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，分析了系統的工作原理．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，該系統可以對電磁感應器產生的復合磁場進行控制，系統的控制精度高、可靠性高，動態性能好，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鑄軋過程。在鋁連續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良組織結構[1,2]。電磁場快速鑄軋系統的“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 鑄軋特種電源的主電路方案
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，提高系統的可靠性，獲得更滿意的鑄軋效果，在傳統 AC／AC變頻主電路的基礎上，對鑄軋特種電源的主電路進行了改進和創新。


圖1示出傳統單相 AC／AC變頻電路的結構形式。電路由P組和N組反并聯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示出鑄軋特種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特殊電流波。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特殊電流波形．因此．選擇電磁感應線圈中的電流作為鑄軋特種電源控制系統的被控變量，采用電流控制型AC／AC變頻的方案。圖3示出鑄軋特種電源控制方案原理框圖。根據給定鑄軋特殊電流波的基波電流幅值Im、基波電流頻率 和各次諧波含有率HRIx，鑄軋特殊 電流波形發生器即可產生所需要的波形。由于波形發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特種電源閉環控制系統的電流調節器 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．以保證其工作的性能指標，采用MATLAB系統中的Simulink工具對整個系統進行了仿真設計。由圖3可見，采用傳統的控制系統建模方法很難精確描述其中的晶閘管整流環節。MATLAB系統中的SimPowerSystems模塊分別提供了晶閘管模塊和觸發模塊，利用這些現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。系統的主要子模塊有：三相交流電源、反并聯的晶閘管三相全控整流橋、同步電源及6脈沖觸發器、電流調節器ACR、邏輯切換裝置。
4．1．1電流給定
鋁電磁場快速連續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特殊電流波形。系統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生器的頻率及諧波含有率、變壓器參數、PI調解器參數、整流濾波參數、負載RLC參數、晶閘管參數等。經過計算和調整各相關參數，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，實現變頻。


5 實 驗
當以電感線圈作為負載時，系統的給定為正弦波?；驗榛ㄅc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。通過現場調試及各項參數檢測，系統運行穩定、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的MATLAB仿真表明。基于傳統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設計簡單化。在具體設計開發過程中，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。對控制系統所進行的試驗表明，系統可以按照設定參數及控制規律穩定運行，控制精度高，動態性能好。
參考文獻
[1] Daheng Mao，Hengzhi Yan，Xiaolin Zhao，et al．The Principle and Technology of Electromagnetic Roll Casting [J]．Journal of Materials Processing Technology，2003，138（1-3）：605-609．
[2] 趙嘯林，毛大恒，陳欠根．將電磁場引入連續鑄軋的新技術探討 [J]．中國有色金屬學報，1995，5（4）：145-149．
[3] 胡崇岳．現代交流調速技術[M]．北京：機械工業出版社，1998．
[4] 洪乃剛．電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M] 北京：機械工業出版社，2006．
[5] 陳伯時．電力拖動自動控制系統（第2版）[M]. 北京：機械工業出版社．1999．