板坯電磁攪拌器磁場實時校正系統(tǒng)研究與應(yīng)用

汪 亮，鄒志強，劉 勇，袁 鵬

（湖南中科電氣股份有限公司，岳陽414000）

電磁攪拌（electromagnetic stirring，EMS）實質(zhì)就是通過借助電磁力強化鑄坯內(nèi)未凝固鋼水的運動，通過改善連鑄坯內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，減少中心偏析，消除中心縮孔，大大增加等軸晶率的方式，最終實現(xiàn)改善鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量的目的[1-2]。隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵行業(yè)內(nèi)部之間的競爭越來越激烈，人們對鑄坯質(zhì)量的要求不斷提高，對鑄坯的力學性能、鑄坯中的夾雜物含量、皮下氣孔等提出了極為苛刻的條件，不僅要求具有均勻的成形性能，同時還對表面質(zhì)量提出了較高的要求。采用電磁攪拌可以促進鋼水中氣泡和夾雜物上浮、使鋼水成分和溫度均勻、提高鑄坯等軸晶率，使鑄坯質(zhì)量得到顯著改善，因此目前電磁攪拌已成為高效、高品質(zhì)連鑄必不可少的一種工藝手段[3]。電磁攪拌器按照激發(fā)磁場的不同主要分為旋轉(zhuǎn)磁場型、行波磁場型，對于鋼鐵領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)磁場型的攪拌器主要應(yīng)用于方圓坯鑄坯攪拌，行波磁場型的攪拌器主要應(yīng)用于板狀鑄坯攪拌[4]。

目前國內(nèi)各大高校和研究院學者對板坯攪拌器和驅(qū)動板坯電磁攪拌器驅(qū)動用的專用變頻電源以及控制系統(tǒng)進行大量的研究：如文獻[5-6]主要對驅(qū)動板坯電磁攪拌器用的兩相正交專用變頻電源拓撲結(jié)構(gòu)、電流電壓閉環(huán)收斂控制策略算法等方面進行研究和試驗；文獻[7]主要對驅(qū)動板坯電磁攪拌器用的兩相正交專用變頻電源主體軟件設(shè)計思路進行闡述和研究；文獻[8]主要采用ANSYS 分析軟件對板坯電磁攪拌器的行波磁場進行電場、磁場以及溫度場進行數(shù)值模擬分析。然而以上所有的研究都是基于真正均勻理想意義上的兩相（各相相位角差90°）或三相（各相相位角差120°）行波磁場進行的，對于實際情況中行波各相磁場存在矢量角偏離90°或120°都未涉獵和進行研究。此外，對板坯電磁攪拌器各相磁場相位角進行校正的研究和方法還很少有報道。

因此，本文針對流過板坯電磁攪拌器各個感應(yīng)線圈的電流無法形成理想的二相或三相行波磁場的問題，設(shè)計了一種板坯電磁攪拌器磁場方向校正系統(tǒng)，能夠有效校正板坯各相行波至90°或120°。

