Разработка электропривода наклона лотка бесконусного загрузочного устройства доменной печи ОАО "ММК"

- толчковый режим с регулированием скорости и положения;

- быстрое задание нужных рабочих точек как данных процесса (например заданий на положение, максимальных скоростей) с помощью последовательного интерфейса;

Для регулирования положения датчик ставиться либо на двигатель, либо непосредственно на тот орган, положение которого надо регулировать. Можно подключить многовитковый абсолютный датчик с инкрементальным последовательным интерфейсом (ISI).

2.2.2 Функциональная схема САР положения

Система векторного управления асинхронным электроприводом в наиболее общем случае должна решать задачи регулирования и стабилизации момента и скорости двигателя [5].

Формирование момента АД возможно за счет воздействий на абсолютные значения векторов потокосцеплений 1, , 2 , токов I1, I2 и фазовых сдвигов между ними. От того, какие векторы выбраны в качестве регулируемых, зависит принцип построения и техническая реализация системы управления электроприводом.

При стабилизации потокосцепления ротора (при 2 =const) механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ независимого возбуждения. Поскольку теория и технические решения замкнутых систем управления электроприводом с ДПТ независимого возбуждения достаточно апробированы, то понятна привлекательность применения систем векторного управления с управлением по потоку ротора.

Установка датчиков магнитного поля в воздушном зазоре АД в системах прямого управления векторами его потокосцеплений требует дополнительных изменений в конструктивных решениях серийно выпускаемых АД и сопровождается снижением надежности электропривода. Поэтому в современных и наиболее совершенных частотно-регулируемых электроприводах, где системы программного управления реализованы на основе микропроцессорной техники, информация о векторах потокосцеплений электрической машины получается косвенным путем на основе ее математических моделей.

На рисунке 2.2 представлена функциональная схема системы автоматического регулирования положения электропривода серии Simovert Masterdrives с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора [6].

Система имеет два основных канала управления - положением лотка и модулем потокосцепления ротора ₂ АД. Канал регулирования положения в свою очередь имеет внутренний контур регулирования угловой скорости АД с подчиненным ему контуром регулирования тока I_1у. Канал регулирования модуля потокосцепления имеет внутренний подчиненный контур регулирования тока I_1x. Токи I_1x и I_1у являются составляющими тока статора в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью _0эл магнитного поля двигателя.

Сигнал задания положения u_зп поступает на сумматор ₁, где он сравнивается с сигналом отрицательной обратной связи по положению u_п. Сигнал обратной связи по положению получен с выхода цифрового интегратора А13, где происходит преобразование последовательности импульсов с выхода импульсного датчика BV в сигнал, пропорциональный углу наклона лотка.

Рисунок 2.2 Функциональная схема регулирования

Для получения сигнала по действительному углу наклона лотка применяется многооборотный абсолютный энкодер фирмы STEGMANN серии ATM60. Вал энкодера соединён с помощью муфты с валом двигателя. Вращение вала двигателя с помощью энкодера преобразуется в импульсы, которые подаются на вход платы преобразования T300 (п. 2.2.1). Энкодером также фиксируется количество оборотов вала двигателя.

Сигнал рассогласования _Дu_п с выхода ₁ поступает на вход регулятора перемещения РП, имеющего нелинейную характеристику вследствие того, что лоток работает с различными углами наклона (малыми, средними, большими). Для ограничения максимальной скорости необходимо ограничивать задание на скорость, т.е. выход регулятора положения. С этой целью установлен блок ограничения БО1 на выходе РП, ограничивающий задание на скорость в зависимости от режима работы на уровне номинальной или удвоенной номинальной угловой скорости.

Сигнал задания скорости АД u_зс предварительно поступает на вход задатчика интенсивности ЗИС, формирующего на выходе сигнал задания скорости с темпом, обеспечивающим ограничение ускорений в соответствии с технологическими требованиями к электроприводу и максимально допустимыми динамическими перегрузками по току и электромагнитному моменту АД.

Сигнал рассогласования s_а на выходе сумматора ₂ сигнала управления _з и сигнала реальной скорости АД с выхода импульсного датчика BV, пропорциональный абсолютному скольжению АД, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора скорости РС. Его выходной сигнал u_рс формирует сигнал задания М_з электромагнитного момента, необходимого для полной компенсации скольжения АД.

Сигнал задания электромагнитного момента Мз ограничивается блоком БО2 на уровне задания, соответствующего выбранному максимальному значению электромагнитного момента АД. Задание этого значения определяется внешними сигналами управления М_max1 и М_max2. В зависимости от энергетических режимов работы электропривода предусмотрена коррекция по ограничению максимально допустимых моментов АД (блоки MIN и MAX). Так, при отсутствии дополнительного блока рекуперативного торможения в силовой цепи выпрямителя на входе автономного инвертора напряжения UZF для ограничения максимально допустимой рекуперируемой активной мощности Р_а.m и, соответственно, ограничения перенапряжения на емкостном фильтре выпрямителя, в режиме рекуперативного торможения АД в блоке А2 в функции от скорости АД или частоты его питания f₁ формируются сигналы М_о1 и М_о2 , уменьшающие уровень задания электромагнитного момента АД. Функциональная связь между Р_а.m , частотой f₁ с учетом ее максимального значения f_1max, качественно отраженная в блоке А2, определена их математической моделью и корректируется при автоматической идентификации параметров электропривода.

Ограничение электромагнитного момента АД связано и с выбором максимально допустимого тока статора I_1max. С этой целью в блоке А3 с учетом максимального значения напряжения питания АД U_1max и реального значения составляющей тока статора I_1x по оси x определяется вектор максимально допустимой составляющей тока статора I_1у.max. Выходной сигнал блока произведения I_1у.max на потокосцепление ротора ₂, пропорциональный реальному максимально допустимому электромагнитному моменту АД и контролирует ограничение выходного сигнала М_.

Для постоянства задания электромагнитного момента при изменении потокосцепления ротора в соответствии с уравнениями определения момента используется блок деления БД сигнала М_з* на выходе БО2 на сигнал, пропорциональный ₂ . Выход БД формирует сигнал задания I_1уз составляющей тока статора по оси у.

