автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многодвигательный электропривод по системе ПЧ-АД перемоточного устройства агрегата бронзирования стальной проволоки

| и-' (""■ * ' " 3 * Ч " 1 ь.'

На правах рукописи

/

/// ..........-■

/ги*^'

МОИСЕЕВ ВЛАДИМИР ОЛЕГОВИЧ

МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПО СИСТЕМЕ ПЧ-АД ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА АГРЕГАТА БРОНЗИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542119

Магнитогорск - 2013

005542119

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода и мехатроники» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова», г. Магнитогорск

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент ОМЕЛЬЧЕНКО Евгений Яковлевич

Официальные оппоненты

Радионов Андрей Александрович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ «Южно-Уральский Государственный Университет», Советник ректора |

Юдин Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО "УрФУ имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина» г.Екатеринбург.

Защита состоится «14» декабря 2013 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И Носова».

Автореферат разослан « 12 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Стальная проволока является одним из основных видов продукции выпускаемой метизной промышленностью Российской Федерации, поскольку она служит исходным материалом для изготовления канатов, металлокорда, плющенной ленты, болтов, гаек, заклепок, пружин, гвоздей, шурупов, сеток и других изделий, широко используемых во всех отраслях народного хозяйства и промышленности. На долю проволоки и изделий из нее приходится более половины всей выпускаемой метизной промышленностью продукции. Ежегодное производство стальной проволоки достигает 10 млн. тонн.

Одним из основных устройств агрегата для производства бронзированной проволоки является перемоточное устройство (ПУ). Качество и количество бронзированной проволоки во многом определяется соблюдением технологических условий и надежной работы агрегата, и в частности работой электропривода перемоточного устройства. Опыт эксплуатации ПУ показал, что основными факторами, снижающими производительность и качество выпускаемой продукции, являются: увеличение натяжения проволоки в процессе перемотки, чрезмерные колебания натяжения проволоки, перегрев приводного электродвигателя в одном из технологических режимов - режиме травления проволоки, характеризующимся низкими скоростями вращения при наличии момента на валу. Это приводит к изменению геометрических параметров проволоки, непостоянству толщины бронзового покрытия, пропускам бронзового покрытия, обрывам проволоки, межвитковым защемлениям проволоки на намоточной катушке, повышенному износу механического оборудования. Режим работы электроприводов ПУ -длительный с изменением угловой скорости и момента сопротивления в два раза, суммарного момента инерции до 9 раз при наличии существенных гармонических возмущающих воздействий.

До настоящего времени в метизной промышленности России находится в эксплуатации большое количество ПУ устаревших типов с низкими энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Оборудование изготавливалось до 80-х годов прошлого столетия на Алма-Атинском заводе тяжелого машиностроения (АЗТМ, г. Алма-Ата, Казахстан) и заводе ГРЮНА (ГДР) и практически не менялось с момента установки. Замена устаревших электроприводов на более совершенные позволит получить значительный экономический эффект и повысить качество выпускаемой продукции.

На современном этапе развития наиболее надежной и экономичной считается система электропривода «транзисторный преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). Поэтому в диссертации за основу при реконструкции принята система ПЧ-АД с асинхронным короткозамкнутым двигателем с самовентиляцией.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование многодвигательного электропривода по системе ПЧ-АД перемоточного устройства агрегата бронзирования стальной проволоки, обеспечивающего повышение

производительности за счет снижения брака и увеличение надежности работы электрооборудования за счет ограничения допустимого по теплу момента двигателя.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния электроприводов перемоточных устройств и определение перспективных направлений

промышленной реализации.

2. Разработка статических математических моделей перемоточных устройств для одно- и двухдвигательного электропривода ПУ, позволяющие рассчитывать электрические переменные системы ПЧ-АД в первой и второй зонах регулирования скорости;

3. Разработка многомассовой тепловой математической модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и самовентиляцией, и методики расчета коэффициентов теплопередачи;

4. Разработка лабораторной установки для экспериментального исследования тепловых режимов работы АД с КЗР в системе ПЧ-АД;

5. Разработка методики расчета предельных механических характеристик, при которых температура статора не превыщает допустимые пределы;

6. Разработка динамических моделей для одно- и двухдвигательного ПУ, с учетом динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки;

7. Разработка принципиальных электрических схем для двухдвигательного электропривода перемоточного устройства.

Методы исследований

Теоретические исследования основаны на положениях теории электропривода, теории автоматического регулирования, методах операционного исчисления, статистической обработки данных, методов анализа с использованием логарифмических частотных характеристик.

Разработанные алгоритмы реализованы в пакете программирования MATLAB SIMULINK и Microsoft Excel.

Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях путем осциллографирования основных переменных на действующих электроприводах намоточных устройств агрегата бронзирования с последующей их обработкой.

Научная новизна

1. На основе энергетических диаграмм электроприводов выведены формулы расчета потребляемой активной мощности от механической мощности намотки для многодвигательных электроприводов ПУ;

2. Разработана статическая математическая модель электропривода по системе ПЧ-АД со скалярным управлением, позволяющая рассчитывать тепловые режимы работы, рабочие и скоростные характеристики АД с КЗР с учетом нелинейных зависимостей вихревых токов и кривой намагничивания.

3. Разработана 7-массовая тепловая модель АД с КЗР с учетом конструктивных особенностей АД с КЗР и характерных мест теплогенерации.

4. Разработана методика расчета коэффициентов теплопроводности для 7-массовой тепловой модели с учетом конвекции, теплопроводности и механических параметров АД.

