高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备.pdf

高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备，涉及材料制备电气机械和过程控制技术领域，用于高性能镁合金型坯连铸生产线电气自动化。控制平台硬件为工控机，软件用VB6.0开发，协调四个双单片机控制的现场管理模块，协调大功率用电设备分时使用电源，无线连接各工序中的无线设备，错误发生时提出容错尺度。借助于储能罐，通过减、调压电控制手段从一台真空泵获得到全程真空保护及导流传输用的4种压力。设计制造了160kW三相/单相矩阵变换变流的串联谐振铁坩埚中频熔化炉，功率器件为12只1200A/1700V的IGBT组成三相桥，上半桥与下半桥间放置快速熔断器。变质、结晶和牵引工序及电气设备的水冷均采用变频伺服过程控制。

1.  高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备，包括①生产线控制平台②生产线全程真空保护电控制③生产线感应熔化炉及控制④生产线各工序作业及伺服控制
本发明的特征在于，一台具有硬件无线收发接口的工控机(winXP操作系统)，装载自主研发控制软件(VB6.0开发平台)，将主要的6个工序作业组合为四个现场管理独立模式运行。

2.  根据权利1所述的高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备，其特征在于：所述的生产线控制平台图1a，是控制与决策中心，采用三级控制，控制平台→现场管理→工序作业。

3.  根据权利2所述控制平台，其特征在于：协调大功率设备分时使用电源，无线连接各工序的无线设备，提出容错尺度。

4.  根据权利2所述现场管理，其特征在于：现场管理1(2)＝加料工序1(2)+熔化工序1(2)，现场管理3＝保温工序，现场管理4＝变质工序+结晶工序+牵引工序，共四个独立管理系统。

5.  根据权利1所述的高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备，其特征在于：所述的生产线全程真空保护电控制(图2)，用一台真空泵借助储能罐及通过减、调压电控制手段，得到全程真空保护及导流传输用的4种压力。

6.  根据权利4所述现场管理1(2)，其特征在于：双单片机控制模式用的硬件及嵌入软件，一片单片机用于获得中频加热功率和灾难事件的处理，另一片单片机与控制平台保持信息交换，两单片机的重要数据相互备份。

7.  根据权利1所述的高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备，其特征在于：所述的生产线感应熔化炉及控制，电功率模块160kW，变频原理三相工频到单相中频，负载铁坩埚，单相中频电压串联感应圈和补偿电容，组成串联谐振。

8.  根据权利7所述电功率模块，其特征在于：12只1200A/1700V的大功率IGBT，每4只为一组，通过输入相线与感应圈负载串联，从程序上将其中2只共e的IGBT定义为上半桥，2只共c的IGBT构成下半桥，上半桥与下半桥间设置快速熔断器。

9.  根据权利1所述的高性能镁合金型坯连铸生产线，其特征在于：所述的牵引机(图1-7)，双水平辊式牵引，牵引机到结晶器距离可调，两牵引机之间距离在0-1m范围可调，用三相变频调速方式驱动牵引辊，用三相变频调速螺旋升降机将压紧力通过压辊传递到型坯，型坯出口温度和型坯牵引速度组成闭环控制系统。

