Содержание к диссертации
Введение
1. Электромеханические системы входного участка агрегата непрерывного горячего цинкования 11
1.1. Технология производства и состав оборудования АНГЦ 11
1.2. Назначение и устройство входного накопителя полосы 16
1.3. Требования, предъявляемые к электроприводу входного накопителя полосы 18
1.4. Тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода накопителя 19
1.5. Функциональная схема электропривода накопителя 25
1.6. Система управления электроприводами входного участка 28
1.7. Анализ переходных режимов электроприводов входного участка 31
1.8. Оценка взаимного влияния координат электроприводов входного участка 35
1.9. Анализ известных разработок 39
1.10. Выводы и постановка задачи исследований 43
2. Разработка математической модели накопителя полосы 46
2.1. Структурная схема трехмассовой системы 46
2.2. Определение моментов инерции трехмассовой системы 50
2.2.1. Момент инерции намоточного барабана 50
2.2.2. Моменты инерции рамы накопителя и противовесов 52
2.3. Определение коэффициентов жесткости упругих элементов 57
2.4. Определение моментов статических сопротивлений 59
2.5. Структурная схема механической части в абсолютных параметрах 61
Выводы 65
3. Математическая модель взаимосвязанных электроприводов входного участка 66
3.1. Разработка математической модели 67
3.2. Учет влияния диссипативных сил 76
3.3. Модели систем управления 80
3.4. Исследование частотных свойств взаимосвязанных электроприводов 83
3.4.1. ЛАЧХ по управляющему воздействию 83
3.4.2. Частотные свойства при возмущающих воздействиях 90
3.5. Оценка влияния параметров электромеханической системы на ее частотные свойства 93
Выводы 99
4. Разработка усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя 101
4.1. Условие демпфирования колебаний натяжения полосы 101
4.2. Система управления с корректирующей обратной связью 105
4.3. Исследование частотных свойств разработанной системы 110
4.4. Реализация системы управления с корректирующей обратной связью 115
4.4.1. Функциональная схема системы автоматического регулирования 115
4.4.2. Формирование задания на момент двигателя накопителя 118
4.4.3. Формирование задания на скорость двигателя накопителя.
Управление в аварийных режимах 120
4.5. Система векторного управления 122
Выводы 129
5. Моделирование рабочих режимов. промышленная реализация. экспериментальные исследования 131
5.1. Разработка математической модели для исследования рабочих режи
мов электропривода накопителя 131
5.1.1. Блок-схема модели 132
5.1.2. Блок формирования управляющих воздействий 133
5.1.3. Математическая модель системы векторного управления 134
5.2. Расчет регуляторов традиционной и усовершенствованной систем .139
5.2.1. Передаточные функции регуляторов 139
5.2.2. Расчет параметров структурной схемы системы векторного управления 141
5.3. Исследование рабочих режимов электропривода входного накопителя 143
5.3.1. Режим установки накопителя под натяжение 143
5.3.2. Моделирование режимов тахограммы входного участка 151
5.4. Внедрение разработанных технических решений на агрегате непре рывного горячего цинкования 159
5.4.1. Общие принципы управления электроприводами входного участка 159
5.4.2. Практическая реализация результатов разработок 163
5.5. Результаты экспериментальных исследований 164
5.6. Оценка экономического эффекта, полученного от внедрения результатов работы 168
Выводы 171
Заключение 173
Литература 175
Приложения 183
- Назначение и устройство входного накопителя полосы
- Структурная схема трехмассовой системы
- Разработка математической модели
- Условие демпфирования колебаний натяжения полосы
Введение к работе
Оцинкованный стальной лист - один из наиболее востребованных в мировом хозяйстве конструкционных материалов. Это продукция металлургического производства с высокой добавленной стоимостью. Основным свойством оцинкованной стали, определяющим его промышленное использование является высокая коррозионная стойкость при сохранении всех качеств обычного стального листа без покрытий [1].