Для коррекции по динамической составляющей момента на валу АД в структуре управления электроприводом предусмотрена возможность подключения на вход сумматора ₃ сигнала отрицательной обратной связи, пропорционального производной по скорости АД (устройство А1).

Входом РID является выходной сигнал сумматора ₄, где сравниваются сигналы, пропорциональные текущему U_d.ist и установленному максимально допустимому U_d.max напряжениям на выходе выпрямителя UZF. Рассматриваемый узел способствует управлению моментом АД во время кратковременных отключений или возможных уменьшений напряжения питающей сети преобразователя частоты. При кратковременных отключениях сети управление может быть продолжено за счет рекуперации кинетической энергии вращающегося вала АД в цепь выпрямителя UZF.

Сигнал задания потокосцепления ротора _2з формируется в блоке А5. Функциональная связь между реальной частотой f₁ выходного напряжения преобразователя и потокосцеплением ротора АД определяет постоянство _2з на уровне задания номинального потокосцепления ротора _2ном при f₁ f_1max f_1.ном.

Сигнал f_1max , корректирующий допустимую максимальную частоту выходного напряжения преобразователя UZF, формируется расчетным путем по модели АД в блоке А4 в зависимости от заданного максимально допустимого напряжения питания статора U_1max . Значение U_1max определяется напряжением U_dc на выходе силового фильтра выпрямителя UZF с коррекцией по сигналу, пропорционального максимально возможной глубине модуляции выходного напряжения UZF.

Сигнал _2з задания потокосцепления ротора с выхода блока А5 в результате перемножения на выходной сигнал блока А7 преобразуется в сигнал *_2з, изменяющийся во времени с темпом, определяющим время возбуждения АД. Лишь по истечению этого времени, когда возбуждение АД достигнет установившегося значения, в системе управления преобразователем частоты появляется логический сигнал на разрешение управления преобразователем со стороны сигнала u_зс управления электроприводом. Значение времени возбуждения АД может быть задано как внешним сигналом t_в блока А7, так и определено при автоматической идентификации параметров АД.

В структуре управления предусмотрена возможность адаптации потока ротора к нагрузке АД, способствующая снижению суммарных магнитных потерь в машине при уменьшении нагрузки. С этой целью сигнал I_1уз задания составляющей тока статора по оси у поступает на блок А8, где при заданном минимально допустимом значении потока ротора _2min и заданном коэффициенте адаптации к_а формируется сигнал, определяющий поток ротора в зависимости от нагрузки АД.

При включенном контуре адаптации потока ротора блок А9 выделяет минимальное значение сигнала задания *_2з

В соответствии с уравнением [5]:

и заданием потокосцепления ротора в блоке А6 по математической модели АД определяется сигнал задания составляющей тока статора I_1x. Каждая из составляющих I_1у и I_1x тока статора сравнивается на ₆ и ₇ со своими текущими значениями I_1у.ist и I_1x.ist, которые выделяются в блоке UVF векторного преобразования токов I_1А и I_1С в цепи обмоток фаз А и С статора АД. Угол _0.эл поворота осей координат х и у, вращающихся со скоростью электромагнитного поля АД, формируется в блоке А11 согласно частоте f₁.

Сигналы рассогласования задающих и реальных значений составляющих тока статора поступают на входы их соответствующих регуляторов РТ_х и РТ_у. Выходные сигналы регуляторов после суммирования на ₈ и ₉ с сигналами компенсации составляющих и учета внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, сформированными в блоке А12, поступают на координатный преобразователь К/Р. В зависимости от его входных сигналов, пропорциональных заданию составляющих выходного напряжения преобразователя в осях х, у на выходе К/Р формируются сигналы u_1з и , определяющие соответственно амплитуду и фазу вектора напряжения в двухфазной системе координат , , неподвижной относительно статора АД. Регулятор напряжения РН, на входе которого сравниваются сигналы задания u_1з и реального значения напряжения u_1ist на выходе выпрямителя UZF, обеспечивает стабилизацию его выходных напряжений. Сигналы задания выходного напряжения преобразователя u₁ и совместно с сигналом f₁, определяющим частоту выходного напряжения преобразователя частоты, трансформируются в преобразователе координат ПК в эквивалентные сигналы u_1А , u_1В , u_1С трехфазной системы координат, определяющие выходные напряжения UZF.

Формирование сигнала f₁ задания частоты выходных напряжений UZF обеспечивается суммированием на ₁₀ и ₁₁ сигнала реального значения скорости АД, поступающего с импульсного датчика BV, и сигналов f_sI , f_sЭ, определяющих частоту скольжения АД соответственно в функции тока и ЭДС двигателя. Вычисление f_sI осуществляется в блоке IM математической модели двигателя по току, на вход которого совместно с текущими значениями I_1у.ist и I_1x.ist составляющих тока статора в осях х, у подается сигнал R2 , пропорциональный сопротивлению ротора АД.

В блоке ЭМФ математической модели АД, на вход которого кроме текущих значений I_{1у ist} и I_{1x ist} составляющих тока статора поступает сигнал R1, пропорциональный результирующему сопротивлению цепи статора, формируются два выходных сигнала: ₂ - определяющий потокосцепление ротора, и Е₁ - пропорциональный ЭДС двигателя.

Реализована логика управления, обеспечивающая раздельное подключение сигналов f_sI и f_sЭ на вход ₁₀ и ₁₁ в зависимости от заданной частоты выходного напряжения UZF. При малых частотах действует контур коррекции по току, обеспечивая компенсацию падения напряжения на сопротивлении статора; при больших частотах - по ЭДС двигателя, обеспечивая коррекцию скорости АД. Выбор частоты, при которой переключаются контуры коррекции, определяется экспериментально. Максимально допустимая частота выходного напряжения UZF ограничивается сигналом f_огр блока БО3.