1 板坯攪拌器磁場偏離原因

與旋轉(zhuǎn)磁場型攪拌器具有對稱位置鐵心和相同的線圈匝數(shù)不同，行波磁場型的電磁攪拌器的鐵芯是長條鐵芯、不對稱，且每一組線圈在鐵心上所纏繞位置和匝數(shù)都不一樣，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致每一相線圈上的等效電感L與等效電阻R的值不同，即每一相線圈電流滯后電壓角值不同，其中XL=2πf L，最終表現(xiàn)出每一相的電流滯后電壓的相位角θ 各不同，尤其在低頻時二相或者三相之間電流滯后電壓的滯后角θ 相差更大。在這種情況下，盡管驅(qū)動板坯電磁攪拌器的變頻電源輸出的是經(jīng)SPWM 調(diào)制后波形相位角相差為90°或者120°的二相或者三相變頻電壓，但因每一相電流滯后，電壓的相位角不一樣，因此流進板坯電磁攪拌器的二相電流或三相電流相位角差不為90°或者120°，這樣在板坯電磁攪拌器空間周圍沒有形成真正均勻的理想的二相或三相行波磁場，無法使得板坯電磁攪拌器磁場效率和攪拌功率達到最優(yōu)化。板坯電磁攪拌器一般應(yīng)用于鋼廠的連鑄生產(chǎn)線上，現(xiàn)場環(huán)境異常惡劣，而且板坯電磁攪拌器需要通以大電流，線圈和鐵心發(fā)熱功率比較大，需采用水循環(huán)冷卻的方式，在這樣的背景下，電磁攪拌器的線圈和鐵心往往容易氧化而生銹。電磁攪拌器工作時的溫度范圍也比較寬，如電磁攪拌器開始工作時和工作一段時間后的溫度相差50 ℃左右，處于如此寬的溫度范圍，磁芯的磁導(dǎo)率也會相差很大，不同溫度下體現(xiàn)出的電磁攪拌器每一相線圈等效阻抗值也會表現(xiàn)不同，從而使得電流相位角差不為90°或者120°，如果不對板坯電磁攪拌器磁場方向進行校正，那么板坯電磁攪拌器空間周圍就不會形成真正理想的二相或三相行波磁場，未能實現(xiàn)電磁攪拌器攪拌效率的最優(yōu)化。板坯電磁攪拌器成套裝置等效主電路示意圖如圖1所示；板坯電磁攪拌器在項目現(xiàn)場實際工作時，驅(qū)動板坯電磁攪拌器變頻電源控制器未集成磁場校正系統(tǒng)的兩相輸出電壓和輸出電流波形的實際相位圖如圖2所示；根據(jù)實際板坯電磁攪拌器成套裝置的實際參數(shù)在PSIM 軟件中搭建的仿真原理圖如圖3所示，其中板坯電磁攪拌器的第1 相和第2 相的參數(shù)分別為L1=30 mH，R1=1 Ω，L2=49 mH，R2=1 Ω；仿真原理圖輸出兩相電流實際波形相位圖如圖4所示，從圖4 可以輕易判斷在第1 相和第2 相輸出電流頻率為7 Hz，并且以U1=Ur·和U2=Ursin（ωt）調(diào)制時，I1電流的相位角超前I2電流的相位角θ=（t2-t1）f·360°=（13.4902-13.4496）×7×360°=102.312°，并非真正意義上純兩相正交行波磁場。如圖4所示t2為第2 相電流最高點時刻（13.4902 s，97.610 A），t1為第1 相相鄰第2 相電流最高點時刻（13.4498 s，97.6467 A）。

圖1 板坯電磁攪拌器等效主電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of equivalent main circuit of slab electromagnetic agitator

圖2 未校正時流進板坯電磁攪拌器兩相電壓和電流波形Fig.2 Waveform of voltage and current flowing into slab electromagnetic agitator without correction

圖3 板坯電磁攪拌器主電路仿真原理圖Fig.3 Schematic diagram of main circuit simulation of slab electromagnetic agitator

圖4 未校正時板坯電磁攪拌器電流相位角波形示意圖Fig.4 Waveform diagram of current phase Angle of slab electromagnetic agitator without correction

2 板坯磁場校正系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

板坯電磁攪拌器根據(jù)攪拌器的實際需求和安裝位置不同，主要由兩相或三相專用低頻變頻電源輸出供電，本文主要以兩相電磁攪拌器磁場校正為例進行分析和設(shè)計，三相板坯電磁攪拌器的磁場校正系統(tǒng)依此類推。板坯電磁校正系統(tǒng)方案如圖5所示。

圖5 板坯電磁校正系統(tǒng)方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of slab electromagnetic correction system scheme

