专利名称：处理钢液的电场能量发生释放装置及其控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种向金属液中施加电场能量的装置及其控制系统，尤其是一种用于处理钢液的电场能量发生释放装置及其控制系统。
背景技术：
由于电场和磁场在钢液凝固过程中有其特殊作用效果，近年来，用电场能量处理钢液的技术愈来愈受到人们的关注，与此同时，用于处理钢液的电场能量发生释放装置也就应运而生了。尽管如此，目前用于该领域的电场能量发生释放装置和与其相应的向钢液中施加电场能量的处理工艺一样还只停留在实验室研究阶段。由于在实验室中处理的钢液的量非常小，只有几百克到几千克，而且是孤立的、不连续的、静止的处理对象，所需要的电场能量比较容易满足，所以处理后的效果比较明显。而真正应用到大工业生产，连续地施加电场能量处理多达几吨甚至几十吨源源不断地流动的钢液就不适用了，即使将原电场能量发生释放装置中的元器件都换成大功率的也同样无济于事，无法满足大工业生产中连续不断处理钢水的需要，其原因在于1)现有的向钢液中施加电场能量的装置中，只有一组储能元件，能量的储存与释放都在这同一组元器件上进行，一方面，如果简单地将其容量放大会因电流过大使熔断器熔断而不能工作，或烧毁变压器和整流元件；另一方面，由于在大工业生产中所要处理的钢液是连续不断的，因此所施加的电场能量必须源源不断地满足供应，如果不协调控制能量储存和释放的节奏，一味地增大元器件的容量就会导致该组元器件由能量储存到能量释放转换的整个过程中所需的储能时间越来越长，直至最后能量储存满足不了能量释放的要求；2)由于现有的向金属液中施加电场能量的装置，其频率f＝0.1～1000次/秒，脉冲宽度10～100μs，当频率升高或脉冲宽度减小时，集肤效应严重，电场能量只能作用到钢水的表面，对钢水内部不起作用；3)由于忽略了占空比的作用，当占空比较小时，其它参数无论如何调整，钢水得到的能量都很小，达不到处理效果；由于上述问题的存在，使得在大工业生产中所需的大容量电场能量无法得到满足，因此大大限制了利用电场能量处理钢液这项技术的应用，同时也制约了该项技术的进一步发展，由此不难看出，大容量电场能量发生释放装置在钢液处理过程中的重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于处理钢液的电场能量发生释放装置及其控制系统，以便在大工业生产中能够安全、可靠地向钢液施加电场能量，进而实现从实验室研究阶段向大工业生产的转化。
本发明的目的是这样实现的，一种处理钢液的电场能量发生释放装置主要由电源部分、电场能量储存释放部分和控制部分所组成。其中电场能量储存释放部分包括电场能量储存单元、电场能量释放单元和预储能单元；控制部分包括电场能量释放控制单元和一个PLC。预储能单元和电场能量储存单元在PLC和电场能量释放控制单元的控制下进行能量的储存和释放，将电源的能量和预储能单元储存的能量送入电场能量储存单元，并通过电场能量储存单元将能量释放到负载R0中。
一种处理钢液的电场能量发生释放装置，其电源部分包括三相电源变压器、三相全控桥整流单元、高压全控整桥整流单元及滤波单元组成。滤波后的直流电源在能量叠加切换单元的控制下进行叠加或切换，叠加或切换后的直流电源向预储能单元和电场能量储存单元充电储存能量。
一种用于处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，PLC采集设定参数并且实时扫描电源部分、电场能量储存释放部分的电压U、电流I、频率F、占空比D参数，通过实时的数据处理、数值计算输出到电场能量释放控制单元控制电场能量释放单元的能量释放，同时检测并协调控制电源、能量叠加切换单元、预储能单元、电场能量储存单元，使电场能量按处理钢水的参数输出到被处理的钢液中。
