CN110202123B - 中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，根据钢包在浇铸不同阶段的实际温度进行过热度的调节，从而实现低过热度的恒温浇注，实现低过热度恒温浇铸不仅可以提高等轴晶率改善铸坯质量，而且可以增加连浇炉数，稳定并提高拉速，切实提高连铸收得率和生产效率；同时恒温浇铸也可以避免钢水过早凝固，防止结瘤冻结回炉停浇等事故，以及稳定二冷配水工艺等。

Description

中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法

技术领域

本发明涉及电磁感应加热控制领域，特别是一种中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法。

背景技术

近年来，随着电力电子学和半导体技术的进步，大功率高效率变频电源的出现极大促进了钢材热处理感应加热技术的发展。连铸技术发展的实践表明，低过热度的恒温浇注对改善铸坯质量和稳定操作起着重要的作用。中间包感应加热电源作为其电能变换的媒介，其输入电流影响着公用电网的电能质量，且其输出电流直接关系到中间包温度控制效果，中间包感应加热电源一直是连续铸造过程中重要的生产特种钢产品设备之一。冶金工作者已开发了多种中包加热技术。

控制中间包的钢水恒温是提高生产率、改进凝固组织、提高产品质量的最有效的方法之一。因此，寻求外部热源补偿中间包钢水的温降、精确地控制最佳过热度，使进入结晶器的钢水温度稳定，越来越引起人们的重视。因此，近几十年来已开发出多种形式的电磁感应加热电源。

现有技术中主要有以下几种结构：具有辅助切换电容器单元的低损耗电压型高频串联负载谐振逆变器的独特拓扑结构、具有恒定频率的简单D类逆变器，用于高频感应加热的场合，以及零电压软开关高频谐振逆变器的新结构。国内目前大部分的中间包加热电源采用了传统的拓扑结构，即由多绕组变压器、三相二极管整流器和级联的H桥转换器组成，可以很容易地实现从三相到单相的交流/交流转换。

然而在整个连铸过程中，中间包不同程度地存在热损失，特别是浇注初期、钢包交换和浇注末期等不正常浇注期，不可避免地引起较大的温降。同时，钢水是非线性负载，其阻抗随加热钢水的重量和温度而变化。多数电磁感应加热电源对这些影响因素没有很好的处理。

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，提供一种中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，根据钢包在浇铸不同阶段的实际温度进行过热度的调节，从而实现低过热度的恒温浇注。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，对于中间包通道式电磁感应加热电源的任一功率单元模块，该智能控制方法包括前级三相PWM整流器控制部分、后级全桥逆变器的控制部分；其中：

所述前级三相PWM整流器控制部分包括以下步骤：

1)计算前级三相PWM整流器输入电流信号的幅值Is：

其中，U_s为功率单元模块电网侧电压的幅值；

2)将前级三相PWM整流器输入电流信号和直流侧电流调节信号叠加，作为整流器给定输入电流的幅值，即：

其中

为前级三相PWM整流器直流侧电压给定值；u_dc为前级三相PWM整流器直流侧电压；

3)将

分别乘以a，b，c三相电网电压对应的同步正弦信号，得到前级三相PWM整流器交流侧给定电流：

ω^*为输出电流的指令角频率；

4)利用下式计算前级三相PWM整流器的各相开关信号：

为k时刻前级三相PWM整流器交流侧给定电流；i_sa(k)、i_sb(k)、i_sc(k)为k时刻前级三相PWM整流器三相交流输入电流；u_sa(k)、u_sb(k)、u_sc(k)为k时刻前级三相PWM整流器三相交流输入电压；

所述后级全桥逆变器的控制部分包括以下步骤：

1)由下式获得中间包通道式电磁感应加热电源输出电流的指令值：

其中，ΔI为负载温度云控制器的调节电流；Z＝R_st，其中R_st表示负载的电感；

2)将输出电流的指令值与实际输出电流的差值经过PR调节器，获得的调节值与实际输出电压相加，得到输出电压的指令值u*，将输出电压的指令值6等分

即

所述后级全桥逆变器的控制部分包括以下过程：

利用公式

得到负载温度云控制器的调节电流，即后级全桥逆变器输出给定电流调节值；其中，m为云滴的数量；μ_Ai由正向二维云发生器产生，ΔI_i(μ_Ai)为由μ_Ai经过逆向一维云发生器产生的云滴；正向二维云发生器的输入为中间包钢水的给定温度与实际检测到的温度的偏差e和偏差变化率e_c。

所述正向二维云发生器CG_Ai定义如下：GA((E_xe E_xec),(E_ne E_nec),(H_ee,H_eec))是二维正态隶属云模型，如果满足E'_ne＝R(E_ne,H_ee)、E'_nec＝R(E_nec,H_eec)、以及

