（电气工程专业论文）板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f s l a bc a s t e re l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g c o n t r o ls y s t e m b y m ox u j i e b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g 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 f e n g i n e e r i n g 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 n u n i v e r s i t y s u p e r v is 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 11 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： 羹私互 日期：2 0 i l 年j 月柏 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 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：碧魑生 新签名：伽丑 - ， 日期：2 矿f 年厂月玎日 日期：咖f f 年, j - - , q 桫日 板坏连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现 摘要 板坯连铸电磁搅拌技术由于具有无接触搅拌，使钢坯成分均匀，缩短熔炼时 间，减少熔渣的产生等优点，已经成为提高连铸系统产品质量的一个关键性技术。 变频电源是板坯电磁搅拌控制系统中重要组成部分，精确的对变频电源控制是提 高系统安全稳定性和运行质量的重要手段。本文根据湖南中科电气有限公司的要 求，研究设计了板坯电磁搅拌变频电源控制系统。 本文首先介绍了板坯电磁搅拌系统的构成，对系统的各个重要组成部分做了 描述，并给出了几个重点。本文随后对板坯电磁搅拌系统的变频电源部分进行了 研究分析，给出了板坯电磁搅拌器的数学模型。以数学模型为基础，提出了一种 基于电流闭环p w m 技术的板坯电磁搅拌器的控制策略。该策略通过对实际电流 和给定电流的瞬时比较，完成对板坯电磁搅拌器电流和频率的解耦控制，并通过 利用s p w m 调制算法，使得三相三桥臂变频电源能够输出低频相位相差9 0 度的 两相正交交流电流，实现恒流源控制特性。 然后本文对板坯变频电源的硬件和软件实现进行了深入的分析，控制器采用 t i 公司生产的用于电机控制的专用芯片一t m s 3 2 0 f 2 8 12 ，来实现快速的算法运 算。详细的介绍了变频电源的控制电路和驱动板电路，并对两电路的各主要部分 做了详细的介绍，给出了电路原理图。其次，软件是板坯变频电源的重要组成部 分，也是课题研究的主要内容之一，在t m s 3 2 0 f 2 8 l2 的软件集成开发环境中设 计实现了系统的各个软件模块，实现了交流采样、s p w m 调制、远程监控和系统 保护等功能。 最后通过试验验证本控制方案是切实可行的，且系统中d s p 的高速处理控制 能力可以有效地提高整个系统的动态性能和控制精度。同时通过实际应用表明， 电磁搅拌技术可以明显改善铸坯的凝固组织，提高铸坯的内部质量。 关键词：板坯连铸；电磁搅拌；d s p ：s p w m 硕上学位论文 a b s t r a c t s l a bc o n t i n u o u s c a s t i n ge 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 o l o g yp o s s e s s t h e c h a r a c t e r i s t i co fn o n c o n t a c t s t i r r i n g ，i t sa d v a n t a g e s a r e ：m a k e st h eb i l l e ts t e e l e l e m e n t sw e l l - d i s t r i b u t e d ，s m e l t i n gt i m es h o r t e d ，c l i n k e rp r o d u c t i o nr e d u c e d ，a n dh a s b e c o m eak e yt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ec o n t i n u o u sc a s t i n gs y s t e mp r o d u c t s q u a l i t y v a r i a b l e - f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e