Ограничение динамических нагрузок электроприводов универсальных клетей непрерывной подгруппы широкополосного стана горячей прокатки Гостев Анатолий Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ динамических процессов в электромеханических системах непрерывной подгруппы стана 2000 при совместной прокатке

1.1. Оборудование непрерывной подгруппы стана 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» 13

1.1.1. Краткая характеристика стана 13

1.1.2. Оборудование универсальных клетей черновой группы 14

1.1.3. Электроприводы универсальных клетей 16

1.2. Динамические режимы тока электроприводов вертикальных валков при повторном переходном процессе 21

1.3. Анализ влияния точности регулирования скорости на характеристики переходных процессов 28

1.4. Анализ известных способов согласования скоростей вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети 29

1.5. Системы согласования скоростей электроприводов горизонтальных валков при совместной прокатке 36

1.6. Выводы и постановка задачи исследований 40

Глава 2. Разработка способов управления электроприводами, обеспечивающих снижение динамических нагрузок

2.1. Эксперимент по исследованию влияния соотношения скоростей на повторный динамический процесс электропривода вертикальной клети 45

2.2. Концептуальный подход к проблеме ограничения динамических нагрузок электромеханических систем непрерывной подгруппы 54

2.3. Способ управления процессом прокатки, обеспечивающий ограничение динамических нагрузок электромеханических систем универсальной клети 56

2.3.1. Последовательное согласование скоростей электроприводов непрерывной подгруппы 56

2.3.2. Компенсация ошибки регулирования скорости и динамической составляющей момента з

2.3.3. Техническая реализация

2.4. Система компенсации возмущающих воздействий при совместной прокатке

Глава 3. Математическое моделирование разработанных систем управления скоростными режимами электроприводов

3.1. Постановка задачи

3.2. Допущения, принятые при моделировании

3.3. Разработка математической модели

3.3.1. Математическое описание очага деформации в валках горизонтальной клети 72

3.3.2. Динамическая модель полосы в межклетевом промежутке и в промежутке между валками универсальной клети 74

3.3.3. Описание силовой части электропривода

3.4. Структурные схемы математических моделей электромеханических систем непрерывной подгруппы

3.5. Оценка адекватности моделей

3.6. Исследование влияния рассогласования линейных скоростей валков на отклонения тока при повторном динамическом процессе

3.7. Исследование способа последовательного согласования скоростей электроприводов непрерывной подгруппы

3.8. Моделирование разработанного способа ограничения динамических нагрузок электропривода вертикальных валков ВЫВОДЫ

Глава 4. Экспериментальные исследования и промышленное внедрение разработанных способов управления в черновой группе стана 2000

4.1. Описание внедренного алгоритма управления

4.2. Экспериментальные исследования способа согласования скоростей вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети

4.3. Компенсация статической ошибки регулирования скорости и динамической составляющей момента

4.4. Осциллограммы при различных соотношениях линейных скоростей валков 109

4.5. Обобщение результатов 112

4.6. Расчет экономического эффекта от внедрения результатов на стане 2000 114

Выводы 116

Заключение 119

Список литературы 122

• Оборудование универсальных клетей черновой
• Концептуальный подход к проблеме ограничения динамических нагрузок электромеханических систем непрерывной подгруппы
• Математическое описание очага деформации в валках горизонтальной клети
• Компенсация статической ошибки регулирования скорости и динамической составляющей момента

Введение к работе

Актуальность темы. Характерной особенностью широкополосных станов горячей прокатки (ШСГП) третьего поколения, эксплуатируемых на отечественных металлургических предприятиях, является объединение двух либо трех универсальных клетей в непрерывную черновую подгруппу. В результате обеспечивается снижение капитальных затрат и значительно улучшаются энергетические показатели технологического процесса. Это также способствует снижению на 10–15% усилий прокатки.