Значения сигналов R1 и R2 формируются в блоке А10 тепловой модели АД, куда поступает совокупность сигналов р , включающих в себя информацию о сопротивлениях цепи статора и ротора, определенных при автоматической идентификации параметров двигателя, степени влияния на них температуры собственно двигателя и окружающей среды, условий охлаждения двигателя, о наличии выходных фильтров преобразователя.

2.2.3 Структурная схема САР и выбор параметров регуляторов

Принцип векторного управления асинхронным двигателем основан на преобразовании измеренных в неподвижной системе , координат двигателя (напряжений, токов, потокосцеплений и т.п.) к вращающейся системе координат x, y. В результате такого преобразования выделяются составляющие соответствующих обобщенных векторов во вращающейся системе координат, которые будут иметь постоянные в установившемся режиме значения. Регулирование их позволяет осуществить раздельное управление скоростью и потокосцеплением АД [8].

В структурной схеме АД имеются перекрестные обратные связи, которые необходимо компенсировать системой управления. Использование в системе управления связей, компенсирующих основные нелинейности АД, как элемента САР, позволяет получить математическое описание динамических режимов АД с системой векторного управления, которое аналогично математическому описанию подобных режимов для двигателя постоянного тока при двухзонном регулировании скорости. Указанное позволяет применить для асинхронного электропривода разработанные для приводов постоянного тока принципы подчиненного регулирования.

В системе координат x, y, связанной с вектором потокосцепления ротора, электромагнитный момент АД определяется:

(2.1)

где 2p - число пар полюсов АД;

k_т - коэффициент электромагнитной связи ротора;

Ш₂ - вектор потокосцепления ротора;

I_1y - составляющая тока статора по оси y.

Таким образом, следует, что, осуществив стабилизацию потокосцепления ротора ?Ш₂¦, управление электромагнитным моментом можно свести к управлению составляющей тока I_1y, аналогично управлению двигателем постоянного тока с неизменным током возбуждения.

Вектор обобщенного потокосцепления ротора определяется

(2.2)

где L_m - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора;

Т₂ - постоянная времени контура ротора.

Из выражения (2.2) следует, что стабилизацию или регулирование потокосцепления ротора можно осуществить посредством стабилизации или управления проекцией тока I_1х.

Опираясь на систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в АД, и на структурную схему АД, как объекта регулирования, и руководствуясь принципами построения систем подчиненного регулирования, можно представить структурную схему системы векторного управления АД (рисунок 2.3), позволяющую осуществить регулирование положения лотка и потокосцепления ротора.

Рисунок 2.3 Структурная схема системы векторного управления АД

2.2.4 Расчет параметров объекта регулирования

На рисунке 2.4 представлена упрощенная структурная схема объекта регулирования [8]. Далее приведен расчет основных его параметров.

Рисунок 2.4 Структурная схема объекта регулирования

Индуктивность рассеяния статорной обмотки двигателя

где щ_он - угловая скорость холостого хода:

f_1н - номинальная частота напряжения питания двигателя;

p - число пар полюсов АД.

Взаимная индуктивность обмоток статора и ротора:

Полная индуктивность обмотки статора:

Индуктивность рассеяния роторной обмотки двигателя:

где x?₂ - индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора.

Полная индуктивность обмотки ротора:

Коэффициент электромагнитной связи ротора:

Электромагнитная постоянная времени статорной цепи:

Электромагнитная постоянная времени роторной цепи:

Динамические свойства преобразователя частоты с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно представлены передаточной функцией инерционного звена.

,

где k_пч - коэффициент усиления ПЧ;

Т_м - постоянная времени ПЧ, с.

Примем максимальное напряжение управления 10В. Поскольку максимальное фазное напряжение на выходе ПЧ составляет 220В, то коэффициент усиления ПЧ:

.

Некомпенсируемую постоянную времени Т_м примем равной:

где f_sw - несущая частота ШИМ, Гц.

2.2.5 Расчет параметров регуляторов

Канал регулирования потокосцепления содержит два апериодических звена с передаточными функциями

и .

Поэтому система регулирования канала потокосцепления строится как двухконтурная система подчиненного регулирования с внутренним контуром управления по току статора I_1x и с внешним - по модулю потокосцепления ротора.

Канал управления положением содержит три контура регулирования: внутренний - по току статора I_1y, средний - по угловой скорости ротора и внешний - по положению лотка.

Следовательно, в структурной схеме системы управления образованы два независимых канала регулирования, в которых параметры регуляторов рассчитываются известными методами [8].

В соответствии с методикой расчета систем подчиненного регулирования, каждый из контуров канала потокосцепления настраивается на модульный оптимум с применением ПИ-регуляторов, компенсирующих соответствующие апериодические звенья.

Внутренний контур регулирования составляющей тока I_1x содержит ПИ-регулятор тока с передаточной функцией:

,

где T_ix = T₁; Т_и.х - постоянная времени интегрирования контура регулирования составляющей тока I_1x:

k_от - коэффициент обратной связи по току статора двигателя:

Внешний контур регулирования потокосцепления содержит ПИ-регулятор потока с передаточной функцией:



где Т_Ш = Т₂; Т_иШ - постоянная времени интегрирования контура регулирования потокосцепления ротора:

k_оШ - коэффициент обратной связи по потокосцеплению ротора:

Ш_н - номинальное значение потокосцепления:

Контур регулирования тока I_1y по каналу регулирования положением содержит одно апериодическое звено

и настраивается на модульный оптимум. Следовательно, внутренний контур регулирования составляющей тока I_1y имеет ПИ-регулятор тока с той же передаточной функцией, что и в контуре регулирования тока I_1x:

где T_iy = T_ix = T₁;

Т_и.y = Т_и.x

При составлении передаточной функции регулятора скорости необходимо учитывать то, что регулятор скорости должен обеспечивать компенсацию влияния узла произведения при формировании электромагнитного момента АД. Для этой цели по аналогии с системами двухзонного регулирования скорости двигателей постоянного тока на выходе РС должен быть включен блок деления. В этом случае передаточная функция регулятора скорости будет иметь следующий вид:

где J_? - суммарный момент инерции электропривода;

k_ос - коэффициент обратной связи по скорости:

Для сведения к нулю ошибки регулирования положения необходимо осуществить настройку контура регулирования скорости на симметричный оптимум, т.е. применить ПИ-регулятор скорости со следующей передаточной функцией:

Для снижения перерегулирования по заданию в контуре тока необходимо на вход регулятора скорости установить фильтр с передаточной функцией:

Кроме того, наличие фильтра позволит обеспечить ограничение скорости нарастания активной составляющей тока.

