反馈值(电流大小、搅拌速度大小等);此外,配电柜还需向冷却水系统发出控制指令(启动、停止等),并读取搅拌器的冷却状态以实现对电磁搅拌器的冷却.当各种条件满足后变频电源系统接收到PLC 控制命令,根据所给定的频率和电流指令输出相应频率和电流至电磁搅拌器的绕组上,并根据电磁搅拌器种类的不同产生相应的旋转磁场或行波磁场,最终实现利用产生的电磁力对电磁搅拌器内的金属溶液进行可控搅拌,达到所需冶金效果.

电磁搅拌系统要求变频电源能输出三相/两相对称电流,同时电流、频率幅值独立可调,互不干扰;长时间低频大电流输出(频率一般在0.3 Hz～16 Hz 之间)电流有效值根据搅拌器功率需求一般在100 A～1600 A之间;搅拌器线圈发生对地短路以及相间短路时能及时提供保护.

为保证电磁力的最大输出、减少损耗、提升系统效率,针对三相不对称绕组变频电源必须输出互差120°均衡电流,针对两相不对称绕组必须输出两相互差90°的均衡电流.

2 系统方案与使用效果

2.1 系统方案

新型专用变频电源是基于高性能矢量变频器平台开发的专门应用于电磁搅拌变频电源的装置,采用美国TI 公司最新一代DSP 电机控制专用数字信号处理器(TMS320F28232)作为核心控制芯片,主频可达150 MHz;采用德国Infineon 公司第四代IGBT 模块,结合其175 °C 最高结温的特性,运用创新型空间矢量和PWM 调制方式,进一步降低开关损耗,使得变频器即使在50 °C 环境温度下,也无需降额使用,完全满足了电磁搅拌器低频大电流输出的要求[4].

新型专用变频电源主要基于对称分量法(特殊电流均衡控制策略):根据对称分量法,任何三线制系统(三相、两相三线)均可以分解成完全对称的正序三相系统和负序三相系统.如果电磁搅拌器线圈是对称的三相系统,那么其负序分量为0,只有正序分量,因此,若要控制其不平衡三相负载,就要先将其分解成正序分量和负序分量,并通过两个控制器,分别对正、负序分量进行控制,将负序分量控制为0,就能实现三相不平衡抑制.如果搅拌器线圈是两相,可把两相搅拌器当成一种特殊的三相负载(即三相相位差不为120°,且幅值不相等的三相负载).这样分解出来的正序分量和负序分量均不为0,那么要对其进行控制时,同样可对其进行对称分量法分解,分解成正序和负序分量.此时负序分量不可控制为0,需要根据模型计算出一个能保证两相相差90° 且幅值相等的负序电流给定值.再分别对正、负序分量进行控制,就能实现两相不平衡抑制.

图1 两相电磁搅拌器接线示意图

图2 三相电磁搅拌器接线示意图

新型专用变频电源采用了特殊电流均衡控制策略(在主控板中已经把程序设计好,通过参数设置来选择如F5-00),可根据不同的电磁搅拌器类型以及不管绕组对称与否均能输出平衡的电流(注:针对两相电磁搅拌器输出两相平衡互差90°的电流,针对三相电磁搅拌器输出三相平衡互差120°的电流),完全满足了电磁搅拌系统对变频电源的要求.图1、2分别为两相电磁搅拌器、三相电磁搅拌器的主电路接线示意图.图中电磁搅拌电源为新型变频电源.RST 输入接入三相电网,U、V、W 输出侧接至两相/三相搅拌器.主电路接法较为简单,而控制板端子接线则可根据用户需求灵活接配;此外,还可根据需求选配ProfiBUS-DP 板卡,实现通讯控制.用户根据所配置的情况,可分别通过面板、端子或通信方式实现频率、电流指令的给定以及变频电源的启停控制.

