автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование систем регулирования синхронного электропривода черновых клетей станов горячей прокатки

На правах рукописи

Мигунов Дмитрий Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЧЕРНОВЫХ КЛЕТЕЙ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2012

Липецк-2012

005044956

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

Фащиленко Валерий Николаевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий»

Соломатин Александр Александрович - кандидат технических наук, ООО «Промэлектроника», заместитель технического директора

Ведущая организация:

ОАО «Черметавтоматика» г. Москва

Защита диссертации состоится 08 июня 2012 года в 1700 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет».

Автореферат разослан « 01 » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется значительной динамической загруженностью электромеханических систем главных приводов черновой группы клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки, приводящей к преждевременному износу и поломкам оборудования. Следствием этого является возрастание количества аварийных простоев станов, эксплуатационных расходов, а также снижение производительности и долговечности механизмов клетей, ухудшение качества прокатываемой полосы.

В основе нерегулируемого электропривода (ЭП) переменного тока черновых клетей используют мощные высоковольтные синхронные двигатели с демпферной обмоткой, так как они обладают рядом преимуществ над асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока. Существующие системы синхронных электроприводов черновых клетей с прямым подключением обмотки статора к питающей сети и типовыми автоматическими системами управления возбуждением не позволяют осуществлять ограничение возникающих в процессе прокатки металла динамических нагрузок, обусловленных жесткой механической характеристикой синхронного двигателя. Однако в настоящее время происходит стремительное развитие высоковольтной полупроводниковой техники, поэтому актуальным является переход к регулируемым системам управления мощным синхронным двигателем черновой клети на основе преобразователя частоты. Несмотря на то, что синтезу оптимальных систем векторного частотного управления посвящено большое количество работ, они характеризуются сложными алгоритмами расчета переменных, зависящих друг от друга. Использование математической модели синхронного двигателя, учитывающей нелинейность магнитной цепи, дает возможность уточнить алгоритм работы системы векторного управления, позволяющей улучшить динамические и энергетические характеристики электропривода черновой клети.

Ввиду высокой стоимости данного класса преобразователей частоты, их широкое применение ограничено, и актуальной задачей остается исследование и совершенствование существующих систем регулирования возбуждения синхронного двигателя прокатной клети, которые позволят снижать динамические нагрузки в электромеханической системе привода клети.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».

Цель работы - совершенствование системы регулирования синхронного электропривода путем разработки новых схемных решений, позволяющих

управлять скоростью и моментом двигателя для снижения динамических нагрузок в электромеханической системе черновой клети стана горячей прокатки.

Идея работы заключается в разработке системы синхронного электропривода с прямым подключением обмотки статора к питающей сети, а обмотки возбуждения к двухполярному возбудителю, и системы на основе преобразователя частоты, обеспечивающих автоматическое регулирование тока возбуждения при резком изменении нагрузки на валу двигателя в циклическом режиме процесса прокатки металла.

Задачи работы:

- анализ динамических свойств синхронного электропривода черновой прокатной клети;

- построение математической модели, описывающей динамические процессы привода черновой клети с синхронным двигателем;

- разработка системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя, позволяющей снизить динамические нагрузки в элементах привода в момент захвата металла валками клети;

- синтез системы частотного векторного управления синхронным электроприводом прокатной клети с улучшенными динамическими характеристиками;

- разработка энергосберегающей векторной системы управления синхронным электроприводом черновой клети, адаптированной к изменению нагрузки на валу двигателя в широком диапазоне;

- оценка эффективности использования систем регулирования мощного высоковольтного синхронного электропривода черновой клети.

Научная новизна:

- разработано устройство, позволяющее снизить динамические нагрузки в электромеханической системе привода черновой клети во врет захвата металла валками, отличающееся от известных алгоритмом работы, который заключается в реверсе тока возбуждения синхронного двигателя за счет изменения величины и полярности напряжения возбуждения, увеличении угла нагрузки, закрытии зазора в кинематической цепи, увеличении электромагнитного момента, с последующей кратковременной форсировкой напряжения возбуждения;

- предложена система векторного частотного управления синхронным электроприводом прокатной клети, отличающаяся способностью управлять величиной зазора в кинематической цепи за счет регулирования частоты вращения синхронного двигателя;

- разработан способ повышения энергетических показателей частотного синхронного электропривода с векторной системой управления, основанный на адаптации параметров регулятора тока возбуждения системы управления к величине нагрузки на валу двигателя.

Практическая значимость:

- разработанное устройство регулирования возбуждения ограничивает динамические нагрузки в элементах кинематической цепи привода клети;

- предложенный адаптивный регулятор тока возбуждения для системы частотного синхронного ЭП снижает уровень потребления электроэнергии.

Объект и методы исследования:

Объектом исследования являлась система управления электропривода черновой клети на базе синхронного двигателя. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования и экспериментального подтверждения. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ БтиНпк.

Достоверность результатов н выволов подтверждена математическим обоснованием разработанных зависимостей и синтезированных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчетов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК), а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода.

