Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ направлений модернизации электроприводов машин центробежного литья валков .9
1.1. Оценка состоянии электроприводов современных литейных центробежных машин горизонтального типа 9
1.2. Тенденция развития центробежного литья валков на примере ЗАО «МРК» ОАО «ММК» 11
1.3. Технология центробежного литья 14
1.4. Особенности построения электрооборудовании литейного агрегата, действующего в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» 18
1.5. Уточнение требований к электроприводу центробежной машины 23
1.6. Основные задачи диссертационной работы 28
Выводы 29
ГЛАВА 2 . Разработка методики расчета мощности приводных двигателей 30
2.1. Определение инерционных параметров электропривода центробежной машины 30
2.1.1. Расчет момента инерции кокилей 30
2.1.2. Расчет момента инерции роликов 33
2.1.3. Расчет суммарного момента инерции установки 34
2.2. Определение мощности электродвигателей центробежной машины .36
2.2.1. Расчет динамических параметров 36
2.2.2. Методика расчета и выбора электродвигателей по мощности 39
2.3. Определение момента буксовки электродвигателей 44
Выводы 48
ГЛАВА 3. Разработка и описание системы электропривода центробежной машины 49
3.1. Технико-экономическое обоснование выбора системы элекгронривола 49
3.2. Основные положения по системе АВК 61
3.3. Выбор режима работы вентильного каскада 63
3.4. Разработка структурной схемы устройства 66
3.5. Выбор закона управления инвертором 69
3.6. Расчет механических характеристик АВК 72
Выводы 80
ГЛАВА 4. Разработка математической модели двухдвигательной системы авк и иследование пуско-тормозных режимов 82
4.1. Разработка структурной схемы .модели АД 82
4.2. Разработка структурной схемы установки в режиме разгона и торможения противовключением 89
4.3. Математическая модель выпрямительного моста 95
4.4. Математическая модель инвертора 100
4.5. Исследование расчетных осциллограмм и онтимизании режимов работы привода 103
4.6. Исследование прямого пуска электродвигателей установки 110
4.7. Сравнение энергетических показателей гидросистемы и двух-двигателыюго АВК 113
Выводы 116
Заключение 117
Литература 119
Приложение 125
- Особенности построения электрооборудовании литейного агрегата, действующего в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК»
- Определение мощности электродвигателей центробежной машины
- Разработка структурной схемы устройства
- Математическая модель выпрямительного моста
Введение к работе
Мировая практика показывает, что за последнее десятилетие в связи с введением в производство высокопроизводительных прокатных станов для выпуска качественного листового и сортового проката из легированных марок стали резко возросли требования к характеристикам валков. Для энергоемких металлургических предприятий проблемы, связанные с повышением качества отливаемых валков, сроком их службы, а также экономией энергоресурсов и дорогостоящих материалов являются наиболее актуальными на сегодняшний день, поскольку характеризуют конкурентоспособность последних на мировом рынке [1].
Годовой объём литейного производства в мире превышает 80 млн. т., из которых около 25% приходится на Россию [2]. Из всех производимых литых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность — 20%, производство санитарно-технического оборудования — 10%). Литые детали используют в металлообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, сельскохозяйственных машинах, автомобилях, тракторах, локомотивах и вагонах. Значительный объём литых изделий, особенно из цветных сплавов, потребляют авиация, оборонная промышленность, приборостроение.
Широкое применение оіливок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовых изделий, чем форму заготовок, производимых другими способами, например ковкой [3]. Это значительно уменьшает расход металла, сокращает затраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могут быть изготовлены изделия практически любой массы, со стенками толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких метров. Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий и легированный чугун (до 75%) всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) и
цветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталей непрерывно расширяется.
Большинство металлургических предприятий, таких как ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», наряду с обычной методикой статического литья заготовок, применяют технологию центробежного литья [3, 4]. Отливки, полученные подобным методом, по сравнению с отливками, полученными другими способами, обладают повышенной плотностью во внешнем слое. Этот способ литья широко распространён в промышленности при получении прочных и высококачественных отливок со свободной поверхностью — листопрокатных валков, чугунных и стальных труб, колец, втулок и т. п. В зависимости от положения оси вращения форм различают горизонтальные и вертикальные литейные центробежные машины. Для отливки листопрокатных валков наиболее оптимальными являются машины горизонтального типа [5].
До настоящего времени, практически монопольно, для привода механизма вращения центробежных машин применялся электропривод постоянного тока, который по своим стоимостным и массогабаритным показателям, а также эксплуатационным характеристикам уступает электроприводу переменного тока [6]. Ввиду ограниченных регулировочных возможностей электродвигателей переменного тока, в электроприводах центробежных машин они практически не применялись. Только в настоящее время, когда началось массовое внедрение современной преобразовательной техники для регулирования в электроприводах переменного тока, появилась возможность реализации электроприводов центробежных машин для литья валков на переменном токе.
Как промежуточный вариант, достаточно широкое применение на этих установках имеет гидропривод [7]. Данный тип привода, являясь высокотехнологичным, имеет ряд недостатков, среди которых следует отметить такие, как повышенный расход электроэнергии в системе гидропривода и отсутствие возможности рекуперации запасенной кинетической энергии
обратно в сеть. Переход к управляемому электроприводу переменною тока позволит существенно повысить энергетическую эффективность производства валков. Кроме того, данный тин привода, полностью отвечая всем требованиям технологического процесса, является более простым и надежным, а, следовательно, менее затратным при внедрении и обслуживании [8].
В этой связи на кафедре «Электроника и микроэлектроника» Магнитогорского государственного технического университета совместно с ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» с учетом технологических требований, предъявляемым к приводу установки, ведутся работы по реконструкции механизма вращения приводных роликов центробежной машины с целью перехода от существующей гидросистемы к электроприводу переменного юка на базе двух асинхронных двигателей с фазным ротором по схеме асинхронный вентильный каскад [9].
. Наряду с другими способами реализации частотного управления, схем машин двойного питания, а также вентильных двигателей система АВК является наиболее простой и легко реализуемой, обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости [10]. Теория асинхронных вентильных каскадов достаточно глубоко разработана, значительный вклад в ее развитие внесли в свое время такие ученые как Ф. И. Бутаев, Е. Л. Эттингер, Д. Н. Завалишин, А. С. Сандлер, Г Б. Онищенко и др. Принципы построения вентильных электроприводов подробно рассмотрены в работах А. С. Сарварова на примере скиповых подъемников.
В первой главе диссертации проведен анализ существующих на сегодняшний день способов реализации приводов центробежных машин горизонтального типа, а также на основе технологии центробежного литья [4] сформулированы основные требования, предъявляемые к подобным установкам. Представлены основные положения по реконструкции центробежной машины, действующей в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК», с целью перехода от существующей гидросистемы к электроприводу
переменного тока. В завершении этой главы определены основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведена методика расчета инерционных параметров системы, в частности, суммарного момента инерции, прикладываемого к электродвигателям. Также определены основные динамические показатели привода установки при работе в режимах покраски кокиля и заливке металла рабочего слом. Разработана инженерная методика расчета и выбора»мощности электродвигателей с учетом их перегрузочной способности. В данной главе уделяется внимание вопросам фрикционной связи между роликами и кокилем, а также выбору оптимального теплового режима работы электродвигателей, исключая возможность их перегрева и выхода из строя при длительных циклах работы, например, на этапе заливки.
В третьей главе подробно рассмотрены и экономически обоснованы варианты реализации электропривода центробежной машины, с точки зрения рационального электропотребления и возможности рекуперации энергии при торможении противовключением. Представлена оригинальная силовая схема двух-двигательного привода по схеме ЛВК, позволяющая повысить энергетическую эффективность производства валков, а также обеспечить синхронную работу механизма вращения приводных роликов центробежной машины. На основе анализа произведен выбор энергетических режимов работы литейного агрегата, а, следовательно, и алгоритмов управления преобразователем. Установлено, что наиболее оптимальными для привода центробежной машины являются алгоритмы несимметричного управления, позволяющие значительно уменьшить величину потребляемой из сети реактивной мощности [11]. Выполнен расчет по определению основных энергетических соотношений АВК, а также механических характеристик двигателей при различных углах управления инвертором, ведомым сетью.
Четвертая глава посвящена моделированию системы электропривода центробежной машины в среде MatLab версии 6.5. На основании математических уравнений разработаны структурные схемы двух-
*
двигательного АВК, как для режима разгона, так и для торможения противовключением. Получены расчетные осциллограммы для динамических, а также установившихся процессов работы установки за весь технологический цикл. Установлено, что разработанная система электропривода позволит снизить электропотребление центробежной машины на 35%, тем самым, подтверждая актуальность реконструкции литейного агрегата в условиях действующего производства.
Практическое внедрение результатов диссертационной работы осуществлено в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» на центробежной машине горизонтального типа для отливки листопрокатных валков (Приложение 1).
Особенности построения электрооборудовании литейного агрегата, действующего в цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК»
В цехе изложниц ЗАО «МРК» ОАО «ММК» производятся заливки листопрокатных валков для станов горячей прокатки с использованием центробежной машины горизонтального типа. Обобщенное схематическое изображение литейной установки в совокупности с изложницей для заливки металла представлено на рис.1.2, где:
Rk - внутренний радиус бочки кокиля,
R - внешний радиус кокиля,
/?3" внутренний радиус шейки кокиля,
Rp - радиус ролика,
Lk - длина бочки кокиля,
Lk - общая длина кокиля,
Lp - длина ролика,
Рис. 1.2. Схематическое изображение кокиля и роликов центробежной машины L - расстояние между роликами.
В состав машины входят четыре ролика, два из которых являются приводными, а два - направляющими.
Массогабаритные размеры кокилей и роликов приведены в табл. 1.1.
Вращение приводных роликов центробежной машины осуществляется двумя гидравлическими двигателями, которые питаются от одной гидросистемы. Давление в ней создается гидронасосом, электропривод которого реализован на базе асинхронного двигателя мощностью 250 кВт (номинальное напряжение 0,4 кВ, ток статора 350 А). Следует отметить, что практически вся потребляемая из сети электроэнергия в технологическом цикле преобразуется на данной установке в кинетическую энергию вращающихся масс (опорные ролики, кокиль и металл, заливаемый в него), а также на поддержание давления в гидросистеме.
Гидравлическим тяговый агрегат состоит из масляного резервуара, который выполнен из листовой стали объемом 400 литров. Технические данные и характеристика гидравлического агрегата представлены в табл. 1.2.
Регулировка давления в системе - электромоторная. Электромотор на регуляторе через редуктор и шпиндель изменяет поворот наклонной пластины, тем самым, изменяя объем гидравлической жидкости, подводимой к гидромоторам, а, следовательно, и частоту вращения роликов установки. В процентном соотношении углу поворота регуляционной пластины, составляющему 27%, соответствуем скорость вращения роликов, равная to = 400 об/мин, а для 75%-скорость со -1200 об/мин.
При проведении ремонтных работ допускается использование только оригинальных запасных частей. Все запчасти и уплотнители поставляются фирмой LA&CO. d.o.o., представительство BOSII REXROTH AG. В состав центробежной машины в качестве дополнительного оборудования включены следующие электропривода, технические характеристики которых представленные в табл.1.3.
Определение мощности электродвигателей центробежной машины
Теоретический расчет мощности двигателей в случае использования электрического привода роликов центробежной машины производился для двух этапов: покраски кокиля и заливки металла основного слоя (см. рис. 1.3).
При разгоне кокиля установившаяся скорость вращения роликов составляет 400 об/мин (41,89 рад/с) - для процесса покраски и 1200 об/мин (125,67 рад/с) - на этапе заливки. Определим величину динамического момента, прикладываемого к двигателям во время разгона изложницы. Для этого необходимо воспользоваться уравнением движения электропривода [21]:
Mdllll=Jnp- , (2.30)
где Jnp - приведенный момент инерции кокиля и роликов без учета металла рабочего слоя. Поскольку разгон кокиля происходит с постоянным угловым ускорением, справедливо следующее выражение:
(ор - установившееся значение скорости вращения вала двигателя после
разгона, (о - начальная скорость вращения, tpa3C - время разгона.
Так как разгон изложницы начинают с нулевой скорости, следовательно со =0. Минимальное время разгона кокиля перед покраской обычно составляет 65 секунд, а время разгона кокиля перед заливкой металла рабочего слоя обычно достигает 190 секунд.
Учитывая то, что при заливке основного слоя масса кокиля увеличивается на величину добавленного металла, необходимо определить усилие, которое будет приложено к кокилю со стороны двигателей для поддержания постоянной скорости. Определим момент инерции кокиля после заливки металла:
Темпы разгона и торможения установки на этапе покраски и заливки являются идентичными, что характеризуется постоянством и неизменностью моментов для обоих случаев. После заливки металла рабочего слоя и окончания процесса кристаллизации торможение изложницы осуществляется также с постоянным угловым ускорением, но за время / = 5- 6 минут, что примерно в два раза больше времени разгона кокиля до рабочей частоты вращения.
При расчете тормозного момента роликов после процедуры заливки в формуле (2.30) необходимо учесть приведенный момент инерции установки с учетом металла рабочего слоя, залитого в кокиль: " » чпор.м где tmopu - время торможения кокиля до полной остановки после заливки металла рабочего слоя. В результате расчетов были получены и сведены в табл.2.1 соответствующие показатели, характеризующие величину суммарного динамического момента, прикладываемого к двум электродвигателям при различных режимах работы центробежной машины. Таблица 2.1 Расчетные динамические показатели центробежной машины Режим Покраска кокиля (М, Н м) Разгон (торможение)кокиля до (после)заливки металла(М, Нм) І Іроцесс заливки (М, Нм) Разгон 847 847 185 Торможение 570 570 нет При получении этих результатов не учитывались момент инерции самих электродвигателей и потери в двигателе. Однако, принимая во внимание тот факт, что масса кокиля во много раз превышает массу ротора двигателя, то при предварительных расчетах ею можно пренебречь [22].
Разработка структурной схемы устройства
Для реализации проекта по реконструкции центробежной машины предложены новые схемные решения построения силовой части электропривода, которые позволяют максимально удовлетворить требованиям, предъявляемым к приводу установки. На рис.3.6 приведена силовая схема разрабатываемого электропривода машины центробежного литья валков на базе двух асинхронных электродвигателей с фазным ротором по системе асинхронный вентильный каскад.
Особенностью построения данной схемы, является соединение между собой статорных и роторных цепей двух двигателей. В двигательном режиме их статоры подключаются к сети через общее коммутирующее устройство, что обеспечивает одновременную подачу питающего напряжения. В режиме противовключения предложено реализовать последовательное соединение статорных обмоток двигателей, что позволяет в два раза снизить напряжение на каждом из них. При этом, что очень важно, величина начальной ЭДС скольжения ротора в режиме противовключения будет такой же, как и в момент пуска двигателей при питании их полным напряжением.
Соединение между собой обмоток ротора позволяет синхронизировать вращение приводных роликов и обеспечить выравнивание нагрузок между ними. Следует отметить, что при реализации противовключения в предложенной схеме нет необходимости завышать вдвое параметры элементов роторного выпрямителя и напряжение инвертора. Кроме того, в этом режиме можно формировать тормозной момент заданной величины во всем диапазоне частоты вращения.
В качестве коммутирующей аппаратуры, необходимой для переключения системы электропривода литейной установки на заданный режим работы (разгон или торможение), возможно применение мощных электромагнитных контакторов или силовых тиристорных коммутаторов, обеспечивающих смену фаз питающего напряжения при переходе из двигательного режима в режим торможения противовключением. К достоинствам силовой схемы, приведенной на рис 3.6, следует отнести следующие качества:
1. простота и надежность реализации;
2. относительно невысокая стоимость электрооборудования;
3. хорошая управляемость, обеспечивающая возможность плавного регулирования скорости от нуля до максимальной;
4. возможность рекуперации энергии в сеть;
5. достаточно высокая жесткость механических характеристик;
6. малая инерционность и малая мощность управления;
7. непосредственное питание двигателя от сети, с учетом коммутирующей аппаратуры.
Наряду с перечисленными достоинствами система АВК обладает и рядом недостатков, основным из которых является снижение перегрузочной способности асинхронного двигателя в схеме АВК до 17% по сравнению с паспортной [10]. Однако в виду возможности рекуперации энергии скольжения в сеть, как в двигательном, так и тормозных режимах, вентильным каскадам свойственно сохранение достаточно высокого К.П.Д. привода при регулировании скорости вращения. К.П.Д. схемы АВК в двигательном режиме определяется в общем виде выражением [10]:
Итак, возможность полезного использования энергии скольжения АД в схеме АВК способствует повышению энергетических показателей привода и определяет высокую экономичность регулирования скорости, что подтверждает техническую возможность и экономическую целесообразность построения электропривода механизма вращения приводных роликов центробежной машины на базе схемы АВК.
Поскольку в проектируемом электроприводе система АВК находит свое применение при неуправляемом роторном блоке, когда сетевая группа вентилей работает инвертором, то вопросы управления преобразователем рассмотрены применительно к инверторному режиму.
Регулирование частоты вращения и тормозного момента АВК при неуправляемом роторном блоке обеспечивается изменением степени регулирования противо-ЭДС инвертора ср, равной [11]:
Величина Eju при фазовом регулировании ЭДС преобразователем зависит от угла управления вентилями инвертора, a Ej,,,, - от напряжения сети или вторичной обмотки трансформатора и схемы инвертора. В разрабатываемом электроприводе применяется мостовая схема преобразователя, которая имеет достаточно высокие технико-экономические показатели.
Выбор закона управления инвертором АВК в первую очередь определяется теми конкретными условиями, в которых будет работать привод (соизмеримость мощности привода и источника питания, характеристика сети и д.р.). При этом должны учитываться условия простоты реализации схемы управления и силовой части преобразователя, его надежность и т.д.
Немаловажным энергетическим показателем электропривода является коэффициент мощности, который в общем случае для схемы АВК определится выражением:
k,=v t P _l l _., (3.6) Уде Ринв ) + \Qi)e + Quae У где Рд(і - активная мощность, потребляемая двигателем со стороны статора; Рит - активная мощность, отдаваемая инвертором в сеть (мощность скольжения); Qde Quue реактивная мощность, потребляемая соответственно двигателем и инвертором; v- коэффициент, учитывающий искажение формы кривых первичных токов двигателя и инвертора (обычно v = 0,955 ). Из (3.6) видно, что АВК ухудшает коэффициент мощности асинхронного привода за счет потребления реактивной мощности инвертором. Следовательно, выбор того или иного алгоритма управления существенно влияет на энергетику привода в целом.
Рис. 3.7 иллюстрирует четыре наиболее технически просто реализуемые закона управления инвертором [11]:
1. Закон симметричного управления при естественной коммутации тока вентилей при /?/ =Д? =Р, а диапазон изменения угла составляет ЇЇ/2.
2. Закон симметричного управления с искусственной коммутацией тока вентилей при /І/ = р2 - Р и р изменяется от 0 до -її/2.
