CN110045706B - 实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法及系统，通过对搅拌器的电流和电压的计算，计算出搅拌的实时转矩，即可达到实时控制转矩的目的。控制了转矩，就能更直接地控制电磁搅拌器的搅拌力度，实现到更好的搅拌效果，达到更好的钢水品质。为了达到能控制转矩的目的，本发明推导了电磁搅拌器的直接转矩控制算法，提出了实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制技术。本发明可广泛应用于使用电磁搅拌的钢厂，能大大提高连铸的钢水品质。

Description

实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电磁搅拌器的控制技术，特别是一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法及系统。

背景技术

电磁搅拌器控制系统包括：一个预充电回路1，利用缓冲电阻，降低合闸时的冲击电流；

一个整流电路2，用于将交流电整流为直流电；

一个储能滤波电容组3，用于能量交换与滤波；

一个逆变器4，用于产生频率和电流可控的交流电源；

一个漏电流检测回路5，其中将传感器安装于直流回路，用于实时监测系统对地漏电流的大小；

一个变频器控制单元8，用于控制所述逆变器

一个上位机9，用于通信采集变频器数据并显示在人机界面上。

电磁搅拌器作为钢厂连铸线和重要工艺设备，因为对钢水起到良好的搅拌效果，对提高钢水品质有极大的好处，所以得到大范围的应用。但目前电磁搅拌器在钢厂的使用参数(电流、频率、搅拌方式等)是钢厂连铸线的工艺人员按照经验提出的要求。而实际上，这只是经验数据，并不能保证真正是电磁搅拌器的最佳使用参数。由于现场钢水参数变化大，如大包温度、中间包钢水温度、钢水成分、二冷水配水量等等参数均会影响到电磁搅拌器实际作用位置的钢水参数，进而影响电磁搅拌器的作用效果。如果搅拌器能实时测量和控制搅拌力度，直接对搅拌力度进行控制，则可以达到更好的搅拌效果。

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，提供一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法及系统，更直接地控制电磁搅拌器的搅拌力度，实现到更好的搅拌效果。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法，包括以下步骤：

1)利用下式得到磁链模型的积分关系：

ψ_α＝∫e_αdt＝∫(u_α-i_αR_s)dt；

ψ_β＝∫e_βdt＝∫(u_β-i_βR_s)dt；

其中，u_α、u_β由u_a、u^b、u_c通过3/2坐标变化得到；i_α、i_β由i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；u_a、u_b、u_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的相电压，i_a、i_b、i_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的线电流，R_s为电磁搅拌器定子电阻；

2)将ψ_α、ψ_β转换为三个β磁链分量，即定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc：

ψβ_a＝ψβ；

3)将输入的β坐标系下的定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc分别通过施密特触发器与磁链给定值ψ_ug进行比较，输出开关信号

4)根据

计算得到转矩实际值T_f的大小；

5)当转矩实际值T_f与转矩给定值T_g的差值小于容差-ε_m，即T_f－T_g<-ε_m时，转矩调节器输出TQ＝1，将电压开关信号加到电磁搅拌器上，此时磁通角θ增大，转矩也增大；当T_f－T_g>ε_m时，转矩调节器输出TQ＝0，将零电压加到电磁搅拌器上，此时定子磁链静止不动，磁通角θ减小，转矩减小。

步骤4)之后，还执行如下处理：将转矩实际值与理论模型使用仿真软件计算出的不同坯壳厚度下的转矩进行查表比较，得出电磁搅拌器安装位置处的坯壳厚度。电压开关信号SU_a、SU_b、SU_c的计算公式为：

其中

分别是SU_a、SU_b、SU_c的反相。

本发明中，ε_m设定为转矩给定值的±1％。

相应的，本发明还提供了一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制系统，其包括：

磁链模型确定单元，用于利用下式得到磁链模型的积分关系：

ψ_α＝∫e_αdt＝∫(u_α-i_αR_s)dt；

ψ_β＝∫e_βdt＝∫(u_β-i_βR_s)dt_；

其中，u_α、u_β由u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；i_α、i_β由i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；u_a、u_b、u_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的相电压，i_a、i_b、i_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的线电流，R_s为电磁搅拌器定子电阻；

转换单元，用于将ψ_α、ψ_β转换为三个β磁链分量，即定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc：