На сегодняшний день в мире действует около 550 агрегатов по оцинко-ванию стального листа. В структуре мирового потребления металлопродукции доля оцинкованного проката составляет порядка 8-9%. В развитых странах эта доля выше: в США - 16%, в Европе 10,5%, в Японии - 12%; в развивающихся странах: в Китае - 4%, в России - 6%. Уже первые рыночные изменения в экономике России мгновенно сформировали высокий спрос на кор-розионностойкий оцинкованный лист. За последние 20 лет мировой рынок оцинкованной продукции вырос более чем в 2 раза. В странах Восточной Европы потребление оцинковки выросло вдвое за последнее десятилетие, а в России - менее чем за 5 лет.
Задел отечественного производства был создан Новолипецким металлургическим комбинатом (г. Липецк), получившим японскую линию горячего цинкования Nippon Steel мощностью 390 тыс. т/год в 1982 г. С тех пор ввод производственных мощностей на НЛМК, далее - Северстали и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО«ММК») не прекращался. На конец 2005 года совокупные мощности горячего цинкования стального листа в России достигли 2,9 млн т в год, и планируется их дальнейшее развитие.
К наиболее известным фирмам, осуществляющим поставку оборудования, используемого для горячего цинкования стального листа, следует отнести "Уралмаш" (Россия), "ССМ-Тяжмаш" (Россия), "НКМЗ" (Украина), Voest Alpine (Австрия), Danieli (Италия), SMS Demag (Германия), DUMA (Германия), CMI (Бельгия), Cockeril (Бельгия) [2-7].
Агрегат непрерывного горячего цинкования (АНГЦ) был построен в ОАО «ММК» при участии итальянской компании "Danieli" и введен в эксплуатацию в июле 2002 года. Проектная мощность агрегата составляет 500 тыс. т оцинкованного металла в год. Это первый в России агрегат цинкования подобной мощности и такого уровня. Выпускаемой продукцией агрегата является оцинкованный металлопрокат толщиной 0,4 - 2,0 мм и шириной 1000 - 1650 мм разнообразного назначения: общего (ОН), для холодного профилирования (ХП), под окраску (ПК), для штамповки (ХШ), для весьма глубокой (ВГ) и весьма особосложной (ВОСВ) вытяжки [8]. Следует отметить, что наиболее ценной выпускаемой продукцией является холоднокатаный оцинкованный лист марки IF006 для весьма особосложной вытяжки, используемый в автомобильной промышленности, к которому предъявляются наиболее строгие требования к качеству оцинковки и отсутствию царапин на поверхности листа [9].
Большей частью данные агрегаты представляют собой современные технологические комплексы, в которых интегрированы новейшие средства преобразовательной и вычислительной техники, а также реализована полная автоматизация технологического процесса с многоуровневой структурой.
Освоение проектной мощности АНГЦ прошло в относительно короткие сроки, в результате чего остались нерешенными некоторые вопросы, относящиеся к качеству покрытия, устойчивости и стабильности отдельных узлов и механизмов. Эти проблемы обусловлены как технологией и работой механического оборудования, так и с настройкой электроприводов.
Современный производственный комплекс полностью автоматизирован, в нем совмещается несколько технологических операций: химочистки, термохимической обработки, нанесения покрытия, дрессировки, правки и т.д. [10]. Технологическая линия агрегата по характеру скоростей передвижения полосы разделена на три зоны: входную, технологическую и выходную. Непрерывность процесса цинкования в технологической зоне обеспечена за счет применения специальных петлевых устройств - накопителей полосы,
7 расположенных в начале и в конце технологической зоны [2, 11]. Проект, монтаж и наладка оборудования выполнены итальянским отделением фирмы "Danieli". Всего на агрегате установлено более 150 электроприводов с асинхронными двигателями мощностью от 5 до 480 кВт. Питание двигателей осуществляется от индивидуальных преобразователей Simowert Master Drive, которые выполняются с групповыми вентильными инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и групповым выпрямителем [12,13].