由于本发明在电场能量储存单元的前面增加了预储能单元，当电场能量储存单元将储存的能量通过PLC和电场能量释放控制单元控制输出的同时预储能单元进行充电，当电场能量储存单元将能量释放完之后，预储能单元将事先储存的能量及时地补充给电场能量储存单元，这样就节省了电场能量储存单元重新充电所需要的时间，加快了储能速度，满足了大工业生产需要连续释放足够能量的要求，确保为大工业生产提供源源不断的电场能量。与此同时，本发明通过对电压、电流、频率、占空比等参数的设定、检测及控制，使输出频率f＝0.1Hz～25Hz，消除集肤效应，加强了对钢水内部的作用；另外，由于充分地利用了占空比的作用，将占空比控制在5％～95％，这样可以在一味地增大硬件设备有限的条件下提高其能量的输出，进而实现从实验室研究阶段向大工业生产的转化。本发明的输出能量可达200MJ。
图1为本发明电场能量发生释放装置的原理图；
图2为本发明电场能量释放控制单元原理图；图3为本发明程序流程图；图4为图3中的自寻优子程序流程图；图5为本发明控制系统寻优自学习原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种处理钢液的电场能量发生释放装置主要由电源部分、电场能量储存释放部分和控制部分所组成。其中电场能量储存释放部分包括电场能量储存单元11、电场能量释放单元14和预储能单元8；控制部分包括电场能量释放控制单元12和一个PLC。预储能单元8和电场能量储存单元11在PLC和电场能量释放控制单元12的控制下进行能量的储存和释放，将电源的能量和预储能单元8储存的能量送入电场能量储存单元11，并通过电场能量储存单元11将能量释放到负载R0(钢液)中，对钢液进行处理。
如图1所示，一种处理钢液的电场能量发生释放装置，其电源部分包括三相电源变压器1、三相全控桥整流单元2、高压全控桥整流单元3及滤波单元4组成。滤波后的直流电源在能量叠加切换单元5的控制下进行叠加或切换，叠加或切换后的直流电源向预储能单元8和电场能量储存单元11充电储存能量。
如图1所示，能量叠加切换单元5由两个受PLC控制的控制接触器组成。两路直流电源分别由两个控制接触器切换成一组直流电源输出，或叠加成一组复合的电源输出。叠加切换后将能量输入到预储能单元8、电场能量储存单元11。
如图1所示，预储能单元8和电场能量储存单元11均由多组电容相连组合而成，预储能单元8的总电场能量QC预与电场能量储存单元11的总电场能量QC储之间的关系如下 叠加切换后的直流电源以一定的电压和电流输入到预储能单元8、电场能量储存单元11进行储能。电场能量释放控制单元12按PLC控制的释放参数控制电场能量储存单元11将能量释放到负载后，预储能单元8在PLC和电场能量释放控制单元12的控制下将预储存的能量立即传输到电场能量储存单元11以补充电场能量储存单元11释放后的能量不足。
如图1所示，PLC和电场能量释放控制单元12同时检测和控制预储能过程、能量传输过程、电场能量储存过程和向负载的释放过程。经滤波单元4滤波后的各组直流电源经电压电流检测元件6和叠加切换后的电压电流检测元件10检测后送入PLC中；各组直流电源分别经过预储能单元和电场能量储存单元的充电电压电流检测元件9、7检测后送入PLC；输出到负载上的处理电压、电流的频率、占空比经频率检测元件、占空比检测元件13检测后送入PLC。触摸屏单元完成人机对话的功能，完成输入参数的设置、修改、工作状态的显示、工况图的显示。
如图2所示，电场能量释放控制单元12是由A/D模数转换器、接口电路、逻辑运算电路、数值运算电路、时间控制电路、运算放大电路、多路触发电路组成。电场能量释放控制单元12的参数设定来自PLC模拟量输出，4路0～10V电压信号分别设定电场能量储存单元向负载输出的电压U、电流I、频率F、占空比D。4路电压信号经4路A/D模数转换器转换成4路数字量，4路数字量经接口电路转换后送逻辑运算单元进行逻辑关系运算，送数值运算单元进行数值计算，逻辑运算后，时间控制电路输出控制信号控制预储能单元，运算放大单元按运算后的逻辑关系和计算值放大后分别驱动多路触发电路控制电场能量释放单元14。