高性能镁合金型坯连铸生产线成套电气设备
技术领域：
本发明涉及材料制备电气机械和过程控制技术领域，具体是一种高强变形镁合金型坯连铸生产线用的成套电气设备。包括感应熔化炉、保温炉及电磁力搅拌器电气机械；镁合金真空保护冶炼、镁合金熔体传输、镁合金液体变质与结晶及型坯牵引过程控制。
背景技术：
得益于电力电子技术的进步，目前感应熔炼设备用功率器件，除晶闸管外还有更多的选择，如MOSFET、IGBT、SIT、MCT等自关断器件。自关断器件的出现，感应熔炼换流技术由单一的交-直-交变频方式也朝着交-交直接变频的“绿色”电源技术方向扩展，交-交直接变频的电源系统不需要储能元件，使系统更紧凑，更节能，不足的只是自关断器件的价格相对高些。交-交直接变频的电路拓扑形式在1976年就提出，实用化则是1979年矩阵变换器学术思想，可归纳为输出电压增益问题、调制策略以及开关换流三个关键技术。目前矩阵式变换器在感应熔炼换流技术中的应用，以理论研究居多，有部分实验室样机，实用化和工业化产品未见报道。
三相/单相矩阵变换器驱动感应加热的串联谐振电源系统，谐振槽路来源于负载感应线圈与电容串联，串联电容目的是向负载提供无功能量提高功率因素，在这样特定环境下的三相/单相矩阵变换器变频原理也单一了，为工业化实际应用提供了可能。郑州大学刘平教授指导了研究生王洋2006年5月论文《利用IGBT串联的感应加热电源研究》；浙江大学张仲超教授指导了研究生王剑2006年6月论文《矩阵变换器的研究及其在感应加热中的应用》，研究生蔡家利2007年6月论文《三相_单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热的研究》；为三相/单相矩阵变换器应用于串联谐振感应加热做了一系列理论与实践的探索性研究工作，特别王洋制作了输出功率达到10KW感应加热电源样机。以上的试验研究均没有考虑到感应熔炼的复杂工况，与三相/单相的交-交直接变频的感应熔化炉工业化应用还存在一段距离。
发明内容：
本发明目的是开发一种高强变形镁合金型坯连铸生产线用的成套电气设备，确保镁合金材料熔化、配制及连铸生产工艺过程安全、稳定及全程自动化，且自身污染小。
本发明另一目的是最少的能源消耗获得最大生产效率。
技术方案及实施方式：
为以上目的采取如下措施，设计制造了160kW铁坩埚真空感应熔化炉，180kW铁坩埚真空感应保温炉，使用了三相/单相矩阵变换器驱动的串联谐振感应加热电源技术。生产线全程真空保护电控技术，包括加料仓中加料测控作业、熔化炉和保温炉的双真空测控作业、熔体的差压输送作业；还包括螺旋给料、旋转磁场和牵引机伺服控制作业。
本发明的特征在于，①生产线控制平台②生产线全程真空保护电控制③生产线感应熔化炉及控制④生产线各工序作业及伺服控制
高性能镁合金型坯连铸生产线在控制平台协调下工作，三级控制策略，即控制平台→现场管理→工序作业。控制平台下设的现场管理是一个工序或几个工序的组合，本发明中的现场管理的中心是围绕熔化工序或保温工序，其他工序配合完成指定的任务；工序是借助电气机械完成的最基本作业，控制电气的设备按照指定程序运行完成生产线自动化过程。工序作业的现场安放数量不等，类型不同的传感器来返回当前的运行状况，带无线收发功能的传感器可将运行状况同时报送现场管理和控制平台。三级控制中，每一级控制都有自己权属空间。
图1a，高性能镁合金型坯连铸生产线控制流程图，描叙了型坯连铸生产线的组织方式。控制平台是一台具有无线收发能力的稳定工控机，无线收发硬件接口和控制平台软件均为自主研发，控制软件开发平台VB6.0，图1b是控制平台应用的一个实例页面。
图2，生产线全程真空的组织管理及电控制。系统中共设置4种压力，分别为蒸发压(指原材料油污、水汽蒸发和浮尘挥发时的压力)、熔炼压(指真空屏障的压力)、坩埚压(指液体镁合金不蒸发的压力)及导流压。蒸发压通常不变；熔炼压和坩埚压与冶炼的镁合金材料性质有关，材料一定熔炼压也不变化；导流压在导流期间是变化的，非导流时保护保温坩埚中的液体。比较前三者绝对压力可知，坩埚压最高，蒸发压最低。用一台真空泵产生蒸发压力，借助储能罐，通过减压方式得到熔炼压和导流压，坩埚压可从熔炼压减压得到。考虑到冶炼过程中镁液蒸发压随温度发生的变化，控制电气中配备电动V型球阀实时调整。导流压通过减压阀与电动V型球阀组合得到导流要求的压力。为适应测温和测压力的需要，自主研制了非接触测温、绝对压力测量双功能无线传感器，同时测量熔化坩埚和保温坩埚的压力和温度。