si s a ni m p o r t a n tp a r ti ns l a b s e l e c t r o m a g n e t i s m s t i r r i n gc o n t r o ls y s t e m ，e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ro fv a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e si s a ni m p o r t a n tw a yt oi n c r e a s et h es t a b i l i t yo fs y s t e ms e c u r i t ya n do p e r a t i o nq u a l i t y t h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r m e n t so fh un a nz h o n gk ee l e c t r i c a lc o ，l t d ， d e s i g n e ds l a b se l e c t r o m a g n e t i s ms t i r r i n gi n v e r t e rp o w e rc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o no fs l a b se l e c t r o m a g n e t i s ms t i r r i n g s y s t e m ，d e s c r i b e dv a r i o u si m p o r t a n tp a r t so ft h es y s t e m ，a n dg i v e ns e v e r a lf o c u s e s t h e nc a r r y i n go u tar e s e a r c ha n da n a l y s i so nv a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e sp a r t so f s l a b se l e c t r o m a g n e t i s ms t i r r i n gs y s t e m ，g i v e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s b a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，ac l o s e d l o o pp w mt e c h n i q u e sb a s e do nc u r r e n to fs l a b s e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r e rc o n t r o l s t r a t e g y w a s p r o p o s e d t h i ss t r a t e g yt h r o u g h i n s t a n t a n e o u sc o m p a r i s o no fa c t u a lc u r r e n ta n dg i v e nc u r r e n tt of i n i s hd e c o u p l i n g c o n t r o lo ns l a b se l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e r sc u r r e n ta n df r e q u e n c y ，a n du t i l i z i n g s pw mm o d u l a t i o n ，t om a k et h r e ew i r em i t s u h a s h ia r mv a r i a b l e - f r e q u e n c yp o w e r s o u r c e so u t p u tt w op h a s eo r t h o g o n a la l t e r n a t i n g - c u r r e n tw i t hl o wf r e q u e n c yp h a s e p o s i t i o nd i f f e ro n9 0d e g r e ep h a s ea n g l e ，t oa c h i e v ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e s e c o n d l y ，s l a b sv a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e s s p e c i f i ch