автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование систем управления взаимосвязанными электроприводами входного участка агрегата непрерывного горячего цинкования

На правах рукописи

ЮДИН Андрей Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ВХОДНОГО УЧАСТКА АГРЕГАТА НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент КОРНИЛОВ Геннадий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ОСИПОВ Олег Иванович

кандидат технических наук, доцент ТОЛМАЧЁВ Геннадий Гаврилович

Ведущее предприятие:

ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы», г. Екатеринбург

Защита состоится 21 декабря 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета K212.ll 1.02 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 ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, Диссертационный совет К 212.111.02.

Автореферат разослан /У ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оцинкованный стальной лист является в настоящее время одним из наиболее востребованных конструкционных материалов. В структуре мирового потребления металлопродукции доля оцинкованного проката составляет 8-9%, в России - около 6%. В странах Восточной Европы его потребление за последнее десятилетие выросло вдвое, тот же рост в России произошел менее чем за 5 лет.

Существенным шагом на пути удовлетворения потребностей отечественного рынка оцинкованного проката явился ввод в строй агрегата непрерывного горячего цинкования (АНГЦ) на Магнитогорском металлургическом комбинате (ОАО «ММК»). Агрегат был построен при участии компании Danieli и введен в эксплуатацию в июне 2002 г. Проектная мощность составляет 500 тыс. т/год, выпускаемой продукцией является оцинкованный металлопрокат разнообразного назначения толщиной 0,4 - 2,0 мм и шириной 1000 - 1650 мм. Наиболее дорогостоящей продукцией является холоднокатаный оцинкованный лист марки IF006 для весьма особосложной вытяжки, используемый в автомобильной промышленности, к которому предъявляются наиболее жесткие требования к качеству поверхности.

В процессе эксплуатации АНГЦ выявлен ряд участков линии, где была зафиксирована нестабильная работа электроприводов, отрицательно сказывающаяся на ходе технологического процесса. Одним из них является входной участок, включающий натяжную станцию Kala, входной накопитель полосы, секцию очистки и натяжную станцию №2. Выявлен ряд факторов, которые не позволяют обеспечить запланированный объем выпуска автолиста высокого качества. К ним относятся:

1. Вибрация и изгиб полосы в поперечной плоскости по типу «короб», что вызывает ее неравномерный нагрев в печи и, как следствие, неравномерное нанесение цинкового покрытия и появление «меток» на полосе.

2. Несогласованность скоростных режимов отдельных участков технологической линии, что приводит к снижению скорости обработки автолиста до 60 м/мин, в то время как скорость обработки листа рядового сортамента около 180 м/мин.

Основной причиной названных неблагоприятных факторов является несовершенство алгоритмов и систем автоматического управления технологическими параметрами входной зоны АНГЦ.

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости технологического процесса и увеличение производительности агрегата непрерывного горячего цинкования за счет стабилизации натяжения путем совершенствования алгоритмов и систем управления электроприводами входного участка.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Анализа режимов работы электроприводов входного участка АНГЦ с целью обоснования уточненных требований к электроприводу накопителя и определения наиболее ответственных динамических режимов.

2. Разработки математической модели электроприводов входного участка, с учетом взаимосвязи их через полосу. Исследования частотных свойств взаимосвязанных электромеханических систем методами математического моделирования.

3. Разработки способа повышения демпфирования колебаний натяжения полосы и усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя.

4. Исследования частотных свойств и динамических характеристик электропривода накопителя в составе разработанной системы.

5. Промышленного внедрения разработанной системы управления на агрегате непрерывного горячего цинкования. Проведения экспериментальных исследований, оценки экономической эффективности.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода, векторного управления электроприводами переменного тока, применении аппарата логарифмических амплитудно-частотных характеристик, теории многосвязных систем. При моделировании использовался программный пакет MATLAB 7.2, а также входящий в его состав пакет визуального программирования SIMULINK с встроенным анализатором линейных динамических систем Linear Analysis. Экспериментальные исследования проводились на действующем агрегате путем осциллографирования параметров электроприводов с последующей обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту;

1. Результаты экспериментальных исследований электромеханических систем входного участка АНГЦ, показавшие колебательный характер изменения натяжения с амплитудой, превышающей 100% для первой натяжной станции и 50% - для второй, при допустимых отклонениях в динамических режимах, составляющих ±15% заданного натяжения.

2. Математическая модель взаимосвязанных электроприводов входного участка АНГЦ, включающая модель механизма накопителя как эквивалентной трехмассовой системы, построенной с учетом влияния диссипативных сил в упругих элементах, а также модели систем управления электроприводами натяжных станций и накопителя.

3. Теоретически и экспериментально обоснованный вывод о существенном влиянии на качество регулирования натяжения упругих свойства каната барабана и механической инерции приводного двигателя накопителя и незначительном влиянии эквивалентной массы противовеса, а также упругих свойств полосы и суммарной массы подвижной рамы накопителя.

4. Способ и система управления электроприводом накопителя, обеспечивающие демпфирование колебаний натяжения полосы путем воздействия на момент электродвигателя в функции рассогласования между заданной и фактической угловой скоростью электродвигателя накопителя.

5. Результаты анализа переходных характеристик в усовершенствованной системе при управляющем и возмущающих воздействиях, подтвердившие апериодический характер изменения натяжения со временем регулирования в 7,5 раз меньшем, чем в традиционной системе, при максимальном динамическом отклонении, не превышающем 1% от установившегося значения.

6. Результаты экспериментальных исследований разработанной системы управления электроприводом накопителя, подтвердившие реальное снижение колебаний скорости натяжной станции №2 с 2% до 0,2%, уменьшение колебаний скорости печного ролика №1 с 5% до 1%, что подтверждает стабилизацию натяжения полосы в печи.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, адекватностью результатов математического моделирования экспериментальным данным, результатами практической реализации и экспериментальных исследований разработанной системы управления электроприводом накопителя в промышленных условиях на агрегате непрерывного горячего цинкования ОАО «ММК».

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Обосновано представление механической части накопителя полосы как эквивалентной трехмассовой системы, первую массу которой образуют приводной двигатель, редуктор и намоточный барабан, вторую — подвижная платформа, четыре группы роликов системы полиспаста, третья масса образована эквивалентной массой противовесов.

2. Разработана математическая модель входного участка АНГЦ, учитывающая упругие взаимосвязи электроприводов натяжных станций №1а и №2 и электропривода входного накопителя через обрабатываемую полосу, влияние сил внутреннего вязкого трения в упругих элементах, а также структуру и свойства систем управления электроприводами.

3. Доказано, что геометрические размеры и упругие свойства полосы и каната противовеса, эквивалентные массы подвижной рамы накопителя и противовеса, параметры электроприводов натяжных станций не оказывают влияния на показатели переходных процессов и соответственно на качество регулирования натяжения.

4. Установлено, что основной задачей при разработке усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя является ограничение амплитуды низкочастотных колебаний в диапазоне частот 1,5-2 рад/с, причиной возникновения которых являются упругие свойства каната барабана и механическая инерция приводного двигателя накопителя.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований доказано, что введение корректирующей обратной связи по угловой скорости

приводного двигателя накопителя обеспечивает ликвидацию резонансного максимума в низкочастотной области ЛАЧХ и тем самым практически устраняет влияние упругости каната барабана и инерционности приводного двигателя на натяжение полосы.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в результате проведенных исследований

1. Разработана система управления электроприводом накопителя с внешним контуром регулирования момента, реализующая предложенный способ демпфирования колебаний натяжения путем введения на вход регулятора момента корректирующей обратной связи, сигнал которой пропорционален рассогласованию действительной и заданной угловых скоростей электродвигателя накопителя.

2. Разработанная система управления внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию на агрегате непрерывного горячего цинкования ОАО «ММК». Подтверждено, что ее применение в электроприводах барабана входного накопителя и печных роликов обеспечивает стабилизацию натяжения полосы в печи и увеличение производительности стана за счет повышения скорости обработки полосы.