5. Разработана структурная схема и методика для расчета предельной механической характеристики АД с КЗР, при которой температура статора не

. выходит за допустимые пределы.

6. Разработаны структурные схемы многомассовых динамических моделей одно- и двухдвигательного ПУ с учетом динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки;

Практическая ценность и реализация работы

1. Выполнена проверка двигателей ПУ по нагреву в первой и второй зонах регулирования скорости с учетом предельных механических характеристик АД с КЗР и самовентиляцией.

2. Разработана и изготовлена лабораторная установка, позволяющая проводить эксперименты по тепловым режимам работы АД с КЗР с системой ПЧ-АД.

3. Принята к внедрению 7-массовая тепловая модель АД с КЗР в составе автоматизированной системы технической диагностики «Мониторинг-2000» (000«Электроремонт», г.Магнитогорск) в ЛПЦ № 9, ОАО «ММК» (г. Магнитогорск)

4. Разработан и внедрен экспериментальный образец двухдвигательного электропривода ПУ по системе ПЧ-АД на ЗАО «УралКорд» (г. Магнитогорск).

5. Полученные результаты могут быть использованы при модернизации однотипных ПУ, а также при разработке новых ПУ на основе других систем электропривода.

К защите представляются следующие научные положения

1. Энергетические диаграммы и формулы для расчета потребляемой активной мощности от механической мощности намотки для многодвигательных электроприводов ПУ;

2. Статические математические модели одно- и двухдвигательных электроприводов по системе ПЧ-АД со скалярным управлением;

3. 7-массовая. тепловая модель АД с КЗР и методика расчета коэффициентов теплопередачи;

4. Методика расчета предельной механической характеристики АД с КЗР, с учетом предельной температуры обмотки статора;

5. Динамическая математическая модель одно- и двухдвигательного электропривода ПУ;

Апробация работы

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на четырех научно-технических конференциях и семинарах: VI Международная (XVII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.); Международная 15 научно-техническая конференция (г. Екатеринбург, 2012 г.); VII Международная (XVIII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.);ежегодные

научно-технические конференции ФГБОУ ВПО МГТУ им. Г.И.Носова (г. Магнитогорск, 2010-2013 г.).

Публикации по работе

Результаты работы опубликованы в 10 печатных работах. В том числе Зстатьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 1 свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ, 3 докладов и тезисов на конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 69 наименований и 2 приложений на 2 страницах. Её содержание изложено на 179 страницах основного текста, проиллюстрировано 98 рисунками и 9 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные решаемые задачи, основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе на основе литературно-патентных исследований проведен анализ технологического процесса бронзирования и латунирования стальной проволоки, изложены основные требования, предъявляемые к качеству готовой продукции, электроприводам ПУ и технологическому процессу бронзирования и латунирования стальной проволоки, выполнен анализ работы многодвигательных электроприводов ПУ по системе ПЧ-АД.

В создание и развитие теории и практики частотно-регулируемого асинхронного значительный вклад внесли выдающиеся российские и зарубежные ученые - И.Я.Браславский, А.В.Виноградов, В.А.Дартау, В.И.Ключев, В.Ф.Козаченко, А.Е.Козярук, А.Я.Микитченко, О.И.Осипов, В.Н.Остритов, Л.П.Попов, А.Д.Поздеев, В.Н.Поляков, В.В.Рудаков, А.С.Сандлер, Р.С.Сарбатов, М.М.Соколов, О.В.Слежановский, Г.Г.Соколовский, В.М.Терехов, Ю.С.Усынин, В.А.Шубенко, Р.Т. Шрейнер, И.И. Эпштейн, G.M.Asher, F.Blaschke, W.Floter, J.Holtz, W.Leonard, T.A.Novotny и многие другие.

Разработкой и исследованием многодвигательного электропривода намоточных и перемоточных устройств занимались - Борцов Ю.А.,., Коковихин Ю.И., Перлин И.Л., Ерманок М.З., Селиванов И.А., Радионов A.A., Карандаев A.C., Рябинин А.И., Туганбаев И.Т., Лимонов Л.Г. и многие другие, однако расчеты проводились для старых систем электроприводов и в большинстве случаев имеют ограниченное практическое применение.

На основе анализа существующих систем ЭП и технологического процесса бронзирования сформулированы требования, предъявляемые к электроприводу ПУ:

1. Диапазон регулирования скорости двигателя намоточной катушки с учетом 2 зоны регулирования не менее 40:1; диапазон регулирования скорости двигателя промежуточного барабана не менее 30:1;

2. Точность поддержания натяжения в установившихся и динамических режимах не менее ±15% от заданного;

3. Обеспечение необходимого закона регулирования натяжения на участке

намотки и поддержание постоянного заданного натяжения на технологических участках линии бронзирования;

4. Стабилизация линейной скорости проволоки в рабочем, заправочном и травильном режимах при изменении угловой скорости, величины заданного натяжения, радиусов и моментов инерции намоточной и размоточной катушек, диаметра проволоки;

При анализе основных причин выхода из строя оборудования и неудовлетворительному качеству выпускаемой продукции для однодвигательных ПУ выделены 3 причины: увеличение натяжения на намоточной катушке с увеличением радиуса намоточной катушки; колебания натяжения проволоки из-за гармонических возмущающих воздействий с частотами, зависящими от угловой скорости вращения, приводящие к пропускам бронзового покрытия, обрывам проволоки, межвитковым защемлениям проволоки на намоточной катушке; перегрев приводного электродвигателя в режиме травления проволоки. Электроприводы ПУ работают в длительном режиме с уменьшением угловой скорости намотки и одновременным увеличением момента намотки. В настоящее время нет методик выбора и проверки двигателей с самовентиляцией для таких режимов работы.