a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nh a v eb e e ns t u d i e d t h ec o n t r o l l e rw a su s et h et ic o m p a n yp r o d u c e d m o t o rc o n t r o ld e d i c a t e dc h i p - t m s 3 2 0 f 2 812 ，t oa c h i e v ef a s ta r i t h m e t i co p e r a t i o n s ， a n dt h e r ei sd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ev a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e s c o n t r o l c i r c u i ta n dd r i v e rb o a r dc i r c u i t ，a n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h et w oc i r c u i t s m a i n c i r c u i t s ，t h ec i r c u i ts c h e m a t i c sw e r eg i v e n s o f t w a r ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f s l a bv a r i a b l e - f r e q u e n c yp o w e rs o u r c e sa n do n eo ft h em a i nc o n t e n ti nr e s e a r c h ，t h e s o f t w a r em o d u l e so ft h es y s t e mh a dd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h et m s 3 2 0 f 2 812 s o f t w a r ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ef u n c t i o n so fs a m p l e se x c h a n g e ， s p w mm o d u l a t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n ga n ds y s t e mp r o t e c t i o nh a da c h i e v e d i i i 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现 f i n a l l y ，t h e r e s u l t si si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sp r a c t i c a l a n dt h e h i g hp e r f o r m a n c eo fd s p c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e c o n t r o lp r e c i s i o n so ft h ew h o l ei n v e r t e rs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ep r a c t i c eo fu s i n g 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 o l o g ys h o w e dt h a te 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 o l o g y p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ni 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 ea n di n n e rq u a l i t yo f s l a b k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n go fs l a b ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ；d s p ；s p w m i v 硕i 二学位论文 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j i i a b s t r a c t i i i 插图索引一v i i 附表索引i x 第l 章绪论1 1 1 课题背景与意义1 1 