3. Основным итогом внедрения результатов работы явилось реальное повышение скорости обработки особонизкоуглеродистой стали марки № 006 с 60 м/мин до 85 м/мин. Увеличение производительности агрегата при обработке обычных марок стали составляет 2660 т. Расчетный экономический эффект в денежном выражении превышает 3,3 млн. руб./год.

4. Полученные результаты рекомендуются для практического внедрения в системах управления электроприводами непрерывных технологических линий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (г. Магнитогорск, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004" (г. Липецк, 2004 г.); межрегиональной научной конференции "Наука и производство Урала" (г. Новотроицк: НФ МИСиС, 2005 г.); 62-й и 63-й научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ (г. Магнитогорск, МГТУ, 2003, 2004 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 печатных трудах, в том числе 1 в рецензируемом издании, имеется 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем; работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 78 наименований. Работа изложена на 194 страницах основного текста, содержит 66 рисунков, 9 таблиц и приложения объемом 12 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены технологическая схема, состав оборудования и основные технологические операции АНГЦ при производстве горячего оцинкованного (ГЦ) проката. На агрегате установлено более 150 электроприводов с асинхронными двигателями мощностью от 5 до 480 кВт. Питание двигателей осуществляется от индивидуальных преобразователей Simovert Master Drive. Система управления выполнена на базе технологического контроллера Simatic S7-400.

Линия агрегата по характеру скоростей движения полосы разделена на три зоны: входную, технологическую и выходную. Основной является технологическая зона, в которой происходит нанесение покрытия. Скорость полосы в данной зоне неизменна на протяжении всего процесса цинкования. Непрерывность процесса обеспечена за счет применения специальных петлевых устройств - накопителей полосы, расположенных в начале и в конце технологической зоны. Входная и выходная зоны являются вспомогательными. Скорость полосы в них изменяется в зависимости от хода технологического процесса.

Входной накопитель предназначен для создания необходимого запаса полосы при остановке входной секции на период сварки концов рулонов. Основной его частью является подвижная рама с десятью роликами, которая при перемещении изменяет запас полосы. Для уменьшения нагрузок на привод барабана вес подвижной рамы с роликами частично уравновешен противовесами.

Функциональная схема систем управления взаимосвязанными электроприводами входной зоны АНГЦ представлена на рис. 1. Электроприводы натяжных станций №1а и №2 являются ведущими во входной зоне и на участке между входным накопителем и печной секцией. Системы управления этих приводов осуществляют поддержание скорости. Системы управления электроприводами входного накопителя и роликов секции очистки построены по принципу регулирования момента в соответствии с заданием на суммарный момент М3£, который включает в себя статическую составляющую,

пропорциональную натяжению, силам трения и весу рамы накопителя, и динамическую составляющую, пропорциональную ускорению привода. При этом регулирование момента производится за счет изменения уставки блока ограничения регулятора скорости.

К электроприводу накопителя предъявляются жесткие требования в отношении поддержания натяжения: погрешность регулирования в установившемся режиме не должна превышать ±10%, в динамических режимах - ±15% заданного значения. Однако, как показали исследования, при изменении

Печная секция

г iMmtpaiipModav яходной жмы

Условные обозначения:

1 - натяжная станция № I а (ролик 2 - speed master)

2 - входной накопитель полосы

3 - бак химической очистки полосы

4 - бак электролитической очистки полосы

5 - бак промывки полосы

6 - натяжная станция №2 (ролик 2 • speed master)

7 - подвижный ролик

М - приводной двигатель механизма Р - редуктор

ЛИН - автономный инвертор напряжения

СЛРС - система автоматического регулирования скорости САРМ - система автоматического регулирования момента

Рис. 1. Функциональная схема электроприводов входного участка

20 40 60 80 100

Электропривод ведущего ропака натяжной станции Nal а

скорости перемещения подвижной рамы погрешность отличается практически на порядок. Помимо этого при обработке полос определенного сортамента с большим натяжением были зафиксированы аварийные ситуации обрыва канатов барабана и полосы.

Для исследования причин нестабильной работы электромеханических систем входного участка было проведено осциллографирование основных координат электроприводов ведущих роликов натяжных станций №1а и №2 и электропривода накопителя в режиме выбора запаса полосы. Результаты представлены на рис. 2. Осциллографирование главного технологического параметра - натяжения, не представлялось возможным в связи с отсутствием необходимых датчиков.

Электропривод входного накопителя полосы ^^ ОСЦИЛЛОГраММ %50|-:-:-:-:- ВИДНО, ЧТО При ИЗМвНе-

нии скорости перемещения подвижной рамы наблюдаются колебания электромагнит-с ного момента натяжных станций с амплитудой более 100% для первой натяжной станции и более 50% для второй.

Предположительно сделано заключение

% №0(-г-—-:-:- о ТОМ, ЧТО ГфИЧИНОЙ

колебаний скорости и натяжения являются упругие элементы накопителя - канаты

"о 20 4« б<> 8о ню с барабана и противове-Рис. 2. са, а также упругие

свойства полосы, связывающей накопитель с соседними механизмами. Для обоснования причин возникновения колебаний поставлена задача разработки математической модели накопителя и исследования частотных свойств методами математического моделирования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели механизма накопителя полосы как многомассовой системы, учитывающей упругие взаимосвязи, образованные системой канатов, соединяющих намоточный барабан и противовесы с подвижной рамой.

Исходная расчетная схема механической части накопителя с учетом упругих элементов представлена на рис. 3. Произведено упрощение схемы пу-

20 40 60 80 1(Ю

Электропривод ведущего ролика натяжной станции №2

- 2048об / мин М^ш356Н-м \ ¡

тем ее приведения к эквивалентной трехмассовой системе. Первую массу образуют приводной двигатель 1, редуктор 2 и намоточный барабан 3, вторую - подвижная платформа с десятью роликами 6, четыре группы роликов полиспаста 9, и два ролика противовеса 10. Третья масса образована эквивалентной массой двух противовесов 7.

в

1.2

4

6ар2 pont

с'п

poní

Прот 1

Прот2

Рис. 3.

Выполнен расчет моментов инерции механизмов накопителя, основанный на анализе их конструкции и известных данных о геометрических размерах. Момент инерции для второй массы определяется как сумма момента инерции подвижной рамы с максимальным запасом полосы, моментов инерции десяти опорных роликов, расположенных на раме, моментов инерции двенадцати роликов, входящих в группу полиспаста, и моментов инерции двух роликов противовеса. Момент инерции третьей массы представляет собой сумму моментов инерции двух противовесов, приведенных к валу двигателя.

Выполнен расчет абсолютных и приведенных коэффициентов жесткости основных упругих элементов: канатов, соединяющих барабан с подвижной рамой, и канатов, связывающих подвижную раму и противовесы. В результате выделена существенная упругая связь отдельных узлов исследуемой взаимосвязанной системы.

Выполнен расчет моментов статических сопротивлений, обусловленных силами трения в передаче от двигателя к барабану, а также силами тяжести перемещающейся платформы с полосой и противовесов, являющимися возмущающими воздействиями. В результате получена структурная схема трехмассовой механической системы.

В данной структурной схеме все координаты имеют абсолютные (неприведенные) значения, такие как: усилия в канатах барабана и противовеса, угловая скорость вращения приводного двигателя накопителя, линейная скорость перемещения подвижной рамы накопителя и противовеса. При этом в обратные связи введены коэффициенты приведения, связывающие координаты с различной размерностью. Такое представление обеспечит дальнейшую разработку математической модели взаимосвязанных электроприводов

входного участка без приведения координат, а также наглядное представление результатов моделирования в абсолютных физических единицах.

