（电气工程专业论文）基于dsp的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发.pdf

t h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gt e c h n i q u es y s t e m b y y u a nc h a o b e ( q u f un o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ro u y a n gh o n g l i n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：拙 日期：冽年歹月聊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：铀 氆触彳乡 日期：们l 年箩月础甬 1 7 1j 胡：乒1 年歹月析 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 皇皇皇皇詈詈詈詈兰暑詈= = 詈= 詈暑量鼍皇詈毫暑鲁詈鲁皇暑皇皇皇鲁詈昌暑暑= 詈皇詈皇= 暑穹鲁暑詈詈皇詈暑= 墨皇暑毫詈昌詈喜詈詈鼍詈詈皇詈詈= = = = ! 詈詈暑皇昌暑詈皇皇暑皇置昌墨鲁篁皇詈詈詈詈詈詈詈暑詈暑= = 暑= 詈詈詈詈鼍詈詈巴 摘要 钢铁材料良好的综合性能和易于循环利用等特点，至今仍是人类社会发展所 需的不可替代的材料。在过去的2 0 年里，中国的钢铁工业取得了巨大的进步，连 铸技术也取得了令人瞩目的成就，但是在通常的情况下，钢水凝固过程中，产生 的多为柱状晶，而且过快的冷却速度，容易在钢材的内部出现“搭桥 现象，从而 会出现中心缩孔、中心偏析等缺陷。为了减少以上缺陷，本文引进了电磁搅拌技 术，在改善铸坯表面及内部质量方面有了很大的进步。 本文首先介绍了电磁搅拌器的发展历程和发展趋势，接着分析了未来电磁搅 拌器的发展方向。然后对电磁搅拌系统的各个重要组成部分的设计进行了详细的 分析和说明，其中包括电磁搅拌器、低压变频电源、冷却水系统。论文中给出了 低压变频电源的主电路图及其主控板，驱动板等硬件电路的设计，并对硬件电路 的各个主要功能进行了详细的阐述，紧接着文中将低压变频电源的主流程图及各 个功能软件流程图进行了分析，并且详尽的分析了用软件如何实现p w m 算法，给 出了规则采样法的基本原理。对于一个完善的系统来说，通信方式是非常重要的， 在本次设计中，采用了p r o f i b u s d p 通信方式，本论文给出了p r o f i b u s d p 的通信规 约，并且利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片实现此种通信。 根据实际应用情况，在论文的最后，给出了低压变频电源的实际运行波形和 电磁搅拌系统的运行效果图，通过对比可以明显的发现，此系统在减弱铸坯内缩 孔、偏析、疏松、夹杂物聚集等缺陷方面效果非常显著。 关键词：连铸技术；电磁搅拌器；低压变频电源；规则采样；p r o f i b u s - d p l a b s t r a c t s t e e lr e m a i n st ob et h ei r r e p l a c e a b l em a t e r i a lu s e di nt h ed e v e l o p m e n to fh u m a n s o c i e t y ，d u et oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dr e c l a i m a b l ep r o p e r t y i nt h ep a s t2 0y e a r s ， c h i n e s es t e e li n d u s t r yh a sm a d eg r e a tp r o g r e s s c o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yo b t a i n s r e m a r k a b l ep r o g r e s s e s b u ti nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n gs t r a n d c o l u m n a rc r y s t a li sd e v e l o p e dd u et of a s tc o o l i n gr a t e ，l i k e l yt oc a u s et h ep h e n o m e n o n o fb r i d g i n g ，r e s u