2 本文相关内容国内外研究现状2 1 2 1 电磁搅拌技术国内外研究现状2 1 2 2 变频电源国内外研究现状3 1 3 电磁搅拌的冶金效果5 1 4 本课题研究的主要内容6 第2 章板坯电磁搅拌系统整体设计一8 2 1 连铸及电磁搅拌器工作原理8 2 1 1 连铸原理8 2 1 2 电磁搅拌器工作原理9 2 2 板坯电磁搅拌系统构成1 0 2 3 板坯电磁搅拌系统参数设计1 1 2 3 1 电磁搅拌棍感应器参数设计1 l 2 3 2 供电及变频电源参数设计1 4 2 3 3 循环水系统参数设计一1 7 2 3 4 远程监控拓扑设计一1 9 2 4 本章小结一2 1 第3 章板坯变频电源控制策略2 2 3 1 板坯电磁搅拌系统数学模型2 2 3 2 板坯电磁搅拌变频电源s p w m 调制2 6 3 3 板坯变频电源频率和电流控制2 9 3 4 本章小结3 l 第4 章板坯变频电源硬件设计3 2 4 1 电磁搅拌变频电源整体设计及控制芯片选择3 2 4 1 1 电磁搅拌变频电源整体设计3 2 v 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现 4 1 2 控制芯片选择3 3 4 2 板坯电磁搅拌变频电源控制电路设计3 4 4 2 1 采样电路3 4 4 2 2 通信电路3 5 4 2 3 开关量电路3 7 4 2 4 液晶显示电路3 7 4 2 5 电流保护电路3 9 4 2 6 频率检测电路3 9 4 3 板坯电磁搅拌变频电源驱动板电路设计4 0 4 3 1 信号输入调理电路4 0 4 3 2i g b t 驱动保护电路4 0 4 4 本章小结41 第5 章控制系统软件设计及实验结果分析一4 2 5 1 控制软件实现的基本功能一4 2 5 2 控制软件的实现一4 3 5 2 1 主程序设计4 3 5 2 2a d 转换模块4 4 5 2 3s p w m 波形产生模块4 5 5 2 4 液晶显示模块4 7 5 2 5 通讯模块4 9 5 2 6 频率测量模块5 2 5 2 7 保护功能模块5 3 5 2 8 正反转控制模块5 4 5 2 9p i 调节模块一5 5 5 3 实验结果分析：5 6 5 4 本章小结6 1 结论6 2 参考文献6 4 致谢6 7 附录a 攻读学位期间发表的论文目录6 8 v l 硕一l 二学位论文 插图索引 图2 1 连续铸钢简图8 图2 2 平板式电磁搅拌器原理示意图j 9 图2 3 旋转式电磁搅拌器原理示意图9 图2 4 板坯二冷区电磁搅拌系统框图1 0 图2 5 二冷区电磁搅拌工作原理图一1 2 图2 6 搅拌钢液流场图1 2 图2 7 变频电源整流主电路图1 5 图2 8 变频电源逆变主电路图15 图2 9 变频电源操作面板图1 7 图2 1 0 循环水系统流程图1 8 图2 1 1 远程监控系统拓扑图2 0 图2 1 2 变频电源监控画面图2 0 图2 13 水系统监控画面图21 图3 1 双h 桥板坯电磁搅拌电源简化系统图2 3 图3 2 三相全桥板坯电磁搅拌电源简化系统图一2 4 图3 3 输出电流矢量图一2 4 图3 4p w m 控制基本原理示意图2 6 图3 5 双极性p w m 控制方式波形图一2 7 图3 6 规则采样法示意图2 8 图3 7 板坯电磁搅拌电源控制图3 0 图4 1 电磁搅拌变频电源硬件框图3 2 图4 2 面板电流给定采样电路图3 4 图4 3 逆变器a 相实际电流采样电路图3 5 图4 4m a x l 4 8 0 通信接口电路图3 6 图4 5 光纤通信接口电路图一3 6 图4 6 开关量输入电路图一3 7 图4 7 开关量输出电路图3 7 图4 8s m g l 2 8 6 4 a 的r a m 地址映射图3 8 图4 9 液晶接口电路图3 8 图4 1 0 电流保护电路图3 9 图4 1 l 频率检测电路图3 9 v i l 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现 图4 1 2 信号输入调理电路图4 0 图4 1 3i g b t 驱动保护电路图一4 1 图5 1 主程序流程图一4 3 图5 2a d 采样子程序流程图一4 4 图5 3 去极值平均滤波子程序流程图一4 5 图5 4s p w m 程序流程图4 6 图5 5k s 0 1 0 8 b 指令写入流程图4 8 图5 6 显示字符串子函数流程图4 9 图5 7 数据上行通讯格式图5 0 图5 8 数据下行通讯格式图5 0 图5 9 通信服务程序流程图5 l 图5 1 0 频率测量程序流程图5 2 图5 1 l 保护子程序流程图5 3 图5 1 2 搅拌方式判断主函数流程图一5 4 图5 1 3 搅拌方式判断子函数流程图5 5 图5 1 4p i 子程序流程图5 6 图5 1 5 板坯二冷区电磁搅拌器图5 7 图5 1 6 板坯二冷区电磁搅拌器内部线圈图5 7 图5 1 7 变频电源电路板5 7 图5 1 8 变频电源柜图5 7 图5 1 9 变频电源输出电流波形图5 8 图5 2 0 硅钢板不使用电磁搅拌辊一6 0 图5 2 lw 2 0 