Разработка системы управления электроприводом листоправильной машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Среди разных методов пластичной обработки металла прокатка занимает особенное место, потому что такой процесс позволяет получить продукцию необходимой формы и размеров для непосредственного использования, а также улучшить ее механические и другие свойства.

Прокатное производство является заключительным звеном металлургического производства. Около 80% всей стали, которая выплавляется, в виде слитков поступает на последующую переработку к прокатным цехам.

Качество готовой металлургической продукции существенно зависит от работы электропривода металлургических агрегатов. Электропривод прокатного производства является одним из основных пользователей электрической энергии в металлургическом процессе. Мощность отдельных металлургических установок достигает десятков мегаватт установленной мощности. Большинство электроприводов металлургического производства являются уникальными и работают в специфических условиях.

Основным назначением всякого прокатного стана является осуществление пластической деформации металла между валками, которые вращающиеся. Оборудование прокатного состояния, которое служит непосредственно для деформации металла, называется основным оборудованием. К нему относятся клети с прокатными валками, приведенный двигатель валков (или несколько двигателей за количеством валков), редукторы, шестерные клети. Основным назначением всякого прокатного стана является осуществление пластической деформации металла между валками, которые вращающиеся. Оборудование прокатного состояния, которое служит непосредственно для деформации металла, называется основным оборудованием. К нему относятся клети с прокатными валками, приведённый двигатель валков (или несколько двигателей за количеством валков), редукторы, шестерные клети.

Все остаточное оборудование, какое необходимое для осуществления технологического процесса прокатки, называют вспомогательным оборудованием (вспомогательными механизмами).

До такого оборудования относятся механизмы установления раствора между валками (винты натисков), транспортировка металла (рольганги, шлеппери, контейнеры но др.), резания (летучие ножницы, пилочки), намотки и размотки (моталки).

Листоправильная машина предназначена для качественной правки листов в горячем и холодном состоянии. Во многих случаях производительность машины определяется мощностью прокатного стана и технологическим требованиям. При этом электропривод листоправильной машины работает в условиях значительной изменчивости статического момента нагрузки и момента инерции в зависимости от того какой технологический режим реализуется на прокатном стане. Если система управления не учитывает этот факт, то электропривод будет неэффективно расходовать потребляемую энергию вследствие того, что мощность (в общем случае - произведение скорости и момента) остается неизменной на протяжении всего технологического цикла.

Целью дипломного проекта является разработка системы управления электроприводом листоправильной машины, учитывающий переменность статического момента нагрузки и момента инерции, с целью повышения энергетической эффективности стана11Ч280Ч2300.

1. Общая часть

1.1 Общая характеристика механизма

электропривод статический инерция стан

Листоправильная машина устанавливается в прокатном цехе №4 в составе линии резки толстых листов.

Листоправильная машина предназначена для качественной правки листов толщиной до 50 мм включительно в горячем и холодном состоянии. Целью создания и внедрения листоправильной машины 11Ч280Ч2300 в прокатном цехе №4 ОАО «ЧМК» является получение листов толщиной от 6 до 50 мм с планшетностью, соответствующей требованиям стандартов. Материал полос - конструкционная, углеродистая и легированная сталь; строительные, мостовые, трубные и судостроительные стали; сталь коррозионностойкая аустенитного, ферритного и аустенитно-ферритного классов.

Общий вид механизма представлен на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Общий вид механизма

Основными параметрами листоправильных машин являются: диаметр роликов d мм, шаг роликов t мм, длина бочки роликов l мм, количество роликов n мм, толщина листов h мм, подвергаемых правке на данной машине.

Диаметр и шаг роликов определяют качество правки и давление на ролики правильной машины. Большие шаг и диаметр роликов не обеспечивают требуемой точности правки. Уменьшение диаметра и шага ведёт к увеличению давления на ролики и усложнению конструкции машины. Поэтому диаметр и шаг роликов выбирают на основании практических данных в зависимости от толщины и ширины листов, подвергаемых правке.

Качество правки также определяется количеством роликов в машине. Чем больше роликов, тем лучше качество правки. Для повышения качества и точности правки рабочие ролики листоправильной машины опираются на опорные холостые ролики. Диаметр опорных роликов выбирается равным или больше диаметра рабочих роликов и устанавливаются они в шахматном порядке по отношению к рабочим роликам.

Технические характеристики листоправильной машины сведём в таблицу 1.1

Таблица 1.1 - Технические характеристики листоправильной машины

Параметры	Значения	Обозначения
Толщина полосы, мм	15…50	h
Ширина полосы, мм	1000…2200	B
Длина полосы, м	до14	L
Скорость правки, м/с	0,2…0,6	Vп
Скорость транспортировки, м/с	1,0	Vт
Диаметр бочки рабочих валков (новых), мм	280	Dр
Диаметр бочки рабочих валков (после перешлифовки), мм	270	Dр.п
Длина бочки рабочих валков, мм	2500	lр
Передаточное число редуктора, отн. ед.	41,2148	iред
Расстояние между осями рабочих валков (шаг), мм	300	t
К. п. д. передачи от двигателя к валку, отн. ед.	0,86	зпер
Цикл поступления листов на правку, с	60	Тц
Модуль упругости, МПа	21000	Е
Предел текучести материала, МПа 5-ти валковый режим 11-ти валковый режим	550 1000	уt

1.2 Конструктивные особенности листоправильных машин. Кинематическая схема листоправильной машины ЛПМ 2300

Кинематическая схема механизмов машины представлена на рисунках 1, 2, 3 и 4.

Листоправильная машина (ЛПМ) состоит из клети рабочей, узла привода рабочих валков, устройства шпиндельного, устройства для смены кассет, а также устройства уборки окалины из-под листоправильной машины. Для исключения аварийных ситуаций все механизмы с переменной позицией оборудованы датчиками предельных перемещений (индуктивными сенсорами).

Клеть рабочая состоит из предварительно напряжённой станины, в которой установлены верхняя и нижняя кассеты с правильными валками (рисунок 1), станинные ролики (по 1 шт. на входной и выходной сторонах листоправильной машины) и система площадок обслуживания и плитных настилов. Рабочие валки являются основным рабочим органом листоправильной машины, воспринимающим все нагрузки, передаваемые машине при правке металла. Станинные ролики выполнены неприводными.

