автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование динамических нагрузок электромеханиеских систем главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки

На правах рукописи

ЧЕНЦОВ Константин Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ ЧЕРНОВЫХ КЛЕТЕЙ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» в Липецком государственном техническом университете (г. Липецк).

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Третьяков В.А.; доктор технических наук, профессор Теличко Л.Я.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Зайцев А.И. (г. Воронеж); кандидат технических наук, доцент Сафонов Ю.М. (г. Москва)

Ведущая организация - АХК ВНИИМЕТМАШ (г. Москва)

Защита диссертации состоится « » декабря 2000 г. в « » часов в конференц-зале на заседании Диссертационного совета К 063 81.10 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Фролов Ю.М.

К£21.003-5г-0Ч1.1-0и0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Серьезной проблемой, возникающей при эксплуатации прокатных станов, является высокая динамическая нагруженность оборудования, приводящая к его преждевременному износу и поломкам. Коэффициенты динамичности в различных узлах главных приводов прокатных клетей, особенно в черновой группе, могут достигать 4-6 и более. Основной причиной динамических перегрузок являются интенсивные режимы работы клетей, характеризуемые частыми захватами металла с приложением нагрузок, близких к ударным, наличие упругих связей и зазоров, а также несовершенство систем электропривода. Упругие механические связи в большинстве случаев отрицательно влияют на работу ЭП, вызывая повышение динамических нагрузок, уменьшение ресурса работы приводов, появление механических вибраций и опасных резонансных явлений. Это приводит к необходимости серьезных практических и теоретических исследований динамических нагрузок в приводах прокатных клетей и разработки методик, позволяющих достоверно определять предполагаемый уровень этих нагрузок еще на этапе проектирования. С другой стороны, требуется разработка и внедрение способов ограничения динамических нагрузок для уже работающих приводов, с учетом всего многообразия используемых конструктивных решений их электрической и механической частей.

В большинстве известных исследований, выполнявшихся, как правило, инженерами-механиками, совместному рассмотрению механического оборудования клети и её системы электропривода уделяется недостаточное внимание. В настоящее время, в связи с широким внедрением в прокатном производстве приводов переменного тока высокой мощности и сложных систем управления, а также из-за наметившейся тенденции к упрощению механической части приводов, требуется комплексный подход к вопросам динамики, охватывающий очаг деформации, упругую клеть, механическую трансмиссию и автоматизированный электропривод. Существует необходимость исследования динамических процессов, протекающих в оборудовании прокатной клети, на основе совместного рассмотрения всех её элементов как единой электромеханической системы.

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете в рамках проекта А-0032 Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы».

Цель работы состоит в практическом и теоретическом исследовании динамических нагрузок электромеханических систем главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки и разработке методов их ограничения средствами электропривода.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

выявлены причины высоких динамических нагрузок в электроприводах черновых клетей станов горячей прокатки;

развита методика построения и идентификации математических моделей электромеханических систем (ЭМС) рассматриваемой группы приводов, выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 и оценка способов их снижения для нерегулируемых электроприводов с двигателями переменного тока;

исследованы особенности динамики многодвигательного частотно-регулируемого синхронного электропривода реверсивной прокатной клети, разработан и реализован режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валков;

исследованы асимметричные режимы работы индивидуального привода валков с целью распределения крутящих моментов между его ветвями, разработана методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САУ ЭП реверсивной клети.

Методы исследования. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались с помощью методов математического моделирования на ЭВМ, натурного эксперимента на рабочей установке, структурных методов теории автоматического управления.

Научная новизна.

1. Разработана методика идентификации математических моделей электромеханических систем главных приводов прокатных клетей.

2. Разработан и исследован ряд способов снижения динамических нагрузок для нерегулируемых электроприводов прокатных клетей с синхронными двигателями.

3. Получены количественные оценки предельной, оптимальной и фактической демпфирующей способности приводов прокатных клетей с двигателями переменного тока.

4. Исследованы режимы рассогласования скоростей индивидуального привода валков с целью распределения крутящих моментов между его ветвями и управления формой переднего конца полосы. Практическая ценность.

1. Разработаны компьютерные программы для динамического анализа ЭМС приводов прокатных клетей и идентификации математических моделей этих ЭМС. Программы могут являться частью системы автоматизированного проектирования оборудования прокатных станов.

2. Выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 ОАО «НЛМК» и предложен ряд способов их сниже-

ния для нерегулируемых электроприводов с двигателями переменного тока;

3. Разработан и реализован в системе многодвигательного частотно-регулируемого электропривода прокатной клети режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валков; разработана методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП реверсивной клети.

На защиту выносятся.

1. Методика идентификации математических моделей электромеханических систем главных приводов прокатных клетей.

2. Результаты анализа способов снижения динамических нагрузок для нерегулируемых электроприводов прокатных клетей с синхронными двигателями.

3. Результаты анализа демпфирующей способности приводов прокатных клетей с двигателями переменного тока.

4. Система изменения напряжения, подводимого к статору, с целью снижения динамических нагрузок в нерегулируемых электроприводах прокатных клетей с синхронными двигателями.

5. Методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП реверсивной клети.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технической конференции кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов», Липецк, 1999;

- второй Российской конференции пользователей систем MSC, Москва, 1999;

- международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность», Тула, 1999;

- межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 2000.

. Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, отражающих её содержание.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 158 страниц, в том числе 99 страниц текста, 66 рисунков, 15 таблиц, библиографический список из 96 наименований, приложения на 20 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы; сформулирована цель работы; отмечет научная новизна и практическая ценность результатов исследований; изложены основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ сделан обзор литературы по современному состоянию исследований динамических нагрузок в главных приводах прокатных клетей. В большинстве известных работ, выполнявшихся, как правило, инженерами-механиками, совместному рассмотрению механического оборудования клети и её системы электропривода уделяется недостаточное внимание. В определенной мере это обусловлено относительной простотой использовавшихся ранее систем электроприводов клетей, как правило, с прямым включением синхронных двигателей (СД) в сеть. В настоящее время, в связи с широким внедрением в прокатном производстве приводов переменного тока на основе преобразователей частоты высокой мощности и сложных систем управления, а также из-за наметившейся тенденции к упрощению механической части трансмиссий (переход к индивидуальному безредукторному приводу валков), требуется комплексный подход к вопросам динамики, охватывающий очаг деформации, упругую клеть, механическую трансмиссию и автоматизированный электропривод. Существует необходимость исследования динамических процессов, протекающих в оборудовании прокатной клети, на основе совместного рассмотрения всех её элементов как единой электромеханической системы.

Объектом исследования являются главные приводы клетей черновой труппы стана 2000 ОАО «НЛМК», их типовые схемы изображены на рис.1. Выделены основные группы факторов, определяющих динамические нагрузки в рассматриваемой группе электроприводов:

1) факторы технологического и эксплуатационного характера, такие как скорость приложения технологических нагрузок, устойчивость процесса прокатки, состояние узлов и элементов привода, достаточность и равномерность прогрева заготовок перед горячей прокаткой и т.д.;

2) структура и свойства самих приводов клетей как динамических систем: схема линии, распределение масс и податливостей, величины зазоров, тип и характеристики двигателей и системы электропривода в целом.

Отрицательное влияние первой группы факторов может быть уменьшено достаточно простыми мерами, относящимися к организации производства. Вторая группа факторов целиком определяется на стадии проектирования, при этом недостаточная обоснованность принимаемых решений имеет следствием трудноустранимые недостатки конструкций приводов, приводящие к частым поломкам в период эксплуатации. Таким образом, необходима разработка инженерных методов динамических расчетов, позволяющих определять предпо-

лагаемыи уровень динамических нагрузок еще на этапе конструирования, а также способов снижения этих нагрузок для уже существующих приводов.

-1035 В

? т ?

- 1035 В

? ? т

редуыир валки

■н©----0

-380 В

-380 В

-380 В

СД

( ^ П................^ /................н. ^ .¡:СД

б) привод клетей №2-5

редуктор

а) верхняя ветвь привода клеги №1

(нижняя ветвь аналогична) Рис. 1. Типовые схемы электроприводов черновых клетей стана 2000

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена развитию методики построения и идентификации математических моделей электромеханических систем (ЭМС) главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки. Показано, что при построении математических моделей нерегулируемых электроприводов с непосредственным подключением СД к сети удобно использовать упрощенную модель СД, описывающую его, как упругую механическую систему, характеризуемую жесткостью электромагнитной связи Сг,в и коэффициентом демпфирования Вг)е;.