Третья глава посвящена разработке математической модели электромеханической системы «натяжная станция №1а - входной накопитель полосы - натяжная станция №2» и исследованию частотных свойств электроприводов входного участка. Механическая часть накопителя представлена моделью трехмассовой системы в абсолютных координатах.

Составлена система уравнений (1), связывающих основные параметры электроприводов и упругих элементов, а именно: натяжение полосы Тми, натяжения в канате барабана и противовеса Тк1 и Тк2, скорости натяжных станций и рамы накопителя У11с1а, Упс2 и У/Юиы, моменты натяжных станций и накопителя Л/г)Л нс1о,

»с2 и ^ов.пак» эквивалентные коэффициенты жесткости канатов и полосы ск1зкв, скгжн и . При этом были использованы закон Гука и основное уравнение движения электропривода.

В соответствии с выражениями (1) составлена структурная схема механической части системы взаимосвязанных электроприводов, представленная на рис. 4.

ТМ = {Умс1(Р) - УШв(Р) + • У^М)-^

(1)

Р

У^Лр) = = {мммМ - м^м)-.—^—

'рсЧ 1 1реаг ■•'£(<с1аР КМ = «,(/» •— = (м«жг(р) - м^мУг—^-

У^ЛР) = (ТАР)-С. - тк1(р) - ™ • ---—

трамыгР

В реальных механических системах присутствуют диссипативные силы, которые оказывают демпфирующие воздействия на механические колебания. В рассматриваемой системе диссипативными силами являются силы внутреннего вязкого трения, присутствующие в упругих элементах и пропорциональные скорости их деформации.

Модель входного участка включает в себя модели систем управления электроприводами накопителя и натяжных станций. Для электроприводов натяжных станций реализована система регулирования скорости (САРС) с пропорционально-интегральным регулятором скорости. Для электропривода входного накопителя полосы - это система регулирования момента (САРМ). Выполнен расчет параметров замкнутых контуров регулирования момента и регуляторов скорости натяжных станций. На основании разработанной математической модели проведено исследование причин появления колебаний ..атяжения полосы в переходных режимах. С этой целью выполнено

Механическая часть натяжной станции М1а Г'

Возмущающее воздействие 1 ПИ-РС1

Возмущающее воздействие 2

ПИ-РС2

-к

Механическая часть натяжной станции М2

ЗКРШ

1 /*_

1

М„

Рис. 4. Структурная схема взаимосвязанных электроприводов входного участка

построение логарифмических частотных характеристик и переходных функций системы по управляющему и возмущающим воздействиям. Построение выполнено с помощью встроенного в пакет Simulink анализатора линейных динамических систем Linear Analysis.

В частотной характеристике по управляющему воздействию, представленной на рис. 5, присутствуют три участка с резонансными максимумами. Их наличие свидетельствует о колебательном характере переходной функции. Поскольку второй и третий максимумы расположены за полосой пропускания системы и значительного влияния на переходную характеристику не оказывают, можно сделать вывод о том, что колебания натяжения возникают из-за наличия резонансного максимума на частоте а>рХ = 1,62 рад/с,

расположенного в области перехода с горизонтального участка характеристики на участок с наклоном -40 дб/дек. Низкая частота указанного резонансного максимума свидетельствует об относительно большом периоде собственных колебаний, величина которого может быть определена как Тсоб«2л/й)р] =3,84 с.

Анализ влияния основных параметров системы на вид частотных характеристик позволил сделать следующие выводы:

1. Резонансный максимум на низкой частоте азрХ -1,62

рад/с обусловлен упругими свойствами каната барабана и механической инерцией приводного двигателя накопителя.

2. Резонансный максимум в области частоты среза обусловлен упругими свойствами каната противовеса и эквивалентной массой противовеса. Ввиду его незначительной амплитуды влиянием третей массы в электромеханической системе накопителя можно пренебречь.

3. Упругие свойства и геометрические размеры полосы, суммарная масса подвижной рамы накопителя и параметры электроприводов натяжных станций практически не оказывают влияния на качество регулирования натяжения. Поэтому основной задачей при разработке усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя является ограничение амплитуды низкочастотных колебаний на частоте 1,62 рад/с.

Рис. 5.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке способа управления электроприводом накопителя, позволяющего обеспечить демпфирование колебаний натяжения на входном участке.

С этой целью в работе выполнено обоснованное упрощение структурной схемы системы взаимосвязанных электроприводов путем исключения контуров, не оказывающих влияния на показатели переходной характеристики. Кроме того, пренебрегают влиянием электроприводов натяжных станций №1а и №2; влиянием упругих свойств каната противовеса; влиянием суммарной массы противовесов; влиянием инерционности замкнутого контура регулирования момента. Также не учитывалось внутреннее демпфирование в упругих элементах каната барабана и полосы.

После преобразований получена структура, представленная двумя по-уг ^ следовательно соеди-

—

»"П-О»

ненными консервативными звеньями (рис. 6), там же приведена эквивалентная передаточная функция системы по задающему воздействию.

Для ликвидации низкочастотного резонансного максимума, показанного на ЛАЧХ, рис. 5, было предложено в замкнутый контур, образующий первое консервативное звено, ввести демпфирующую обратную связь с пропорциональной передаточной функцией, охватывающую один из двух

интеграторов. На практике для реализации данного решения выполнена корректирующая обратная связь по угловой скорости приводного двигателя накопителя, как это показано на рис. 6. Обратная связь с пропорциональным коэффициентом передачи, равным к()ем11 = кКорр • кж, оказывает на первую массу демпфирующее воздействие, аналогично моменту вязкого трения.

В работе получено выражение для расчета коэффициента корректирующей связи (2), обеспечивающей ликвидацию резонансного пика в низкочастотной области ЛАЧХ.

V /2 и 1 'р.

ред

КрС*

■рг+1

- ~Ъар^к\жв у

1-е консервативное звено

Рис. 6.

т

рамы'Е

■Р2+ 1

4 Ы2с„

2-е консервативно» звено

Кор £

К-бар 'К

' Зк\экв ' (*Л)« нак + ^

бар

I.

(2)

ред <к V 41

где £ - желаемый коэффициент демпфирования.

Из сравнения ЛАЧХ, представленных на рис. 8, следует, что за счет введения корректирующей связи по скорости значение характеристики

Ь2(со) на частоте первого резонансного максимума на 4 дБ меньше уровня горизонтального участка. Таким образом, за счет демпфирования низкочастотного резонансного максимума устранено влияние упругости каната барабана и инерционности приводного двигателя накопителя на колебания натяжения полосы. Это подтверждено результатами сравнительного анализа переходных характеристик по управляющему воздействию, также представленными на рис. 8. Видно, что применение корректирующей обратной связи по скорости позволяет получить апериодический переходный процесс со временем регулирования в 7,5 раз меньшем, чем в традиционной системе. При этом максимальное динамическое отклонение натяжения не превышает 1% от установившегося значения.

Однако в представленном виде корректирующая обратная связь по скорости может функционировать лишь при равенстве друг другу сигналов заданий на скорости натяжных станций. При рассогласовании между ними будет присутствовать постоянная составляющая задания на момент двигателя, что приведет к изменению натяжения полосы в накопителе. Для устранения

данного недостатка была разработана схема, представленная на рис. 7.

В этой схеме происходит формирование корректирующего задания на момент М в функции отклонения действительной угловой скорости от заданной. Это воз-с* действие изменяет суммар-

ный сигнал задания в динамических режимах таким образом, чтобы скомпенсировать возникшее изменение скорости приводного двигателя накопителя. При этом основным режимом работы электропривода накопителя является поддержание заданного момента.

В пятой главе разработана полная математическая модель электропривода накопителя, включающая модель системы векторного частотно-токового управления асинхронным двигателем с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора и блок вычисления статической составляющей момента. Выполнено математическое моделирование переходных процессов в известной и усовершенствованной системах, а также моделирование динами-

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ

ПЕРЕХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ 6« корректирующей сим с корректирующей сетью

Рис. 8.