На основе анализа технологических режимов работы, а также требований, предъявляемых к качеству выпускаемой продукции, предложено использование многодвигательного электропривода, позволяющего стабилизировать линейную скорость движения проволоки при стабилизации или регулировании её натяжения.

На рисунке 1 представлена обобщенная кинематическая схема ПУ агрегата бронзирования стальной проволоки, показывающая возможные варианты установки электроприводов.

Промежуточный Технологический Размоточная барабан процесс катушка

где индексы Н,Р,Б относятся к механизмам намотки, размотки и промежуточному барабану, соответственно; Т, АТ, со, Я, г", Ш ~ натяжение проволоки, дополнительное распределенное натяжение, угловая скорость, радиусы, передаточные числа редукторов, момент потерь.

В соответствии с рисунком 1 и законом сохранении энергии составлены уравнения баланса мощностей и выведены уравнения для расчета потребляемой активной мощности ПУ в зависимости от радиуса намоточной катушки для 4 типов , ПУ:

а) Однодвигательная система с «пассивной размоткой» (двигатель М,). В данной системе контролируется только линейная скорость движения проволоки;

б) Двухдвигательная система с «пассивной размоткой» (двигатели МЬМ2). Регулируются натяжение на намоточной катушке и линейная скорость движения проволоки;

в) Двухдвигательная система с «активной размоткой» (двигатели М,,Мз)-Регулируются натяжение на намоточной катушке и линейная скорость или натяжение на линии размотки ВС;

г) Трехдвигательная система с регулированием натяжения на намоточной катушке, регулированием линейной скорости движения проволоки и натяжения проволоки на линии бронзирования (двигатели А/ьМ>,Мз).

Принимая во внимание требования, предъявляемые к электроприводу ПУ при модернизации действующего оборудования, решено использовать вариант двухдвигательной системы с «пассивной размоткой», поскольку он позволяет регулировать натяжение на намоточной катушке в диапазоне от 0 до Тнмах, а при натяжениях 7„ > 7Р +Д71 возможен генераторный режим.

В конце главы сформулированы выводы по главе и определены задачи

исследования

Во второй главе диссертационной работы на основе схемы замещения асинхронного двигателя с учетом нелинейных зависимостей вихревых токов и кривой намагничивания разработана статическая математическая модель электропривода по системе ПЧ-АД, позволяющая рассчитывать тепловые режимы работы, рабочие и скоростные характеристики АД с КЗР. Разработана 7-массовая тепловая модель АД с КЗР с учетом конструктивных особенностей АД с КЗР и характерных мест теплогенерации. Разработана методика расчета коэффициентов теплопроводности для 7-массовой тепловой модели с учетом конвекции, 1 теплопроводности и механических параметров АД. Разработана многомассовая динамическая модель одно- и двухдвигательного ПУ с учетом динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки.

Для моделирования системы ПЧ-АД со скалярным управлением разработана статическая математическая модель (рис. 2), служащая для расчета скоростной, рабочих характеристик и составляющих потерь АР] в электродвигателе в статических режимах, включающая в себя: блок расчета нагрузочной диаграммы и тахограммы работы, блок расчета скоростной и рабочих характеристик, составляющих потерь в электродвигателе, блок тепловой модели, блок пересчета активных сопротивлений обмоток двигателя.

Основная сложность при составлении математического описания ПЧ-АД со скалярным управлением состоит в том, что для однозначного определения точки

Теплопроводность —► Конвекция

Рис. 3. Схема тепловых потоков в АД с КЗР

Например, коэффициенты теплопередачи теплопроводностью

(кс-х12 (1 -кс).(лв(&)+лп^ м ' 3

при

Л\2=Л-°М

Л

А23

'ИЗ.Г ПАЗ.СТ

12

М

+Д 5 12 вп

Л

дЮ.Р ' кзст

А45=-

'ИЗ.Р ПАЗ.Р М 2 5ИЗ.Р КЗР

передаче тепла

(4)

где 1В - коэффициент теплопроводности воздуха; Кс - коэффициент соприкосновения магнитопровода статора с корпусом двигателя; /)м - внешний диаметр магнитопровода статора; /м - длина магнитопровода; д12 - толщина прослойки оксидов металла и лакового покрытия электротехнических листов в промежутке между магнитопроводом и корпусом; Я12 - коэффициент теплопроводности оксидов металла и лакового покрытия электротехнических листов; Д<5ВП - усредненная толщина воздушной подушки между магнитопроводом статора с корпусом двигателя; Яизр - коэффициент теплопроводности изоляции класса Б; Япаз.стср) - площадь паза статора(ротора); <5Из.Р- толщина изоляции класса Б; Л"зст(Р) - коэффициент заполнения паза статора(ротора); гЦ2) - число пазов статора(ротора).

Особенностью двигателей с самовентиляцией является зависимость коэффициентов теплоотдачи от скорости вращения ротора (рис.4). Коэффициент теплоотдачи при передаче тепла конвекцией с корпуса двигателя

\ 1,822

а[0 = 0,434-

777

V ■ с!