2.2 使用效果

电磁搅拌器的机型较多,下面主要介绍三相负载不平衡的外置式电磁搅拌器与两相负载不平衡的辊式板坯电磁搅拌器在额定运行(额定电流400 A 输出,运行频率一般在0.3 Hz～16 Hz 之间)时的使用效果,以及输出短路保护的电流波形.

2.2.1 三相不对称电磁搅拌器

当控制对象为三相电磁搅拌器时,运行方式设定为三相电流控制方式(F5−00=1),即可实现对异形电磁搅拌器三相电流均衡控制.所控制的电磁搅拌器为矩形外置式电磁搅拌器,由于生产工艺上的缺陷,三相绕组存在着严重的不平衡[5].在不采用任何抑制措施时,即采用通用的VF 分离控制方式时,三相输出电流存在着严重的不平衡(图3),电流不对称度大于40%,三相电流相位差也不为120°.而采用不平衡抑制控制策略后(图4),三相电流不对称度得到了抑制,不对称度小于4%,同时三相电流相位差为标准的120°,电流控制稳态精度小于2%,频率误差小于0.05 Hz.

图3 F5-00=0 采用VF 分离控制方式

图4 F5-00=1 采用三相电流闭环控制方式

2.2.2 两相不对称电磁搅拌器

辊式电磁搅拌器采用了两相绕组方式,两相绕组中点即中间相接至变频器中间相.由于生产工艺水平的局限性,很难实现两相绕组平衡,从而造成了两相电流的严重不对称.然而,为了保证电磁搅拌力的均衡,不仅需保持两相电流均衡,还要保证两相电流相位差互差90°[6].

采用两相电流闭环控制策略,不仅保证了两相电流角度互差90°,而且所采用的不平衡控制策略能实现两相电流的均衡(不平衡度抑制在4%以内).图5(a)为未采用不平衡控制策略时的L、F 两相电流输出波形,此时设定电流为355 A,运行频率为6.00 Hz,然而从波形可看出,两相电流不仅幅值不相等,相位相差也非90°电角度.图5(b)为采用两相平衡控制策略的L 相与F 相的输出电流相位差波形图,由图可知,输出两相电流的相位差为91°,基本满足了两相互差90°电角度的要求.同时,两相电流不对称度小于4%,电流控制稳态精度小于2%,频率误差小于0.05 Hz.

设定电流400 A,频率2 Hz,在没有使用均衡控制策略运行条件下,两相电流不平衡度相差16.75%,如图6所示.在使用均衡控制策略运行条件下,两相电流不平衡度相差4.75%,如图7所示.

图5 两相辊式板坯电磁搅拌器电流波

图6 无平衡控制策略功能电流矢量图(I1与I2不平衡)

图7 有平衡控制策略功能电流矢量图(I1和I2接近平衡)

2.3 保护功能

图8为电磁搅拌器在输出额定电流情况下,突然发生输出对地短路时,变频器对地短路保护的电流波形.可以看出,在发生对地短路时,变频器能迅速实现封波,输出电流立刻减小至零,从而避免了对地短路时烧坏变频器.

图9为搅拌器在输出额定电流情况下,突然发生输出相间短路时变频器的电流波形.可以看出,在发生相间短路时,变频器能迅速实现封波,输出电流立刻减小至零,从而避免了相间短路时烧坏变频器.

图8 输出对地短路保护电流波形

图9 输出相间短路保护电流波形

2.4 冶金效果

某钢厂采用新型专用变频电源用于两相板坯辊式电磁搅拌器,在减少中心缩孔、消除碳偏析、等轴晶方面作用非常明显,见表1.

表1 冶金效果对比表

3 结束语

新型电磁搅拌专用变频电源采用电流均衡策略,不管电磁搅拌器的绕组是两相还是三相,是对称还是不对称,均能输出均衡的电流,对提高电磁搅拌器的搅拌力,提高钢材质量和品质都非常有效,完全可以替代甚至超过进口电磁搅拌变频电源,能大大降低企业设备成本费,并为企业带来可观经济效益.