ческих режимов за цикл обработки полосы. По результатам сделан вывод, что усовершенствованная система регулирования обеспечивает оптимальные переходные процессы натяжения во всех режимах. Отклонения натяжения на всех участках тахограммы не превышают 5% установившегося значения.

Далее представлены результаты промышленного внедрения разработанной системы в электроприводах входного участка АНГЦ. В ходе внедрения реализованы следующие мероприятия:

1. Электропривод второго ролика натяжной станции №2 выполнен замкнутым по скорости.

2. Электропривод барабана входного накопителя выполнен моментным с корректирующей обратной связью по скорости. Это позволяет демпфировать колебания скорости накопителя, стабилизировать натяжение полосы и в результате повысить скорость обработки.

3. Системы управления электроприводов печных роликов выполняются аналогично электроприводу накопителя.

В ходе экспериментов, проведенных на агрегате, осциллографировались изменения скорости и момента электроприводов входного накопителя, натяжной станции №2 и печного ролика №1 в усовершенствованной и исходной системах регулирования. Результаты представлены на рис. 9

Рис. 9.

Из сравнения осциллограмм виден положительный эффект перевода входного накопителя полосы в режим поддержания момента с коррекцией по скорости, а также перевода натяжной станции №2 в скоростной режим, заключающийся в полном устранении колебаний натяжения полосы на участке «натяжная станция №1а - входной накопитель полосы — натяжная станция №2 - печь». Это достигается компенсацией влияния упругостей канатов барабана входного накопителя полосы за счет коррекции сигнала задания на суммарный момент накопителя в функции разности скоростей натяжных станций №1а и №2, а также активным изменением момента натяжной станции и уменьшением колебаний по скорости с 2% до 0,2% . Колебания скорости печного ролика №1 при этом снизились с 5% до 1%, что косвенно указывает на стабилизацию натяжения полосы в печи. В целом, внедрение разработанных мероприятий позволило стабилизировать натяжение полосы в печи и увеличить скорости обработки, что явилось конечной целью диссертационной работы.

Далее в главе выполнена оценка технико-экономических показателей внедрения. Основным итогом внедренных мероприятий явилось реальное повышение скорости обработки особонизкоуглеродистой стали марки 006 с 60 м/мин до 85 м/мин. Результаты расчета производительности с учетом

фактической обработки стали марки ТСООб на АНГЦ с ноября 2005 г. по сентябрь 2006 г. приведены в таблице.

Увеличение производительности агрегата определяется сокращением времени обработки стали марки №006 в том же объёме за счёт повышения скорости ее обработки и увеличением на 2,6 тыс. т производства обычных марок стали. Экономический эффект от внедрения 3,3 млн. руб./год. Следует заметить, что в приведенных расчетах не учтен экономический эффект от снижения брака.

Таблица

Объем фактической продукции стали №006, т Время обработки стали №006 при различных скоростях, ч

V = 60 м/мин V = 85 м/мин

5094,28 151,74 107,13

Представленные результаты подтверждены соответствующим актом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. К взаимосвязанным электроприводам входного участка АНГЦ предъявляются жесткие требования в отношении поддержания натяжения: погрешность регулирования в установившемся режиме не должна превышать ±10%, в динамических режимах -±15% заданного натяжения.

2. Реализованный в настоящее время способ регулирования электромагнитного момента приводного двигателя входного накопителя по заданию на суммарный момент не обеспечивает требуемой точности регулирования натяжения в динамических режимах. Отклонения натяжения имеют слабозатухающий периодический характер и составляют 50-100%.

3. Разработана математическая модель электромеханической системы накопителя полосы как трехмассовой системы, учитывающая упругую связь, образованную канатами, соединяющими приводной двигатель подвижную платформу и противовесы. Модель представлена в виде структурной схемы в абсолютных координатах с использованием коэффициентов приведения в обратных связях.

4. Разработана математическая модель входного участка АНГЦ, объединяющая взаимосвязанные электромеханические системы натяжных станций №1 и №2 и электропривод накопителя. В модели учтены силы внутреннего вязкого трения, присутствующие в упругих элементах, пропорциональные скорости их деформации.

5. Анализ логарифмических частотных характеристик электромеханических систем входного участка показал, что колебания натяжения при изменениях управляющего и возмущающих воздействий обусловлены упругими свойствами каната барабана и механической инерцией приводного двигателя накопителя. Влияние эквивалентной массы противовеса, а также упругих свойств полосы и суммарной массы подвижной рамы накопителя пренебрежимо мало.

6. Разработана усовершенствованная система управления электроприводами накопителя с внешним контуром регулирования момента и корректирующей обратной связью по угловой скорости двигателя, обеспечивающая полное демпфирование низкочастотного резонансного максимума.

7. Анализ переходных характеристик показал, что применение корректирующей обратной связи по угловой скорости двигателя обеспечивает переходный процесс апериодического характера со временем регулирования в 7,5 раз меньшем, чем в традиционной системе при максимальном динамическом отклонении натяжения, не превышающем 1% установившегося значения. Это позволяет исключить недопустимые усилия в канатах накопителя и в полосе, а также повысить устойчивость работы электроприводов входного участка.

8. Результаты моделирования основных технологических режимов за цикл обработки полосы показали, что усовершенствованная система регулирования обеспечивает приемлемые переходные процессы натяжения во всех режимах. Отклонения натяжения на всех участках тахограммы не превышают 5% установившегося значения.

9. Разработанная система управления реализована в электроприводах входного участка АНГЦ. Результаты экспериментальных исследований подтвердили ее работоспособность и высокую эффективность предложенных технических решений.

10. Результатом внедренных мероприятий явилось реальное повышение скорости обработки особонизкоуглеродистой стали марки IF 006 с 60 м/мин до 85 м/мин. Увеличение производительности агрегата при обработке обычных марок стали составляет 2,6 тыс. т. Экономический эффект превышает 3,3 млн. руб./год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Юдин, А.Ю. Исследование режимов работы взаимосвязанных электроприводов технологической зоны агрегата цинкования [Текст] / Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, A.A. Николаев, А.Ю. Юдин и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2006, № 4. - С. 46-49.

2. Юдин, А.Ю. Исследование многосвязных электроприводов печного участка агрегата непрерывного цинкования [Текст] / Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин, А.Ю. Юдин и др. // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП-2004). Ч. 2. - Магнитогорск, 2004. - С. 154 -156.

3. Патент РФ на полезную модель № 55650, МПК В 21 В 39/00. Устройство управления электроприводом накопителя полосы [Текст] / A.JI. Распопов, В.Ю. Божевалев, А.Ю. Юдин и др. заявитель и патентообладатель ОАО «ММК» - № 2006111724/22; заявл. 10.04.06 ; опубл. 27.08.06, Бюл. № 24. - 3 с.

4. Юдин, А.Ю. Особенности электроприводов агрегата непрерывного горячего цинкования [Текст] / Т.Р. Храмшин, A.A. Николаев, А.Ю. Юдин //

Энергосбережение и энергоэффективные технологии - 2004: Сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. Липецк, 2004. - С. 72-77.

5. Юдин, А.Ю. Математическая модель механической части входного накопителя полосы агрегата непрерывного горячего цинкования ОАО «ММК» [Текст] / A.A. Николаев, Ю.А. Кирпичников, А.Ю. Юдин // Наука и производство Урала: Сб. тр. межрегиональной науч. конф. - Новотроицк: НФ МИСиС, 2005.-С. 178-181

6. Юдин, А.Ю. Сварочная машина фирмы NEWCOR на АНГЦ [Текст] / Ф.Ю. Бойко, А.Ю. Юдин // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002 — 2003 гг.: Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 75-77.

7. Юдин, А.Ю. Режимы натяжений входной секции АНГЦ [Текст] / Е.В. Минеев, P.P. Разяпов, А.Ю. Юдин // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 79-82.