э

(5)

где ¿э- приведенный эквивалентный диаметр поверхности; Хт- коэффициент теплопроводности среды; Яе- число Рейнольдса; V- линейная скорость движения обдуваемого корпус воздуха; V- коэффициент кинематической вязкости среды.

п,об/мин

500 1000 1500 2000 2500 3000

Рис. 4. Коэффициент теплоотдачи корпуса двигателя в функции скорости вращения для двигателя 4А100Ь4УЗ Теоретические материалы по тепловой модели АД применены в 3 главе при разработке тепловых моделей конкретных двигателей.

Для оценки влияния гармонических возмущающих воздействий на поведение натяжения проволоки на основе кинематической схемы рис.1 разработана система уравнений трехмассовой упругой электромеханической системы (6), на основе которой разработана структурная схема электромеханической компьютерной модели механической части ПУ (рис.5).

Мн(р)-Тн(Р)Кн"н=->н-Ра>н(Р)> Мр(р)-Тр(рУЛрНр=^-р-а>р(р), [Тр(р)-Тн(р))- ЯБ ИБ + MБ(p) = JБ■p■ а>Б{Р\

Д1н(р) = -р ■ (кя(р) - (1 + *(Р)) ■ УБ{р)\ мр{р) = -р - {ур{р) - (1 + В{Р)) ■ УБ{р))+ АТ{р)) ТН(Р) = срН ■ (д/я(р) + Ывозм н(р)\ Тр{р) = срр ■ (д 1р{р) + Д1ЮЗМ Р{Р)\

СРР=Е-8ПР'1Р> СрН = Е-5ПР,ЬН

(6)

Дополнительно для одно и двухдвигательных систем ПЧ-АД разработаны структурные схемы цифровых микропроцессорных систем регулирования, которые вместе с электромеханической моделью (рис. 5) входят в общую динамическую компьютерную модель ПУ, учитывающую динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки.

В третьей главе разработаны компьютерные статические математические модели одно и двухдвигательных электроприводов ПУ, проведено исследование статических и динамических режимов работы электроприводов перемоточного устройства агрегата бронзирования на компьютерных моделях. Рассчитаны

в режиме травления при Л/н=сопб1 и Гн=сош1 В режиме травления проволоки при поддержании постоянного натяжения на намоточной катушке наблюдается перегрев двигателя в конце намотки (рис.7). При применении для двигателя М\ второй зоны регулирования улучшаются условия охлаждения, уменьшаются приведенные к валу двигателя момент намотки, и как следствие, исключается перегрев двигателя.

Используя динамические компьютерные модели ПУ, разработанные во 2 главе, выполнено исследование колебаний натяжения проволоки при гармонических возмущающих воздействиях. Исследования проводились с использованием логарифмических амплитудно-частотных характеристик, снятых на динамической компьютерной модели.

На рис. 8 приведены ЛАЧХ одно- и двухдвигательного ПУ по возмущающему воздействию.

при Мн=сопз1.

Рис. 8. ЛАЧХ одно- и двухдвигательного ПУ по возмущающему воздействию

Основными источниками колебаний натяжения проволоки являются механические повреждения катушек, эксцентриситеты валов и работа укладчика проволоки, проявляющиеся в виде упругого удлинения проволоки А£ВОзм.- Частота возмущающих воздействий пропорциональна угловой скорости вращения катушек и уменьшается с 15,9 до 4,6 рад/сек по мере увеличения радиуса катушки.

В однодвигательном электроприводе при частоте 4,6 рад/сек, амплитуда ЛАЧХ составляет 46,2 дБ и уменьшается до 42,7 дБ при частоте 15,9 рад/сек. Таким образом, происходит увеличение амплитуды колебаний натяжения, вызванных возмущающими воздействиями при увеличении радиуса намоточной катушки в 1,6 раза.

В двухдвигательной системе, в области действующих возмущающих частот, с ростом частоты увеличивается амплитуда с 25,1 до 31,1 дБ. Это означает, что вначале перемотки, при пустой намоточной катушке, влияние возмущающих воздействий сильнее проявляется на натяжении проволоки, чем при завершении в 2 раза, но оно почти в 10 раз меньше, чем в однодвигательной системе.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований разработанных тепловой модели и двухдвигательного электропривода с «пассивной

размоткой» в промышленных условиях. Представлены результаты внедрения двухдвигательного электропривода ПУ на основе системы ПЧ-АД. Разработаны принципиальные электрические схемы для двухдвигательного электропривода перемоточного устройства.

Для оценки достоверности разработанной тепловой модели АД с КЗР разработана лабораторная установка для экспериментального исследования тепловых режимов работы АД с КЗР в системе ПЧ-АД. Лабораторная установка состоит из нагрузочного и испытуемого двигателя, сочлененных механической муфтой. В испытуемом двигателе установлены датчики температуры ТСМ-200М с погрешностью измерения температуры 4%. На подшипниковом щите со стороны привода вырезаны отверстия для визуальной регистрации температуры статора и ротора посредством тепловизора.

Эксперимент по регистрации температур проводился в 4 этапа (рис.9): 1) Регистрация температуры при а>= а>п; 2) Регистрация температуры при оз= 0,75сон; 3) Регистрация температуры при со= 0,5а>н; 4) Регистрация температуры при со= 0,25<ин.

При каждом этапе момент на валу испытуемого двигателя задается на уровне номинального с помощью нагрузочного двигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя.

(ц=юц; /Г*СГ=5,6А; &юои.=5>42А; <»=0,75 1гАСТ=МА; 4»пН.=5,37А;

¡»АСГ=207,8В; (/м(Жа=2ШВ. УглсН69,7В; £/'жюш.=П1 В.

