（控制理论与控制工程专业论文）铝电磁连续铸轧机理研究及复杂电磁场的电气控制.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 针对铝双辊连续铸轧生产过程中添加晶粒细化剂带来的高成本及合金化污 染问题，提出了一套基于电磁场的工艺改进方案。通过查阅国内外相关文献资料， 确立了本课题“变频纵向脉动和横向行波复合磁场”的思路。 本课题的控制对象是为产生复杂电磁场而加在负载线圈上的特殊电气参数。 我们采用的控制方案为运用s p w m 交一直一交变频技术实现负载线圈所需 的v v v f 电源( 产生主磁场) ；并通过单片机产生p w m 驱动脉冲控制变频器电 源输出频率的随机可调；而附加磁场所需的直流电源通过可控整流得到。 本论文中首先分析了我国铝铸轧及供求关系的现状，论述了电磁场对铝晶粒 细化的作用机理及对铸轧参数的要求，提出了其复杂电磁场中特殊电磁参数的控 制思路。接着介绍了s p w m 交一直交变频的控制方案和选用i g b t 电力模块 的依据。然后论述了控制部分的单片机软硬件实现以及控制系统的电磁兼容性问 题及其应对措施。最后对整个研究工作进行了总结并提出了展望。 工业试验表明了控制方案的可行性，具有推广价值。 关键词：电磁连续铸轧，晶粒细化，s p w m 交一直一交变频，i g b t ，单片机， 电磁兼容性 i l 中南大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t a d d i n gg r a i nr e f i n i n gm a t e r i a li np r o c e s so fa l u m i n u mc o n t i n u o u sr o l l - c a s t i n g p r o d u c t i o nr a i s e dc o s to fp r o d u c t c a u s e dp o l l u t i o n ，f o c u s i n go nt h ec h a r a c t e r , a t e c h n o l o g y i m p r o v i n gs c h e m e sb a s e do i le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si sd e s i g n e d a f t e rw e c o n s u l t e dt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n td o c u m e n tm a t e r i a l s ，as c h e m eb a s e d o n c o m p l e xm a g n e t i c f i e l d f o r m e do f f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm a g n e t i c f i e l do f v e r t i c a l p u l s e s h o r i z o n t a lt r a v e l l i n gw a v e i se s t a b l i s h e d ， t h ec o n t r o lo b j e c to f t h ss u b j e c ti st h es p e c i a le l e c t r i cp a r a m e t e ro nt h el o a dc o i l s oa st op r o d u c et h ec o m p l i c a t e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d v v v fp o w e rw h i c ht h el o a d c o i ln e e d e di sp r o d u c e db ys p w mf r e q u e n c yc o n v e r s i o n p w mp u l s ep r o d u c e db y m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l f r e q u e n c yo ft h ec o n v e r t e rp o w e ra d j u s t e da tr a n d o m a n dd cp o w e ru s e dt op r o d u c et h ea d d i t i o n a lm a g n e t i cf i e l di sr e a l i z e dt h r o u g hs c r r e c t i f i e r a tf i r s t t h ef a c to fa l u m i n u mr o l l c a s t i n g & s u p p l y d e m a n di si n t r o d u c e da n d g r a i nr e f i n i n gm e c h a n i s mo fa l u m i n u mb a s e do nm a g n e t i cf i e l di sd i s c u s s e di nt h i s t h