На входе в листоправильную машину устанавливается один дополнительный ролик, оснащённый электроприводом от мотор-редуктора (24-M6), идентичным индивидуальному приводу роликов рольганга перед СКОН.

Кассета нижняя состоит из сварного корпуса, в котором установлены в индивидуальных подушках (обоймах) пять рабочих валков. Под каждым из валков расположены опорные ролики. Каждый из валков нижней кассеты оснащён механизмом индивидуальной настройки, который выполнен в виде клиновой пары. Перемещение валков в вертикальном направлении осуществляется от индивидуальных гидроцилиндров (ГЦ6; ГЦ8; ГЦ10; ГЦ12; ГЦ14). Контроль положений валков осуществляется при помощи датчиков линейных перемещений 24-BS6; 24-BS8; 24-BS10; 24-BS12; 24-BS14 (рисунок 1.2).

Кассета верхняя состоит из сварного корпуса, в котором установлены в индивидуальных подушках шесть рабочих валков. Над каждым из валков расположены опорные ролики. Каждый из валков верхней кассеты оснащён механизмом индивидуальной настройки, выполненным аналогично (в виде клиновой пары). Перемещения валков в вертикальном направлении осуществляются от индивидуальных гидроцилиндров (ГЦ5; ГЦ7; ГЦ9; ГЦ11; ГЦ13; ГЦ15). Контроль положений валков осуществляется при помощи датчиков линейных перемещений 24-BS5; 24-BS7; 24-BS9; 24-BS11; 24-BS13; 24-BS15 (рисунок 2).

Узел станины клети рабочей выполнен предварительно напряжённым, в виде стянутых шпильками четырёх стоек, соединённых в нижней части со сварной поперечиной, а в верхней - с двумя коваными поперечинами и с двумя сварными стяжками. В верхней сварной траверсе станины установлены корпуса четырёх гидроцилиндров механизма нажима верхних валков (ГЦ1, ГЦ2; ГЦ3, ГЦ4), плунжеры которых опираются через сферическиеподпятники на верхние поперечины. Подача рабочей жидкости в гидроцилиндры ГЦ1-ГЦ4 осуществляется через гибкие подводы.

Верхняя траверса имеет возможность вертикального перемещения совместно с кассетой верхней. Постоянное поджатие верхней траверсы к штокам нажимных цилиндров (ГЦ1-ГЦ4) обеспечивается четырьмя гидроцилиндрами уравновешивания (ГЦ16-ГЦ19), которые также установлены на поперечинах, а их штоки шарнирно присоединены к верхней траверсе.

Механизм нажима верхних валков (гидравлическое нажимное устройство) листоправильной машины (с гидроцилиндрами ГЦ1-ГЦ4) предназначен для настройки зазора между верхней и нижней кассетами машины на определённую величину и удержания этого зазора постоянным во время правки. В качестве датчиков положения гидроцилиндров используются датчики линейного перемещения от 24-BS1 до 24-BS4. С помощью этих датчиков осуществляется также контроль перекоса верхней траверсы.

Кроме того, для фиксации крайнегонижнего положения верхней траверсыпредусмотрен индуктивный сенсор 24-SBE1. Крайнее нижнее положение траверсы с верхней кассетой определяется в зависимости от положения гидроцилиндров настройкиправильных роликов и контролируется по показаниям как датчиков 24-BS1-24-BS4, так и 24-BS5; 24-BS7; 24-BS9; 24-BS11; 24-BS13; 24-BS15.

Настройка машины для правки листов с известными характеристиками (толщиной, шириной, пределом текучести материала и пр.) заключается в установке требуемого перекрытия верхнего ряда валков относительно нижнего и реализуется посредством нажимных гидроцилиндров (ГЦ1-ГЦ4) и гидроцилиндров индивидуальной настройки валков (ГЦ5-ГЦ15). Информация о вертикальных координатах роликов отображается на мониторе пульта оператора.

В зависимости от толщины полосы правка этой полосы осуществляется одиннадцатью либо пятью рабочими валками:

- в 11-валковом режиме правятся полосы толщиной от 6 до 20 мм;

- в 5-ти валковом режиме (в правке участвуют верхние валки №№1, 5, 7 и нижние валки №№4, 6) правятся полосы толщиной от 15 до 50 мм.

Для осуществления перехода с 11-ти на 5-ти валковый режим правки и наоборот - в нижней части станины установлены четыре совместно работающих

гидроцилиндра (ГЦ20-ГЦ23 - по два с каждой стороны окна, согласно рисунку 3), обеспечивающие перемещение нижней кассеты вдоль линии стана на 150 мм.

Контроль рабочего положения кассеты нижней в клети, соответствующего пятивалковому режиму правки, осуществляется индуктивным сенсором24-SBE3 (рисунок 3, схема подключения выключателя - рисунок 1.5). При смещении кассеты по направлению движения металла на 150 мм достигается положение её, соответствующее режиму правки тонких полос (с участием одиннадцати рабочих валков). Это положение контролируется индуктивным сенсором 24-SBE2 и является разрешающим для начала смены кассет.

Перемещения механизмов и узлов машины в цифровом виде выводятся на пульт оператора.

Главный привод ЛПМ - групповой, регулируемый, от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, через два планетарных редуктора (R1, R2) шестерённую клеть (G1) и группы карданных валов (K1 - K11) с соединительными муфтами (рисунок 2.1). От первого двигателя 24-M1 (по ходу металла) приводится пять правильных валков (три верхних и два нижних), находящихся ближе к входу листоправильной машины; от второго двигателя 24-M2 - остальные шесть валков (№6 - №11). Приводные двигатели и редукторы расположены слева по отношению к направлению движения металла. На шестерённой клети устанавливаются указатели потока дистанционные (24-SQ1, 24-SQ2, рисунок 1.2), фиксирующие факт поступления смазки в шестерённую клеть. Указатель потока 24-SQ1 контролирует наличие смазки зацепления, 24-SQ2 - наличие смазки подшипников.