«>-0,5 о>п; /ГДСТ=5,53А; /МООВ"6,47А: ш=0,25 а>„; ¡гкст=5,67А; /Ж|>ы.=3,51А;

Рис. 9. Осциллограммы температуры обмотки статора ГСи

В ходе эксперимента учитывались следующие температуры: температура обмотки статора ТСц, температура обмотки ротора ГА[,, температура корпуса Тссжр, температура подшипникового щита со стороны привода Грею- Все температуры, за

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают теоретические выводы об увеличении демпфирующих свойств двухдвигательного электропривода с «пассивной размоткой».

На ЗАО «УралКорд» (г. Магнитогорск) внедрен в действующее производство двухдвигательный электропривод ПУ. После внедрения наблюдается уменьшение числа обрывов проволоки в процессе перемотки на 7%, что привело к повышению производительности на 9%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных систем на весь агрегат составит 1580 тыс.рублей в год

Для реконструкции существующих однодвигательных электроприводов ПУ разработаны принципиальные электрические схемы и программное обеспечение двухдвигательного электропривода ПУ для трех типов систем «Ведущий-Ведомый» построенных на преобразователях частоты фирм ACS 800-ACS 800 (ABB), Unidrive SP - Commander SK, Commander SK - Commander SK (Control Techniques). Система «Ведущий-Ведомый» позволит в большей степени автоматизировать производственный процесс и выполнять функции динамической коррекции натяжения, расчета радиусов и моментов инерции намоточной и размоточной катушек, демпфирования упругих колебаний и коррекции режимов работы без использования дорогостоящего программируемого контроллера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Эксплуатируемые в настоящее время электроприводы перемоточных устройств, построенных на базе асинхронных двигателей с фазным ротором и реостатным регулированием скорости, асинхронных электродвигателей с к.з. ротором и электромагнитными муфтами скольжения, электроприводов постоянного тока, построенных по системе ТП-ДПТ характеризуются низкой экономичностью работы, низкой надежностью и высокими эксплуатационными затратами. На сегодняшний день наиболее экономичной и надежной системой является система «Транзисторный преобразователь частоты — Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором»;

2. Экспериментальное исследование промышленно-эксплуатируемого электропривода перемоточного устройства агрегата бронзирования выявило следующие проблемы: а) увеличение натяжения в процессе намотки проволоки; б) высокие значения колебаний натяжения проволоки; в) перегрев электропривода в режиме травления проволоки;

3. Составлены энергетические диаграммы для четырех возможных типов многодвигательного электропривода ПУ агрегата бронзирования стальной проволоки и на их основе выведены формулы расчета потребляемой активной мощности от механической мощности намотки;

4. Разработаны статические математические модели электропривода по системе ПЧ-АД со скалярным управлением для однодвигательного и двухдвигательного перемоточного устройства, позволяющие рассчитывать тепловые режимы работы, рабочие и скоростные характеристики АД с КЗР с учетом нелинейных зависимостей вихревых токов и кривой намагничивания;

5. Разработана 7-массовая тепловая модель АД с КЗР с учетом конструктивных особенностей АД с КЗР и характерных мест теплогенерации и

методика расчета коэффициентов теплопередачи Ац, учитывающая геометрические параметры элементов двигателя, конвективный теплоперенос, изменения тегогофизических свойств охлаждающей среды при нагревании;

6. Тепловая модель принята к внедрению в виде компьютерной модели в автоматизированную систему технической диагностики «Мониторинг-2000»(000 «Электроремонт», г. Магнитогорск) , применяемую в ЛПЦ № 9, ОАО «ММК» (г. Магнитогорск).

7. Разработана методика расчета предельной механической характеристики АД с КЗР, при которой температура обмотки статора двигателя не превышает заданного значения. С помощью разработанной методики проведена проверка электроприводов однодвигательного и двухдвигательного ПУ агрегата бронзирования по тепловому состоянию для режимов бронзирования и травления;

8. Разработаны динамические модели для однодвигательного и двухдвигательного ПУ, с учетом динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки;

9. Теоретически и экспериментально доказано, что двухдвигательное ПУ обладает лучшими демпфирующими свойствами чем однодвигательный ЭП. Амплитуда колебаний у двухдвигательного электропривода меньше, чем у однодвигательного в 3-4 раза. Среднеквадратическое отклонение натяжения от среднего значения не превышает 9,7%, что удовлетворяет технологическим требованиям. На ЗАО «УралКорд» (г. Магнитогорск) внедрен в действующее производство двухдвигательный электропривод ПУ, который позволил увеличить производительность на 9%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных систем на весь агрегат составит 1580 тыс.рублей в год;

10. Разработаны принципиальные электрические схемы электроприводов ПУ АБ с цифровыми локальными промышленными сетями последовательного обмена данными на базе транзисторных преобразователей частоты с микропроцессорным управлением, которые позволяют при малых затратах улучшить диагностирование работы электрооборудования, повысить качество управления технологическим процессом и надежность работы оборудования в целом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Моисеев В.О., Методика экспериментального определения момента сопротивления и момента инерции механизма/Омельченко Е.Я., Моисеев В.О. / Вестник МГТУ.-Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2012. -№3-С.74-76 (рецензируемое издание из перечня ВАК).