В процессе эксплуатации АНГЦ выявлен ряд участков технологической линии, где была зафиксирована нестабильная работа электроприводов, отрицательно сказывающаяся на ходе технологического процесса обработки полосы и нередко приводящая к аварийным ситуациям, связанным с остановкой агрегата [14-16]. Одним из них является участок линии, включающий натяжную станцию №1а, входной накопитель полосы, секцию очистки и натяжную станцию №2. На данном участке были выявлены значительные колебания натяжения полосы между входным накопителем и натяжными станциями, возникающие при изменении скорости перемещения подвижной рамы накопителя, а также при установке привода накопителя под натяжение. Помимо этого, при обработке определенного типа сортамента с большим значением натяжения полосы в накопителе были зафиксированы аварийные ситуации обрыва тросов барабана и полосы при запуске линии после плановых ремонтных работ.
Колебания от накопителя передаются через стальную полосу на соседние электроприводы: секции химической очистки и натяжной станции №2, и через них попадают в печную секцию, вызывая тем самым колебания натяжения. Прохождение колебаний в печь обусловлены тем, что системы управления электроприводов механизмов, находящихся в технологическом промежутке между накопителем и печной секцией, выполнены по принципу косвенного регулирования натяжения посредством регулирования момента привода (САРМ). При таком построении регулятор скорости в нормальном
8 режиме работы находится в неактивном (насыщенном) состоянии, и как следствие, данные электроприводы не чувствительны к изменениям скорости и пропускают возмущения, передаваемые по полосе от соседних механизмов. Существующая конструкция печи не исключает возможного касания полосы об ее конструктивные элементы, приводящей к появлению царапин на ее поверхности при колебаниях натяжения [17].
В процессе наладочных работ и в течение длительного периода эксплуатации АНГЦ ОАО «ММК» выявлен ряд факторов, которые не позволяют обеспечивать запланированный объем выпуска автолиста высокого качества. К ним относятся:
Вибрация и изгиб полосы в поперечной плоскости по типу «короб», что вызывает ее неравномерный нагрев в печи и, как следствие, неравномерное нанесение цинкового покрытия и появление «меток» на полосе.
Несогласованность скоростных режимов отдельных участков технологической линии, что приводит к снижению скорости обработки автолиста до 60 м/мин при скорости обработки листа рядового сортамента около 180 м/мин.
Неустойчивая работа электроприводов участка нагревательной печи на «ползучей скорости», что повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Основной причиной названных неблагоприятных факторов является несовершенство алгоритмов и систем автоматического управления технологическими параметрами входной зоны накопителя.
Целью диссертационной работы является повышение устойчивости технологического процесса и увеличение производительности агрегата непрерывного горячего цинкования за счет стабилизации натяжения путем совершенствования алгоритмов и систем управления электроприводами входного участка.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за-дач:
Анализа режимов электроприводов входного участка АНГЦ с целью обоснования уточненных требований к электроприводу накопителя, учитывающих реальные колебательные режимы натяжения в переходных процессах. Анализа нагрузочной диаграммы и тахограммы электропривода за цикл обработки полосы с целью выявления наиболее ответственных динамических режимов.
Разработки математической модели механической части входного накопителя полосы как многомассовой системы и математической модели взаимосвязанных электроприводов входного участка. Исследования частотных свойств взаимосвязанных электромеханических систем методами математического моделирования.
Разработки способа повышения демпфирования колебаний натяжения полосы и усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя.
Исследования частотных свойств и динамических характеристик электропривода накопителя в составе разработанной системы.
Промышленного внедрения разработанной системы управления на агрегате непрерывного горячего цинкования. Проведения экспериментальных исследований, оценки экономической эффективности.