Реализация результатов работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в УАСУТП ЦАТП ОАО «НЛМК» и внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 7-ой международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк 2010); на XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименование, и 4 приложений. Общий объем работы - 179 страниц. Основная часть изложена на 147 страницах текста, содержит 59 рисунков, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертационной работе научно-технические проблемы и задачи, обоснована актуальность, показаны новизна и практическая значимость работы, выделены основные защищаемые положения.

В первой главе проведен анализ современного состояния главных электроприводов черновых клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки. Данный анализ показал, что наиболее распространенными из них являются электромеханические системы, выполненные на базе мощных высоковольтных синхронных электродвигателей (СД).

Рассмотрены преимущества использования СД в нерегулируемых электроприводах черновых клетей, среди которых можно выделить высокую кратность максимального момента и возможность плавного регулирования величины вырабатываемой и потребляемой реактивной мощности. К недостаткам относится жесткая механическая характеристика, которая служит одной из главных причин высоких динамических нагрузок в элементах привода рабочих валков клети, а также постоянная скорость вращения ротора СД исключает использование некоторых режимов прокатки.

Показана возможность использования современных высоковольтных преобразователей частоты (ПЧ) на базе автономного инвертора тока (АИТ) для модернизации существующих нерегулируемых и построения новых систем управления синхронного электропривода черновых клетей прокатных станов. Кроме того, рассмотрены основные характеристики систем автоматического регулирования возбуждения (АРВ) для данного типа электроприводов.

Помимо жесткой механической характеристики СД, выделены основные факторы, определяющие причины возникновения динамических нагрузок в рассматриваемом нерегулируемом электроприводе, связанные с механической схемой привода клети, технологией прокатки металла, а также с эксплуатацией оборудования главной приводной линии. Для анализа и компенсации действия данных факторов следует использовать многомассовые электромеханические

системы с распределенными параметрами, учитывающие электромагнитные свойства СД и наличие зазоров в узлах соединения деталей.

В заключении отмечается необходимость совершенствования нерегулируемых электроприводов черновых клетей на базе СД для снижения динамических нагрузок в элементах кинематической цепи клети путем разработки алгоритмов и законов работы АРВ, а также установки ПЧ.

Во второй главе проведено исследование электромеханической системы черновой клети математическими методами, при этом многомассовая кинематическая схема динамической модели трансмиссии главного привода клети, представленная на рис. 1, приведена к виду трехмассовой электромеханической системы (ЭМС).

■Гш = Г-> ^ 9л' Ь = 9.2й ііо

ч-

10.1

■= Л1 с'7

и

С'б

Л

С7

Сб

10.2

С 5

С5

- тЛ Л

8.2 31 7

6.1

к

с4

6.2

Сз

І5 ІЗ

3 '

I/

І4

С2

Сі

/

/

І1

Рис. 1. Кинематическая схема главного привода черновой клети: 1 - синхронный электродвигатель; 2 - моторная муфта; 3 - шестерня редуктора; 4 - колесо редуктора; 5 - коренная муфта; 6.1, 6.2 - шестеренные валки; 7.1, 7.2 -шестеренные головки шпинделей; 8.1, 8.2 - валковые головки шпинделей; 9.1, 9.2 - рабочие валки; 10.1, 10.2 - опорные валки

Движение рассматриваемой системы описывается дифференциальными уравнениями в операторной форме:

мд.~мп =

■М12-М23=;Г2рсо2; (1)

где Мдв - электромагнитный момент двигателя; М12, М23 - упругие моменты; Мс - статический момент нагрузки; I, - момент инерции ротора двигателя; 12 -момент инерции зубчатых колес редуктора; 13 - момент инерции валковой сис-

темы; СО], СО2, и3 - скорости вращения первой, второй и третьей массы, соответственно; р - оператор Лапласа.

Упругий момент в связях определяется углами поворотов масс ср; и ф^ величиной зазора 5; и жесткостью эквивалентного вала су:

1 Му =0,при|ф^-ф^бр

Статический момент нагрузки вычисляется с помощью уравнения:

Мс=Мпр+Мтр+Мхх, (3)

где Мпр - момент прокатки; Мф - момент добавочных сил трения; Мхх - момент холостого хода.

Характер нагружения привода черновой клети наиболее полно отражает экспоненциальная функция:

Мпр=М„(1-е-а'), (4)

где Мст - момент прокатки в установившейся стадии; 0=2,5/13 - параметр заполнения очага деформации; ^ - время заполнения очага деформации металлом, определяемое из геометрических размеров раската и параметров прокатки:

Ц = (л/ЯАН + Д0Н0 /Н, )/'у, (5)

где Я - радиус валка; ДН = Н0 - Н1 - абсолютное

оожатие; Но, 11: - толщина раската до и после деформации; До - длина переднего концевого участка полосы; V - линейная скорость прокатки.

