Разработка способа снижения динамических нагрузок электропривода прокатной клети стана холодной прокатки

electrical substation. The mathematical model of a frequency converter with a multilevel active rectifier was elaborated. Researches of transient processes of currents and voltages during voltage drop in 34.5 kV network have been made on the model. Causes of frequency converter tripping were determined and the effectiveness of methods of damping of voltage drops using the static var compensator was proven.

Keywords: voltage drop; frequency converter; active rectifier; hot strip mill main electric drive; static var compensator.

References

1. Khramshin T.R., Krubtsov D.S., Kornilov G.P. Matematicheskaya model' aktivnogo vypryamitelya v nesimmetrichnyh rezhimah raboty [Mathematical model of the active rectifier under unbalanced voltage operating conditions]. Elektrotekhnika: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal [Russian Internet Journal of Electrical Engineering], 2014, vol.1, no.2, pp.3-9.

2. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Anufriyev A.V. Osobennosti elektrosnabzheniya metallurgicheskogo zavoda «MMK Metalurji» [Features of electric power supply of a metallurgical plant "MMK Metalurji"]. Elektrotekhnicheskieye sistemy I kompleksy [Electrical systems and complexes]. Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University, 2012, vol.20, pp.235239.

3. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Ivekeev V.S., Lozhkin I.A., Kotyishev V.E., Tukhvatullin M.M. Ispol'zovanie staticheskogo tiristornogo kompensatora sverhmoshchnoy dugovoy staleplavil'noy pechi dlya obespecheniya ustoychivosti elektroenergeticheskoy sistemy i povysheniya nadezhnosti vnutrizavodskogo elektrosnabzheniya [Using the static thyristor compensator of the ultra-high power electric arc furnace for supporting of electrical power system's stability and increasing reliability of factory power supply]. Mashinostroenie: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal [Russian Internet Journal of Industrial Engineering], 2014, no.1, pp.59-69.

4. Khramshin T.R., Kornilov G.P., Krubtsov D.S., Nikolaev A.A., Karandaeva O.I., Zhuravlev Yu.P. Sposoby povysheniya nadezhnosti ustoychivosti elektroprivodov

nepreryvnyh proizvodstv pri provalah napryazheniya [Methods of increasing the reliability of electric drives of continuous production in a voltage drops]. Vestnik YUzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya «Energetika» [Bulletin of the South Ural State University. Series "Power Engineering"], 2014, vol.14, no.2, pp.80-87.

5. Maklakov A.S. Imitacionnoe modelirovanie glavnogo elektroprivoda prokatnoy kleti tolstolistovogo stana 5000 [Simulation of the main electric drive of the plate mill rolling stand 5000]. Mashinostroenie: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal [Russian Internet Journal of Industrial Engineering], 2014, no.3, pp.16-25.

6. Maklakov A.S., Gasiyarov V.R., Belyi A.V. Energosberegayushchiy elektroprivod na baze dvuhzvennogo preobrazovatelya chastoty s aktivnym vypryamitelem i avtonomnym invertorom napryazheniya [Energy-saving electric drive based on the two-inverter with an active rectifier and autonomous voltage inverter]. Elektrotekhnika: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal [Russian Internet Journal of Electrical Engineering], 2014, no.1, pp.23-30.

7. Shreyner R.T. Matematicheskoye modelirovaniye elektroprivodov peremennogo toka s poluprovodnikovymi preobrazovatelyami chastity [Mathematical simulation of AC drives based on semiconductor frequency converters], Yekaterinburg, UrO RAN, 2010, 654 p.

8. Maklakov A.S., Radionov A.A. Vliyanie na set' trekhfaznogo mostovogo dvuhurovnevogo aktivnogo vypryamitelya napryazheniya pri razlichnyh vidah SHIM [Influence of a triphasic dual level bridge rectifier with different types of PWM to power network]. Mashinostroenie: setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal [Russian Internet Journal of Industrial Engineering], 2013, no.2, pp.40-47.

9. Khramshin T.R., Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Khramshin R.R., Krubtsov D.S. Issledovanie vozdeystviya aktivnyh vypryamiteley bol'shoy moshchnosti na pitayushchuyu set' [Research of influence of high power active rectifiers on main supply] // Vestnik IGJeU [Journal of ISPU], 2013, no. 1, pp. 8083.

УДК 621.313.33 Мещеряков В.Н., Толчеев В.М.

