CN108390574A - 一种高可靠性电磁搅拌电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性电磁搅拌电源及其控制方法，高可靠性电磁搅拌电源包括前级三相整流器和后级两相正交逆变器。当前级整流器和后级逆变器中分别有功率开关器件发生故障，在切除故障功率开关器件后，将电路重构以保持系统持续运行。由于高可靠性电磁搅拌电源的前、后级系统在控制上并不存在耦合，两者可视为两个相对独立的控制对象。前级系统采用直流电压‑电流‑电压三环控制策略，后级系统采用直流电压‑电流双环控制策略，实现了装置直流侧的均压和稳定控制，保证了装备具备电流快速跟踪能力，确保了装置的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及电磁搅拌电源，特别是一种高可靠性电磁搅拌电源及其控制方法。
背景技术
电磁搅拌技术能改善铸坯的组织结构，高性能地提高产品质量，已成为电磁流体力学在连铸钢等冶金行业最成功的应用之一。电磁搅拌(Electromagnetic Stirrer，简称EMS)主要是利用电磁感应原理，通过交变磁场在金属熔液中感生电磁力来形成对钢液的非接触搅拌，来控制连铸过程中钢水的流动、传热和凝固，具有显著改善铸坯内部和表面质量的作用，从而达到提高钢材品质的目的。在结构上，现有的容错电磁搅拌电源只对后级逆变器进行了容错设计，而前级整流器没有任何容错设计。在控制方法上，现有的容错电磁搅拌电源中后级逆变器的控制算法比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高可靠性电磁搅拌电源及其控制方法，使得高可靠性电磁搅拌电源在故障前后不需转换控制算法，提高系统的可靠性和稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高可靠性电磁搅拌电源，所述前级三相整流器输出端接所述后级三桥臂逆变器输入端；所述后级三桥臂逆变器通过输出滤波器接负载；所述前级三相整流器的每一相均包括两个串联的功率开关管，所述两个功率开关管之间接有两个熔断器；所述前级三相整流器的三相与一个由两个功率开关管串联而成的支路并联；所述前级三相整流器每一相的中点通过一个双向可控开关与一个由两个功率开关管串联而成的支路的中点相连。所述后级三桥臂逆变器的每个桥臂均包括两个串联的功率开关管，两个功率开关管之间接有两个熔断器；所述前级三相整流器、后级三桥臂逆变器之间接有由两个直流电容串联而成的直流支路。所述后级三桥臂逆变器的每个桥臂的中点与两个直流电容串联而成的直流支路的中点通过一个双向可控开关连接。
所述前级三相整流器在功率开关管发生短路或开路故障时，通过熔断器和双向可控开关重构整流器结构。后级三桥臂逆变器在功率开关管发生短路或开路故障时，通过熔断器和双向可控开关重构逆变器结构。
所述前级三相整流器的控制过程包括：
1)检测前级三相整流器的直流侧输出功率Pdc；
2)用直流侧输出功率Pdc表示前级三相整流器交流侧电流，则前级三相整流器交流侧电流幅值的期望值为：Ie＝2Pdc/(3Em)；Em为电网电压的最大值；
3)将前级三相整流器直流侧电压稳定在给定值给定值与实际值的跟踪误差经过PI调节器得到电流调节信号将前级三相整流器输入电流的前馈指令信号和经PI调节器得到的电流调节信号叠加，作为前级三相整流器交流侧电流的幅值，分别乘以a，b，c三相电网电动势ea对应的同步正弦信号，得到前级三相整流器交流侧参考电流指令信号：
其中，ω是电网电压的角频率，ω＝2*3.14*50。
4)将在进行dq坐标变换，得到
5)检测整流器网侧电流ia、ib、ic，并进行dq坐标变换，得到id、iq。将整流器交流侧参考指令信号分别减去实际电流信号id、iq，差值经PI调节器后，得到电压参考指令信号。
6)检测整流器网侧电流ea、eb、ec，并进行dq坐标变换，得到ed、eq。将整流器交流侧参考指令信号分别减去实际电流信号ed、eq，差值经PI调节器和脉宽调制后，得到整流器功率开关管的触发信号。
7)根据整流器功率开关管的故障情况，重置脉冲信号，得到最终整流器功率开关管的触发信号，如表1中的脉冲重置所示。
所述后级三桥臂逆变器控制过程包括：
1)将检测到的两直流电容电压作差，经一个PI控制器后输出为Δi，将Δi叠加到后级三桥臂逆变器输出电流控制内环的参考指令信号中：