Сортамент современных ШСГП расширяется за счет производства толстых полос из труднодеформируемых марок стали, в основном, для производства труб большого диаметра. Одним из основных требований к автоматизированным электроприводам непрерывной подгруппы при производстве таких полос является ограничение динамических нагрузок универсальных клетей, возникающих как при захвате полосы, так и при повторном переходном процессе в вертикальных валках, возникающем в момент захвата полосы горизонтальными валками.

Вопросы ограничения динамических нагрузок электроприводов в момент захвата полосы изучены и освещены в трудах многих отечественных и зарубежных ученых. Вместе с тем проблемы силового взаимодействия вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети, а также вопросы взаимодействия всех клетей непрерывной подгруппы не получили необходимого исследования.

В последние годы получили развитие исследования динамического взаимодействия смежных клетей через толстую полосу. Определены режимы прокатки, при которых мгновенный подпор, формирующийся в полосе во время ее захвата валками последующей клети, воспринимается валками предыдущей клети в виде дополнительного сопротивления. В результате в линии привода возникает повторный переходный процесс, а максимальный динамический момент становится соизмеримым с пиковым моментом при захвате полосы.

Экспериментальные исследования динамических нагрузок электроприводов универсальных клетей, проведенные на стане 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), показали, что при повторном переходном процессе максимальный момент в вертикальных валках может превышать установившийся момент прокатки в 2,5–3 раза. Динамические удары приводят к выходу из строя механического и электрического оборудования, авариям по причине застревания полосы, увеличению концевой обрези.

Целью диссертационной работы является разработка комплекса научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих снижение динамических нагрузок электромеханических систем непрерывной подгруппы широкополосного стана горячей прокатки за счет согласования линейных скоростей валков последовательно расположенных универсальных клетей и компенсации возмущающих воздействий, возникающих в результате их силового взаимодействия.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных исследований с целью анализа причин возникновения недопустимых динамических нагрузок в электромеханических системах вертикальных валков при повторном переходном процессе.

2. Разработка способов и систем управления электроприводами, обеспечивающих ограничение мгновенного подпора вертикальных валков при захвате полосы горизонтальными валками. Разработка способа управления электроприводами последовательно расположенных горизонтальных клетей, обеспечивающего снижение их взаимного влияния в режиме совместной прокатки.

3. Разработка математических моделей электроприводов универсальной клети и электромеханических систем смежных горизонтальных клетей межклетевого промежутка. Исследование методами математического моделирования динамических режимов при существующих и разработанных способах управления электроприводами.

4. Промышленное внедрение разработанных систем и алгоритмов на стане 2000 ОАО «ММК». Проведение экспериментальных исследований, оценка технико-экономической эффективности.

Методика проведения исследований. В работе использованы базовые положения теории электропривода и теории автоматического управления. Теоретические исследования проводились с использованием аппарата передаточных функций, методов преобразования структурных схем и структурного моделирования. Решение отдельных задач получено путем математического моделирования в среде Matlab приложения Simulink. Экспериментальные исследования проводились на действующем прокатном стане путем прямого ос-циллографирования координат с последующей обработкой результатов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

5. Результаты экспериментальных исследований взаимосвязанных электроприводов универсальных клетей ШСГП, на основе которых определены причины недопустимых динамических бросков тока при повторном переходном процессе, достигающих 2,5-3-х кратных значений установившегося тока при прокатке.

6. Принцип управления процессом прокатки, согласно которому осуществляется выравнивание горизонтальных составляющих линейных скоростей валков предыдущей клети в режиме свободной прокатки и валков последующей клети перед захватом полосы.

7. Способ управления скоростными режимами электроприводов универсальной клети, согласно которому при свободной прокатке в вертикальных валках осуществляют регулирование угловой скорости горизонтальных валков в функции угловой скорости электропривода вертикальных валков, отношения диаметров вертикальных и горизонтальных валков, а также угла захвата полосы горизонтальными валками.

8. Способ компенсации мгновенного подпора вертикальных валков, согласно которому при захвате полосы горизонтальными валками формируют регулирующее воздействие на скорость электропривода вертикальных валков,

вычисляемое как интегральная функция разности статических токов этого электропривода при совместной и раздельной прокатке.