兩相板坯電磁攪拌器由兩相正交專用變頻電源輸出電壓供電，從而對攪拌器中間的板坯鑄件進行攪拌。兩相板坯電磁攪拌器磁場校正步驟如下：

步驟1變頻電源第1 相輸出電壓、第2 相輸出電壓依次為和U2=Ursin（ωt），變頻電源第1 相和第2 相輸出電壓初始相位角差為；

步驟2變頻電源控制器通過電流傳感器或電流互感器依次采集電磁攪拌器的第1 相和第2 相電流信號；

步驟3將電流傳感器或互感器采集的兩相交流電流信號分別轉(zhuǎn)換為兩相同步的交流電壓信號；

步驟4將兩相交流電壓信號轉(zhuǎn)換為2 個偏置電壓為VREF（VREF為下圖中的2.5 V-ref）的交流電壓信號；

步驟5將這2 個交流電壓信號與基準直流電壓VREF進行比較，得到2 個方波信號；

步驟6分別捕獲2 個方波信號的上升沿所在時刻，并根據(jù)每一個方波信號的上升沿所在時刻計算出第2 個方波信號與第1 個方波信號之間的時間差Δt2，1；

步驟7根據(jù)計算出的時間差Δt2，1結(jié)合電磁攪拌器工作設(shè)定的工作頻率計算出兩相電流之間的偏離正常相位角差Δθ2，1-90°；

步驟8根據(jù)計算出的相位角差改變第一相和第二相輸出電壓的相位角為U1=Ursin（ωt+Δθ2，1）和U2=Ursin（ωt）或U1=Ursin（ωt+90°）和U2=Ursin（ωt+90°－Δθ2，1），即可校正該電磁攪拌器在該頻率下的電流相位角，最終實現(xiàn)該頻率下真正的二相正交磁場。

2.2 磁場校正系統(tǒng)組成

根據(jù)前面“方案設(shè)計”階段分析，該板坯電磁攪拌器磁場校正系統(tǒng)主要由電流采集設(shè)備、電流轉(zhuǎn)電壓的I/V 轉(zhuǎn)換電路、電平抬升電路、電壓比較電路和微處理器上升沿捕獲采集、相位角計算以及SPWM脈沖輸出裝置組成。板坯磁場校正系統(tǒng)的原理組成示意圖如圖6所示。

圖6 板坯磁場校正系統(tǒng)原理組成框圖Fig.6 Block diagram of slab magnetic field correction system

2.3 硬件電路設(shè)計

兩相板坯電磁攪拌器一般所需要電流的有效值大小為400 A 左右，最大不會超過有效值600 A，本實施例中選用LEM 公司額定峰值電流為±1000 A的電流傳感器，型號為LF1010-S/SPA5，該電流傳感器的轉(zhuǎn)換比例為1∶5000，即待檢測電流的峰值為±1000 A 時，電流傳感器輸出為±200 mA 電流信號。在額定峰值電流±1000 A 的待測電流條件下，采樣電阻R1和R8上兩端產(chǎn)生峰值為±3 V 的交流電壓信號，采樣電阻R1和R8的阻值為15 Ω、精度0.1%、溫度系數(shù)±0.00005 Ω/℃的精密電阻。將采樣電阻R1和R8兩端的輸出電壓連接低通濾波模塊的輸入端，因為電磁攪拌器自身等效電感值很大，電磁攪拌器本身就是一個濾波器，因此進入電流傳感器的待檢電流已經(jīng)接近完美的正弦波，此處只要濾除電流傳感器里面電子元器件以及供電電源攜帶的一些高頻信號即可，所以此處的濾波截止頻率取10 kHz 左右，在此處濾波電阻R2和R9的阻值可為1 kΩ，濾波電容C24和C25的電容容值可為15000 pF，封裝全部0603 封裝，精度都為1%。將濾波模塊的輸出連接至鉗位模塊的輸入端，二極管D2，D3，D4和D5選用普通貼片封裝的肖特基二極管，型號為SS13。將無偏置的交流電壓信號抬升至以2.5 V 為偏置的交流電壓信號。鉗位模塊的輸出端連接電平抬升單元的輸入端，將R1和R8采集到的交流電壓信號抬升至以2.5 V 為中心，峰值為1 V～4 V 的交流電壓信號。運算放大器U2和U3采用TI 公司OP07 芯片。將電平抬升單元的輸出端連接至比較單元，將抬升后的交流電壓信號送入比較器U4和U5的正輸入端，與負輸入端2.5 V 基準進行比較，輸出高低電平的脈沖波。比較器U4和U5采用LM2901 芯片（此芯片輸出為集電極開路輸出形式），比較器的輸出端上拉至3.3 V 電源，即輸出為3.3 V 和0 V（GND）的高低脈沖電平，3.3 V 高電平和0 V（GND）低電平的持續(xù)的時間相同，都為T=1/f的一半，此處的f為流進電磁攪拌器中電流的頻率大小值（即為變頻電源開機前設(shè)定的頻率值），微控制器捕獲二組脈沖波上升沿，并記錄下上升沿的時間，根據(jù)上升沿之間的時間差和已知頻率的大小計算兩相電流之間的相位角。微控制器U7采用ST 公司的STM32F103ZET6，該系列微控制器具有2 個高級定時器TIM1 和TIM8，4 個通用定時器TIM2～TIM5，2 個基本定時器TIM6 和TIM7，每一個高級定時器和通用定時器都具有4 個獨立輸入捕獲通道。該實施方案中采用通用定時器TIM3 的第一輸入捕獲通道TIM3_CH1 和第二輸入捕獲通道TIM3_CH2 捕獲二相電流的脈沖信號的上升沿，然后根據(jù)變頻電源開機前設(shè)定的頻率值大小，計算出A 相和B 相電流之間相位角差。計算得到相位角差值后，只要調(diào)整各相電壓的初始相位角，使得各相電壓的初始相位角差值得到補償即可。板坯磁場校正系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示，電流采樣波形與比較器方波輸出同步波形如圖8所示。