Регулятор положения представлен нелинейным звеном и состоит из трех участков. Коэффициент передачи первого участка:

где k_оп - коэффициент обратной связи по положению:

ц_max - максимальный угол наклона;

Второй участок имеет нелинейную передаточную функцию следующего вида:

где е - угловое ускорение, с^-2 (таблица 1.2);

_ДU_п - напряжение на входе регулятора положения, В.

Третий участок ограничивает выход регулятора положения на уровне, соответствующем максимальному заданию на скорость.

2.3 Реализация системы автоматического регулирования

Реализация системы автоматического регулирования электроприводом наклона лотка БЗУ на базе блоков управления Simovert Masterdrives фирмы Siemens (Германия).

В каждом блоке Simovert Masterdrives программно заложены регуляторы скорости, тока и задатчики интенсивности. Также программируются различные защиты и дополнительные корректирующие функции (эксплуатационная характеристика двигателя, компенсация трения и т. д.). В этом же шкафу расположены блоки согласования управляющих импульсов между управляющим модулем и силовыми тиристорами

Рисунок 2.4 Структурная схема объекта регулирования

Управление транзисторными ключами осуществляется с помощью микроконтроллера. Цепь управления гальванически развязана от модулей IGBT. На рисунке 2.5 представлена плата управления CUVC (Vector Control).

Клеммный разъем Х101 предназначен для задания сигналов управления двигателем из АСУ ТП верхнего уровня, последовательного интерфейса и подачи напряжения питания на всю плату. Клеммный разъем Х102 служит для подключения аналоговых сигналов обратной связи по току и скорости. Подача напряжения управления на транзисторы IGBT происходит через блок ASIC и клеммный разъем Х103. Микроконтроллер имеет так же ряд входов (Slot A, Slot B и т.д.) для подключения дополнительных (опциональных) плат для расширения числа аналоговых входов-выходов, для совместной работы с другими микроконтроллерами, для возможности работы с электроприводами, управляемыми по сложным законам и с повышенными требованиями к переходным процессам [6].

Плата управления CUVC (Vector Control) в стандартном исполнении имеет следующие функции [6]:

- наборы параметров ВIСО (стандартная и резервная настройки). Логически объединяют функции управления (функции управления задания величин). Другими словами они позволяют переключаться, например между ручным и автоматическим управлением, между различными источниками задания рабочей точки (панель управления, фиксированные рабочие точки, клеммный разъем).

- ввод задания. Можно использовать сумму основного и дополнительных заданий. Задание может быть как внутренним так и внешним. Внутренними могут служить фиксированные настройки, моторпотенциометр или задание рывка. Внешними служат аналоговый вход, последовательный интерфейс или дополнительная плата. Внутренние источники могут переключаться между собой с помощью команд управления с любого интерфейса.

- наборы функциональных параметров FDS (наборы заданий SDS). Функции управления включают в себя 4 различных настройки каналов задания, которые могут переключаться между собой. Эти наборы включают в себя, например, 4 фиксированные точки, фильтр резонансных частот, ограничители минимальных и максимальных значений, настройки задатчика интенсивности. Это позволяет адаптировать функции управления к различным техническим требованиям. К примеру, задатчик интенсивности позволяет задавать отдельно скорости разгона и торможения, начальную и конечную S-образность.

- технологический контроллер, т.е. для регулирования давления, выходной мощности и т.д.

- идентификация двигателя. Параметры разомкнутых и замкнутых систем настраиваются по время параметризации преобразователя и двигателя. Вслед за этим происходит измерение без нагрузки и оптимизация параметров на основе измеренных данных. Эта функция позволяет настроить преобразователь быстро и без проблем.

- автоматический перезапуск (WEA). Включает преобразователь после возвращения питания на силовые цепи, если перед этим питание неожиданно пропало. Ограничений по времени нет.

- кинетическое буферирование (KIP). Компенсирует просадку напряжения в звене постоянного тока до тех пор, пока хватает запасенной кинетической энергии двигателя.

- перезапуск на ходу. Позволяет Simovert Masterdrives Vector Control подключать к вращающемуся двигателю.

Так как система векторного управления в электроприводе Simovert Masterdrives реализована программно (микропроцессорное управление), то вместо элементных модулей реализованы программные блоки (например, программный задатчик интенсивности, вместо ЗИ на операционном усилителе). А значит и связи между блоками должны быть программными. Для этого и существует система BICO (система бинекторов и коннекторов).

Бинектор - свободно программируемый двоичный сигнал; обозначается как Bxxxx, где xxxx - адрес (номер) бинектора.

Рисунок 2.5 Плата управления CUVC (Vector Control)

Коннектор - свободно программируемый аналоговый сигнал. 16-ти битный коннектор обозначается Kxxxx, где xxxx - номер коннектора, 32-х битный коннектор обозначается KKxxxx.

Обозначение коннекторов и бинекторов на схемах представлено на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 Обозначение коннекторов и бинекторов

На структурных схемах соединения при помощи системы BICO можно задавать графически или параметрически.

На структурных схемах электропривода применяются следующие обозначения параметров:

- Pxxx - изменяемый параметр;

- rxxx - неизменяемый параметр;

Параметры подразделяются на:

- функциональные (PxxxF)

- двигательные (PxxxM)

- BICO-параметры (PxxxB)

2.3.1 Задатчик интенсивности скорости

Задатчик интенсивности определяет темп разгона и торможения привода, а также величину закругления в начале и в конце разгона (торможения). На рисунке 2.7 представлены функциональная схема ЗИ, реализованного в цифровых модулях Simovert Masterdrives.