Двигатели предназначены для работы от преобразователей частоты и оснащены (каждый) датчиком импульсов (24-BN1, 24-BN2 - контроль скорости), вентилятором обдува с электроприводом (двигатели 24-M3, 24-M4), а также датчиками контроля температуры в обмотках (KTY 84-130 - 1 шт.) и подшипниках (PT 100 - 2 шт.), нагревателем для подогрева двигателя в состоянии покоя для исключения конденсата (другое название - предпусковой подогрев). Кинематическая связь между приводами в шестерённой клетиотсутствует, в связи с чем для согласования приводов по скорости при неравномерной их загрузке требуется подстройка одного из приводов.

Устройство шпиндельное предназначено для трёхкоординатной фиксации соединительных муфт карданных валов в строго заданном положении при смене кассет и выполнено в виде верхней и нижней балок, имеющих возможность вертикального перемещения по направляющим, закреплённым на стойках узла станин при помощи группы кронштейнов.

Привод балок - гидравлический, посредством попарно срабатывающих четырёх гидроцилиндров (гидроцилиндры привода верхней балки шпиндельного устройства - ГЦ24, ГЦ26; гидроцилиндры привода нижней балки - ГЦ25, ГЦ27). Для фиксации крайних положений балок по высоте предусматриваются индуктивные сенсоры, 24-SBE7 - верхнее положение верхней балки; 24-SBE8 - нижнее положение нижней балки (рисунок 1.2).

Устройство смены кассет включает в себя гидроцилиндр выкатки ГЦ28 (рисунок 3) и сварную раму с направляющими. При этом серьга гидроцилиндра соединяется с рамой кассеты нижней. Гидроцилиндр ГЦ28 расположен слева относительно направления движения металла, под главным приводом листоправильной машины (т.е. под двигателями 24-M1 и 24-M2), и при выдвижении штока работает на извлечение кассет из листоправильной машины.

Для контроля положения нижней кассеты, а также штока гидроцилиндра выкатки предусматриваются индуктивные сенсоры: 24-SBE5 - втянутое положение штока гидроцилиндра, 24-SBE6 - выдвинутое положение штокагидроцилиндра выкатки ГЦ28 и полностью извлечённый комплект кассет из листоправильной машины (рисунок 1.3).

Устройство уборки окалины (кинематическая схема - рисунок 4) предназначено для сбора осыпающейся с выправляемых листов окалины в короб и уборки наполненного короба на приводной тележке за линию стана. Тележка получает возвратно-поступательное движение за счёт качения колёс по рельсам. Привод перемещения тележки осуществляется от мотор-редуктора с асинхронным электродвигателем (24-M5), со встроенным тормозом (24-YBR) и с реактивной тягой. Крайние (аварийные) положения тележки контролируются индуктивными сенсорами 24-SBE9 и 24-SBE10. Тормоз накладывается при достижении двигателем состояния покоя (M = 0; n = 0).

Для фиксации фактов наличия и отсутствия металла в контрольных сечениях (вход и выход полосы из листоправильной машины) предусматриваются лазерные барьеры с отражателями (рефлекторами). Фирма-изготовитель лазерных барьеров - «MODULOC» (Англия).

Лазерный барьер 24-FL1 (рисунок 1) фиксирует факт наличия (отсутствия) металла на входной стороне ЛПМ, лазерный барьер 24-FL2 - на выходной. Каждый лазерный барьер имеет характеристику:

- тип лазерного барьера - LT200M; тип отражателя (рефлектора) -
PEF-2HTW;

- напряжение питания - 24±10% В постоянного тока;

- потребляемая мощность - 1 Вт;

- дальность действия - более 20 м с рефлектором;

- точность определения: 3 мм на расстоянии до 10 м;

- разрешение - плюс минус 1 мм;

- время срабатывания - 0,05 мс с циклом 10 мс;

- длина волны лазера - красный видимый луч 650 нм;

- класс лазера - класс 2;

- мощность лазера - 1 мВт;

- диаметр луча: 0,1 мм до 10 м; 0,2 мм до 20 м;

- индикация питания - красный светодиод;

- индикация срабатывания - зелёный светодиод;

- загрязнение - мигающий оранжевый;

- выход 1 - реле НО/НЗ 250В, 8 А;

- выход 2 - NPN/PNP транзистор.



Рисунок 1.2 - Кинематическая схема листоправильной машины (вид со стороны обслуживания)



Рисунок 1.4 - Кинематическая схема механизма смещения нижней кассеты вдоль линии стана

Рисунок 1.5 - Кинематическая схема устройства уборки окалины

Рисунок 1.6 - Схема подключения индуктивного выключателя приближения

1.3 Требования, предъявляемые к электроприводам прокатных станов

Режим работы двигателей главных приводов машины (24-M1, 24-M2) - длительный с переменной нагрузкой, нереверсивный. Реверс возможен на случай ремонта, а также при ликвидации нештатных и аварийных ситуаций.

В нештатных ситуациях возможны остановки машины с металлом и последующий разгон машины с металлом от состояния покоя (M = 0; n = 0) до скорости правки.

Питание приводных двигателей главных приводов (24-M1, 24-M2) осуществить автономно от преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока, с тормозными блоками и резисторами.

Система управления двигателями главных приводов (24-M1, 24-M2) должна обеспечивать:

- плавный пуск двигателей без нагрузки и под нагрузкой;

- регулирование скорости каждого двигателя изменением частоты питающего напряжения (уровню скорости 0,5282 м/с соответствует номинальная

частота вращения двигателей 1485 об/мин при частоте питающего напряжения 50 Гц и при новых рабочих валках: D_р.в.= 0,28 м);

- диапазон регулирования с учётом перешлифовки валков до диаметра бочки 270 мм 562 - 2915 об/мин;

- возможность задания разности скорости между группами валков;

- электрическое торможение;

- реверс (в исключительных случаях);

- стабилизацию скорости на требуемом по технологии уровне;

- согласование скоростей приводов машины (с использованием обратных связей по скорости), привода входного транспортного ролика и приводов примыкающих секций рольгангов на входной и выходной сторонах (в пределах выбранных секций при конкретной длине полосы); точность согласования скоростей - не хуже 2% от заданного значения;

- коррекцию по частоте вращения двигателей, обусловленную перешлифовкой рабочих валков (от 280 мм до 270 мм). Вследствие перешлифовки валков для соблюдения уровня скорости 1,0 м/с двигатель будет использоваться по частоте вращения в пределах второй зоны регулирования (n_дв ? 2915 об/мин при D_р.в.=0,27 м иi = 41,2148).