Содержание работы изложено в пяти главах:
В первой главе представлен анализ технологического режима АНГЦ и режимов электромеханических систем входного участка, обоснованы требования к электроприводу входного накопителя. Выполнен анализ динамических режимов на основе построенной тахограммы и осциллограмм электроприводов накопителя и натяжных станций. Дан анализ взаимосвязи координат электромеханических систем входного участка, рассмотрена существующая система управления электроприводами накопителя.
Во второй главе разработана математическая модель механизма накопителя как многомассовой системы, построенная с учетом упругих взаимосвязей, образованных системой тросов, соединяющих намоточный барабан и противовесы с подвижной рамой. Представлен расчет моментов инерции ка-
10 ждой массы, моментов статических сопротивлений, определены коэффициенты жесткости для упругих элементов.
В третьей главе разработана математическая модель взаимосвязанных электроприводов входного участка, учитывающая инерционность масс и влияние упругих элементов: тросов барабана и противовеса. Реализованы модели систем управления скоростью натяжных станций и моментом электропривода накопителя полосы, учтено и математически описано влияние диссипативных сил, обусловленных моментами внутреннего вязкого трения в упругих элементах. Дан анализ логарифмических амплитудно-частотных характеристик исследуемой системы по управляющему и возмущающим воздействиям.
В четвертой главе представлен анализ структурной схемы системы взаимосвязанных электроприводов входного участка, на основании которого предложен способ демпфирования колебаний натяжения полосы. Разработана функциональная схема усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя, выполнены исследования частотных свойств и переходных характеристик.
В пятой главе представлена универсальная модель входного участка АНГЦ, включающая математическое описание системы векторного управления с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора приводного двигателя. Представлены результаты исследований основных технологических режимов за цикл обработки полосы, выполненные на модели, а также результаты внедрения разработанных технических решений. Дана оценка технико-экономической эффективности внедрения.
В заключении сделаны выводы по работе.
В приложении приведены данные механизмов и электрооборудования входного участка АНГЦ, представлены расчет нагрузочной диаграммы электропривода накопителя и акт внедрения результатов работы.
По содержанию диссертационной работы опубликовано 11 научных трудов, в том числе 1 в рецензируемом издании и 1 патент РФ на полезную модель. Полученные результаты докладывались и обсуждались на 5 конференциях и семинарах различного уровня, в том числе - одной Международной и одной Всероссийской.
Назначение и устройство входного накопителя полосы
Оцинкованный стальной лист - один из наиболее востребованных в мировом хозяйстве конструкционных материалов. Это продукция металлургического производства с высокой добавленной стоимостью. Основным свойством оцинкованной стали, определяющим его промышленное использование является высокая коррозионная стойкость при сохранении всех качеств обычного стального листа без покрытий [1].
На сегодняшний день в мире действует около 550 агрегатов по оцинко-ванию стального листа. В структуре мирового потребления металлопродукции доля оцинкованного проката составляет порядка 8-9%. В развитых странах эта доля выше: в США - 16%, в Европе 10,5%, в Японии - 12%; в развивающихся странах: в Китае - 4%, в России - 6%. Уже первые рыночные изменения в экономике России мгновенно сформировали высокий спрос на кор-розионностойкий оцинкованный лист. За последние 20 лет мировой рынок оцинкованной продукции вырос более чем в 2 раза. В странах Восточной Европы потребление оцинковки выросло вдвое за последнее десятилетие, а в России - менее чем за 5 лет.
Задел отечественного производства был создан Новолипецким металлургическим комбинатом (г. Липецк), получившим японскую линию горячего цинкования Nippon Steel мощностью 390 тыс. т/год в 1982 г. С тех пор ввод производственных мощностей на НЛМК, далее - Северстали и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО«ММК») не прекращался. На конец 2005 года совокупные мощности горячего цинкования стального листа в России достигли 2,9 млн т в год, и планируется их дальнейшее развитие.