ψβ_a＝ψβ；

比较单元，用于将输入的β坐标系下的定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc分别通过施密特触发器与磁链给定值ψ_ug进行比较，输出开关信号

计算单元，用于根据

计算得到转矩实际值T_f的大小；

输出单元，用于当转矩实际值T_f与转矩给定值T_g的差值小于容差-ε_m，即T_f－T_g<-ε_m时，转矩调节器输出TQ＝1，将电压开关信号加到电磁搅拌器上，此时磁通角θ增大，转矩也增大；当T_f－T_g>ε_m时，转矩调节器输出TQ＝0，将零电压加到电磁搅拌器上，此时定子磁链静止不动，磁通角θ减小，转矩减小。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对搅拌器的电流和电压的计算，计算出搅拌的实时转矩，即达到了实时控制转矩的目的；本发明能更直接地控制电磁搅拌器的搅拌力度，实现到更好的搅拌效果，达到更好的钢水品质。

附图说明

图1本发明所述电磁搅拌器结构示意图；

图2为电磁搅拌器控制装置结构图；

图3为本发明所述电磁搅拌器的正交定子坐标系等效图；

图4为本发明所述电磁搅拌器转矩控制算法原理图；

图5为本发明一实施例的软件流程图。

具体实施方式

图1为电磁搅拌器的结构，PhA、PhB、PhC分别为电磁搅拌器的三相线圈。

图2是电磁搅拌器的空间矢量等效图，在正交定子坐标系(α-β坐标系)下描述电磁搅拌器模型。

各个物理量定义如下：

u_s(t)—定子电压空间矢量

i_s(t)—定子电流空间矢量

i_r(t)—转子电流空间矢量

ψ_s(t)—定子磁链空间矢量

ω—电角速度

依图2，以下表达式表示电磁搅拌器在定子坐标系下的方程：

ψ_s＝Li_u

ψ_r＝ψ_s-L_σi_r

定子旋转磁场输出功率为(下式ω_s表示定子旋转磁场的频率)：

并且有

把该表达式分解到(α-β)坐标下得：

得转矩表达式：

由上述得出电磁搅拌器转矩控制算法具体实现如图3所示，分为以下步骤(由于都是从定子角度观察所以标注不标注定子s和转子r)：

1)电磁搅拌器磁链模型(AMM)。采用积分关系得到磁链模型。其中e_α、e_β为定子电动势在α-β坐标系下的分量。磁链模型的积分关系如下：

ψ_α＝∫e_αdt＝∫(u_α-i_αR_s)dt

ψ_β＝∫e_βdt＝∫(u_β-i_βR_s)dt

式中的u_α、u_β、i_α、i_β可由u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到。u_a、u_b、u_c分别是a、b、c三相定子负载绕组的相电压，i_a、i_b、i_c分别是a、b、c三相定子负载绕组的线电流，R_s为定子电阻。

2)坐标变换单元(UCT)，它将定子磁链ψ_α、ψ_β(α-β坐标系下)转换为三个β磁链分量。

ψ_βa＝ψ_β

3)磁链自控单元(DMC)，它将输入的β坐标系下的定子磁链ψ_βa、ψ_β ^b、ψ_βc通过施密特触发器与磁链给定值ψ_ug比较，输出开关信号

这三个磁链信号与电压开关信号关系为：

其中

是开关信号SU_a、SU_b、SU_c的反相。

4)零状态选择单元(AZS)，它提供零电压，转矩大小是通过改变定子磁链运动轨迹平均速度来实现的，为了能够改变磁链轨迹的平均速度就必须引入零电压矢量。而给出零电压工作时间是转矩调节器(ATR)。

5)转矩计算单元(AMC)，它根据计算式

通过输入量ψ_α、ψ_β以及测量i_α、i_β计算得到转矩实际值T_f的大小。

6)转矩调节器(ATR)，控制转矩输出信号TQ，它的原理与磁链调节器一样，也是施密特触发器。当转矩实际值T_f与转矩给定值T_g的差值小于容差-ε_m，即T_f－T_g<-ε_m时，转矩调节器输出TQ＝1，将电压开关信号加到电磁搅拌器上，此时磁通角θ增大，转矩也增大；当T_f－T_g>ε_m时，转矩调节器输出TQ＝0，将零电压加到电磁搅拌器上，此时定子磁链静止不动，磁通角θ减小，转矩减小。此过程成为“转矩直接自调节”。通过工作电压状态与零状态交替出现来使定子磁链停停走走，从而使转矩被控制在一定容差之内，这样既控制了转矩又形成PWM过程。