e s i s a f t e rc o n t r o lm e t h o do fs p e c i a le l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e ri sp r o p o s e d ，w e i n t r o d u c et h eb a s i sc h o s e no fs p w m f r e q u e n c yc o n v e r s i o n & i g b tp o w e rm o d u l e t h e nr e a l i z a t i o no fm i c r o c o n t r o l l e rb a s e do ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e& e l e c t r o m a g n e t i cc a p a b i l i t y ( e m c ) o f c o n t r o ls y s t e ma r ed e s c r i b e de m p h a t i c a l l y t h e l a s tc h a p t e rs u m m a r i z e sr e s e a r c hw o r k & e x p e c t sr e s e a r c he m p h a s i si nf u t u r e f e a s i b i l i t y a n d a p p l i e dv a l n e o ft h ec o n t r o ls c h e m e sa r ev e r i f i e dt h r o u g h i i i d u s t r i a l s c a l et e s t s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr o l l - c a s t i n go fa l u m i n u mb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， g r a i nr e f i n i n g ，s p w mf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，i g b t ，m i c r o c o n t r o l l e r , e m c i i i 中南大学硕士学位论文 刖爵 前言 经济的发展带来铝材消耗的多样化，对铸轧产品的生产提出更高要求。改进 生产工艺、提高经济效益、主动迎接挑战势在必行。从2 0 世纪8 0 年代开始，众 多专家开始研究电磁连续铸轧，拟用电磁场代替通常的晶粒细化剂，以提高板、 箔材的质量，并降低成本。我国也是同期开始研究，并先于各国试验成功。 本论文中根据对电磁铸轧机理的研究，提出了“变频纵向脉动和横向行波复 合磁场”的电气控制思想。论文中着重论述了基于i g b t 的s p w m 交一直一交 变频方式在铝电磁铸轧控制中应用的原理及其单片机的软硬件实现方案。本方案 是自动控制理论与计算机控制技术在材料制备领域的具体应用。 本课题为国家8 6 3 项目，曾先后由中国有色金属工业总公司、湖南省科技厅 立项。经历了由c s i 型交一交变频到c s i i 型交一直一交变频的电磁场控制方 案的研制，已在现场应用并通过囡家验收。该项技术的逐渐走向成熟，将大大促 进我国铝板制备工业的发展。 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 “铝电磁连续铸轧”是国家8 6 3 项目，其电气控制部分是我校机电工程学院 委托我方设计开发的，属纵向课题。本课题的控制对象是为产生复杂电磁场而加 在负载线圈上的特殊电气参数。 1 1 1 我国铝产业供求矛盾川 铝是第二金属，由于性能好，回收成本低，是一种可持续发展的有色金属。 综观全球，铝的年消费增长速度一直高于经济发展或与经济发展速度相一致，铝 市场需求较坚挺 我国二十年铝的消费增长速度平均为1 0 左右，八五期间增长速度高达1 4 4 ，增幅较大。我国还是铝的进口大国之一。1 9 9 5 年，我国铝工业累计产量1 6 5 6 4 万吨，进口累计5 9 4 6 万吨，消费累计2 2 5 l 万吨，国内产量一直满足不了国内 市场的需求。 从1 9 9 9 年我国原铝供需平衡情况看出铝的进口大于出口，消费大于生产， 中国原铝产量排在美国、俄罗斯之后。处于第三位，中国铝的消费量排在美国、 日本之后也位居第三，中国现在仍然是铝的进口大国之一。 分析西方发达国家铝的消费结构可知，交通、建筑和包装三个领域的消费比 例约占总消费量的7 0 ，且近几年交通运输发展速度较快而我国铝的消费结 构中，建筑、包装和交通运输行业占总消费量的5 l ，正逐步向发达国家的消 费结构靠拢。 资料表明，我国大规模的电网改造也为铝创造了大量的需求。据统计仅1 9 9 9 年用于农村电网改造原铝就达2 0 万吨，从2 0 0 0 年开始，城市电网改造也将启动， 投资将达到8 0 0 亿元，这也将带动铝消费的增长 1 1 2 我国铝加工技术装备水平及生产能力分析 传统的铝板带箔生产方式是“二人转”式轧机，随着国民经济的发展，这部 一 分设备和生产能力正在被市场逐渐淘汰。 