Рисунок 2.7 Задатчик интенсивности скорости Simovert Masterdrives

В схеме предусмотрена возможность задания различных параметров для движения вперёд и назад. Настройка ЗИС устанавливается значениями параметров P467, P466, P464, P116, P477 и т.д.

2.3.2 Регулятор скорости

Разность между заданной скоростью (с ЗИС) и фактической скоростью подаётся на вход регулятора скорости (рисунок 2.8). В качестве фактической скорости используется её вычисленное значение через канал подготовки скорости [350.8].

Рисунок 2.8 Регулятор скорости

2.3.3 Ограничение тока

На рисунке 2.9 представлена функциональная схема ограничителя тока двигателя.

Абсолютное ограничение тока задаётся в параметрах Р128 (в % от номинального тока двигателя).

ПИ-регулятор тока сравнивает фактический ток с заданным и выдаёт сигнал, соответствующий углу открывания вентилей IGBT инвертора. Параллельно регулятору подключен дополнительный контур «предуправления» (рисунок 2.10) для улучшения динамических свойств привода. Параметры регуляторов настраиваются автоматически при тестовом запуске.

Рисунок 2.9 Ограничение тока и момента двигателя

2.3.4 Регулятор тока

Рисунок 2.10 Регулятор тока

2.3.5 Регулятор положения

Для реализации регулятора положения в систему управления программируется специальный технологический регулятор, функциональная схема которого представлена на рисунке 2.11. Панелью управления преобразователя программируется необходимый регулятор положения.

Рисунок 2.11 Регулятор положения

2.3.6 Настройка параметров преобразователей Simovert Masterdrives

Преобразователи частоты Simovert Masterdrives являются преобразователями с цифровой системой управления. Настройка преобразователей производиться путём задания уставок параметров в соответствии с функциональными схемами с помощью панели управления (PMU), расположенной на двери преобразователя.

Так как в рассматриваемом приводе система управления реализована программно, то необходимо выполнить программную настройку параметров всей системы и привода в частности. В этом пункте рассматривается так называемое подробное параметрирование системы привода. Существует также возможность быстрой параметризации, когда пользователь задает только основные характеристики системы, а привод подбирает все остальные параметры самостоятельно.

Подробное параметрирование включает в себя следующие шаги:

- определение силовой части;

- конфигурация платы;

- установка привода;

- установка функций.

Определение силовой части уже полностью произведено в состоянии поставки. Его проведение необходимо только в случае замены платы CUVC и не требуется в других случаях.

При определении конфигурации платы система управления информируется, каким путем установленные опциональные платы конфигурируются. Это производится путем выбора меню «Конфигурация платы». В этом меню устанавливаются параметры, требуемые для приспособления опциональных плат к специфическим условиям применения (например, шинный адрес, скорость передачи данных и т.д.).

Во время установки привода система управления информируется о входном напряжении питания, о подключенном двигателе и об энкодере двигателя. Дополнительно выбирается закон управления двигателем и частота ШИМ. Если требуется, необходимые параметры для модели двигателя могут быть вычислены автоматически.

Настройке подлежат параметры, обозначение которых начинается с символов «Р» и «U». параметры, начинающиеся с символов «r» и «n» являются параметрами индикации и доступны только для чтения. Для получения доступа ко всему списку параметров необходимо установить Р051=40. кроме того, ряд параметров, связанных с использованием свободных функциональных блоков, относятся к “технологическому программному обеспечению” и становятся доступными только после их разрешения путём ввода PIN-кода в параметр U997. PIN-код поставляется вместе с преобразователем (опция S00). Свободные функциональные блоки обозначены на функциональных схемах как “FB”.

Преобразователь настраиваются в следующей последовательности:

1. Выбор меню «установка привода».

2. Наличие выходного фильтра: Р068=2 - du/dt выходной фильтр.

3. Входное линейное напряжение ПЧ, В: Р071=380.

4. Тип двигателя: Р095=10 - АД IEC (международный стандарт);

5. Ввод типа управления: Р100=5 - управление положенинем с датчиком положения.

6. Номинальное напряжение двигателя, В: Р101=380.

7. Номинальный ток двигателя, А: Р102=0,87.

8. Ток намагничивания в % от номинального: Р103=43.

9. Значение коэффициента мощности (cos): Р104=0,69.

10. Номинальная частота двигателя, Гц: Р107=50.

11. Номинальная скорость двигателя, об/мин: Р108=1350.

12. Число пар полюсов: Р109=4.

13. Номинальный момент двигателя, Нм: Р113=1,77.

14. Условия для управления, связанные с процессом: Р114=6 - привода с высоким стартовым моментом.

15. Вычисление модели двигателя («Автоматическое параметрирование»).

16. Тип датчика скорости: Р130=16 - импульсный с нулевой и контрольной дорожкой.

17. Число импульсов на оборот энкодера: Р151=1024.

18. Статическая характеристика: Р330=0 - привод с постоянным моментом.

19. Система модуляции фронта: Р339=4 - пространственная векторная модуляция.

20. Частота ШИМ, кГц: Р340=2,5.

21. Ввод максимальной скорости при движении вперед, %: Р452=100.

22. Ввод максимальной скорости при движении назад, %: Р453=700.

23. Максимальный выходной ток, А: Р128=2,87.

24. Время разгона Р462.

25. Единица измерения для времени разгона: Р463=0 - секунды.

26. Время торможения: Р464.

27. Единица измерения для времени торможения: Р465=0 - секунды.

28. Вычисление модели двигателя без нагрузки.

29. Оптимизация контроллера.

2.4 Анализ динамических процессов

На основании структурной схемы, представленной на рисунке 2.3, проводим моделирование переходных процессов электропривода с помощью программы Matlab Simulink в режиме реза заготовки. Смоделированный переходный процесс, график которого представлен на рисунке 2.14, показывает, что система четко отрабатывает заданное перемещение с нулевой ошибкой и с минимальным перерегулированием по моменту.

Исходя из этого можно сделать вывод, что спроектированная система электропривода полностью удовлетворяет главному требованию - обеспечению минимальной ошибки регулирования.

