1 引言
铝电磁铸轧技术是一种集机械、电气、液压、金属材料、铸轧工艺（含熔铸、热轧和冷轧等）、计算机控制等多学科和新技术于一体的高效、节能的铝带坯生产高新技术。电磁铸轧的机理是在连续铸轧区施加特殊的交变电磁场，用电磁力改变铸轧区中的结晶与变形条件，使晶粒组织细化，取代铝—钛—硼晶粒细化剂，获得高质量的铸轧带坯。这种具有特殊要求的电磁场，是通过在电磁感应器中通入特殊的铸轧电流波而产生的。因此，研制一套能适应各种磁场要求、为电磁感应装置供电的铸轧专用变频电源控制系统是实现电磁铸轧工艺系列技术的关键环节之一。
在某铝电磁连续铸轧系统中，对铸轧特种电源的电气参数要求为：
（1）相数：三相，也可两相运行；
（2）单相电流波形：基波为正弦波，能任意迭加高次谐波；
（3）单相电流幅值：5～25a，独立可调；
（4）单相电流基波频率：5～20hz，独立可调；
（5）电磁搅拌换相周期：1～5个周波内任选；
（6）相位差:三相运行时为120°,两相运行时为90°
（7）辅助电源：低压大电流200～300a，幅度可调。
系统设计时，电磁铸轧电源变频装置主电路采用交—交变频方式，同时结合模糊自适应pid控制策略实现装置的电流波形跟踪与控制功能。由于电磁感应器的三组线圈相互独立，需要三相电流的大小单独可调，相位关系也可调。因此，电磁铸轧系统由三个电源变频装置组成。
2 变频装置的硬件电路设计
电磁铸轧电源频率装置的硬件电路包括功率变换电路、控制电路和其它一些辅助电路。
2.1 功率变换电路
系统的功率变换电路就是系统的主电路，其结构如图1所示。整流电路通过整流变压器与电网相连，整流变压器接成△/y形式，将380v/50hz的电源变成250v/50hz输出，既可避免高次谐波注入电网，又可实现隔离和降压。在整流桥的交流输入侧，接有快速熔断器，以实现过流保护作用。
整流环节所用的电力电子器件是scr（晶闸管）模块，采用scr模块的标称额定电压为1600v，额定电流为54a。为了防止过电压对scr造成损害，采用阻容保护：在每个晶闸管两端加阻容保护，由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压的上升水平，串连的电阻还可以消耗部分能量。
图1 电源变频装置主电路原理图
l和l′是电磁感应器内部绕在同一个铁芯上的两个线圈，变频器p和n采用三相桥式全控整流电路，p组工作时，在负载线圈l中得到正半波电流，n组工作时，在负载线圈l′中得到负半波电流。把流经同一铁心上的这两个线圈的电流合成，相当于在负载线圈中通入了一个完整的电流波形。p组和n组输出之间无电气连接，不存在环流使电源短路的问题，控制起来更简单，铸轧效果更好，安全性和可靠性也得到很大提高。
2.2 变频装置控制电路
2.2.1 对移相触发电路的要求
控制电路的主要作用是对晶闸管整流电路产生触发脉冲。根据三相桥式全控整流电路的工作特点，对移相触发电路有如下要求：
（1）触发信号对门—阴极来说必须是正极性的。为了减少门极损耗，一般不用交流或直流触发信号，而是采用脉冲形式的触发信号，常见的是采用双窄脉冲；
（2）触发脉冲信号应有足够的功率，但以不超过门—阴极的安全工作区为限；
（3）触发脉冲应有一定的宽度，以保证被触发的晶闸管可靠导通。由于电磁感应器属于感性负载，触发脉冲的宽度应大于晶闸管的阳极电流从零上升到擎住电流的时间，触发脉冲的总宽度不应小于100μs，一般要到1ms；
（4）触发脉冲应与被触发晶闸管的阳—阴极的电压同步，并要保证有足够的移相范围。
电磁铸轧变频装置以mcu+cpld为核心完成触发脉冲的产生。mcu捕获同步信号的上升、下降沿得到单窄脉冲，之后经cpld译码得到双窄脉冲去触发晶闸管。因此，触发脉冲的形成与输出模块包括主要同步移相电路、cpld译码形成双窄脉冲电路、脉冲功率放大与隔离电路三部分。
2.2.2 同步移相电路
传统同步控制电路存在同步变压器与整流变压器的接法配合复杂、现场调试困难、同步变压器安装不便等缺点，为此，设计了一种无同步变压器的同步移相控制电路，如图2所示。该电路以阻容网络、过零运放和高速光隔代替传统的同步变压器，实现同步信号的采集和同步控制电路与主电路的隔离。图２中hia、hib、hic为同步移相控制电路输出的同步方波信号，mcu的cap口捕获该方波的上升沿和下降沿，实现同步信号的采集。
图2 同步移相控制电路
2.2.3 基于cpld的双窄脉冲形成与分配技术
基于cpld的双窄脉冲形成与分配技术可以大大简化触发电路，并且工作可靠，电路传输时延小，调试修改方便，工作桥的选择和互锁保护等功能也比较容易实现。
对于三相桥式全控整流电路，双窄脉冲触发是在触发某个晶闸管的同时，给序号在前的一个晶闸管补发脉冲。同步移相之后的同步电压信号，经过过零比较电路和光电隔离后得到同步信号，mcu的cap口捕获该３相同步信号的上升沿和下降沿，作为触发角α的起点。mcu根据当前闭环控制的计算结果从三个pwm口输出触发角为α、脉冲宽度为1ms的脉冲。cpld根据译码逻辑输出六路双窄脉冲，通过脉冲功率放大与输出电路后分别作为主电路的6个晶闸管的触发脉冲。6个晶闸管，相位依次差60°，每个时刻有2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路。综合上述译码过程，并考虑正反桥封锁和“双1”封锁功能，可以得出译码逻辑为（以正桥为例，反桥类似）：
式中，lckz、lckf分别为正、反桥选择信号，当其值为0时，封锁相应桥的触发脉冲，当其值为1时，开放相应桥的触发脉冲。但当lckz=lckf=1时，正反桥均进入封锁状态，实现互锁保护功能。
2.2.4 脉冲功率放大与隔离电路
从cpld译码输出的双窄脉冲不能直接加到主电路晶闸管的g、k极之间，还需要有脉冲的放大和隔离环节，即脉冲输出电路，脉冲输出电路如图3所示。它由高速光隔tlp114构成的电气隔离环节、v1与v2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器tm及附属电路构成的脉冲输出环节等部分组成。tlp114的作用是将cpld输出的双窄脉冲与脉冲功放和输出环节隔离，提高系统可靠性。当v1、v2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。vd2和r4是为了v1、v2由导通变为截止时脉冲变压器tm释放其储存的能量而设的，r5用来限制晶闸管控制极电流。
图3 晶闸管脉冲放大隔离电路
主电路中晶闸管的门极触发电流参数为150ma，为保证可靠触发，设计放大隔离电路时采用脉冲变压器，一次侧电源为+15v。
