摘 要：根據鋁合金電磁鑄軋對電磁場的要求，提出了一種鋁電磁場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,。仿真結果表明，這種新的主電路方案可以達到電磁鑄軋的電磁感應器對電流的要求．不存在電源短路的問題,，控制起來更簡單,。試驗表明，該系統(tǒng)可以對電磁感應器產生的復合磁場進行控制,，系統(tǒng)的控制精度高,、可靠性高，動態(tài)性能好,，能滿足鋁電磁場快速鑄軋的基本要求,。
關鍵詞：整流；變頻電源,；電磁場快速鑄軋,；電磁感應器
1 引 言
鋁電磁場快速鑄軋技術是一項集機、電,、材料一體化的高新技術,。其基本原理是將電場及磁場應用于鋁的連續(xù)鑄軋過程。在鋁連續(xù)鑄軋過程中輸入新的起伏變化的能場,。以多維變化的能場驅動鋁合金產生微觀無序流變,。使鑄軋鋁帶坯產生新的優(yōu)良組織結構[1,2]。電磁場快速鑄軋系統(tǒng)的“電磁場部分”由電磁場感應器和電源兩大部分組成,。在電磁場感應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，以達到預期的電磁力,，從而改變鋁板的組織 ,。
2 鑄軋?zhí)胤N電源的主電路方案
產生特殊復合磁場的電磁感應裝置是鋁電磁場快速連續(xù)鑄軋的關鍵技術之一，電磁感應裝置內部的線圈采用了獨特的結構,。為適應這種特殊結構設計,，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變頻主電路的基礎上,，對鑄軋?zhí)胤N電源的主電路進行了改進和創(chuàng)新。
圖1示出傳統(tǒng)單相 AC／AC變頻電路的結構形式,。電路由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構成,。P組和 N組變流器均采用相控整流電路,。P組工作時，負載電流 為正,，N組工作時,， 為負。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作,，負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構形式,。L,，L′是電磁感應裝置內部繞在同一個鐵心上的兩個負載線圈。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,，在線圈 中得到正半波電流，N組工作時,。在線圈L′中得到負半波電流,。把流過同一鐵心上兩個線圈的電流相加，相當于在負載線圈中通入了一個完整的鑄軋?zhí)厥怆娏鞑?。圖2的特殊主電路結構形式“解開”了 P組和 N組輸出之間的電氣連接．不存在環(huán)流使電源短路的問題 ,，控制起來更簡單，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
在鋁電磁場快速連續(xù)鑄軋技術中，對電磁感應線圈產生的復合電磁場真正起作用的是鑄軋?zhí)厥怆娏鞑ㄐ危虼耍x擇電磁感應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)生器即可產生所需要的波形。由于波形發(fā)生器輸出的波形正負半波對稱,，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得的電流實際值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)的電流調節(jié)器 ACR,，控制電磁感應線圈中的電流．使之根據給定波形變化,。
4 MATLAB仿真思路和結果
為使設計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，采用MATLAB系統(tǒng)中的Simulink工具對整個系統(tǒng)進行了仿真設計,。由圖3可見,，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)成的模塊庫可搭建出精確的仿真模型,。首先建立了基于改進的AC／AC變頻主電路的單相變頻器仿真模型,，然后將3個輸入電流彼此差 的單相變頻器仿真模型組成一個三相變頻仿真模型。
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,、電流調節(jié)器ACR、邏輯切換裝置,。
4．1．1電流給定
鋁電磁場快速連續(xù)鑄軋技術要求在基波的基礎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）電流調節(jié)器ACR 調解器采用增量型PI算法，其編程算式如下：
此時,，可由 計算出控制器的輸出信號,，因為新的控制器輸出是由其上一部的輸出加上一個增量△uk構成。
（2）邏輯控制器DLC在系統(tǒng)中,，DLC是一個核心裝置,，其任務是：在正組晶閘管橋（正橋P）工作時開放正組脈沖 ，封鎖反組脈沖,；在反組晶閘管橋（反橋N）工作時開放反組脈沖,，封鎖正組脈沖同。
4．2 三相變頻器的建模與仿真
3個移相控制信號,，即A相電流給定,、B相電流給定、C相電流給定為 3個相位互差 的正弦調制信號,。3個變頻控制器A,，B，C和6個RL負載共同構成了三相 AC／AC變頻器．電磁感應器的特殊結構決定了每個單相 AC／AC變頻器正組和反組分別對負載線圈供電,。
4．3 仿真結果
仿真中需調整波形發(fā)生器的頻率及諧波含有率,、變壓器參數(shù)、PI調解器參數(shù),、整流濾波參數(shù),、負載RLC參數(shù)、晶閘管參數(shù)等,。經過計算和調整各相關參數(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載電流ixp和反組負載電流 ixN（ X=A,，B，C）的MATLAB仿真,。仿真結果表明,，三相 AC／AC變頻器的輸出波形接近于正弦調制波形，改變正弦調制波頻率時,，三相AC／AC變頻器輸出頻率也隨之改變,，實現(xiàn)變頻。
5 實 驗
當以電感線圈作為負載時,，系統(tǒng)的給定為正弦波,。或為基波與高次諧波的迭加,，正反橋交替工作,，同一鐵心上的兩個線圈中交替流過半波電流。圖7所示為一個線圈中流過的電流波形,，圖 7a為給定頻率f= l3H,。HRI3= HRI5=0時的輸出毛流波形，圖7b 為f= l3H,。HRI3=20%,， HRI5=5%時的輸出電流波形。通過現(xiàn)場調試及各項參數(shù)檢測,，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,、可靠，控制效果好,。
6 結 論
通過對鋁電磁場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器對電流的特殊要求,，使得實際中的控制系統(tǒng)設計簡單化,。在具體設計開發(fā)過程中，如果能利用MATLAB軟件中的Simulink仿真工具進行仿真設計,，不但可以最大程度地降低設計成本,，而且還可以很方便地仿真各種可能參數(shù)情況下的設計性能，所以利用 MATLAB軟 件中的Simulink仿真工具進行仿真設計,，應該而且必然將成為變頻電源設計的主要工具,。對控制系統(tǒng)所進行的試驗表明，系統(tǒng)可以按照設定參數(shù)及控制規(guī)律穩(wěn)定運行，控制精度高,，動態(tài)性能好,。
參考文獻
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