- индивидуальный толчковый режим работы на пониженной скорости (0,1 - 0,2 от номинальной);

- групповой аварийный останов машины совместно с входным транспортным роликом и с примыкающими рольгангами;

Предусмотреть меры защиты от радиопомех и перенапряжений на двигателях.

Обеспечить управление электродвигателями вентиляторов (24-M3, 24-M4), встроенных в электродвигатели привода валков (24-M1, 24-M2). Электродвигатели вентиляторов (24-M3, 24-M4) должны включаться до включения двигателей главных приводов (24-M1, 24-M2), работать независимо от работы двигателей главных приводов и во включенном состоянии являться разрешением на включение двигателей главных приводов. Режим работы этих двигателей - продолжительный (S1), без регулирования скорости. Реверс по частоте вращения не требуется.

Обеспечить управление встроенными в двигатели нагревателями для подогрева в состоянии покоя для исключения образования конденсата в холодное время года. Включение нагревателей по усмотрению обслуживающего персонала. При работе двигателей нагреватели должны быть выключены.

Обеспечить питанием двигатель 24-M6 привода входного транспортного ролика от преобразователя частоты. Уровню скорости 1,0 м/сдолжна соответствовать частота вращения двигателя 980,4 об/мин при частоте питающего напряжения в пределах 50 Гц (примерно - 33,12 Гц), диаметре ролика 300 мм и передаточном числе редуктора i = 15,4. Более высокий уровень скорости не требуется. Реверс предусмотреть на случай ремонта, а также на случай ликвидации нештатных и аварийных ситуаций.

На посту управления предусмотреть индивидуально световую сигнализацию (предупредительную, аварийную) и (общую для всех случаев) звуковую сигнализацию. Съём звукового сигнала - специальной кнопкой после обнаружения конкретной неисправности.

Предусмотреть также специальную кнопку для входа в режим «исправность сигнальных ламп». При нажатии этой кнопки все сигнальные лампы на пульте вне зависимости от выбранного режима светятся в исправном состоянии. После отпускания кнопки лампы возвращаются в состояние, соответствующее текущему режиму.

Предусмотреть в рациональном объёме диагностику оборудования и режимов работы механизмов машины.

Резервирование источников питания.

Предусмотреть один резервный преобразователь для двух рабочих преобразователей главных приводов ЛПМ с органами переключения в машзале.

В объёме поставки должно быть низковольтное распределительное устройство для электроприводов и систем автоматизации, подключаемое к существующей комплектной трансформаторной подстанции.

1.4 Постановка задач на проектирование

Управление приводом листоправильной машины осуществляется с пульта управления, расположенного возле машины. При работе агрегата в режиме правки полосы листоправильная машина осуществляет деление полосы на листы размерной длины

В базовой системе используется современный привод с векторным управлением фирмы VEM. Он реализует векторный закон управления по закону ш₂ = const.

Система регулирования имеет два канала управления: модулем вектора потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора. Двухканальная система управления дает возможность осуществить независимое регулирование модуля вектора потокосцепления ротора и скорости ротора при сохранении прямой пропорциональности между моментом на валу двигателя и составной силы статора, который намагничивает, которая находится в квадратуре с волной потокосцепления ротора. В статическом режиме асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором описывается системой уравнений:

(1.1)

Запишем систему уравнений (1) в ортогональной системе координат d - q, которая вращается с синхронной скоростью. Ось d привяжем к вектору потокосцепления ротора ₂. Тогда , а . Вектор потокосцепления ротора опережает вектор тока ротора на , поэтому если то .

В результате получаем систему уравнений:

(1.2)

Анализируя систему уравнений (2) можносделать вывод, что при записи в системе координат d - q асинхронный электродвигатель описывается такими же уравнениями, как и двигатель постоянного тока. При этом роль тока возбуждения выполняет составная тока статора І_1d, которая совпадает по направлению с вектором потокосцепления ротора.

Составная І_1q выполняет роль аналога тока якоря двигателя постоянного тока, взаимодействует с потокосцеплением ротора и создает электромагнитный момент. Из последнего уравнения системы уравнений (2) вытекает возможность раздельного управления потоком возбуждения и моментом асинхронного двигателя в ориентированной по полю двигателя преобразованной системе координат.

Системы векторного управления строятся аналогично системам подчиненного управления электродвигателями постоянного тока.

При синтезе систем управления частотных электроприводов исходную систему дифференциальных уравнений, описывающих электроприводы в трехфазной системе, преобразуют в системы дифференциальных уравнений в ортогональных системах координат:

б - в, жестко связанной с неподвижным статором;

d - q, жестко связанной с вращающимся с угловой частотой щ ротором;

х - у, вращающейся с угловой частотой щ₁ магнитного поля статора.

Такие преобразования дают возможность представить симметричную трехфазную электрическую машину двухфазной, что значительно упрощает математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии в электроприводах.

При синтезе систем управления частотным электроприводом, обеспечивающих закон управления ш₂ = const системы дифференциальных уравнений асинхронного двигателя преобразуют в ортогональную систему координат х - у. Векторная диаграмма для этого случая приведена на рисунке 1.7. Векторная диаграмма тока статораI₁и потокосцепления ротора ш₂ в преобразованной ортогональной системе координат х - упредставлена на рис. 1.

Проекция тока статора на ось хявляется потокообразующей, I_1х ? ш_2.

Проекция тока статора на ось уявляется моментообразующей, I_1у ? М.