则称该二维正态隶属云模型为正向二维云发生器CG_Ai，i＝1……49；其中函数R()产生正态随机数；E_xe是e的期望值；E_xec是e_c的期望值；E_ne是e的熵；E_nec是e_c的熵；H_ee是e的超熵，H_eec是e_c的超熵。

所述逆向一维云发生器CG_B的定义如下：GB(E_xi,E_ni,H_ei)是一维正态隶属云模型，如果满足E'_ni＝R(E_ni,H_ei)且

则称该一维正态隶属云模型为逆向一维云发生器；其中，函数R()产生正态随机数；E_xi是输出ΔI的期望值，E_ni,是ΔI的熵，H_ei是ΔI的超熵。

后级单相逆变器的控制目标是对输出电流进行控制，实现对输出电流的准确跟踪和中间包钢水的恒温过热控制。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以根据钢包在浇铸不同阶段的实际温度进行过热度的调节，从而实现低过热度的恒温浇注，实现低过热度恒温浇铸不仅可以提高等轴晶率改善铸坯质量，而且可以增加连浇炉数，稳定并提高拉速，切实提高连铸收得率和生产效率；同时恒温浇铸也可以避免钢水过早凝固，防止结瘤冻结回炉停浇等事故，以及稳定二冷配水工艺等。

附图说明

图1为中间包电磁加热大功率级联变频电源拓扑结构；

图2为三相PWM整流器的控制框图；

图3为后级单相逆变器控制框图；

图4为中间包电磁加热负载简化等效电路；

图5为偏差的隶属云；

图6为中间包恒温控制部分原理图；

图7为仿真结果；

图8为实验结果。

具体实施方式

中间包电磁加热大功率级联变频电源的整体控制策略包括三部分：前级三相PWM整流器的控制、后级全桥逆变器的控制和熔融钢水的中间包恒温控制，是一种能实现恒温控制的功率控制策略。对应的控制目标分别是前级整流器的输入电流、后级逆变器的输出负载电流和负载钢水温度。

每个功率单元模块的前级三相PWM整流器主要对输入电流进行控制，实现对输入电流的准确跟踪，解决直流侧电压波动的问题。以功率单元模块1为例，前级三相PWM整流器的控制框图如图2所示。

图1中的功率单元模块1，由三相PWM整流器电路可以得到：

并且有

其中

综合以上3式，可以得到整流器各相开关信号的表达式为：

由上式可以看出，要获得整流器的各相开关信号，就要确定整流器的给定输入信号。

给定的负载有功功率均分给每个功率单元模块，功率单元模块1电网侧电压产生的功率与给定的负载有功功率满足

而功率单元模块1电网侧电压产生的功率

其中U_s为功率单元模块电网侧电压的幅值。即整流器输入电流信号的幅值为：

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调节器得到直流侧电流调节信号

将整流器给定输入电流信号和直流侧电流调节信号叠加，作为整流器给定输入电流的幅值，即

其中

然后分别乘以a，b，c三相电网电压对应的同步正弦信号，得到三相整流器交流侧给定电流：

将式(7)带入式(3)，就能获得功率单元模块1中前级整流器的各相开关信号了。其余的功率单元模块控制方法与功率单元模块1相同。

后级单相逆变器的控制目标是对输出电流进行控制，实现对输出电流的准确跟踪和中间包钢水的恒温过热控制。但是，一方面负载钢水的等效阻抗(即等效电阻R_st和等效电感L_st)随着温度的变化发生变化，从而影响低频输出电流，进而影响负载钢水温度。另一方面，中间包在浇注过程中，钢水向环境的散热会导致中间包的温度下降，中间包在开浇、换钢包和浇注结束时，包内钢水存在更大的温差。致使钢水的温度是处于不稳定状态，与目标温度值发生偏离。不利于中间包钢水夹杂物的上浮分离。因此，需要结合云控制器来获得钢水温度与输出电流变化之间的关系，实现抑制温度扰动和功率扰动对感应加热电源正常运行带来的影响，保证负载中间包钢水的恒温过热控制。

通过载波移相调制分配逆变器中功率开关器件触发脉冲信号s₁～s₆。

中间包电磁加热系统为单相交流负载，其模型如图4所示。从的中间包电磁加热负载特性实际模型可以看出，感应加热器与单相变压器相似。多匝线圈相当于变压器的一次回路，通道中流动的钢水相当于二次回路，视为一匝。当一次回路中的线圈馈给单相交流电流后，交变的电流就在铁芯的闭合磁路中建立起磁通Φ，磁通Φ只能在闭合磁路中建立；交变的磁通Φ就在与铁芯匝链的通道中流动的钢水中感应起电势，感应电势只能在与铁芯匝链的通道中产生：