Для математического описания синхронного двигателя была выбрана векторно-ориентированная модель в ортогональной системе координат связанная с ротором и вращающаяся вместе с ним. Поскольку в рассматриваемой машине предполагается регулирование магнитного потока в широком диапазоне, то был произведен учет нелинейности кривой намагничивания. Уравнение электромагнитного момента синхронного двигателя в этом случае имеет вид:

м„=|Ря(1Л-1мч'ц), (6)

где рп - количество пар полюсов; 11(), 1ц - токи статорной обмотки по осям d и q; Ч'ы, Ч'ц - потокосцепления статорной обмотки по осям d и q.

Совокупность уравнений (1)-(6), а также уравнения, описывающие электромагнитные процессы СД, были использованы для построения структурной схемы (см. рис. 2), которая является основой исследования и разработки компьютерной модели трехмассовой электромеханической системы привода черновой клети с трехфазным синхронным двигателем с демпферной обмоткой.

привода черновой прокатной клети

Структурная схема включает в себя четыре основных блока: блок формирования напряжений статора 1, блок синхронного двигателя 2, группа блоков 3, моделирующая процессы в механической части системы, и блок нагрузки 4, формирующий величину статического момента прокатки. Данная схема позволяет моделировать процессы захвата и выброса металла валками клети, регулирование напряжения возбуждения СД, регулирование частоты и напряжения питающей сети, то есть, регулирования скорости вращения ротора СД. В дальнейшем был рассмотрен электропривод горизонтальных валков черновой клети №3 непрерывного широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК» с двигателем Б5Е2800М46-408Е фирмы «ЬО\У». Произведена оценка адекватности модели электропривода черновой клети путем сопоставления осциллограммы активной мощности реального двигателя с осциллограммой, полученной в результате моделирования, для случая прокатки сляба 250x1350x10400 мм. Величины приведены к номинальной мощности двигателя, среднеквадратичное отклонение составляет 0,017.

В третьей главе произведен анализ основных факторов, определяющих причины возникновения динамических нагрузок в элементах привода черновой клети. Рассмотрена возможность снижения динамических нагрузок и демпфирования колебаний ротора двигателя путем регулирования напряжения возбуждения СД, как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Произведено моделирование данного способа для случая, когда зазоры в кинематической цепи привода клети открыты и закрыты, результаты представлены на рис. 3-4.

1500 -|Мло> [кНм] .

1000 -

-500

Рис. 3. Угловые характеристики СД при регулировании напряжения

возбуждения

1500 -

1000 -

500 -

-500

Рис. 4. Электромагнитный момент СД и статический момент нагрузки Мс: Мдв1 - без регулирования напряжения возбуждения; Мдв2 - с регулированием

В определенный момент времени (точка 1 на рис. 3) изменяется полярность и величина, приложенного к обмотке возбуждения номинального напряжения, при этом рассмотрены два варианта, когда величина напряжения отрицательной полярности равна номинальной и в 1,5 раза больше нее. В результате этого осуществляется реверс тока возбуждения и убывание электромагнитного момента двигателя, возрастание угла нагрузки, свидетельствующие о переходе работы двигателя в асинхронный режим, что вследствие приводит к формированию дополнительного синхронизирующего момента в демпферной обмотке.

Затем определяется изменение знака момента двигателя и достижение минимального значения, после чего осуществляется форсировка напряжения возбуждения (точки 2.1 и 2.2 на рис. 3), тем самым ток возбуждения возрастает. Работа возбудителя с форсированным напряжением на интервале возрастания момента обеспечивает введение ЭДС в цепь обмотки возбуждения, включенной согласно с ЭДС, наводимой вращающимся полем статора, что обеспечивает дополнительный рост тока возбуждения, а следовательно, и момента двигателя При достижении скорости двигателя близкой к синхронной, что соответствует точкам 3.1 и 3.2 на рис. 3, начинается процесс наброса нагрузки (захват металла валками). После достижения током возбуждения номинального значения форсировка возбуждения прекращается, напряжение снижается до номинальной величины, а точка 4 на угловой характеристике СД (см. рис. 3) соответствует установившемуся режиму прокатки металла.

Указанные мероприятия позволяют повысить значение электромагнитного момента и снизить скорость двигателя до входа металла в клеть, тем самым, ограничивая амплитудные значения момента двигателя во время переходного процесса прокатки раската, а также уменьшить величину зазора в кинематической цепи, за счет увеличения угла нагрузки при реверсе тока возбуждения.

Для исследования переходных процессов в рассматриваемой трехмассо-вой электромеханической системе привода черновой клети совместно с векторной частотно-регулируемой системой управления СД структурная схема системы, представленная на рис. 2, была преобразована к виду, изображенному на рис. 5. Результаты моделирования представлены на рис. б. Произведена замена блока формирования напряжений статора 1, на блок, формирующий данные напряжения с учетом системы подчиненного регулирования скорости СД на основе ПЧ с АИТ. Все расчеты заданий внутренних контуров тока системы управления произведены в соответствии с математическим описание СД в системе координат с1-Ч. Контуру регулирования скорости с ПИ-регулятором подчинены «фиктивные» контуры регулирования составляющих токов статора 11с1, 1ц, которые заменяют действительные контуры регулирования токов выпрямителя и инвертора ПЧ на основе АИТ, и контур регулирования тока возбуждения I,. Три вышеназванных контура настроены на модульный оптимум и образуют в совокупности многомерный контур момента. Задающие сигналы на входе контуров регулирования продольной и поперечной составляющих токов статора и тока обмотки возбуждения рассчитываются в блоке формирования заданий (ФЗ) и обеспечивают регулирование с неизменным потоком при ортогональности векторов тока и потока (Ч^сощ!, СЬ=уаг, Мдв=(3/2)рпЧ'611).

