АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОКАТНОГО СТАНА
AUTOMATED ELECTRIC DRIVE OF ROLLING MILL

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в составе промышленных автоматизированных технологических комплексов прокатного производства.
Известны автоматизированные электроприводы прокатных станов, содержащие электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик напряжения на якорной обмотке двигателя, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора напряжения (Патент РФ №2065660. Опубл. 20.08.96, Бюл. №23, МПК H02P 5/06; Патент РФ №249.1705. Опубл. 27.08.2013, Бюл. №24, МПК H02P 7/06, Н02Р 7/14; Патент РФ №2068615. Опубл. 27.10.96. МКИ H02P 5/06, Бюл. №30; Пiвняк Г.Г., Бешта О.С., Фiлькiн М.П. Автоматизировании електропривод у прокатному виробництвi. - Днiпропетровськ, Нацiнальний гiрничий унiверситет. - 2008, с.121, рис.4.11).
В известных автоматизированных электроприводах прокатных станов осуществляется регулирование скорости и подчиненное регулирование тока двигателя. При работе электропривода в составе прокатного стана в результате пластической деформации металла происходит изменение нагрузки, приводящее к нарушению устойчивой работы электропривода и возникновению колебаний.
Следовательно, недостатком известных технических решений является низкое качество регулирования и повышенные динамические нагрузки при прокатке металлов.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является автоматизированный электропривод прокатного стана, содержащий двигатель постоянного тока, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик, датчик напряжения якорной обмотки двигателя, подключенный к выходу усилителя мощности, регулятор напряжения и блок ограничения, датчик угловой скорости двигателя, выходы задатчика и датчика угловой скорости двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения, выход которого подключен через блок ограничения к первому суммирующему входу регулятора напряжения и непосредственно к первому входу нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию
2
e
где ε, u - первый и второй входные сигналы; U - напряжение, соответствующее уровню логической единицы, второй вход которого через масштабирующий усилитель подключен к выходу задатчика, а выход соединен с управляющим входом управляемого ключа, присоединенного между вторым суммирующим входом регулятора напряжения и выходом второго элемента сравнения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения (Патент РФ №2254665, МПК H02P 5/06. - Опубл. 20.06.2005, Бюл. №17).
В известном электроприводе осуществляется регулирование скорости и напряжения на якорной обмотке и подчиненное регулирование тока двигателя. При работе электропривода в составе прокатного стана в результате пластической деформации металла происходит изменение нагрузки, приводящее к нарушению устойчивой работы электропривода и возникновению колебаний.
Следовательно, недостатком известного технического решения является низкое качество регулирования и повышенные динамические нагрузки при прокатке металлов.
Цель предлагаемого изобретения - повышение качества регулирования и снижение динамических нагрузок в электроприводе путем повышения устойчивости и демпфирования колебаний при прокатке металлов.
Поставленная цель достигается тем, что в известный автоматизированный электропривод прокатного стана, содержащий двигатель постоянного тока, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик, датчик напряжения якорной обмотки двигателя, подключенный к выходу усилителя мощности, регулятор напряжения и блок ограничения, дополнительно введены датчик скорости прокатки и последовательно соединенные линейное динамическое звено с передаточной функцией
,
э
м
где r - активное сопротивление якорной обмотки; Т и Т - электромагнитная и электромеханическая постоянные времени двигателя, и блок регулируемого запаздывания, а регулятор тока оснащен вторым суммирующим и вторым вычитающим входами, первый суммирующий вход регулятора тока соединен через блок ограничения с выходом регулятора напряжения, второй суммирующий вход подключен к выходу блока регулируемого запаздывания, управляющий вход которого подключен к выходу датчика скорости прокатки, а второй вычитающий вход регулятора тока соединен с выходом линейного динамического звена, вход которого подключен к выходу регулятора тока, а выходы задатчика и датчика напряжения якорной обмотки двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам регулятора напряжения.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый автоматизированный электропривод прокатного стана имеет следующие новые признаки:
- датчик скорости прокатки;
- линейное динамическое звено с передаточной функцией
;
- блок регулируемого запаздывания,
- регулятор тока оснащен вторым вычитающим входом.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения обеспечивается повышение качества регулирования и снижение динамических нагрузок путем ограничения колебаний, вызванных нелинейной зависимостью момента прокатки от угловой скорости электропривода коррекцией контура тока электропривода. При захвате слитка валками происходит возрастание тока электрического двигателя и формирование корректирующего сигнала, действующего на входе регулятора тока и способствующего стабилизации скорости и быстрому установлению тока, необходимого для создания момента прокатки.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Известны регуляторы тока, оснащенные несколькими входами (суммирующими и вычитающими) в электроприводах (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М., Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г. Иванов и др. - Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3).
