交流伺服电机在电弧炉中的应用

交流伺服电机在电弧炉中的应用

田江平刘玉辉段明魁

宝钛集团有限公司陕西宝鸡721014

摘要：本文的主要内容是介绍利用德国施耐德公司的LXM05B系列伺服驱动系统在100kg等小型真空自耗电弧炉中的应用。利用LXM05B系列的伺服用PROFIBUS通讯技术和自身工作特性，达到电弧炉电极杆驱动最优的工作性能。

关键词：电极杆驱动交流伺服驱动

1引言

真空自耗电弧炉稳定熔炼的关键就是弧压的控制，其中主要的特点是通过控制电极杆的下降速度，使得电弧炉的弧距保持稳定。这样做的目的有两个：一是安全性需要，稳定的弧距可以避免爬弧，从而保护坩埚不受电弧击伤，防止爆炸等的危害；二是工艺需要，稳定的弧距可以使熔化过程平稳，对钛及合金金属平衡结晶等工艺有很大的影响。本文从原理分析和实践应用出发，提出了交流伺服电机在自耗电弧炉电极杆驱动中的应用。

2真空自耗电弧炉驱动概况

为了保证弧距稳定并可控，就需要对电极杆驱动电机的速度进行合理的调速，实现更好的工艺需求就需要驱动系统能满足复杂的要求，有较大调速范围，精确的速度给定和反馈，稳定的转矩输出，极快的响应速度，可靠的位置动作等。目前最常用的调速驱动方法有两种：交流伺服电机系统，直流调速系统，直流电机具有良好的启动特性和调速特性，在以前的电极杆驱动中多有应用，但直流电机转速与电枢电压成正比，转矩与电枢电流成正比。在较轻负载下深调时转矩较小且不稳定，使得低速工作性能不佳，且直流电机由于反向电动势的存在，致使在调速过程中的反向速度给定响应慢，为了弥补反向调速不佳，引入了双直流电动机差速齿轮箱调速的手段，在一定程度上解决了问题，但机械结构复杂增加了维修难度与成本。交流伺服电机随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的特性。宽调速范围，高稳定精度，快速动态响应以及四象限运动等良好的技术性能，使得交流伺服电机在真空自耗电弧炉电极杆驱动系统中越来越多得到了应用。

3基于交流伺服的自耗电弧炉电极杆驱动系统的设计

3.1真空自耗电弧炉电极杆驱动常用的是弧压闭环控制，要求维持弧压即弧压与给定一致。由于自耗电极的熔炼受材料密度，焊接强度，包含杂质等因素影响，并非是一个线性过程。这就要求电极杆驱动电机改变速度使弧压稳定。控制系统框图如下：

图1控制系统框图

3.2在100kg真空自耗电弧炉电极杆驱动系统中，我们使用的是由工艺需求给出目标弧压，西门子S7-300系列PLC做逻辑运算和输出控制。德国施耐德公司LXM05B系列的驱动器驱动BSH交流伺服电机通过减速机带动电极杆在调速状态下运动。调速的效果即弧压变化由现场仪表采集后传送给PLC。

LXM05B优异的性能是我们选择的原因。

控制环的快速采样时间加强了它的动态特性：

（1）电流环62.5微秒

（2）速度环250微秒

（3）位置环250微秒

动态性能强劲：

（1）由于采用全新磁极绕组的绕线技术，BSH伺服电机结构紧凑，磁密度很高。转子的低惯量和气隙非常小，使得其拥有高精度和动态特性。

（2）LXM05B的自动调谐功能以及它的新的算法可以根据机械不同运动形式自动定义控制环最优增益，甚至是垂直运动。

（3）集成了7段显示终端。配备了集成段码显示终端，可用于设定驱动器参数，显示错误，监视系统。也被用于手动控制驱动器。

LXM05B有三个标准控制接口：

（1）Canopen,Modbus,或ProfibusDP通讯网络接口

（2）两个±10V模拟参考输入提供速度或者电流参考，限制速度或者电流

（3）一个RS422（A/B）增量编码器或者脉冲方向输入。该输入还可以作为编码器仿真输出（ESIM）

（4）逻辑输入和输出，可以用作源极（正逻辑）或者漏极（负逻辑）以适应市场上的控制器输出

由于BSH电机采用SincosHiperface(R)编码器，LXM05B自动接收电机数据，不需要手动设定电机参数。LXM05B自身带有速度，电流，转矩等闭环，提高了自身运行的稳定性和可靠性。

LXM05B可以多种方式控制BSH电机：

（1）点对点定位控制

（2）相对运动控制

（3）绝对运动控制

（4）电子齿轮控制

（5）带位置控制的速度控制

（6）直接速度控制

（7）手动控制

4LXM05B伺服在真空自耗电弧炉中的应用

真空自耗电弧炉工艺的具体过程是自耗电极逐渐缩短，坩埚熔池上升。自耗电极与熔池之间的距离受自耗电极直径和坩埚直径影响，有相对变化。工艺要求的是弧压稳定，即弧距地稳定。因此不考虑进行距离，选用了直接速度控制。

小型电弧炉电极杆驱动系统没有一般的交流提升系统，为了保证电极杆在带有较大负载，抗拒重力影响提升动作时动作灵敏，BSH电机应选取有较大转动惯量的型号。

LXM05B集成了对S7-300系列PLC的Profibus-dp总线通讯功能，提供了多达4字节的数字信号交换，这使得信号给定更加准确，状态监视功能更加强大，并且大大增强了系统的抗干扰能力。

通过总线读取LXM05B驱动系统自带的绝对值编码器，可以获得电极杆的实时位置。相对于以前使用额外的电极杆位置编码器，节约了成本，并且减少了设备故障的几率。

5．总结

采用本人提出的控制方案于2010年12月完成了一台在100kg真空自耗电弧炉的电极杆驱动系统，安装调试完成后至今设备安全运行正常，主要技术指示满足控制要求，完全满足熔炼生产工艺和设备安全运行需要，为今后进行同类设备设计和改造提供了一整套切实可行的解决方案。

参考文献

［1］LXM05B交流伺服驱动装置Telemecanique公司

［2］电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社

［3］新型PID控制及其应用陶永华机械工业出版社