ЗИ ф

РС Б°і

і г.

>

ФЗ

РТД

2Т„

- 1 и,

-1 Тгр + 1

г<Нх>

■ііч РТ„

ОцР+іЖ,

- і

Т„р + 1

РТв

бо2

2Т

к

и,

<9)

<2>—» и„

и»

М,2

сд

м„

<5}

к©

-00з_ р

М2:

-М23

Юз

-М,

МсгТ

н„

Н,

Рис. 5. Структурная схема трехмассовой электромеханической системы привода черновой прокатной клети при частотном управлении

1000 -

500 -

М.ів,.Мс.(к1Ім]

-мР-

Мд_

і£=

і, И

0 10 20 30 40 50 60

Рис. 6. Электромагнитный момент двигателя и статический момент нагрузки трехмассовой ЭМС черновой клети при пуске двигателя и прокатке металла

В соответствии с результатами моделирования процесса прокатки металла с помощью синтезированной системы сделан вывод, что применение ПЧ позволяет значительно ограничить амплитудные значения момента двигателя, как во время процесса пуска, так и во время процесса прокатки раската, а также закрыть зазор в кинематической цепи клети и, тем самым, на 63% снизить величины динамических нагрузок электропривода.

В четвертой главе на основании способа регулирования напряжения возбуждения синхронного двигателя черновой клети прокатного стана, изложенного в главе 3, рассмотрено построение устройства, защищенного патентом № 107425 1Ш, технической задачей которого является снижение динамических нагрузок, возникающих при захвате раската горизонтальными валками, за счет регулирования электромагнитного момента двигателя с помощью возбудителя с двухполярным регулируемым напряжением. Функциональная и структурная схемы устройства представлены на рис. 7.

а) б)

Рис. 7. Схемы устройства для снижения динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана: а - функциональная;

б - структурная

Предлагаемое устройство содержит синхронный двигатель 1, обмотка статора которого подключена к напряжению питающей сети, обмотка возбуж-

дения 2 - к возбудителю 3 с двухполярным регулируемым напряжением, блок измерительных преобразователей 4, блок логики 5, датчик скорости (энкодер) 6, датчик тока возбуждения 7 и датчик наличия металла 8. Блок измерительных преобразователей 4 содержит трансформаторы тока и напряжения, с выходов которого напряжения 1Ла, 1ЛЬ, 1ЛС, иа, иь и 1ТС, пропорциональные мгновенным значениям фазных токов и напряжений статора, поступают на первые шесть входов блока логики 5, где осуществляется вычисление вращающего электромагнитного момента М. Дискретный сигнал от датчика наличия металла 8 поступает на девятый вход блока логики 5. Данный датчик должен быть расположен на пути движения раската до точки его контакта с горизонтальными валками на расстоянии, обеспечивающем время переходного процесса формирования дополнительного вращающего момента. Блокировка регулирования выходного напряжения возбудителя 3 блоком логики 5 в аварийном режиме или режиме пуска осуществляется подачей дискретного сигнала на десятый вход блока логики 5 от контроллера 9 системы управления клетью. Кроме того, возможна реализация алгоритма работы блока логики 5 в программе контроллера 9.

Также, была рассмотрена техническая возможность модернизации системы управления возбуждением синхронного двигателя черновой клети №3 стана 2000 ОАО «НЛМК», которая позволит реализовать способ снижения динамических нагрузок за счет регулирования напряжения возбуждения СД. Для осуществления реверсирования тока возбуждения существующую структуру системы управления возбуждением необходимо дополнить силовым шкафом на базе тиристорного преобразователя, который позволит осуществлять регулирование напряжения обратной полярности, а для управления тиристорами силового модуля следует провести корректировку параметров блока управления и внести изменения в функциональные блоки контроллера системы для расчета задания.

Предложена система векторного управления электроприводом черновой клети для режима работы СД с минимизацией потерь энергии на холостом ходу, т.к. это позволяет ограничить нагрев двигателя и перераспределить потери между обмотками статора и возбуждения. Рассмотрено построение формирователя задания тока возбуждения для данного режима работы, характеризующегося малыми величинами момента и угла нагрузки. В качестве основы взята система управления СД, представленная на рис. 5.

Уравнение формирования задания тока возбуждения:

Гв = т[1*во +п], (7)

где коэффициенты шип равны:

m(MJB) =

1 +

M,

[(3/2)pnT5f Ч>52

n(MJB) =

(L;d-Ll0)L.