В известных технических решениях и предлагаемом устройстве регуляторы с несколькими входами выполняют аналогичные функции.
Датчики скорости прокатки, блоки регулируемого запаздывания и линейные динамические звенья с передаточной функцией
,
э
м
где r - активное сопротивление якорной обмотки; Т и Т - электромагнитная и электромеханическая постоянные времени двигателя, в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема автоматизированного электропривода, на фиг. 2 показаны процессы при прокатке металлов в предлагаемом электроприводе с коррекцией и без корректирующего воздействия.
Электропривод прокатного стана (фиг.1) содержит задатчик 1, регулятор напряжения 2, блок ограничения 3, блок регулируемого запаздывания 4, регулятор тока 5, линейное динамическое звено 6 с передаточной функцией
,
э
м
где r - активное сопротивление якорной обмотки; Т и Т - электромагнитная и электромеханическая постоянные времени двигателя, датчик скорости прокатки 7, усилитель мощности 8, датчик тока 9, датчик напряжения 10, двигатель постоянного тока 11.
В предлагаемом автоматизированном электроприводе прокатного стана якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 11 через датчик тока 9 подключена к выходу усилителя мощности 8, вход которого соединен с выходом регулятора тока 5, подключенного первым суммирующим входом к выходу регулятора скорости 9 и вторым суммирующим входом через блок ограничения 3 к выходу регулятора напряжения 2, первым вычитающим входом к выходу датчика тока 9, вторым суммирующим входом к выходу блока регулируемого запаздывания 4, вход которого объединен с вторым вычитающим входом регулятора тока 5 и через линейное динамическое звено 6 соединен с выходом регулятора тока 5, управляющий вход блока регулируемого запаздывания подключен к выходу датчика скорости прокатки 7.
Автоматизированный электропривод прокатного стана работает следующим образом. Якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 11 подключена к выходу усилителя мощности 8. Регулирование скорости Ω двигателя осуществляется изменением напряжения на якорной обмотке. Ток двигателя 11 измеряется с помощью датчика тока 9, например шунта. Измерение напряжения на якорной обмотке двигателя 11 производится датчиком напряжения 10.
1
10
1
10
5
3
9
4
6
На суммирующий вход регулятора напряжения 2 с выхода задатчика 1 поступает сигнал u, пропорциональный требуемому значению скорости двигателя 11. На вычитающий вход регулятора напряжения 2 поступает выходной сигнал u датчика 10 напряжения на якорной обмотке двигателя, пропорциональный скорости Ω вращения ротора двигателя 11. В регуляторе напряжения 3 производится вычисление ошибки регулирования ε=u-u и преобразование ее в соответствии с законом регулирования, например пропорциональным. Выходной сигнал регулятора напряжения 2 через блок ограничения 3 поступает на первый суммирующий вход регулятора тока 5, на первом вычитающем входе которого действует выходной сигнал датчика тока 9. На втором вычитающем входе регулятора тока 5 действует выходной сигнал этого же регулятора, преобразованный линейным динамическим звеном 6. На второй суммирующий вход регулятора тока 5 поступает выходной сигнал линейного динамического звена 6, задержанный на интервал времени τ с блока регулируемой задержки 4. Интервал времени τ регулируется выходным сигналом датчика скорости прокатки 7. Регулятор тока 5 вычисляет рассогласование ε=u-u+u-u и формирует сигнал управления для усилителя мощности 8.
<mrow><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>s</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>э</mi></msub><mi>s</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>э</mi></msub><msub><mi>T</mi><mi>м</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>s</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>r</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mi>м</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Возникновение повышенных динамических нагрузок связано с относительно низким быстродействием электропривода при формировании тока в якорной обмотке двигателя, наличием люфта и инерционностью механической системы прокатного стана. Следовательно, контур тока можно рассматривать как объект управления с запаздыванием. В данном случае, объектом управления является контур тока, передаточная функция которого
, а значение времени запаздывания равно τ и зависит от скорости прокатки.