Рисунок 2.12 Переходные процессы в электроприводе

3. Анализ технико-экономических показателей и обоснование целесообразности принятых в проекте решений

3.1 Юридический статус ОАО «ММК»

3.1.1 Правовое положение ОАО «ММК»

Магнитогорский металлургический комбинат является открытым акционерным обществом, общество является юридическим лицом и имеет в собственности обособленное имущество, учитываемое на его самостоятельном балансе, может от своего имени приобретать и осуществлять имущественные и личные неимущественные права, нести обязанности, быть истцом и ответчиком в суде. Общество открывает банковские счета на территории Российской Федерации и за ее пределами. Общество имеет круглую печать, содержащую полное фирменное наименование на русском языке и указание на место его нахождения. Общество имеет штампы и бланки со своим наименованием, собственную эмблему, а также зарегистрированный в установленном порядке товарный знак и другие средства визуальной идентификации. Учредителем общества на момент образования являлся Государственный комитет Российской Федерации по управлению государственным имуществом. Общество несет ответственность по своим обязательствам всем принадлежащим ему имуществом.

Акционеры не отвечают по обязательствам общества и несут риск убытков, связанных с его деятельностью, в пределах стоимости принадлежащих им акций. Общество не отвечает по обязательствам своих акционеров. Общество является правопреемником государственного предприятия «Магнитогорский металлургический комбинат им. В.И. Ленина».

3.1.2 Уставной капитал общества

Уставной капитал составляет 8 858 518 рублей. Он разделен на 8 858 518 акций и состоит из:

- привилегированных акций (типа А) в количестве 2 214 630 штук, номинальной стоимостью один рубль;

- обыкновенных акций в количестве 6 643 888 штук, номинальной стоимостью один рубль.

Участники акционерного общества (акционеры) не отвечают по его обязательствам и несут риск убытков, связанных с деятельностью общества, в пределах стоимости принадлежащих им акций. Акционеры могут отчуждать принадлежащие им акции без согласия других акционеров.

Общество в праве проводить размещение акций и иных ценных бумаг посредством открытой или закрытой подписки, распределения среди акционеров. Акции «ММК» поступают в свободную продажу. Все акции общества являются именными. Держатели акций регистрируются в специальном реестре. Общество обязано обеспечить ведение и хранение реестра акционеров. Общество поручает ведение и хранение реестра акционеров специализированному регистратору. Внесение записи в реестр акционеров осуществляется в соответствии с требованиями действующего законодательства. Общество, поручившее ведение и хранение реестра акционеров специализированному регистратору, не освобождается от ответственности за его ведение и хранение. Держатель реестра акционеров общества по требованию акционера или номинального держателя акций обязан подтвердить его права на акции путем выдачи выписки из реестра акционеров общества, которая не является ценной бумагой. Выписки из системы ведения реестра, оформленные при размещении ценных бумаг, выдаются бесплатно. При повторных обращениях акционера, выписка из реестра выдается за счет средств акционера. Лицо, зарегистрированное в реестре акционеров общества, обязано своевременно информировать держателя реестра акционеров общества об изменении своих данных. В случае представления им информации об изменении своих данных общество и специализированный регистратор не несут ответственности за причиненные в связи с этим убытки. Формирование уставного капитала, порядок, формы и сроки оплаты акций при первоначальном размещении определяются в плане приватизации.

3.2 Анализ рынков сбыта ОАО «ММК»

ОАО «ММК» сегодня - это современное высокорентабельное предприятие, входящее в число 20 крупнейших сталелитейных компаний мира. Он представляет собой крупнейший в России металлургический комплекс с полным производственным циклом.

ОАО «ММК» производит самый широкий на сегодняшний день сортамент металлопродукции среди предприятий РФ и стран СНГ. Магнитка является единственным в России производителем высококачественной холоднокатаной ленты и белой жести. По объемам реализации продукции ОАО «ММК» имеет лучшие показатели среди металлургических предприятий России. «ММК» экспортирует около 45% своей продукции. За пределами страны находит сбыт продукция кислородно-конверторного цеха, сортовых станов и практически всех листовых цехов. География экспорта включает государства Юго-Восточной Азии 43%, Европы 15%, Ближнего Востока и Африки 22%, Северной Америки 20%. Крупнейшими потребителями металла «ММК» в ближнем зарубежье является Беларусь, Украина, Казахстан. Структура экспорта постоянно меняется в сторону увеличения продаж готовых видов проката.

3.3 Анализ технико-экономических показателей цеха

Если за 2004 г. план по выпуску чугуна доменным цехом был равен 9450000 тонн, то фактический выпуск чугуна составил 9864000 тонн. Таким образом, план по выпуску готовой продукции выполнен на 104,4% , что говорит о хорошей работе цеха в отчетном году. Себестоимость тонны чугуна составила 5846,22 руб. (заводская себестоимость отпускной чугуна). При этом рентабельность работы цеха находится на уровне 15,92%.

Увеличения производительности, снижения себестоимости продукции и увеличения плана можно добиться за счёт: уменьшения производственного цикла, сокращения простоев, уменьшения времени на ремонты, сокращения брака, уменьшения расходов на энергетические затраты, затрат на ремонт оборудования.

Применение современных электроприводов позволяет улучшить вышеперечисленные факторы, влияющие на производительность и качество выплавляемого чугуна. За счёт надёжности, высокого КПД современных электроприводов, возможно, улучшить технико-экономические показатели, при этом, не ухудшая качества выпускаемой продукции.

В данном разделе дипломного проекта рассматривается экономические показатели доменного цеха ОАО «ММК». Данные сведены в таблице 3.1. Данные взяты из бухгалтерской отчётности цеха за 2004 год.

Таблица 3.1 Технико-экономические показатели доменного цеха ОАО «ММК»

Показатели	План	Факт
Производство чугуна, т	9450000	9864000
Производительность т/ч	1096,5	1143
Плановые ремонты, ч	64	62
Текущие простои, ч:	102	94

Из таблицы 3.1. видно, что фактический объём производства превысил планируемый на 414000 тонн, что вызвано уменьшением времени простоев и времени затраченного на ремонты.

