摘 要

本文在电力电子等基础理论知识之上，分析电磁搅拌技术的发展历程、作用及其国内外的应用，突出了电磁搅拌技术良好的冶金效果，由此提出电磁搅拌用二相正交逆变电源 的设计思路，采用常规的电压源三桥臂逆变电路，输出两相正交电流给电磁搅拌器的感应线圈供电，激发形成电磁推力，从而使钢液产生旋转运动，达到搅拌的冶金效果。

论文主要研究了常规电压源三桥臂逆变电路的设计思路、计算方法，并借助Simuink等工具进行仿真验证。

设计结果表明：常规电压源三桥臂逆变电路能够获得两相正交电流信号，产生两相正交的SPWM波形，其响应速度、控制精度、动态性能良好。

关键词：电磁搅拌器；变频器；逆变电路；PWM控制

Abstract

Based on basic theoretical knowledge of power electronics, I analyze the development history and role of electromagnetic stirring technology and its applications at home and abroad, highlights the good metallurgical effects of electromagnetic stirring technology, and proposes a two-phase quadrature inverter power supply for electromagnetic stirring. The design idea is to use a conventional voltage source three-leg inverter circuit to output the two-phase quadrature current to power the induction coil of the electromagnetic stirrer and to stimulate the formation of electromagnetic thrust so that the molten steel can produce a rotating motion and achieve the metallurgical effect of stirring.

By the experiments, I mainly study the design ideas and calculation methods of the conventional three-leg inverter circuit, and uses Simuink and other tools for simulation verification.

The design results show that the conventional voltage source three-leg inverter circuit can obtain two-phase quadrature current signals and generate two-phase orthogonal SPWM waveforms.

Key Words：Electromagnetic stirrer；frequency converter；inverter circuit；PWM control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和目的 1

1.2 电磁搅拌器的发展及应用 2

1.2.1 电磁搅拌技术在国外的发展和应用情况 2

1.2.2 电磁搅拌技术在国内的发展和应用情况 3

第2章 电磁搅拌器的简介 6

2.1 电磁搅拌器的定义 6

2.2 电磁搅拌器的原理 6

2.3 电磁搅拌器的分类及安装模式 6

2.3.1 电磁搅拌器的分类 6

2.3.2 电磁搅拌器的安装模式 7

2.4 电磁搅拌器的冶金效果 8

2.4.1 M-EMS 扩大等轴晶率 8

2.4.2 S-EMS 增加等轴晶率 9

2.4.3 F-EMS 细化等轴晶 9

第3章 两相正交逆变电源工作原理及拓扑结构设计 10

3.1变频器的基本原理 10

3.1.1 单相逆变桥原理 10

3.1.2 变频方法 10

3.1.3 三相逆变桥原理 11

3.1.4 交-直-交变频器 12

3.2 交-直-交变频器电路设计、计算 13

3.2.1 主回路参数计算 13

3.2.2 整流桥计算 14

3.2.3 逆变桥器件选择和计算 15

3.3 逆变电路的拓扑结构 18

3.3.1 拓扑结构 18

3.3.2 三桥臂逆变电路分析 19

第4章 Simulink仿真实现 21

第5章 结论 25

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景和目的

近年来，新型科技日新月异，无论对于农业、轻工业，还是重工业来说，新的技术都代表着更加高效的生产效率。由此，我国的连铸产业也在技术更新换代中得到飞速的发展。我国连铸产业的连铸机数量居于世界首位，连铸坯的产量也稳居世界第一，这与我国发达的钢铁工业实力相一致，由此，可以说我国已经成为了连铸产业大国。但是，就目前而言，我国还不是一个连铸生产强国，这是必须承认的事实。国内外的连铸技术发展不断更替，经过近年来持续的技术应用和改进，连铸坯的质量越来越重要，超纯净钢的开发和不断更新的应用也对铸坯的质量、成分偏析和凝固组织提出了更高的要求。

连铸技术的一次里程碑式发展是发现低速移动着的感应磁场，能在钢水中产生强大的搅拌作用，并将该技术应用于连铸产业。连铸坯液相穴内的钢水对流运动在消除过热度、改善铸坯凝固组织和成分偏析等方面有重大影响，而钢水流动的驱动力的来源主要是来自外力，可以使用电磁搅拌技术在液相穴的任何位置上外加电磁力来驱动钢水的流动。结晶器电磁搅拌对连铸产业有着方方面面的改善作用，其中最为主要的是改善钢坯的表面质量和皮下质量，该电磁搅拌器中，结晶器电磁搅拌设置在结晶器的外部，钢水位于结晶器内部。正是因为电磁搅拌技术对提高铸坯的等轴晶率、细化凝固组织、降低夹杂物含量并促进成分均匀化的巨大作用，所以，电磁搅拌技术的发展愈加重要。

通过给电磁搅拌器接通两相低频电源，由于两相绕组空间上的相对关系，两相电源能够激发一旋转磁场，在搅拌线圈内产生感应电流，两者相互作用会产生电磁力，推动结晶器内的钢液旋转运动，这种搅拌方法具有磁场能量集中、所需搅拌功率小以及绕组能量效率高等优点。两相电磁搅拌绕组可以等效为组感性负载，两绕组在空间上正交，一般设计中采用双H桥逆变电路供电的主电路，这种主电路结构简单，易于搭建和问题检测修复，但是因为该电路需要8个大容量的功率开关器件，一般选用IGBT器件，硬件成本较高。对此，本文提出采用常规电压源三桥臂逆变电路的拓扑结构，经过理论分析和计算求导，最后利用Simulink工具进行具体的仿真，验证这种方法的可行性。

电磁搅拌技术有着许多良好的特性，最为特殊的是其具有无接触搅拌的这一特点，能够良好地使铝合金成分均匀，并且具有缩短熔炼时间、降低能耗的作用，还具有减少熔体上下部温差、减少熔渣的产生等优点，近年来已经在铝熔铸等各个行业得到推广应用。在电磁半固态铸造合金浆料的制备工艺中，电磁搅拌技术也起到极其重要的作用。

1.2 电磁搅拌器的发展及应用

 就目前的情况来讲，电磁搅拌器在机械或者钢铁行业的地位还是举足轻重的，在这些行业中电磁搅拌器都有很广泛的应用。特别是对于连铸产业，电磁搅拌技术越来越起到核心工艺的作用，需要对其进行不断的推广应用与新技术的开发和工业化。