В предлагаемом электроприводе при установившемся режиме работы выходной сигнал регулятора тока 5 практически не изменяется, поэтому на выходе линейного звена 6, передаточная функция которого
соответствует реальному дифференцирующему звену, сигнал имеет значение, близкое к 0. Сигнал на выходе блока регулируемой задержки 4 практически повторяет входной сигнал, т.е. совпадает с сигналом на выходе линейного динамического звена 6. Сигналы на втором суммирующем и втором вычитающем входах регулятора тока 5 практически равны по модулю, но имеют противоположные знаки, и, следовательно, компенсируют друг друга. Поэтому в установившемся режиме корректирующая связь, состоящая из линейного динамического звена 6 и блока регулируемой задержки 4, не оказывает влияние на работу электропривода.
При захвате прокатываемого слитка валками происходит увеличение нагрузки электропривода. В результате этого возрастает ток электрического двигателя 11. Возрастающий сигнал с выхода датчика тока 9 поступает на первый вычитающий вход регулятора тока 5, благодаря чему происходит уменьшение выходного сигнала регулятора тока. Уменьшение выходного сигнала регулятора тока 5 приводит к резкому увеличению отрицательного выходного сигнала линейного динамического звена 6. Этот сигнал действует на втором вычитающем входе регулятора тока 5, а так как имеет отрицательный знак, то вызывает резкое увеличение выходного сигнала регулятора тока. В результате этого возрастает выходное напряжение усилителя мощности 8, благодаря чему стабилизируется угловая скорость двигателя и происходит быстрое установление тока двигателя, обеспечивающего прокатку слитка. При этом не развиваются колебания скорости и снижается максимальное значение динамического момента.
Рассмотренный процесс происходит в течение интервала времени τ, после чего на второй суммирующий вход регулятора тока 5 поступает задержанный корректирующий сигнал с выхода блока задержки 4. Этот сигнал частично компенсирует действие сигнала с выхода линейного динамического звена 6, а после выхода электропривода на установившийся режим практически не оказывает влияния на работу системы.
Величина задержки τ зависит от скорости прокатки. Поэтому в предлагаемом техническом решении предусмотрено ее регулирование в зависимости от выходного сигнала датчика скорости прокатки 7.
Таким образом, в предлагаемом автоматизированном электроприводе при захвате слитка валками происходит формирование корректирующего сигнала, способствующего стабилизации скорости и быстрому установлению тока, необходимого для создания момента прокатки.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено компьютерное моделирование электропривода, реализованного по схеме, изображенной на фиг.1. Параметры системы имели следующие значения.
2
у
рт
рт
рн
Двигатель постоянного тока: активное сопротивление якоря r=0,0244 Ом; индуктивность якорной цепи L=0,0046 Гн; конструктивная постоянная c=1 В·с/рад; приведенный момент инерции J=130 кг·м; усилитель мощности: коэффициент передачи k=132; пропорционально-интегральный регулятор тока: коэффициент передачи k=0,0244; постоянная времени Т=5,3043 с; пропорциональный регулятор напряжения: коэффициент передачи регулятора k=80, величина зазора в передаче 0,1 рад, τ=0,1 с.
Результаты имитационного моделирования приведены на фиг.2 (Мотн - крутящий момент на валу двигателя по отношению к номинальному моменту двигателя). Результаты свидетельствуют об уменьшении крутящего момента в 2 раза.
Таким образом, использование в известном автоматизированном электроприводе прокатного стана, содержащем двигатель постоянного тока, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик напряжения якорной обмотки двигателя, подключенный к выходу усилителя мощности, выходы задатчика и датчика напряжения якорной обмотки двигателя подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам регулятора напряжения, и блок ограничения, дополнительно датчика скорости прокатки и последовательно соединенных линейного динамического звена с передаточной функцией
,
э
м
где r - активное сопротивление якорной обмотки; Т и Т - электромагнитная и электромеханическая постоянные времени двигателя, и блока регулируемого запаздывания, и оснащение регулятора тока вторым вычитающим входом, при этом первый суммирующий вход регулятора тока соединен через блок ограничения с выходом регулятора напряжения, второй суммирующий вход подключен к выходу блока регулируемого запаздывания, управляющий вход которого подключен к выходу датчика скорости прокатки, а второй вычитающий вход регулятора тока соединен с выходом линейного динамического звена, вход которого подключен к выходу регулятора тока, позволяет увеличить качество регулирования и уменьшить динамические нагрузки электропривода путем повышения устойчивости и демпфирования колебаний при прокатке металлов.
Использование предлагаемого устройства в промышленных системах управления прокаткой металлов позволит повысить технический уровень оборудования и качество технологического процесса.