К наиболее известным фирмам, осуществляющим поставку оборудования, используемого для горячего цинкования стального листа, следует отнести "Уралмаш" (Россия), "ССМ-Тяжмаш" (Россия), "НКМЗ" (Украина), Voest Alpine (Австрия), Danieli (Италия), SMS Demag (Германия), DUMA (Германия), CMI (Бельгия), Cockeril (Бельгия) [2-7]. Агрегат непрерывного горячего цинкования (АНГЦ) был построен в ОАО «ММК» при участии итальянской компании "Danieli" и введен в эксплуатацию в июле 2002 года. Проектная мощность агрегата составляет 500 тыс. т оцинкованного металла в год. Это первый в России агрегат цинкования подобной мощности и такого уровня. Выпускаемой продукцией агрегата является оцинкованный металлопрокат толщиной 0,4 - 2,0 мм и шириной 1000 - 1650 мм разнообразного назначения: общего (ОН), для холодного профилирования (ХП), под окраску (ПК), для штамповки (ХШ), для весьма глубокой (ВГ) и весьма особосложной (ВОСВ) вытяжки [8]. Следует отметить, что наиболее ценной выпускаемой продукцией является холоднокатаный оцинкованный лист марки IF006 для весьма особосложной вытяжки, используемый в автомобильной промышленности, к которому предъявляются наиболее строгие требования к качеству оцинковки и отсутствию царапин на поверхности листа [9].
Большей частью данные агрегаты представляют собой современные технологические комплексы, в которых интегрированы новейшие средства преобразовательной и вычислительной техники, а также реализована полная автоматизация технологического процесса с многоуровневой структурой.
Освоение проектной мощности АНГЦ прошло в относительно короткие сроки, в результате чего остались нерешенными некоторые вопросы, относящиеся к качеству покрытия, устойчивости и стабильности отдельных узлов и механизмов. Эти проблемы обусловлены как технологией и работой механического оборудования, так и с настройкой электроприводов.
Современный производственный комплекс полностью автоматизирован, в нем совмещается несколько технологических операций: химочистки, термохимической обработки, нанесения покрытия, дрессировки, правки и т.д. [10]. Технологическая линия агрегата по характеру скоростей передвижения полосы разделена на три зоны: входную, технологическую и выходную. Непрерывность процесса цинкования в технологической зоне обеспечена за счет применения специальных петлевых устройств - накопителей полосы, расположенных в начале и в конце технологической зоны [2, 11]. Проект, монтаж и наладка оборудования выполнены итальянским отделением фирмы "Danieli". Всего на агрегате установлено более 150 электроприводов с асинхронными двигателями мощностью от 5 до 480 кВт. Питание двигателей осуществляется от индивидуальных преобразователей Simowert Master Drive, которые выполняются с групповыми вентильными инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и групповым выпрямителем [12,13].
В процессе эксплуатации АНГЦ выявлен ряд участков технологической линии, где была зафиксирована нестабильная работа электроприводов, отрицательно сказывающаяся на ходе технологического процесса обработки полосы и нередко приводящая к аварийным ситуациям, связанным с остановкой агрегата [14-16]. Одним из них является участок линии, включающий натяжную станцию №1а, входной накопитель полосы, секцию очистки и натяжную станцию №2. На данном участке были выявлены значительные колебания натяжения полосы между входным накопителем и натяжными станциями, возникающие при изменении скорости перемещения подвижной рамы накопителя, а также при установке привода накопителя под натяжение. Помимо этого, при обработке определенного типа сортамента с большим значением натяжения полосы в накопителе были зафиксированы аварийные ситуации обрыва тросов барабана и полосы при запуске линии после плановых ремонтных работ.
