一、背景

电磁搅拌是利用电磁感应原理所产生的电磁力来推动金属有规律地运动，减少枝状晶，增加等轴晶率，从而改善金属的微观组织形貌。其实质是借助交变电流产生的交变磁场，在金属熔体中产生感应电流，载流金属熔体在磁场中受到电磁力的作用，改善金属熔体凝固过程中的流动、传热和迁移过程，最终提高冶金质量。

电磁搅拌器的分类方法较多，根据电磁搅拌器的磁场形态，可分为旋转磁场电磁搅拌器和行波磁场电磁搅拌器；按照搅拌的对象主要可分为方（圆）坯电磁搅拌器和板坯电磁搅拌器两种类型；按绕组相数可分为三相电磁搅拌器和两相电磁搅拌器两种；而根据安装位置则一般可分为三种类型：结晶器电磁搅拌器、二冷区电磁搅拌器和末端电磁搅拌器。

目前应用于电磁搅拌器的变频电源主要采用国外品牌的高性能专用变频器。他们均能满足三相绕组对称的低频大电流的输出要求。然而，由于电磁搅拌器种类繁多，三相绕组不对称（两相绕组不对称）的情况普遍存在，在这种情况下，即便此类高端变频器亦难以完全适应要求，无法输出三相120°对称电流或两相90°对称电流。

EM100系列变频电源专门针对金属冶金行业使用的电磁搅拌器可能出现的绕组阻抗情况进行配置，无论电磁搅拌器为两相或三相、绕组对称或不对称，均能输出均衡电流，保证电磁搅拌方向、搅拌力与搅拌速度的均匀平稳。

二、系统原理

图1：系统组成图

如图1所示，主流的电磁搅拌系统主要由配电/主控柜、变频电源、电磁搅拌器以及冷却水系统四部分组成。

配电/主控柜通过PLC与变频电源进行通信或端子控制，按照不同搅拌工艺的要求向变频电源发送相应的控制指令，同时从变频电源读取各种状态观测量；此外，配电/主控柜还需向冷却水系统发出控制指令，并读取状态观测量以实现对电磁搅拌器的冷却。当变频电源接收到控制命令后，根据所给定的频率和电压/电流指令输出相应频率的电压至电磁搅拌器的绕组上，并自动分辨不同种类的电磁搅拌器，产生相应的旋转磁场或行波磁场，最终实现对电磁搅拌器内金属溶液的电磁搅拌。

三、性能要求

1）输出三相/两相对称电流，同时电流的频率和幅值均独立可调；

2）长时间低频大电流输出，频率一般在1Hz~16Hz之间，根据搅拌器容量，其电流值需求一般在200A~800A之间；

3）快速可靠的输出对地短路保护以及输出相间短路保护功能。

综上，当电磁搅拌器的三相绕组不对称时，变频电源必须输出互差120°均衡电流；当为两相不对称绕组时，必须输出两相互差90°的均衡电流，以保证电磁搅拌器输出电磁力最大化，同时减少损耗、提升系统效率。

四、系统方案

EM100系列变频电源是基于GTAKE高性能驱动器平台GK800所开发的专用机型

1）EM100采用美国TI公司最新一代电机控制专用数字信号处理器（DSP）作为控制芯片，其主频可达150MHz；

2）采用了德国Infineon公司第四代IGBT模块，结合其175°C最高结温的特性，运用创新型的PWM调制方式，进一步降低开关损耗，即使在50°C环境温度下，也无需降额使用，完全满足了电磁搅拌器低频大电流输出的要求。

3）EM100采用特殊电流均衡控制策略，可适配不同类型电磁搅拌器（两相电磁搅拌器、三相电磁搅拌器），无论绕组对称与否，均能输出平衡电流（注：两相电磁搅拌器，输出两相平衡互差90°的电流；三相电磁搅拌器，输出三相平衡互差120°的电流）。完全满足电磁搅拌系统对变频电源的严苛要求

图2：两相电磁搅拌器接线示意图

图3：三相电磁搅拌器接线示意图

R/S/T输入接入三相电网，可根据要求通过PFC设备或输入电抗器接入电网；U/V/W输出则接至两相/三相搅拌器。主电路接法较为简单，而控制板端子接线则可根据用户需求灵活接配；此外，还可根据需求选配ProfiBUS-DP板卡，实现通讯控制。根据配置情况不同，用户可分别通过面板、端子或通信方式实现频率指令、电流指令的给定以及变频电源的起停控制。

五、使用效果

电磁搅拌器的机型较多，下面主要展示三相负载不平衡的外置式电磁搅拌器与两相负载不平衡的辊式板坯电磁搅拌器在额定运行（额定电流400A输出，运行频率一般在1Hz~16Hz之间）工况下的使用效果，以及输出短路保护的电流波形。

三相不对称电磁搅拌器

4：矩形外置式电磁搅拌器

当控制对象为三相电磁搅拌器（如矩形外置式电磁搅拌器，由于生产工艺上的缺陷，三相绕组一般均存在严重不平衡）时，运行方式设定为三相电流控制方式（F5-00=2），即可实现对电磁搅拌器三相电流均衡控制。

 图5：采用V/F分离控制方式

如图5，在不采用任何抑制措施时，即采用通用的V/F分离控制方式时，三相输出电流存在着严重的失衡，如图5所示，电流不对称度大于40%，三相电流相位差亦非120°

图6：采用三相电流闭环控制方式

而采用EM100不平衡抑制控制策略后，如图6所示，三相电流不对称度得到了抑制，不对称度小于4%，同时三相电流相位差为标准的120°，稳态精度小于2%，频率误差小于0.05Hz

两相不对称电磁搅拌器

图7：辊式板坯电磁搅拌器

如图7所示为辊式板坯电磁搅拌器，此辊式电磁搅拌器采用了两相绕组方式，两相绕组中点，即中间相同样送至变频电源。受生产工艺水平所限，两相绕组平衡很难实现，故两相电流亦严重不对称。然而，为了保证电磁搅拌力的均衡，不仅需保持两相电流均衡，而且还要保证两相电流互差90°电角度。

图8：L相电流波形（无均衡策略）

如图8所示，未采用不平衡控制策略时的L、F两相电流输出波形，此时设定电流为355A，运行频率为6.00Hz。从波形可看出，两相电流不仅幅值不相等，相位差也非90°

图9： L相与F相电流相位差波形

图9所示为采用EM100两相平衡控制策略后的L相与F相输出电流相位差波形图，相位差为91°，满足了两相互差90°电角度的要求。同时，两相电流不对称度小于4%，稳态精度小于2%，频率误差小于0.05Hz

六、保护功能

图10： 输出对地短路保护电流波形

在输出额定电流情况下，突然发生输出对地短路时，变频电源对地短路保护的电流波形。由图可看出，在发生对地短路时，变频电源能迅速实现封波，输出电流立刻减小至零，从而避免了对地短路对设备的损坏

图11： 输出相间短路保护电流波形

在输出额定电流情况下，突然发生输出相间短路时变频器的电流波形。由图可看出，在发生相间短路时，变频电源能迅速实现封波，输出电流立刻减小至零，从而避免了对地短路对设备的损坏

七、结语

无论电磁搅拌器的绕组是两相还是三相，对称或不对称，EM100系列变频电源均能轻松应对，输出均衡电流，提高搅拌效率，同时无需降额使用，极大的为企业节省成本。