М

да

■-Сде(Щ -1-<р,) + Огв -((Оь -03,.),

0)

где Мде - момент двигателя, (соо-1-щ) = 0-угол между векторами ЭДС статора и напряжения сети, де - текущий угол поворота ротора, о>о - скорость холостого хода, ¿у, - текущая скорость двигателя. При этом выражение для жесткости электромагнитной связи получается из уравнения угловой характеристики СД:

С ¿в -

амЬв йв

т-Е-Цс

■ со$ в +

т-и

со

_1_ А

1

Х<1

■соя 20

■Р,

(2)

где т - число фаз двигателя, Е - ЭДС, С1с - напряжение сети (фазное), со - скорость двигателя (для рабочего режима СД можно принять со^соо), Хс1, Хц - индуктивные сопротивления по продольной и поперечной оси, р - число пар полюсов двигателя. Коэффициент демпфирования вычисляется из выражения для асинхронного момента, действующего в СД:

Msx Лео _ Мвх

Mee~-*— = Dd,-Aa>, D6e=-н- (3

®0 Sex'®0

где Mex, s,,;, - момент и скольжение для точки входа в синхронизм, Л а =(ü)0-cOi) -перепад скорости в абсолютных единицах.

При рассмотрении регулируемых систем электропривода на основе преобразователей частоты следует представлять СД с помощью классической модели в осях d, q, построенной на основе уравнений Парка-Горева.

Показано, что при моделировании сложных многомассовых ЭМС приводов прокатных клетей удобнее представлять их в виде полных расчетных схем, каждому элементу которых соответствует определенный физический узел. Это позволяет рассматривать влияние каждого из факторов или параметров (таких, как моменты инерции, жесткости и зазоры для различных участков приводной линии) в отдельности, что невозможно сделать в реальных условиях. Значительно облегчается процесс проектирования, поскольку исключается трудоемкая процедура составления эквивалентной расчетной схемы. Для механических систем, отличающихся наличием большого числа распределенных зазоров, к которым относятся и приводы прокатных клетей, только использование полной расчетной схемы позволяет получить достоверную картину нагрузок в каждом из узлов.

В тех случаях, когда не требуется детального рассмотрения динамических процессов в механической части привода, возможно её представление в виде одно-, двух- или трехмассовых эквивалентных расчетных схем. С целью сохранения свойств исходной системы, переход к эквивалентной схеме необходимо осуществлять с использованием критерия равенства их собственных частот и амплитуд главных форм колебаний. Расчет собственных частот может быть произведен с помощью одного из известных методов, легко реализуемых на ЭВМ. Условия перехода к двухмассовой эквивалентной расчетной схеме таковы:

1. Упрощенная схема имеет такие же собственные частоты и амплитуды колебаний, как и исходная система:

= J = (4)

ß]tJ| 62 J2 J] J2

2. Суммарные инерционная масса и податливость элементов упрощенной схемы совпадают с аналогичными параметрами исходной системы:

1.-1 1=1

где J.¡, J2, e¡2 - моменты инерции и податливость для результирующей двухмассовой системы, e¡, е2- податливости до и после узла колебаний первой частоты, е„ J¡, п - моменты инерции, податливости и число масс исходной системы, СО] - низшая собственная частота исходной системы.

Аналогичным образом могут быть получены выражения для перехода к трехмассовой эквивалентной расчетной схеме. В этом случае необходимо знать две низшие собственные частоты исходной системы, а также амплитуды движения масс при колебаниях двух первых главных форм. Как показало моделирование с применением расчетных схем, полученных при различных способах упрощения, рекомендуемый метод позволяет обеспечить наиболее точное отражение эквивалентной схемой свойств исходной системы.

С использованием полных расчетных схем, изображенных на рис.2, разработана и реализована в виде компьютерной программы динамическая модель привода прокатной клети.

Привод нижнего Балка

О '' 8 ! О ОО

Полоса

О

6 6 6

р р р

\

'И

л.' <

о р р р

о 5 6 о

Привод верхнего валка

9 0 0

О

р р р р 11

6 6 6 6

6 6 6

О О

/

Ч\( 9Р 9

6 Чь

чМд,

О О

6 6 6

¡3' 12 II1

6 6 6

а) Расчетная схема с разветвленной структурой (клеть №1)

О

о

О

0 9 9

О

9 9 0 9

9 6 6

2 3 4 с

1 5

9 О О О

6 7 8 9

О

о

0 0 9 9 9

О?