无取向硅钢板断面2 1 0 1 1 0 0 使用电磁搅拌辊6 0 图5 2 2d h 3 6 高强度船板钢断面2 0 0 x 1 5 0 0 不使用电磁搅拌棍的低倍效果6 0 图5 2 3d h 3 6 高强度船板钢断面2 0 0 x 1 5 0 0 使用电磁搅拌辊的低倍效果6 1 硕士学位论文 附表索引 表1 1 全球主要国家或地区板坯进口量( 千吨) 一l 表1 2g t o 、i g c t 、i g b t 参数比较4 表1 3 电磁搅拌冶金效果6 表2 1 电磁搅拌器参数1 3 表2 2 变频电源柜参数一16 表5 1k s 0 10 8 b 指令表4 8 表5 2 变频电源通讯命令5 0 表5 3 电磁搅拌内部裂纹工艺要求5 9 表5 4 电磁搅拌中心偏析工艺要求一5 9 表5 5 电磁搅拌中心偏析工艺要求5 9 表5 6 电磁搅拌低倍校验要求6 0 硕j 二学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 在日新月异的现代化发展中，钢已是建筑业、制造业以及人们生活中不可或 缺的成分，可以说，钢是当今社会的物质基础。2 0 世纪7 0 年代以前，世界各大 钢厂仍以模铸法炼钢，7 0 年代后，模铸法逐渐被具有成才率高、能耗低、产品性 能好等众多优点的连续铸钢法所代替。据统计，至2 0 0 0 年止，世界连铸坯的产量 约为8 亿吨，连铸比约为8 9 ，同样在经过3 0 年的努力后，我国的连铸比也由 19 7 0 年的4 4 迅速提高到了2 0 0 0 年的8 7 6 。在钢铁业逐步发展的今天，板坯 在连铸坯中的地位也日渐重要，每年全球的板坯成交量高达千万吨，无论是发达 国家还是发展中国家，板坯是大量轧钢厂赖以生存的基础，与方坯不同的是，大 部分板坯都是根据客户的特殊需要，或为进一步冶炼或为加工成一定尺寸的钢材， 交易也多在钢厂之间进行，钢厂和贸易商之间的交易较少。尽管如此，板坯作为 钢材市场的重要晴雨表，是了解钢材市场心态的重要参照物。以下是有关部门统 计出的近年来主要国家和地区的板坯进口量。 表1 1 全球主要国家或地区板坯进口量( 千吨) 由表中可知，在发达国家，每年都有大量的板坯需求，而在我国，这种迹象 也日渐明显，板坯连铸电磁搅拌技术在连铸技术的发展中起着非常重要的作用， 板坯连铸机总台数大约占连铸机总台数的l o ，而产量却占总产量的3 0 。由于 钢厂炼钢的特殊要求，板坯连铸电磁搅拌器必须工作在高温、高湿度以及高尘渣 等非常恶劣的环境，而且为了产生合适的电磁推力，往往设计成在大电流、低电 压、低频率状态下工作。因此，对电磁搅拌系统提出了非常苛刻的要求，电磁搅 拌器的有效冷却、逆变电源的性能及可靠性、各种保护功能的灵敏性及可靠性等， 都变的至关重要，鉴于上述技术的复杂程度，目前该技术仍然由国外垄断，多年 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究与实现 来一直依靠进口，导致国内许多钢厂在板坯电磁搅拌设备的引进和维修上都花费 了大量的外费。而电磁搅拌在钢的连铸过程中能够使钢液产生强制流动，使铸坯 的高温区与低温区混合，过热度尽快消失，固液相穴温度梯度减小，并折断柱状 晶，增加结晶核心及等轴晶数量，从而可以控制铸坯的凝固过程，改善凝固组织、 提高铸坯质量“ 3 1 ，为了提高铸坯质量，利用电磁搅拌技术是不可或缺的环节， 国内各大钢厂迫切希望改变这种国外垄断格局。但由于资金和技术等方面原因， 国内对电磁搅拌技术的基础理论研究和应用研究都还很不充分，需要引起广泛的 重视，并加以深入研究5 1 。湖南中科电气股份有限公司是致力于电磁冶金整体 解决方案、集现代制造和现代服务于一体的高新技术企业及软件企业，公司在电 磁搅拌行业拥有二十多年的研究经验，拥有十多项技术专利和多项自主知识产权， 创造了多项国内和世界第一。公司研制的板坯连铸用高推力电磁搅拌棍成套装置 达到了国际先进，产品填补了国内空白。但是，公司目前电磁搅拌系统的控制芯 片主要是i n t e l 公司的8 0 k c l 9 6 芯片，随着现代电力电子数字控制的发展，基于 控制性能更好、更快的控制芯片的电磁搅拌产品也提上了公司的研发日程，本课 题的板坯连铸电磁搅拌控制系统就是在湖南中科电气公司的实验平台上开发的。 本课题的完成有利于公司的发展需要，对国内电磁搅拌行业也将起到很大的促进 作用，将进一步打破国外技术垄断的格局。 1 2 本文相关内容国内外研究现状 1 2 1 电磁搅拌技术国内外研究现状 电磁搅拌技术就是指在钢厂的炼钢过程中，连铸坯通过感应电流和磁场相互 作用而产生的电磁力来使得连铸坯内还没有凝固的钢水产生直线或者旋转式的流 动，通过这种非接触性搅拌大大改进钢水的凝固过程，从而获得优良铸坯品质的 技术，简称e m s 1 。连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的工艺，它的出现从根 本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢锭一初轧工艺，它由连续浇铸液体金属 的概念发展而来，1 8 8 7 年，德国人r m 戴伦提出类似连铸设备的建议，在他的方 案中已经有类似于现代电磁搅拌系统的雏形。