l t i n gi nt h ed e f e c t ss u c ha s p o r o s i t y ，s e g r e g a t i o n ，l o o s e n e s s ，i n c l u s i o n c o n g l o m e r a t i o ni nt h es l a b t or e s o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g t e c h n i q u e ( e m s ) w a si n v e n t e da c c o r d i n g l y t h ea p p l i c a t i o no fe m sd e v i c ei sn o to n l v f a v o r a b l ef o ri m p r o v i n gt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ft h ec a s t i n gs t r a n d ，b u ti sa l s oa n e f f e c t i v em e a s u r et oi m p r o v et h es t r a n ds u r f a c e q u a l i t y t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h e h i s t o r ya n dt r e n do fe m s ，a n da n a l v z e st h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h e nd e t a i l e sa n a l y s i sa n dd e s c r i p t i o na l lt h ei m p o r t a n tp a r to f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n ge m s ，l o wv o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ， c o o l i n gw a t e rs y s t e m aa n ds oo n t h ep a p e rs h o w st h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lb o a r da n d d r i v e rb o a r do fl o wv o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r , a n dd e t a i l e sd e s c r i p t i o no f t h em a i n f u n c t i o n so fh a r d w a r ec i r c u i t f o l l o w e db yp a p e ra n a l y z e st h em a i nf l o wc h a r ta n d s o f t w a r ef l o wc h a ro fe a c hf u n c t i o n ，a n d a n a l y s i sh o wt oa c h i e v ep w m a l g o r i t h m b a s i co nt h er u l es a m p l i n gm e t h o d f o rac o m p l e t es y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o ni s v e r y i m p o r t a n t i nt h i sd e s i g n ，t h ep r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o nw a su s e d ，t h i sp a p e rg i v e s t h ep r o f i b u s d pc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，a n dr e a l i z e ss u c hc o m m u n i c a t i o nu s e d t m s 3 2 0 f 2 812c h i p b a s e do nt h e a p p l i c a t i o n ，i nt h et h e s i s ，t h ea c t u a lw a v