其中，分别为后级三桥臂逆变器电流内环控制的输出电流参考指令， 为后级三桥臂逆变器的期望输出电流；
2)将参考指令信号分别减去实际输出电流信号，差值经PI调节器和脉宽调制后，得到逆变器功率开关管的触发信号。
3)根据逆变器功率开关管的故障情况，重置脉冲信号，得到最终逆变器功率开关管的触发信号，如表2中的脉冲重置所示。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：利用本发明的结构和控制方法，当前级整流器和后级逆变器中分别有功率开关器件发生故障，在切除故障功率开关器件后，将电路重构以保持系统持续运行。由于高可靠性电磁搅拌电源的前、后级系统在控制上并不存在耦合，两者可视为两个相对独立的控制对象。前级系统采用直流电压-电流-电压三环控制策略，后级系统采用直流电压-电流双环控制策略，实现了装置直流侧的均压和稳定控制，保证了装备具备电流快速跟踪能力，确保了装置的可靠运行。
附图说明
图1为本发明电磁搅拌电源的容错拓扑结构图；
图2为本发明电磁搅拌电源处于正常工作状态的拓扑结构；
图3为本发明电磁搅拌电源处于故障重构的拓扑结构；
图4为本发明前级整流器三环控制方法原理图；
图5为本发明后级逆变器双环控制方法原理图。
具体实施方式
本发明提出的高可靠性电磁搅拌电源的拓扑结构如图1所示，该电源由前级三相整流器、后级三桥臂逆变器构成。为了抑制高次谐波和装置短路故障时防止电流过大，电源输出侧采用一组输出滤波器L0,r0是其内阻。负载是电磁搅拌器。电磁搅拌器需要大功率低频两相正交逆变电源进行励磁，形成搅拌磁场。当两相正交逆变电源给电磁搅拌器供电时，便形成搅拌磁场，在连铸的钢水中产生感应电流，该感应电流与磁场相互作用，产生电磁力，使连铸钢水进行有规律的定向运动。将电磁搅拌器等效为两相正交感应线圈。
利用快速熔断器和双向可控硅开关分别对前级三相整流器和后级两相正交逆变器进行了容错设计，如图1中虚线框所示。
当高可靠性电磁搅拌电源工作在正常状态时，对应的等效结构如图2所示。前级三相整流器、后级两相正交逆变器。
当高可靠性电磁搅拌电源的前级三相整流器或后级两相正交逆变器中的功率开关管发生故障，通过熔断相应的快速熔断器，触发导通相应的双向可控硅开关，重构前级三相整流器或后级两相正交逆变器。重构后的等效拓扑结构如图3所示。前级三相整流器中的开关管故障与快速熔断器、双向可控硅开关的状态关系如表1所示，实现前级三相整流器冗余型容错。例如，如果a相的功率开关管VR1故障，则熔断快速熔丝FR1，切除VR1。并且接通TRa，将VR7和VR8构成a相。同时在控制算法中将原本VR1和VR2的脉冲信号分别重置给VR7和VR8。把根据表1和图3可知，前级三相整流器重构后仍然保持正常工作状态的拓扑结构。
表1整流器的开关状态表
而后级两相正交逆变器重构为三相两桥臂型结构，第三桥臂由直流侧电容构成。后级两相正交逆变器中的开关管故障与快速熔断器、双向可控硅开关的状态关系如表2所示，实现后级逆变器容错。例如，如果α相的功率开关管V1故障，则熔断快速熔丝F1，切除V1。并且熔断快速熔丝F3和F4。接通TRow和TR13，将V3和V2重构成α相，直流侧的两个电容构成w相。同时在控制算法中将原本V1的脉冲信号重置给V3。
表2逆变器的开关状态表
由于电磁搅拌电源的前、后级系统是依次传递电能，前级整流器的控制目标是实现两串联直流电容的总直流侧电压稳定，以及三相输入电流为正弦波且具有高功率因数，后级逆变器是实现两直流侧电压均等且使逆变器输出电流等于电流参考值。因此，两级系统在控制上并不存在耦合，两者可视为两个相对独立的控制对象。
本发明采用前级整流器为直流侧电压稳定控制+电流控制+电压控制的三环控制方法，后级逆变器为直流侧电压均压控制外环、电流跟踪控制内环的双环控制方法。
将后级逆变器和电磁搅拌器看作是前级三相整流器的非线性负载，对整流器直流侧输出功率进行检测，则有：
Pdc＝udcidc (1)
式中Pdc为整流器直流侧输出功率，udc为整流器直流侧电压，idc为整流器直流侧电流。
根据能量平衡关系，且不计整流器交流侧等效电阻和功率开关器件桥路损耗，电网电动势产生的功率与整流器直流侧输出功率相等，即：
Pdc＝Pe＝3EmIe/2 (2)
用直流侧输出功率来表示整流器交流侧电流，则整流器交流侧电流幅值的期望值为：
Ie＝2Pdc/(3Em) (3)