此后，许多人都至力于连铸技术的 研究，人们开始认识到铸坯和结晶器之间必须有相对运动。19 3 3 年，德国人容汉 斯在德国建成首台立式连铸设备，并且用该设备浇注黄铜成功。5 0 年代期间，连 续铸钢技术开始工业化，从此连铸技术得到迅速发展。l9 5 3 年，德国曼内斯曼德 马克公司开发了结晶器电磁搅拌技术，l9 5 4 年又开发了中间罐塞棒控制技术。1 9 5 4 年，罗西公司在加拿大的阿特拉斯厂建成了一台板坯尺寸为l6 5 m mx6 2 0 m m 的不 锈钢连铸机；l9 5 8 年，曼内斯曼德马克百录钢厂在奥地利百录钢厂建成了 l0 0 0 m m 宽的板坯连铸机；l9 5 9 年，在英国b r i t i s h 钢厂建成了一台板坯断面为 2 硕上学位论文 1 4 0 m mx9 15 m m 能够浇注碳钢、低合金钢和不锈钢的连铸机；同年，宽板坯连铸 机在前苏联的新列别次克厂建成；这5 台板坯连铸机占当时连铸机总台数的l3 ， 其产量却占当时各种连铸机总产量的3 0 以上，这5 台板坯连铸机的建立标志着板 坯连铸机已经步入了工业性应用阶段 1 。l9 7 3 1 9 7 5 年，新日本钢铁公司分别在军 津、大分钢铁厂的板坯连铸机上开发应用了n s c d k ss e m s 。在板坯连铸电磁搅 拌技术上，a s e a 和川琦制铁开发的电磁制动技术最先获得了工业界的认可，在 工业上获得了应用哺1 。 连铸技术在我国发展的比较早，许多学者和专家在2 0 世纪5 0 年代就开始了 研究工作，1 9 5 7 年，第一台试验用连铸机在上海钢铁公司实验室设计完成。1 9 5 8 年，第一台工业生产用连铸机在重钢三厂建成，到1 9 7 8 年我国自行设计制造的连 铸机近2 0 台，连铸比为3 4 ，随着改革开放的到来，我国从国外陆续引进了连 铸技术和设备，同时，我国工作人员围绕国外产品做了大量的研究与开发工作， 至2 0 世纪末连铸比已达8 0 ，而近几年随着国内电磁厂家的倾心研究，国内电 磁搅拌产品已经逐步在电磁搅拌行业中站稳了脚跟，至2 0 0 3 年上半年全国连铸比 已经达到了9 4 6 5 ，超出了世界8 9 7 平均连铸比的水平。 1 2 2 变频电源国内外研究现状 变频电源一问世，它就受着全世界学者以及工作者的关注，它以可以按设计 要求方便的改变输出电源的电压、电流和频率而著称。因为其极为优异和方便的 性能，变频电源的开发和应用已经成为当今十分诱人的朝阳产业。变频电源技术 的发展是基于电力电子器件和电力电子技术而不断发展进步的。由于不断涌现的 电力电子器件，变频电源技术得到了飞速发展。电力电子器件的性能决定了变频 电源的发展，一个理想的电力电子器件，必须具有良好的动态和静态特性。1 9 4 7 年，晶体管在美国贝尔实验室问世，晶体管的出现马上引发了一场电子技术革命。 最先应用于电力领域的是硅二极管，晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控 制性能，它的应用范围迅速扩大。l9 5 7 年美国的通用电气公司( g e n e r a le l e c t r i c c o m p a n y ) 开发了世界上第一只晶闸管产品，并且于l9 5 8 年开始了商业化进程， 但是通过对晶闸管的门极控制，仅能使其导通而不能使其关断，使得晶闸管的应 用受到了局限。2 0 世纪6 0 年代后期，g t o 的问世实现了门极可关断功能，并且 使斩波频率达到了l k h z 以上。7 0 年代后期，功率金属氧化物场效应管和高功率 晶体管迅速发展起来，这些全控型器件实现了场控功能，也开始应用于开关频率 较高的电路。8 0 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 为代表的符合型 器件开始发展起来，它集电力双极型晶体管的通态压降小、载流能力大以及电力 场效应晶体管的驱动功率小、开关速度快的优点于一身，迅速成为了功率电力电 子装置中的主流器件阻】。随后出现的m o s 控制晶闸管( m c t ) 和集成门极换流 3 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究j 实现 晶闸管( i g c t ) 也都是电力场效应晶体管和g t o 的复合，他们都综合了电力场 效应晶体管和g t o 两种器件的优点。可以预料，i g b t 、m c t 将是今后功率器件 发展的主流，电力电子器件的发展将会日新月异。表1 2 给出了g t o 、i g c t 、i g b t 等主流电力电子器件的参数情况。 表1 2g t o 、i g c t 、i g b t 参数比较 通过参数对比，本设计选取i g b t 作为变频电源的功率器件，可以满足板坯 电磁搅拌系统中的变频电源的指标要求。 经过a c d c a c 变换的逆变电源称为变频电源，它与用于电机调速用的变频 控制器不同，也和普通交流稳压电源不同引。