Структурная схема трехмассовой системы
В процессе эксплуатации АНГЦ выявлен ряд участков технологической линии, где была зафиксирована нестабильная работа электроприводов, отрицательно сказывающаяся на ходе технологического процесса обработки полосы и нередко приводящая к аварийным ситуациям, связанным с остановкой агрегата [14-16]. Одним из них является участок линии, включающий натяжную станцию №1а, входной накопитель полосы, секцию очистки и натяжную станцию №2. На данном участке были выявлены значительные колебания натяжения полосы между входным накопителем и натяжными станциями, возникающие при изменении скорости перемещения подвижной рамы накопителя, а также при установке привода накопителя под натяжение. Помимо этого, при обработке определенного типа сортамента с большим значением натяжения полосы в накопителе были зафиксированы аварийные ситуации обрыва тросов барабана и полосы при запуске линии после плановых ремонтных работ.
Колебания от накопителя передаются через стальную полосу на соседние электроприводы: секции химической очистки и натяжной станции №2, и через них попадают в печную секцию, вызывая тем самым колебания натяжения. Прохождение колебаний в печь обусловлены тем, что системы управления электроприводов механизмов, находящихся в технологическом промежутке между накопителем и печной секцией, выполнены по принципу косвенного регулирования натяжения посредством регулирования момента привода (САРМ). При таком построении регулятор скорости в нормальном режиме работы находится в неактивном (насыщенном) состоянии, и как следствие, данные электроприводы не чувствительны к изменениям скорости и пропускают возмущения, передаваемые по полосе от соседних механизмов. Существующая конструкция печи не исключает возможного касания полосы об ее конструктивные элементы, приводящей к появлению царапин на ее поверхности при колебаниях натяжения [17].
В процессе наладочных работ и в течение длительного периода эксплуатации АНГЦ ОАО «ММК» выявлен ряд факторов, которые не позволяют обеспечивать запланированный объем выпуска автолиста высокого качества. К ним относятся: 1. Вибрация и изгиб полосы в поперечной плоскости по типу «короб», что вызывает ее неравномерный нагрев в печи и, как следствие, неравномерное нанесение цинкового покрытия и появление «меток» на полосе. 2. Несогласованность скоростных режимов отдельных участков технологической линии, что приводит к снижению скорости обработки автолиста до 60 м/мин при скорости обработки листа рядового сортамента около 180 м/мин. 3. Неустойчивая работа электроприводов участка нагревательной печи на «ползучей скорости», что повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Основной причиной названных неблагоприятных факторов является несовершенство алгоритмов и систем автоматического управления технологическими параметрами входной зоны накопителя. Целью диссертационной работы является повышение устойчивости технологического процесса и увеличение производительности агрегата непрерывного горячего цинкования за счет стабилизации натяжения путем совершенствования алгоритмов и систем управления электроприводами входного участка. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за-дач: 1. Анализа режимов электроприводов входного участка АНГЦ с целью обоснования уточненных требований к электроприводу накопителя, учитывающих реальные колебательные режимы натяжения в переходных процессах. Анализа нагрузочной диаграммы и тахограммы электропривода за цикл обработки полосы с целью выявления наиболее ответственных динамических режимов. 2. Разработки математической модели механической части входного накопителя полосы как многомассовой системы и математической модели взаимосвязанных электроприводов входного участка. Исследования частотных свойств взаимосвязанных электромеханических систем методами математического моделирования. 3. Разработки способа повышения демпфирования колебаний натяжения полосы и усовершенствованной системы управления электроприводом накопителя. 4. Исследования частотных свойств и динамических характеристик электропривода накопителя в составе разработанной системы. 5. Промышленного внедрения разработанной системы управления на агрегате непрерывного горячего цинкования. Проведения экспериментальных исследований, оценки экономической эффективности.