2. Моисеев В.О., Разработка автоматизированных электроприводов волочильных станов по системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель»/ Омельченко Е.Я., Моисеев В.О., Тележкин O.A. / Вестник ИЭГУ. - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИЭГУ», 2012. - №6 - С. 119-122 (рецензируемое издание из перечня ВАК).

3. Моисеев В.О., Термодинамическая модель асинхронного двигателя/ Омельченко Е.Я., Агапитов Е.Б., Моисеев В.О. / Вестник МГТУ.-

Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2012. -№1- С.67-70 (рецензируемое издание из перечня ВАК).

4. Моисеев В.О., Двухдвигательные электроприводы намоточных устройств стальной проволоки по системе ПЧ-АД/ Моисеев В.О., Омельченко Е.Я.// Труды международной 15 научно-технической конференции: Междунар. сб. науч. трудов. - Екатеринбург: ФБГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2012, С.301-304.

5. Моисеев В.О., Математическая модель системы ПЧ-АД с улучшенным пусковым моментом/ Омельченко ЕЛ., Моисеев В.О, Тележкин O.A. // VII Международная (XVIII Всерос.) научно-техн. конф. по автоматизированному электроприводу(АЭП-2012):сб.тр.. — Иваново: ФГБОУ ВПО «ИЭГУ», 2012. -С. 169-172.

6. Моисеев В.О., Автоматизированные электроприводы волочильных станов/ Омельченко Е.Я., Моисеев В.О, Тележкин O.A. // VII Международная (XVIII Всерос.) научно-техн. конф. по автоматизированному электроприводу(АЭП-2012):сб.тр.. - Иваново: ФГБОУ ВПО «ИЭГУ», 2012. -С.545-548.

7. Моисеев В.О., Исследование электропривода намоточного устройства агрегата бронзирования стальной проволоки/ Моисеев В.О., Омельченко Е.Я. // Депон. в ВИНИТИ 21.03.2012 № 98-В2012

8. Моисеев В.О., Тенденции развития автоматизированных электроприводов/ Омельченко Е.Я., Моисеев В.О, Тележкин O.A. // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр.-№20.-Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ»,2012. С. 71-79.

9. Моисеев В.О., Исследование четырехмассовой термодинамической математической модели асинхронного двигателя / Омельченко Е.Я., Моисеев

B.О, Тележкин O.A. // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр.-№20.-Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ»,2012.

C. 126-131.

Ю.Моисеев В.О., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615850. Расчет рабочих и скоростных характеристик асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты с векторным регулированием / Омельченко ЕЛ., Линьков С.А., Моисеев В.О., Тележкин О.А // ОБПБТ.-2012.-№ 3(80).-С. 42.

Подписано в печать 11.11.13. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 641.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПО СИСТЕМЕ ПЧ-АД ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА АГРЕГАТА БРОНЗИРОВАНИЯ

СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

МОИСЕЕВ ВЛАДИМИР ОЛЕГОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Омельченко Е.Я.

Магнитогорск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................(5)

Глава 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА

АГРЕГАТА БРОНЗИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ.................(11)

1.1 Описание технологического процесса производства бронзированной проволоки..............................................(11)

1.2 Обзор существующих систем электроприводов перемоточных устройств.....................................................................(19)

1.3 Требования, предъявляемые к перемоточным устройствам стальной проволоки.....................................................................(26)

1.4 Основные причины выхода из строя оборудования и образования брака продукции............................................................(28)

1.5 Анализ энергетических режимов работы перемоточных устройств.....................................................................(45)

1.6 Выводы. Постановка задачи исследования............................(56)

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПО СИСТЕМЕ ПЧ-АД ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА...(59)

2.1 Разработка статической математической модели электропривода перемоточного устройства по системе ПЧ-АД агрегата бронзирования...............................................................(59)

2.1.1 Нагрузочная диаграмма и тахограмма работы электропривода перемоточного устройства..................(61)

2.1.2 Разработка статической математической модели системы ПЧ-АД со скалярным управлением..............................(68)

2.1.3 Разработка и исследование тепловой модели АД с КЗР......................................................................(78)

2.2 Разработка динамической модели перемоточного устройства агрегата бронзирования стальной проволоки.......................О 04)

2.3 Выводы........................................................................(112)

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА НА РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛЩ114)

3.1 Исследование работы однодвигательного перемоточного устройства.....................................................................(114)

3.1.1 Исследование работы однодвигательного перемоточного устройства в статических режимах работы....................(114)

3.1.2 Методика расчета предельных механических характеристик АД с КЗР............................................................................(123)

3.1.3 Исследование работы однодвигательного перемоточного устройства в динамических режимах работы..................(126)

3.2 Исследование работы двухдвигательного перемоточного устройства.....................................................................(130)

3.2.1 Исследование работы двухдвигательного перемоточного устройства в статических режимах работы....................(130)

3.2.2 Исследование работы двухдвигательного перемоточного устройства в динамических режимах работы..................(136)

3.3 Выводы........................................................................(145)

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГО ДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ И ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ АД С КЗР...........(147)

4.1 Экспериментальное исследование разработанной тепловой модели

АДсКЗР.......................................................................(147)

4.2 Экспериментальное исследование двухдвигательного электропривода перемоточного устройства с «пассивной размоткой».....................................................................(154)

4.3 Перспективы развития автоматизированных электроприводов перемоточных устройств»....................................................(159)

4.3.1 Система «Ведущий-Ведомый» на базе преобразователей частоты ACS 800......................................................(159)

4.3.2 Система «Ведущий-Ведомый» на базе преобразователей частоты Unidrive SP и Commander SK...........................(162)

4.3.3 Система «Ведущий-Ведомый» на базе преобразователей частоты Commander SK и ПЛК....................................(165)

4.4 Выводы...........................................................................(168)

Заключение..............................................................................(170)

Литература...............................................................................(173)

Приложение

Приложение П1..................................................................(180)

Приложение П2..................................................................(181)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Стальная проволока является одним из основных видов продукции выпускаемой метизной промышленностью Российской Федерации, поскольку она служит исходным материалом для изготовления канатов, металлокорда, плющенной ленты, болтов, гаек, заклепок, пружин, гвоздей, шурупов, сеток и других изделий, широко используемых во всех отраслях народного хозяйства и промышленности.