Фактическая часовая производительность составляет 1143 тонн, что на 46,5 т больше запланированной. Это достигнуто за счёт более равномерного распределения работы печей по времени.

3.4 Расчёт производственной программы цеха

Расчёт производственной программы цеха начинается с составления баланса времени работы доменного цеха. При этом рассчитывается календарное, номинальное и фактическое время работы за год. Данные для расчётов принимаются из таблицы 3.1.

Календарным временем считается всё время нахождения доменных печей в эксплуатации, независимо от времени их ремонтов и простоев. Так как печи находятся в работе круглый год (366 суток в 2004 году), то в пересчёте на часы календарное время Т_кал составит 8784 ч.

Печи работают и в праздничные дни и в выходные, поэтому номинальное время работы определяется исключением времени простоев на ремонтах из календарного времени работы:

где Т_к.р. - время, затраченное на капитальные ремонты, которых в 2004 году не проводилось;

Т_т.р. - время, затраченное на текущие ремонты оборудования.

Фактическое время:

где Т_пр - текущие простои всех печей.

Средняя часовая производительность:

где W_г - годовой объём выпущенной продукции доменного цеха.

Результаты расчётов сведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 Расчёт производственной программы цеха

Показатели	Величина
Календарное время, ч Планово-предупредительные ремонты, ч Капитальный ремонт, ч Номинальное время, ч Текущие простои, ч Фактическое время, ч Средняя часовая производительность, т/ч Годовая производительность цеха, т/год	8784 621 0 8722 94 8628 1143 9864000

3.5 Расчёт сметы капитальных затрат

3.5.1 Расчёт стоимости приобретённого оборудования (О)

Перечень необходимого оборудования устанавливается на основании спецификации. Цены на основное оборудование принимаются из прейскуранта оптовых цен предоставленных производителями. Расчёт стоимости приобретённого оборудования представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 Расчёт стоимости приобретённого оборудования (О)

Наименование оборудования	Кол-во	Цена за единицу продукции, тыс. руб.	Общая стоимость, тыс. руб.
Частотный преобразователь Электродвигатель	1 1	240 82	240,00 82,00
Итого учтённое оборудование	-	-	322,00
Прочее неучтённое оборудование	-	-	64,40
Итого стоимость исходного оборудования	-	-	386,40

Стоимость неучтённого оборудования (кабели, проводка и прочее мелкое оборудование) принимается в размере 20% от стоимости учтённого оборудования.

3.5.2 Расчёт затрат на монтаж оборудования (М)

Затраты на монтаж определяются по ценнику на монтаж оборудования [10]. Расчёт затрат на монтаж оборудования представлен в таблице 3.4. Цена монтажа электрических машин определяется суммированием цен отдельных работ:

- установка электрических машин;

- присоединение их к электрической сети;

- ревизия и сушка электрических машин.

Графы 3 - 5 таблицы 3.4 заполняются на основе [10] с использованием коэффициента инфляции к_инф = 30. Расчёт приведён только для электродвигателя, для остального оборудования рассчитывается аналогично.

Доплата по районному коэффициенту рассчитывается исходя из районного коэффициента. Для районов Среднего и Южного Урала этот коэффициент составляет 0,15. Тогда графы 6 и 7 заполняются следующим образом:

графа 6 = графа 4·к_р = 10,142·0,15 = 1,5213 тыс. руб.;

графа 7 = графе 5·к_р = 5,4633·0,15 = 0,819 тыс. руб.

Таблица 3.4 - Расчёт затрат на монтаж оборудования

Наименование монтируемого оборудования	Вид монтажной работы	Цена монтажа, тыс. руб.	Основная зарплата, тыс. руб.	Зарплата по эксплуатации оборудования, тыс. руб.	Доплата по районному коэффициенту	Доплата по прочим коэффициентам	Накладные расходы, тыс. руб.	Себестоимость монтажа, тыс. руб.	Плановые накопления, тыс. руб.	Всего затрат, тыс. руб.
					на основную зарплату, тыс. руб.	на зарплату по эксплуатации машин, тыс. руб.	на основную зарплату, тыс. руб.	на зарплату по эксплуатации машин, тыс. руб.				на единицу	на весь объём
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Электродвигатель	Установка	16,39	8,01	5,46	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	Присоединение	2,32	1,962	0,0033	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	Ревизия и сушка	0,69	0,17	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Итого для двигателя	19,4	10,142	5,4633	1,5213	0,819	6,592	3,55	15,882	47,7643	3,821	51,5853	51,5853
Преобразователь частотный	Установка	39,24	21,12	0,21	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	Ревизия	34,35	9,26	0,99	-	-	-	-	-	-	-	-	-
	Присоединение	5,97	2,13	0,47	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Итого для преобразователя	79,56	32,51	1,67	4,876	0,25	21,13	1,085	50,91	157,811	12,625	170,436	170,436
Итого учтённое оборудование	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	222,021
Неучтённое оборудование	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	44,405
ИТОГО	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	266,426

Для учёта отклонения по заработной плате в связи со стеснённостью и вредностью условий работ необходимо ввести следующие коэффициенты:

а) коэффициент, равный 1,1 и учитывающий монтаж в эксплуатируемых зданиях, действующих цехах, производственных участках и т.д., где есть загромождение оборудования и движение транспорта;

б) коэффициент, учитывающий работу вблизи объектов, находящихся под высоким напряжением, равный 1,2;

в) при температуре воздуха на рабочем месте более 40°С, вводится поправочный коэффициент равный 1,25.

Итого необходимо ввести следующий дополнительный коэффициент:

к_доп = 1,1·1,2·1,25 = 1,65.

Таким образом, расчёты в графах 8 и 9 ведётся следующим образом:

графа 8 = графа 4·к_доп = 10,142·1,65 = 6,592 тыс. руб.;

графа 9 = графа 5·к_доп = 5,4633·1,65 = 3,55 тыс. руб.

