Введение к работе
Актуальность работы определяется значительной динамической загруженностью электромеханических систем главных приводов черновой группы клетей непрерывных широкополосных станов горячей прокатки, приводящей к преждевременному износу и поломкам оборудования. Следствием этого является возрастание количества аварийных простоев станов, эксплуатационных расходов, а также снижение производительности и долговечности механизмов клетей, ухудшение качества прокатываемой полосы.
В основе нерегулируемого электропривода (ЭП) переменного тока черновых клетей используют мощные высоковольтные синхронные двигатели с демпферной обмоткой, так как они обладают рядом преимуществ над асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока. Существующие системы синхронных электроприводов черновых клетей с прямым подключением обмотки статора к питающей сети и типовыми автоматическими системами управления возбуждением не позволяют осуществлять ограничение возникающих в процессе прокатки металла динамических нагрузок, обусловленных жесткой механической характеристикой синхронного двигателя. Однако в настоящее время происходит стремительное развитие высоковольтной полупроводниковой техники, поэтому актуальным является переход к регулируемым системам управления мощным синхронным двигателем черновой клети на основе преобразователя частоты. Несмотря на то, что синтезу оптимальных систем векторного частотного управления посвящено большое количество работ, они характеризуются сложными алгоритмами расчета переменных, зависящих друг от друга. Использование математической модели синхронного двигателя, учитывающей нелинейность магнитной цепи, дает возможность уточнить алгоритм работы системы векторного управления, позволяющей улучшить динамические и энергетические характеристики электропривода черновой клети.
Ввиду высокой стоимости данного класса преобразователей частоты, их широкое применение ограничено, и актуальной задачей остается исследование и совершенствование существующих систем регулирования возбуждения синхронного двигателя прокатной клети, которые позволят снижать динамические нагрузки в электромеханической системе привода клети.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».
Цель работы - совершенствование системы регулирования синхронного электропривода путем разработки новых схемных решений, позволяющих
управлять скоростью и моментом двигателя для снижения динамических нагрузок в электромеханической системе черновой клети стана горячей прокатки.
Идея работы заключается в разработке системы синхронного электропривода с прямым подключением обмотки статора к питающей сети, а обмотки возбуждения к двухполярному возбудителю, и системы на основе преобразователя частоты, обеспечивающих автоматическое регулирование тока возбуждения при резком изменении нагрузки на валу двигателя в циклическом режиме процесса прокатки металла.
Задачи работы:
анализ динамических свойств синхронного электропривода черновой прокатной клети;
построение математической модели, описывающей динамические процессы привода черновой клети с синхронным двигателем;
разработка системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя, позволяющей снизить динамические нагрузки в элементах привода в момент захвата металла валками клети;
синтез системы частотного векторного управления синхронным электроприводом прокатной клети с улучшенными динамическими характеристиками;
разработка энергосберегающей векторной системы управления синхронным электроприводом черновой клети, адаптированной к изменению нагрузки на валу двигателя в широком диапазоне;
оценка эффективности использования систем регулирования мощного высоковольтного синхронного электропривода черновой клети.
Научная новизна:
- разработано устройство, позволяющее снизить динамические нагрузки
в электромеханической системе привода черновой клети во время захвата ме
талла валками, отличающееся от известных алгоритмом работы, который за
ключается в реверсе тока возбуждения синхронного двигателя за счет измене
ния величины и полярности напряжения возбуждения, увеличении угла нагруз
ки, закрытии зазора в кинематической цепи, увеличении электромагнитного
момента, с последующей кратковременной форсировкой напряжения возбуж
дения;
- предложена система векторного частотного управления синхронным
электроприводом прокатной клети, отличающаяся способностью управлять ве
личиной зазора в кинематической цепи за счет регулирования частоты вращения
синхронного двигателя;
- разработан способ повышения энергетических показателей частотного
синхронного электропривода с векторной системой управления, основанный на
адаптации параметров регулятора тока возбуждения системы управления к ве
личине нагрузки на валу двигателя.
Практическая значимость:
разработанное устройство регулирования возбуждения ограничивает динамические нагрузки в элементах кинематической цепи привода клети;
предложенный адаптивный регулятор тока возбуждения для системы частотного синхронного ЭП снижает уровень потребления электроэнергии.
Объект и методы исследования:
Объектом исследования являлась система управления электропривода черновой клети на базе синхронного двигателя. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались теория автоматического управления, теория электрических машин, а также методы математического моделирования и экспериментального подтверждения. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ Simulink.
Достоверность результатов и выводов подтверждена математическим обоснованием разработанных зависимостей и синтезированных моделей, сопоставимостью результатов моделирования с результатами расчетов и экспериментальными данными, полученными в производственных условиях ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК), а также сопоставимостью полученных результатов с положениями теории электропривода.
Реализация результатов работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в УАСУТП ЦАТП ОАО «НЛМК» и внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 7-ой международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк 2010); на XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименование, и 4 приложений. Общий объем работы - 179 страниц. Основная часть изложена на 147 страницах текста, содержит 59 рисунков, 6 таблиц.
