一、概述
水平連鑄技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的連鑄新技術(shù)。由于水平連鑄工藝簡(jiǎn)單，效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，故在冶金行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。拉坯技術(shù)是水平連鑄技術(shù)的核心，為了使液態(tài)金屬在結(jié)晶器里的結(jié)晶更加充分、均勻，拉坯的拖動(dòng)系統(tǒng)要通過(guò)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成拉---停---推---停---拉的往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)。這就對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、跟隨性、同步性等技術(shù)指標(biāo)提出了很高的要求。
山東鼎犀特鋼的連鑄拉坯生產(chǎn)線是2002年新建項(xiàng)目。該生產(chǎn)線采用浙江中源電氣有限公司的稀土永磁交流伺服電機(jī)（3臺(tái)、15KW/臺(tái)、型號(hào)：TYSZ-1500-160），配套德國(guó)KEB的F5伺服控制器，實(shí)現(xiàn)速度同步控制功能和主從同步控制功能，響應(yīng)快，定位準(zhǔn)，同步性好，2003年7月份通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，目前運(yùn)行情況良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)已完全達(dá)到水平連鑄的拉坯工藝要求。
二、中源電氣TYSZ系列稀土永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)
1、 調(diào)速、定位精度高；
2、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（電磁時(shí)間和機(jī)電時(shí)間常數(shù)?。?；
3、 靈敏度高（電動(dòng)機(jī)始動(dòng)電壓?。?br/>4、 調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)；
5、 功率范圍大，最大可達(dá)75KW；
6、 線性度好，力矩波動(dòng)??；
7、 功率密度大，體積小，重量輕；
8、 損耗低，效率高；
9、 噪音低，溫升低，壽命長(zhǎng)
三、連鑄伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述
連鑄拉坯的運(yùn)動(dòng)曲線是近似于正弦波的模擬量波形。它由單片機(jī)程序控制，通過(guò)鍵盤(pán)輸入和顯示器監(jiān)視來(lái)調(diào)整拉坯的頻率和速度，操作簡(jiǎn)單快捷。伺服控制器通過(guò)接收開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)和單片機(jī)的模擬速度給定信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。單片機(jī)通過(guò)位置反饋信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的位置閉環(huán)，以保證電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡符合工藝要求。參見(jiàn)圖一水平連鑄工藝流程控制示意圖，圖二控制系統(tǒng)框圖。
四、拉坯工藝對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求
根據(jù)拉坯工藝的控制要求，速度給定信號(hào)（近似于正弦波形的模擬量）由單片機(jī)輸出，通過(guò)屏蔽通訊電纜送到伺服控制器，來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行軌跡波形必須快速、同步、精確地跟隨給定信號(hào)曲線，才能完整地完成拉坯過(guò)程。這就要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須達(dá)到以下技術(shù)要求：
1、響應(yīng)時(shí)間
拉坯頻率一般在80-200次/分（可調(diào)），拉速一般在0-2米/分（即0-800轉(zhuǎn)，可調(diào)）。這樣一個(gè)完整的拉---停---推---停---拉運(yùn)行過(guò)程，所需的時(shí)間大約在0.3S-0.8S左右。其中拉的過(guò)程所需時(shí)間在0.2S-0.6S，對(duì)響應(yīng)的時(shí)間要求最高。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機(jī)（15KW）的響應(yīng)時(shí)間在150mS（對(duì)應(yīng)1000轉(zhuǎn)）左右，完全可以達(dá)到拉坯工藝對(duì)電機(jī)響應(yīng)時(shí)間的要求。
2、跟隨性能
跟隨性能的好壞直接影響到連鑄拉坯的質(zhì)量。如果跟隨性不好，那么拉、停、推的幅值和時(shí)間就很難控制，會(huì)引起鋼坯內(nèi)部結(jié)晶不均勻，表面出現(xiàn)褶皺、裂縫等缺陷。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機(jī)（TYSZ-1500-160）配用德國(guó)KEB的伺服控制器，采樣時(shí)間最快可達(dá)到0.5ms. 而且，轉(zhuǎn)子的永磁結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)速與頻率的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系（n=60f/p），極數(shù)一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)只隨著頻率的變化而變化，完全克服了異步電機(jī)有轉(zhuǎn)差的缺點(diǎn)，控制精度更高。
3、同步性能