e f o r m so f1 0 wv o i t a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dr e n d e r i n g so fe m sw a sg i v e n o b v i o u s l y ，i th a sas i g n i f i c a n t e f f e c ti nw e a k e n i n gt h ed e f e c t ss u c ha s p o r o s i t y ，s e g r e g a t i o n ，l o o s e n e s s ，i n c l u s i o n c o n g l o m e r a t i o ni nt h es l a b k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g y ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gt e c h n i q u e ；! o w v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ；r u l es a m p l i n gm e t h o d ；p r o f i b u s d p i i ! 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 引言1 1 2 电磁搅拌器的发展历程及现状2 1 3 本文的主要工作5 第2 章电磁搅拌系统组成单元研究6 2 1 主系统的设计6 2 1 1 方圆坯电磁搅拌器结构及其工作原理7 2 1 2 低压变频电源的设计及其功能1 2 2 1 3 水冷却系统19 2 1 4 上位机远程监控操作系统2 l 2 2 本章小结一2 2 第3 章电源主电路拓扑结构及硬件的设计2 3 3 1 主电路拓扑结构及其工作原理2 3 3 1 1 交交变频电路2 3 3 1 2 交直交型变频电路2 4 3 2 硬件设计原理2 6 3 2 1 主控制板的设计一2 7 3 2 2 驱动板的设计3 0 3 3 本章小结3 l 第4 章系统软件流程图及通信系统设计3 2 4 1 系统软件流程图3 2 4 2 主要功能的软件实现3 6 4 2 1 正反转功能的实现3 6 4 2 2 模拟量的采集及其处理3 7 4 2 3 断电记忆功能的实现3 8 4 3s p c 3 通信系统一4 0 4 3 1p r o f i b u s d p 概j 苤4 0 4 3 2p r o f i b u s d p 专用a s i c s 芯片s p c 3 4 1 l v 硕士学位论文 4 3 3p r o f i b u s d p 通信协议4 2 4 4 本章小结4 6 第5 章电磁搅拌系统使用效果分析4 7 5 1 主要器件技术参数4 7 5 2 低压变频电源的运行波形分析4 8 5 3 电磁搅拌系统的运行效果5 0 5 4 本章小结5 4 结论及展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 附录a ( 攻读学位期间发表的论文目录) 6 2 附录b ( 铜管内冷式电磁搅拌器) 6 3 附录c ( 低压变频电源柜) 一6 4 附录d ( 低压变频电源控制主程序) 6 5 附录e ( 参数存储与读取子程序) ：6 8 附录f ( p r o f i b u s d p 通信子程序) 一7 l v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 人类社会的发展是按其所用的基础材料来命名的，人类社会已经从石器时代、 青铜器时代走到了铁器时代。工业革命以来，钢铁材料一直在经济建设和现代文 明建设中起着十分重要的作用，即使在各类新材料层出不穷的今天，其它材料亦 不可能全面而且经济地取代钢铁坚实的地位【卜”。钢铁工业是国民经济的基石， 是国家经济水平和综合国力的重要标志，钢铁发展直接影响着与其相关的国防工 业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。随着我国国民经济的快速发展，中 国钢铁工业取得了巨大成就。从上世纪九十年代起，我国粗钢产量连续1 3 年居世 晃第一。进入2 l 世纪以来，我国钢铁产业快速发展，粗钢产量年均增长2 1 1 。 这种强劲发展势头，有力地支持了以汽车、房地产业、机械制造和电子通讯业为 龙头的一批高增长产业群的形成，为我国国民经济的快速发展做出了巨大的贡献。 近二十年来，尤其进入本世纪以后，我国连铸生产和连铸技术在不断地进步， 是整个钢铁行业发展的主动力。