9 0 年代以来，我国新建和改扩建的铝板带箔生产企业共4 7 家( 包括制品厂 铝板生产系统的改扩建) ，新增铸轧机4 9 台，热轧机1 l 台( 包括技术改造) ，冷 轧机4 5 台，箔轧机4 1 台。形成板带生产能力7 2 5 万吨，箔材生产能力1 2 2 万 吨，分别占全国总能力的6 0 4 和7 5 8 。这些设备普遍采用“带式”法生产， 轧机采用了各种现代化控制手段，使我国铝板带箔加工的总体装机水平和产品质 量有了很大的提高，这部分设备及能力是我国板带箔生产的主要力量。 经过近十几年的发展，我国铝加工工业的装机水平有了非常大的提高，但总 体水平仍与世界先进水平有较大差距。特别是铝带箔材加工，虽然某些企业的单 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 台设备达到了世界先进水平，但由于国内供坯能力等原因，国内制罐料等产品还 主要依靠进口，铝箔坯料、p s 版基等产品质量与国外产品有明显的差距。 我国铝加工装备存在竞争力不强的问题。在国内外市场融通的今天，粗放型 经营的问题开始暴露。随着中国加入世贸组织，铝加工工业用的各种装备，将面 临着来自世界各方面更趋激烈的冲击面对上述形势，迫使我们加速开发、创新、 研制铝加工业用的一些专用设备，否则将面临没有适销对路的产品，企业难以生 存的困境。 1 1 3 铝电磁连续铸轧 铝双辊连续铸轧具有投资省、成本低、流程短等优点，自2 0 世纪5 0 年代起 得到了广泛应用。但为了获得晶粒细小的带坯，提高产品质量，在生产过程中必 须添加变质剂进行晶粒细化，增加了产品成本。多年来，众多专家学者不断探索 新的方法，以改善铸轧产品的性能价格比，提高经济效益从8 0 年代开始，前 苏联与澳大利亚的科学家研究电磁连续铸轧，拟用电磁场代替通常的晶粒细化 剂，以提高板、箔材的质量。我国也是同期开始研究，并先于各国试验成功。【3 】【4 】 电磁铸轧技术，就是把电磁场引入铸轧过程，利用电磁力来改变晶体成长线 速度而达到晶粒细化的目的，从而降低了生产成本，并避免产生合金化污染。【5 】 本课题属材料制备机电领域，为高性能铝板带材的生产提供一种新的装备与 技术 1 9 8 6 年中国有色金属工业总公司立项 1 9 9 5 年湖南省科技厅立项 1 9 9 6 年工业试验成功 1 9 9 7 年开始工业生产应用 1 9 9 9 年获实用新型专利“用于铝带坯铸轧的电磁感应器” 2 0 0 1 年由湖南省科技厅主持成果鉴定获教育部高校发明一等奖 2 0 0 2 年获发明专利授权 2 0 0 3 年获国家技术发明二等奖 1 2 社会经济效益分析 “铝带坯电磁铸轧方法及装置” “铝带坯电磁场铸轧装备与技术” 将电磁场技术应用到连续铸轧中，实现连续铸轧尚属首次，在国外亦未见报 道。本课题的研究成功可实现工业推广应用与产业化。并促进我国的连续铸轧技 术处于世界领先水平。 电磁铸轧属低收入高产出的技术，在现有铸轧机上配置一套电磁装置，其成 本在3 0 4 0 万元左右，而在新设计的铸轧机上实施该技术效果更佳，它的应用将 不仅大幅度增加产品质量，并且将获得显著的经济效益。 6 1 1 、为了得到细晶粒组织，按正常生产每吨铸轧带坯需增加l ，5 千克进口铝 钛硼晶粒催化剂，为此，每生产1 吨带坯需增加成本7 5 元，而实现电磁连续铸 轧，每生产1 吨带坯仅需耗电扣5 度，即多需电费2 元左右因此用电磁场取代 2 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 铝钛硼，每吨带坯可降低成本5 0 元左右，按每台铸轧机年产量8 0 0 0 吨计算，则 台铸轧机每年可节省资金4 0 万元。我国现有铸轧机3 0 多台套，实现电磁铸轧 每年可节省资金1 2 0 0 多万元。 2 、电磁场对金属熔体无任何污染，因此电磁铸轧可提供高纯度、高质量的 电子铝箔带坯，这是加铝钛硼变质剂铸轧无法达到的：由于电磁场的作用改善了 凝固前沿熔体的流动性能并使晶粒在长大的过程中不断改变方位，因此电磁连续 铸轧可扩大合金品种生产出接近无织构取向的带坯，使铸轧板的深拉性能取得突 破性进展，从而提高铸轧板的竞争能力。按传统的热轧生产方法，每吨热轧板的 生产成本比铸轧板高2 0 0 0 - 2 5 0 0 元左右。因此，仅电磁铸轧带坯在高纯铝系列、 3 0 0 0 系列、8 0 0 0 系列取代热轧带坯，每年可降低生产成本数十亿元。 3 、电磁铸轧能有效的减小成分偏析，能为生产p s 板、高密度光盘等高科 技产品提供优质带坯。 可见，在国内广泛应用电磁铸轧技术，每年可为国家或企业创经济效益数亿 元。同时对推进我国铝加工工业的科技发展产生非常积极的作用。 1 3 对象的特点及控制要求 电磁铸轧装备在铸轧生产中应稳定可靠，便于操作，装卸方便，保证连续稳 定生产。电磁感应器必须与铸轧设备配合良好，并在尽可能小的电流强度下产生 尽可能大的磁感应强度，充分搅拌铝熔体，保证细化效果电磁铸轧方法应能完 全替代铝钛硼( a i - t i b ) 细化剂细化铸轧板组织 现场设备结构及晶粒细化机理的约束决定了所需电磁场的的特殊形态以及 电磁感应器的特殊结构。通过查阅相关资料并结合实验数据，我们确立了“变频 纵向脉动和横向行波组合磁场”的思路。【5 j 【6 】 对于电气控制部分来说，控制对象是负载线圈的电压、电流。产生磁场的类 型与线圈两端电压以及各线圈之问的物理位置关系均有关。 在实验室研究的基础上，研制了电磁铸轧用的特殊磁场发生装置。该装置主 要由电磁感应器和功率供给( 即电源供给) 两大部分组成。