由于钢水的导电性，该感应电势在钢水中感生感应电流，感应电流在钢水中组成回路，其方向与一次回路中的电流的方向相反。由于感应电流流经钢水的体积内，由此在钢水体积中产生的焦耳热来加热钢水。

由于中间包感应线圈的功率因数低，一般在0.05～0.3之间，对此，提出了在感应加热线圈串接电容器C进行无功补偿的方法。建模时将补偿电容C与感应加热线圈的等效阻抗一起作为整体负载Z，如图4所示，即

其中R_f和L_f分别表示感应线圈的漏电感和电阻。R_st和L_st表示钢水的电感和电阻。

由于在浇注过程中，注入中间包的熔融状态的钢水的温度并非恒定，当熔融钢水刚注入中间包包体时，其温度可能会发生波动变化，而并非始终稳定在温度指令值T^*，实际的钢水温度与指令温度之间存在温差|ΔT|＝|T^*-T|。根据钢材的本身特性，熔融钢水的阻抗会随着温度的升高而增大，阻抗与温度变化成正比，因而熔融钢水的阻抗可表示为与温度呈线性关系，表示如下：

上式中，R_stinit和L_stinit分别表示熔融钢水在ΔT＝0℃时的初始电阻和电感值，a表示电阻和电感的变化率，通常取值为0.4％～0.6％。当钢水注入包体时，在温度较低的情况下，为了保证熔融钢水的温度能够快速平稳地上升，电磁加热电源需要运行在全功率工况下。由于补偿电容C用于补偿感应线圈和钢水负载，二者相互作用产生谐振，即

通过轻微调整输出频率ω_o，可以确保谐振系统的准谐振，使得输出电压u和电流i相位相同，负载等效成纯电阻负载Z＝R_st，从而提高了电源系统的功率因数，才能保证电源工作在全功率模式。满足负载功率需求的输出电流指令有效值I可通过下式计算得到即：

同时，为保证钢水负载能在恒温过热环境下运行，在I中叠加由负载温度云控制器的调节电流ΔI，则最终输出电流指令的幅值

可由下式计算获取。

式中，T^*和T分别为负载温度的参考值和实际采样值。由钢水导磁特性和中间包流场特性计算出加热电源输出电流最佳频率的方法，得到输出电流的指令角频率ω^*。由下式获得加热电源输出电流的指令值：

将指令输出电流与实际输出电流的差值经过PR调节器，获得的调节值与实际输出电压相加，得到输出电压的指令值u*。将指令输出电压6等分

即

得到每个功率单元模块的同步指令输出电压。为同时达到输出电压和功率模块间电压同步、功率均分，冗余备用的目的，提出了基于同步指令电压的级联移相PWM方法。分别对每个功率单元模块进行电压环控制，最后对每个功率单元模块进行移相调制。该方法实现了功率单元的功率平均分配，避免了功率单元之间功率不平衡导致的寿命差异，提高了单相高压特种变频器输出电压的稳定性。

将中间包钢水的给定温度与实际检测到温度的偏差e和偏差变化率e_c作为云控制器的输入信号。根据不同的输入e、e_c用云控制器进行推理，得到后级逆变器输出电流的调节值ΔI，从而实现温度与电流的在线调整。

后级全桥逆变器的控制部分和熔融钢水的中间包恒温控制部分包括以下过程：

利用公式

得到负载温度云控制器的调节电流；其中，m为云滴的数量；μ_Ai由正向二维云发生器产生，ΔI_i(μ_Ai)为由μ_Ai经过逆向规则部分产生的云滴；正向二维云发生器的输入为中间包钢水的给定温度与实际检测到温度的偏差e和偏差变化率e_c。

GA((E_xe E_xec),(E_ne E_nec),(H_ee,H_eec))是二维正态隶属云模型，如果满足

E'_ne＝R(E_ne,H_ee) (1)

E'_nec＝R(E_nec,H_eec) (2)

则称其为正向二维云发生器CG_Ai，i＝1……49。其中函数R()产生正态随机数。E_xe是e的期望值，E_xec是e_c的期望值，E_ne是e的熵，E_nec是e_c的熵，H_ee,是e的超熵，H_eec,是e_c的超熵，它们的取值如表1所示。

步骤2GB(E_xi,E_ni,H_ei)是一维正态隶属云模型，如果满足

E'_ni＝R(E_ni,H_ei) (4)