,. 9 9 9 9 9

и 13 14 и 16 17

I

О

б) Расчетная схема с линейной структурой (клети №2-5)

Рис.2. Полные расчетные схемы главных приводов черновых клетей стана 2000

В основу модели положена система, состоящая из следующих дифференциальных уравнений:

- первое уравнение линии привода, описывающее вращение валка:

л2

О, если \<р2 ~(Рч\< ¿>]2,' (6)

с12 ' (<Рг ~ <Р\ ~ 5\г) + Кг ' (<°г ~ А если <Рг-<Р\> ди Р\2-(9г~<Р\ ^8Х2) + ки-(ю2 -азх), если<р2-<р} <5п,

М12 =

где M(t) - момент прокатки, М(t) = Мпр ■ (\ - е~м ), Мщ, - момент прокатки в установившемся режиме, а - коэффициент заполнения очага деформации, С/2 - жесткость упругой связи, S/2 - зазор в линии между массами 1 и 2, coi = <р, - угловая скорость, ки~ коэффициент демпфирования, для всех элементов приводной линии, кроме двигателя, вычисляемый по формуле:

, (7)

где т] - параметр демпфирования.

- уравнение для промежуточной массы с номером г:

= (8)

dt

где Мц.у Мц+1 - вычисляются аналогично Мп.

- уравнение для ротора двигателя (последняя масса):

= (9)

dt

где Мц_1, - вычисляется аналогично Мп, а Mö„, в зависимости от типа электропривода, по (1) или с помощью уравнений Парка-Горева.

Разработанная модель позволяет получать характеристики динамических нагрузок для любого из узлов привода. Программа может быть использована как часть системы автоматизированного проектирования оборудования прокатных станов.

Для определения параметров математических моделей приводов прокатных клетей и соотнесения результатов моделирования с данными натурных экспериментов в работе предложено использовать процедуру идентификации. Применён неявный метод идентификации модели, основанный на алгоритме Гаусса-Ньютона. При этом из-за сложности модели с целью улучшения сходимости метода предложено в качестве критерия ошибок использовать массив данных по нескольким физическим величинам.

Критерием идентификации является минимизация ошибок предсказания в среднеквадратической форме, в соответствии с которой искомая оценка äN = arg min VN,

vn = X-j^rl(a)=X-RJ(a)R(a)=h\R(a)\\2 = f(a) (Ю)

1 (=1 1 »=i 2 l

к к где z(i) = Y,yt(t), z(t,a) = k-число физических величин;

¡=1 i=i

y(t) - данные о реальном объекте (дискретные значения упругих моментов в каком-либо узле), y(t,a) - соответствующие значения, прогнозируемые идентифицируемой моделью, а- вектор подлежащих оцениванию параметров, N— объем массива данных.

Метод Гаусса-Ньютона заключается в выполнении последовательных шагов из точки ас в точку а+ в направлении оптимума:

= где

(П)

3 =

дг, да, 95,

да.

дг, да2 J г дг- Л

да,

1

даг

Э от.

2 У

9^2

йг»

да,

а УJ

¿/йг^-г, гг(а)-г 2

т - количество подлежащих оцениванию параметров.

Итерационный процесс останавливается, когда |У/"(а)| < е, где е- заданная малая положительная величина.

Компоненты матрицы 3(аг) содержат только первые производные решения уравнений модели по параметрам <% Эта особенность делает рассмотренный метод реально применимым к сложным задачам, вычислять вторые производные от решения которых практически невозможно из-за больших затрат машинного времени и невысокой точности их численного расчета.

Алгоритм идентификации реализован в виде компьютерной программы, практическим применением которой стало определение величин зазоров в шпиндельных узлах черновой клети №5 и жесткости электромагнитной связи приводного двигателя этой клети. Точность метода весьма высока - величина жесткости электромагнитной связи, полученная на основании экспериментальной динамической механической характеристики СД клети №5 с помощью алгоритма идентификации, отличается от рассчитанной по (2) не более чем на 3%.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 и дана оценка способов их снижения для нерегулируемых электроприводов с двигателями переменного тока.