电磁感应器主要由上、 下铁芯和线圈( 三者形成感应元件) 组成。功率供给主要由a c - d c - a c 特殊变 频装置组成，使三相工频交流电变换为工艺所需的特殊频率交流电。在各相负载 线圈中通入具有一定相位差的交流电，从而使得感应元件在铸轧区的铝熔体中产 生具有一定形态的特殊交变磁场，满足连续铸轧生产中细化晶粒的要求。变频装 置采用单片机系统来控制 1 4 论文构成 本文首先分析了我国铝铸轧及供求关系的现状，指出了对铸轧生产工艺、设 备改进与创新的必要性。针对我国在铝电磁连续铸轧方面的科研进展情况，提出 3 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 了其复杂电磁场中特殊电磁参数的控制方案，并阐明了研制本系统的意义。 第2 章论述了电磁场对铝晶粒细化的作用机理及对铸轧参数的要求。着重论 述了细化机理，并根据现场设备结构及晶粒细化机理分析了所需电磁场的的特殊 形态，以及有关电气参数的特点，核心为励磁电流的频率控制在l o 1 5 h z 并随 机导换。 第3 章则根据所需电磁参数，确定基本的控制思路。通过对几种基本变频方 式的对比分析，提出s p w m 交一直一交变频的控制方案。拟采用晶闸管电路将 三相工频电源整流，然后通过i g b t 全控桥实现频率可调整的逆变。 第4 章详细论述了i g b t 电力模块的结构特点，通过与g t r 、m o s f e t 的 性能比较得出逆变电路使用i g b t 模块的优点。介绍了i g b t 的保护及驱动电路 以及模块的选型依据，着重说明了e x b 8 4 1 驱动芯片的使用。 第5 章阐述了s p w m 触发脉冲的单片机软硬件实现。前半部分介绍了硬件 组成，着重论述了5 1 系列单片机m c u 的以及脉冲产生专用芯片s a 4 8 2 8 的特点， 还介绍了采样及显示模块。后半部分介绍了软件编程，通过对程序模块的分析， 指出程序结构、编程语占及其选择依据。 第6 章先阐述了一般控制系统的电磁兼容性问题及其应对措施，然后结合本 系统的现场运行环境特点，提出了具体的解决措施。 最后为结束语，对铝电磁连续铸轧电气控制系统的设计予以总结，并结合发 展趋势指出了系统进一步改进所需要做的工作。 4 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 第2 章电磁铸轧机理 更有效地利用资源、减少污染、提高金属材料加工的技术水平是材料行业 2 l 世纪所面临的重要课题。电流、磁场等对金属凝固组织有显著的细化作用 与传统的添加剂细晶技术相比，应用这些物理手段控告口和细化金属凝固组织具有 环境友好、操作简便等优点，且可以避免对环境和金属材料本身造成的污染。 2 1 磁场对金属凝固组织的作用机理 磁场对液态金属的作用主要有：抑制液体流动、搅拌、电磁悬浮等。 匀强静磁场对凝固体系作用主要是磁场力磁场力有可能导致铁磁质颗粒的 偏聚，液体金属自然对流的削弱等。 在交变磁场作用下，凝固系统内将产生一个感应电流，磁场与感应电流之间 发生电磁作用，产生电磁力，其方向是沿径向将金属压向或拉离轴心，从而凝固 体系产生了规则的波动。这种波动对凝固过程的影响与通常的强化对流产生的影 响没有实质区别。因此，具有细化晶粒的作用。 从磁场带来的波动效应看，磁场强度越大，电磁压力越大，因而波动越激烈， 晶粒细化效果越显著但是在磁场强度增加的同时，感应电流也成比例地增加， 这相应地会在凝固体系内增大热效应，从而使过冷度减小，进而使形核率下降， 所以磁场强度过大时，会引起晶粒粗化。因此，磁场强度与晶粒细化效果之间的 关系曲线应是一条有极值的曲线。 脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流。涡流和磁场之间相互作用即产生洛仑兹力 和磁压强。它们是剧烈变化的，且其强度远大于金属熔体的动力压强，这就使金 属熔体产生强烈振动。这种振动的一方面增加了熔体凝固中的过冷度，提高了形 核率；另一方面在熔体内造成了强迫对流，使凝固过程中树枝晶或难以长大，或 被折断、击碎，而这些破碎的枝晶颗粒游离于结晶前沿的液体中又会成为新的生 长中心。所以在一定范围内脉冲磁场强度愈大，细化效果愈显著。1 7 j 1 8 】 2 2 电磁铸轧技术 电磁铸轧( 或称磁流体铸轧) 技术的思路是在铝合金连续铸轧的铸轧区中施 加交变的特殊形态电磁场，形成铝合金磁流体铸轧技术。其目的是要用电磁场在 凝固结晶过程中的作用来取代变质剂作用，达到细化晶粒、改善铸轧坯质量，提 高板坯深冲性能等。 2 2 1 电磁铸轧的机理分析 图2 - 1 是电磁铸轧示意图。现场设备结构及晶粒细化机理的约束决定了所需 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 电磁场的的特殊形态以及电磁感应器的特殊结构。 由于铸轧辊材料导磁性能良好，若采用单一脉振磁场，磁场发生器上下磁极 板与轧辊的作用力很大，则磁场方向交替变化引起浇注系统和铸轧机本体的强烈 振动，影响铸轧系统稳定性和设备寿命参考国内外黑色金属连续铸轧的电磁场 方案，采用行波磁场具有搅拌力大、振动小等特点，因此采用行波磁场为主的随 机形变的特殊磁场。 图2 - 1 电磁铸轧示意图 ， 将供料嘴安装在电磁感应器的上下铁心气隙中，在线圈中通入变频交流电， 产生交变的行波磁场和交变的脉振磁场，从而在导电的铝熔体中感应出涡流，感 应涡流产生一逆向磁场阻碍交变磁场的变化；同时在铝熔体中通入直流电，产生 附加磁场。