5. Система компенсации возмущающих воздействий при совместной прокатке в трехклетевой непрерывной подгруппе путем регулирования скоростей электроприводов горизонтальных валков первой и третьей клетей пропорционально разности заданных и фактических значений натяжений в межклетевых промежутках при постоянном задании скорости электропривода второй клети.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие снижение динамических бросков тока электропривода вертикальных валков до допустимых пределов (+15% установившегося значения) за счет применения алгоритмов, реализующих разработанные способы.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов теории электропривода, теории автоматического управления и методов математического моделирования, использованием реальных характеристик действующего оборудования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, результатами экспериментальных исследований и длительной эксплуатации внедренных систем и алгоритмов на стане 2000 горячей прокатки.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Установлены закономерности, уточняющие и корректирующие представления о взаимном влиянии электромеханических систем универсальных клетей широкополосного стана горячей прокатки в динамическом режиме, возникающем при захвате полосы горизонтальными валками.

2. Обоснован концептуальный подход к решению проблемы ограничения динамических нагрузок электромеханических систем непрерывной группы клетей прокатного стана, взаимосвязанных в процессе прокатки без петлеобразования, путем последовательного согласования линейной скорости валков каждой последующей клети, осуществляемого перед захватом полосы, и линейной скорости вращения валков предыдущей клети в режиме свободной прокатки. К таким станам относятся ШСГП, сортовые, толстолистовые и обжимные станы.

3. Разработан принцип компенсации статической ошибки регулирования скорости и динамического момента электродвигателя последующей клети, возникающего при захвате полосы, путем быстродействующего астатического регулирования скорости электропривода предыдущей клети.

4. Разработан способ управления скоростными режимами электроприводов непрерывной подгруппы ШСГП, обеспечивающий ограничение динамических нагрузок за счет согласования линейных скоростей валков последовательно расположенных (горизонтальных либо вертикальных) клетей и компенсации возмущающих воздействий, возникающих как в режиме захвата полосы последующей клетью.

Практическая ценность и реализация работы.

5. Разработана система компенсации возмущающих воздействий при совместной прокатке за счет вычисления натяжения в межклетевом промежутке и формирования регулирующих сигналов по разности заданных и вычисленных значений натяжения, которые подаются на регуляторы скорости электроприводов предыдущей и последующей клетей трехклетевой группы. При этом средняя клеть принимается в качестве базовой.

6. Разработанная динамическая математическая модель может быть использована для анализа динамических режимов и настройки автоматизированных электроприводов универсальных клетей, что имеет практическое значение для исследования технологического процесса станов горячей прокатки.

7. Разработанные способы управления скоростными режимами электроприводов реализованы в виде цифровых алгоритмов в контроллерах АСУТП черновой группы стана 2000 ОАО «ММК». Доказано, что их внедрение обеспечивает снижение динамических нагрузок электромеханических систем и ликвидацию подпора вертикальных валков при совместной прокатке.

8. Результатами внедрения являются сокращение внеплановых простоев, снижение материалоемкости и эксплуатационных затрат при расширении сортамента прокатываемых полос. Реальный экономический эффект составляет 2,1 млн. руб./год.

9. Разработанные технические решения рекомендуются для внедрения на других широкополосных, толстолистовых и сортовых станах горячей прокатки независимо от рода тока и типа электроприводов. Их преимуществом является высокая эффективность при отсутствии капитальных затрат.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 международных конференциях, в том числе: VII, VIII Международных (XVIII, XIX Всероссийских) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.), АЭП-2014 (Саранск, 2014 г.); VIII международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Москва, МЭИ, 2013); 8-й международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, ВоГТУ, 2013 г.); I Международной (IV Всеросийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» Уфа, УГНТУ, 2013; VIII Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, ТПУ, 2014 г.), а также на расширенном заседании кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «МГТУ» (сентябрь 2015 г.).

