一種新型變頻電源在電磁攪拌系統(tǒng)中的應用

譚翼清,蘇 港,申艷聰,李 徽

(1.湖南科美達電氣股份有限公司,湖南 岳陽 414000;2.湖南理工學院 機械工程學院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

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

電磁攪拌技術對于改善鑄坯質量有很重要的作用.低頻專用逆變電源作為連鑄電磁攪拌的關鍵裝備,其電流波形質量和響應速度等性能直接影響連鑄鋼坯的質量和品質.目前應用于電磁攪拌器的變頻電源主要采用國外品牌的高性能專用變頻器,均能滿足繞組對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,工藝和結構導致了繞組阻抗不對稱),常規(guī)的電磁攪拌變頻電源系統(tǒng)難以完全適應控制對象要求,無法輸出三相120°對稱平衡的電流或兩相90°對稱平衡電流.

新型專用變頻電源是專門針對冶金行業(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、對稱/不對稱繞組情況下,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的對稱性,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)的主要構成以及對變頻電源的要求

當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)送相應的控制指令和參數(shù)(電流、頻率、攪拌方式等),同時從變頻電源讀取各種狀態(tài)及測量反饋值(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、停止等),并讀取攪拌器的冷卻狀態(tài)以實現(xiàn)對電磁攪拌器的冷卻.當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)生相應的旋轉磁場或行波磁場,最終實現(xiàn)利用產(chǎn)生的電磁力對電磁攪拌器內(nèi)的金屬溶液進行可控攪拌,達到所需冶金效果.

電磁攪拌系統(tǒng)要求變頻電源能輸出三相/兩相對稱電流,同時電流、頻率幅值獨立可調(diào),互不干擾;長時間低頻大電流輸出(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)生對地短路以及相間短路時能及時提供保護.

為保證電磁力的最大輸出、減少損耗、提升系統(tǒng)效率,針對三相不對稱繞組變頻電源必須輸出互差120°均衡電流,針對兩相不對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開發(fā)的專門應用于電磁攪拌變頻電源的裝置,采用美國TI 公司最新一代DSP 電機控制專用數(shù)字信號處理器(TMS320F28232)作為核心控制芯片,主頻可達150 MHz;采用德國Infineon 公司第四代IGBT 模塊,結合其175 °C 最高結溫的特性,運用創(chuàng)新型空間矢量和PWM 調(diào)制方式,進一步降低開關損耗,使得變頻器即使在50 °C 環(huán)境溫度下,也無需降額使用,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稱分量法(特殊電流均衡控制策略):根據(jù)對稱分量法,任何三線制系統(tǒng)(三相、兩相三線)均可以分解成完全對稱的正序三相系統(tǒng)和負序三相系統(tǒng).如果電磁攪拌器線圈是對稱的三相系統(tǒng),那么其負序分量為0,只有正序分量,因此,若要控制其不平衡三相負載,就要先將其分解成正序分量和負序分量,并通過兩個控制器,分別對正、負序分量進行控制,將負序分量控制為0,就能實現(xiàn)三相不平衡抑制.如果攪拌器線圈是兩相,可把兩相攪拌器當成一種特殊的三相負載(即三相相位差不為120°,且幅值不相等的三相負載).這樣分解出來的正序分量和負序分量均不為0,那么要對其進行控制時,同樣可對其進行對稱分量法分解,分解成正序和負序分量.此時負序分量不可控制為0,需要根據(jù)模型計算出一個能保證兩相相差90° 且幅值相等的負序電流給定值.再分別對正、負序分量進行控制,就能實現(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)把程序設計好,通過參數(shù)設置來選擇如F5-00),可根據(jù)不同的電磁攪拌器類型以及不管繞組對稱與否均能輸出平衡的電流(注:針對兩相電磁攪拌器輸出兩相平衡互差90°的電流,針對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 輸出側接至兩相/三相攪拌器.主電路接法較為簡單,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

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

2.2.1 三相不對稱電磁攪拌器

當控制對象為三相電磁攪拌器時,運行方式設定為三相電流控制方式(F5?00=1),即可實現(xiàn)對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,三相繞組存在著嚴重的不平衡[5].在不采用任何抑制措施時,即采用通用的VF 分離控制方式時,三相輸出電流存在著嚴重的不平衡(圖3),電流不對稱度大于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),三相電流不對稱度得到了抑制,不對稱度小于4%,同時三相電流相位差為標準的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,很難實現(xiàn)兩相繞組平衡,從而造成了兩相電流的嚴重不對稱.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的L、F 兩相電流輸出波形,此時設定電流為355 A,運行頻率為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,兩相電流不對稱度小于4%,電流控制穩(wěn)態(tài)精度小于2%,頻率誤差小于0.05 Hz.

設定電流400 A,頻率2 Hz,在沒有使用均衡控制策略運行條件下,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)生輸出對地短路時,變頻器對地短路保護的電流波形.可以看出,在發(fā)生對地短路時,變頻器能迅速實現(xiàn)封波,輸出電流立刻減小至零,從而避免了對地短路時燒壞變頻器.

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

圖8 輸出對地短路保護電流波形

圖9 輸出相間短路保護電流波形

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 冶金效果對比表

3 結束語

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,是對稱還是不對稱,均能輸出均衡的電流,對提高電磁攪拌器的攪拌力,提高鋼材質量和品質都非常有效,完全可以替代甚至超過進口電磁攪拌變頻電源,能大大降低企業(yè)設備成本費,并為企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟效益.