则称其为逆向一维云发生器CG_B。其中函数R()产生正态随机数。E_xi是输出ΔI的期望值，E_ni,是ΔI的熵，H_ei是ΔI的超熵。它们的取值如表1所示。

取m＝1000滴云滴的加权平均值作为输出，得到逆变器输出给定电流调节值即

表1 云控制器的参数

在PSIM建立如图1所示的中间包电磁加热电源的仿真模型，验证中间包电磁加热电源系统所提出的控制方法的有效性和正确性，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

在正常情况下钢水包的钢水浇注到中间包内会产生一个温度差，因此转炉出钢温度或者钢包精炼升温必须保持足够高，才能保证钢水温度在正常连铸所需要的温度范围内。仿真结果如图7所示。

从仿真结果可以看出，整流器的输入电流波形良好，如图7(a)(即图7中的(a)，以下类推)所示，图7(a)是功率单元1中整流器的输入电流，其他功率单元模块的整流输入电流有相同波形。图7(b)是六个功率单元模块直流侧电压波形。每个功率单元模块直流侧电压保持稳定，偏差在5V左右。图7(c)为输出功率及其给定参考功率值，输出功率可稳定跟踪给定参考值。

中间包感应线圈的功率因数低，对此，提出了在感应加热电源中添加电容器C进行无功补偿的方法，实现了中间包感应线圈的电感与补偿电容的准谐振，使得输出电压u和电流i相位相同，如图7(d)所示。负载等效成纯电阻负载，从而提高了电源系统的功率因数。

Claims (3)

1.一种中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，其特征在于，对于中间包通道式电磁感应加热电源的任一功率单元模块，该智能控制方法包括前级三相PWM整流器控制部分、后级全桥逆变器的控制部分；其中：

所述前级三相PWM整流器控制部分包括以下步骤：

1)计算前级三相PWM整流器输入电流信号的幅值Is：

其中，U_s为功率单元模块电网侧电压的幅值；

2)将前级三相PWM整流器输入电流信号和直流侧电流调节信号叠加，作为整流器给定输入电流的幅值，即：

其中

为前级三相PWM整流器直流侧电压给定值；u_dc为前级三相PWM整流器直流侧电压；k_p为PI调节器的比例参数；k_i为PI调节器的积分参数；

3)将

分别乘以a，b，c三相电网电压对应的同步正弦信号，得到前级三相PWM整流器交流侧给定电流：

ω^*为输出电流的指令角频率；

4)利用下式计算前级三相PWM整流器的各相开关信号：

为k时刻前级三相PWM整流器交流侧给定电流；i_sa(k)、i_sb(k)、i_sc(k)为k时刻前级三相PWM整流器三相交流输入电流；u_sa(k)、u_sb(k)、u_sc(k)为k时刻前级三相PWM整流器三相交流输入电压；L_s为进线电感；T_s为采样周期；

所述后级全桥逆变器的控制部分包括以下步骤：

1)由下式获得中间包通道式电磁感应加热电源输出电流的指令值：

其中，ΔI为负载温度云控制器的调节电流；Z＝R_st，其中R_st表示负载的电感；

2)将输出电流的指令值与实际输出电流的差值经过PR调节器，获得的调节值与实际输出电压相加，得到输出电压的指令值u*，将输出电压的指令值6等分

即

所述后级全桥逆变器的控制部分包括以下过程：

利用公式

得到负载温度云控制器的调节电流，即后级全桥逆变器输出给定电流调节值；其中，m为云滴的数量；μ_Ai由正向二维云发生器CG_Ai产生，ΔI_iμ_Ai为由μ_Ai经过逆向一维云发生器CG_B产生的云滴；正向二维云发生器CG_Ai的输入为中间包钢水的给定温度与实际检测到的温度的偏差e和偏差变化率e_c。

2.根据权利要求1所述的中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，其特征在于，所述正向二维云发生器CG_Ai定义如下：GA((E_xeE_xec),(E_neE_nec),(H_ee,H_eec))是二维正态隶属云模型，如果满足E'_ne＝R(E_ne,H_ee)、E'_nec＝R(E_nec,H_eec)、以及

则称该二维正态隶属云模型为正向二维云发生器CG_Ai，i＝1……49；其中函数R()产生正态随机数；E_xe是e的期望值；E_xec是e_c的期望值；E_ne是e的熵；E_nec是e_c的熵；H_ee是e的超熵，H_eec是e_c的超熵。

3.根据权利要求1所述的中间包通道式电磁感应加热电源的智能控制方法，其特征在于，所述逆向一维云发生器CG_B的定义如下：GB(E_xi,E_ni,H_ei)是一维正态隶属云模型，如果满足E'_ni＝R(E_ni,H_ei)且

则称该一维正态隶属云模型为逆向一维云发生器；其中，函数R()产生正态随机数；E_xi是输出ΔI的期望值，E_ni,是ΔI的熵，H_ei是ΔI的超熵。

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