В связи с предполагаемой реконструкцией клетей черновой группы, предусматривающей проведение мероприятий по уменьшению зазоров и изменению жесткостей участков приводных линий, выполнен анализ влияния этих мероприятий на уровень динамических нагрузок в приводах. Исследования показали, что в существующей ЭМС привода клети №5 разница между второй и третьей собственными частотами составляет всего 50% (?2= 13,28 Гц, £3 = 19,79 Гц), что является одной из причин высоких динамических нагрузок. Уменьшение в 5 раз жесткости участка «двигатель-редуктор» путем установки торсионного вала позволяет увеличить эту разницу до 93% (О = 7,93 Гц, В = 15,07 Гц). Благодаря этому коэффициенты динамичности в приводной ли-

Коэффициенты динамичности

нии снижаются с 3,65 до 2,31. При этом в электромагнитной связи двигателя коэффициент динамичности увеличивается с 1,84 до 2,02, что не является существенным и не может представлять опасности для двигателя. Показано, что уменьшение зазоров в приводе с помощью устройств точного уравновешивания шпинделей и шлицевого соединения валка с валковой муфтой позволяет снизить коэффициенты динамичности в приводах клетей №4 и 5 для участка «двигатель-редуктор» в среднем в 1,54 раза, а для участка «редуктор-валки» - в 1,38 раза. Анализ зависимостей, полученных при одновременном изменении жесткости участка «двигатель-редуктор» и суммарного углового зазора в линии (рис. 3), показал, что эффективность снижения динамических нагрузок при уменьшении жесткости приводной линии существенно зависит от суммарного зазора. Чем меньше зазоры в приводе, тем менее эффективно использование элементов повышенной податливости. Полученные зависимости коэффициента динамичности для электромагнитной связи СД от жесткости участка «двигатель-редуктор» (рис. 4) показали, что значительное её уменьшение вызывает недопустимое возрастание токовых нагрузок в двигателе. На основании проведенных исследований в качестве основного мероприятия по снижению динамических на-

200 350 760 1520 2000 3000 4000 5000 7000 9500 20000 Жесткость участка "двигтель^едуктор", NH*w

Рис.3. Коэффициенты динамичности для участка «двигатель-редуктор» привода клети №5 при варьировании жесткости участка и суммарного зазора в линии

2,5

5 1,6

I 1

0,5

V.

1000 2000 ЗООО 4000

Жесткость участка "двигатель-редуктор", МН*м

SOOO

— -При отсутствии зазора а гушл

-При суммарном зазоре 0.05рад

Рис.4. Зависимость коэффициента динамичности для электромагнитной связи СД клети №5 от жесткости участка «двигатель-редуктор» приводной линии

грузок рекомендовано ограничение зазоров в приводной линии, а в случаях, когда это невозможно - использование элементов повышенной податливости на основании анализа собственных частот колебаний электромеханической системы. Результаты исследований переданы ОАО «НЛМК», что подтверждено соответствующим актом.

Исследования демпфирующей способности синхронного двигателя в системе нерегулируемого электропривода черновой клети (на примере клети №5) показали, что фактическое значение X = 0,45 в 3 раза меньше предельного демпфирования для данной ЭМС = 1,355, рассчитанного с учетом электромагнитной инерции двигателя по универсальным зависимостям. Это означает, что параметры демпферной обмотки синхронного двигателя, выбиравшиеся, в первую очередь, из условий пуска двигателя (поскольку демпферная обмотка является одновременно и пусковой), не являются оптимальными с точки зрения снижения колебательности. Использование привода с асинхронным двигателем при сохранении тех же упруго-массовых характеристик приводной линии, позволяет увеличить демпфирование в 2,3 раза, достигнув величины X = 1,05, близкой к предельному. Однако, как показывают полученные динамические характеристики со(1) и М(0, за счет ю кв уменьшения частоты основного переходного процесса почти в 6 раз абсолютное время затухания колебаний для привода с асинхронным двигателем оказывается существенно больше. Увеличивается динамическая просадка скорости двигателя при захвате сляба, появляется статическая ошибка по скорости, при номинальном моменте прокатки равная 4%. Таким образом, несмотря на значительное увеличение демпфирования, применение разомкнутой системы электропривода с АД оказывается нецелесообразным.

При использовании нерегулируемого электропривода с СД выбор способов снижения динамических нагрузок крайне ограничен. Одним из Рис. 5. Схема введения дополнитель-таких способов может быть исполь- ного напряжения в цепь статора зование схемы введения дополнительного напряжения в цепь статора, изображенной на рис.5. Получен закон изменения дополнительного напряжения, имеющий вид:

и = ин + К/ог-ин- ехр (-а ■ () • &т(2 ■л-а)соб-( + <р0), (12)

где ин - номинальное напряжение статора; К/ог - коэффициент форсировки; а -коэффициент затухания форсирующего воздействия; а>соЪ - собственная частота колебаний ротора, 1/с; <рц - начальная фаза форсирующего воздействия, г-время, с.

