Исследование динамических нагрузок электромеханических систем главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки

Несмотря на сложную экономическую ситуацию в стране, крупные предприятия металлургической отрасли переживают сейчас настоящий подъем. Во многом это обусловлено конъюнктурой мирового рынка, которая в данный момент очень благоприятна для представителей металлургии. Не является исключением и ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК), входящий наряду с Магнитогорским металлургическим комбинатом и Северсталью в тройку крупнейших российских предприятий черной металлургии. На эти три предприятия приходится около 56% суммарного российского экспорта металлопродукции и 97% экспорта листового проката. В 1999 г. НЛМК увеличил объем производства на 14%, а за шесть месяцев 2000 г. рост производства составил уже 18%>.

Основной проблемой, стоящей сейчас перед металлургическими предприятиями России, является техническое перевооружение. Это связано с физическим и моральным старением оборудования основных цехов, работающего по 30 и более лет. Особое значение имеет реконструкция прокатного производства, поскольку из-за его определяющего влияния на качество готовой продукции именно здесь всегда используются самые передовые решения и технологии. Таким образом, одними из основных направлений технического перевооружения в ближайшей перспективе должны быть модернизация действующего оборудования прокатных станов и широкое внедрение современных систем управления на базе вычислительных комплексов, имеющие целью повышение производительности и качества продукции. Решение этих задач невозможно без глубокого исследования динамических процессов, протекающих в оборудовании стана, на основе совместного рассмотрения всех его элементов — очага деформации, упругой клети, механический трансмиссии и автоматизированного электропривода.

Из всего многообразия агрегатов непрерывных широкополосных станов горячей прокатки проблема чрезмерно высокого уровня динамических нагрузок особенно остро стоит для клетей черновой группы. Основными причинами динамических перегрузок являются интенсивные переходные процессы, имеющие место в цикле прокатки, наличие в системе упругих механических связей и зазоров, несовершенство системы электропривода, ошибки, допущенные при разработке. В связи с этим существует необходимость исследования динамических нагрузок, действующих в электромеханической системе привода клети, еще на этапе её проектирования. Основным методом при проведении подобных исследований является математическое моделирование с помощью аналоговых или электронных вычислительных машин. Работы в этом направлении ведутся достаточно давно [28, 38, 94]. К сожалению, в имеющихся исследованиях мало внимания уделялось совместному анализу процессов, происходящих в электрической и механической частях привода. Большая часть исследований выполнялась инженерами-механиками, система электропривода при этом либо не учитывалась вовсе, либо представлялась простейшим уравнением 1−2 порядка. С другой стороны, из-за сложности кинематических схем рассматриваемой группы приводов использование методики составления эквивалентных расчетных схем, принятой в теории электропривода [36], могло служить причиной значительных погрешностей. Кроме того, из-за сложности определения ряда параметров, оказывающих важное влияние на уровень динамических нагрузок, например, величин зазоров в приводе, в расчетах их приходилось принимать приближенно, что еще более снижало точность расчетов.

Таким образом, необходима разработка методики построения математических моделей, позволяющих исследовать динамические нагрузки в главных приводах прокатных клетей на основе совместного анализа процессов, происходящих в их электрической и механической системах. На основе результатов этих исследований возможна оценка эффективности различных способов снижения динамических нагрузок в рассматриваемой группе электроприводов.

В последнее время широкое распространение получает частотно-регулируемый электропривод прокатных клетей, преимущественно на основе синхронных двигателей с непосредственными преобразователями частоты. При этом, как правило, используется индивидуальный привод валков (каждый валок приводится во вращение отдельным двигателем). Использование такой схемы требует совершенно иного, чем в случае нерегулируемого привода, подхода к исследованию динамических нагрузок. С одной стороны, индивидуальный привод может служить источником упругих колебаний между его ветвями, с другой, наличие современной системы автоматического регулирования позволяет обеспечить снижение динамических нагрузок средствами электропривода. В связи с внедрением таких систем электропривода на отечественных металлургических предприятиях возникает задача исследования их динамических режимов.

Исходя из приведенных выше фактов, была сформулирована тема диссертационной работы: «Исследование динамических нагрузок электромеханических систем главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки».

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете в рамках проекта А-0032 Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 годы».