Рисунок 1.7 - Векторная диаграмма тока статора I₁ и потокосцепления ротора Ш₂ в преобразованной ортогональной системе координат х - у

Идея векторного управления при законе управления ш₂ = const основывается на регулировании составляющей тока статора I_1х ? ш₂.

Возможны 2 принципа векторного управления:

- регулируют модуль тока статора и угол ;

- регулируют проекции тока статора и .

Первый принцип не получил распространения из-за сложности измерения угла е_ш в динамических режимах, из-за чего в электроприводе возникают неуправляемые сверхтоки и значительные динамические моменты.

Второй принцип управления используется во всех современных частотных электроприводах.

Для реализации этого принципа управления необходимо вначале трехфазную систему токов статора двигателя преобразовать в двухфазную, выделив проекции тока статора на ось х и у.

В современных частотных электроприводах с векторным управлением потокосцепление и скорость вычисляют с помощью контроллеров по алгоритмам, основанных на различных косвенных методах с достаточной точностью.

При переменном моменте сопротивления экономически более выгодным является закон векторного управления, при котором ш₂является функцией от момента сопротивления. Поэтому будем реализовывать регулятор потокосцепления обеспечивающий переменность потокосцепления ротора.

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Выбор двигателя и нагрузочная диаграмма листоправильной машины

Исходные данные суммарных крутящих моментов на рабочих роликах представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Суммарные крутящие моменты на рабочих роликах

Параметры	Значения	Обозначения
Суммарные крутящие моменты на рабочих валках с распределением по приводам, Н•м: Расчётная схема №1 - правка полос толщиной до 50 мм в пятивалковом режиме (рабочие валки №№1, 5, 7 и нижние рабочие валки №№4, 6):
Привод №1 (валки №№1, 4, 5): Ролик №1 Ролик №4 Ролик №5	1877 23924 11522	M1 M4 M5
Привод №2 (валки №№6, 7): Ролик №6 Ролик №7	8451 1427	M6 M7
Суммарные крутящие моменты на рабочих валках с распределением по приводам, Н•м: Расчётная схема №2 - правка полос толщиной до 20 мм в одиннадцативалковом режиме (в правке участвуют все рабочие валки: №№1…11):
Привод №1 (верхние валки №№1, 3, 5 и нижние валки №2 и №4): Ролик №1 Ролик №2 Ролик №3 Ролик №4 Ролик №5	1179 20646 14822 15565 13927	M1 M2 M3 M4 M5
Привод №2 (верхние валки №№7, 9, 11 и нижние валки №№6, 8, и 10): Ролик №6 Ролик №7 Ролик №8 Ролик №9 Ролик №10 Ролик №11	12988 11914 10966 10052 8385 871	M6 M7 M8 M9 M10 M11

Рассчитаем мощности двигателей в пятивалковом режиме

Суммарный крутящий момент для привода №1

Суммарный крутящий момент для привода №2

Номинальная мощность двигателя привода роликов определяется по формуле

где щ_пр - номинальная угловая частота привода валков, которая рассчитывается по формуле

Номинальная мощность двигателя привода №1



Номинальная мощность двигателя привода №2

Суммарная мощность электродвигателей привода роликов

Рассчитаем мощности двигателей в одиннадцативалковом режиме

Суммарный крутящий момент для привода №1

Суммарный крутящий момент для привода №2

Номинальная мощность двигателя привода №1

Номинальная мощность двигателя привода №2

Суммарная мощность электродвигателей привода роликов

Рассчитаем суммарные статические моменты для расчётной схемы №1 (h<=50 мм, 5 валков)

Суммарный статический момент правки, приведенный к валу двигателя привода №1

.

Суммарный статический момент правки, приведенный к валу двигателя привода №2

.

Рассчитаем суммарные статические моменты для расчётной схемы №2 (h<=20 мм, 11 валков)

Суммарный статический момент правки, приведенный к валу двигателя привода №1



Суммарный статический момент правки, приведенный к валу двигателя привода №2

Выбираем два асинхронных трёхфазных двигателя с короткозамкнутым ротором типа K21F315L4 фирмы «VEM» (Германия) со следующими характеристиками, представленными в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Технические характеристики двигателя

Тип двигателя	Рн, кВт	nн, об/мин	Iн, А	Мmax/Мн	Мпуск/Мн	Uн, В	з, %	cosц	J, кг•м2
K21F315L4	250	1485	438,9	2,3	1,6	380	96,1	0,9	5,9

Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей IM 1001, частота двигателя 50 Гц, масса двигателя - 1485 кг; с одним датчиком температуры KY 84-130 в обмотке и подшипниках РТ 100 (2 шт.), с подогревом при покое 100 Вт, 230В.

Пристроены к двигателям 24-M1 и 24-M2 вентиляторы типа FBW 315 IL с электродвигателем асинхронным трёхфазным короткозамкнутым 0,37 кВт, 0,66 А, 380 В, 50 Гц. Для встойки в двигатель пердусмотрены следующие типы датчиков: датчик импульсный HOG 10 DN 1024 I (в комплекте с двигателем), фирма «HUEBNERBERLIN»

Муфта установленная на валу двигателя: М35, d=90 мм

Находим момент инерции муфты М35

Момент инерции редуктора

.

где J_дв = 5,9 кг•м² - техническая характеристика двигателя

Собственный момент инерции рабочего ролика (А280 = 0,00475)

.

где - длина рабочих валков;

А280 - диаметр рабочих валков

Момент инерции рабочих роликов привода №1 ( роликов)

Момент инерции рабочих роликов привода №2 (роликов)

Суммарный момент инерции двигателя и механизма при холостом ходе привода №1 (ролики №№1 - 5)

Суммарный момент инерции двигателя и механизма при холостом ходе привода №2 (ролики №№6 - 11)

Определим массу металла, приходящаяся на один ролик

где h_max - максимальная толщина полосы металла;

В_max - максимальная ширина полосы металла;

г - удельный вес материала (г = 7,85 т - сталь кованная и катанная).