В 2014 – 2015 гг. исследования выполнялись в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности №2014/80 по теме «Разработка комплекса научно обоснованных технических решений, обеспечивающих энерго- ресурсосбережение и повышение надежности технологического оборудования металлургического предприятия».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 19 печатных трудах, в том числе 7 в рецензируемых изданиях, 2 статьи в изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. Получены патент РФ на изобретение и патент полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 182 наименований. Работа изложена на 158 страницах, содержит 42 рисунка, 18 таблиц и приложение объемом 19 страниц.

Оборудование универсальных клетей черновой

Непрерывный широкополосный стан 2000 горячей прокатки ОАО «ММК» конструкции ІіКМЗ предназначен для горячей прокатки стальной полосы шириной 1000-1850 мм, толщиной 1,2-16 мм из литых слябов толщиной 230-250 мм, длиной 10,5 м, массой до 36 т, получаемых на машинах непрерывного литья заготовок. Максимальная скорость прокатки 27 м/с, но предусмотрена возможность увеличения массы сляба до 45 т и скорости прокатки до 30 м/с. Изначально оборудование стана было предназначено для производства рулонной и листовой стали толщиной 4-16 мм из углеродистых и низколегированных марок [105, 106J.

В настоящее время на стане освоено производство заготовок для труб большого диаметра, предназначенных в основном для северных широт. С этой целью разработаны технологии производства полос толщиной 18 мм и выше из труднодеформируемых марок стали из слябовой заготовки толщиной до 300 мм [97, 99, 100 ]. Разработаны программы прокатки, которые использованы при расчете энергосиловых параметров, а также скоростных и нагрузочных режимов электроприводов [58, 106-108].

Схема технологической линии стана приведена на рис. 1.1 [109]. Заготовки прокатываются группой черновых клетей, которая состоит из горизонтальной клети «дуо» (№1) и пяти универсальных клетей «кварто» (№2 -№6), причем три последние клети объединены в непрерывную подгруппу. На входе черновой группы стана установлен вертикальный окалиноломатель с диаметром валков 1200 мм; на горизонтальных двухвалковых клетях установлены валки диаметром 1400 мм; на универсальных клетях установлены вертикальные валки диаметром 1000 мм и горизонтальные валки диаметрами рабочих 1180 мм и опорных 1600 мм [9, 105]. Участок Участок Участок черновоіі группы чистовой группы охлаждения и смотки

Черновая горизонтальная двухвалковая клеть №1 является первой клетью для обжатия сляба по толщине (на 50-70 мм), максимальное давление металла на валки 2400 тс, максимальный момент прокатки 480 тс-м (4700 кН-м); скорость прокатки 1,25 м/с. Валки установлены в подшипниках жидкостного ірения и приводятся во вращение от синхронного электродвигателя мощностью 5000 кВт, с номинальной скоростью 375 об/мин через редуктор и шестеренную клеть.

В зависимости от сечения прокатываемых полос толщина подката после черновой группы составляет 30-45 мм. В зависимости от марки стали, температуры нагрева сляба в печах, исходной толщины сляба и толщины подката температура его должна составлять 1070-1100С. На выходе черновой группы измеряется ширина полосы. Промежуточный рольганг оснащен тепловыми экранами типа "эыкопанель" и карманом разделки иедокатов. Максимальная скорость прокатки в последней черновой клети достигает 5 м/с. Суммарная мощность двигателей главных электроприводов черновых клетей составляет 47800 кВт.

Черновые универсальные четырехвалковые клети №№ 2-6 (рис. 1.2) -одинаковые по конструкции. Горизонтальные рабочие валки клетей №2-3 имеют привод от синхронного электродвигателя, через редуктор с передаточным числом 15,4 и шестеренную клеть; скорость прокатки до 1,5 м/с. Рис. 1.2. Черновая универсальная четырехвалковая клеть 1200/1600x2000

Опорные валки всех клетей установлены на подшипниках жидкостного трения рабочие - на подшипниках качения. Под подушками опорных валков установлены месдозы для измерения давления на валки при прокатке.