8. Юдин, А.Ю. Анализ работы электропривода накопителя полосы агрегата непрерывного горячего цинкования [Текст] / А.Ю. Юдин //Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 8. -Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 93-101.

9. Юдин, А.Ю. Исследование скоростных режимов работы входного накопителя полосы агрегата непрерывного горячего цинкования ОАО «ММК» [Текст] / Ю.А. Кирпичников, А.Ю. Юдин // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 110-114.

10. Юдин, А.Ю. АСУ АНГЦ: Технические решения и проблемы [Текст] / А.Ю. Юдин // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002 - 2003 гг.: Сб. докл. Т.2. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 143-145.

11. Юдин, А.Ю. Исследование электроприводов печного участка агрегата непрерывного цинкования [Текст] / Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин, А.Ю. Юдин // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 9. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 114-118.

Подписано в печать 15.11.06. Плоская печать. Усл.печл. 1,0.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100 экз.

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

Бумага тип.№ 1. Заказ 790.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ВХОДНОГО УЧАСТКА АГРЕГАТА НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ.

1.1. Технология производства и состав оборудования АНГЦ.

1.2. Назначение и устройство входного накопителя полосы.

1.3. Требования, предъявляемые к электроприводу входного накопителя полосы.

1.4. Тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода накопителя

1.5. Функциональная схема электропривода накопителя.

1.6. Система управления электроприводами входного участка.

1.7. Анализ переходных режимов электроприводов входного участка

1.8. Оценка взаимного влияния координат электроприводов входного участка

1.9. Анализ известных разработок.

1.10. Выводы и постановка задачи исследований.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАКОПИТЕЛЯ ПОЛОСЫ.

2.1. Структурная схема трехмассовой системы.

2.2. Определение моментов инерции трехмассовой системы.

2.2.1. Момент инерции намоточного барабана.

2.2.2. Моменты инерции рамы накопителя и противовесов.

2.3. Определение коэффициентов жесткости упругих элементов.

2.4. Определение моментов статических сопротивлений.

2.5. Структурная схема механической части в абсолютных параметрах . 61 ВЫВОДЫ.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВХОДНОГО УЧАСТКА.

3.1. Разработка математической модели.

3.2. Учет влияния диссипативных сил.

3.3. Модели систем управления.

3.4. Исследование частотных свойств взаимосвязанных электроприводов.

3.4.1. JIA4X по управляющему воздействию.

3.4.2. Частотные свойства при возмущающих воздействиях.

3.5. Оценка влияния параметров электромеханической системы на ее частотные свойства.

ВЫВОДЫ.

4. РАЗРАБОТКА У СОВЕРШЕНСТВ OB АННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НАКОПИТЕЛЯ.

4.1. Условие демпфирования колебаний натяжения полосы.

4.2. Система управления с корректирующей обратной связью.

4.3. Исследование частотных свойств разработанной системы.

4.4. Реализация системы управления с корректирующей обратной связью.

4.4.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования

4.4.2. Формирование задания на момент двигателя накопителя.

4.4.3. Формирование задания на скорость двигателя накопителя. Управление в аварийных режимах.

4.5. Система векторного управления.

ВЫВОДЫ.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Разработка математической модели для исследования рабочих режимов электропривода накопителя.

5.1.1. Блок-схема модели.

5.1.2. Блок формирования управляющих воздействий.

5.1.3. Математическая модель системы векторного управления.

5.2. Расчет регуляторов традиционной и усовершенствованной систем

5.2.1. Передаточные функции регуляторов.

5.2.2. Расчет параметров структурной схемы системы векторного управления.

5.3. Исследование рабочих режимов электропривода входного накопителя.

5.3.1. Режим установки накопителя под натяжение.

5.3.2. Моделирование режимов тахограммы входного участка.

5.4. Внедрение разработанных технических решений на агрегате непрерывного горячего цинкования.

5.4.1. Общие принципы управления электроприводами входного участка

5.4.2. Практическая реализация результатов разработок.

5.5. Результаты экспериментальных исследований.

5.6. Оценка экономического эффекта, полученного от внедрения результатов работы.

ВЫВОДЫ.

Оцинкованный стальной лист - один из наиболее востребованных в мировом хозяйстве конструкционных материалов. Это продукция металлургического производства с высокой добавленной стоимостью. Основным свойством оцинкованной стали, определяющим его промышленное использование является высокая коррозионная стойкость при сохранении всех качеств обычного стального листа без покрытий [1].

На сегодняшний день в мире действует около 550 агрегатов по оцинко-ванию стального листа. В структуре мирового потребления металлопродукции доля оцинкованного проката составляет порядка 8-9%. В развитых странах эта доля выше: в США - 16%, в Европе 10,5%, в Японии - 12%; в развивающихся странах: в Китае - 4%, в России - 6%. Уже первые рыночные изменения в экономике России мгновенно сформировали высокий спрос на кор-розионностойкий оцинкованный лист. За последние 20 лет мировой рынок оцинкованной продукции вырос более чем в 2 раза. В странах Восточной Европы потребление оцинковки выросло вдвое за последнее десятилетие, а в России - менее чем за 5 лет.

Задел отечественного производства был создан Новолипецким металлургическим комбинатом (г. Липецк), получившим японскую линию горячего цинкования Nippon Steel мощностью 390 тыс. т/год в 1982 г. С тех пор ввод производственных мощностей на HJIMK, далее - Северстали и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО«ММК») не прекращался. На конец 2005 года совокупные мощности горячего цинкования стального листа в России достигли 2,9 млн т в год, и планируется их дальнейшее развитие.

К наиболее известным фирмам, осуществляющим поставку оборудования, используемого для горячего цинкования стального листа, следует отнести "Уралмаш" (Россия), "ССМ-Тяжмаш" (Россия), "НКМЗ" (Украина), Voest Alpine (Австрия), Danieli (Италия), SMS Demag (Германия), DUMA (Германия), CMI (Бельгия), Cockeril (Бельгия) [2-7].

Агрегат непрерывного горячего цинкования (АНГЦ) был построен в ОАО «ММК» при участии итальянской компании 'Т)ашеП" и введен в эксплуатацию в июле 2002 года. Проектная мощность агрегата составляет 500 тыс. т оцинкованного металла в год. Это первый в России агрегат цинкования подобной мощности и такого уровня. Выпускаемой продукцией агрегата является оцинкованный металлопрокат толщиной 0,4 - 2,0 мм и шириной 1000 - 1650 мм разнообразного назначения: общего (ОН), для холодного профилирования (ХП), под окраску (ПК), для штамповки (ХШ), для весьма глубокой (ВГ) и весьма особосложной (ВОСВ) вытяжки [8]. Следует отметить, что наиболее ценной выпускаемой продукцией является холоднокатаный оцинкованный лист марки 1Б006 для весьма особосложной вытяжки, используемый в автомобильной промышленности, к которому предъявляются наиболее строгие требования к качеству оцинковки и отсутствию царапин на поверхности листа [9].

Большей частью данные агрегаты представляют собой современные технологические комплексы, в которых интегрированы новейшие средства преобразовательной и вычислительной техники, а также реализована полная автоматизация технологического процесса с многоуровневой структурой.

Освоение проектной мощности АНГЦ прошло в относительно короткие сроки, в результате чего остались нерешенными некоторые вопросы, относящиеся к качеству покрытия, устойчивости и стабильности отдельных узлов и механизмов. Эти проблемы обусловлены как технологией и работой механического оборудования, так и с настройкой электроприводов.