经由上面的计算过程，即可得到电磁搅拌器转矩计算和控制的过程和方法。

中央处理器(DSP)负责通过AD电路采集电磁搅拌器的电流和电压信号，并进行相应的运算处理，从而计算得到电磁搅拌器的搅拌力矩。DSP程序的部分流程图见图5。

Claims (7)

1.一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用下式得到磁链模型的积分关系：

ψ_α＝∫e_αdt＝∫(u_α-i_αR_s)dt；

ψ_β＝∫e_βdt＝∫(u_β-i_βR_s)dt；

其中，u_α、u_β由u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；i_α、i_β由i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；u_a、u_b、u_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的相电压，i_a、i_b、i_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的线电流，R_s为电磁搅拌器定子电阻；其中e_α、e_β为定子电动势在α-β坐标系下的分量；

2)将ψ_α、ψ_β转换为三个β磁链分量，即定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc：

ψ_βa＝ψ_β；

3)将输入的β坐标系下的定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc分别通过施密特触发器与磁链给定值ψ_ug进行比较，输出开关信号

4)根据

计算得到转矩实际值T_f的大小；

5)当转矩实际值T_f与转矩给定值T_g的差值小于容差-ε_m，即T_f－T_g<-ε_m时，转矩调节器输出TQ＝1，将电压开关信号加到电磁搅拌器上，此时磁通角θ增大，转矩也增大；当T_f－T_g>ε_m时，转矩调节器输出TQ＝0，将零电压加到电磁搅拌器上，此时定子磁链静止不动，磁通角θ减小，转矩减小。

2.根据权利要求1所述的实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法，其特征在于，步骤4)之后，还执行如下处理：将转矩实际值与理论模型使用仿真软件计算出的不同坯壳厚度下的转矩进行查表比较，得出电磁搅拌器安装位置处的坯壳厚度。

3.根据权利要求1所述的实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法，其特征在于，步骤5)中，电压开关信号SU_a、SU_b、SU_c的计算公式为：

其中

分别是SU_a、SU_b、SU_c的反相。

4.根据权利要求1所述的实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制方法，其特征在于，步骤5)中，ε_m设定为转矩给定值的±1％。

5.一种实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制系统，其特征在于，包括：

磁链模型确定单元，用于利用下式得到磁链模型的积分关系：

ψ_α＝∫e_αdt＝∫(u_α-i_αR_s)dt；

ψ_β＝∫e_βdt＝∫(u_β-i_βR_s)dt；

其中，u_α、u_β由u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；i_α、i_β由i_a、i_b、i_c通过3/2坐标变化得到；u_a、u_b、u_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的相电压，i_a、i_b、i_c分别是电磁搅拌器a、b、c三相定子负载绕组的线电流，R_s为电磁搅拌器定子电阻；其中e_α、e_β为定子电动势在α-β坐标系下的分量；

转换单元，用于将ψ_α、ψ_β转换为三个β磁链分量，即定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc：

ψ_βa＝ψ_β；

比较单元，用于将输入的β坐标系下的定子磁链ψ_βa、ψ_βb、ψ_βc分别通过施密特触发器与磁链给定值ψ_ug进行比较，输出开关信号

计算单元，用于根据

计算得到转矩实际值T_f的大小；

输出单元，用于当转矩实际值T_f与转矩给定值T_g的差值小于容差-ε_m，即T_f－T_g<-ε_m时，转矩调节器输出TQ＝1，将电压开关信号加到电磁搅拌器上，此时磁通角θ增大，转矩也增大；当T_f－T_g>ε_m时，转矩调节器输出TQ＝0，将零电压加到电磁搅拌器上，此时定子磁链静止不动，磁通角θ减小，转矩减小。

6.根据权利要求5所述的实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制系统，其特征在于，所述输出单元中，电压开关信号SU_a、SU_b、SU_c的计算公式为：

其中

分别是SU_a、SU_b、SU_c的反相。

7.根据权利要求5所述的实现测量和控制搅拌力度的电磁搅拌器控制系统，其特征在于，还包括坯壳厚度计算模块，用于将转矩实际值与理论模型计算出的不同坯壳厚度下的转矩进行查表比较，得出电磁搅拌器安装位置处的坯壳厚度。

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