Клеть вертикальных валков установлена перед четырехвалковой клетью. Диаметр валков 1000 мм, длина бочки 470 мм; валки приводятся от электродвигателя мощностью 640 кВт, 700 об/мин через редуктор, расположенный наверху клети, и вертикальные шпиндели.

Универсальные четырехвалковые клети №4, 5 и 6 представляют собой непрерывную группу, расстояние между клетями 12 м (рис. 1.3). Черновая полоса (подкат из сляба) одновременно прокатывается во всех трех клетях и при толщине 30-50 мм поступает на промежуточный рольганг для "выравнивания" температуры по длине. :-5 м с

Применение непрерывной группы из трех черновых клетей вместо последовательного расположения их на большом расстоянии друг от друга имеет следующие преимущества: - уменьшаются длина черновой группы стана на 40-50 м, длина здания цеха и длина промежуточных рольгангов; уменьшается стоимость здания и оборудования стана; - улучшается температурный режим прокатки, т.к. обеспечивается меньшее понижение температуры металла за счет сокращения длины роль гангов и возможности регулирования скорости прокатки (в пределах от 0,5 до 1,75 м/с в клети №4 и до 2,5-3,5 м/с в клети №6).

Концептуальный подход к проблеме ограничения динамических нагрузок электромеханических систем непрерывной подгруппы

В работах [147, 148] представлены результаты подробного анализа литературных источников до данной проблеме. Отмечено, что изучению природы возникновения и характеристик переходных процессов, в частности колебаний, упруго-массовых систем прокатных клетей посвящен ряд монографий, большое количество статей отечественных и зарубежных исследователей и некоторые диссертационные работы [38, 39].

Среди наиболее близких отечественных разработок следует выделить способ регулирования екороети электроприводов реверсивного прокатного стана (слябинга) с вертикальными и горизонтальными валками согласно авторскому свидетельству СССР №1360834 [119].

Согласно данному способу, с целью уменьшения поломок оборудования вертикальной клети и сокращения простоев стана, выравнивают окружные скорости валков последующей клети со скоростью металла, выходящего из валков предыдущей клети до захвата металла валками следующей клети. Для этого воздействуют на электропривод вертикальных валков: при прокатке от вертикальной клети к горизонтальной в функции разности текущего значения статического тока электропривода вертикальных валков и среднего его значения за время раздельной прокатки; при прокатке от горизонтальной клети к вертикальной - в функции разности текущего значения статического тока электропривода вертикальных валков и прогнозированного статического тока, величину которого вычисляют по формуле: где Я] - высота раската в четном проходе (прокатке от горизонтальных валков к вертикальным); Ah- - суммарное обжатие в горизонтальных валках за нечетный и четный проходы; АВ - изменение раствора вертикальных валков; / "], К2 - коэффициенты, полученные методом регрессионного анализа при обработке экспериментальных данных, удовлетворяющие условию: А;, є(190 210),/ (0,17-5-0,22). После захвата металла валками вертикальной клети поддерживают статический ток электропривода валков этой клети на прогнозированном уровне.

Схема устройства, реализующего способ управления вертикальными и горизонтальными валками, согласно [119]: I, 2 - электроприводы горизонтальных и вертикальных валков; 3, 14 - датчики частоты вращения горизонтальных и вертикальных валков; 4, 15 - блоки управления электропри водами горизонтальных и вертикальных валков; 5, 19 - датчики статического тока; 6, 9, II, 16, 20 - ключи; 7, 17 - множительно-делительные блоки; 8 - блок установки соотно шения диаметров валков; 10 - блок памяти; 12, 13, 21, 22 - сумматоры; 23, 24 - датчики раствора горизонтальных и вертикальных валков; 25 - вычислительный блок; 26 - блок задания; 27 - блок выделения четности прохода; 28, 29 вертикальные и горизонтальные валки; 30 - нажимное устройство В нечетном проходе (от вертикальных валков к горизонтальным) скорость металла, выходящего из вертикальных валков, равна окружной скорости вертикальных валков, так как величина опережения металла в вертикальных валках пренебрежимо мала, а для обеспечения безударного захвата металла горизонтальными валками необходимо, чтобы окружная скорость горизонтальных валков равнялась скорости металла В процессе одновременной прокатки металла в вертикальных и горизонтальных валках усилие совместной прокатки регулируется воздействием на электропривод вертикальных валков в функции разности между текущим и прогнозированным значениями статического тока этого электропривода.