Современный производственный комплекс полностью автоматизирован, в нем совмещается несколько технологических операций: химочистки, термохимической обработки, нанесения покрытия, дрессировки, правки и т.д. [10]. Технологическая линия агрегата по характеру скоростей передвижения полосы разделена на три зоны: входную, технологическую и выходную. Непрерывность процесса цинкования в технологической зоне обеспечена за счет применения специальных петлевых устройств - накопителей полосы, расположенных в начале и в конце технологической зоны [2, 11]. Проект, монтаж и наладка оборудования выполнены итальянским отделением фирмы "Danieli". Всего на агрегате установлено более 150 электроприводов с асинхронными двигателями мощностью от 5 до 480 кВт. Питание двигателей осуществляется от индивидуальных преобразователей Simowert Master Drive, которые выполняются с групповыми вентильными инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и групповым выпрямителем [12,13].

В процессе эксплуатации АНГЦ выявлен ряд участков технологической линии, где была зафиксирована нестабильная работа электроприводов, отрицательно сказывающаяся на ходе технологического процесса обработки полосы и нередко приводящая к аварийным ситуациям, связанным с остановкой агрегата [14-16]. Одним из них является участок линии, включающий натяжную станцию №1а, входной накопитель полосы, секцию очистки и натяжную станцию №2. На данном участке были выявлены значительные колебания натяжения полосы между входным накопителем и натяжными станциями, возникающие при изменении скорости перемещения подвижной рамы накопителя, а также при установке привода накопителя под натяжение. Помимо этого, при обработке определенного типа сортамента с большим значением натяжения полосы в накопителе были зафиксированы аварийные ситуации обрыва тросов барабана и полосы при запуске линии после плановых ремонтных работ.

Колебания от накопителя передаются через стальную полосу на соседние электроприводы: секции химической очистки и натяжной станции №2, и через них попадают в печную секцию, вызывая тем самым колебания натяжения. Прохождение колебаний в печь обусловлены тем, что системы управления электроприводов механизмов, находящихся в технологическом промежутке между накопителем и печной секцией, выполнены по принципу косвенного регулирования натяжения посредством регулирования момента привода (САРМ). При таком построении регулятор скорости в нормальном режиме работы находится в неактивном (насыщенном) состоянии, и как следствие, данные электроприводы не чувствительны к изменениям скорости и пропускают возмущения, передаваемые по полосе от соседних механизмов. Существующая конструкция печи не исключает возможного касания полосы об ее конструктивные элементы, приводящей к появлению царапин на ее поверхности при колебаниях натяжения [17].

В процессе наладочных работ и в течение длительного периода эксплуатации АНГЦ ОАО «ММК» выявлен ряд факторов, которые не позволяют обеспечивать запланированный объем выпуска автолиста высокого качества. К ним относятся:

1. Вибрация и изгиб полосы в поперечной плоскости по типу «короб», что вызывает ее неравномерный нагрев в печи и, как следствие, неравномерное нанесение цинкового покрытия и появление «меток» на полосе.

2. Несогласованность скоростных режимов отдельных участков технологической линии, что приводит к снижению скорости обработки автолиста до 60 м/мин при скорости обработки листа рядового сортамента около 180 м/мин.

3. Неустойчивая работа электроприводов участка нагревательной печи на «ползучей скорости», что повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Основной причиной названных неблагоприятных факторов является несовершенство алгоритмов и систем автоматического управления технологическими параметрами входной зоны накопителя.

Пелыо диссертационной работы является повышение устойчивости технологического процесса и увеличение производительности агрегата непрерывного горячего цинкования за счет стабилизации натяжения путем совершенствования алгоритмов и систем управления электроприводами входного участка.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Анализа режимов электроприводов входного участка АНГЦ с целью обоснования уточненных требований к электроприводу накопителя, учитывающих реальные колебательные режимы натяжения в переходных процессах. Анализа нагрузочной диаграммы и тахограммы электропривода за цикл обработки полосы с целью выявления наиболее ответственных динамических режимов.

2. Разработки математической модели механической части входного накопителя полосы как многомассовой системы и математической модели взаимосвязанных электроприводов входного участка. Исследования частотных свойств взаимосвязанных электромеханических систем методами математического моделирования.

3. Разработки способа повышения демпфирования колебаний натяжения полосы и усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя.

4. Исследования частотных свойств и динамических характеристик электропривода накопителя в составе разработанной системы.

5. Промышленного внедрения разработанной системы управления на агрегате непрерывного горячего цинкования. Проведения экспериментальных исследований, оценки экономической эффективности.

Содержание работы изложено в пяти главах:

В первой главе представлен анализ технологического режима АНГЦ и режимов электромеханических систем входного участка, обоснованы требования к электроприводу входного накопителя. Выполнен анализ динамических режимов на основе построенной тахограммы и осциллограмм электроприводов накопителя и натяжных станций. Дан анализ взаимосвязи координат электромеханических систем входного участка, рассмотрена существующая система управления электроприводами накопителя.

Во второй главе разработана математическая модель механизма накопителя как многомассовой системы, построенная с учетом упругих взаимосвязей, образованных системой тросов, соединяющих намоточный барабан и противовесы с подвижной рамой. Представлен расчет моментов инерции каждой массы, моментов статических сопротивлений, определены коэффициенты жесткости для упругих элементов.

В третьей главе разработана математическая модель взаимосвязанных электроприводов входного участка, учитывающая инерционность масс и влияние упругих элементов: тросов барабана и противовеса. Реализованы модели систем управления скоростью натяжных станций и моментом электропривода накопителя полосы, учтено и математически описано влияние диссипативных сил, обусловленных моментами внутреннего вязкого трения в упругих элементах. Дан анализ логарифмических амплитудно-частотных характеристик исследуемой системы по управляющему и возмущающим воздействиям.

В четвертой главе представлен анализ структурной схемы системы взаимосвязанных электроприводов входного участка, на основании которого предложен способ демпфирования колебаний натяжения полосы. Разработана функциональная схема усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя, выполнены исследования частотных свойств и переходных характеристик.

В пятой главе представлена универсальная модель входного участка АНГЦ, включающая математическое описание системы векторного управления с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора приводного двигателя. Представлены результаты исследований основных технологических режимов за цикл обработки полосы, выполненные на модели, а также результаты внедрения разработанных технических решений. Дана оценка технико-экономической эффективности внедрения.

В заключении сделаны выводы по работе.

В приложении приведены данные механизмов и электрооборудования входного участка АНГЦ, представлены расчет нагрузочной диаграммы электропривода накопителя и акт внедрения результатов работы.

По содержанию диссертационной работы опубликовано 11 научных трудов, в том числе 1 в рецензируемом издании и 1 патент РФ на полезную модель. Полученные результаты докладывались и обсуждались на 5 конференциях и семинарах различного уровня, в том числе - одной Международной и одной Всероссийской.

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель взаимосвязанных электроприводов входного участка, дополненная моделью системы векторного управления с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора приводного двигателя накопителя и системой формирования сигналов задания на электроприводы.

2. Выполнен расчет передаточных функций контуров регулирования составляющих тока статора и скорости, а также корректирующего регулятора скорости для усовершенствованной системы управления. Выполнен расчет коэффициентов структурной схемы системы векторного управления и параметров передаточных функций регуляторов.

3. Выполнено исследование режима установки накопителя под натяжение для электропривода с традиционной и усовершенствованной системами управления. Показано, что наличие дополнительного канала регулирования момента в функции отклонения действительной скорости от заданной позволяет полностью исключить колебания натяжения полосы при изменении задающего воздействия, которые в существующей системе взаимосвязанных электроприводов достигают 46% установившегося значения.

4. Из результатов моделирования основных технологических режимов за цикл обработки полосы следует, что усовершенствованная система регулирования момента с корректирующей обратной связью по скорости обеспечивает приемлемые переходные процессы натяжения во всех режимах. Отклонения натяжения на всех участках тахограммы не превышают 5% установившегося значения.

5. Предложена концепция построения систем управления электроприводами агрегата, согласно которой они подразделяются по принципу «ведущий- ведомые», при этом система управления ведущего электропривода выполняется замкнутой по скорости (в отличие от регулирования натяжения в традиционной системе). Функциями ведомых электроприводов являются поддержание заданного натяжения полосы и демпфирование колебаний натяжения за счет действия корректирующих обратных связей по скорости.