M.

[(3/2)рпЧ/5]2

Для обеспечения режима минимизации потерь энергии во время работы СД на холостом ходу необходимо снизить величину тока возбуждения с помощью уменьшения составляющей задания тока возбуждения 1*в0 с заданным темпом до такого значения, когда угол нагрузки достигнет оптимальной величины (0 ор!) и поддерживать его на данном уровне. Т. е., для синтеза формирователя задания тока возбуждения, в соответствии с формулами (7)-(8), также необходимо знать величину фактического угла нагрузки 9, полученную с помощью датчика положения ротора (ДПР). Кроме того, для определения начала и окончания работы двигателя в режиме холостого хода необходимо иметь сигналы от датчиков наличия металла, расположенных на определенном расстоянии до и после клети. При этом датчик ДНМ2, установленный за клетью, сигнализирует о начале режима холостого хода, а датчик ДНМ1, находящийся перед клетью, -о его завершении. Структурная схема формирователя задания тока возбуждения, обеспечивающего режим работы СД с минимизацией потерь, представлена на рис. 8.

ЗТ1

БО

COMP

<=

&

R

от ДПР|ДНМ2Н

ДНМ1-

\

-І

В01

ß02

ЗТ2 І

п(М*)І

Рис. 8. Структурная схема формирователя задания тока возбуждения: СОМР -компаратор; «&» - логический блок «И»; ЗТ1 и ЗТ2 - задатчики интенсивности; БО - блок ограничения сигнала задания; «х» . блок умножения

Согласно результатам моделирования (см. рис. 9) режим с минимизацией потерь по сравнению с режимом при со8ф=1 дает снижение потерь энергии на 25-60 %. Также происходит перераспределение потерь, а именно резкое умень-

шение потерь в обмотке возбуждения (в 2-3 раза), что позволяет экономить потребляемую электроэнергию.

О 0,1 0,2 0,3

Рис. 9. Зависимости электромагнитных потерь от момента СД: 1 - режим работы при со5ф=1; 2 - режим работы с минимизацией потерь

Для подтверждения эффективности предложенных способов снижения динамических нагрузок в ЭП черновой клети рассчитаны на прочность и выносливость валы редуктора и двигателя по методу допускаемых напряжений в опасном сечении. Определены коэффициенты запаса прочности при условии чистого сдвига и коэффициенты запаса по текучести для способов снижения динамических нагрузок с применением систем регулирования напряжения возбуждения СД и установкой ПЧ, а также без их использования. В итоге запас прочности валов возрастает от 1,5 до 6 раз, тем самым увеличивается долговечность оборудования клети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований была решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке систем регулирования мощного высоковольтного синхронного электропривода черновой клети прокатного стана с подключением обмоток статора и ротора двигателя к управляемым силовым преобразователям. Системы регулирования позволяют осуществлять ограничение динамических нагрузок в элементах кинематической цепи электропривода клети и повысить его энергетические показатели.

Основные результаты, полученные в диссертации, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Определены основные причины возникновения динамических нагрузок в элементах электропривода черновой клети с синхронным двигателем и предложены способы их снижения за счет регулирования параметров приводного двигателя.

2. Разработана компьютерная модель синхронного электропривода черновой клети на основе математического описания трехмассовой электромеханической системы, которая позволяет производить учет электромагнитных свойств явнополюсного синхронного двигателя с демпферной обмоткой и угловых зазоров в узлах соединения деталей. Модель является основой для построения и исследования систем автоматического регулирования ЭП клети.

3. Разработан способ снижения динамических нагрузок, основанный на реверсировании тока возбуждения при работе двигателя на холостом ходу до захвата металла валками клети. Способ позволяет на 52% снизить динамические нагрузки в элементах механической части электропривода черновой клети прокатного стана за счет выбора зазора в кинематической цепи, а также уменьшить в 1,5 раза максимальное значение электромагнитного момента синхронного двигателя при выбранном зазоре.

4. Модернизацию существующей системы управления синхронного электропривода черновой клети для реализации способа снижения динамических нагрузок следует проводить путем установки дополнительного силового тиристорного модуля для питания обмотки возбуждения и проведения корректировки программного обеспечения контроллера системы управления.

5. Произведен синтез системы частотно-токового векторного управления синхронного электропривода черновой клети с возможностью задания модулей вектора тока статора и вектора основного потокосцепления и угла между ними, обеспечивающей плавный пуск двигателя и снижение динамических нагрузок в элементах механической части электропривода до 63% по сравнению с системой нерегулируемого электропривода.

6. Разработана система векторного управления синхронным электроприводом черновой клети, которая позволяет на 25-60% снизить электрические потери при работе двигателя клети на холостом ходу, а также перераспределить их между обмотками статора и ротора.

7. Предложенные технические решения, направленные на снижение динамических нагрузок в главных линиях черновых клетей широкополосных станов горячей прокатки с синхронным электроприводом, повышают запас прочности их элементов от 1,5 до 6 раз, тем самым увеличивая долговечность оборудования клетей.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Математическое моделирование способа снижения динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана // Электротехнические комплексы и системы управления, 2011. №3. С. 21-26.

2. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Математическое моделирование динамических процессов в электроприводе черновой клети прокатного стана // Известия Тульского государственного университета. Серия: Технические науки, 2011. №5. Ч. 3. С. 11-15.

3. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Моделирование статического нагруже-ния черновой клети прокатного стана в стадии захвата // Сборник научных трудов 7-ой международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия». Липецк: ЛГТУ, 2010. Ч. 2. С. 8-14.

4. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Устройство для снижения динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана // Приводная техника, 2011. №2. С. 14-28.

5. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Снижение динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана // Сборник научных трудов XVII международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». Томск: ТПУ, 2011. Т. 1. С. 493-495.

6. Устройство для снижения динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана: пат. на полез, модель № 107425 Рос. Федерация. №20111008087/07; заявл. 02.03.2011; опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22. 2 с.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] был разработан способ снижения динамических нагрузок для электропривода черновой клети прокатного стана; в [2] предложено построение математической модели электромеханической системы электропривода черновой клети; в [3] произведена оценка влияния зазора в приводе черновой клети на величины динамических нагрузок; в работах [4,5,6] предложена схема устройства на базе синхронного двигателя, возбудителя с двухполярным регулируемым напряжением и системой управления.

Подписано в печать 27.04.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,2 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 207.

Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

61 12-5/3737

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Мигунов Дмитрий Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЧЕРНОВЫХ КЛЕТЕЙ СТАНОВ

ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В.Н. Мещеряков

Липецк - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1 АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЧЕРНОВЫХ КЛЕТЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ............................. 9

1.1 Основные характеристики черновых клетей прокатных станов.......... 9

1.2 Анализ главных электроприводов черновых клетей с синхронными

двигателями........................................................................ 15

1.3 Обзор исследований динамических нагрузок в приводных линиях

прокатных станов.................................................................. 27

Выводы..................................................................................... 32

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ЧЕРНОВОЙ КЛЕТИ ПРОКАТНОГО СТАНА................................ 34

2.1 Математическое описание электромеханической системы черновой

клети................................................................................. 34

2.2 Модель явнополюсного синхронного двигателя с демпферной обмот-

кой.................................................................................... 41

2.3 Построение структурной схемы черновой клети с синхронным элек-

троприводом........................................................................ 49

2.4 Разработка модели электромеханической системы черновой клети

№3 прокатного стана 2000 с помощью пакета 8шшНпк 7.1.............. 53

Выводы..................................................................................... 62

3 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ЧЕРНОВОЙ КЛЕТИ ПРОКАТНОГО СТАНА................... 63

3.1 Анализ способов снижения динамических нагрузок в системе син-

хронного электропривода прокатной клети................................. 63

3.2 Управление электроприводом черновой клети на основе регулирова-

ния возбуждения синхронного двигателя.................................... 77

3.3 Система управления электроприводом черновой клети на основе пре-

образователя частоты с автономным инвертором тока..................... 86

3.4 Моделирование векторной системы управления электроприводом

черновой клети с помощью пакета Simulink 7.1............................. 95

Выводы..................................................................................... 104

4 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЧЕРНОВОЙ КЛЕТИ ПРОКАТНОГО СТАНА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ..................................................................... 105

4.1 Устройство для снижения динамических нагрузок электропривода

черновой клети на основе регулирования возбуждения синхронного двигателя............................................................................. 105

4.2 Модернизированная система управления синхронного электроприво-

да черновой клети №3 стана 2000.............................................. 110

4.3 Система векторного управления электроприводом черновой клети для

режима работы с минимизацией потерь энергии............................ 119

4.4 Оценка эффективности использования способов снижения динамиче-

ских нагрузок в элементах привода черновой клети........................ 128

Выводы..................................................................................... 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 135

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................ 137

ПРИЛОЖЕНИЕ А Паспортные данные синхронных двигателей............. 148

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты моделирования переходных процессов...... 152

ПРИЛОЖЕНИЕ В Характеристики преобразователя частоты

MEGADRIVE-LCI.................................................................. 174

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты о внедрении результатов работы..................... 177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется значительной динамической загруженностью электромеханических систем главных приводов черновой группы клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки, приводящей к преждевременному износу и поломкам оборудования. Следствием этого является возрастание количества аварийных простоев станов, эксплуатационных расходов, а также снижение производительности и долговечности механизмов клетей, ухудшение качества прокатываемой полосы.