В нечетном проходе до захвата металла горизонтальными валками 29 сигнал с выхода блока 26 поступает на вход блока 27 выделения четности прохода и через сумматоры 12 и 21 - на входы блоков 4 и 15 управления электроприводами валков.

Сигнал с выхода блока 27 открывает ключ 6 и закрывает ключ 16, обеспечивая равенство окружных скоростей валков, так как на вход блока 4 управления электроприводами горизонтальных валков поступает сигнал с датчика 14 частоты вращения вертикальных валков через блок 8 установки соотношения диаметров валков, множительно-делительный блок 7, ключ, 6 и сумматор 12. В блок 10 памяти через ключ 11 заносится среднее значение статического тока раздельной прокатки электропривода 2 вертикальных валков. После захвата металла горизонтальными валками по сигналу датчика 5 статического тока электропривода 2 горизонтальных валков открывается ключ 9 и закрывается ключ 11.

Работа устройства в четном проходе рассмотрена в описании изобретения [119]. Там же обоснована техническая эффективность его применения.

Аналогичные способы защищены патентами Украины [129, 130]. Так, в [129] утверждается, что прогнозирование статического тока вертикальных валков, предложенное в [119], в реальных условиях эксплуатации связано со значительными ошибками из-за разброса температурных режимов, химического состава сталей, величин обжатий и др. Это приводит к непроизводительным нагрузкам, вызванным усилиями подпора (в случае ошибки прогнозирования в меньшую сторону) или натяжения (в случае ошибки прогнозирования в большую сторону).

Для устранения указанного недостатка предложено обеспечивать согласование скоростей вращения электроприводов горизонтальных и вертикальных валков и поддержание моментов в механических узлах и соединениях приводов вертикальной и горизонтальной клетей на уровнях, соответствующих условию свободной прокатки. Регулирование осуществляют в функции статического тока.

Для осуществления способа при движении металла от вертикальных валков к горизонтальным определяют среднее значение статического тока электропривода вертикальных валков до захвата металла валками последующей горизонтальной клети. Во время одновременной прокатки металла в вертикальных и горизонтальных валках воздействуют на электропривод вертикальных валков, поддерживая при этом статический ток электропривода вертикальных валков на уровне определенного среднего значения. При одновременной прокатке металла в вертикальных и горизонтальных валках воздействие на электропривод вертикальных валков устанавливают пропорциональным разности между запомненным средним и текущим значением статического тока электропривода вертикальных валков.

Функциональная схема устройства, реализующего данный способ, представлена на рис. 1.12. При прокатке металла от вертикальной клети к горизонтальной первой принимает металл вертикальная клеть. После устойчивого захвата металла вертикальными валками и до захвата металла горизонтальными валками определяют среднее значение статического тока вертикальных валков

Математическое описание очага деформации в валках горизонтальной клети

На этих осциллограммах отсутствуют колебания токов (моментов) электроприводов в переходных режимах захвата, повторного динамического процесса и выпуска полосы. Поскольку задача исследования влияния упругих колебаний и зазора на характер переходного процесса в работе не ставится, данное допущение является обоснованным.

При разработке модели не учитывается влияние САРНН и системы автоматического регулирования толщины с электромеханическими нажимными устройствами. Это объясняется тем, что существующая САРНН вступает в работу после захвата полосы горизонтальными валками следующей по ходу прокатки клети. Поэтому она не оказывает влияния на характер переходных процессов в повторном динамическом режиме. Это подтверждается осциллограммами, представленными на упомянутых выше рисунках.