连铸技术作为钢铁行业水平的标志之一，已经成 为钢铁生产发展的主要技术动力，进入2 1 世纪后，中国以崭新的姿态面向世界， 我国钢铁生产取得了举世瞩目的成就。连铸技术也在迅速发展。连铸新工艺，新 技术，新材料，新品种不断出现。但是在我国，钢材市场仍然面对进口钢材的严 重挑战，我国钢铁工业必须通过技术改造来全力提高企业的技术素质，在认识市 场和分析市场的基础上，进行品种调整，在技术更新换代的过程中逐步减少对引 进的依赖，逐步开发具有自主知识产权的新技术卜1 4 】。2 0 1 0 年国务院下发关 于进一步加大节能减排力度加快钢铁工业结构调整的若干意见，要求加大钢铁行 业节能减排力度，加快行业结构调整，大力实施企业技术创新和技术改造工作。 依托相关科技计划，使企业加强新工艺、新技术、新产品的研发，加强引进消化 吸收再创新，加强前瞻性储备技术研究，尽快形成具有自主知识产权、适应未来 国际竞争需要的核心关键技术和高附加值产品。 随着经济和社会的不断发展，钢铁市场竞争的焦点将会转移到连铸产品本身 的质量上来，“合格产品”这一概念已经不能满足市场要求。谁的产品更好，质量 更高，谁就能够赢得市场。采用电磁搅拌器可使连铸工艺更稳定，进一步减少漏 钢率，甚至可以提高铸坯拉速，从而提高钢水收得率和铸件的年产量。此外电 磁搅拌技术在连铸中的应用，还会带动冶金系统其他相关行业的快速发展，有利 于促进企业组织结构和产品结构的简化与优化。发展和推广使用电磁搅拌装置将 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 是我国冶金工业中十分重要的技术措施，应予以充分重视。 1 2 电磁搅拌器的发展历程及现状 电磁搅拌器在连铸机上的应用，是提高连铸铸坯质量的重要生产工具。该技 术自从应用到钢的连铸生产中，到目前为止，已经非常成熟。其不仅应用于中间 包加热，凝固末端，结晶器，二冷区，还应用于合金精炼炉，并且从单一的形式 发展到组合形式。由于电磁搅拌技术在改善铸坯的表面品质及皮下质量，改善铸 坯凝固组织，提高等轴晶率，减轻中心偏折和中心疏松等等内部缺陷方面有着显 著的效果。与常规的机械搅拌方法相比，具有不直接接触金属熔体、对金属熔体 无污染、明显降低金属熔体氧化等方面的优点1 4 1 1 。 电磁搅拌器( e l e c t r om a g n r t i cs t i r r i n g ) 简称e m s ，是由瑞典a s e a ( 阿西亚) 公司首先推出的，1 9 3 2 年d r e y f u s 博士从法拉弟电磁感应原理中体会到，低速移动 着的感应磁场能对铸坯( 钢水) 产生强力的推动作用，并与山德维克钢厂( s a n d v i k ) 相互合作，于1 9 4 8 年研制成第一台搅拌器。n 2 0 世纪6 0 年代，在奥地利k a p f a n b e r g 厂的b e o h l e r 连铸机上已开始应用电磁搅拌技术来浇注合金钢了。2 0 世纪7 0 年代， 科学家们在磁流动力学方面有了巨大突破，电磁搅拌技术逐渐得到了发展，并且 趋于成熟，其为铸坯质量的提高，为钢铁冶金生产的连铸化打下了技术基础，后 来电磁搅拌技术逐渐应用到感应熔炼炉和连铸机上。电磁搅拌在连续铸钢上的应 用，对连铸技术来说，起到了重大的推动作用，不仅提高了铸坯质量，而且使连 铸能适应各种合金钢的生产，促进了冶金工业的全连铸化进程1 5 引。 2 0 世纪7 0 年代，法国s a f e 工厂第一次将电磁搅拌技术应用在了四流方坯连 铸机上，是连铸电磁搅拌技术工业化的开始。同一年，世界上第一台板坯连铸机 电磁搅拌器在日本新日铁君津厂投入运行。l9 7 7 年阿西亚公司( 现在的a b b ) 首 先提出了辊后箱式搅拌的假想，安装在铸流无磁性支撑辊的后面，沿着拉坯方向 对铸坯进行搅拌，适用于辊子直径较小的连铸机。l9 7 9 年，法国r o t e l e c 公司发明 了辊式电磁搅拌器进行板坯连铸的二冷区电磁搅拌，实现了搅拌辊与连铸辊的互 换，可以根据工艺要求灵活安装搅拌器位置。后来，日本神户钢铁公司在弧形板 坯铸机上安装了直线型电磁搅拌器，同样改善了铸坯质量。日本新日铁公司经过 长期的研发，用结晶器电磁搅拌装置( 简称m e m s ) 控制钢液流动，大幅度提高 了板坯表面质量及合格率。铸坯初期凝壳厚度均匀，因纵裂而引发的拉漏事故明 显减少，稳定了连铸操作。现在，新日铁公司的板坯连铸机几乎全都采用了结晶 器电磁搅拌装置p 引。 在亚洲，电磁搅拌技术首先在日本有所发展。为了生产高清洁度的钢，2 0 世 纪8 0 年代，同本川崎和瑞典a s e a 开发了结晶器电磁制动装置，以便控制连铸过 2 硕士学位论文 程中的化学成分和流体流动。这项技术最初有两个制动区域，分别控制水口出口 流出的钢流。日本的钢铁企业对先进技术较为敏感，l9 8 2 年电磁制动技术率先在 川崎制铁得到了应用，收到了良好的冶金效果。