Исследована эффективность применения данной схемы для привода клети №5. Моделирование показало, что коэффициент динамичности для электромагнитного момента двигателя уменьшается на 15%, а для упругих моментов на участке «двигатель-редуктор» на 35% при регулировании напряжения в пределах 10% от напряжения сети. Это позволяет рекомендовать данный способ снижения динамических нагрузок ко внедрению для нерегулируемых электроприводов клетей черновой группы стана 2000.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена исследованию динамики многодвигательного частотно-регулируемого синхронного электропривода реверсивной прокатной клети. Такая система привода используется в настоящее время на черновой клети №1 стана 2000, где и проводилась экспериментальная часть исследований. С целью оптимизации цикла прокатки и ограничения динамических нагрузок, возникающих при захвате и выходе сляба, для рассматриваемого привода разработан и реализован режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валков. Получены оптимальные скоростные параметры для каждого прохода, обеспечивающие необходимую производительность клети при минимальных динамических нагрузках. Скоростная диаграмма разработанного режима приведена на рис. 6. Прокатка производится в 3 прохода, захват металла осуществляется на пониженной скорости, с целью выбора зазоров используется предварительный разгон привода перед захватом.

V, м/с

Рис. 6. Цикл реверсивной прокатки с предварительным ускорением валков

Как показывают характеристики M(t) и ©(t) (рис.7), динамические нагрузки при захвате сляба не превышают 0,8 Мном для данной ветви привода, тогда как при отсутствии предварительного разгона они могут достигать 4,4 Мном.

С целью определения параметров настройки САР индивидуального электропривода горизонтальных валков прокатной клети, необходимых для управления формой переднего конца полосы, в системе конечно-элементного анализа

МАЛС/АиШРогде 2.3 выполнено моделирование прокатки при асимметрии скоростей верхней и нижней ветвей привода. Получены зависимости разности моментов и изгиба полосы от рассогласования скоростей валков, приведенные на рис.8, где

АМ Мс ЛУ

= 2

Мв - Мн Мв + Мн' Ув - Ун

Рис. 7. Динамические характеристики МО) и оф) в первом проходе

= 2

Ус Ув+Ун

(Мв, Ув, Мн, Ун - момент и окружная скорость на верхнем и нижнем валке соответственно), Н1 - высота полосы после пропуска, Я/, - радиус изгиба нейтральной поверхности полосы. Результаты исследований использованы при построении контура балансировки моментов САР ЭП клети №1.

0,24 0,2 -0,16 0,12 0,08 -0,04 -

0,05

0,1 АШс

0,15

0,2

5 10 15 ДУЛ/С, %

и

Рис. 8. Зависимости относительной разности моментов и относительной кривизны полосы от разности скоростей валков

Разработана методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП клети №1 с учетом возможности работы в нестандартных режимах. Изменение структуры регулятора скорости (PC) используется для снижения динамических нагрузок при различных режимах работы привода: на холостом ходу и в установившемся режиме прокатки PC представляет собой ПИ-регулятор, в момент захвата металла - П-регулятор, а при выходе металла из клети PC отключается, и на регулятор тока подается постоянное задание на малый ток. Построена зависимость фактических крутящих моментов на валках от задания на их рассогласование, определяемого оператором. Полученные параметры настройки привода использованы для восстановления его функциональных возможностей при работе в трехдвигательном режиме (после выхода из строя одного из двух главных двигателей нижнего валка). На рис. 9 и 10 изображены экспериментальные характеристики M(t) и co(t), из которых следует, что разработанные мероприятия позволили равномерно распределить нагрузку между двумя двигателями в верхнем приводе и одним - в нижнем, а также ликвидировать опасные броски ско-

Рис.9. Экспериментальные характеристики М(1:) в трехдвигательном режиме при настройке привода на рассогласование моментов 30%

Время, с Время, с

Рис. 10. Экспериментальные характеристики ю(г) в трехдвигательном режиме для момента выхода металла из клети до и после настройки САУ привода

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены основные причины повышенного уровня динамических нагрузок и связанного с ними ущерба в главных приводах черновых клетей стана горячей прокатки, показаны основные пути их снижения для различных типов электроприводов.