变频电源的主要功能是将现有交流 电网电源变换为所需频率的稳定的j 下弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳 定、电压稳定、电压波形为纯正弦波。变频电源十分接近于理想交流电源，当前， 逆变控制主流的控制方式即脉冲宽度调制技术，简称p w m 技术。p w m 控制就是 对脉冲的宽度进行控制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的 获得所需要波形。 目前，变频电源正朝着下面几个方向发展：主电路功率开关元件的自关断化、 模块化、集成化、智能化，开关频率不断升高，开关损耗不断降低：在变频电源 主电路的拓扑方面，变频电源的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6 脉冲变 流器，而对中压大容量的装置采用多重化1 2 脉冲以上的变流器3 。负载侧变流 器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多 电平逆变器；脉宽调制变压变频电源的控制方法可以采用j 下弦波脉宽调制 ( s p w m ) 控制、消除指定次数谐波的p w m 控制、电流跟踪控制、电压空间矢 量控制；微处理器的进步使数字控制成为现代变频电源控制器的发展方向，近几 年，国外各大公司纷纷推出以d s p 为基础的内核，d s p 和普通单片机相比，处理 数字运算能力增强了l o 1 5 倍，使系统性能大大增强，数字控制使硬件简化，柔 性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，易于与上层系统 连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能。 国内变频电源产业虽然仅仅只经历了十几年到二十年的发展历史，但却成绩 斐然。尤其在开关频率方面达到了非常可喜的地步。很大的降低了原材料的消耗， 也使得变频装置小型化。并且结合功率因数校正、有源滤波、同步整流等新技术 4 硕士学位论文 做了非常多的研究工作。同时，近年来，随着国内专家积极的研究功率器件新材 料，国内市场上逐渐涌现了一批新材料构成的功率器件，如智能i g b t 功率模块、 无感电容和电阻器、纳米晶软磁合金，通过这些新材料的加入，使变频电源不断 的升级换代n 刳。 1 3 电磁搅拌的冶金效果 电磁搅拌器合理的安装位置对取得良好的冶金效果非常重要，根据电磁搅拌 器在铸机冶金工艺中的不同位置大致有以下几种模式n 3 15 i ： 1 结晶器电磁搅拌器( m e m s ) 2 凝固末端电磁搅拌器( f e m s ) 3 二冷区电磁搅拌器( s e m s ) 结晶器电磁搅拌中，搅拌器安装在结晶器铜管的外面，方坯m e m s 都是采用 基于旋转磁场的搅拌器；板坯m e m s 则是采用双边行波磁场的搅拌器，其中无论 是方坯还是板坯m e m s 都采用低频电源激磁。 凝固末端电磁搅拌f e m s 主要是用于方坯连铸，搅拌器是安装在铸坯外面， 且都采用旋转磁场搅拌器，连铸时根据断面的大小采用工频电源或者采用低频电 源激磁。 二冷区电磁搅拌s e m s 的搅拌器安装在铸坯外面，方坯s e m s 通常是采用单 边行波磁场型，安装在铸坯内弧的一侧，也有采用旋转磁场型；板坯s e m s 通常 采用双边行波磁场型，分别安装在铸坯内外弧，目前除板坯外，方坯连铸已很少 采用s e m s 。 对连铸坯的质量要求来说，主要有四项基本指标：即连铸坯的几何形状、铸 坯的表面质量、铸坯的内部质量和钢材的纯净度，上述的质量要求与连铸机的本 身设计、采用的工艺水平以及凝固特点等密切相关，在连续铸钢过程中，钢水通 过钢包浇注到中间包中，然后由中间包将钢水转移到结晶器中，因此，结晶器最 上面的液态钢水就直接决定着铸坯内钢液的纯净度。也就是说铸坯的内部质量主 要受从中间包转移到结晶器内的钢水决定，而铸坯的表面质量则主要是受影响于 钢水在结晶器内的凝固过程，最终生产出来的铸坯的断面形状以及尺寸则和电磁 搅拌系统中的循环水装置以及相应的设备状态有关n 6 1 。 表1 3 列出了各段电磁搅拌的冶金效果n 7 1 9 1 。 5 板坯连铸电磁搅拌控制系统的研究实现 正确的选择电磁搅拌器的安装位置以及变频电源电流、频率参数的合理选取 对铸坯的质量有着非常大的影响，它们对铸坯的质量改善作用如下瞳0 22 l ： 1 保证钢水在结晶器中的流动处于一种良性的流动状态下，这种流动既可以 很大程度上的排除铸坯内的气泡，也可以明显的降低铸坯内的夹杂物。 2 可以防止钢水在结晶器中大幅度的波动，有效的防止外面的杂质进入结晶 器内污染钢液。 3 通过电磁力这种非接触搅拌，使钢水受热均匀，防止钢水因为温度太高或 者温度太低而使得钢坯发生卷渣以及结壳等现象的发生。 4 由于电磁力的搅拌作用，液相穴内的钢水将产生明显的对流运动，这种对 流运动将有助于打碎柱状晶，很大程度上提高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析等。 1 4