Неучет действия нажимных устройств является допустимым, т.к. в черновой группе не предусмотрено регулирование толщины изменением зазора валков в процессе прокатки. Поэтому их влияние достаточно учесть в математическом выражении жесткости клети в модели очага деформации. Система автоматического регулирования толщины, действующая в чистовой группе стана 2000, усовершенствованная при непосредственном участии автора, рассмотренав [169],

При разработке моделей электроприводов клетей с питанием обмоток якоря от тиристорного преобразователя используются общепринятые допущения [170-172]: - тиристорний преобразователь рассматривается как управляемый эквивалентный генератор ЭДС с внутренним активным сопротивлением и внутренней индуктивностью, не зависящими от нагрузки; ток двигателя считается непрерывным; пульсирующие составляющие ЭДС и тока двига теля не учитываются; выпрямленная ЭДС преобразователя пропорцио нальна управляющему воздействию на входе его системы управления. Та ким образом, тиристорный преобразователь совместно с системой им пульсно-фазового управления рассматривается как апериодическое звено первого порядка, коэффициент которого равен коэффициенту усиления ти ристорного преобразователя; - приводные двигатели электроприводов вертикальных и горизонтальных валков представлены нагрузкой с противо-ЭДС и внутренними активными сопротивлениями и индуктивностями, не зависящими от нагрузки. Влияние реакции якоря двигателя на возбуждение, а также действие вихревых токов не учитываются; - механическая часть рассматривается как абсолютно жесткая приведенная одномассовая система с постоянной величиной момента инерции.

Очевидно, что справедливость принятых допущений может быть проверена только экспериментальным путем на действующем прокатном стане. В связи с этим по окончании разработки модели необходима проверка ее адекватности исследуемому объекту.

При разработке математической модели трехклетевой группы использована кинематическая схема, представленная на рис. 1.4 в гл. 1. Модель такой структуры должна иметь входные воздействия в виде напряжений управления на входе тиристорных преобразователей, шесть выходных координат: скорости полосы на выходах из вертикальных и горизонтальных валков, натяжение (подпор) в межклетевых промежутках и два возмущающих воздействия: заднее натяжение в первом очаге и переднее натяжение в последнем очаге деформации. Внутри структуры модели все логически связанные части должны иметь входные и выходные координаты, согласующиеся между собой в количественном соотношении.

Далее рассматриваются разработанные математические модели отдельных систем исследуемой непрерывной подгруппы стана 2000.

Математическая модель очага деформации может быть разработана на основе закона сохранения энергии, интерпретация которого для процесса прокатки предложена В.Н. Выдриным в виде [173]: К + Nr - NQ = N(}l + Nvd + N„ + A ,, + A (3.1) где /V; - мощность, подводимая к очагу деформации со стороны электропри вода валков; NT мощность, подводимая к очагу деформации тянущим усили ем через передний конец проката; NQ - мощность, подводимая к очагу дефор мации подпором (натяжением) через задний конец проката; Мф - мощность, затрачиваемая на формоизменение (вытяжку) металла; Л мощность, рас ходуемая на упругую деформацию проката в очаге деформации; N„, мощ ность сил трения скольжения на контактной поверхности металла с валками; NM мощность, затрачиваемая на создание дополнительных деформаций (сдвигов), обусловленных формой очага деформации; Ndp другие виды мощ ностей (на изменение кинетической энергии обрабатываемого проката и др.), удельный вес которых в балансе мощностей не превышает 2-3%. Мощность, подводимая к очагу деформации от двигателя валков, определяется согласно выкладкам, представленным в [174, 175], в виде

Компенсация статической ошибки регулирования скорости и динамической составляющей момента

Исследования разработанного способа согласования скоростей электроприводов последовательно расположенных (вертикальных либо горизонтальных) клетей непрерывной подгруппы, рассмотренного в п. 2.3.1, проводились путем поочередных расчетов процессов, происходящих в электромеханических системах каждой универсальной клети с использованием модели, представленной на рис. 3.5. Далее полученные результаты вводились в качестве исходных данных в модель электромеханических систем горизонтальных валков межклетевого промежутка (рис. 3.4). Это обеспечило возможность анализа процессов прокатки без разработки универсальной модели всей непрерывной подгруппы, что, как отмечалось выше, является трудоемкой самостоятельной задачей.