В основе нерегулируемого электропривода (ЭП) переменного тока черновых клетей используют мощные высоковольтные синхронные двигатели с демпферной обмоткой, так как они обладают рядом преимуществ над асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока. Существующие системы синхронных электроприводов черновых клетей с прямым подключением обмотки статора к питающей сети и типовыми автоматическими системами управления возбуждением не позволяют осуществлять ограничение возникающих в процессе прокатки металла динамических нагрузок, обусловленных жесткой механической характеристикой синхронного двигателя. Однако в настоящее время происходит стремительное развитие высоковольтной полупроводниковой техники, поэтому актуальным является переход к регулируемым системам управления мощным синхронным двигателем черновой клети на основе преобразователя частоты. Несмотря на то, что синтезу оптимальных систем векторного частотного управления посвящено большое количество работ, они характеризуются сложными алгоритмами расчета переменных, зависящих друг от друга. Использование математической модели синхронного двигателя, учитывающей нелинейность магнитной цепи, дает возможность уточнить алгоритм работы системы векторного управления, позволяющей улучшить динамические и энергетические характеристики электропривода черновой клети.

Ввиду высокой стоимости данного класса преобразователей частоты, их широкое применение ограничено, и актуальной задачей остается исследование и совершенствование существующих систем регулирования возбуждения синхронного двигателя прокатной клети, которые позволят снижать динамические нагрузки в электромеханической системе привода клети.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».

Цель работы - совершенствование системы регулирования синхронного электропривода путем разработки новых схемных решений, позволяющих управлять скоростью и моментом двигателя для снижения динамических нагрузок в электромеханической системе черновой клети стана горячей прокатки.

Идея работы заключается в разработке системы синхронного электропривода с прямым подключением обмотки статора к питающей сети, а обмотки возбуждения к двухполярному возбудителю, и системы на основе преобразователя частоты, обеспечивающих автоматическое регулирование тока возбуждения при резком изменении нагрузки на валу двигателя в циклическом режиме процесса прокатки металла.

Задачи работы:

- анализ динамических свойств синхронного электропривода черновой прокатной клети;

- построение математической модели, описывающей динамические процессы привода черновой клети с синхронным двигателем;

- разработка системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя, позволяющей снизить динамические нагрузки в элементах привода в момент захвата металла валками клети;

- синтез системы частотного векторного управления синхронным электроприводом прокатной клети с улучшенными динамическими характеристиками;

- разработка энергосберегающей векторной системы управления синхронным электроприводом черновой клети, адаптированной к изменению нагрузки на валу двигателя в широком диапазоне;

-оценка эффективности использования систем регулирования мощного высоковольтного синхронного электропривода черновой клети.

Методы исследования:

При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования и экспериментального подтверждения. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ 8шш1тк.

Научная новизна:

- разработано устройство, позволяющее снизить динамические нагрузки в электромеханической системе привода черновой клети во время захвата металла валками, отличающееся от известных алгоритмом работы, который заключается в реверсе тока возбуждения синхронного двигателя за счет изменения величины и полярности напряжения возбуждения, увеличении угла нагрузки, закрытии зазора в кинематической цепи, увеличении электромагнитного момента, с последующей кратковременной форсировкой напряжения возбуждения;

- предложена система векторного частотного управления синхронным электроприводом прокатной клети, отличающаяся способностью управлять величиной зазора в кинематической цепи за счет регулирования частоты вращения синхронного двигателя;

- разработан способ повышения энергетических показателей частотного синхронного электропривода с векторной системой управления, основанный на адаптации параметров регулятора тока возбуждения системы управления к величине нагрузки на валу двигателя.

Практическая значимость:

- разработанное устройство регулирования возбуждения ограничивает динамические нагрузки в элементах кинематической цепи привода клети;

- предложенный адаптивный регулятор тока возбуждения для системы частотного синхронного ЭП снижает уровень потребления электроэнергии.

Достоверность результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных зависимостей и синтезированных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчетов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК), а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода.

На защиту выносится:

- результаты исследования динамических свойств синхронного электропривода прокатной клети;

- математическая модель трехмассовой электромеханической системы привода черновой клети с синхронным двигателем;

- устройство регулирования напряжения возбуждения синхронного двигателя, снижающее величину динамических нагрузок прокатной клети;

- система частотного векторного управления синхронным электроприводом черновой клети прокатного стана.

Реализация результатов работы. Полученные во время исследований результаты используются при проведении перспективных разработок в У АСУТП ЦАТП ОАО «НЛМК» и внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 7-ой международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк 2010); на XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименования, и 4 приложений. Общий объем работы - 179 страниц. Основная часть изложена на 147 страницах текста, содержит 59 рисунков, 6 таблиц.

1 АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЧЕРНОВЫХ КЛЕТЕЙ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

1.1 Основные характеристики черновых клетей прокатных станов

Черновые клети, совместно с их механизмами и деталями, относятся к основному оборудованию непрерывного широкополосного стана горячей прокатки (НШСГП), которое непосредственно связано с пластическим деформированием металла. В черновых клетях осуществляют начальную стадию прокатки слябов, расположенные последовательно одна за другой, они образуют черновую группу.