圖7 板坯磁場校正系統(tǒng)電路原理圖Fig.7 Circuit schematic diagram of slab magnetic field correction system

圖8 電流采樣波形與比較器方波輸出同步波形Fig.8 Current sampling waveform and comparator square wave output synchronization waveform

3 試驗驗證

將該套板坯磁場校正系統(tǒng)集成在湖南中科電氣股份有限公司的第五代兩相正交專用變頻電源控制器后進行試驗，設(shè)定輸出電流大小為200 A 輸出電流頻率為8 Hz，開機后兩相正交專用變頻電源首先以3.14×8t）輸出調(diào)制電壓，等待輸出電流穩(wěn)定后識別第1 相和第2 相輸出電流之間的相位角為86.7°，識別相位角如圖9所示，根據(jù)識別輸出兩相電流的相位角后改變調(diào)制電壓為和，最終實現(xiàn)輸出兩相電流之間的相位角為90°，如圖10 和圖11所示。同時也將該兩相板坯電磁攪拌器的等效實際參數(shù)輸入圖3所示的原理圖中進行仿真，板坯兩相電磁攪拌器的實際等效參數(shù)如表1所示；將第2 相的調(diào)制波矢量角與第1 相的調(diào)制波矢量角差設(shè)置為93.3°，最終仿真結(jié)果表明輸出兩相電流也為90°，如圖12所示。

圖9 未校正前識別出兩相電流的相位角Fig.9 Phase angle of two phase current identified before correction

圖10 校正后識別出兩相電流的相位角Fig.10 Phase angle of two phase current identified after correction

圖11 兩相板坯攪拌器磁場校正至90°實際電流和電壓波形Fig.11 Actual current and voltage waveform of twophase slab agitator with magnetic field corrected to 90°

表1 試驗用板坯攪拌器實際等效參數(shù)Tab.1 Actual equivalent parameters of slab agitator used in the test

圖12 兩相板坯攪拌器磁場仿真校正至90°波形Fig.12 Magnetic field simulation correction to 90°waveform of two-phase slab agitator

4 結(jié)語

本板坯電磁攪拌器磁場校正系統(tǒng)所需元器件種類和數(shù)量少，而且都為通用型電子元器件，系統(tǒng)中除電流傳感器外，其它的元器件可全部為貼片封裝的元器件，只需要很少的物理空間，因此很容易集成到電磁攪拌器變頻電源的控制器中，而且利用兩相正交電磁攪拌專用變頻電源內(nèi)原有自帶的電流傳感器和控制器中的核心MCU，所以此方案硬件成本非常低、易實現(xiàn)。試驗和實踐證明，該板坯磁場校正系統(tǒng)結(jié)合板坯電磁攪拌器成套裝置的確能夠?qū)崿F(xiàn)板坯電磁攪拌器的攪拌效率的最優(yōu)化。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用在湖南中科電氣股份有限公司的第五代電磁攪拌專用變頻電源的核心控制器上，在冶金電磁攪拌領(lǐng)域具有相當大的實際工程應(yīng)用價值。