摘 要：根據(jù)鋁合金電磁鑄軋對(duì)電磁場(chǎng)的要求，提出了一種鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋變頻控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理．建立了MATLAB的仿真模型。仿真結(jié)果表明，這種新的主電路方案可以達(dá)到電磁鑄軋的電磁感應(yīng)器對(duì)電流的要求．不存在電源短路的問(wèn)題，控制起來(lái)更簡(jiǎn)單。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以對(duì)電磁感應(yīng)器產(chǎn)生的復(fù)合磁場(chǎng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的控制精度高、可靠性高，動(dòng)態(tài)性能好，能滿足鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋的基本要求。
關(guān)鍵詞：整流；變頻電源；電磁場(chǎng)快速鑄軋；電磁感應(yīng)器
1 引 言
鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋技術(shù)是一項(xiàng)集機(jī)、電、材料一體化的高新技術(shù)。其基本原理是將電場(chǎng)及磁場(chǎng)應(yīng)用于鋁的連續(xù)鑄軋過(guò)程。在鋁連續(xù)鑄軋過(guò)程中輸入新的起伏變化的能場(chǎng)。以多維變化的能場(chǎng)驅(qū)動(dòng)鋁合金產(chǎn)生微觀無(wú)序流變。使鑄軋鋁帶坯產(chǎn)生新的優(yōu)良組織結(jié)構(gòu)[1,2]。電磁場(chǎng)快速鑄軋系統(tǒng)的“電磁場(chǎng)部分”由電磁場(chǎng)感應(yīng)器和電源兩大部分組成。在電磁場(chǎng)感應(yīng)器的線圈中通入頻率、幅值和相序按一定規(guī)律變化的低頻交流電流，以達(dá)到預(yù)期的電磁力，從而改變鋁板的組織 。
2 鑄軋?zhí)胤N電源的主電路方案
產(chǎn)生特殊復(fù)合磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)裝置是鋁電磁場(chǎng)快速連續(xù)鑄軋的關(guān)鍵技術(shù)之一，電磁感應(yīng)裝置內(nèi)部的線圈采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性，獲得更滿意的鑄軋效果，在傳統(tǒng) AC／AC變頻主電路的基礎(chǔ)上，對(duì)鑄軋?zhí)胤N電源的主電路進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。


圖1示出傳統(tǒng)單相 AC／AC變頻電路的結(jié)構(gòu)形式。電路由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成。P組和 N組變流器均采用相控整流電路。P組工作時(shí)，負(fù)載電流 為正，N組工作時(shí)， 為負(fù)。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率 ；改變變流電路工作時(shí)的控制角。即可改變交流輸出電壓的幅值[3]。


圖2示出鑄軋?zhí)胤N電源主電路的特殊結(jié)構(gòu)形式。L，L′是電磁感應(yīng)裝置內(nèi)部繞在同一個(gè)鐵心上的兩個(gè)負(fù)載線圈。P組和 N組變流器均采用三相橋式全控整流電路。P組工作時(shí)，在線圈 中得到正半波電流，N組工作時(shí)。在線圈L′中得到負(fù)半波電流。把流過(guò)同一鐵心上兩個(gè)線圈的電流相加，相當(dāng)于在負(fù)載線圈中通入了一個(gè)完整的鑄軋?zhí)厥怆娏鞑āD2的特殊主電路結(jié)構(gòu)形式“解開(kāi)”了 P組和 N組輸出之間的電氣連接．不存在環(huán)流使電源短路的問(wèn)題 ，控制起來(lái)更簡(jiǎn)單，鑄軋效果更好，安全性和可靠性也得到很大提高。
3 控制方案
在鋁電磁場(chǎng)快速連續(xù)鑄軋技術(shù)中，對(duì)電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的復(fù)合電磁場(chǎng)真正起作用的是鑄軋?zhí)厥怆娏鞑ㄐ危虼耍x擇電磁感應(yīng)線圈中的電流作為鑄軋?zhí)胤N電源控制系統(tǒng)的被控變量，采用電流控制型AC／AC變頻的方案。圖3示出鑄軋?zhí)胤N電源控制方案原理框圖。根據(jù)給定鑄軋?zhí)厥怆娏鞑ǖ幕娏鞣礗m、基波電流頻率 和各次諧波含有率HRIx，鑄軋?zhí)厥?電流波形發(fā)生器即可產(chǎn)生所需要的波形。由于波形發(fā)生器輸出的波形正負(fù)半波對(duì)稱，因而可以采用單極性輸出，其輸出r（k）與霍爾電流傳感器測(cè)得的電流實(shí)際值y（k）比較后得出偏差e（k），送給智能控制器．智能控制器作為鑄軋?zhí)胤N電源閉環(huán)控制系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器 ACR，控制電磁感應(yīng)線圈中的電流．使之根據(jù)給定波形變化。