Рассчитаем номинальную угловую скорость двигателя

Скорость рабочих роликов

Момент инерции металла привода №1



Момент инерции металла привода №2 (ролики №№6-11)

Найдём суммарный момент инерции двигателя и механизма с металлом для привода №1 (ролики №№1-5)

Найдём суммарный момент инерции двигателя и механизма с металлом для привода №2 (ролики №№6-11)

Режим правки полос толщиной 20 мм (при В_max = 2,2 м)

Масса металла, приходящаяся на один ролик

Момент инерции металла привода №1

.

Момент инерции металла привода №2 (ролики №№6-11)

.

Суммарный момент инерции двигателя и механизма с металлом (привод 1)

Суммарный момент инерции двигателя и механизма с металлом (привод 2):

Значения статических моментов при холостом ходе М_хх на ведомом валу каждого привода принимаются по аналогу (машина №2 11х230х2500 в составе АПР для стана 2500 ОАО «ММК») с укрупнением в 1,5 раз, обусловленным увеличением диаметра с 230 мм до 280 мм (увеличение массы рабочих валков пропорционального увеличению квадрата диаметра, т.е. = 1.5)

Значение статического момента при холостом ходе для привода №1

Значение статического момента при холостом ходе для привода №2

Статический момент холостого хода, приведенный к валу двигателя, привод 1



Статический момент холостого хода, приведенный к валу двигателя, привод 2

Номинальный момент, развиваемый асинхронным двигателем K21F315L4

Проверяем двигатели по нагреву

Проверяем выбранный двигатель по условию перегрузки

Двигатель удовлетворяет условиям перегрузки, если выполняется следующее соотношение

где М_п - пусковой момент электродвигателя, Н•м;

М_стмах - максимальный статический момент сопротивления механизма, Н•м;

Пусковой момент электродвигателя равен

Максимальный статический момент сопротивления

Значит, исходя из условия М_п>М_стмах, имеем, что 2412 Н•м>1587,18 Н•м, что отвечает о правильности выбора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по условию перегрузки.

Электропривод листоправильной машины работает в длительном режиме. Режим работы - длительный. Пуск весьма редкий, возможен пуск с частотой 1 раз в 10 минут. Машина запускается на холостом ходу до скорости 0,53 м/с. Для этого случая М_пуск = М_н.дв. = 2412 Н•м. Время цикла принято равным (с учётом разрыва между листами) 60 с. Диаграмма нагрузок на ведущем валу одного привода (вал двигателя) приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Нагрузочная диаграмма на ведущем валу одного привода

2.2 Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя и построение его статической характеристики

Асинхронный двигатель может быть представлен следующей системой двух векторных дифференциальных уравнений:

(2.6)

где , - активные сопротивления статора и ротора соответственно;

, - векторы тока статора и ротора в трехфазной системе координат соответственно;

, - векторы напряжения статора и ротора в трехфазной системе координат соответственно;

, - векторы потокосцепления статора и ротора в трехфазной системе координат соответственно.

Система уравнений (2.6) может быть преобразована к уравнениям баланса напряжений статора и ротора эквивалентной двухфазной асинхронной машины в системе координат, вращающейся относительно стационарной системы координат статора с произвольной угловой скоростью

(2.7)

где  и - ЭДС вращения в уравнениях для соответствующих обмоток, которые пропорциональны скорости вращения ;

- ЭДС вращения ротора, которая пропорциональна приведенной угловой скорости ротора относительно электромагнитного поля статора.

В системе уравнений (2.7) потокосцепления могут быть представлены следующим образом:

(2.8)

где , - полные индуктивности соответственно

фаз статора и ротора эквивалентной двухфазной машины;

- главная взаимоиндуктивность между фазой статора и фазой ротора;

, - индуктивности рассеивания статора и ротора соответственно.

Кромеэтого, для эквивалентной машины справедливым является соотношение.

(2.9)

где  - вектор потокосцепления от главного магнитного потока (потокосцепления в воздушном зазоре);

- вектор тока намагничивания.

Для получения уравнений асинхронного двигателя, которые связуют координаты в установленных режимах, следует вуравнениях (2.7) принять та

(2.10)

Подставив (2.8) в уравнение (2.10), получим

(2.11)

где , - индуктивные сопротивления статора и ротора соответственно;

- скольжение двигателя, котороеопределяется следующим образом

, (2.12)

где  - синхронная скорость;

- рабочая скорость.

Системе уравнений (2.11) соответствует схема замещения асинхронного двигателя, изображенная на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Эквивалентная схема замещения асинхронного двигателя

На основании эквивалентной схемы замещения с использованием метода наложения можна получить выражения для токов статора и ротора

(2.13)

где , - комплексные сопротивления асинхронного двигателя соответственно при замкнутых накоротко обмотках ротора (с бока статора) и статора (с бока ротора)

(2.14)

Знаки «-» в (2.14) отображают отличие направлений токов при расчете отизображенных на рисунке 2.14.

При рассматривании короткозамкнутых двигателей, а также асинхронных двигателей с фазным ротором, обмотки ротора которого замкнуты накоротко непосредственно или через дополнительные активные сопротивления, напряжение, приложенное к ротора, равна нулю

. (2.15)

Тогда уравнение (2.15) могут быть соответственно упрощены. Во всех остальных случаях (а именно, при наличии в цепи ротора АД источники энергии) уравнение (2.15) не является справедливым.

Электромагнитный момент можно определить приблизительно по упрощенной формуле Клосса

. (2.16)

Или по уточненной

, (2.17)

где  - критический момент двигателя

; (2.18)

- критическое скольжение двигателя

; (2.19)

- амплитуда вектора напряжения статора;

- коэффициент уточнения;

- индуктивное сопротивление короткого замыкания.

В (2.18) и (2.19) знак «+» имеет место в двигательном режиме, «-» - в генераторном.

Рассчитаем основные параметры схемы замещения асинхронного двигателя, используя данные, приведенные в таблице 2.2. Продолжительность включения считаем стопроцентной.

Номинальное скольжение (синхронная частота вращения  об / мин, номинальная - об / мин)

.

Критическое скольжение можно вычислить по следующей формуле

, (2.20)

где  - перегрузка по моменту (визначене в попередньому підрозділі).

Тогда получим

.