合成复合磁场为椭圆形旋转磁场，据f = i x b 可知铝熔体受到电磁感 应力作用。不断改变磁场方向即改变电磁力的方向。电磁场作用改变了铸轧前沿 熔体的流场及温度场改善了浓度分布，从而影响和改变了铸轧区金属熔体的凝 固结晶过程。由于电磁力作用使得流场及温度场分布较自然对流下的分布要均 匀，这有利于凝固和结晶，从而改善凝固组织。电磁场施加于铸轧区熔体的作用 机理可以描述为： 8 1 1 9 1 - 电磁力作用一方面从外部对熔体输入了外加的电磁振动能，加剧了熔体内部 能量起伏，促使金属的均质形核；另一方面，在电磁感应力作用下，使成长中的 枝晶或柱状晶受到具有一定流速的熔体的机械剪切以及振动冲击而碎断、剥落。 碎断的枝晶进入熔体中。若未被熔化而悬浮在熔体中时，起到晶粒形核的质心作 用，形成更多的晶核，促进晶粒增殖；再则，由于电磁力作用加速和改变了熔体 的运动状态，使离凝固前沿较远的高温熔体与固一液界面附近含有高固态百分比 的低温熔体强行进行交换，改变了凝固前沿的流场及温度场、浓度场，减小了熔 体的温度梯度，降低了浓度差异，使整个凝固结晶区域温度、浓度较均匀，导致 形核结晶在较大范围内同时开始、进行、结束，有利于晶粒细化和消除偏析；同 时由于电磁力作用强化了熔体内部对流，使熔体内部微粒由低速层流转为高速紊 流，从而使得从固态枝晶上脱落下来的碎块迅速扩散到凝固前沿的熔体中去，形 成结晶一碎断一搅拌一结晶的动态过程，导致早期柱状晶等轴化，最终达到破坏 定向结晶、强化动态结晶的目的，达到显著的晶粒细化效果。 6 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 2 2 2 电磁参数与金属结晶凝固的关系 电磁铸轧中，铝及铝合金凝固结晶行为依赖于所施加的电磁场，而在确定结 构的电磁感应器中，其电磁场主要由两个电磁参数：磁场强度( 最终表现为电流 强度) 和电磁场频率决定因此，磁场强度、电磁场频率与凝固结晶行为之间存 在必然的密切关系。 ， 对一定结构的电磁感应器而言，磁场强度的大小取决于励磁电流强度及频 率，电流的变化对磁场强度的变化影响很大，在较小的励磁电流下，随电流的增 长呈线性关系。当超过一定值后，由于试验装黄的磁路趋于饱和，磁场强度几乎 0 1 0 2 0 3 04 0 i ( ) 2 0 0 1 0 0 i ( ) 图2 - 3 铸轧区前沿磁感应强度与电流强度及频率关系图2 - 3 励磁电流与晶粒度关系 图2 - 4 磁感应强度与电流的关系 譬4 v 0 3 2 1 l 。 图2 6 熔体所受水平推力与频率的关系 7 耋 文 2 1 o 5ll o1 2 1 5 i ( ) 图2 - 5 熔体所受电磁推力与电流的关系 “e 之麓婆咯 4 3 2 1 ( 工f o o f 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 不再随励磁电流的增加而增加，而就频率而言，电流一定时，频率减小，磁场强 度有所增加，它们之间的关系如图2 - 2 所示而励磁电流与晶粒度关系如图2 - 3 ， 分别改变电磁参数，根据实验数据，得到磁场强度和电磁推力与电磁参数的关系， 分别如图2 4 、2 5 、2 6 所示。【9 】【”】 由以上三图可得出以下结论：1 ) f 固定时，磁场强度b 随i 增大而增大；2 ) f 固定时，电磁推力( 水平方向) f x 随f 增大而减小。 因此就磁场强度而言，磁场强度增大，f x 随之增大，有利于熔体的流动性 加强，从而对技晶碎断、游离作用加强，有利于更好地抑制凝固前沿枝晶生长， 增加形核、均匀温度，使凝固在较大的体积范围内同时进行，细化效果增强，容 易获得细小的等轴晶组织但较大的磁场强度易激起料嘴垂直方向的振动撕裂氧 化膜，这是不可忽视的因素。故磁场强度不能过大。 铸轧板坯晶粒大小与电磁场频率和换向频率有着密切的关系频率很低时， 电磁感应力对晶粒切割、碎断的频率小，而结晶的速度又很快，碎晶形核不足， 且来不及扩散，故细化效果差，且不均匀频率过高时，电磁感应力的方向变化 太快，而铝熔体具有较高的黏度，存在滞后现象。当一个向左的感应力过后铝熔 体质点正待向左运动；而接着产生一个向右的力，铝熔体质点又要跟随向右实 际上左、右运动都来不及，质点只有原地微动或不动，不能使枝晶碎化，也就没 有细化效果。另外，频率太高，由于集肤效应，电磁力作用深度不够，晶粒细化 效果差，因此电磁场的频率在2 0 h z 以下的低频段有一最佳区域。 由电磁场仿真结果分析可知，气隙磁场中所能达到的最大磁场强度约为 2 4 0 g s ，小于经流场仿真分析所得出的最佳磁场强度值2 5 0 g s 。由此可知，气隙 磁场中b 值远未能达到最佳要求，为此综合上述三个实验结论，我们在进行工 业试验时，为了强化晶粒细化效果，提高产品质量，必须提高铸扎区内b ，故应 尽量增大电流强度。但由图2 - 3 可知i 也不能无穷增大，当i 达到3 0 a 左右时， 再增大i 值将毫无意义；其次，为了增大水平推力f x ，应适当降低运行频率f ( 在 i 确定条件下) 则实际运行的最佳频率( 1 2 - 1 4 h z ) 较推理计算的最佳频率( 1 5 h z ) 要小些。 2 3 电磁场形成原理1 5 i 电磁感应器由三相绕组构成。把三组单相绕组产生的磁势波逐点相加，就可 以得到三相绕组的合成磁势。 2 3 1 单相绕组的磁势 设电磁感应器的气隙是均匀的，线圈中通过的电流为i ，线圈匝数为n 。