9 0 年代初，电磁制动技术得到了 进一步改进，它的磁场覆盖到了板坯的整个方向。与此同时，考虑到电磁制动对 浇注条件变化过于敏感，比如不锈钢和碳钢的复合连铸时容易出现质量问题，1 9 9 6 年n s c 通过提高磁场强度，提出了l m f ( l e v e lm a g n e t i cf i e l d ) 制动技术。在第一代 电磁制动技术的基础上，a b b 与川崎制铁研究随后开发了流动控n ( f c m o l d ) 结 晶器。该系统有两个制动磁场，一个在弯液面附近，另一个方向相反，位于结晶 器底部，每个磁场均覆盖板坯整个宽度。目前，电磁制动已经成为薄板坯连铸或 高拉速连铸中必不可少的冶金装备。这标志着电磁搅拌技术的发展已经迈入快车 道【5 3 1 。 电磁搅拌技术应用于连铸技术在我国的发展始于2 0 世纪7 0 年代末( 见表1 1 ) 。 通过在生产实践中不断摸索，越来越多的钢铁企业开始逐渐认识到了电磁搅拌技 术的作用和优越性，电磁搅拌技术在改善连铸产品质量方面的效果也逐渐得到了 国内各大钢铁企业的普遍认可。但是有一个不可否认的事实是，即使到目前为止 这些高端的电磁搅拌设备绝大部分还都依赖于国外引进【5 3 1 。 表1 1 我国电磁搅拌技术发展概略 时间事件 2 0 世纪7 0 年代末 1 9 8 2 年 1 9 8 6 年 1 9 8 7 年1 2 月2 8 日 1 9 9 0 年七月 1 9 9 6 年五月 1 9 9 7 年 2 0 0 0 年二月 2 0 0 4 年 2 0 0 8 年 电磁搅拌技术在连铸技术中的应用起始阶段 首钢与中科院共同研制出一套行波磁场搅拌器，并于1 9 8 4 年安装于大方坯半连铸机上进行试验 武钢从西德和日本引进o r c 1 6 0 0 、8 0 0 l 型和d k s e m s 型 电磁搅拌装置，分别安装在炼钢3 号、l 号连铸机的二冷区 国家“七五”科技攻关项目一平板式电磁搅拌器，通过中国有 色金属工业总公司组织的专家鉴定 鞍钢第二炼钢厂从日本神户公司引进立湾式双流板坯连铸机。 该连铸机在其二二冷区安装了辊内的电磁搅拌装置 舞钢首次在大型厚板坯连铸机上成功的使用了国内自行设 计研究的s e m s 成套装置 宝钢同岳磁公司、中科院力学所合作，成功研制出了宝钢 大板坯连铸s e m s 宝钢一东大材料电磁搅拌联合研究中心在东北大学成立 宝钢引进结晶器电磁搅拌技术，开创了我国板坯连铸 m e m s 的先例 宝钢白行研发的高效辊式搅拌器投入运行 3 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 从表1 1 中可以发现电磁搅拌技术应用于连铸技术在我国的发展大体分成了 三个阶段： ( 1 ) 上世纪7 0 年代末至8 0 年代中期，电磁搅拌技术开始在我国受到重视， 在这一时期，科研工作者不断地对其学习，摸索和探讨，取得了一定的成绩，做 好了相应的技术储备，虽然经过试验及工业运行，但对其还只是一个认知的阶段。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代后期，在国家的高度关注下，经过十多年的努力奋斗， 我国终于在电磁搅拌技术上取得了突破性进展。1 9 9 6 年5 月，舞钢首次在大型厚 板坯上成功使用了国内自行设计的s e m s 成套装置，这标志着我国结束依靠进口 的历史。这批装置的成功应用，大大的提高了我国钢铁行业的信心和对新技术， 新工艺的不断追求。 ( 3 ) 1 9 9 7 年宝钢同岳磁公司，中科院力学所合作，成功研制了大板坯连铸机 上使用的s e m s ，价格是引进的1 3 ，这表明我国已经具备了研制高性能电磁搅拌 装置的能力。 我国目前应用于连铸设备的电磁搅拌装置越来越多，有了很大的发展，但是 多为电炉连铸，绝大部分高端产品还是要引进的。而且引进后，也需要不断试验 才能进入正常生产。目前，我国电磁搅拌器生产厂家在科研投入上还有很大的不 足，其产品实用效果不能令人满意，产品在生产工艺、实用功率等方面还有很大 的不足之处。 1 9 9 1 年日本钢管( n k k ) 三j i 进了钢水能加速或减速离开浸入式水口的电磁液面 减速加速( e m l s e m l a ) 工艺，还能使结晶器弯月面处或弯月面下钢水旋转的 e m r s 。电磁减速电磁加速是一种专为拉速超过1 8 米分钟的连铸机设计搅拌系 统，此系统是由日本钢管( n k k ) 公布的。这种多模式的电磁搅拌( m m e m s ) 采用4 个线性搅拌器，位于浸入式水口( s e n ) 的两边，两两并排安装在结晶器宽面支撑 板的后面。它们对通过s e n 的钢液进行减速或增速( e m l s e m l a ) 。目的在于对 弯月面处钢水流动进行优化控制。