Механические потери мощности приблизительно вычисляются по следующей формуле

, (2.21)

где  В-линейное напряжение двигателя;

- номинальный фазный ток двигателя;

- номинальный коэффициент мощности;

 Вт.

Сопротивление фазы статора определяем таким образом

, (2.22)

где - дополнительный коэффициент.

 Ом.

Сопротивление фазы ротора

, (2.23)

где - допустимая перегрузка по току для выбранного двигателя.

 Ом.

Индуктивность статора

, (2.24)

 Гн.

Индуктивность рассеивания фазной обмотки статора

, (2.25)

 Гн.

Предположим, что индуктивность статора и приведенная индуктивность ротора приблизительно равны, тоесть

 Гн.

Тогда индуктивность главного магнитного контура определяется поформуле

,

 Гн.

Расчитанные выше параметры схемы замещения далее используемпри моделировании электрической машины. Для более наявного её представления они сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 - Расчетные параметры схемы замещения

Величина	Наименования	Значения	Единицы измерения
Активное сопротивление статора		0,0043	Ом
Приведеное активноесопротивление ротора		0,0035	Ом
Индуктивность статора		0,014	Гн
Приведеная индуктивность ротора		0,014	Гн
Индуктивность рассеивания статора		0,00031	Гн

Построим статическую характеристику асинхронного двигателя (рисунок 2.3) по формуле (2.16). Синхронная скорость.Номинальная скорость. Критический момент расчитаем следующим образом

 Нм.



Рисунок 2.3 - Статическая характеристика асинхронного двигателя

2.3 Расчет динамических параметров двигателя

Для построения структурной схемы и получения динамических характеристик двигателя кроме рассмотренных више статических параметров, нужно использовать несколько типовых динамических значений. Рассчитаем параметры, необходимые для моделирования.

Коэффициент магнитной связи статора

, (2.26)

.

Коэффициент магнитной связи ротора

, (2.27)

.

Переходная индуктивность статора

, (2.28)

 Гн.

Переходная индуктивность ротора

, (2.29)

 Гн.

Приведеная постоянная времени статора

, (2.30)

 с.

Коэффициент рассеивания по Блонделю

, (2.31)

.

Приведеное активное сопротивление ротора

, (2.32)

 Ом.

Приведеная постоянная времени ротора

, (2.33)

 с.

Постоянная времени ротора

, (2.34)

 с.

Эквивалентное активное сопротивление двигателя

, (2.35)

 Ом.

Эквивалентная электромагнитная постояннаявремени статора

, (2.36)

 с.

2.4 Математическое описание и динамическая модель асинхронного двигателя как обощённой электрической машины в двухфазной системе координат

При математическом описании асинхронной машины используются общепринятые допущения и ограничения, а именно:

- магнитная система машины не насыщенна;

- потери в стали отсутствуют;

- фазные обмотки машины симметричны и расположены точно на (для трёхфазных машин);

- магнитодвижущие силы обмоток и магнитные поля распределены по всему полю воздушного зазора по синусоидальному закону;

- величина воздушного зазора постоянная;

- ротор машины симметричен;

- реальная распределена обмотка заменена эквивалентной сосредоточенной, которая создает ту же магнитодвижущую силу.

Современный уровень развития компьютерной техники дает возможность с учетом принятых предположений строить модель асинхронного двигателя в фазных координатах. Однако структурная схема модели при этом выходит весьма сложной через наличие переменных коэффициентов в уравнениях связей фазных токов и потокозчеплень машины, которые зависят от мгновенного значения угла поворота ротора относительно магнитных осей статора двигателя. С целью упрощения математических моделей систему уравнений трехфазной асинхронной машины, записанную в фазных координатах, принято представлять в ортогональной системе координат (х-у), которая вращается в пространстве в общем случае с произвольной угловой скоростью . На рисунке 2.4 показано разложение трехфазного вектора в нескольких двухфазных системах координат.



Рисунок 2.4 - Разложение трёхфазного вектора в двухфазных системахкоординат

Эквивалентное напряжение статора в системе координат (х-у) связано с фазными напряжениями трёхфазной машины следующими соотношениями

(2.37)

(2.38)

где , ,  - фазные напряжения для фаз A, B, C соответственно;

,  - напряжения статора, представленные в ортогональной двухфазной системе координат.

Аналогичные соотношения связывают эквивалентные значения токов и потокосцеплений двигателя с соответствующими фазными значениями переменных. Подставляя в эти уравнения выражения для реального фазного напряжения, получим

(2.39)

(2.40)

(2.41)

Можно получить выражения для составных напряжений в эквивалентной двухфазной системе координат

(2.42)

(2.43)

где  - амплитудное значение фазного напряжения;

- частота вращения поля статора двигателя в пространстве;

- начальная фаза напряжения фазы А двигателя.

Система уравнений электромагнитного равновесия асинхронного двигателя в форме Коши в системе координат (х-у) может быть представлена таким образом

(2.44)

где Ш_sx, Ш_sy - потокосцепление эквивалентных статорных контуров;

Ш_rx, Ш_ry - потокосцепление эквивалентных роторных контуров;

i_sx, i_sy - эквивалентные токи статора;

i_rx, i_ry - эквивалентные токи ротора;

R_s, R_r - активные сопротивления фазных обмоток статора и ротора;

- частота вращения ротора двигателя.

Для решения этой системы уравнений её необходимо дополнить уравнениями связи эквивалентных токов и потокосцеплений машины в системе координат (х-у). Уравнение (2.8) при разложении в ортогональной двухфазной системе координат будут иметь следующий вид

(2.45)

Коэффициенты в уравнениях связи между эквивалентными токами і потокосцеплениями не зависят от мгновенного значения угла поворота ротора относительно магнитной оси статора двигателя. Для построения математической модели асинхронного двигателя удобнее пользоваться обратными зависимостями, то есть зависимостями, которые имеют вид

(2.46)

где - коэффициент рассеивания двигателя, определяется по формуле (2.31).

Выражение для электромагнитного момента асинхронного двигателя является векторным добавлением какой-либо пары пространственных векторов токов и потокосцеплений. Таким образом, в системе координат (х-у) можно использовать шесть уравнений для отыскания электромагнитного момента двигателя. При использовании какого-либо из этих выражений результат будет один и тот же.