Разработка математической модели
Подробный анализ осциллограмм позволил установить взаимосвязь между колебаниями угловой скорости приводного двигателя накопителя полосы и колебаниями моментов натяжных станций (рис. 1.13). В частности было обнаружено, что периоды колебаний моментов Мд равны периоду колебаний угловой скорости двигателя накопителя и составляют Танак ТМ]1сЫ ТМнс22 =3,76 с. Также установлено, что колебания моментов натяжных станций происходят в противофазе по отношению друг другу. Анализируя взаимосвязь между колебанием угловой скорости приводного двигателя накопителя и моментов натяжных станций, можем сделать вывод о наличии существенных колебаний натяжения полосы на участках между этими электроприводами. Действительно, ведущие ролики натяжных где к - коэффициент пропорциональности, равный эквивалентному коэффициенту жесткости двадцати ветвей полосы в накопителе; нс2 2 и нс\ а\ линейные скорости ведущих роликов натяжных стан-ций№1аи№2; Vрамы приведенная скорость перемещения рамы накопителя, пропорциональная угловой скорости вращения приводного двигателя (знак «+» соответствует движению рамы вверх, знак «-» - опусканию рамы вниз); - начальное натяжение. то видим что, увеличение скорости рамы накопителя относительно положительного направления движения всегда будет приводить к росту натяжения между накопителем и натяжными станциями. При этом накопитель, действуя через полосу, будет стремиться увеличить скорость натяжной станции №1а, расположенной до накопителя, и уменьшить скорость натяжной станции №2, расположенной после накопителя. Поскольку САР натяжных станций осуществляют поддержание скорости, то для того чтобы сохранить заданную скорость роликов, электроприводы будут реагировать на возмущения резким изменением момента. Причем при увеличении натяжения электропривод натяжной станции №1а создаст отрицательный момент, а электропривод натяжной станции №2 - положительный. Таким образом объясняется противоположная реакция приводов натяжных станций на возмущения накопителя.
Предположительно было сделано заключение о том, что причиной колебаний скорости электропривода входного накопителя полосы и, соответственно, колебаний натяжения полосы в накопителе, являются наличие в механизме накопителя упругих элементов - канатов барабана и противовеса, а также упругие свойства самой полосы, связывающей накопитель с соседними электроприводами. Для подтверждения этого необходимо проведение исследований системы взаимосвязанных электроприводов, включающей в себя электроприводы натяжных станций №1а и №2 и учитывающей влияние упругих элементов. Основными упругими элементами в взаимосвязанной сие 39 теме являются: упругие канаты барабана и противовеса, и упругая полоса, являющаяся главным связующим элементом системы.
В литературе известны устройства для управления электроприводами накопителей полосы, в которых реализован принцип косвенного регулирования натяжения посредством регулирования момента приводного электродвигателя накопителя [27 - 34]. Данные устройства объединяет общее функциональное назначение и наличие идентичных функциональных блоков, из которых можно выделить основные: пропорционально-интегральный регулятор скорости, на выходе которого установлен блок ограничения, блок компенсации динамического момента, блоки алгебраического суммирования. Использование этих устройств позволяет контролировать натяжение полосы при неактивном регуляторе скорости за счет регулирования составляющей момента двигателя, пропорциональной натяжению. Величина данной составляющей задается в качестве уставки блока ограничения. Для компенсации отклонения натяжения в переходных режимах используется блок компенсации динамического момента. Однако при наличии в механизме накопителя упругих элементов с относительно низким значением модуля упругости, например, тросов, соединяющих намоточный барабан и подвижную раму, в переходных режимах при изменении скорости подвижной рамы накопителя, имеют место колебания скорости рамы, что приводит к нежелательным колебаниям натяжения полосы. Таким образом, недостаток устройств состоит в том, что они не обеспечивают компенсацию колебаний натяжения полосы в переходных режимах, связанных с изменением скорости подвижной рамы накопителя полосы.
В качестве примера на рис. 1.14. представлена функциональная схема двухконтурной системы регулирования с внутренним контуром регулирования момента и внешним контуром скорости. Система реализует способ управления электроприводом накопителя полосы, в котором реализован принцип косвенного регулирования натяжения посредством регулирования момента приводного электродвигателя накопителя [34, 35]. Основная идея данного способа заключается в регулировании статической составляющей момента, пропорциональной натяжению полосы в накопителе [36]. Задание на момент формируется с учетом указанной составляющей, а также дополнительных составляющих, связанных с потерями на трение в механической части электропривода, с весом рамы накопителя и динамической составляющей, обусловленной изменением скорости рамы.