3. Закон несимметричного управления с естественной коммутацией. При таком управлении /?/ =- plmm -- const, а /У? = Р = 0 - (ЇЇ - Pimm) 4. Закон комбинированного управления. Здесь /?/=-/Ь=А а/? изменяется в пределах от 0 до ЇЇ/2.
Математическая модель выпрямительного моста
Для создания математической модели выпрямительного моста, подключенного к роторным обмоткам двигателей, рассмотрим его возможные режимы работы согласно рис 4.7, на котором представлена схема включения роторных обмоток двух-двигательного АВК.
Ввиду того, что роторная обмотка двигателя имеет активно-индуктивный характер (рис. 4.7), в работе выпрямительного моста возможны два режима: 1. В открытом состоянии находятся два диода двух фаз (двухфазный режим). 2. В открытом состоянии находятся три диода всех трех фаз. Причем, два из них включены параллельно, а третий с ними последовательно (трехфазный режим).
Так как для создания математической модели выпрямительного моста предполагается использование средств объектно-ориентированного управления, для удобства предварительно представим совокупность более простых блоков, каждый из которых рассчитывает какую-либо часть исследуемой схемы или электрические процессы, происходящие в этой части схемы. В разрабатываемой модели предполагается выделить следующие блоки:
- блок, контролирующий наличие тока в каждой фазе ротора;
- блок, рассчитывающий величину потенциалов в контрольных точках А, В, С;
- блок, рассчитывающий текущий режим работы моста (двухфазный или трехфазный) в зависимости от значений блоков 1 и 2;
- блок, рассчитывающий управляющие воздействия (выходные сигналы выпрямительного моста, которые поступают в модель двигателей). Теперь необходимо рассмотреть каждый из режимов работы подробнее.
1. Двухфазный режим.
В качестве примера возьмем ситуацию, когда включенными оказываются диоды 1 и 6 фаз А и В (рис. 4.8). Система уравнений для расчета двухфазного режима АВ определится следующим образом:
Регулирование частоты вращения и тормозного момента АВК при неуправляемом роторном блоке обеспечивается изменением противо-ЭДС инвертора (рис. 4.7). В свою очередь регулирование противо-ЭДС инвертора заключается в изменении углов управления вентилями. В общем случае, угол управления группы вентилей с общим катодом (катодная группа) /?/ не равен углу управления вентилей с общим анодом (анодная группа) /32, но сумма углов управления должна быть:
0 \/3,+ р2\ п. На рис.4.11 в качестве примера представлены диаграммы сетевых линейных напряжений, порядок включения вентилей и форма кривой противо-ЭДСпри#=&=0.
Для создания математической модели инвертора необходимо на каждом шаге вычислений определять, какой из тиристоров каждой группы открыт. Для этого лучше всего воспользоваться аппаратом алгебры логики. Примем положительное значение линейного напряжения за "1", а отрицательное значение - за "О". Тогда, как следует из рис. 4.11, вентиль VT открыт при:
Для других вентилей аналогично определены интервалы проводящего состояния, которые сведены в табл. 4.1.
Таким образом, для создания математической модели инвертора необходимо иметь в общем случае две группы линейных синхронизирующих напряжений. Одна группа имеет фазовый сдвиг /7/, для определения открытого состояния вентилей катодной группы, другая имеет фазовый сдвиг f}2, для определения открытого состояния вентилей анодной группы. В данном случае использован закон несимметричного управления с естественной коммутацией тока. Угол безопасного инвертирования выбирается из условия i=30-const, а /?2=0 + (ж-Pi). На рис. 4.12 представлена структурная схема модели инвертора, реализованная в пакете Simulink, а на рис.4.13 - расчетные осциллограммы противо-ЭДС инвертора при различных углах регулирования задания необходимого значения электромагнитного момента, прикладываемого к двигателям на различных этапах работы литейной установки, использовалась табл.2.1, а для определения диапазона изменения угла управления [і -механические характеристики двух-двигательного АВК в режимах разгона и торможения противовключением, представленные, соответственно, на рис. 3.8 и рис.3.9.