(2.47)

где - количество пар полюсов асинхронного двигателя.

Выбор того или другого вида уравнения для электромагнитного момента осуществляется с условием рационального построения структурной схемы математической модели.

Уравения движения двигателя в одномассовой механической системе имеет вид:

(2.48)

где  - суммарный момент инерции ротора двигателя и механизма;

- статический момент нагрузки электропривода.

Структурная схема асинхронного двигателя в произвольной системе координат (х-у) представлена на рисунке2.5.

В зависимости от выбора скорости вращения системы координат уравнение электромагнитного равновесия асинхронного двигателя несколько видоизменяется, но механическая характеристика двигателя, рассчитанная в системе координат, которая вращается в пространстве с какой-либо угловой скоростью, изменений не получает.

В теории электропривода чаще всего используются две наиболее удобные системы координат, которые являются отдельными случаями рассмотренной выше:

- система координат, неподвижная относительно статора электрического двигателя, то есть такая система будет иметь ;

- система координат, неподвижная относительно ротора электрического двигателя, то есть она вращается с частотой вращения ротора .

В следующих разделах дипломного проекта рассмотрим более детально особенности построения математических моделей асинхронного двигателя в этих системах координат.

Рисунок 2.5 - Структурная схема асинхронного двигателя в системе координат, которая вращается в пространстве с произвольной угловой скоростью

2.5 Анализ работы асинхронного двигателя на базе модели в неподвижной относительно статора системе координат (б - в)

Модель асинхронного двигателя в системе координат (б - в)

В неподвижной относительно статора системе координат . Оси в этой системе координат обозначаются (б - в). Главное преимущество системы координат (б - в) заключается в том, что при выборе положения одной из ее осей (как правило, принимается ось б), совпадающим с магнитной осью одной из фаз реальной машины, эквивалентный ток будет равняться реальному фазному току двигателя. Эта система координат широко применяется для анализа систем электропривода с управлением двигательными и тормозными режимами по кругу статора, в том числе и при анализе систем с векторным управлением. Определенную сложность при построении модели асинхронного двигателя в системе координат (б - в) представляет то, что эквивалентные напряжения и изменяются во времени по синусоидальному закону. Если частота источника электроэнергии постоянная, то и для формирования гармоничных входных сигналов модели могут быть использованы два консервативных звена с такими передаточными функциями

(2.49)

. (2.50)

Переходные функции таких звеньев имеют вид

, (2.51)

, (2.52)

где - единичная ступенчатая функция.

Эквивалентные составляющие напряжения статора асинхронного двигателя в системе координат (б - в) могут быть получены таким образом

, (2.53)

, (2.54)

На рисунке 2.6 представлена структурная схема математической модели асинхронного двигателя в неподвижной относительно статора системе координат (б - в).

Рисунок 2.6 - Структурная схема асинхронного двигателя в системе координат (б - в), неподвижной относительно статора

Несмотря на некоторые сложности при формировании эквивалентного напряжения и система координат (б - в) широко применяется при построении систем векторного управления асинхронным электроприводом. В этой системе координат вычисляемые переменные роторного поля двигателя изменяются во времени за синусоидальным законом с частотой . Переход от эквивалентных токов за осями и к фазным токам статора можно выполнить таким образом

(2.55)

Переход от эквивалентных токов за осями и к фазным токам роторных контуров выполняется так

(2.56)

Аналогично может быть осуществлен переход к фазным координатам для других переменных статора и ротора.

Построение переходных функций асинхронного двигателя на базе модели в системе координат (б - в)

Используя математические описания и структурные схемы асинхронного двигателя в системе координат (б - в) из предыдущих подразделов, построим его модель в программной среде MATLABSimulink.

Для приведения трехфазного напряжения питания электрической машины к двухфазной в системе координат (б - в) используем координатный преобразователь (рисунок 2.7), который работает по следующему закону

(2.57)

где , - мгновенные значения напряжений статора в двухфазной системе координат (б - в);

, , - мгновенные значения напряжений статора в трёхфазной системе координат.

В дальнейшем координатный преобразователь представляется в виде, свернутом к маскируемой подсистеме

Рисунок 2.7 - Модель координатного преобразователя 3-2 в MATLABSimulink

Дополнительные расчетные параметры для построения модели

,

,

,

.

Модель асинхронного двигателя как маскируемой подсистемы в MATLABSimulink представлена на рисунке 2.7. Эта модель построена в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 2.6. На вход она получает значение и от координатного преобразователя. В качестве выходов модели используются следующие параметры: скорость вращения вала двигателя, проекции токов на оси (б - в) и момент двигателя.

На рисунке 2.8 представлена модель асинхронного двигателя с координатным преобразователем, источниками питания и блоками Scope для отображения графической информации. Ток статора в этой модели рассчитывается как корень квадратный из суммы квадратов проекций на оси (б - в).

Рисунок 2.8 - Модель асинхронного двигателя с координатным преобразователем, источниками питания и блоками для отображения графической информации



Рисунок 2.9 - Модель асинхронного двигателя в двухфазной системе координат (б - в) в MATLAB Simulink

На рисунках 2.10 - 2.14 представлены результаты моделирования в программной среде MATLABSimulink.

Рисунок 2.10 - Фазные напряжения, которые подаются на вход модели



Рисунок 2.11 - Напряжения на выходе координатного преобразователя 3-2

Рисунок 2.12 - Зависимость действующего значения тока статора от времени пуска в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (б - в)

Рисунок 2.13 - Зависимость момента двигателя от времени пуска в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (б - в)



Рисунок 2.14 - Переходная функция по скорости во время пуска в холостом режиме, полученная на модели асинхронного двигателя в системе координат (б - в)

Анализируя зависимости, представленные на рисунках 2.12-2.14 можно сделать вывод, что максимальное значение пускового момента не превышает допустимое в . Максимальное значение тока во время пуска составляет1755,6 А. Оно также не превышает допустимого значения токовой перегрузки в А. Поэтому условия пуска можно считать правильными.