Условие демпфирования колебаний натяжения полосы
Математическая модель электромеханической системы накопителя представляет собой взаимосвязанную трехмассовую систему, образованную приводным двигателем, редуктором и намоточным барабаном (первая масса), подвижной платформой с десятью роликами, четырьмя группами роликов полиспаста и двумя роликами противовеса (вторая масса), а также третьей массой двух противовесов. 2. Выполнен расчет моментов инерции механизма накопителя: намоточного барабана, подвижной рамы, опорных роликов, роликов полиспаста и противовесов, основанный на анализе их конструкции и известных данных о геометрических размерах. 3. Выполнен расчет абсолютных и приведенных коэффициентов жесткости основных упругих элементов: тросов, соединяющих барабан с подвижной рамой, и тросов, связывающих подвижную раму и противовесы. В результате подтверждена существенная упругая связь отдельных узлов исследуемой взаимосвязанной системы. 4. Выполнен расчет моментов статических сопротивлений, обусловленных силами трения в передаче от двигателя к барабану, а также силами тяжести перемещающейся платформы с полосой и противовесов, являющихся возмущающими воздействиями в структурной схеме математической модели механизма накопителя. 5. Разработанная математическая модель электромеханической системы накопителя представлена в виде структурной схемы трехмассовой системы в неприведенных координатах с использованием коэффициентов приведения в обратных связях. Это обеспечит дальнейшую разработку математической модели взаимосвязанных электроприводов входного участка без приведения координат, а также наглядное представление результатов моделирования в абсолютных физических единицах.
Для исследования причин возникновения колебаний натяжения в электромеханической системе «натяжная станция №1а - входной накопитель полосы - натяжная станция №2» необходимо разработать математическую модель взаимосвязанных электроприводов входного участка. Модель должна учитывать связь электроприводов через упругую полосу, учитывать инерционность масс и влияние упругих элементов механизма (тросов барабана и противовеса). Поэтому в качестве модели механической части накопителя целесообразно использовать разработанную выше модель трехмассовой системы в абсолютных координатах без приведения параметров к одной массе. Механическую часть входного накопителя полосы представить системой из трех роликов, один из которых является тянущим, а два других - опорными. Также должны быть реализованы модели систем управления скоростью натяжных станций и моментом электропривода накопителя полосы.
В разрабатываемой модели должно быть учтено и математически описано влияние диссипативных сил, обусловленных моментами внутреннего вязкого трения в упругих элементах и способствующих демпфированию собственных колебаний.
Основной задачей математического моделирования является построение и анализ логарифмических амплитудно-частотных характеристик исследуемой системы по управляющему и возмущающим воздействиям. Результатом должно стать выявление причин возникновения колебаний, влияние частоты и резонансных максимумов на переходные характеристики системы.
С помощью разработанной математической модели необходимо дать оценку влияния основных параметров системы на вид частотных характеристик. Это позволит сделать вывод о том, какие массы и упругие связи оказывают наибольшее влияние на колебания натяжения и определить пути ограничения такого влияния.
Моделью механической части входного накопителя является составленная выше в п. 2.5 модель трехмассовой системы в абсолютных координатах без приведения параметров к одной массе (рис. 2.9). Это дает возможность работать с реальными не приведенными координатами, такими как абсолютные значение натяжения в полосе, усилия в тросах барабана и противовеса, угловые скорости вращения электроприводов накопителя и натяжных станций, линейная скорость перемещения подвижной рамы накопителя и линейная скорость движения полосы. Следует отметить, что данный тип математической модели не является традиционным [39, 40, 46], однако в ней не нарушаются законы сохранения энергии, поскольку все коэффициенты приведения для скоростей и сил, действующих в системе, будут присутствовать в качестве коэффициентов обратных связей, связывающих координаты с различной размерностью.
