针对目前普遍存在的电磁搅拌器两相、三相绕组不对称问题,应用新型专用变频电源的电流均衡控制策略,以实现对电磁搅拌器两相、三相电流的对称控制,并从最终的实际使用效果验证了所提策略与应用方案的正确性和有效性.

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.