永磁交流伺服电机在水平连铸中的应用

一、概述
水平连铸技术是二十世纪八十年代出现的连铸新技术。由于水平连铸工艺简单，效率高，产品质量好，故在冶金行业得到了广泛应用。拉坯技术是水平连铸技术的核心，为了使液态金属在结晶器里的结晶更加充分、均匀，拉坯的拖动系统要通过多台驱动电机完成拉---停---推---停---拉的往复变速运动。这就对驱动系统的响应时间、跟随性、同步性等技术指标提出了很高的要求。
山东鼎犀特钢的连铸拉坯生产线是2002年新建项目。该生产线采用浙江中源电气有限公司的稀土永磁交流伺服电机（3台、15KW/台、型号：TYSZ-1500-160），配套德国KEB的F5伺服控制器，实现速度同步控制功能和主从同步控制功能，响应快，定位准，同步性好，2003年7月份通过现场调试，目前运行情况良好，各项性能指标已完全达到水平连铸的拉坯工艺要求。
二、中源电气TYSZ系列稀土永磁交流伺服电动机的性能特点
1、 调速、定位精度高；
2、 动态响应快（电磁时间和机电时间常数小）；
3、 灵敏度高（电动机始动电压小）；
4、 调速范围宽，过载能力强；
5、 功率范围大，最大可达75KW；
6、 线性度好，力矩波动小；
7、 功率密度大，体积小，重量轻；
8、 损耗低，效率高；
9、 噪音低，温升低，寿命长



三、连铸伺服驱动系统简述
连铸拉坯的运动曲线是近似于正弦波的模拟量波形。它由单片机程序控制，通过键盘输入和显示器监视来调整拉坯的频率和速度，操作简单快捷。伺服控制器通过接收开关量控制信号和单片机的模拟速度给定信号来驱动电机。单片机通过位置反馈信号来实时检测电机转子的运动轨迹，实现控制系统的位置闭环，以保证电机的运动轨迹符合工艺要求。参见图一水平连铸工艺流程控制示意图，图二控制系统框图。


四、拉坯工艺对驱动系统的技术要求
根据拉坯工艺的控制要求，速度给定信号（近似于正弦波形的模拟量）由单片机输出，通过屏蔽通讯电缆送到伺服控制器，来驱动伺服电机实现往复变速运动，电机的实际运行轨迹波形必须快速、同步、精确地跟随给定信号曲线，才能完整地完成拉坯过程。这就要求驱动系统必须达到以下技术要求：
1、响应时间
拉坯频率一般在80-200次/分（可调），拉速一般在0-2米/分（即0-800转，可调）。这样一个完整的拉---停---推---停---拉运行过程，所需的时间大约在0.3S-0.8S左右。其中拉的过程所需时间在0.2S-0.6S，对响应的时间要求最高。中源电气的稀土永磁交流伺服电机（15KW）的响应时间在150mS（对应1000转）左右，完全可以达到拉坯工艺对电机响应时间的要求。
2、跟随性能
跟随性能的好坏直接影响到连铸拉坯的质量。如果跟随性不好，那么拉、停、推的幅值和时间就很难控制，会引起钢坯内部结晶不均匀，表面出现褶皱、裂缝等缺陷。中源电气的稀土永磁交流伺服电机（TYSZ-1500-160）配用德国KEB的伺服控制器，采样时间最快可达到0.5ms. 而且，转子的永磁结构决定了转速与频率的严格对应关系（n=60f/p），极数一定的情况下，单位时间内电机转数只随着频率的变化而变化，完全克服了异步电机有转差的缺点，控制精度更高。
3、同步性能
本系统中，三台伺服电机分别驱动三根压辊，电机与电机之间的同步性要求较高。钢坯表面经过冷却已经凝固，属钢性物体，如果同步性不好，就会出现某台电机驱动辊打滑、出力不一致等现象，轻微时会影响钢坯的质量，严重时会造成无法正常生产、停车等重大事故。
伺服系统采用速度同步控制功能和转矩控制功能。在起铸阶段采用速度同步控制，因为这时三台电机的驱动辊是在牵引引锭杆运行，每个驱动辊上的压辊都需要单独抬起，以让引锭杆与钢坯的连接处通过，这个阶段对三台之间的转矩控制要求不高。当钢坯完全通过三个驱动辊后采用转矩控制方式实现主从同步。这时由于驱动的钢坯属钢性物体，不出现打滑时，三台电机的驱动辊的线速度严格保持一致。此时，由主机控制驱动辊速度，主机的实际转矩通过模拟量口输出，作为从机的转矩给定，控制从机的输出转矩与主机一致。这样既保证了三台电机在速度上的一致性，又保证了三台电机负荷均衡。
4、抗干扰性能
干扰是每套电气设备都会碰到的问题。小则影响控制的精度，大则使整套设备无法正常运行。该伺服系统使用的通讯电缆采用多层屏蔽，抗干扰能力强，保证了系统的稳定运行。
在山东鼎犀特钢的现场调试过程中，驱动系统有过两次故障：第一次为电机在快速制动过程中产生再生能量，导致控制器的直流母线电压过高而自动保护，加能耗制动电阻后故障解除。第二次为拉坯模拟量信号传送到控制器后出现正偏差致使电机的实际速度曲线变形，经过检查、测试后发现是由于拉坯波形的程序控制模块有问题，经过程序调试人员的处理后，故障得到排除。
一年来，山东鼎犀特钢的这条水平连铸生产线运行稳定，驱动系统没有出现一次故障，总拉坯产量达到20000多吨，钢坯质量完全符合标准要求。国产稀土永磁交流伺服驱动系统在水平连铸的使用中得到圆满成功。
五、各种驱动系统比较

价格
成材率
年产量
维护量
维护周期

脉动液压系统
较便宜
75%
10000吨
大
2年

进口直流伺服系统
昂贵
85%
15000吨
大
2年

进口交流伺服系统
较贵
90%
20000吨
小
3年

稀土永磁交流伺服系统
便宜
90%
20000吨
小
3年


六、伺服电机与异步、同步电机性能对比

起动性能
转速范围
控制精度
控制方式

异步电机（速度闭环）
约2S
150-1500
约2mm
单一

同步电机
2S
150-1500
约2mm
单一

伺服电机
约0.15S
0-1500
约0.01mm
多样化



七、总结
应用国产稀土永磁伺服电机组成的系统具有控制方式多样化、控制精度高、节能效果明显、运行稳定等优点，已接近国际先进水平，而且售后服务更加全面，快捷，为用户节省了开支。目前TYSZ稀土永磁交流伺服电机已在冶金、印染、包装、纺织、印刷、军工等行业广泛使用，使用情况良好。随着应用领域和应用行业的不断拓宽，国产稀土永磁伺服电机也正在不断成熟、不断完善。
稀土永磁交流伺服电机及其驱动系统在连铸生产线上的成功应用，说明国产稀土永磁伺服电机（尤其是大功率伺服电机）与高性能的伺服控制器匹配后，组成的系统完全能满足某些高性能的工艺要求，是一种具有较高性价比的系统方案。