Так как учитывается дополнительный коэффициент, то сумма косвенных расходов не рассчитывается.

Накладные расходы на электромонтажные работы, связанные с управлением и обслуживанием, начисляются в размере 87% от скорректированной заработной платы монтажников:

графа 10 = (графа 4 + графа 6 + графа 8)·0,87 = (10,142 + 1,5213 + 6,592)·0,87 = 15,882 тыс. руб.

В графе 11 рассчитывается себестоимость монтажа по ценнику с учётом доплат и накладных расходов:

графа 11 = графа 3 + графа 6 + графа 7 + графа 8 + графа 9 + графа 10 =

= 19,4 + 1,5213 + 0,819 + 6,592 + 3,55 + 15,882 = 47,7643 тыс. руб.

Плановые накопления образуют прибыль строительно-монтажных организаций и определяются в размере 8% от себестоимости монтажных работ:

графа 12 = графа 11·0,08 = 47,7643·0,08 = 3,821 тыс. руб.

Затраты на единицу оборудования определяются сложением себестоимости монтажа и плановых накоплений:

графа 13 = графа 11 + графа 12 = 47,7643 + 3,821 = 51,5853 тыс. руб.

Затраты на весь объём оборудования определяются с учётом количества монтируемых единиц оборудования данного типа:

графа 14 = графа 13·n = 51,5853·1 = 51,5853тыс. руб.

Затраты на монтаж учтённого оборудования определяются суммированием сумм графы 14 для всех видов оборудования:

М_учт = 51,5853+ 170,436 = 222,021 тыс. руб.

Затраты на монтаж неучтённого исходного оборудования определяются в размере 20% от затрат на монтаж учтённого оборудования:

М_неучт = 0,20·М_учт = 0,2·222,021 = 44,405 тыс. руб.

Затраты на монтаж всего исходного оборудования, включая неучтённое, определяются:

М = М_учт + М_неучт = 222,021 + 51,22 = 266,426 тыс. руб.

3.5.3 Расчёт величины транспортных расходов (Тр), заготовительно-складских расходов (Зс), затрат на запасные части (Зч) и расходов на комплектацию оборудования (Зк)

Затраты на запасные части берутся в размере (2 - 3)% от стоимости оборудования (О):

З_ч = 0,03·О = 0,03·386,4 = 11,592 тыс. руб.

Транспортные расходы берутся в размере 3,3% от стоимости оборудования и запасных частей:

Т_р = 0,033·(О + З_ч) = 0,033·(386,4 + 11,592) = 13,134 тыс. руб.

Заготовительно-складские расходы берутся в размере 1,2% от стоимости оборудования и запасных частей, включая транспортные расходы:

З_с = 0,012·(О + З_ч + Т_р) = 0,012·(386,4 + 11,592 + 13,134) = 4,934 тыс. руб.

Затраты на комплектацию оборудования берётся в размере (0,5 - 1,5)% от стоимости оборудования и запасных частей:

З_к = 0,01·(О + З_ч) = 0,01·(386,4 + 11,592) = 3,98 тыс. руб.

3.5.4 Капитальные затраты

При проектировании системы электропривода сумма капитальных затрат считается по формуле:

К = О + М + Т_р + З_с + З_ч + З_к = 386,4 + 266,426 + 11,592 + 13,134 + 3,98 = 686,465 тыс. руб.

3.6 Расчёт затрат на эксплуатацию системы электропривода

В данном разделе определяется состав и размер эксплуатационных расходов, связанных с работой электрооборудования.

Эксплуатационные расходы, связанные с работой электрооборудования, состоят, как правило, из следующих видов затрат:

а) потерь электроэнергии (Э); б) амортизационных отчислений (А); в) затрат на ремонты и обслуживание электрооборудования (Стр).

Таким образом, затраты на эксплуатацию системы электропривода (С) можно рассчитать по формуле:

С = Э + А + С_тр, (3.1)

Эксплуатационные расходы рассчитываются за год.

3.6.1 Расчёт потерь электроэнергии (Э)

Расчёт потерь электроэнергии определяется умножением себестоимости 1 кВт·ч энергии на количество теряемой энергии в течении года.

Стоимость потерь электроэнергии рассчитывается по формуле:

где Р - мощность на входе установки. Номинальная мощность установленного электропривода составляет 7,5 кВт;

з- КПД установки. Коэффициент полезного действия установки рассчитывается как произведение КПД входящего электрооборудования в эту электроустановку:

где з_тп - КПД тиристорного преобразователя; з_дв - КПД электродвигателя.

3.6.2 Расчёт амортизационных отчислений (A)

Первоначальная стоимость оборудования рассчитывается по каждому виду оборудования по формуле:

Затраты на транспортировку, складирование, запчасти и комплектацию для единицы оборудования рассчитываются аналогично п. 3.5.3. Затраты на монтаж берутся из таблицы 3.4. Результаты расчётов первоначальной стоимости оборудования представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 Расчёт первоначальной стоимости оборудования в тыс. руб.

Наименование оборудования	О	М	Зч	Тр	Зс	Зк	Спер
Преобразователь	240,0	170,436	7,200	8,158	3,064	2,472	431,330
Электродвигатель	82,0	51,585	2,460	2,787	1,047	0,845	140,724

Сумма амортизации определяется по следующей формуле:

,

Первоначальная стоимость неучтённого оборудования берётся в размере 20% от учтённого оборудования. Результаты расчётов сведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 Расчёт годовой суммы амортизации

Наименование оборудования	Первоначальная стоимость, тыс. руб.	Кол-во, шт.	Общая стоимость, тыс. руб.	Норма амортизации, %	Сумма амортизации, тыс. руб.
Преобразователь частотный	431,33	1	431,33	5,60	24,15
Электродвигатель	140,72	1	140,72	6,30	8,87
Прочее неучтённое оборудование	-	-	114,41	5,77	6,60
Итого	-	-	686,46	-	39,62

Амортизация по неучтённому оборудованию начисляется по средневзвешенной норме, которая рассчитывается для исходного оборудования по формуле: