Введение к работе
Актуальность темы. В Российской Федерации производство стальной проволоки доходит до 10 млн. т. в год. Основными потребителями являются оборонная и шинная промышленность, стройиндустрия, подъемно-транспортные машины и др. Основные способы производства - это прокатка в многовалковых калибрах и волочение через монолитные волоки. В России насчитывается более 2 тысяч станов грубого, среднего и тонкого волочения, электрооборудование каждого включает в себя главные приводы, приводы намоточных устройств и укладчиков проволоки. В масштабах страны это можно считать массовым электроприводом. Высокая прибавочная стоимость на тонну продукции полного цикла волочильного производства от катанки до тонкой проволоки объясняется большой долей ручного труда и большими энергетическими затратами при производстве проволоки. Удельный расход электроэнергии на производство тонны готовой продукции составляет 70100 кВт*час и существенно влияет на себестоимость готовой продукции. Поэтому исследования, связанные с реконструкцией волочильного производства и направленные на повышение производительности агрегатов, снижение энергетических затрат и отходов производства являются актуальными.
Степень разработанности темы исследования. В создание и развитие теории и практики частотно-регулируемого асинхронного и синхронного электропривода значительный вклад внесли выдающиеся российские и зарубежные ученые: И.Я. Бра-славский, А.В. Виноградов, В.А. Дартау, В.И. Ключев, В.Ф. Козаченко, А.Е. Козярук, А.Я. Микитченко, О.И. Осипов, В.Н. Остритов, В.Н. Поляков, В.В. Рудаков, М.М. Соколов, Г.Г. Соколовский, В.М. Терехов, Р.Т. Шрейнер, К. Ковач, И. Рац, G.M.Asher, F. Blaschke, W. Floter, J. Holtz, W. Leonard, T. Novotny и многие другие. Большой вклад в решение задачи «синхронизированного асинхронного двигателя» (САД) внесли ученые: Р.Б. Авринский, В.П. Пригода, И.А. Селиванов, А.С. Сарваров, В.Н. Мещеряков, А.А. Соломатин, А.М. Башлыков, Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев и др. Между тем эта проблема далека от завершения.
Объект исследования - блочные станы грубого волочения стальной проволоки.
Предмет исследования - электропривод (ЭП) блочного стана грубого волочения на базе асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФ), работающего в синхронном режиме.
Идея работы заключается в переводе приводных асинхронных двигателей блоков грубого волочения в синхронный режим, при котором снижается ток статора и увеличиваются показатели энергоэффективности - коэффициент мощности и коэффициент полезного действия.
Цель диссертационной работы - увеличение показателей энергоэффективности автоматизированного электропривода блочного стана грубого волочильных на базе синхронизированного асинхронного двигателя за счет разработки на основе исследований на математических и компьютерных моделях схемных решений и алгоритмов управления.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследования: Анализ современного состояния электроприводов волочильных станов и определение перспективных направлений промышленной реализации.
Разработка математической и компьютерной моделей динамических режимов работы 3-х фазного асинхронного двигателя с фазным ротором с учетом нелинейных режимов в роторе и потерь в стали статора.
Разработка компьютерной модели синхронизированного асинхронного двигателя, учитывающая различные схемы подключения роторной обмотки от различных источников питания.
Исследование на компьютерных моделях режимов: наброс и сброс механической нагрузки; гармонические колебания нагрузки; пуск от преобразователя частоты (ПЧ); переключение двигателя на питание от сети; процесс синхронизации. Разработка алгоритмов синхронизации.
Разработка тепловой модели асинхронного двигателя для изучения температурных режимов работы статорной и роторной обмоток при различных вариантах подключения в асинхронном и синхронном режимах.
Проектирование и реализация лабораторной установки для экспериментального исследования характеристик САД.
Разработка принципиальной электрической схемы 7-блочного волочильного стана, схемных и программных решений для цепей управления на базе логических контроллеров.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теоретических основ электротехники, теории электрических машин, теории автоматического управления, автоматизированного электропривода. При разработке математических моделей и проведении имитационного моделирования использовались программные пакеты Matlab-Simulink, MathCad, ZEN-Tool, Microsoft Office Excel.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций обеспечивается научно-обоснованной постановкой задачи исследования и корректным применением современных методов математического моделирования в системах автоматизированного электропривода и подтверждается сходимостью расчетов со справочными данными по электрооборудованию, а также допустимым расхождением результатов моделирования и экспериментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая и компьютерная модель асинхронного двигателя с фазным ротором, учитывающая потери в стали статора и несимметричные режимы в цепи ротора.