日本钢管( n k k ) 的数据显示，对弯月面处钢水 流动经过优化控制后产生出来的铸坯，冷轧成卷后其表面缺陷降到了最低程度。 e m l s e m l a 代表了第二代技术，成熟的流场控制，无需手动操作，由计算机模 型根据铸坯尺寸、拉速、s e n 几何形状插入深度和氩气流量，实时调整加速、减 速以及工作强度。 多模式电磁搅拌( m m e m s ) 使用四个搅拌器，安装在结晶器高度方向上的 中间位置，位于背板后，浸入式水口两侧各两个，能够覆盖整个宽度方向。多模 式操作的e m s 属第三代技术，在同一个连铸机上，它将三种电磁搅拌( 即减速、加 速和旋转) 结合起来。这种系统已于2 0 0 2 年1 月应用于p o s c o 韩国浦项厂3 号板坯 连铸机上，2 0 0 3 年7 月在浦项k w a n g y a n g 厂1 3 号连铸机上开始运行 5 3 1 。 随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术的应用将会越来越广泛， 4 硕上学位论文 其发展趋势可概括为以下几点： ( 1 )组合式电磁搅拌方法的进一步发展，能够更好的改善铸坯的品质。 ( 2 )随着现代电子技术的发展，数值模拟将是发展电磁搅拌技术的强有力 的工具。 ( 3 )进一步加大电磁搅拌技术在冶金业其它方面的应用。 1 3 本文的主要工作 本文结合湖南中科电气公司的“方圆坯电磁搅拌系统的改造和升级”项目，主 要对方圆坯电磁搅拌系统的设计、低压变频电源的软硬件设计及其通信系统的设 计、水系统的设计等进行了介绍及深入的研究工作。对所研制的方圆坯电磁搅拌 系统在工厂企业中的运行效果进行了分析和研究。本文各章节的主要研究内容如 下： 第1 章概述了电磁搅拌技术在连铸技术中的应用的历程和现状，描述了电磁 搅拌技术发展方向和趋势。 第2 章详细的分析介绍了电磁搅拌系统及其各组成部分。对低压变频电源、 方圆坯电磁搅拌器、水系统等进行了进一步的分析和设计，并且详细的讲解了低 压变频电源的脉宽调制方式和控制策略。 第3 章介绍了低压变频电源的常用拓扑结构，并对该拓扑结构进行了详细的 分析，给出了低压变频电源系统硬件的设计，包括控制系统和逆变系统的设计， 给出了底层驱动板的硬件设计，并且对各个硬件设计原理进行了详尽的分析和探 究。 第4 章给出了低压变频电源的主程序流程图和各个子程序流程图，并且对低 压变频电源的各个功能的软件实现原理进行了详细的解释，包括脉冲的调制方法， 同步原理，p r o f i b u s d p 通信等。 第5 章给出了改造后的方圆坯电磁搅拌系统的实际运行结果，以及低压变频 电源的输出电流电压的波形，对升级改造后的电磁搅拌效果进行了分析。 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 第2 章电磁搅拌系统组成单元研究 2 1 主系统的设计 依照电磁搅拌器整套设备的实际运行情况，科研工作者不断地改造和升级系 统，最终确定了电磁搅拌系统的设计，如图2 1 ，2 2 所示。在该系统中，交流电 源经过三相变压器，得到正常工作所需要的电压等级( 一般有3 0 0 v ，4 0 0 v ，5 0 0 v 三个等级) ，然后经过低压变频电源的处理得到较好的三相正弦交流电流，用来驱 动电磁搅拌器的本体线圈，产生其正常工作所需要的电磁场。在低压变频电源部 分，采用的是a c - - d c - - a c ( 交一直交) 变频方式，将电网交流电压分别经二极 管不可控整流器整流和滤波后得到相应的直流电压，再通过三相电压型逆变桥对 直流电压进行逆变得到所需要的三相正弦电流。关于调制算法，根据不同的情况， 在d s p 上实现了多种调制算法，可以进行相应的选择，得到需要的电流。关于电 磁搅拌系统的电控部分主要由上位机、p l c 系统、低压变频电源组成。在此系统 中，上位机利用组态监控软件将现场总线采集来的信息进行集中管理，并且应用 状态画面的形式，将各种信息显示在屏幕上，在此过程中要将历史数据进行计录； p l c 主要用来实现过程控制，水系统的控制过程是由其完成的，并且p l c 将水系 统的运行情况，通过p r o f i b u s d p 现场总线将信息反映到d s p 和上位机上，由d s p 根据实际的情况进行相应的故障处理。水冷却装置由纯水制备、纯水箱、离子交 换器、纯水泵、磁过滤器、热交换器、流量调节、流量检测、压力检测、温度检 测及水质检测等组成，在原有功能的基础上，此次设计中，对水温检测进行了额 外的设计，使其对水温有了更加灵敏的反应。在此次改造和升级的过程中，采用 了很多的新技术，新思维，进一步提高了方圆坯电磁搅拌系统的优越性和可靠性， 性能有了很大的提高1 6 。 