2. Доказано, что наиболее точным способом получения упрощенных расчетных схем ЭМС приводов прокатных клетей является метод, основанный на равенстве собственных частот и амплитуд колебаний главных форм исходной и упрощенной систем.

3. Разработаны и реализованы в виде компьютерных программ динамическая модель ЭМС привода прокатной клети с использованием полных расчетных схем и методика идентификации математических моделей ЭМС рассматриваемой группы приводов.

4. Исследована эффективность ряда способов снижения динамических нагрузок в нерегулируемых электроприводах черновых клетей с двигателями переменного тока. При этом получены следующие результаты:

Установлено, что эффективность снижения динамических нагрузок путем изменения податливости участка «двигатель-редуктор» приводной линии существенно зависит от зазоров в ней.

Получены количественные оценки предельной, оптимальной и фактической демпфирующей способности приводов черновых клетей с двигателями переменного тока.

Исследован способ снижения динамических нагрузок путем введения дополнительного напряжения в цепь статора СД и эффективность применения данной схемы для привода черновой клети №5 стана 2000.

5. Рассмотрены особенности динамики индивидуального электропривода реверсивной прокатной клети с СД и НПЧ, для которого разработан и реализован режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валков, обеспечивающий необходимую производительность клети при минимальных динамических нагрузках.

6. Исследованы режимы прокатки при асимметрии скоростей верхней и нижней ветвей индивидуального привода валков. Разработана и внедрена методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП привода черновой клети №1 с учетом возможности работы в трехдвигательном режиме.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Теличко Л.Я. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теория электропривода» / Л.Я. Теличко, К.Ю. Чепцов //Липецк. ЛГТУ, 1998.26 С.

2. Моделирование динамических характеристик прокатных клетей / В.А. Третьяков, В.В. Барышев, C.B. Кудинов, К.Ю. Ченцов, Н.З. Третьякова // Производство проката. 1999. №8. С.28-31.

3. Анализ динамических процессов в прокатной клети при использовании электропривода с синхронным и асинхронным двигателем / В.А. Третьяков, Л.Я. Теличко, К.Ю. Ченцов, A.B. Басуров // Технология машиностроения: Сб. науч. тр. Липецк: ЛГТУ, 1999. С. 114-120.

4. Ченцов К.Ю. Моделирование динамических характеристик прокатных клетей. // Сб. тез. докл. науч.-техн. конф. кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов». Липецк: ЛГТУ, 1999. С.10-13.

5. Третьяков В.А. Разработка и компьютерное моделирование оптимального скоростного режима для системы автоматизации черновой клети стана горячей прокатки / В.А. Третьяков, К.Ю. Ченцов // Перспективные технологии автоматизации: Сб. тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. Вологда: ВГТУ, 1999. С.121.

6. Третьяков В.А. Применение MARC/AutoForge для моделирования асимметричных режимов прокатки высоких полос / В.А. Третьяков, К.Ю. Ченцов,

A.B. Басуров // Сб. тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. пользователей систем MSC. Москва: MSC Software, 1999. С.44-47.

7. Третьяков В.А. Анализ способов снижения динамических нагрузок в главных приводах прокатных клетей / В.А. Третьяков, К.Ю. Ченцов // Энергосбережение, экология и безопасность: Сб. тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 1999. С.61-62.

8. Теличко Л.Я. Разработка скоростного режима реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валков для черновой клети № 1 стана 2000 ОАО «НЛМК» / Л.Я. Теличко, В.А. Третьяков, К.Ю. Ченцов // Сб. науч. тр. молодых ученых Липецкого государственного технического университета. Липецк: ЛГТУ, 1999. С.97-101.

9. Третьяков В.А. Компьютерное моделирование асимметричных режимов прокатки в черновой ¡слети непрерывного широкополосного стана /

B.А. Третьяков, К.Ю. Ченцов // Автоматизация и информатизация в машиностроении: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2000. С.243-245.

10. Третьяков В.А. Применение алгоритмов идентификации для построения динамической модели приводной линии прокатной клети / В.А. Третьяков, В.В. Барышев, К.Ю. Ченцов // Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии: Сб. тез. докл. межвуз. науч.-техн. конф. Вологда: ВГТУ, 2000. С.121..