-
Компьютерная модель синхронизированного асинхронного двигателя, учитывающая 2-х или 3-х проводную схему синхронизации при питании от источника напряжения или источника тока.
-
Многомассовая тепловая модель асинхронного двигателя для изучения температурных режимов работы статорной и роторной обмоток.
-
Исследования на компьютерной модели процессов синхронизации асинхронного двигателя в функции от фазы тока ротора и алгоритм управления синхронизацией.
-
Принципиальные схемы и алгоритмы управления электроприводами блочного стана грубого волочения с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками на базе синхронизированного асинхронного двигателя.
Научная новизна результатов работы:
-
Разработаны математическая и компьютерная модели асинхронного двигателя с фазным ротором, отличающиеся от известных учётом потерь в стали статора и возможностью исследования несимметричных режимов работы в цепи ротора.
-
Разработаны математическая и компьютерная модель синхронизированного асинхронного двигателя с независимым возбуждением (САД), отличающаяся от известных возможностью исследовать процесс синхронизации при питании роторной обмотки по 2-х или 3-х проводной схеме от источника тока или источника напряжения.
-
Впервые на основе динамических механических характеристик при гармонических возмущениях на компьютерной модели выполнен анализ демпфирующих способностей асинхронного двигателя и синхронизированного асинхронного двигателя.
-
Разработана 4-х массовая тепловая модель двигателя переменного тока для изучения температурных режимов статорных и роторных обмоток, отличающаяся возможностью исследования как асинхронного, так и синхронного режимов работы.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1.С использованием компьютерного моделирования доказано, что при частотах возмущения более 0,5 Гц асинхронный и синхронизированный асинхронный двигатели имеют одинаковую демпфирующую способность.
-
Разработаны для асинхронного двигателя алгоритмы синхронизации в функции фазы тока ротора, улучшающие динамические характеристики.
-
Разработанная компьютерная модель асинхронного двигателя используется в учебном процессе и рекомендуется при проектировании систем электропривода: синхронизированный асинхронный двигатель с питанием от преобразователя частоты или от сети; с несимметричным реостатным регулированием; машина двойного питания; асинхронно-вентильный каскад.
-
Разработана схема управления синхронизацией асинхронного двигателя для 3-х проводной схемы подключения в функции от фазы тока ротора;
-
Разработанная тепловая компьютерная модель двигателя переменного тока используется в учебном процессе и в проектной деятельности для расчета температуры статорных и роторных обмоток в зависимости от нагрузки двигателя и схем подключения роторных обмоток;
-
Разработана лабораторная установка для исследования системы электропривода «преобразователь частоты – синхронизированный асинхронный двигатель» (ПЧ-САД);
7. Разработана и принята к внедрению схема электропривода 7-блочного стана
грубого волочения на основе синхронизированного асинхронного двигателя с увели
ченными показателями энергоэффективности за счет повышение КПД двигателя на
2,3 %, снижение тока статора на 12 % и повышения коэффициента мощности до 1,0.
Реализация результатов. Принципиальная электрическая схема 7-блочного стана грубого волочения, схемные решения и алгоритмы управления для логических контроллеров приняты к внедрению ООО «Спецтехнологии» (г. Магнитогорск) и ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» (г. Белорецк, Башкортостан). Компьютерные модели асинхронных двигателей с фазным ротором и синхронизированных асинхронных двигателей, лабораторная установка для исследования системы ЭП ПЧ-САД используются в учебном процессе кафедрой Автоматизированного электропривода и мехатроники ФГБОУ ВО МГТУ им. Г.И. Носова.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: VII Международная (XVIII Всероссийская) конференции по автоматизированному электроприводу. АЭП 2012 (г. Иваново, 2012); 70-ая межрегиональная научно-техническая конференция (г. Магнитогорск 2012); VIII Международная (XIX Всероссийская) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2014 (г. Саранск, 2014); II Международная (V Всероссийская) конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2015); 15 международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 2015); ежегодные научно-технические конференции ФГБОУ ВО МГТУ им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск, 2012-2016 г. г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ. В том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 1 статья индексируется в международной базе цитирования Scopus, 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 4 доклада на международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 126 наименований и 3 приложений. Общий объем работы – 187 страниц. Основная часть изложена на 179 страницах текста, содержит 59 рисунков, 25 таблиц.