Разработка способа снижения динамических нагрузок

ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

В статье рассмотрен вопрос разработки способа снижения динамических нагрузок элеткропривода прокатной клети стана бесконечной холодной прокатки. Исследование проводилось на примере клети №4 стана бесконечной холодной прокатки «2030» ПХПП ОАО «НЛМК». Затронут вопрос математического описания электромеханической системы прокатной клети как системы с упругостью первого рода. Произведен анализ влияния натяжений на момент нагрузки электропривода стана холодной прокатки. Проведено моделирование системы электропривода прокатной клети. Сделаны выводы о влиянии упругостей на характер упругого момента и динамической нагруженности передач электромеханической системы клети. Рассмотрены методы снижения динамических нагрузок. Разработан оптимальный способ уменьшения упругого момента на систему электропривода прокатной клети. Математическое моделирование проводилось программой МайаЬ 2011, приложением SImulink. Осциллограммы работы прокатного стана сняты программой FADEX.

Ключевые слова: электропривод, холодная прокатка, динамические нагрузки, моделирование.

Введение

Электроприводы станов холодной прокатки -сложные электромеханические системы, испытывающие влияние разного рода возмущений, влияющих на их работу. Вместе с тем предъявляются серьезные тре-

бования к статической и динамической точности заданных параметров. В большинстве случаев компоновка механического оборудования и его состояние оказывает влияние на работу всей системы прокатной клети. Важным является изучение влияния параметров

электромеханической системы электропривода на динамические нагрузки, испытываемые электроприводом [4]. Помимо этого, динамические режимы работы электроприводов прокатного стана во многом зависят от технологических режимов его эксплуатации [5]. Значимым является строгое математическое описание характера изменения момента прокатки и существенных особенностей, вносимых влиянием переднего и заднего натяжений клети.

Станы бесконечной холодной прокатки являются высокопроизводительными станами, непредвиденные простои в работе которых вызывают серьезные экономические убытки. Зачастую простои вызваны сильным износом механической части электропривода ввиду невозможности проведения исследований динамических свойств электромеханических систем прокатных клетей на реальном стане. Осуществление точного математического описания и моделирования системы электропривода позволяет проводить исследования динамических свойств системы, а также разрабатывать методы по снижению нетехнологических нагрузок.

Математическая модель электропривода

прокатной клети

Объектом исследования является прокатная клеть №4 стана бесконечной прокатки «2030». Клеть типа «кварто» имеет два рабочих и два опорных валка, а также механические элементы, связывающие приводные двигатели и рабочие валки. Подвижная механическая часть прокатной клети совершает вращательное движение, причем элементы, входящие в данную систему, являются как элементами с распределенными параметрами и сосредоточенными массами, так и абсолютно упругими элементами. Помимо этого прокатная клеть является многомассовой системой. Струк-

турная схема прокатной клети №4 стана бесконечной холодной прокатки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема

По рис. 1 видно, что электропривод каждого из рабочих валков двухдвигательный, такое решение обосновывается уменьшением суммарного момента инерции. Электродвигатели нижнего валка соединены с помощью муфты, передний двигатель соединен с редуктором через промышленный вал и соединительные муфты, далее вращение через шпиндель и муфты предается рабочему валку. Электропривод верхнего валка имеет аналогичное строение с той лишь особенностью, что соединение переднего двигателя с редуктором осуществляется через вал и промышленный вал. При исследовании динамических свойств крупных машин широкое распространение получила гипотеза эквивалентной упругой системы, состоящей из дискретного числа абсолютно жестких масс, соединенных упругими безынерционными связями [5]. Для составления кинематической схемы разобьем вращающиеся детали на сосредоточенные вращающиеся массы и упругости. На рис. 2 представлена кинематическая схема клети №4 стана бесконечной холодной прокатки.

Рис. 2. Кинематическая схема электромеханической системы клети

На рис. 2 представлены: 1, 3, 26, 29 - электродвигатели постоянного тока; 28, 2 - муфта «двигатель-двигатель»; 25 - муфта «вал-двигатель»; 24 - вал соединительный; 4 - муфта «пром.вал-двигатель»; 23 - муфта «вал-пром.вал»; 5, 22 - пром.вал; 6, 21 - муфта «пром.вал - редуктор»; 7,8 - редуктор верхнего валка ; 20, 19 - редуктор нижнего валка; 9, 18 - муфта «редуктор-шпиндель»; 10, 17 - шпиндели; 16, 11 - головки шпинделей; 14, 13 - рабочие валки; 12, 15 - опорные валки.

Согласно [1] представим электроприводы верхнего и нижнего валков прокатной клети как двухмассо-вые системы, содержащие зазоры в передачах и с наличием упругостей, а также введем учет влияния дис-сипативных сил, с приведением расчетных моментов инерции и жесткостей к валу двигателя. Расчетная схема представлена на рис. 3.