由 于气隙磁阻远大于铁心的磁阻，故可认为气隙的磁势降等于整个磁路的磁势降。 在任一回线磁路中，作用在空气隙的磁势即为总磁势j 称每极安匝数。假设磁通 由上铁心进入铸轧嘴中的方向为正方向，铸轧区中分布的磁势波如图2 7 所示。 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧帆理 f c h + hl oo - r 1 2 0 r l z ：) 伯 图2 - 7 单个绕组磁势波图 磁势的空问分布为一近似矩形波，其宽度约等于铁心的宽度，幅值为f = n i 。 若线圈中电流随时问按余弦规律变化，即f = 2 j c o s r o t 时，以线圈轴线处( x _ o ) 作为坐标原点，则磁势为： f ( x ，f ) = 4 2 n i c o s c o t = f ( x ) c o s o j t ( 2 1 ) 故在- l x l 区域，其幅值为：f = 2 v 磁势的频率与电流的频率相同，其大小随时间按余弦规律脉振，但其曲线在 空间保持固定位置。以上只分析了基波磁势，而矩形波磁势可以分解为基波和一 系列具有特定幅值和周期跨距的高次空间谐波。由于高次空间谐波电流会产生不 良的影响，所以在电磁感应器绕组安排上采用了正弦分布方法来削弱磁势中的谐 波成分。 因电磁感应器每相绕组都是由多个线圈组成的每个线圈的基波磁势相等， 在空间相差一个a 电角度，则迭加得到线圈组成的基波合成磁势，仍为一正弦波。 根据空间相量关系关系可以求得合成磁势的幅值f ，它是一个脉振磁势。由于这 个脉振磁势产生的电磁感应力作用于铝液中，对铝液起到增加结构起伏和能量起 伏的作用，有利于形核和细化晶粒。 2 3 2 单相绕组的磁势行波 仍取相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，则单相基波脉振磁势方程式为： 石o ，f ) = ec o s 脚r c o s 二石 又有 石。力= 圭巧c 。s ( 耐一手，) + 芝if 。c 。s ( 埘+ 詈f ) = 厂托d + 厂( 州) c z 分析式( 2 - 2 ) 中第一项可知：当e o t = o 时，石f ) = 圭巧c o s ( 一予f ) 当耐= 一时，f l ( x , t ) = 丢互c o s ( 口一手，) 其波形如图2 - 8 中虚线所示。虚线所示的波形是磁势行波扫过这一点所造成 9 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 的余弦变化。所以式( 2 - 2 ) 第一项表示一个恒幅余弦分布的正向行波。由于电 图2 - 8 单相磁势行波图 磁感应器类似单边形直线电动机，所以，。巧似r ) 沿气隙的连续推移就成为磁势行 波，其产生的磁场就是行波磁场。这个推移的行波磁场产生的电磁力主要起到加 强横向剪切力的作用。但不容忽视的是在电磁感应器绕组和液态金属之间存在较 大的法向磁拉力，当这个力太大时会导致机械振动的有害影响。 2 3 3 三相绕组的磁势1 1 2 l i l 3 l 可以求得三相对称电流产生的合成磁通为沿气隙圆周旋转的旋转磁通势波。 但是本系统中要求三相电流不对称。不对称的三相电流可以用对称分量法将 其分解为正序分量l + 、k ，j c + ，负序分量l 一、j 。、毛和零序分量、厶。、 ，其有效值分别用l 、l 和，o 表示，可得各相电流为 = , i c o s ( 耐一纯) + 2 【c o s ( 耐一纯) + 2 厶c o s ( 耐+ ) = 弘c 。s ( 国r 一吼一詈石) + 孤c 。s ( 耐一纯一詈石) + 甄c o s ( 耐+ ) 七= 皿c o s ( 研一红一詈石) + 凰c o s ( 耐一纯一吾石) + 凰州耐训 式中仉、纯、钆分别是正序、负序、零序电流的初始相角。各序电流系统 将分别产生磁动势，这时三相正序电流l 产生幅值为正。= 1 3 5 ( w k 。, p ) z 的正 向旋转基波磁动势，三相负序电流l 产生幅值为e 坩= 1 3 5 ( w k 。肠) l 的反向旋 转基波磁动势。三相零序电流产生的三个脉振基波磁动势由于在空间相位彼此错 开2 州3 电角度而在时间上三者以相同的相位来脉振，所以任何时刻任何位置它 们的合成磁动势均为零值。最后可得总的磁动势的解析表达式为： 唧) - l 争枷s ( 研+ 纹- o ) + 1 3 5 争1 _ e o s ( 刎+ 纯- o ) 也可以用幅值为，k + 、角速度为的正转空间矢量f + 和幅值为e + 、角速度 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 为一的反转空同矢量f - 来表不上式的两个磁动势分量，则合成矢量f = n + f 可表示总的磁动势。 设取f 和f - 同相时作为x 轴方向，并以这一瞬间作为t - - - - 0 时刻，经过一段 时问t 后，f + 逆时针转了珊f 角度而f 顺时针转了c o t 角度。设取f 的横轴分量为 x ，纵轴分量为y ，则 z 薯s 0 8 i n 卅c o t - ：螂s l n c 耐a t 三置：器s i n c 哆a t 协s ， ly = f + f - = f + 一f _ ) 将以上两式平方后相加可得面x 可-+ 瓦y 一- _ ：j 2 。= 1 ，是一个椭圆方程，( b + f - ) ( f + 一_ ：j 表明合成磁动势矢量f 旋转一圈时，矢量端点的轨迹是一个椭圆。 