Черновая группа непрерывного стана горячей прокатки, как правило, включает в себя вертикальный окалиноломатель (эджер) и от 3 до 6 горизонтальных клетей. Для обеспечения ровных кромок полосы и точных размеров применяют универсальные клети, в которых одновременно с четырехвалковой горизонтальной клетью устанавливают вертикальную, расположенную по ходу прокатки перед горизонтальными валками. Вертикальная клеть по своей конструкции аналогична вертикальному окалиноломателю, за исключением узла станин, который крепится к станинам горизонтальной клети. В качестве рабочих клетей широкополосных станов для производства листов и полос толщиной от 1,45 до 25 мм используют универсальные клети, содержащие два или четыре горизонтальных валка (дуо и кварто), длина бочки которых, как правило, равна

от 1700 до 2500 мм [1].

Для сокращения длины черновой группы и улучшения температурного режима прокатки, на некоторых станах последние клети группы устанавливают на расстоянии 10-И 2 м, т.е. прокатка металла производится одновременно в двух клетях. Установка двух спаренных клетей образует отдельную непрерывную черновую подгруппу. Первая клеть этой непрерывной подгруппы обычно имеет привод от электродвигателя постоянного тока, а вторая - от электродвигателя переменного тока [2].

Например, на стане 2000 ОАО «Северсталь» установлены строенные черновые универсальные клети №3, 4, 5, образующие непрерывную черновую подгруппу, привод горизонтальных валков осуществляется от двигателей постоянного тока и предусмотрено управление скоростным режимом прокатки, что обеспечивает регулирование скорости и в случае необходимости разгон клетей с металлом в процессе прокатки.

На непрерывном стане 2000 ОАО «НЛМК», как и на большинстве других НШСГП, расстояние между клетями черновой группы таково, что металл свободно прокатывается в каждой клети и поступает в последующую клеть тогда, когда он вышел из валков предыдущей клети [3]. Программа прокатки в клетях черновой группы данного стана построена так, чтобы величины относительных обжатий в клетях практически оставались постоянными при прокатке различного сортамента. Таким образом, соотношение скоростей между клетями черновой группы остается неизменным, что позволяет для привода клетей применять нерегулируемые тихоходные синхронные двигатели (СД), а редукторы черновых клетей выполнять одноступенчатыми. Проектные данные, характеризующие горизонтальные черновые клети и двигатели главных приводов станов 2000 ОАО «НЛМК» и ОАО «Северсталь», приведены в табл. 1.1.

Кроме синхронных и электродвигателей постоянного тока мощностью 5+-12 МВт и более, в настоящее время для привода рабочих валков черновых клетей применяют многодвигательные схемы с высоковольтными синхронными двигателями меньшей мощности с возможностью частотного регулирования. В результате реконструкции черновой клети №1 стана 2000 ОАО «НЛМК» были установлены четыре синхронных двигателя мощность 2500 кВт (по два двигателя на каждый рабочий валок), что увеличило суммарную мощность привода клети с 5 до 10 МВт, а также повысило надежность его работы. Кроме того, использование непосредственных преобразователей частоты (НПЧ) фирмы «АГАТОМ» позволило регулировать скорость прокатки в диапазоне от 1 до 2 м/с, осуществлять реверсивный режим прокатки в несколько проходов.

Таблица 1.1.

Характеристики черновых клетей станов 2000 ОАО «НЛМК» и ОАО «Северсталь»*

Номер клети Тип горизонтальной клети Скорость прокатки, м/с Диаметр валков, мм Характеристики электродвигателя

опорный рабочий тип мощность, кВт скорость вращения, об/мин кол-во

1 ДУО 1,25 - 1200 СДСЗ-490-15/60 5000 100 1 1

0,2 1400 СДСЗ-19 -59/16 5000 375

2 кварто 1,54 1,5 1600 1200 1180 СДСЗ-490-15/60 СДСЗ-19-59/16 5000 5000 100 375 1 1

3 кварто 2 1600 1200 СДСЗ-490-18/40 10000 150 1 2

0,9 ч-2 1180 МПС7000-115У4 6300/5200 115/240/280

4 кварто 2,5 1600 1200 СДСЗ-490-18/40 10000 150 1 2

1-3,5 1180 МПС7000 -115У 4 6300/5200 115/240/280

5 кварто 3,2 1600 1200 СДСЗ-490-18/40 2МП12600 - 50У4 10000 150 1 1

2-5 1180 2x6000/2x5500 50/100/140

*в числителе - характеристики клетей стана 2000 ОАО «НЛМК», знаменателе - стана 2000 ОАО «Северсталь».

Электродвигатели черновых клетей осуществляют привод рабочих валков через промежуточные передаточные механизмы и устройства, которые составляют рабочую линию клети. Передаточными механизмами в черновых клетях №1-4 стана 2000 ОАО «Северсталь» и клетях №К5 стана ОАО «НЛМК» являются редуктор, шестеренная клеть и шпиндели, в клети №5 стана ОАО «Северсталь» использован безредукторный привод через главный шпиндель, шестеренную клеть и шпиндели. В линии привода рабочих валков для соединения электродвигателя с редуктором применяют моторную муфту, а для редуктора с шестеренной клетью - коренную муфту. Главный шпиндель, используемый в безредукторном приводе д