На долю проволоки и изделий из нее приходится более половины всей выпускаемой метизной промышленностью продукции. Ежегодное производство стальной проволоки достигает 10 млн. тонн.

Предприятие ЗАО «УралКорд» (г.Магнитогорск) является одним из ведущих поставщиков металлокорда и бортовой бронзированной проволоки на предприятия шинной промышленности России.

В метизной промышленности существует много проблем, связанных с расширением ассортимента выпускаемой продукции и повышением ее качества, с повышением производительности труда и снижением себестоимости продукции. Особое внимание уделяется мероприятиям по снижению энергопотребления, экономии металла и повышению надежности работающего оборудования.

В настоящее время основным вариантом устранения вышеописанных проблем является модернизация и реконструкция существующего механического и электрического оборудования.

Одним из основных элементов станов для производства бортовой бронзированной проволоки является перемоточное устройство (ПУ). Качество бронзированной проволоки во многом определяется соблюдением технологических условий работы агрегата, и в частности работой перемоточного устройства.

Электропривод(ЭП) перемоточного устройства задает необходимую скорость движения проволоки по агрегату, что в свою очередь влияет на

качество нанесения слоя бронзы на стальную проволоку и натяжение, определяющее качество намотки проволоки па катушку.

Воздействуя на электропривод перемоточного устройства можно получить любую требуемую скорость движения проволоки, а также закон изменения натяжения в процессе работы.

До настоящего времени на ЗАО «УралКорд» находится в эксплуатации большое количество электроприводов устаревших типов с низкими энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Оборудование изготавливалось до 80-х годов прошлого столетия на Алма-Атинском заводе тяжелого машиностроения (АЗТМ, г.Алма-Ата, Казахстан) и заводе ГРЮНА (ГДР) и практически не менялось с момента установки. Замена устаревших типов электроприводов на более совершенные позволит получить значительный экономический эффект и повысить качество выпускаемой продукции.

На сегодняшний день наиболее надежной и экономичной является система электропривода «транзисторный преобразователь частоты-асинхронный двигатель» (ПЧ-АД)

В связи с вышеперечисленным, представляет значительный интерес исследования по применению в перемоточных устройствах современных систем электроприводов, построенных по системе ПЧ-АД, повышению их работоспособности и надежности работы.

Особый интерес вызывает многодвигательный электропривод, поскольку он позволяет регулировать и линейную скорость движения проволоки по агрегату бронзирования и обеспечить требуемый закон изменения натяжения на намоточной катушке.

Основным ограничением, накладываемым на внедрение многодвигательного электропривода в действующее производство, является перегрев двигателя, вызванный низкой скорости вращения двигателя при наличии момента сопротивления па валу, в одном из технологических режимов агрегата бронзирования - режима травления проволоки.

В режиме травления бронзированная проволока неудовлетворительного качества поступает в агрегат бронзирования и проводится в обход ванны бронзирования, через ванны травления. При этом удаляется слой бронзового покрытия и «чистая» стальная проволока наматывается на катушку. Поскольку удаление слоя бронзы с поверхности стальной проволоки зависит от времени нахождения последней в ванне с травильным раствором, линейная скорость движения проволоки по агрегату снижается с 1,7 м/с до 0,2 м/с, при этом ухудшаются условия охлаждения двигателей перемоточных устройств и наступает их перегрев.

В соответствии с указанным выше в работе ставится цель и формируется актуальная научная проблема, решаемая в диссертации.

Основная идея диссертационной работы заключается в разработка и исследование многодвигательного электропривода по системе ПЧ-АД перемоточного устройства, обеспечивающего повышение

производительности за счет снижения брака и увеличение надежности работы электрооборудования за счет ограничения допустимого по теплу момента двигателя.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Разработка статических математических моделей перемоточных устройств для одно- и двухдвигательного электропривода ПУ, позволяющих рассчитывать электрические переменные системы ПЧ-АД в первой и второй зонах регулирования скорости;

2. Разработка многомассовой тепловой математической модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и самовентиляцией, и методики расчета коэффициентов теплопередачи;

3. Разработка лабораторной установки для экспериментального исследования тепловых режимов работы АД с КЗР в системе ПЧ-АД;

4. Разработка методики расчета предельных механических характеристик, при которых температура статора не превышает допустимые пределы;

5. Разработка динамических моделей для одно- и двухдвигательного ПУ, с учетом динамических характеристик системы регулирования системы ПЧ-АД и упругости стальной проволоки;

6. Разработка принципиальных электрических схем для двухдвигательного электропривода перемоточного устройства и внедрение разработанного многодвигательного электропривода в действующее производство.