徽鼢n x f 2 + f _ z + 2 f f _ c o s 2 c o t 啪瞅角1 7 = t g - t ( 精叫， 对时间求微分得合成磁势的角速度q = 墨；。 膏 则角速度与合成磁势幅值平方成反比，在长轴附近角速度低些，在短轴附近 角速度大些，推移方向则视正序和负序磁势哪一个强而定当正序和负序磁势中 任一个为零时，则产生一幅值不变、以相应频率推移的磁势。当正序和负序磁势 相等时，则是脉振磁势。因此，当电磁感应器通入的电流在时间上不是相差州2 电角度时，合成磁势在水平方向的推移力显然比纵向方向的推移力要大些，所以 总的趋势是一个与铸轧机轴向平行的推移力。 1 8 图2 - 9 合成磁势椭圆形相量图 2 4 铸咀前沿的铸轧区磁场设计与磁感应强度保证1 6 i ， 为了使在凝固过程中生长的枝晶乃至柱状晶受到机械剪切和振荡而碎断、剥 落，并迅速地使碎块均匀扩散到熔体中形成新晶核，所设定的电磁场是以低频行 波磁场为主的复合磁场。该磁场的移动方向与轧辊轴线平行，并同时叠加了频率 较高的脉振磁场。经过多次改进目前己能达到多种频率叠加、频率自动转换、磁 中南大学硕士学位论文 第2 章电磁铸轧机理 场运动方向按工艺要求换向电磁感应器是产生复合磁场的核心装置，它的设计 必须与现行铸轧机组配合，便于安装和生产操作，在尽可能小的电流强度下产生 尽可能大的磁感应强度 为此，在磁路旁中采取了一系列隔磁措施，而在主磁路中增加引导，减少不 必要的气隙，使电磁感应器所产生的磁力线通过导磁靴、轧辊和铸咀前沿的铝熔 体后，再经导磁靴返回电磁感应器，组成闭合回路 图2 一l o 电磁感应器位置示意图 电磁振动有使凝固过程中生长的枝晶碎断、剥落，形成晶核的作用。因此， 电磁振动能抑制柱状晶生长，细化晶粒但随着振幅的增加易使铸轧板表面产生 大量的氧化膜折叠或浅表裂纹，试验证实：消除低频、大振幅的振动是确保电磁 铸轧板表面质量的关键之一。通过使电磁场的频率随机导换和增加供液系统( 含 电磁感应器) 的刚度等措施，可以把振动限制在安全的范围内 2 5 电磁参数的特点 电磁铸轧的基本参数由电磁参数和工艺参数组成，电磁参数( 磁场形态、磁 感应强度、励磁电流频率和导相频率与工艺参数( 铸轧速度、浇注温度、冷却强 度、液面高度) 的合理组配是获得高度质量带坯，达到项目预期目的的关键。 电控系统则更关心为产生磁场而加在负载线圈上的励磁电流的有关参数。 图2 - l l 励磁电流导换示意图( 图中频率无随机) 1 2 中南大学硕士学位论文第2 章电磁铸轧机理 电磁铸轧系列试验表明，电磁搅拌和电磁振动能抑制柱状晶生长，细化晶粒； 在铸轧区施加以行波为主的复合磁场，加剧铝熔体结构起伏，利于形成均质形核； 励磁电流的频率控制在1 0 1 5 h z 的可行域内，并在流动的铝熔体中通入一定的 直流电流产生附加磁场，晶粒细化效果较好。试验中还发现，通过使电磁场的频 率( 表现为励磁电流) 随机导换，不至于使电磁振动产生有害作用 中南大学硕士学位论文第3 章系统控制方案设计 第3 章系统控制方案设计 3 1 总体方案设计 根据被控对象的特点及有关参数的要求，设计出电磁场发生系统框图、系统 控制方案图分别如图3 1 、图3 - 2 所示。控制方案分为三相( 三个单相) 变频以 及同步电路、辅助整流电源、过流过压保护、电流电压测量、照明供电等部分。 工频三相交流电经变频装置后得到v w f 电源，加到负载线圈。在由上铁 心、气隙、下铁心组成的闭合磁路中产生磁场。变频器是系统被控对象的核心， 其输出相位严格对称，各相中幅值独立可调，根据铝带轧制工艺的要求，其输出 频率在某一中心频率的基础上作随机变化即厂= 磊+ v ( 其中为中心频率， 厂为随机频率) ，以便获得较理想的晶粒细化效果。1 1 1 1 4 1 图3 - 1 电磁铸轧磁场发生系统示意图 考虑到本系统的负载线圈具有大感抗、强耦合的特点，而输出电压的中心频 率、相序在一定范围内随机导换，为防止出现环流，导致逆变失败，故而在该方 案中将三相负载线圈分开，而非采用交流调速系统中常见的y 型接法。同时三相 变频分别控制，便于实现输出电压幅值独立可调。这样变频装置的电力元器件数 目相应翻倍，c s - i ，c s - i i 型电磁铸轧机的工业现场试验已经证明了该设想的可 行性。所以，通过局部牺牲电器元件数目来实现控制方案的简化并确保方案的可 靠性是值得的。 三相同步电路为三相交- 直- 交变频电路中的整流部分提供脉冲控制的同步 信号选取原则为当控制电压u 。o = o 时，同步l l i 由负半周到正半周的过零点位于 使输出u d = o 的角度处。 辅助电源中，通过晶闸管整流得到所需的低压直流电，供给铝熔液产生附加 磁场。铝熔液中通电因处于近似短路状态，确保可靠性尤其重要由于现场所需 的电流大小跟不同型号的轧机有关，且不同温度下铝熔液的电阻值均有所变化， 使用可控整流电路便于调节，实现电流的稳定可靠输出此电路比较成熟，故不 再详述。 外界电源经过保护装置、相应降压变压器后给各逆变桥、整流桥、控制电路 1 4 中南大学硕士学位论文 图3 2 系统主电路框图 1 5 第3 章系统控制方案设计 羞鼍- 犍一 装 ：匝罾锄拣峨 中南大学硕士学位论文第3 章系统控制方案设计 供电在系统的总进线端，通过电流互感器，可取得各相的电流信号，电压信号 可直接获得，并经隔离器后送操作台的仪表显示。 