Цель работы состоит в практическом и теоретическом исследовании динамических нагрузок электромеханических систем главных приводов черновых клетей стана горячей прокатки и разработке методов их ограничения средствами электропривода.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: выявлены причины высоких динамических нагрузок в электроприводах черновых клетей станов горячей прокаткиразвита методика построения и идентификации математических моделей электромеханических систем (ЭМС) рассматриваемой группы приводов, выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 и оценка способов их снижения для нерегулируемых электроприводов с двигателями переменного токаисследованы особенности динамики многодвигательного частотно-регулируемого синхронного электропривода реверсивной прокатной клети, разработан и реализован режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валковисследованы асимметричные режимы работы индивидуального привода валков с целью регулирования распределения моментов между его ветвями, разработана методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП реверсивной клети.

Методы исследования. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались с помощью методов математического моделирования на ЭВМ, натурного эксперимента на рабочей установке, структурных методов теории автоматического управления.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика идентификации математических моделей электромеханических систем главных приводов прокатных клетей.

2. Разработан и исследован ряд способов снижения динамических нагрузок для нерегулируемых электроприводов прокатных клетей с синхронными двигателями.

3. Получены количественные оценки предельной, оптимальной и фактической демпфирующей способности приводов прокатных клетей с двигателями переменного тока.

4. Исследованы режимы рассогласования скоростей индивидуального привода валков с целью распределения крутящих моментов между его ветвями и управления формой переднего конца полосы.

Практическая ценность. 1. Разработаны компьютерные программы для динамического анализа ЭМС приводов прокатных клетей и идентификации математических моделей этих ЭМС. Программы могут являться частью системы автоматизированного проектирования оборудования прокатных станов.

— 82. Выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 ОАО «НЛМК» и предложен ряд способов их снижения для нерегулируемых электроприводов с двигателями переменного тока;

3. Разработан и реализован в системе многодвигательного частотно-регулируемого электропривода прокатной клети режим реверсивной прокатки с предварительным ускорением горизонтальных валковразработана методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП реверсивной клети.

На защиту выносятся.

1. Методика идентификации математических моделей электромеханических систем главных приводов прокатных клетей.

2. Результаты анализа способов снижения динамических нагрузок для нерегулируемых электроприводов прокатных клетей с синхронными двигателями.

3. Результаты анализа демпфирующей способности приводов прокатных клетей с двигателями переменного тока.

4. Система изменения напряжения, подводимого к статору, с целью снижения динамических нагрузок в нерегулируемых электроприводах прокатных клетей с синхронными двигателями.

5. Методика настройки системы управления скоростью с изменяемой структурой и системы балансировки моментов в САР ЭП реверсивной клети.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— научно-технической конференции кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов», Липецк, 1999;

— 9- второй Российской конференции пользователей систем MSC, Москва, 1999;

— международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность», Тула, 1999;

— межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии», Вологда, 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, отражающих её содержание.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 158 страниц, в том числе 99 страниц текста, 66 рисунков, 15 таблиц, библиографический список из 96 наименований, приложения на 20 страницах.

— 1254.5. ВЫВОДЫ.

1. Использование в главных приводах прокатных клетей замкнутых систем электропривода на основе синхронных двигателей с частотным управлением требует, в отличие от разомкнутых систем, иного подхода к проблеме исследования и ограничения динамических нагрузок. Задача оценки динамических свойств системы электропривода с помощью математического моделирования при этом существенно усложняется, поскольку требует учета всех особенностей работы конкретной реализации САР ЭП.

2. Ряд особенностей электромеханической системы черновой клети № 1 стана 2000 могут служить причинами высоких динамических нагрузок в ее приводе. Для исключения негативного влияния этих особенностей используется система автоматизации, построенная на базе иерархической распределенной архитектуры и позволяющая обеспечить высокие производственные показатели и качество за счет адекватного управления синхронными электродвигателями и другими исполнительными механизмами.

3. Для системы электропривода черновой клети № 1 стана 2000 разработан режим реверсивной прокатки в 3 прохода с предварительным ускорением горизонтальных валков. Получены оптимальные скоростные параметры для каждого прохода, обеспечивающие необходимую производительность клети и значительное снижение динамических нагрузок в приводе.

4. С целью определения параметров настройки САР ЭП горизонтальных валков черновой клети № 1, необходимых для управления формой переднего конца полосы, в системе конечно-элементного анализа MARC/AutoForge 2.3 выполнено моделирование асимметричных режимов прокатки. Получены зависимости разности моментов и изгиба полосы от рассогласования скоростей валков. Результаты использованы при построении контура балансировки моментов САР.

5. В результате аварии вышел из строя один из четырех главных двигателей привода горизонтальных валков клети № 1. Разработан и внедрен комплекс мероприятий, позволяющий средствами САР ЭП обеспечить работу клети.

— 126на трех двигателях при сохранении приемлемых динамических и статических характеристик привода. Это дало возможность на период ремонта поврежденного двигателя сохранить на прежнем уровне производительность клети № 1 и черновой группы в целом.

— 127-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенных исследований были решены задачи построения и идентификации математических моделей ЭМС главных приводов прокатных клетей, выполнен анализ динамических нагрузок в главных приводах черновых клетей стана 2000 ОАО «НЛМК» и получена оценка различных способов их снижения, а также исследованы особенности динамики многодвигательного частотно-регулируемого синхронного электропривода реверсивной прокатной клети и разработана методика настройки ряда важнейших элементов его САУ. Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Выявлены основные причины повышенного уровня динамических нагрузок и связанного с ними ущерба в главных приводах черновых клетей стана горячей прокатки. К ним относятся: а) неблагоприятное сочетание упруго-массовых характеристик линии, б) люфты и зазоры в приводных линияхв) характер нагружения, определяемый рядом технологических параметровг) особенности применяемого типа электропривода. Традиционный нерегулируемый синхронный электропривод прокатных клетей неблагоприятно влияет на динамические свойства главных линий. Наиболее перспективным является индивидуальный частотно-регулируемый электропривод на основе синхронных двигателей с непосредственными преобразователями частоты. Его использование позволяет эффективно уменьшать динамические нагрузки и снижать влияние большинства из перечисленных выше отрицательных факторов.

2. Показано, что при моделировании ЭМС электроприводов прокатных клетей для представления их механической части удобно использовать полную расчетную схему, каждому элементу которой соответствует определенный физический узел привода. Установлено, что для перехода к двухили трех-массовым упрощенным расчетным схемам необходимо использовать метод, основанный на определении их параметров исходя из равенства собственных частот и амплитуд главных форм колебаний исходной и упрощенной.

— 128систем. Только в этом случае гарантируется близость динамических свойств исходной и упрощенной систем. Разработаны и реализованы в виде компьютерных программ динамическая модель ЭМС привода прокатной клети с использованием полных расчетных схем и методика идентификации математических моделей ЭМС рассматриваемой группы приводов. Они позволяют расчетным путем определять величины динамических нагрузок в любом из узлов привода, а также находить значения ряда параметров приводной линии (зазоров, жесткостей связей и моментов инерции масс) с использованием ограниченного объем экспериментальных данных.

3. Исследована эффективность ряда способов снижения динамических нагрузок в нерегулируемых электроприводах прокатных клетей с двигателями переменного тока. Установлено, что эффективность снижения динамических нагрузок путем изменения жесткости участка «двигатель-редуктор» приводной линии существенно зависит от величин зазоров. Получены зависимости коэффициентов динамичности в системе от податливости участка «двигатель-редуктор» и величин зазоров. Исследована демпфирующая способность приводов черновых клетей с двигателями переменного тока. Показано, что демпфирование для существующей ЭМС клети № 5 в 3 раза меньше предельного демпфирования для данной ЭМС, что говорит о не оптимальности параметров демпферной обмотки СД с точки зрения снижения колебательности. Использование асинхронного двигателя позволяет увеличить демпфирование в 2,33 раза, однако, из-за ряда недостатков, присущих разомкнутой системе ЭП с АД, требуется серьезная экономическая оценка целесообразности такой замены. Исследована система изменения напряжения, подводимого к статору, позволяющая снизить уровень динамических нагрузок в нерегулируемых электроприводах прокатных клетей с синхронными двигателями. Получен закон изменения напряжения, обеспечивающий снижение динамических нагрузок в различных узлах привода в пределах 15 -35%.

— 130.