4 MATLAB仿真思路和結(jié)果
為使設(shè)計(jì)的三相特殊變頻電源能夠選擇合適的電路參數(shù)．以保證其工作的性能指標(biāo)，采用MATLAB系統(tǒng)中的Simulink工具對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。由圖3可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)建模方法很難精確描述其中的晶閘管整流環(huán)節(jié)。MATLAB系統(tǒng)中的SimPowerSystems模塊分別提供了晶閘管模塊和觸發(fā)模塊，利用這些現(xiàn)成的模塊庫(kù)可搭建出精確的仿真模型。首先建立了基于改進(jìn)的AC／AC變頻主電路的單相變頻器仿真模型，然后將3個(gè)輸入電流彼此差 的單相變頻器仿真模型組成一個(gè)三相變頻仿真模型。
4．1 單相交流變頻器的建模與仿真


圖4 示出單相交流變頻器的建模。系統(tǒng)的主要子模塊有：三相交流電源、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源及6脈沖觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器ACR、邏輯切換裝置。
4．1．1電流給定
鋁電磁場(chǎng)快速連續(xù)鑄軋技術(shù)要求在基波的基礎(chǔ)上能夠任意疊加高次諧波．隨著疊加的諧波分量的不同．可以得到不同的鑄軋?zhí)厥怆娏鞑ㄐ?。系統(tǒng)的給定是基波與高次諧波的疊加．采用基波、3次諧波和5次諧波的疊加。
4．1．2 控制部分
圖5示出控制部分的仿真模型。


（1）電流調(diào)節(jié)器ACR 調(diào)解器采用增量型PI算法，其編程算式如下：


此時(shí)，可由 計(jì)算出控制器的輸出信號(hào)，因?yàn)樾碌目刂破鬏敵鍪怯善渖弦徊康妮敵黾由弦粋€(gè)增量△uk構(gòu)成。
（2）邏輯控制器DLC在系統(tǒng)中，DLC是一個(gè)核心裝置，其任務(wù)是：在正組晶閘管橋（正橋P）工作時(shí)開(kāi)放正組脈沖 ，封鎖反組脈沖；在反組晶閘管橋（反橋N）工作時(shí)開(kāi)放反組脈沖，封鎖正組脈沖同。
4．2 三相變頻器的建模與仿真
3個(gè)移相控制信號(hào)，即A相電流給定、B相電流給定、C相電流給定為 3個(gè)相位互差 的正弦調(diào)制信號(hào)。3個(gè)變頻控制器A，B，C和6個(gè)RL負(fù)載共同構(gòu)成了三相 AC／AC變頻器．電磁感應(yīng)器的特殊結(jié)構(gòu)決定了每個(gè)單相 AC／AC變頻器正組和反組分別對(duì)負(fù)載線圈供電。
4．3 仿真結(jié)果
仿真中需調(diào)整波形發(fā)生器的頻率及諧波含有率、變壓器參數(shù)、PI調(diào)解器參數(shù)、整流濾波參數(shù)、負(fù)載RLC參數(shù)、晶閘管參數(shù)等。經(jīng)過(guò)計(jì)算和調(diào)整各相關(guān)參數(shù)，得到了比較理想的接近正弦波輸出的電流波形。
圖6是在給定頻率為13Hz，3次諧波HRI3=20％，5次諧波HRI5=5％情況下得出的三相正組負(fù)載電流ixp和反組負(fù)載電流 ixN（ X=A，B，C）的MATLAB仿真。仿真結(jié)果表明，三相 AC／AC變頻器的輸出波形接近于正弦調(diào)制波形，改變正弦調(diào)制波頻率時(shí)，三相AC／AC變頻器輸出頻率也隨之改變，實(shí)現(xiàn)變頻。


5 實(shí) 驗(yàn)
當(dāng)以電感線圈作為負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的給定為正弦波?；?yàn)榛ㄅc高次諧波的迭加，正反橋交替工作，同一鐵心上的兩個(gè)線圈中交替流過(guò)半波電流。圖7所示為一個(gè)線圈中流過(guò)的電流波形，圖 7a為給定頻率f= l3H。HRI3= HRI5=0時(shí)的輸出毛流波形，圖7b 為f= l3H。HRI3=20%， HRI5=5%時(shí)的輸出電流波形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制效果好。


6 結(jié) 論
通過(guò)對(duì)鋁電磁場(chǎng)快速鑄軋的特種電流控制系統(tǒng)的MATLAB仿真表明。基于傳統(tǒng)AC／AC變頻的新型變頻電路可以滿足電磁感應(yīng)器對(duì)電流的特殊要求，使得實(shí)際中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。在具體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果能利用MATLAB軟件中的Simulink仿真工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，不但可以最大程度地降低設(shè)計(jì)成本，而且還可以很方便地仿真各種可能參數(shù)情況下的設(shè)計(jì)性能，所以利用 MATLAB軟 件中的Simulink仿真工具進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，應(yīng)該而且必然將成為變頻電源設(shè)計(jì)的主要工具。對(duì)控制系統(tǒng)所進(jìn)行的試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以按照設(shè)定參數(shù)及控制規(guī)律穩(wěn)定運(yùn)行，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好。
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