3 2 变频方式选择1 1 5 i i “1 1 1 7 1 交频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后半期开 始，电力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( 门极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极性 功率晶体管) 、m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、s r r ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) 、m g t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( m o s 控制品闸管) 发 展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极性晶体管) 、h g b t ( 耐高压绝缘栅双极性晶闸 管) ，器件的更新促使电力变换技术的不断进步。经过从交一交变频到交一直一 交变频的发展，2 0 世纪7 0 年代开始，脉宽调制变压变频( p w m - - v v v f ) 调速 研究引起了人们的高度重视。变频技术在电磁铸轧机应用是为了得到生成复杂电 磁场所需加在线圈负载上的特殊电气参数。 3 2 1 直接变压变频装置( 交一交变压变频装置) 直接变压变频装置的结构如图3 3 所示。它只用一个变换环节，把恒压恒频 ( c v c f ) 的交流电源变换成v w f 电源，因此，称之为“直接”变压变频装置 或交一交变压变频装置有时为了表现其功能，又称周波变换器 ( c y c l o c o n v e r t e r ) 。 一5 0 h 图3 - 3 直接变压变频装置 常用的交一交变压变频装置输出的每一相都是个两组晶闸管整流装置反 并联的可逆线路( 见图3 4 ) 。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就 获得交变的输出电压1 1 0 。1 1 0 的幅值决定于各组整流装置的控制角d ，u 0 的频率决 定于两组整流装置的切换频率。如果控制角a 一直不变，则输出平均电压是方波。 要得到正弦波输出，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角，例如， 在正向组导通的半个周期中，使控制角o t 由“2 ( 对应于平均电压u o = o ) 逐渐减 小到0 ( 对应于平均电压1 1 0 最大) ，然后再逐渐增加到2 ，也就是使a 角在丌2 o 丌2 之问变化，则整流的平均输出电压1 1 0 就由零变到最大值再变到零，呈正 弦规律变化。如图3 5 所示图中，在a 点，a = 0 ，平均整流电压最大，然后 在b 、c 、d 、e 点，a 逐渐增大，平均电压减小，直到f 点，n = 2 ，平均电 压为零，半周中平均输出电压为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制 也是这样 1 6 中南大学硕士学位论文第3 章系统控制方案设计 图3 4 交一交变压变频装置单相电路 对于三相负载，其它两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位 依次相差1 2 0 。这样，如果每个整流器都用桥式电路，三相交压变频装置共用 三套反并联线路，共需3 6 个晶闸管( 当每一桥臂只用一个时) ，若采用零式电路， 也得要1 8 个晶闸管。因此，交一交变压变频装置虽然在结构上只有一个变换环 节，省去了中间直流环节，但所用器件较多，总设备相当庞大不过这些设这些 设备都是直调速系统中常用的可逆整流装置，在电源电压过零时自然抉相，技术 上已很成熟，对器件没有什么特殊要求。 由图3 5 还可看出，电压反向时最快也只能沿着5 0 h z 电源电压的正弦波形 变化，受到输出谐波电流以及脉动转矩的限制，交一交变压变频装置的最高输出 频率不超过电网频率的1 3 l 2 另外，交一交变频功率因数较低，而且变频输 出电压的波形比较差，谐波分量很大。 髟錾菌燃蒙凝 j 1 黜掳 q t ju l 图3 - 5 正弦波交交变压变频装置的单相输出电压波形 3 2 2 间接变压变频装置( 交一直一交变压变频装置) 间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将 直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置， 或交一直一交变压变频装置，图3 - 6 绘出了其主要构成环节按照不同的控制方 式，又可分成图3 7 中的a 、b 、c 三种。 图3 - 6 间接变压变频装置 1 用可控整流器调压、逆变器调频的交一直一交变压变频装置( 见图3 - 7 a ) 在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配 1 7 中南大学硕士学位论文第3 章系统控制方案设计 合，其结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电 b ， n 图3 7 间接变压变频装置的不同结榭形式 a ) 可控整流器调压、六拍逆变器调频 b ) 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频 c ) 不控整流、