где Я - радиус рабочего валка; М - абсолютное обжатие; У3 - линейная скорость при захвате полосы.

Рис. 3. Приведенная кинематическая расчетная схема

Характер движения данной системы описывается системой дифференциальных уравнений в операторной форме [1]:

\Мдв -М12 = J  p -Qj;

1М12 -Мс = J2 - Р -2-Упругий момент при этом определится [1]

М12 =

С12

где ф2, ф1 - углы поворота второй и первой масс; Дфз - зазор в механических передачах.

Момент нагрузки будет равен [2]

Мн = МПр

где мпр(/) - момент прокатки без натяжения; МДТ - момент от разности натяжений до и после клети.

Момент прокатки без натяжения [3]

,, iMпр (sinюо  ^t - to;

Мпр (t) ^ ,

где ю0 - угловая скорость валка при захвате полосы; t0 - время заполнения очага деформации.

Время заполнения очага деформации [5]

t0 =v R Ah/v,

Момент нагрузки от разности натяжений [2]

f

МАГ = R

T„

V

- Т,

л

У

где твх - натяжение до клети; твых - натяжение после клети; Ивых/квх - отношение толщин металла после и до клети.

Приводные двигатели являются двигателями постоянного тока. Момент, развиваемый двигателем, определится:

М = К Ф^ I

дв ^ дв

Электрическая часть эмс верхнего и нижнего валков имеет ряд особенностей: каждый приводной двигатель постоянного тока имеет индивидуальный преобразователь Simoreg БСМ и соответственно индивидуальный регулятор тока. Задание на ток для каждого преобразователя приходит с выхода регулятора числа оборотов, являющегося общим для двух двигателей одного валка. Регулятор числа оборотов реализован в управляющем контроллере. Стоит отметить, что на приводы клетьевой группы стана приходит общее задание на линейную скорость, а для каждой клети пере-считывается свое задание согласно принципу постоянства секундного объема металла, проходящего через межвалковый промежуток. Затем задание на линейную скорость валков одной клети пересчитывается отдельно для привода верхнего и нижнего валка в зависимости от реального радиуса рабочих валков.

В работе прокатной клети с индивидуальным приводом валков часто имеет место неравномерная загрузка привода верхнего и нижнего валка. Для компенсации неравномерной нагрузки приводных валков предусмотрен регулятор выравнивания моментов. Это регулятор ПИ типа, входными значениями для которого являются значения выхода интегральной составляющей регулятора числа оборотов для верхнего/нижнего валка. Воздействует этот регулятор в канал задания числа оборотов. Он уменьшает момент того двигателя момент которого больше. Максимальное воздействие в канале задания это 1,5 % от заданного числа оборотов.

Модель электромеханической системы прокатной клети представлена на рис. 4.

Для оценки адекватности построения модели реальной системе проведем сравнение осциллограмм линейной скорости и тока и результатов моделирования для привода верхнего валка. Работа системы моделировалась для случая прокатки стали БС01 (толщина 3,2 мм и ширина 1253 мм). На рис. 5 представлена осциллограмма линейной скорости верхнего валка.

На рис. 6 представлена линейная скорость верхнего валка по результатам моделирования.

На рис. 7 представлен ток двигателя верхнего валка (осциллограмма).

На рис. 8 представлен ток двигателя верхнего валка (моделирование).

Рис. 4. Математическая модель электромеханической системы прокатной клети стана холодной прокатки

Рис. 5. Линейная скорость верхнего валка

Рис.6. Линейная скорость верхнего валка

100 п

Рис. 7. Ток двигателя

Сопоставляя графики линейных скоростей и токов, можно сделать вывод о том, что результаты моделирования и реальные осциллограммы имеют высокую сходимость. Это дает право говорить об адекватности модели реальной системе.

Произведем оценку динамической загруженности электропривода прокатного валка согласно результатам моделирования. Нагрузка, возникающая за счет наличия упругостей, оценивается по динамическому коэффициенту. Данный коэффициент характеризует то, насколько момент нагрузки превышает среднее значение нагрузки. Выражение для динамического коэффициента [1]:

Рис. 8. Ток двигателя

определится следующим образом:

_ 9,346 -104 дин " 5,973 -104

= 1,564 * 1,6.

К„ =

Мх

2м2м

М

12с2

На рис. 9 представлен график упругого момента. Для определения динамического коэффициента изменим масштаб рис. 9. На рис. 10 представлен необходимый график.