6. В качестве ведущего электропривода входного участка АНГЦ предложено принять электропривод второго ролика натяжной станции №2. Электропривод барабана входного накопителя при этом выполняется моментным с корректирующей обратной связью по скорости. Это позволяет улучшить качество регулирования натяжения на входном участке и в печной секции при отсутствии датчиков натяжения, а также устранить аварийные ситуации обрыва полосы при пуске линии.

7. Разработанная система управления и предложенная концепция построения электроприводов реализованы в электроприводах входного участка АНГЦ. Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность усовершенствованной системы и высокую эффективность предложенных решений.

8. Повышение устойчивости технологического процесса за счет стабилизации натяжения создает предпосылки для увеличения скорости обработки полосы и повышения производительности агрегата в целом.

173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. К взаимосвязанным электроприводам' входного участка АНГЦ предъявляются жесткие требования в отношении поддержания натяжения: погрешность регулирования натяжения в установившемся режиме не должна превышать ±10%, в динамических режимах - ±15% заданного натяжения. В аварийном и тестовом режимах основным требованием является поддержание нулевой либо заданной скорости перемещения подвижной рамы.

2. Реализованный в настоящее время способ регулирования электромагнитного момента приводного двигателя входного накопителя по заданию на суммарный момент не обеспечивает требуемой точности регулирования натяжения в динамических режимах. Отклонения момента имеют слабозатухающий периодический характер и составляют 50-100%.

3. Разработана математическая модель электромеханической системы накопителя полосы как трехмассовой системы, учитывающая упругую связь, образованную тросами, соединяющими приводной двигатель (с редуктором и намоточным барабаном), подвижную платформу и противовесы. Модель представлена в виде структурной схемы в абсолютных координатах с использованием коэффициентов приведения в обратных связях.

4. Разработана математическая модель входного участка АНГЦ, объединяющая взаимосвязанные электромеханические системы натяжных станций №1 и №2 и электропривод накопителя. В модели учтены силы внутреннего вязкого трения, присутствующие в упругих элементах, пропорциональные скорости их деформации.

5. Анализ логарифмических частотных характеристик электромеханических систем входного участка показал, что колебания натяжения при изменениях управляющего и возмущающих воздействий обусловлены резонансным максимумом на низкой частоте сор1 = 1,62 рад/с; резонансные максимумы на более высоких частотах (др1 =12 рад/с и (дрЪ =1950 рад/с, практически не оказывают влияния на переходные характеристики системы.

6. Показано, что низкочастотный резонансный максимум обусловлен упругими свойствами троса барабана и механической инерцией приводного двигателя накопителя. Влияние эквивалентной массы противовеса, а также упругих свойств полосы и суммарной массы подвижной рамы накопителя, определяющих высокочастотные колебания, пренебрежимо мало.

7. Разработана усовершенствованная система управления электроприводами накопителя с внешним контуром регулирования момента и корректирующей обратной связью по угловой скорости двигателя, обеспечивающая полное демпфирование низкочастотного резонансного максимума.

8. Анализ переходных характеристик показал, что применение корректирующей обратной связи по угловой скорости двигателя обеспечивает переходный процесс апериодического характера с временем регулирования в 7,5 раз меньше, чем в традиционной системе при максимальном динамическом отклонении натяжения, не превышающем 1% установившегося значения. Это позволяет исключить недопустимые усилия в тросах накопителя и в полосе, а также повысить устойчивость работы электроприводов входного участка.

9. Результаты моделирования основных технологических режимов за цикл обработки полосы показали, что усовершенствованная система регулирования момента с корректирующей обратной связью по скорости обеспечивает приемлемые переходные процессы натяжения во всех режимах. Отклонения натяжения на всех участках тахограммы не превышают 5% установившегося значения.

10. Разработанная система управления реализована в электроприводах входного участка АНГЦ. Результаты экспериментальных исследований подтвердили ее работоспособность и высокую эффективность предложенных технических решений.

11. Результатом внедренных мероприятий явилось реальное повышение скорости обработки особонизкоуглеродистой стали марки П7 006 с 60 м/мин до 85 м/мин. Увеличение производительности агрегата при обработке обычных марок стали составляет 2658,76 т. Экономический эффект превышает 3,3 млн. руб./год, что подтверждено соответствующим актом.

175

1. Обзор рынка стального оцинкованного листа в России. М.: Research Group 1.fo Mine (Объединение независимых консультантов и экспертов в области минеральных ресурсов, металлургии и химической промышленности): Демонстрационная версия. - М.: 2006. - 10 с.

2. Целиков А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов. Т. 3. М.: Металлургия, 1988. - 538 с.

3. Тонкослябовые литейно-прокатные агрегаты для производства стальных полос / В.М. Салганик, И.Г. Гун, А.С. Карандаев, А.А. Радионов- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 506 с.

4. Патент РФ № 2249059 МПК7 С 23 С 2/40 Установка непрерывного нанесения покрытия на металлическую полосу / А.В. Урмацких, В.Н. Урцев, Д.М. Хабибуллин и др. Заявл. 20.10.2003 № 2003130762/ Опубл. 27.03.2005. Бюл. № 9.

5. Applying Drive Performance Specifications to Systems Applications, Part II -Torque/Current Regulation / Boulter B.T. // Proceedings of the 36th IEEE IAS Conference, Chicago IL, October 2001 (англ.).

6. Tension Control of Webs A Review of the Problems and Solutions in the Present and Future / Wolferman W. // Proceedings of the 3rd IWHC International Web Handling Conference, Tab 15, Oklahoma State University, June 1995 (англ.).

7. Tobiyama Yoichi, Abotani Kazuhiro. Hot-dip galvanized steel sheet with excellent surface quality for automotive outer panels // IFE Technical report. 2004, № 4. s. 55 -60 (англ.).

8. Освоение на MMK агрегата непрерывного горячего цинкования / В.Ф. Рашников, Р.С. Тахаутдинов, Ю.А. Бодяев и др. // Сталь, 2003. № 5. С. 45- 47.

9. Освоение технологии производства на АНГЦ тонколистового проката с железоцинковым покрытием / В.Ф. Рашников, Р.С. Тахаутдинов, А.Ф. Са-рычев и др. // Сталь, 2003. № 4. с. 41- 43.

10. Дунаевский В.И. Новое в холодной прокатке стальных полос на совмещенных прокатных агрегатах // Тяжелое машиностроение, 1993. № 4. С. 25-29.

11. П.Храмшин Т.Р., Николаев A.A., Юдин А.Ю. Особенности электроприводов агрегата непрерывного горячего цинкования // Энергосбережение и энергоэффективные технологии 2004: Сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. Липецк, 2004.-С. 72-77.

12. Simo vert Masterdrives Vector Control от 2,2 до 2300 кВт» Каталог DA 65.10 2001 Эрланген. 2001.

13. Головин В.В., Карандаев A.C. Промышленное внедрение и опыт эксплуатации современных электроприводов в ОАО «ММК» //Регулируемый электропривод. Опыт и перспективы применения: Доклады научно-практического семинара М.: МЭИ, 2006. - С. 9-35.

14. Шиляев П.В., Головин В.В., Косенков A.B. Основные направления модернизации электроприводов технологических агрегатов в ходе реконструкции ОАО «ММК» // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2006. № 2. С. 22 -26.

15. Головин В.В., Лукьянов В.П., Косенков A.B. Опыт внедрения и эксплуатации регулируемых электроприводов переменного тока возбуждения // Изв. вузов. Электромеханика, 2006. № 4. С. 22 - 27.

16. Исследование режимов работы взаимосвязанных электроприводов технологической зоны агрегата цинкования /Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, A.A. Николаев, А.Ю. Юдин и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2006, № 4. -С. 46-49.