如图1、3、4所示，一种用于处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，PLC采集设定参数并且实时扫描电源部分、电场能量储存释放部分的电压U、电流I、频率F、占空比D参数，通过实时的数据处理、数值计算输出到电场能量释放控制单元控制电场能量释放单元14的能量释放，同时检测并协调控制电源、能量叠加切换单元5、预储能单元8、电场能量储存单元11，使电场能量按处理钢水的参数输出到被处理的钢液中。系统启动后按设定的工作模式运行，检测输出状态、电极状态，根据设定的处理参数或优化的处理参数通过PLC和电场能量释放控制单元控制电源、能量叠加切换单元、预储能单元、电场能量储存单元向钢水释放电场能量，处理钢液。系统工作中，调用自寻优子程序，优化处理参数，寻求极值。查处理效果输入值，进行比较优化，系统寻优自学习后，设置优化的处理参数。
如图5所示，一种用于处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，采用自寻优方法优化处理参数，在向钢水中输出能量时，处理参数的给定值与作用效果反馈回来的实际最佳处理参数值比较，产生的偏差值分别输入到寻优学习器和能量控制器，寻优学习器根据偏差值和能量输出值进行数值运算处理，经寻优学习器运算学习，优化出新的处理参数，传输给能量控制器，能量控制器发出信号控制电场能量释放单元按优化后的处理参数控制输出能量，去处理被控对象。通过采用自寻优方法优化处理参数，可以根据具体情况对所施加电场能量的各项参数进行控制以满足实际生产中不同品种的需要。
本发明的一种处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，其输出的处理钢水的各项参数值为能量Q＝1000J～200MJ、电压U＝100V～2000V、电流I＝100A～10KA、频率F＝0.1Hz～25Hz、占空比D＝5％～95％。
本发明的一种处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，PLC由DI开关量输入模块、DO开关量输出模块、AI模拟量输入模块、AO模拟量输出模块、本地和远程通讯模块、CPU模块、电源模块、触摸屏单元、通讯接口、数据接口、编程接口等组成。开关量输入、输出模块分别检测和控制电源部分、能量叠加切换单元、电场能量释放控制单元的电气操作状态，驱动电气操作的各继电器和接触器。AI模拟量输入模块检测两路电源的直流输出电压、电流，叠加切换控制输出的电压、电流，检测预储能单元的电压、电流，检测电场能量储存单元的电压、电流，检测电场能量释放单元输出的电压、电流、频率、占空比。AO模拟量输出模块输出0～10V电压信号设定和调整电场能量释放的电压、电流、频率、占空比，输出4～20mA电流信号设定和调整电源部分的全控整流桥，组成多个PID调节控制输出回路，进行恒压和恒流的闭环调节。
权利要求
1.一种处理钢液的电场能量发生释放装置，主要由电源部分、电场能量储存释放部分和控制部分所组成，其特征在于电场能量储存释放部分包括电场能量储存单元(11)、电场能量释放单元(14)和预储能单元(8)；控制部分包括电场能量释放控制单元(12)和一个PLC；预储能单元(8)和电场能量储存单元(11)在PLC和电场能量释放控制单元(12)的控制下进行能量的储存和释放，将电源的能量和预储能单元(8)储存的能量送入电场能量储存单元(11)，并通过电场能量储存单元(11)将能量释放到负载R0中。