По графику рис. 10 динамический коэффициент

По значению данного коэффициента можно заключить, что упругие колебания в 1,6 раз увеличивают рабочие нагрузки передач.

Существует множество известных способов снизить динамические нагрузки:

1) использование оптимальных законов управления системой электропривода [1];

2) уменьшения жесткости механических передач [1];

3) использование программных наблюдателей упругого момента и.т.д.

В данном исследовании предлагается несколько снизить колебательность угловой скорости первой массы за счет снижения коэффициента П-части регулятора числа оборотов с существующего 13 до 10.

На рис. 11 представлен график упругого момента с коэффициентом П - части, равным 10.

Рис. 9. Упругий момент привода верхнего валка

Рис. 10. Упругий момент привода верхнего валка

Рис. 11. Упругий момент с коэффициентом П-части, равным 10

По графику рис. 11 динамический коэффициент определиться следующим образом:

=

7,06 lO4 5,99 lO4

= 1,18 «1,2.

Заключение и обсуждение

1. Произведено математическое описание электромеханической системы прокатной клети стана холодной прокатки на примере реальной системы прокатной клети №4 стана «2030» ПХПП ОАО «НЛМК».

2. Произведено математическое описание и моделирование момента нагрузки электропривода прокатной клети с учетом натяжений.

3. Сопоставлены результаты математического моделирования и осциллограммы работы реальной системы. Сделаны выводы о сходимости результатов моделирования и реальных осциллограмм.

4. Произведено математическое описание форми-

рования упругого момента двухмассовой системы с упругостью первого рода и зазорами. Сделаны выводы о динамической нагруженности исследуемой системы.

5. Разработан способ снижения влияния упругого момента, путем снижения динамического коэффициента с 1,6 до 1,2 уменьшением коэффициента П-части регулятора числа оборотов с 13 до 10.

Список литературы

1. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.

2. Афанасьев В.Д. Автоматизированный электропривод в прокатном производстве: учеб. пособие для студентов металлургических вузов. М.: Металлургия, 1977. 281 с.

3. Смирнов В.В., Яковлев Р.Я. Механика приводов прокатных станов. М.: Металлургия. 1977. 216 с.

4. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971. 380 с.

5. Лехов О.С. Динамические нагрузки в линии привода обжимных станов. М.: Машиностроение, 1975. 184 с.

Information in English

Development of a Method for Reducing the Dynamic Loads of the Electric Drive of the Roll Stand of the Cold Rolling Mill

Meshcheryakov V.N., Tolcheev V.M.

The question of the development of a method for reducing the dynamic loads of the electric drive of the mill of the endless cold rolling was reviewed. The research was conducted on the example of the stand №4 cold rolling mill "2030" PHPP "NLMK". The question of the mathematical description of the electromechanical rolling mill system as a system with the elasticity of the first type was discussed. The analysis of the influence of the tensioning in the moment of the cold rolling mill electric drive load was carried out. The simulation of the rolling mill electric drive system was reviewed. The conclusions about the effect of the elasticity presence to the mode of elastic torque and the dynamic loading of electromechanical system mill gears were made. The methods for reducing the dynamic loads were reviewed. The optimum way for reducing the elastic torque to the gear of the electromechanical system mill was developed. Mathematical simulation was carried out using the Matlab 2011 software and application SImulink. Oscillogram charts were created using software FADEX.

Keywords: electric drive, cold rolling, dynamic loads, simulation.

References

1. Kluchev V.I. Teoriya elektroprivoda. Ucheb. dlya vuzov [Theory of electric drive. Proc. for high schools]. 2nd ed. Moscow, Energoatomizdat, 2001, 704 p.

2. Afanasiev V.D. Avtomatizirovannyy elektroprivod v prokatnom proizvodstve: uchebnoe posobie dlya studentov metallurgicheskih vuzov [Automated electric drive in the rolling production: textbook for students of higher educational metallurgical institutions]. Moscow, Metallurgiya [Metallurgy], 1977, 281 p.

3. Smirnov V.V. Mekhanika privodov prokatnyh stanov [Mechanics of rolling mill drives]. Moscow, Metallurgiya [Metallurgy], 1977, 216 p.

4. Kluchev V.I. Ogranichenie dinamicheskih nagruzok elektroprivoda [Limitation of dynamic loads of the drive]. Moscow, Energiya [Energy], 1971, 380 p.

5. Lehov O.S. Dinamicheskie nagruzki v linii privoda obzhimnyh stanov [Dynamic loads in the drive line of roughing mill]. Moscow,Mashinostroenie [Mechanical engineering], 1975, 184 p.