Диссертационная работа состоит из введения четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе кратко изложен процесс изготовления бортовой бронзированной проволоки и приведены основные требования, предъявляемые к электроприводу перемоточного устройства. Проведен анализ текущего состояния и общих тенденций развития электроприводов перемоточных устройств стальной проволоки. Изложены основные причины образования брака продукции и выхода из строя оборудования. Рассмотрены 4 варианта электропривода перемоточного устройства и даны рекомендации к их применению в зависимости от предъявляемых к электроприводу требований. Определены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассчитаны нагрузочные диаграммы и скоростные характеристики 4 типов электроприводов. Разработана и исследована статическая математическая модель системы ПЧ-АД с КЗР с учетом нелинейности кривой намагничивания двигателя, влияния вихревых токов и температурного изменения активных сопротивлений обмоток. Разработана 7-массовая тепловая математическая модель АД с КЗР и методика нахождения коэффициентов теплопередачи, позволяющая найти температуру двигателя при изменении скорости вращения вентилятора охлаждения. С учетом упругости стальной проволоки, составлена динамическая модель ЭП ПУ,

позволяющая моделировать работу агрегата бронзирования в режимах бронзирования и травления.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию многодвигательного ЭП ПУ в статических и динамических режимах работы. Рассчитаны предельные механические характеристики приводных электродвигателей ПУ, при которых температура статора не выходит за заданные пределы. На основе анализа JIA4X доказано, что двухдвигагельный электропривод ПУ позволяет эффективно демпфировать колебания натяжения на намоточной катушке, вызванные изменением радиуса намоточной катушки, механическими повреждениями намоточных катушек, эксцентриситетом намоточной и размоточной катушек.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования 7-массовой тепловой математической модели и доказана ее адекватность. Представлены результаты внедрения двухдвигательного ЭП с «пассивной размоткой» в действующее производство. Разработаны принципиальные электрические схемы электроприводов ПУ АБ с цифровыми локальными промышленными сетями последовательного обмена данными на базе транзисторных преобразователей частоты с микропроцессорным управлением, которые позволяют при малых затратах улучшить диагностирование работы электрооборудования, повысить качество управления технологическим процессом и надежность работы оборудования в целом;

Методы исследований Теоретические исследования основаны на положениях теории электропривода, теории автоматического регулирования, методах операционного исчисления, статистической обработки данных, методов анализа с использованием логарифмических частотных характеристик.

Разработанные алгоритмы реализованы в пакете программирования MATLAB SIMULINK и, Microsoft Excel.

Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях путем осциллографирования основных параметров на действующих электроприводах перемоточных устройств агрегата бронзирования с последующей их обработкой.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Энергетические диаграммы и формулы для расчета потребляемой активной мощности от механической мощности намотки для многодвигательных электроприводов ПУ;

2. Статические математические модели одно- и двухдвигательных электроприводов по системе ПЧ-АД со скалярным управлением;

3. 7-массовая тепловая модель АД с КЗР и методика расчета коэффициентов теплопередачи;

4. Методика расчета предельной механической характеристики АД с КЗР, с учетом предельной температуры обмотки статора;

5. Динамическая математическая модель одно- и двухдвигательного электропривода ПУ;

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЕРЕМОТОЧНОГО УСТРОЙСТВА АГРЕГАТА БРОНЗИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ

Разработке электроприводов для эксплуатируемых установок предшествует подробный анализ их технологического процесса, выделяются пути для повышения производительности и снижения количества брака. Кроме этого проводится анализ решения подобных задач на аналогичных установках и принимается решение о применимости этих решений к рассматриваемой установке.

В первой главе подробно рассмотрена технология изготовления бронзированной стальной проволоки, проведен анализ требований, предъявляемых к качеству изготавливаемой проволоки, рассмотрены основные виды электроприводов, применяемых в перемоточных устройства, представлены основные причины возникновения брака продукции, проведен обзор методов проверки двигателей по классическим способам и с помощью тепловых моделей. На основании этого, представлены требования, предъявляемые к электроприводу перемоточного устройства агрегата бронзирования, изложены возможные пути уменьшения количества брака и повышения производительности средствами электропривода перемоточного устройства агрегата бронзирования.

1.1 Описание технологического процесса производства бронзированной стальной проволокиОсновным армирующим элементом бортовой части шипы является бортовое кольцо из стальной проволоки, покрытой бронзой для обеспечения химической связи с резиной.

В последние годы для армирования бортовых колец автомобильных шип применялась «классическая» бортовая латунированная проволока. Однако развитие технологии шинной промышленности диктует повышенные требования к армирующим материалам и на сегодняшний день стоит задача получить более высокий уровень прочности и при этом сохранить прежний уровень пластических свойств проволоки для армирования ботовых колец шин.

В таблице 1.1 приведён сравнительный анализ качественных характеристик бортовой латунированной и бортовой бронзированной проволоки диаметром 1,0 мм, используемой при изготовлении бортовых колец шин[1].

Таблица 1.1.

Механические свойства бортовой проволоки диаметром 1,0 мм

Механическая характеристика Требования НТД

Латунированная проволока Бронзированная проволока

Разрывная нагрузка, Н ГОСТ 10446-80 >1400 >1530

Число скручиваний ГОСТ 1545-80 >29 >29

Число перегибов ГОСТ 1579-93 >10 >13

Относительное удлинение, % ГОСТ 10446-80 >4,5 / 5,5 >4/ 4,5

Отношение предела текучести к пределу прочности, % не регламентируется <75-85

Из данных таблицы видно, что бортовая бронзированная проволока обладает более высоким комплексом прочностных и пластических свойств по сравнению с б