2.根据权利要求1所述的处理钢液的电场能量发生释放装置，其特征在于电源部分包括三相电源变压器(1)、三相全控桥整流单元(2)、高压全控桥整流单元(3)及滤波单元(4)组成；滤波后的直流电源在能量叠加切换单元(5)的控制下进行叠加或切换，叠加或切换后的直流电源向预储能单元(8)和电场能量储存单元(11)充电储存能量。
3.根据权利要求1或2所述的处理钢液的电场能量发生释放装置，其特征在于预储能单元(8)由多组电容相连组合而成，其总电场能量QC预与电场能量储存单元(11)的总电场能量QC储之间的关系如下
4.根据权利要求2所述的处理钢液的电场能量发生释放装置，其特征在于能量叠加切换单元(5)由两个受PLC控制的控制接触器组成。
5.根据权利要求1或2所述的处理钢液的电场能量发生释放装置，其特征在于电场能量释放控制单元(12)是由A/D模数转换器、接口电路、逻辑运算电路、数值运算电路、时间控制电路、运算放大电路、多路触发电路组成，电场能量释放控制单元(12)的参数设定来自PLC模拟量输出，控制输出电路控制预储能单元(8)，多路触发电路控制电场能量释放单元(14)。
6.根据权利要求1或2所述的处理钢液的电场能量发生释放装置，其特征在于经滤波单元(4)滤波后的各组直流电源经电压电流检测元件(6)和叠加切换后的电压电流检测元件(10)检测后送入PLC中；各组直流电源分别经过预储能单元和电场能量储存单元的充电电压电流检测元件(9、7)检测后送入PLC；输出到负载上的处理电压、电流的频率、占空比经频率检测元件、占空比检测元件(13)检测后送入PLC。
7.一种用于权利要求1所述的处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，其特征在于PLC采集设定参数并且实时扫描电源部分、电场能量储存释放部分的电压U、电流I、频率F、占空比D参数，通过实时的数据处理、数值计算输出到电场能量释放控制单元控制电场能量释放单元(14)的能量释放，同时检测并协调控制电源、能量叠加切换单元(5)、预储能单元(8)、电场能量储存单元(11)，使电场能量按处理钢水的参数输出到被处理的钢液中。
8.根据权利要求7所述的处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，其特征在于采用自寻优方法优化处理参数，在向钢水中输出能量时，处理参数的给定值与作用效果反馈回来的实际最佳处理参数值比较，产生的偏差值分别输入到寻优学习器和能量控制器，寻优学习器根据偏差值和能量输出值进行数值运算处理，经寻优学习器运算学习，优化出新的处理参数，传输给能量控制器，能量控制器发出信号控制电场能量释放控制单元按优化后的处理参数控制输出能量，去处理被控对象。
9.根据权利要求7或8所述的处理钢液的电场能量发生释放装置的控制系统，其特征在于处理钢水的参数输出为能量Q＝1000J～200MJ、电压U＝100V～2000V、电流I＝100A～10KA、频率F＝0.1Hz～25Hz、占空比D＝5％～95％。
全文摘要
本发明提供了一种处理钢液的电场能量发生释放装置及其控制系统，该装置主要由电源部分、电场能量储存释放部分和控制部分所组成，其中电场能量储存释放部分包括电场能量储存单元、电场能量释放单元和预储能单元；控制部分包括电场能量释放控制单元和一个PLC；预储能单元和电场能量储存单元在PLC和电场能量释放控制单元的控制下进行能量的储存和释放。控制系统通过对参数设定，实时的数据处理、数值计算输出控制电场能量储存单元的能量释放，同时检测并协调控制电源、能量叠加切换单元、预储能单元、电场能量储存单元。本发明加快了储能速度，消除集肤效应，加强了对钢水内部的处理，充分地利用了占空比的作用，输出能量可达200MJ。
文档编号H02M3/135GK1933308SQ200510047209
公开日2007年3月21日 申请日期2005年9月13日 优先权日2005年9月13日
发明者李平, 刘万山, 关勇, 唐雪峰, 王阿鼎, 张春雷, 崔东卫 申请人:鞍钢股份有限公司