简而言之，对于应用于连铸技术中的方圆坯电磁搅拌设备，主要由以下几部 分组成【1 5 2 5 , 2 8 4 1 l ： l ，电源部分，包括高低压配电和变压器； 2 ，逆变装置，主要用来改变供电电源的频率，改善铸坯的品质； 3 ，电磁搅拌器，用来产生电磁场，作用于半固态浆； 4 ，工控机，进行各种实时参数的修改和各种运行状态的显示等： 5 ，水系统，作用于方圆坯内部，进行水冷却。 其中，最为重要的是低压变频电源，方圆坯电磁搅拌器和水系统三部分。 6 硕士学位论文 三 相 进 线 电 压 图2 1方圆坯电磁搅拌系统实物图 进 水 口 图2 2电磁搅拌系统框图( 以4 机4 流5 0 0 v 进线电压为例) 在此次改造过程中采用了独特的，低压侧串电感的“软充电技术”。提高了设 备的可靠性，反复对设备进行停电送电也不会造成设备损坏或者对电网造成污染， 为了提高低压变频电源的可靠性，将“零电感技术”运用在其中。由于电磁搅拌器 水冷却的实际情况，漏电流检测成为了电磁搅拌电源系统的一个重点，它直接关 系到操作人员的人身安全和设备运行安全，因此，必须进行了实时漏电流检测等 等。 2 1 1 方圆坯电磁搅拌器结构及其工作原理 方圆坯电磁搅拌器是要工作在相当恶劣的电磁环境中的电气设备，高温度、 高湿度、高尘渣。通过减小电磁搅拌器的体积，可以提高其寿命，但是为了使搅 拌器能够产生足够大的电磁动力，就要将其设计成能够在大电流、高电压、低频 率状态下工作，因此制作工艺是非常重要的。 7 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 2 1 1 1 方圆坯电磁搅拌器结构类型 电磁搅拌器主要由产生电磁场的电磁感应器、保护电磁感应器的外壳体及冷 却电磁感应器的冷却水路组成。 从电磁搅拌器所处安装于连铸机位置分：结晶器电磁搅拌器 二冷区电磁搅拌器 凝固末端电磁搅拌器 现在方坯电磁搅拌普遍使用了结晶器电磁搅拌器，结晶器电磁搅拌器从结构 上来讲又分为两类： 结晶器内置式电磁搅拌器 结晶器外置式电磁搅拌器 结晶器内置式电磁搅拌器与结晶器外置式电磁搅拌器在功能上存在着很大的 区别，如表2 1 所示。 表2 1 不同结构电磁搅拌器优缺点 从表2 1 中可以到处，结晶器内置式电磁搅拌器虽然在维护的时候较为麻烦， 但是从经济角度和冶金效果上讲，是优于结晶器外置式电磁搅拌器的。 传统水直冷结晶器内置式电磁搅拌器，其冷却水直接共用结晶器的冷却水。 其典型冷却回路如图2 3 所示。 ，一二二二：一三k 耋翔竺 景亏。蓉j 商二- 缱- ， 二譬。二_ 犁。：；t 图2 3 水直冷结晶器内置式电磁搅拌器示意图 8 硕士学位论文 进水( q ) 经铜管水缝出来后分为两路，一路( q 1 ) 直接从水口上部到出水口， 另一路( q 2 ) 被水口挡住往下进入电磁搅拌器然后经电磁搅拌器上部出来到出水 口。 水直冷结晶器内置式电磁搅拌器，在结构上存在着明显的缺陷，严重影响到 了电磁搅拌器的使用寿命。为了大幅提高电磁搅拌器的使用寿命，必须对其结构 进行改造，图2 4 为改造后的独立水冷式结晶器电磁搅拌器在传统水直冷结晶器 内置式电磁搅拌器基础上电磁参数及外形尺寸保持原数据不变，将原来开放的结 构改为全密封结构。 图2 4 独立水冷式结晶器电磁搅拌器示意图 2 1 1 2 电磁搅拌器磁场分析 静态磁场分析，是电磁搅拌器制作的关键，主要是考虑某一瞬时的磁场的分 布情况，图2 5 为方圆坯电磁搅拌器实物模型。论文中以a 相取得最大值时为例。 在这一时刻，a 、b 、c 三相的电流幅值应该满足p h a = p h b + p h c 。图中红、黄、 紫为电流进线。 薯鼍乡卜：一 图2 5 方圆坯电磁搅拌器实物模型 9 图2 6 方圆坯电磁搅拌器磁场分布 通过有限元的分析，得出了相应的磁场分布示意图，如图2 6 所示，电磁推 力的大小，会直接影响到电磁搅拌器的作用效果。 一r 7 r z l 7 r 。 图2 7 磁感应强度径向分量随电流l 的变化 图2 8 转矩t 随电流i 的变化 通过实际大量的实验，对实验数据进行研究，最终得出了方圆坯中心磁感应 强度径向分量和转矩t 随电流i 的变化情况，如图2 7 ，2 8 所示。 通过理论分析和实际实验，可以得出方圆坯电磁搅拌器的中心磁感应强度的 径向分量和转矩t 都随电流的增大而增大，几乎与电流成线性关系。因此，整套 电磁搅拌系统要尽量的工作在大电流，低频率状态。 2 1 1 3 电磁搅拌器工作原理 半固态浆的制备是指通过机械搅拌，电磁搅拌或者超声振荡等方法，使其凝 固过程期间形成的固相不以通常的树枝晶形式生长，而以非树枝晶形式存在，如 退化枝晶、条状晶或近球形等。电磁搅拌法之所以能够成为半固态浆料的主要制 备方法，是利用了电磁场产生的电磁力，使金属液强迫流动来影响和控制凝固过 程。 1 0 硕士学位论文 通常，在对称的三相绕组中通以对称三相交流电时产生的旋转磁场和电磁转 矩可以根据电磁感应定律推导得到b 1 o l ： b = 3 2b 埘c 。