图3a，160kW三相/单相串联谐振铁坩埚真空感应熔化炉变频及调功原理图。图3b，双单片机现场管理的硬件系统电原理图。由图3b-1三相/单相变频功率模块组件，在三相工频输入到单相中频输出的变流中，使用了12只1200A/1700V的大功率IGBT。12只IGBT均分在三相电源上构成为三相桥，2只共e的IGBT构成上半桥，程序上设计为允许工作在正半周的工频电流通过；2只共c的IGBT构成下半桥，允许工作在负半周的工频电流通过；上半桥与下半桥间的快速熔断器是同相短路时保护IGBT的最后保护措施。三相桥的两公共端分别与串联在其上的感应圈负载和补偿电容相连。在工频侧加入LC滤波器减轻感应熔化炉高次谐波对供电源造成的干扰。Rogowski线圈分别采集工频侧桥路的电流，得到三相工频电压的换相点；测量感应线圈电流的霍尔传感器，获得中频谐振电流的过零点。感应炉工作期间，输入电压与谐振电流完全同相且功率因素为1时，得到满功率输出；不完全同相或功率因素不等于1则功率降低。为在整个感应熔化期间补偿功率因素到1，系统中串联的补偿电容其中一部分可调，选用小功率IGBT作开关器件。图3b-2、图3b-3是以熔化炉为中心，由双单片机构成的现场管理系统，图3b-2ADuC841单片机负责采集工频电压换相点，中频电流过零点，接收控制平台协调指令，综合处理后，向图3b-4发出请求，驱动功率元件工作获得功率；在图3b-7中的无线收发模块主要是遇到灾难事件，如漏炉第一时间停止加热功率；图3b-3ADuC812单片机负责驱动加料作业(见加料工序)，通过图3b-6与控制平台保持紧密的联系，熔化炉熔化状况可通过图3b-6USB接口记录到U盘中，为熔炼的最佳方案选择提供技术资料。
加料工序，电气机械为1台蜗杆减速机和1台升降机，2台套加料设备。减速机用于启闭炉料进仓门和炉料转运，作旋转运动；升降机启闭炉料出仓门，作直线运动。初始状况，进、出仓门关闭；加料小车停加料位；图2，快速排放阀11得电，换向阀14、15失电；此时加料仓气压与仓外相同。运动节拍为，图2-12减速机正转(开进仓门)→减速机暂停(等待加料)→开关动作(加料完毕)→减速机反转(关进仓门)→图2换向阀15线包得电保持(仓内达蒸发压)→图2换向阀14线包得电保持(仓内达熔化压)→图2-13升降机正转(开出仓门、预热)，减速机反转(加料小车到运动，给料)，减速机正转(加料小车返回加料位)→升降机反转(关出仓门)→换向阀14线包失电→快速排放阀得电，完成了一次加料作业。
熔化工序，电气机械为熔化炉，2台套熔化设备，感应圈和炉壳冷却变频供水装置。依据三相/单相矩阵变换原理，对铁坩埚中的金属原材料提供满功率升温熔化，配制的中间合金或工作合金液体提供低功率保温和较低频率的搅拌。根据熔化工序参数，经控制平台协调，大功率用电设备实现分时使用电源，具体是在2台熔化炉及1台保温炉之间分时使用。在熔化工序中共有7只传感器，双波长非接触温度传感器测量金属熔体的温度、非接触测量液面高得到金属熔体重量、漏炉检测传感器用于灾害发生、温度与压力组合传感器监测熔化压和感应圈温度的变化、感应圈出水口和炉壳出水口分别采用非接触测温传感器，与变频器组成变频供水的伺服机构。
保温工序，电气机械为保温炉，主要用于混合搅拌来自2个熔炉的中间合金或工作合金熔体。保温炉的功率储备很大，目的是当生产线遇到意外故障或停电意外事件时，冷炉料的熔化升温。保温工序中所用的传感系统与熔化工序相同，此外在该工序中加入直读光谱分析手段监控镁合金成分的实时变化，通过微调机构补充调整化学成分。
变质工序、结晶工序及牵引工序，电气机械为螺旋给料机、旋转磁场磁力搅拌器和牵引机。结晶器的冷却能力决定牵引速度的快慢，牵引速度影响变质、孕育剂给料速度和搅拌磁场的旋转速度，因此现场管理将协调三者之间的权重，求得最合理工作方案。结晶器出口型坯温度是重要的控制量，变质给料速度、旋转磁场、结晶器与搅拌器冷却水、牵引速度及牵引轮的压紧装置均采用变频供电方式，完成伺服控制作业。
具有的优点和有益效果：
1.自主知识产权的控制平台软件，协调2台熔化炉与1台保温炉大功率电气设备的分时使用，针对性强、先进性好。
2.双单片机现场管理硬件系统，双单片机在软件设计上相互镜像，在一定的条件下具有自修复功能，减少错误，提高系统的稳定性。
3.借助储能罐和减压阀，用一台真空泵产生多种压力，简单适用，维护方便。
4.非接触测温、绝对压力测量双功能无线传感器，使测量工作便捷和紧凑。
5.经调试运行，高性能镁合金型坯连铸生产线运行良好，成套电气设备工作正常，由于关键技术具有自主知识产权，该技术可以向不同功率连铸生产线延伸。
附图说明：
图1高性能镁合金型坯连铸生产线控制平台工作流程图(a)及程序界面(b)
图2真空全程保护过程控制图
图3160kW三相/单相串联谐振铁坩埚真空感应熔化炉，变频及调功(a)，电原理图(b)