将三相整流器的交流侧电流幅值的期望值作为整流器输入电流的前馈指令信号，通过前馈的方式，可以实时跟踪后级两相正交逆变器输出功率的变化，使整流器能够快速响应。
三相整流器直流侧电压外环采用闭环控制，将整流器直流侧电压稳定在给定值给定值与实际值的跟踪误差经过PI调节器得到电流调节信号将整流器输入电流的前馈指令信号和经PI调节器得到的电流调节信号叠加，作为整流器交流侧电流的幅值，分别乘以a，b，c三相电网电动势ea对应的同步正弦信号，得到三相整流器交流侧电流指令信号：
前级整流器的三环控制过程如图4所示。其中的脉冲重置方法如表1所示。
后级逆变器控制方法采用直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制。为实现直流侧电容均压，本文采用直流均压外环控制方法。将检测到的两直流电容电压作差，经一个PI控制器后输出为Δi。将Δi叠加到逆变器输出电流控制内环的参考指令信号中，
上式中，分别为逆变器电流内环控制的输出电流参考指令，为逆变器的期望输出电流，由用户预先设定。
电流指令信号分别减去实际输出电流信号，差值经PI调节器和脉宽调制后，得到逆变器功率开关管的触发信号。后级逆变器双环控制过程如图5所示。其中的脉冲重置方法如表2所示。
Claims (4)
1.一种高可靠性电磁搅拌电源，其特征在于，包括前级三相整流器、后级三桥臂逆变器；所述前级三相整流器输出端接所述后级三桥臂逆变器输入端；所述后级三桥臂逆变器通过输出滤波器接负载；所述前级三相整流器的每一相均包括两个串联的功率开关管，所述两个功率开关管之间接有两个熔断器；所述前级三相整流器的三相与一个由两个功率开关管串联而成的支路并联；所述前级三相整流器每一相的中点通过一个双向可控开关与一个由两个功率开关管串联而成的支路的中点相连；所述后级三桥臂逆变器的每个桥臂均包括两个串联的功率开关管，两个功率开关管之间接有两个熔断器；所述前级三相整流器、后级三桥臂逆变器之间接有由两个直流电容串联而成的直流支路；所述后级三桥臂逆变器的每个桥臂的中点与两个直流电容串联而成的直流支路的中点通过一个双向可控开关连接。
2.根据权利要求1所述的高可靠性电磁搅拌电源，其特征在于，所述前级三相整流器在功率开关管发生短路或开路故障时，通过熔断器和双向可控开关重构前级三相整流器结构；后级三桥臂逆变器在功率开关管发生短路或开路故障时，通过熔断器和双向可控开关重构后级三桥臂逆变器结构。
3.根据权利要求1所述的高可靠性电磁搅拌电源，其特征在于，所述前级三相整流器的控制过程包括：
1)检测前级三相整流器的直流侧输出功率Pdc；
2)用直流侧输出功率Pdc表示前级三相整流器交流侧电流，则前级三相整流器交流侧电流幅值的期望值为：Ie＝2Pdc/(3Em)；Em为电网电压的最大值；
3)将前级三相整流器直流侧电压稳定在给定值给定值与实际值的跟踪误差经过PI调节器得到电流调节信号将前级三相整流器输入电流的前馈指令信号和经PI调节器得到的电流调节信号叠加，作为前级三相整流器交流侧电流的幅值，分别乘以a，b，c三相电网电动势ea对应的同步正弦信号，得到前级三相整流器交流侧参考电流指令信号：
其中，ω是电网电压的角频率；
4)将进行dq坐标变换，得到
5)检测前级三相整流器网侧电流ia、ib、ic，并进行dq坐标变换，得到实际电流信号id、iq；将前级三相整流器交流侧参考指令信号 分别减去实际电流信号id、iq，差值经PI调节器后，得到电压参考指令信号；
6)检测前级三相整流器网侧电流ea、eb、ec，并进行dq坐标变换，得到实际电流信号ed、eq；将前级三相整流器交流侧参考指令信号分别减去实际电流信号ed、eq，差值经PI调节器和脉宽调制后，得到前级三相整流器功率开关管的触发信号；
7)根据整流器功率开关管的故障情况，重置脉冲信号，得到最终整流器功率开关管的触发信号。
4.根据权利要求1所述的高可靠性电磁搅拌电源，其特征在于，所述后级三桥臂逆变器控制过程包括：
1)将检测到的两直流电容电压作差，经一个PI控制器后输出为Δi，将Δi叠加到后级三桥臂逆变器输出电流控制内环的参考指令信号中：
其中，分别为后级三桥臂逆变器电流内环控制的输出电流参考指令，为后级三桥臂逆变器的期望输出电流；
2)将参考指令信号分别减去实际输出电流信号，差值经PI调节器和脉宽调制后，得到后级三桥臂逆变器功率开关管的触发信号；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180810 |