17. Производство стального оцинкованного тонколистового проката на агрегате непрерывного горячего цинкования: Технологическая инструкция ВТИ-101-П-ХЛ6-504-02. Магнитогорск: ОАО «ММК», 2002. - 75 с.

18. Бойко Ф.Ю., Юдин А.Ю. Сварочная машина фирмы NEWCOR на АНГЦ // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002 2003 гг.: Сб. докл. Т.2. / Под ред. Г.С. Гуна. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 75-77.

19. Magnitogorsky Hot Dip Galvanizing Line Plant Unit Overview Functional Description Document Nr. 4125ES41A80100 // Danieli Automation. 64 s.

20. Минеев E.B., Разяпов P.P., Юдин А.Ю. Режимы натяжений входной секции АНГЦ // Материалы 63-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003-2004 гг.: Сб. докл. Т.2. Магнитогорск: МГТУ, 2004. - С. 79-82.

21. Юдин А.Ю. Анализ работы электропривода накопителя полосы агрегата непрерывного горячего цинкования //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып.8. Магнитогорск: МГТУ, 2004. -С. 93-101.

22. Кирпичников Ю.А., Николаев А.А. К определению скоростных режимов работы взаимосвязанных электроприводов входной зоны агрегата непрерывного горячего цинкования ОАО «ММК» // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2006. № 2. С. 34 - 37.

23. Юдин А.Ю. АСУ АНГЦ: Технические решения и проблемы // Материалы 62-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2002 2003 гг.: Сб. докл. Т.2. / Под ред. Г.С. Гуна. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 143-145.

24. Иванов Г.М., Левин Г.М., Хуторецкий В.М. Автоматизированный многодвигательный электропривод постоянного тока. М.: Энергия, 1978. -160 с.

25. Дружинин H.H. Непрерывные станы как объект автоматизации. М.: Металлургия, 1975. - 336 с.

26. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов JI.H. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов 2-е изд. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 576 с.

27. Филатов A.C. Электропривод и автоматизация реверсивных станов холодной прокатки. М.: «Металлургия», 1973. 376 с.

28. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.-392 с.

29. Выдрин В.Н., Федосиенко A.C. Автоматизация прокатного производства. М.: Металлургия, 1984. - 472 с.

30. Механическое оборудование цехов холодной прокатки /Под ред. Г.Л.Химича, М.: Машиностроение, 1972. - 536 с.

31. Тиристорные электроприводы прокатных станов / В.М. Перельмутер, Ю.Н. Брауде, Д.Я. Перчик и др. М: Металлургия, 1978. - 152 с.

32. Патент РФ на полезную модель № 55650, МПК7 В21В39, G05B. Устройство управления электроприводом накопителя полосы / A.JI. Распопов, В.Ю. Божевалев, А.Ю. Юдин и др. Заявл. 10.04.2006. Заявка № 2006111724. Зарегистрировано 27.08.2006.

33. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1977. - 392 с.

34. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1998. 704 с.

35. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер A.C., Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 616 с.

36. Основы автоматизированного электропривода / М.Г. Чиликин, ММ. Соколов, В.М. Терехов и др. М.: Энергия, 1979.

37. Справочник металлиста в 3-х томах. Т.1 / Под. ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1965. - 108 с.

38. Справочник конструктора металлических конструкций / В.Т. Васильчен-ко, А.Н. Рутман., Е.П. Лукьяненко и др. Киев: Буд1вельник, 1980. - 288 с.

39. Справочник техника-конструктора. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Я.А. Самохвалов, М.Я.Левицкий, В.Д. Григораш и др. Киев: Техшка, 1978 - 592 с.

40. Повышение точности листового проката / И.М. Меерович, А.И. Герцев, B.C. Горелик и др. М.: Металлургия, 1969. - 264 с.

41. Fox S.J., Lilley D.G. Computer Simulation of Web Dynamics // Proceedings of the 1st IWHC International Web Handling Conference. Tab. 20. Oklahoma State University, March 1991 (англ.).

42. Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. -512 с.

43. Коновалов Ю.В., Остапенко А.Л., Пономарев В.И. Расчет параметров листовой прокатки: Справочник. М.: Металлургия, 1986. - 430 с.

44. Теория прокатки: Справочник / А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зю-зин и др. М.: Металлургия, 1982. - 335 с.

45. Лукин А.Н. Теория автоматического управления: Учеб. пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2005 - 215 с.

46. Improving Bridle Low-Speed Regulation Using Cascaded Current Followers / Boulter B.T. // Transactions of the IEEE-IAS, Jul/Aug 2001. P. TBD (англ.).

47. Расчет автоматических систем / А.В. Фатеев, А.А. Вавилов, Л.П. Смольников и др. М.: Высш. школа, 1973. - 336 с.

48. Терехов В.М. Непрерывные и цифровые системы управления скоростью и положением электроприводов. М.: Изд-во МЭИ, 1996. - 100 с.

49. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970. - 288 с.

50. Зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. -М.: Высш. школа, 1979.-318 с.

51. Морговский Ю.А., Рубашкин И.Б., Гольдин Я.Г. Взаимосвязанные системы электропривода. Л.: Энергия, 1972. - 200 с.

52. A Novel Approach for On-Line Self-Tuning Strip Tension Regulation / Boulter B.T. // Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Control Applications, September 1995, P. 91-98 (англ.).

53. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1989. - 752 с.

54. Алыдиц В.М., Вейнгер A.M. Структура систем с регуляторами натяжения прямого действия. Инструктивные указания по проектированию электротехнических пром. установок. М.: Энергия, 1970, № 1-2. - С. 3-11.

55. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. JL, 1969. - 375 с.

56. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов. Челябинск: ЮУр-ГУ, 2004. - 328 с.

57. Boulter В.Т., Fox Н. W. Accumulator tower tension regulator and system identification techniques. // Applied Industrial Control Solutions LLC. 2000.

58. Advanced Dynamic Simulation / Boulter B.T., Fox H.W. // Reliance Electric Systems Engineering Training Course, ЕОЮ8. 1995 (англ.).

59. Кузовков H.T. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах. М.: Оборонгиз, 1960. - 446 с.

60. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

61. The Effect of Speed Loop Bandwidths on System Natural Frequencies in Multi-Zone Strip Processing Lines / Boulter B.T. // Transactions of the IEEE-IAS, Jan/Feb. 1999. P. 126-134 (англ.).

62. Reducing Transient Strains in Elastic Processes / Carter W.C. // Control Engineering, March 1965. P. 84-87 (англ.).

63. Афанасьев В.Д. Автоматизированный электропривод в прокатном производстве. М.: Металлургия, 1977. - 280 с.

64. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Ч. I. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат. Екатеринбург: Урал. гос. проф.-пед. ун-т, 1997. - 279 с.

65. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

66. Загальский JI.H., Зильберблат М.Э. Частотный анализ систем автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1968. - 112 с.

67. Электротехнический справочник. Т. 3. Кн. 2: Использование электрической энергии / Под ред. В.Г. Герасимова, П.Г. Грудинского, JI.A. Жукова и др. М.: Энергия. - 1982. - 560 с.

68. Оглоблин А .Я., Сыромятников В.Я. Структурные схемы двигателей переменного тока»: Учебное пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - 71 с.

69. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод: Учебное пособие. М.: МЭИ, 2004. - 112 с.

70. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 300 с.

71. Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р., Юдин А.Ю. Исследование электроприводов печного участка агрегата непрерывного цинкования // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. трудов Магнитогорск: МГТУ, 2004. Вып.9. - С. 114-118.

72. Совершенствование системы управления технологическими механизмами агрегата непрерывного горячего цинкования: Отчет по НИР. № гос. регистрации 01200510644 / Науч. рук. Г.П. Корнилов. Магнитогорск: МГТУ. -2005.-53 с.