本系統(tǒng)中，三臺(tái)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三根壓輥，電機(jī)與電機(jī)之間的同步性要求較高。鋼坯表面經(jīng)過(guò)冷卻已經(jīng)凝固，屬鋼性物體，如果同步性不好，就會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥打滑、出力不一致等現(xiàn)象，輕微時(shí)會(huì)影響鋼坯的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成無(wú)法正常生產(chǎn)、停車(chē)等重大事故。
伺服系統(tǒng)采用速度同步控制功能和轉(zhuǎn)矩控制功能。在起鑄階段采用速度同步控制，因?yàn)檫@時(shí)三臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輥是在牽引引錠桿運(yùn)行，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輥上的壓輥都需要單獨(dú)抬起，以讓引錠桿與鋼坯的連接處通過(guò)，這個(gè)階段對(duì)三臺(tái)之間的轉(zhuǎn)矩控制要求不高。當(dāng)鋼坯完全通過(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥后采用轉(zhuǎn)矩控制方式實(shí)現(xiàn)主從同步。這時(shí)由于驅(qū)動(dòng)的鋼坯屬鋼性物體，不出現(xiàn)打滑時(shí)，三臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輥的線速度嚴(yán)格保持一致。此時(shí)，由主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)輥速度，主機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩通過(guò)模擬量口輸出，作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定，控制從機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與主機(jī)一致。這樣既保證了三臺(tái)電機(jī)在速度上的一致性，又保證了三臺(tái)電機(jī)負(fù)荷均衡。
4、抗干擾性能
干擾是每套電氣設(shè)備都會(huì)碰到的問(wèn)題。小則影響控制的精度，大則使整套設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。該伺服系統(tǒng)使用的通訊電纜采用多層屏蔽，抗干擾能力強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
在山東鼎犀特鋼的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有過(guò)兩次故障：第一次為電機(jī)在快速制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生再生能量，導(dǎo)致控制器的直流母線電壓過(guò)高而自動(dòng)保護(hù)，加能耗制動(dòng)電阻后故障解除。第二次為拉坯模擬量信號(hào)傳送到控制器后出現(xiàn)正偏差致使電機(jī)的實(shí)際速度曲線變形，經(jīng)過(guò)檢查、測(cè)試后發(fā)現(xiàn)是由于拉坯波形的程序控制模塊有問(wèn)題，經(jīng)過(guò)程序調(diào)試人員的處理后，故障得到排除。
一年來(lái)，山東鼎犀特鋼的這條水平連鑄生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)一次故障，總拉坯產(chǎn)量達(dá)到20000多噸，鋼坯質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)產(chǎn)稀土永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水平連鑄的使用中得到圓滿(mǎn)成功。
五、各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較
價(jià)格
成材率
年產(chǎn)量
維護(hù)量
維護(hù)周期
脈動(dòng)液壓系統(tǒng)
較便宜
75%
10000噸
大
2年
進(jìn)口直流伺服系統(tǒng)
昂貴
85%
15000噸
大
2年
進(jìn)口交流伺服系統(tǒng)
較貴
90%
20000噸
小
3年
稀土永磁交流伺服系統(tǒng)
便宜
90%
20000噸
小
3年
六、伺服電機(jī)與異步、同步電機(jī)性能對(duì)比
起動(dòng)性能
轉(zhuǎn)速范圍
控制精度
控制方式
異步電機(jī)（速度閉環(huán)）
約2S
150-1500
約2mm
單一
同步電機(jī)
2S
150-1500
約2mm
單一
伺服電機(jī)
約0.15S
0-1500
約0.01mm
多樣化
七、總結(jié)
應(yīng)用國(guó)產(chǎn)稀土永磁伺服電機(jī)組成的系統(tǒng)具有控制方式多樣化、控制精度高、節(jié)能效果明顯、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已接近國(guó)際先進(jìn)水平，而且售后服務(wù)更加全面，快捷，為用戶(hù)節(jié)省了開(kāi)支。目前TYSZ稀土永磁交流伺服電機(jī)已在冶金、印染、包裝、紡織、印刷、軍工等行業(yè)廣泛使用，使用情況良好。隨著應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用行業(yè)的不斷拓寬，國(guó)產(chǎn)稀土永磁伺服電機(jī)也正在不斷成熟、不斷完善。
稀土永磁交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在連鑄生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)稀土永磁伺服電機(jī)（尤其是大功率伺服電機(jī)）與高性能的伺服控制器匹配后，組成的系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足某些高性能的工藝要求，是一種具有較高性?xún)r(jià)比的系統(tǒng)方案。