Результаты моделирования процесса прокатки при реализации способа представлены на рис. 3.10.

После входа полосы в вертикальные валки клети №4 (момент 1т4) возникает просадка ее скорости Ав4 от 0,78 м/с до 0,753 м/с. Согласно разработанному способу выполняется расчет коррекции скорости горизонтальных валков АК:,4 пропорционально произведению скорости вертикальных валков в4 на отношение диаметров вертикальных и горизонтальных валков с учетом угла захвата полосы горизонтальными валками, согласно зависимости (2.2). По рассчитанному значению в момент времени lKl.4 происходит повышение скорости горизонтальных валков этой клети. После входа полосы в горизонтальные валки возникает статическая просадка скорости Л г4 от 1,01 м/с до 0,99 м/с.

Далее при свободной прокатке в горизонтальных валках клети №4 (при движении полосы в межклетевом промежутке от горизонтальных валков клети №4 к вертикальным валкам клети №5) осуществляется коррекциия скорости вертикальных валков клети №5 пропорционально скорости горизонтальных валков ,;4 и отношению диаметров горизонтальных и вертикальных валков. В момент времени (К1;5 происходит увеличение скорости вертикальных валков этой клети на величину Л т5.

После входа полосы в вертикальные валки клети Ш5 (момент tm5) возникает просадка скорости от 1,21 м/с до 1,19 м/с. Выполняется расчет корректирующего значения скорости горизонтальных валков \кг5 согласно зависимости (2.2), после чего в момент времени tlu5 происходит разгон горизонтальных валков этой клети. После входа полосы в горизонтальные валки возникает просадка скорости Л г5 от 1,63 м/с до 1,61 м/с.

Результаты моделирования предлагаемых алгоритмов управления электроприводами клетей: tHe4, t„e5, (неб - моменты захвата вертикальными валками клетей №№4, 5, 6; (нг4 інг5 нгб - моменты захвата горизонтальными валками клетей №№4, 5, 6, W. 1кв5, 1кеб - моменты начала коррекции скорости в вертикальных валках; Ьеэб 1кг5, tKS6 - моменты начала коррекции скорости в горизонтальных валках. Аналогичные процессы происходят в моменты входа полосы в вертикальные и горизонтальные валки клети №6. В качестве отличия принято то, что до заправки полосы скорость Уг6 горизонтальных валков была установлена выше требуемой при совместной прокатке. Поэтому в момент времени 1кг6 происходит корректирующее снижение (а не увеличение, как в клети №5) скорости горизонтальных валков на величину Л Укгв.

Анализ результатов исследований, выполненных на математической модели, подтвердил, что предложенный способ управления процессом прокатки обеспечивает автоматическое согласование линейной скорости валков каждой последующей (горизонтальной либо вертикальной) клети и скорости выхода полосы из предыдущей клети. За счет последовательной коррекции обеспечивается установка наиболее точного соотношения скоростей валков перед захватом полосы, что должно обеспечить улучшение динамических процессов. Ниже рассматриваются результаты исследования переходных процессов электроприводов вертикальных и горизонтальных валков при захвате полосы горизонтальными валками. 3.8, Моделирование разработанного способа ограничения динамических нагрузок электропривода вертикальных валков

Моделирование повторного динамического процесса в электроприводах вертикальных и горизонтальных валков универсальной клети выполнялось с использованием разработанной математической модели, схема которой представлена на рис. 3.4. На первом этапе исследовались процессы при реализации способа, осуществляющего последовательное согласование скоростей электроприводов непрерывной подгруппы, рассмотренного в п. 2.3.1. Результаты представлены нарис. 3.11. Далее выполнялось моделирование способа компенсации динамической составляющей момента, рассмотренного в п. 2.3.2, результаты представлены нарис.