s ( 2 万l t + 口) ( 2 1 ) m = 4 4 4 研l 2 u t 4 4 4 f n , - ( 矽q + 办) 】2 菇薯 ( 2 2 ) 式中： f 为时间， 口为转角度， m 为电磁转矩， k 为转矩系数， s 为转差率， 曰、吃分别为旋转磁场和单相绕组产生的磁场幅值， 石、u 分别为电源频率和电压， l 、2 分别为绕组和熔体的等效匝数， 吃、矽，分别为穿过气隙和容器的漏磁通， 冠、x ，分别为熔体回路的等效电阻和感抗。 由电机原理可知，同步电机的转速可以用下式表示，为： 刀。= 6o p 其中，石是电源频率， p 是电机的极对数。 旋转磁场可以等同于同步电机，其转速同样可以用表示。 钢水的实际转速与是不同的。这种差异可以等同于异步电机， 率s 描述，即： ( 2 3 ) 可以用转差 ( 2 4 ) h 0 式中刀为钢水的实际转速。s 为转差率。 由此可得，钢水的实际转速，可以用异步电机的转速表示，为： 刀= 孚( 1 一s ) ( 2 5 ) 可见，要提高钢水的搅拌速度，就要提高旋转磁场的转速，也就是要提高电 源的频率，或者改变电机的极对数。但是，还要注意，磁力线在钢水内部的分布 是受到极对数影响的。极对数越多，磁力线越向钢水的表面集聚，内部的磁力线 基于d s p 的方圆坯电磁搅拌系统的研究与开发 愈加稀疏。因此，为了提高搅拌均匀性，改善铸坯的品质，一般都选用2 级线圈制 作搅拌器。 为了让搅拌效果更好，铸坯的品质更高，必须要提高钢水内的有效搅拌转矩 和转速。由电磁转矩m 可知，电源电压的不断增高，合理的减小漏磁通，不断优 化的绕组线圈的设计都能够很好的增加有效电磁转矩。但是，在实际应用中，科 研人员发现电源电压的升高会使搅拌器定子铁损和绕组铜损同时增大。因此，提 高搅拌有效转矩真正可行的方法，只有不断优化电磁搅拌器绕组的设计，同时尽 可能的减小漏磁通统和，。由转速可得出，其与电机的调速方式是相同的，那 就是要在允许的范围内提高电源的频率或者减少电机的极对数。然而，对于电机 及搅拌器而言，减少极对数是很不方便的，因此，真正能够用来调节转速的是电 源的频率，相对于其他的调速方式来说，是相当简单可行的，相当有效地。所以， 在电磁搅拌系统中通常都用变频器进行频率的调节，来实现对转速的调整。频率 的调节范围一般在l 1 5 h z 之间。 总的来说，电磁搅拌技术应用于连铸技术主要是利用电磁感应原理，从本质 上来说，电磁搅拌器作为一个感应器来激发磁场，它相当于电动机的定子，铸坯 ( 钢水) 相当于转子。电磁搅拌器产生的磁场，作用于铸坯内熔融的钢流，在其 中产生感应电流，该电流与感应器的磁场相互作用，产生电磁力，电磁力作用于 铸坯中即将进行结晶的半固态浆，使其按一定的方向，连度有规律的运动，从而 使铸坯表面及内部质量等得到改善。 2 1 2 低压变频电源的设计及其功能 在整个方圆坯电磁搅拌系统的设计中，低压变频电源的设计是非常重要的， 其系统框图如图2 9 所示。通过低压变频电源的作用，改变电源电压的频率，来 提高铸坯的品质。在低压变频电源的设计过程中，采用了基于d s p 的p w m 可控 逆变控制器对方圆坯电磁搅拌器进行控制。主电路采用了交一直一交结构，对电 网交流电压，通过二极管不可控整流器进行整流。采用这种整流方式，主要是基 于其整个过程简单可行，然后，在通过三相电压型逆变器进行逆变处理。对直流 电压进行逆变操作，直流环节采用大电容进行无功补偿，系统的输入功率因素高 ( 芝o 9 ) 。其具有输出波形好，谐波分量低，可以省去输出滤波电抗器等优点。 专用变频器与市场上的通用变频器相比，主要有以下几点优势t ( 1 ) 通用变频器主要用于交流异步电动机调速，异步电动机变速时需要工作 在多个频率，低频段的特性较差。而电磁搅拌器需要在低频下工作，专门设计的 低压变频器主要运行于l 到1 5 h z 。 ( 2 ) 控制方式不同，通用变频器的三种控制方式：v f 控制、矢量控制和直 1 2 硕士学位论文 接转矩控制都是针对异步电动调速的，在变频率的同时，电压( 或电流) 也会随 之改变，不能够做到电流和频率的独立调节。电磁搅拌器的工艺要求电流和频率 独立调节。 ( 3 ) 一些特殊的工作方式和功能通用变频器不具备，如周期性的正转一停一 反转这种间隙搅拌方式，通用变频器就不具备此功能。另外，快速、准确的漏电 流检测，通用变频器是不具备的，三相不平衡保护通用变频器也不能完成。 ( 4 ) 通用变频器的操作、使用、维护较复杂。通用变频器基于通用的原因， 使用时需要修改或设定参数达几十上百个。而实际上作为电磁搅拌只需要设定两 个参数电流和频率，专用变频器参数设定简单，画面如图2 1 0 所示： 图2 9 低压变频电源系统框图 图2 1 0 显不屏幂 2